生物化學課件5.核酸

上海市精品課程系列----生物化學第五章

核酸第五章核酸5.1

概述5.2

核酸的化學成分5.3脫氧核糖核酸（DNA）的結(jié)構(gòu)5.4核糖核酸（RNA）的結(jié)構(gòu)5.5核酸的理化性質(zhì)5.6核酸類物質(zhì)的制備和應用5.1

概述核酸的概念核酸是遺傳物質(zhì)的證明核酸的種類、分布與功能以自學為主5.1

概述核酸的概念是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。5.1

概述核酸是遺傳物質(zhì)的證明肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗噬菌體侵染細菌試驗病毒重建試驗S型肺炎球菌R型肺炎球菌肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗5.1

概述噬菌體侵染細菌試驗5.1

概述煙草花葉病毒M和HR品系的重建試驗5.1

概述核酸的種類、分布與功能脫氧核糖核酸（DeoxyribonucleicAcid,DNA)

原核：裸露的DNA分子集中于擬核區(qū)和質(zhì)粒

真核：細胞核DNA（與組蛋白、非組蛋白形成染色體）；細胞器DNA（雙鏈環(huán)形，一般裸露）

功能：遺傳信息的貯存和攜帶5.1

概述核糖核酸（RibonucleicAcid,RNA)

原核：細胞質(zhì)

真核：細胞質(zhì)（主要）、線粒體、葉綠體、細胞核

功能：參與遺傳信息的傳遞和表達；某些病毒的遺傳物質(zhì)；細胞功能的調(diào)控；催化功能；在細胞分化和個體發(fā)育中發(fā)揮重要作用；在生命起源中可能有重要作用5.2

核酸的化學成分核酸的組成元素組成碳、氫、氧、氮、磷（9-10%）化學組成堿基戊糖核苷核苷酸核酸定量測定的經(jīng)典方法5.2

核酸的化學成分核

酸

水

解

層

次

圖

核苷5.2

核酸的化學成分核苷酸中的堿基均為含氮雜環(huán)化合物，它們分別屬于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。堿基紫外吸收特性：260nm

堿基之間相互作用：氫鍵

堿基的化學結(jié)構(gòu)腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）5.2

核酸的化學成分5.2

核酸的化學成分稀有堿基：大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位甲基化、羥甲基化或進行其它的化學修飾而形成的衍生物。5.2

核酸的化學成分

b-D-核糖（核糖）

b-D-2-脫氧核糖（脫氧核糖）戊糖1'2'3'4'5'1'2'3'4'5'5.2

核酸的化學成分核苷

脫氧核苷核苷由D-核糖或D-2-脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。C/T

糖苷鍵5.2

核酸的化學成分核苷酸核苷中戊糖的羥基與磷酸以磷酸酯鍵連接而成為核苷酸，即核苷的磷酸酯，核苷酸是核酸分子的結(jié)構(gòu)單元。糖苷鍵酯鍵5’-核苷酸5.2

核酸的化學成分堿基核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸腺嘌呤腺嘌呤核糖核苷酸（腺苷酸，AMP）腺嘌呤脫氧核糖核苷酸（脫氧腺苷酸，dAMP）鳥嘌呤鳥嘌呤核糖核苷酸（鳥苷酸，GMP）鳥嘌呤脫氧核糖核苷酸（脫氧鳥苷酸，dGMP）胞嘧啶胞嘧啶核糖核苷酸（胞苷酸，CMP）胞嘧啶脫氧核糖核苷酸（脫氧胞苷酸，dCMP）尿嘧啶尿嘧啶核糖核苷酸（尿苷酸，UMP）胸腺嘧啶胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸（脫氧胸腺苷酸，dTMP）常見核苷酸5.2

核酸的化學成分3’,5’-環(huán)化腺苷酸（cAMP）

核苷酸的環(huán)化形式

細胞內(nèi)代謝調(diào)節(jié)和重要的第二信使5.2

核酸的化學成分多磷酸核苷酸

核苷二/三磷酸

脫氧核苷二/三磷酸二/三磷酸腺苷（腺苷二/三磷酸）酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)生理儲能和供能的主要形式5.2

核酸的化學成分紫外吸收特性：260nm

用于核苷酸的定量檢測5.2

核酸的化學成分核苷酸的連接3’,5’-磷酸二酯鍵5′3′OHOHOH5′3′RNADNA

5.2

核酸的化學成分核酸鏈的簡寫式5′pApCpTpTpGpApApCpG3′DNA5′pApCpUpUpGpApApCpG3′RNA5′pACTTGAACG

3′5′pACUUCAACG

3′5′ACTTGAACG

3′

雙鏈DNA3′TGAACTTGC

5′字符式5.2

核酸的化學成分線條式5'-磷酸戊糖3'-OH核苷酸5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA的特殊結(jié)構(gòu)5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)3’,5’-磷酸二酯鍵指DNA分子中四種脫氧核苷酸按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸。方向性：5’→3’

5’-端：C5’沒有和其他核苷酸相連的末端殘基，含磷酸，又稱5’磷酸端3’-端：C3’沒有和其他核苷酸相連的末端殘基，含有-OH，又稱3’羥基端通常用bp、kb或Mb的數(shù)目表示大小生理pH下，核酸是多聚陰離子化合物堿基序列5.3

DNA的結(jié)構(gòu)基因組DNA某些有代表性的生物體基因組大小種類

典型代表堿基對（bp）最簡單的微生物

SV40病毒5.0×103

λ噬菌體5.0×104細菌大腸桿菌4.6×106哺乳動物小鼠2.3×109

人3.2×109一般將細胞內(nèi)遺傳信息的攜帶者染色體所包含的DNA總體稱為基因組。5.3

DNA的結(jié)構(gòu)基因DNA分子中不同排列順序的DNA區(qū)段構(gòu)成特定的功能單位即基因。基因的功能取決于DNA的一級結(jié)構(gòu)。

大腸桿菌基因組上部分基因的排列5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景雙螺旋結(jié)構(gòu)模型DNA纖維的X射線衍射圖譜分析

堿基理化數(shù)據(jù)分析

A-T、G-C以氫鍵配對較合理堿基組分分析（Chargaff規(guī)則）不同來源DNA：[A]=

[T]，[G]=

[C]不同物種DNA：A+T/G+C不同A+G=T+C5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點由脫氧核糖和磷酸基通過酯鍵交替連接而成二條主鏈相互平行而走向相反形成右手雙螺旋構(gòu)型主鏈螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝相間主鏈處于螺旋外側(cè)，親水性5.3

DNA的結(jié)構(gòu)堿基對堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，同一平面的堿基在二條主鏈間形成堿基對（A=T和G

C），以氫鍵維系。堿基平面取向與螺旋軸垂直。螺距3.4nm，螺旋周期含10堿基對，相鄰堿基平面間距0.34nm。5.3

DNA的結(jié)構(gòu)作用力氫鍵氫鍵堿基堆積力：在水相中，軸向平行相鄰的堿基平面將自發(fā)地相互靠近，從而形成堿基堆積，它的實質(zhì)是疏水相互作用和范德華引力。5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性DNA的分子結(jié)構(gòu)是動態(tài)的，在不同的條件下可以有所不同。

A構(gòu)象

B構(gòu)象C構(gòu)象D構(gòu)象Z構(gòu)象

5.3

DNA的結(jié)構(gòu)Z構(gòu)象

左手螺旋

重復單位——二核苷酸

只有一個螺旋溝比較內(nèi)容B-DNAZ-DNA螺旋手性右旋左旋螺旋周期的核苷酸數(shù)目1012螺旋直徑20A18A堿基平面的間距3.4A3.7A螺距34A45A相鄰堿基對間的轉(zhuǎn)角36A60A軸心與堿基的關(guān)系穿過堿基對不穿過堿基對5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成其三級結(jié)構(gòu)，是一種比雙螺旋更高層次的空間構(gòu)象。超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種負超螺旋：形成超螺旋時旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相反，旋轉(zhuǎn)結(jié)果使DNA分子內(nèi)部張力減小，稱為松旋效應。在自然條件下共價封閉環(huán)狀DNA呈負超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋：形成超螺旋時的旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相同，結(jié)果加大了DNA分子內(nèi)部張力，有緊旋效應。松弛環(huán)正超螺旋解鏈環(huán)5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA超螺旋的特點環(huán)狀DNA分子雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)。線狀DNA分子雙螺旋與蛋白質(zhì)結(jié)合后扭曲盤繞而形成螺旋結(jié)構(gòu)。5.3

DNA的結(jié)構(gòu)組蛋白八聚體H1組蛋白核小體屬于DNA的三級結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。核小體：在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質(zhì)八聚體進行盤繞形成特殊的串珠狀結(jié)構(gòu)。平均每200bpDNA繞八聚體左旋1.75轉(zhuǎn)。5.3

DNA的結(jié)構(gòu)DNA的特殊結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu)十字架結(jié)構(gòu)5.3

DNA的結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)：雙鏈DNA中含有的二個結(jié)構(gòu)相同、方向相反的序列稱為反向重復序列，也稱為回文結(jié)構(gòu)。5.4

RNA的結(jié)構(gòu)RNA的結(jié)構(gòu)特征RNA的主要類型、結(jié)構(gòu)與功能5.4

RNA的結(jié)構(gòu)RNA的結(jié)構(gòu)特征3’,5’-磷酸二酯鍵由核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接成的無分支的長鏈大分子，但它只有一條核酸鏈，呈右手螺旋結(jié)構(gòu)。5.4

RNA的結(jié)構(gòu)種類

RNADNA組成戊糖核糖脫氧核糖堿基A,G,C,U，稀有堿基含量多A,G,C,T磷酸Pi（3’,5’-磷酸二酯鍵）結(jié)構(gòu)單鏈，部分堿基互補，局部雙螺旋，具有明確的三級結(jié)構(gòu)雙鏈，堿基互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)分布細胞核（核仁）細胞質(zhì)（線粒體，核蛋白體，胞液）細胞核（染色質(zhì)）細胞質(zhì)（線粒體）生物功能遺傳信息表達，反轉(zhuǎn)錄，直接參與蛋白質(zhì)的生物合成遺傳的物質(zhì)基礎，負責遺傳信息貯存，發(fā)布，轉(zhuǎn)錄RNA與DNA的比較5.4

RNA的結(jié)構(gòu)RNA的部分堿基互補RNA發(fā)夾雙螺旋結(jié)構(gòu)5.4

RNA的結(jié)構(gòu)RNA的主要類型、結(jié)構(gòu)與功能類型細胞核和胞液線粒體功能核蛋白體RNA

rRNAmtrRNA核蛋白體組成成分信使RNA

mRNAmtmRNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運RNA

tRNAmttRNA轉(zhuǎn)運氨基酸不均一核RNA

hnRNA成熟mRNA的前體小核RNA

snRNA參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運小胞漿RNA

scRNA/7SRNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組成成分5.4

RNA的結(jié)構(gòu)mRNA的結(jié)構(gòu)與功能占RNA總量的3-5％，胞內(nèi)最不穩(wěn)定的RNA。

原核細胞編碼區(qū)編碼區(qū)5’-非編碼區(qū)3’-非編碼區(qū)插入序列多順反子：在原核細胞中，通常是幾種不同的mRNA連在一起，相互之間由一段短的不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列所隔開。這樣的一條mRNA鏈含有指導合成幾種蛋白質(zhì)的信息。真核細胞5.4

RNA的結(jié)構(gòu)5′非編碼區(qū)3′非編碼區(qū)編碼區(qū)帽子結(jié)構(gòu)為核糖體識別mRNA提供信號，也可增加mRNA的穩(wěn)定性，免受核酸外切酶降解。單順反子：真核的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，即一條mRNA只含一個翻譯起始點和終止點，因而一種基因編碼一種多肽鏈或RNA鏈，每個基因轉(zhuǎn)錄有各自的調(diào)節(jié)元件。5'帽子m7GpppNpolyA3'尾巴mRNA：作為蛋白質(zhì)的氨基酸序列合成模板的RNA。

hnRNA：在真核生物中，轉(zhuǎn)錄最初生成的RNA，是成熟mRNA的前體。

5.4

RNA的結(jié)構(gòu)5.4

RNA的結(jié)構(gòu)tRNA的結(jié)構(gòu)與功能在蛋白質(zhì)生物合成過程中起介導作用，即轉(zhuǎn)運氨基酸作用，占總RNA的15%。tRNA的一級結(jié)構(gòu)由70~90核苷酸構(gòu)成，是3種主要RNA中分子量最小的含有約20多個固定核苷酸成熟的tRNA5’末端被磷酸化，通常為

pG，3’末端序

列是

CCA是含稀有堿基最多的RNA，約10~20%5.4

RNA的結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TyC環(huán)額外環(huán)三葉草結(jié)構(gòu)

氨基酸臂：其3’端為CCA-OH結(jié)構(gòu)，用來連接活化的氨基酸

二氫尿嘧啶環(huán)（DHU環(huán)）：由8-12個核苷酸組成，其中含兩個二氫尿嘧啶；

反密碼子環(huán)：環(huán)中央的三個堿基構(gòu)成反密碼子

額外環(huán)：核苷酸數(shù)目不確定，可作為tRNA分類的重要指標

TψC環(huán)：由7個核苷酸組成，其中含有保守的TψC序列5.4

RNA的結(jié)構(gòu)tRNA的三級結(jié)構(gòu)倒L形是細胞中含量最多的RNA，占80%以上。參與組成核糖體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。5.4

RNA的結(jié)構(gòu)rRNA的結(jié)構(gòu)與功能核糖體的組成5.4

RNA的結(jié)構(gòu)原核細胞和真核細胞的核糖體組成組成原核細胞真核細胞沉降常數(shù)近似分子量沉降常數(shù)近似分子量核蛋白體70S2.7×10680S4.6×106小亞基30S0.9×10640S1.5×106rRNA16S0.6×10618S0.7×106蛋白質(zhì)21種0.3×106約30種0.78×106大亞基50S2.0×10660S3.0×106rRNA23S1.2×10628S1.7×106

5.8S4.0×104

5S3.2×1045S3.2×104蛋白質(zhì)34種0.7×106約50種1.37×1045.4

RNA的結(jié)構(gòu)rRNA的一級結(jié)構(gòu)修飾堿基含量比tRNA少得多，但存在甲基化核苷

5SrRNA為真核和原核細胞共有，含120個核苷酸真核細胞的5.8SrRNA與大腸桿菌23SrRNA5’端160個核苷酸具有同源性。在原核細胞中，rRNA的基因按照16S，23S和5S的順序串連排列；而真核細胞是按照18S，5.8S和28S的順序排列（5SrRNA在高等真核生物中單獨轉(zhuǎn)錄），所以推測23SrRNA的基因在進化過程中演變?yōu)?.8S和28S兩個基因普遍存在于原核生物的16SrRNA約為1.5kb，其可變區(qū)序列的差異可用來對不同菌屬、菌種的細菌進行分類鑒定rRNA的二級結(jié)構(gòu)16SrRNA5.4

RNA的結(jié)構(gòu)5SrRNA5.8SrRNA23SrRNA單股rRNA鏈可自行折疊，形成螺旋區(qū)和環(huán)區(qū)，從而構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)域。5.4

RNA的結(jié)構(gòu)rRNA在蛋白質(zhì)合成中的作用16SrRNA的3’末端可與mRNA起始密碼AUG前的一段序列（SD序列）直接互補（識別結(jié)合mRNA）16SrRNA中另一個特定區(qū)域是兩個tRNA結(jié)合位點（結(jié)合tRNA，即A位和P位）核糖體大亞基23SrRNA具有肽酰轉(zhuǎn)移酶活性（轉(zhuǎn)肽酶中心）5.5

核酸的理化性質(zhì)沉降特性溶液中的核酸在引力場中可以下沉，在超速離心機造成的極大引力場下，核酸分子下沉的速率大大加快。沉降系數(shù)：以每單位重力的沉降時間表示，并且通常為1-200×10-13秒范圍，10-13這個因子叫做沉降單位S，即1S=10-13秒。大多數(shù)蛋白質(zhì)和核酸的沉降系數(shù)在4S和40S之間，核糖體及其亞基在30S和80S之間。氯化銫密度超離心后，不同構(gòu)象DNA及各種雜質(zhì)的分布5.5

核酸的理化性質(zhì)高分子量類別mRNAtRNArRNAE.coli染色體人第13對染色體分子量2.5×104~10623000~30000~1.1×1062.2×1096.4×1010核苷酸數(shù)75~300073~93~31006×1061.9×108高粘度DNA的粘度比RNA的大得多。當核酸溶液因受熱或在其他因素作用下發(fā)生螺旋向線性過渡時，粘度會降低。5.5

核酸的理化性質(zhì)光學吸收酸堿性質(zhì)核酸有磷酸基和堿基，因此核酸具有兩性電離的性質(zhì)。但核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等電點偏酸性。DNA的pI約為4~5，RNA的pI約為2.0~2.5，在pH7~8電泳時泳向正極。

紫外吸收：260nm

旋光性：右旋5.5

核酸的理化性質(zhì)變性與復性變性：DNA分子由穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)松解為無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。（一級結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化?。?/p>

理化及生物學性質(zhì)改變粘度降低溶液旋光性改變增色效應增色效應變性DNA的雙鏈解開，堿基中電子的相互作用更有利于紫外吸收，故而產(chǎn)生紫外吸收作用增強的效應。

5.5

核酸的理化性質(zhì)DNA的熱變性曲線Tm值：熱變性使DNA分子雙鏈解開所需溫度稱為熔解溫度，簡寫Tm。Tm定義為使被測DNA的50%發(fā)生變性，即增色效應達到一半的溫度。5.5

核酸的理化性質(zhì)DNA的變性曲線影響Tm值的因素

DNA的均一性越高，Tm的溫度范圍越小

G-C含量越高，Tm值越大溶液離子強度較高時，Tm值較大5.5

核酸的理化性質(zhì)復性：變性DNA在適當條件下，二條互補鏈全部或部分恢復到天然雙螺旋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。5.5

核酸的理化性質(zhì)影響復性的因素溫度和時間

DNA濃度

DNA順序的復雜性退火5.5

核酸的理化性質(zhì)不同來源的核酸變性后合并在一處進行復性，這時，只要這些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成堿基互補配對的片段，復性也會發(fā)生于不同來源的核酸鏈之間，即形成所謂的雜化雙鏈，這個過程稱為雜交。核酸的分子雜交5.5

核酸的理化性質(zhì)核酸的水解

酸水解：糖苷鍵和磷酸酯鍵

堿水解：RNA的磷酸酯鍵酶水解：核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、核酸酶S1、核酸內(nèi)切酶及核酸外切酶等5.6

核酸類物質(zhì)的制備和應用制備方法

生物材料提取

微生物發(fā)酵化學合成以自學為主5.6

核酸類物質(zhì)的制備和應用核酸的提取和檢測核酸提取的原則防止核酸酶的降解（DNase或RNase）：通常加入抑制劑和去激