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1、第二章 核酸化学,第一节 核酸的概述,第二节 核苷酸,第三节 核酸的结构,第四节 核酸的提取、分离和测定,第五节 核酸的变性、复性与杂交,学习要求,掌握DNA和RNA在组成、结构和功能上的差异。 掌握DNA双螺旋模型的要点，以及模型在生物学上的意义。 掌握几种类型RNA结构特征。 掌握核酸的性质，及核酸的变性和复性。,1染色体和基因 2核酸,第一节 核酸的概述,在生物细胞核中存在着一种能被碱性染料着色的螺旋集缩体，它是由核酸、 组蛋白、非组蛋白等组成，称此物质为染色体。 经典遗传学认为，染色体和基因（遗传因子）间有平行现象，基因存在于染色体上，基因在遗传中具有完整性，随染色体的分裂、配对而进行
2、独立的分配。,复制,分开,核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则 1961年 Jacob和Monod提出操纵子学说 1965年 Nirenberg发现遗传密码 1970年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类
3、基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,1868年，从外科绷带上的脓细胞的细胞核中分离得到一种含磷较高的酸性物质，称之为核素。（nuclein） 核素实质是一种核糖核蛋白。,瑞士科学家 F.Miescher,1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质,1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；,1952年，美国冷泉港 Hershey-Chase 噬菌体浸染细菌的实验。 (侵染大肠杆菌的病毒),35S,32P,1953 Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型,1962年获得诺贝尔生理学或医学奖,(25y),(35y),按照自身的结构将遗传信息精确
4、复制传递给子代 作为模板将储存的遗传信息传给mRNA,1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则,1970年 Temin和Baltimore发现逆转录酶,1985年 Mullis发明PCR 技术,16,核酸以核苷酸为基本结构单位,按照一定的排列顺序,以3，5-磷酸二酯键相连接,并通过折叠、卷曲形成具有特定生物学功能的线形或环形多聚核苷酸。核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等过程中起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸的研究是现
5、代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,引 言：核酸概述,核酸的种类、分布和生物功能,信使RNA 转移RNA 核糖体RNA,核糖核酸（ribonucleic acid-RNA） 转移RNA(transfer RNA-tRNA) 信使RNA(messenger RNA-mRNA) 核糖体RNA（ribosomal RNA-rRNA） 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid- DNA）,第二节 核酸,核酸(nucleic acid) 由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成，携带和传递遗传信息。,核酸的化学组成,主要元素：C、H、O、N、P 与蛋
6、白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占911%,实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9% 、RNA9.5%）,核苷与核苷酸,2.2 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 2.3 核苷酸的理化性质 2.4 核苷酸的连接方式,2.1 核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,嘌呤：A、G,嘧啶：C、T、U,脱氧核糖,核糖,核苷酸,核酸的基本结构单位是核苷酸(nucleotide),DNA,RNA中主要的碱基、核苷,戊糖 碱基 核苷 RNA D-核糖 A 腺嘌呤核苷 G 鸟嘌呤核苷 C 胞嘧啶核苷 U 尿嘧啶核苷 DNA D-2-脱氧核糖 A 脱氧腺嘌呤核苷 G 脱氧鸟嘌呤核苷 C 脱氧胞嘧啶
7、核苷 T 脱氧胸腺嘧啶核苷,核糖 核苷,脱氧核 糖核苷,戊糖,（构成RNA）,1,2,3,4,5,-D-核糖(ribose),碱基,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构,酮式烯醇 C=O C-OH N N 受介质pH影响,在生理pH下，在生物体内，碱基多以酮式存在。,核苷,核苷：A、G、C、U； 脱氧核苷：dA、dG、dC、dT N-糖苷键：糖与碱基之间的C-N键,修饰核苷,核酸中还存在少量修饰核苷，有三
8、种： 由稀有碱基参与，如： 5-甲基脱氧胞苷， 次黄嘌呤核苷 由稀有戊糖参与，如： 2-O-甲基胞苷 碱基与戊糖连接方式特殊，如： 假尿苷（）C1-C5,5-甲基脱氧胞苷,2-O-甲基胞苷,次黄嘌呤核苷,假尿苷（）,DNA的甲基化导致基因沉默,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,核苷酸(ribonucleotide),5,3,2,M-单(D-二；T三） ；P-磷酸 RNA的名称为某（单、二、三）苷酸，DNA在某（单、二、三）前加脱氧两字。 如AMP称腺苷磷酸(
9、或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷磷酸（脱氧腺苷酸）。,八种核苷酸如下表所示,(腺嘌呤核糖核苷三磷酸),与一个磷酸结合MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP 与二个磷酸结合DP：如：ADP 与三个磷酸结合TP：如：ATP,一、核苷酸,b. 多磷酸核苷酸：,指含两个以上磷酸基的核苷酸,如ADP 、ATP 、GDP、 GTP 、 UDP和UTP等. ATP在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。 UTP参与糖原合成作用以供给能量, UDP有携带转运葡萄糖的作用。 GDP和GTP为蛋白质生物合成的起始和延伸提供能量。,AMP,ADP,ATP,c. 含核苷酸的生物活性物质： N
10、AD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP; NAD+及FAD是生物氧化体系的重要组成成分，在传递氢原子或电子中有着重要作用。CoA作为有些酶的辅酶成分,参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化过程。,d 核苷多磷酸和寡核苷多磷酸类化合物,蛋白质生物合成有关，或对基因转录有调节功能,鸟苷-5-二磷酸-3-二磷酸 （ppGpp）,第三节 核酸的性质,一、一般物理性质 二、互变异构现象 三、紫外吸收特性 四、核苷酸的解离性质,一般物理性质,无色粉末 易溶于水，不溶于有机溶剂 具有旋光性 酸性溶液中不稳定，易破坏 中性或碱性溶液中稳定,互变异构现象,凡碱基上有酮基的核苷酸有酮式和烯醇式的互变异构现
11、象 在生理pH下，在生物体内，碱基多以酮式存在。,紫外吸收特性,核苷酸的碱基具有共轭双键结构，所以核苷酸在紫外光区具有强烈的吸收，其最大吸收在260nm处。,核苷酸的解离性质,碱基杂环：N原子及其取代基具有结合和释放质子的能力，所以核苷酸具有解离性质 磷酸基团：可以解离的，并且其解离对整个核苷酸的解离所带的净电荷量有着重要影响,C,G,A,第四节 核酸的结构,一、DNA的结构,二、RNA的结构,一、DNA的结构1(总）,（一）DNA的的碱基组成,（二）DNA的一级结构,（三）DNA的二级结构,（四）DNA的三级结构,（一）DNA的碱基组成,碱基组成的规律： 1A=T，G=C A+G=C+T 2
12、没有组织和器官的特异性 3具有种的特异性 4年龄、营养状态和环境的改变不影响DNA的碱基组成,定义 核酸中核苷酸的连接方式和排列顺序。,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,（二）DNA的一级结构1,脱H2O 脂键相连,3，5-磷酸二酯键,首,尾,连接键,（二）DNA的一级结构3(线条缩写),DNA线条缩写:,A,核苷酸,首端,末端,核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与核酸结构的生物语言。,硷基,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,线条式,字母式,（二）DNA的
13、一级结构4(字母简写),DNA字母简写:,5 A P G P C P T P G P C P 3 或 5 A G C T G C 3,碱基序列从左到右表示5 3，由3-, 5磷酸二酯键连接。 若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如： 5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5,一、核苷酸,读向,（二）DNA的二级结构1(总),1DNA双螺旋结构模型的要点 2双螺旋结构的稳定因素 3DNA双螺旋的不同类型,DNA双螺旋结构发现的历史意义： 揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制 开创了现代分子生物学 生物学发展史上的里程碑,DNA双螺旋结构模型要点 （Wat
14、son, Crick, 1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。 形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧; 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3,5-磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。 碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,螺旋直径为2nm，相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对
15、碱基。 碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。,碱基互补配对,T,A,G,C,DNA双螺旋结构模型要点,螺旋表面有一条大沟和一条小沟,大沟,小沟,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性 碱基堆积力维持双链纵向稳定性。 离子键屏蔽磷酸基团之间的静电斥力,DNA双螺旋的不同类型,B型DNA（BDNA）:在相对湿度为92%时,所得到的DNA钠盐纤维。 A型DNA（ADNA）:在相对温度低于75%时，获得的DNA钠盐纤维。 此外还有ZDNA等。,DNA双螺旋结构的多样性,B-,A-DNA、B-DNA和
16、Z-DNA的主要结构特点,H-DNA: 三条链局部螺旋,DNA一级结构的改变,DNA变异与进化 基因突变：个别dNMP（脱氧单磷酸核苷）残基以至片段DNA在结构、复制或表型功能的异常变化。随机性、稀有性、可逆性、少利多害性 基因重组：生物在有性生殖的过程中，控制不同性状的基因自由组合的过程。 DNA变异与疾病 镰刀型细胞贫血症（点突变） 癌变,一母生九子 九子各不同,重组DNA技术来源于两个方面的基础理论研究限制性核酸内切酶（简称限制酶）和基因载体（简称载体）。,约翰霍普金斯大学的丹尼尔那森斯、汉弥尔顿史密斯与伯克利加州大学的沃纳亚伯因为限制酶的发现及研究，而共同获得1978年的诺贝尔生理学或医学奖。,基因重组与遗传工程,二、 RNA的分子结构1,（一）RNA一级结
