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1、第二章第二章核酸化学核酸化学 主主要要内内容容：介介绍绍核核酸酸的的分分类类和和化化学学组组成成，重重点点讨讨论论DNADNA和和RNARNA的的结结构构特特征征，初初步步认认识识核核酸酸的的结结构构特特征征与与其其功功能能的的相相关关性性；介介绍绍核核酸酸的的主主要理化性质和核酸研究的一般方法要理化性质和核酸研究的一般方法。思考思考核酸的结构与功能核酸的结构与功能第一节第一节 核酸通论核酸通论第二节第二节 核酸基本构件单位核酸基本构件单位核苷酸核苷酸第三节第三节 DNADNA的分子结构的分子结构第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构第五节第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术核
2、酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节第六节 人类基因组计划简介人类基因组计划简介第一节第一节 核酸通论核酸通论一、一、 核酸的核酸的研究历史和重要性研究历史和重要性二、二、 核酸的核酸的种类和分布种类和分布三、三、DNADNA储存遗传信息的储存遗传信息的证实证实核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性 1869 Miescher从从脓脓细细胞胞的的细细胞胞核核中中分分离离出出了了一一种种含含磷磷酸酸的的有有机机物物，当当时时称称为为核核素素（nuclein）,后后称称为为核核酸酸（nucleicacid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。此后几十年内，弄清了核酸的组成及
3、在细胞中的分布。 1944Avery等等成成功功进进行行肺肺炎炎球球菌菌转转化化试试验验；1952年年Hershey等等的实验表明的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，可进入噬菌体内，证明证明DNA是遗传物质。是遗传物质。 1953Watson和和Crick建建立立了了DNA结结构构的的双双螺螺旋旋模模型型，说说明明了了基基因因的的结结构构、信信息息和和功功能能三三者者间间的的关关系系，推推动动了了分分子子生生物物学学的的迅猛发展。迅猛发展。 1958Crick提出遗传信息传递的中心法则，提出遗传信息传递的中心法则， 60年年代代RNA研研究究取取得得大大发发展展（操操纵纵子子学学说说，遗遗
4、传传密密码码，逆逆转转录酶）。录酶）。核酸的研究历史和重要性（续）核酸的研究历史和重要性（续）历史历史 70年代年代建立建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。致生物技术的兴起。 80年代年代RNA研究出现第二次高潮：研究出现第二次高潮：ribozyme、反义反义RNA、“RNA世界世界”假说等等。假说等等。 90年代以后年代以后实施人类基因组计划（实施人类基因组计划（HGP）,开辟了生命科学开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：新纪元。生命科学进入后基因时代：功能基因组学（功能基因组学（functionalgenomic
5、s）蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）结构基因组学（结构基因组学（structuralgenomics）RNA组学（组学（Rnomics）或核糖核酸组学（或核糖核酸组学（ribonomics） 核酸分类和分布核酸分类和分布 脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗遗传传信信息息的的贮贮存存和和携携带带者者，生生物物的的主主要要遗遗传传物物质质。在在真真核核细细胞胞中中，DNA主主要要集集中中在在细细胞胞核核内内，线线粒粒体体和和叶叶绿绿体体中中均均有有各各自自的的DNA。原原核核细细胞胞没没有有明明显显的的细细胞胞核核结结构构，DNA存存在在
6、于于称称为为类类核核的的结结构构区区。每每个个原原核核细细胞胞只只有有一一个个染染色色体体，每每个个染染色色体体含含一一个个双双链链环环状状DNA。 核核糖糖核核酸酸（ribonucleicacid,RNA）：主主要要参参与与遗遗传传信信息息的的传传递递和和表表达达过过程程，细细胞胞内内的的RNA主主要要存存在在于于细细胞胞质质中中，少少量量存存在在于于细细胞胞核核中中，病病毒毒中中RNA本本身身就就是是遗遗传传信信息息的的储储存存者者。另另外外在在植植物物中中还还发发现现了了一一类类比比病病毒毒还还小小得得多多的的侵侵染染性性致致病病因因子子称称为为类类病病毒毒，它它是是不不含含蛋蛋白白质质
7、的的游游离离的的RNA分分子子，还还发发现现有有些些RNA具生物催化作用（具生物催化作用（ribozyme）。肺炎球菌转化实验图解肺炎球菌转化实验图解IIIS型细胞型细胞（有毒）（有毒）IIR型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAase降降解后的解后的DNAIIR型细胞接受型细胞接受IIIS型型DNA只有只有IIR型型大多数仍大多数仍为为IIR型型少数少数IIR型细胞被转化型细胞被转化产生产生IIIS型荚膜型荚膜S（光滑）光滑）SRRR（粗糙）粗糙）+DNA第二节第二节核酸的基本结构单位核酸的基本结构单位核苷酸核苷酸一、核苷酸的化学组成与命名一、核苷酸的化学组成与命名1、碱基、核苷
8、、核苷酸的概念和关系碱基、核苷、核苷酸的概念和关系2、常见碱基的结构与命名法常见碱基的结构与命名法3、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名4、稀有核苷酸稀有核苷酸5、细胞内游离核苷酸及其衍生物细胞内游离核苷酸及其衍生物二、核苷酸的二、核苷酸的生物学功能生物学功能5-磷酸核苷酸的基本结构磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H12NOHCH2HH543PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基碱基、核苷、核苷酸的概念和关系碱基、核苷、核苷酸的概念和关系NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(in
9、DNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核酸核酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基基本碱基结构和命名基本碱基结构和命名嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine(A)Guanine(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)核苷酸的结构和命名核苷酸的结构和命名腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate鸟嘌呤
10、核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOHPPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸
11、腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）几种稀有核苷几种稀有核苷假尿苷（假尿苷（ ）二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH几种稀有核苷酸几种稀有核苷酸假尿苷（假尿苷（ ）二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH细胞内游离核苷酸及其衍生物细胞内游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸环核苷酸环核苷酸辅酶类核苷酸。辅酶类核苷酸。 5-NMP5-NDP5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP5-dNDP5-dNTP N=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物腺苷酸及其多磷酸化合物AMPAdenosinemonophosphate
12、ADPAdenosinediphosphateATPAdenosinetriphosphateOPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)cAMP(cGMP)的结构的结构Cyclic adenylie (Guanine)acidCyclic adenylie (Guanine)acid二二、核苷酸的生物学功能、核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体作为核酸的单体 细细胞胞中中的的携携能能物物质质（如如ATP、GTP、CTP、GTP） 酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NAD） 细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）第二节第二节DNA的分子结构的
13、分子结构一、核酸分子中的一、核酸分子中的共价键共价键二、二、DNA一级结构一级结构三、三、DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则四、四、DNA的的二级结构二级结构五、五、DNA的的三级结构三级结构六、六、DNA与与蛋白质复合物的结构蛋白质复合物的结构5 5 3 3 核酸分子中核苷酸之间核酸分子中核苷酸之间的共价键的共价键3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键二、二、DNA的一级结构的一级结构 DNA分分子子中中各各脱脱氧氧核核苷苷酸酸之之间间的的连连接接方方式式（3-5磷磷酸酸二二酯酯键键）和和排排列列顺顺序序叫叫做做DNA的的一一级级结结构构，简简称称为为碱碱基基序序列列。一一级级结结构
14、构的的走走向向的的规规定定为为53。不不同同的的DNA分分子子具具有有不不同同的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序，因因此此携携带带有有不不同同的的遗传信息。遗传信息。 一级结构的表示法一级结构的表示法结构式，线条式，字母式结构式，线条式，字母式53DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法53结构式结构式53 p p p pOH3ACTG1线条式线条式5ACTGCATAGCTCGA3字母式字母式三、三、DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则Chargaff首先注意到首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在碱基组成的某些规律性，在年总结出年总结出DNA碱基组成的规律：碱基组成的规律：
15、 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。 鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。 含含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即A+C=G+T。 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。DNADNA、RNARNA的一级结构的一级结构 DNADNA一级结构一级结构53OHOHOH53RNARNA一级结构一级结构四、四、DNA的二级结构的二级结构（1） DNA的的双螺旋结构双螺旋结构(Watson-Crick模型模型)（2）DNA双螺旋结构双螺旋结构特征特征及及意义
16、意义（3） DNA双螺旋的双螺旋的多态性多态性（4）DNA的的三股螺旋三股螺旋（tripkex）DNA的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成53535353磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对DNA的双螺旋模型特点的双螺旋模型特点a.两两条条反反向向平平行行的的多多聚聚核核苷苷酸酸链链沿沿一一个个假假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。设的中心轴右旋相互盘绕而形成。b.磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖单单位位作作为为不不变变的的骨骨架架组组成成位位于于外外侧侧，作作为为可可变变成成分分的的碱碱基基位位于于内内侧侧，链链间间碱碱基基按按AT，GC配配对对（碱碱基基配配对对原原则则，C
17、hargaff定律定律）c.螺螺旋旋直直径径2nm，相相邻邻碱碱基基平平面面垂垂直直距距离离0.34nm,螺螺旋旋结结构构每每隔隔10个个碱碱基基对对（basepair,bp）重复一次，间隔为重复一次，间隔为3.4nm 氢键氢键 碱基堆集力碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构的双螺旋结构稳定因素稳定因素DNA的双螺旋结构的双螺旋结构的意义的意义该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，这这
18、是是是是DNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和和表表达达的的分分子子基基础础。该该模模型型的的提提出出是是本本世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生生命命科科学学飞速发展的基石。飞速发展的基石。DNA双螺旋的不同构象双螺旋的不同构象三种三种DNA双螺旋构象比较双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型外型粗短粗短适中适中细长细长螺旋方向螺旋方向右手右手右手右手左手左手螺旋直径螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升碱基直升0
19、.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数每圈碱基数1110.412轴心与碱轴心与碱基对关系基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角碱基倾角1901090糖苷键构象糖苷键构象反式反式反式反式C、T反式，反式，G顺式顺式大沟大沟很窄很深很窄很深很宽较深很宽较深平坦平坦小沟小沟很宽、浅很宽、浅窄、深窄、深较窄很深较窄很深DNA分子内分子内的三链结构的三链结构多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNA分子间分子间的三链结构的三链结构DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对T-A-TC-G-C五、五、DNA的三级结构的三级结构1超螺旋超螺旋DNA（
20、supercoiledDNA）2拓朴异构酶（拓朴异构酶（topoisomerase）(1)超螺旋超螺旋DNA的形成的形成(2)超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述()DNA超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义(1)两类拓朴异构酶两类拓朴异构酶(2)拓朴异构酶作用机理拓朴异构酶作用机理DNA的三的三级结构指双螺级结构指双螺旋旋DNA分子通分子通过扭曲和折叠过扭曲和折叠所形成的特定所形成的特定构象，包括不构象，包括不同二级结构单同二级结构单元间的相互作元间的相互作用、单链和二用、单链和二级结构单元间级结构单元间的相互作用以的相互作用以及及DNA的拓扑的拓扑特征。特征。螺螺旋旋和和超
21、超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成超螺旋的拓超螺旋的拓扑学公式：扑学公式：L=T+W或或 = + 超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述公式公式1 1： L=T+WL=T+W L L连环数（连环数（linking numberlinking number），），DNADNA双螺
22、旋中一双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 TDNATDNA分子中的螺旋数（分子中的螺旋数（twisting numbertwisting number） W W超螺旋数或缠绕数（超螺旋数或缠绕数（writhing numberwrithing number）公式公式2 2： =（L-LL-L0 0）/L/L0 0 超螺旋度超螺旋度 （degree of supercoilingdegree of supercoiling） L L0 0松驰态松驰态DNADNA连环数连环数L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=
23、25,W=2负超螺旋负超螺旋12148231613DNADNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义 使使DNADNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中； 推推动动DNADNA结结构构的的转转化化以以满满足足功功能能上上的的需需要要。如如负负超超螺螺旋旋分分子子所所受受张张力力会会引引起起互互补补链链分分开开导导致致局局部部变性，利于复制和转录。变性，利于复制和转录。原核生物两类拓扑异构酶原核生物两类拓扑异构酶除连环数（除连环数（L）不同外其他性质均相同的不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异分子称为拓扑异构体（构体（topoisomerase）。）。DN
24、A拓扑异构酶通过改变拓扑异构酶通过改变DNA的的L值而值而影响其拓扑结构。影响其拓扑结构。拓扑异构酶拓扑异构酶I通过使通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋螺旋DNA转变成松弛型环状转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺每催化一次可消除一个负超螺旋，即使旋，即使L增加，增加，反应无需供给能量。反应无需供给能量。拓扑异构酶拓扑异构酶II则刚好相反，可使松弛型环状则刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺转变成负超螺旋旋DNA，每催化一次，每催化一次，L减少，减少，可引入负超螺旋。可引入负超螺旋。拓扑异构酶拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使亦
25、称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要引入超螺旋时需要ATP提供能量。提供能量。细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。保持在一定的超螺旋水平。原核拓扑异构酶原核拓扑异构酶I的作用机制的作用机制连接数连接数=n连接数连接数=n+1穿越断口和穿越断口和使两端连接使两端连接切割切割abcdDNA双链重新连接双链重新连接DNA双链穿过双链穿过DNA的释放的释放重复重复起始起始DNA双链断裂双链断裂拓扑异构酶拓扑异构酶II的作用机制的作用机制拓扑异构酶六、
26、六、DNA与蛋白质复合物的结构与蛋白质复合物的结构生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。的形式存在。DNA分子十分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。、病毒病毒、细菌拟核细菌拟核、真核染色体真核染色体噬菌体噬菌体T2结构结构头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒
27、粒细菌拟核（细菌拟核（nucleoid）的突环结构的突环结构RNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNA结结合碱性蛋白质组成合碱性蛋白质组成平均一个突环含平均一个突环含有约有约40kpDNA组蛋白与DNA的结合核小体核小体DNA的念珠状结构的念珠状结构核小体盘绕及染色质示意图核小体盘绕及染色质示意图真核生物染色体真核生物染色体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（核小体链（11nm，每个核小体每个核小体200bp）纤丝（纤丝（30nm，每圈每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（150nm，每个突环大约每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（300
28、nm，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（700nm，每圈每圈30个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（1400nm，每个染色体含每个染色体含10个玫瑰花个玫瑰花200bp）第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构一、一、RNA一级结构一级结构和和类别类别二、二、tRNA的分子结构的分子结构三、三、rRNA的分子结构的分子结构四、四、mRNA的分子结构的分子结构RNA的类别的类别 信使信使RNA（messengerRNA，mRNA）：）：在蛋白在蛋白质合成中起模板作用；质合成中起模板作用； 核糖体核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：）：与蛋白与蛋白质结合构成核糖体（质结合构成核
29、糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成核糖体是蛋白质合成的场所；的场所； 转移转移RNA（transforRNA，tRNA）：）：在蛋白质在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。合成时起着携带活化氨基酸的作用。RNA的一级结构的一级结构RNA分分子子中中各各核核苷苷之之间间的的连连接接方方式式（3-5磷磷酸酸二二酯酯键键）和和排排列列顺顺序序叫叫做做RNA的一级结构的一级结构OHOHOH53RNA与与DNA的差异的差异DNARNA糖糖脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖碱基碱基AGCTAGCU不含稀有碱基不含稀有碱基含稀有碱基含稀有碱基tRNA tRNA 的结构的结构二级结构二级结构特征特征：单链单
30、链三叶草叶形三叶草叶形四臂四环四臂四环三级结构三级结构特征：特征：在二级结构基础上在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒进一步折叠扭曲形成倒L型型酵母酵母tRNAAla的二级结构的二级结构DHU环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla35tRNA的三级结构的三级结构rRNA的分子结构的分子结构特征特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNA低低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5 5sRNAsRNA的二级结构的二级结构mRNA的分子结构的分子结构原核生物原核生物mRNA特征特征：先导区先导区+翻译区（翻
31、译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列真核生物真核生物mRNA特征特征：“帽帽子子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单单顺顺反反子子+“尾巴尾巴”（PolyA）原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5 “帽子帽子”PolyA3 顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3p第五节第五节 核酸的某些理化性质及核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术核酸研究常用技术一、一、核酸的核酸的两性解离性质两性解离性质二、二、核酸
32、的核酸的紫外吸收紫外吸收（max=260nm）三、三、核酸的核酸的变性变性、复性和分子杂交复性和分子杂交四、核酸的四、核酸的熔解温度熔解温度（Tm）五、核酸的五、核酸的沉降性质沉降性质核核苷苷酸酸的的解解离离曲曲线线pK1 =0.9第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.2第二磷酸基第二磷酸基pK2 =3.7含氮环含氮环腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸pK1 =0.7第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.1第二磷酸基第二磷酸基pK2 =3.7含氮环含氮环烯醇式羟基烯醇式羟基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸pK1 =0.8第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.3第二磷酸基第二磷酸基pK2 =4.3含氮环含氮环胞嘧啶核苷酸胞嘧
33、啶核苷酸pK1 =1.0第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.4第二磷酸基第二磷酸基烯醇式羟基烯醇式羟基尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸pH离离子子化化程程度度小牛胸线小牛胸线DNA的滴定曲线的滴定曲线pHDNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱天然天然DNA变性变性DNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123DNADNA的变性过程的变性过程加热加热部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规则线团无规则线团 链内碱基配对链内碱基配对核酸核酸的变性、复性和杂交的变性、复性和杂交变性变性（加热）（加热）探针探针杂交杂交（缓慢冷却）（缓慢冷却
34、）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却）变变性性：在在物物理理、化化学学因因素素影影响响下下， DNA碱碱基基对对间间的的氢氢键键断断裂裂，双双螺螺旋旋解解开开，这这是是一一个个是是跃跃变变过过程程，伴伴有有A260增增加加（增增色色效效应应）,DNA的功能丧失。的功能丧失。复复性性：在在一一定定条条件件下下，变变性性DNA 单单链链间间碱碱基基重重新新配配对对恢恢复复双双螺螺旋旋结结构构，伴伴有有A260减减小小（减减色色效效应应）,DNA的的功能恢复。功能恢复。Southern印迹法印迹法DNA分子分子限制片段限制片段限制性酶切割限制性酶切割琼脂糖电泳琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上转移至硝酸纤维
35、素膜上与放射性标记与放射性标记DNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影带有带有DNA片片段的凝胶段的凝胶凝胶凝胶滤膜滤膜用缓冲液用缓冲液转移转移DNA吸附有吸附有DNA片段的膜片段的膜分子杂交的原理示意图分子杂交的原理示意图不不 同同 来来 源源 的的DNA单单链链间间或或单单链链DNA与与RNA之之间间只只要要有有碱碱基基配配对对的的区区域域，在在复复性性时时可可形形成成局局部部双双螺螺旋旋区区，称称核核酸酸 分分 子子 杂杂 交交（hybridization）制制备备特特定定的的探探针针（probe）通通过过杂杂交交技技术术可可进进行行基基因因的的检检测测和和定定位位研研究究。实实例例：
36、southern印迹法印迹法TmTm：熔解温度（熔解温度（melting melting temperaturetemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)DNA的的变变性性发发生生在在一一个个很很窄窄的的温温度度范范围围内内，通通常常把把热热变变性性过过程程中中A260达达到到最最大大值值一一半半 时时 的的 温温 度度 称称 为为 该该DNA的的熔熔解解温温度度，用用Tm表示。表示。Tm的的 大大 小小 与与 DNA分分子子中中（G+C）的的百百分分含含量量成成正正相相关关，测测定定Tm值值可可推推算算核核酸酸碱碱基基组组成成及及判判断断DNA纯纯度。度。某些某些
37、DNADNA的的TmTm值值60801001.01.41.2100%A260t0CTmTmTmTmTmTm123123人类基因组计划概况人类基因组计划概况（HumanGenomeProject，HGP）该计划是美国科学家在该计划是美国科学家在1985年率先提出，年率先提出，1990年正年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为年我国成为HGP的第六个成员国。的第六个成员国。HGP旨在阐明人类基因组旨在阐明人类基因组DNA所具有的所具有的310109 9核苷酸核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位的序列，发现
38、所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。水平上全面地认识自我。 到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。工作已基本完成。HGP的实施，揭开了生命科学新的一的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。HGP取得的成就取得的成就 完成了人类基因组工作草图绘制完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因揭示了人类基因组若干细节组若干细节 基本上测定了
39、人类基因组上的碱基序列基本上测定了人类基因组上的碱基序列 一些模式生物一些模式生物(果蝇、拟南介等果蝇、拟南介等)和作物（如水稻）和作物（如水稻）基因草图绘制成功，测序基本完成基因草图绘制成功，测序基本完成 促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛发展发展 人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没HGP面临的挑战面临的挑战 基因的隐私权问题基因的隐私权问题 基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题 基因资源问题基因资源问题 基因知识的滥用问题基因知识的滥用问题人类将进入生物经
40、济时代人类将进入生物经济时代基因基因操纵生命的工具操纵生命的工具基因组基因组潜藏着巨大的经济价值潜藏着巨大的经济价值基因技术基因技术2121世纪的投资热点世纪的投资热点 谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类的生命密码，获得了操纵生命的工具。的生命密码，获得了操纵生命的工具。与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机会将会大大超过网络。会将会大大超过
41、网络。离离心心机机结结构构示示意意图图转头转头转头腔转头腔沉降样品沉降样品驱动马达驱动马达真空真空冷冻冷冻沉降系数沉降系数（sedimentationcoefficient） 生生物物大大分分子子在在单单位位离离心心力力场场作作用用下下的的沉沉降降速速度度称称为为沉沉降降系系数数。即即沉沉降降系系数数是是微微颗颗粒粒在在离离心心力力场场的的作作用用下下，从从静静止止状状态态到达极限速度所需要的时间。到达极限速度所需要的时间。数学定义式为：数学定义式为： 沉降系数单位沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于110110-13-13到到20010
42、20010-13-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用SvedbergSvedberg单位，用即单位，用即S S表示。表示。沉降系数（沉降系数（s s）与相对分子量（与相对分子量（MrMr）的关系的关系: :Mr=RTsD(1-)Svedberg方程方程:d/dt 2s =s =问答题问答题1、某某DNA样样品品含含腺腺嘌嘌呤呤15.1%（按按摩摩尔尔碱碱基基计计），计计算算其其余余碱碱基基的的百百分分含量。含量。2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。
43、3、DNA双双螺螺旋旋结结构构有有些些什什么么基基本本特特点点？这这些些特特点点能能解解释释哪哪些些最最重重要要的的生生命现象？命现象？4、tRNA的结构有何特点？有何功能？的结构有何特点？有何功能？5、DNA和和RNA的结构有何异同？的结构有何异同？6、简述核酸研究的进展，在生命科学中有何重大意义？、简述核酸研究的进展，在生命科学中有何重大意义？6、计计算算（1）分分子子量量为为3 105的的双双股股DNA分分子子的的长长度度；（2）这这种种DNA一一分分子子占占有有的的体体积积；（3）这这种种DNA一一分分子子占占有有的的螺螺旋旋圈圈数数。（一一个个互互补补的的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为脱氧核苷酸残基对的平均分子量为618） 名词解释名词解释变变性性和和复复姓姓分分子子杂杂交交增增色色效效应应和和减减色色效效应应回回文文结结构构TmcAMPChargaff定律定律
