第2章核酸的结构与功ppt课件

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1、1 核酸的结构与功能核酸的结构与功能n n1.1 核酸的种类分布和化学组成n n1.2 核酸的分子结构n n1.3 核酸的理化性质及其应用1.1 核酸的种类、分布及化学组成1.1.1 核酸的生物学功能核酸的生物学功能1.1.2 核酸的种类和分布核酸的种类和分布1.1.3 核酸的组成核酸的组成核酸是遗传变异的物质基础n n核酸是生物体内最重要的生物大分子，核酸是生物体内最重要的生物大分子，是一种富含磷酸基团的高分子化合物。是一种富含磷酸基团的高分子化合物。任何生物任何生物 体，甚至无细胞结构的病毒和体，甚至无细胞结构的病毒和噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体发育

2、、生长繁殖、遗传变异等生命过程发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。而且它与生命中起着极为重要的作用。而且它与生命的异常活动如肿瘤的发生，辐射损伤，的异常活动如肿瘤的发生，辐射损伤，遗传病，代谢病等密切相关。遗传病，代谢病等密切相关。核酸的发现核酸的发现n n186869F. Miescher从脓细胞核中提出含磷量高的核素（nuclein），其后从鲑鱼精子中提取出鱼精蛋白和核素。n n1889年，年，Altman等从酵母和动物的细胞等从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的称为核酸核中得到了不含蛋白质的称为核酸 (nucleic acids)的物质，其功能不清楚。的物质，其功

3、能不清楚。n n1944年年O.T. Avery等的肺炎双球菌转化实等的肺炎双球菌转化实验，证明了验，证明了DNA就是遗传物质。就是遗传物质。1.1.1核酸的生物学功能核酸的生物学功能DNA作为遗传物质的载体，负责遗传作为遗传物质的载体，负责遗传信息的储存、传递和发布；信息的储存、传递和发布；RNA负责负责遗传信息的表达。遗传信息的表达。细胞细胞 内内DNA含量很稳定，不受营养条含量很稳定，不受营养条件、年龄等因素的影响。件、年龄等因素的影响。DNA是染色是染色体的主要成分，而染色体与遗传直接体的主要成分，而染色体与遗传直接有关。可作用于有关。可作用于DNA的一些物理、化的一些物理、化学因素都

4、可以引起遗传特性的改变。学因素都可以引起遗传特性的改变。肺炎双球菌的转化实验n n1952年年A.D.Hershey和和M.Cha-se用用35S和和32P分别标记分别标记T2噬菌体的蛋白质和噬菌体的蛋白质和DNA部分，部分，感染大肠杆菌的实验进一步证明了感染大肠杆菌的实验进一步证明了DNA是是遗传物质。遗传物质。1.1.2 核酸的种类和分布核酸的种类和分布核酸主要存在于细胞核中核酸主要存在于细胞核中(原核分布在类核原核分布在类核)，由几千至几万个核苷酸由几千至几万个核苷酸(nucleotide)连接成连接成的无分支长链高分子化合物也称多聚核苷酸的无分支长链高分子化合物也称多聚核苷酸(poly

5、nucleotide) 。核酸根据核酸的化学组成和生物学功能，将核核酸根据核酸的化学组成和生物学功能，将核酸分为：酸分为： 核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic acid RNA）和和 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid DNA)所有细胞都同时含有所有细胞都同时含有DNA和和RNA两种核酸。病两种核酸。病毒只含一种核酸，毒只含一种核酸，DNA或或RNA，故有故有DNA病病毒和毒和RNA病毒之分。多数细菌病毒（噬菌体）病毒之分。多数细菌病毒（噬菌体）属属DNA病毒，而植物和动物病毒多为病毒，而植物和动物病毒多为RNA病病毒。毒。DNA：主要存在于细胞核（真

6、核细胞，主要存在于细胞核（真核细胞，98%以以上），是染色质的主要成分；原核生物上），是染色质的主要成分；原核生物DNA主要存在于类核（主要存在于类核（nucleoid）中；中；在核外也存在有少量在核外也存在有少量DNA，如线粒体如线粒体DNA、叶叶绿体绿体DNA以及细菌的质粒（以及细菌的质粒（plasmid，细菌细菌染色体外能够进行自我复制的遗传单位）。染色体外能够进行自我复制的遗传单位）。RNA的种类与分布的种类与分布RNA主要存在于细胞质中。mRNA 约占细胞总RNA的5%，在蛋白质合成中起模板作用 rRNA 占细胞总RNA的80%，是核糖体的组分，是合成蛋白质的场所tRNA 占细胞总R

7、NA的10-15%，蛋白质合成中起携带活化氨基酸的作用1.1.3 核酸的化学组成核酸的化学组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷 磷酸磷酸碱基（嘌呤和嘧啶）碱基（嘌呤和嘧啶） 核糖或脱氧核糖（戊糖）核糖或脱氧核糖（戊糖）核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷酸核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷酸酯，核苷由碱基和核糖酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱基脱氧核糖组成，碱基有嘌呤和嘧啶两类。有嘌呤和嘧啶两类。DNA组成组成： 脱氧核糖、脱氧核糖、 磷酸、磷酸、A、G、C、TRNA组成组成： 核核 糖糖 、磷酸、磷酸、A、G、C、U1.1.3.1 核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖RNA中的戊糖为中的戊糖

8、为 -D-核糖，和少量的核糖，和少量的 -D-2O-甲基核糖；甲基核糖；DNA中的戊糖为中的戊糖为 -D-2-脱氧核脱氧核糖糖。戊戊糖糖C-1所所连连的的羟羟基基与与碱碱基基形形成成糖糖苷苷键键，糖糖苷苷键的连接都是键的连接都是-构型。构型。戊糖的碳原子编号都加上戊糖的碳原子编号都加上“”，以区别于碱，以区别于碱基的原子编号。基的原子编号。1.1.3.2 碱基碱基(base)嘧啶嘧啶(pyrimidine)：胞嘧啶胞嘧啶(cytosine，C)、胸胸腺嘧啶（腺嘧啶（thymine，T)、尿嘧啶尿嘧啶(uracil，U) ；嘌呤嘌呤(purine)：腺嘌呤腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤鸟嘌

9、呤(guanine，G) ；DNA中存在：中存在：A、T、G、C；RNA中存在：中存在：A、U、G、C。核酸分子中含有一些核酸分子中含有一些稀有碱基稀有碱基(或修饰碱基或修饰碱基) ：是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。如：如：5-甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤等甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤等。稀有碱基在核酸中的含量少，分布也不均一。稀有碱基在核酸中的含量少，分布也不均一。如如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以中以tRNA含修饰碱基含修

10、饰碱基最多。最多。1.1.3.3 核苷核苷戊糖与碱基缩合形成核苷，并以糖苷键连接。戊糖与碱基缩合形成核苷，并以糖苷键连接。嘌嘌呤呤环环上上的的N-9或或嘧嘧啶啶环环上上的的N-1与与戊戊糖糖的的C1 上的上的-OH形成形成N-C糖苷键。糖苷键。X-衍射证明核苷中的碱基与糖环平面相互垂直衍射证明核苷中的碱基与糖环平面相互垂直。核核酸酸中中的的主主要要核核苷苷有有8种。种。1.1.3.4 核苷酸核苷酸和稀有核苷酸和稀有核苷酸核苷酸核苷酸(nucleotide)是核苷的磷酸酯。是核苷的磷酸酯。核苷酸的核糖有核苷酸的核糖有3个个自由羟基，可以酯化自由羟基，可以酯化分别生成分别生成2 -、3 -和和5

11、-核苷酸。核苷酸。脱氧核苷只能生成脱氧核苷只能生成3 -和和5 -脱氧核苷脱氧核苷酸。生物体内酸。生物体内多为多为5 -核苷酸。核苷酸。稀有核苷酸：核酸中的稀有核苷酸：核酸中的稀有核苷酸稀有核苷酸是碱基或戊是碱基或戊糖被修饰后形成的。糖被修饰后形成的。核酸中的稀有核苷酸常核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示。以其核苷的形式表示。常见的为甲基化修饰以常见的为甲基化修饰以“m”（methy-）表示，表示，修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方，修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方，修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方，修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方，修饰基团个数写在其右下角，修饰位置写在修饰

12、基团个数写在其右下角，修饰位置写在右上角。右上角。2-O-甲基腺苷1.1.3.5细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物n n细胞中还有一些游离的核苷酸及其衍生物，其中较重要的为多磷酸核苷酸、环式单核苷酸和辅酶类单核苷酸。根据多磷酸核根据多磷酸核苷酸中磷酸苷酸中磷酸数目可分为数目可分为单磷酸核苷单磷酸核苷酸、二磷酸酸、二磷酸核苷酸和三核苷酸和三磷酸核苷酸，磷酸核苷酸，如如AMP、ADP和和ATP。环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP和和cGMP在细胞的代谢调节在细胞的代谢调节中有重要作用，称为第二信使。中有重要作用，称为第二信使。辅酶类核苷酸：辅酶类核苷酸：NAD、NADP、FMN

13、、辅酶、辅酶A和和FAD等辅酶都是核苷酸或其衍生物。等辅酶都是核苷酸或其衍生物。1.2 核酸的分子结构核酸的分子结构1.2.1 DNA的分子结构的分子结构1.2.1.1 DNA的一级结构的一级结构DNA的一级结构指的是组成的一级结构指的是组成DNA分子的脱分子的脱氧核苷酸的连接方式和排列顺序。氧核苷酸的连接方式和排列顺序。 DNA是由很多个是由很多个dAMP、dGMP、dCMP和和dTMP通过通过3,5 -磷酸二酯键连成的无分磷酸二酯键连成的无分支双链线状或环状多核苷酸。支双链线状或环状多核苷酸。E. coli DNA 4 106bp，1.4 106nm；人人DNA 2.9 109bp 9.9

14、 108nm DNA一级结构一级结构53OHOHOH53RNA一级结构一级结构核酸为多聚核酸为多聚核苷酸核苷酸,相相邻邻2个核苷个核苷酸间以酸间以3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接 。核酸分子的表示方法核酸分子的表示方法DNADNA分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的排列顺序实质上是碱基的排列顺序。排列顺序实质上是碱基的排列顺序。排列顺序实质上是碱基的排列顺序。排列顺序实质上是碱基的排列顺序。核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高度核酸链的简写式：核酸分子

15、的简写式可简明表示高度核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高度核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高度复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。书写方式由书写方式由书写方式由书写方式由5 5 3 3 端端端端。 nt （nucleotide），代表核苷酸），代表核苷酸

16、bp（base pair），）， 代表碱基对。代表碱基对。线线条条式式：以以竖竖线线和和斜斜线线分分别别表表示示糖糖基基和和磷磷酸酸酯酯键。键。糖基的糖基的C-3位位糖基的糖基的C-5位位字符式：用字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用代表碱基，用P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。列即可。省略了糖基，简写式中出现省略了糖基，简写式中出现T的为的为DNA链，出链，出现现U则为则为RNA链。以链。以5和和3表示链的末端及表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。方向

17、，分别置于简写式的左右二端。5pApCpTpTpGpApApCpG3 DNA5pApCpUpUpGpApApCpC3 RNA简化为：简化为：5pACTTGAACG3 DNA5pACUUGAACG3RNA简写式的简写式的5-末端均含有一个磷酸残基（与糖基末端均含有一个磷酸残基（与糖基的的C-5位上的羟基相连），位上的羟基相连），3-末端含有一个末端含有一个自由羟基（与糖基的自由羟基（与糖基的C-3位相连），若位相连），若5端端不写不写P，则表示则表示5-末端为自由羟基。末端为自由羟基。Sanger测序原理测序原理1.2.1.2 DNA的二级结构及其多态性的二级结构及其多态性Watson和和Cri

18、ck在总结前人研究工作的基础上，在总结前人研究工作的基础上，在在1953年以立体化学上的最适构型建立了与年以立体化学上的最适构型建立了与DNA X-射线衍射资料相符的分子模型射线衍射资料相符的分子模型DNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。 它可在分子水平上它可在分子水平上阐述遗传阐述遗传(基因复制基因复制)的基本特征。的基本特征。DNA双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据1949-1951年年Chatgaff应应用用紫紫外外分分光光光光度度法法和和纸纸层层析析等等技技术术，对对不不同同来来源源的的DNA进进行行碱碱基基定定量量分分析析，得得出出组组成成DNA四四种种碱碱基基的的比比例例关系

19、关系。不同来源不同来源DNA碱基组成的碱基组成的比例关系比例关系碱碱基基组组成成的的共共同同规规律律：不不同同来来源源的的DNA中中A=T、C=G；A+G=T+C 。Wilkins及其同事及其同事Franklin等用等用X-射线衍射射线衍射方法获得的方法获得的DNA结构资料。结构资料。用电位滴定法证明用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定，的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的而嘌呤和嘧啶的-NH、-CO则不能滴定，因则不能滴定，因此它们之间形成氢键。此它们之间形成氢键。Norweger,Furberg研究证实，戊糖糖环与研究证实，戊糖糖环与DNA分子纵轴平行，而碱基平面与纵轴垂直。分子纵轴平行，而

20、碱基平面与纵轴垂直。n n（2）双螺旋结构模型n nDNADNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成右分子由两条反向平行的多核苷酸链构成右手双螺旋结构。螺旋表面有一条大沟和一条小手双螺旋结构。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。沟。大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。之间

21、，而大沟位于相毗邻的双股之间。之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。n n一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条多核苷酸链上的嘧啶碱基以氢键相连，配对原则是A=T，C G。n n碱基层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间距离为0.34nm。磷酸和脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接。糖环平面与中轴平行。n n螺旋直径螺旋直径2nm；螺旋周期包含螺旋周期包含10bp；螺螺距距3.4nm；相邻碱基对平面的间距相邻碱基对平面的间距0.34nm。双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素DNADNA结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。

22、结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。层层堆积的芳香族碱基上的层层堆积的芳香族碱基上的层层堆积的芳香族碱基上的层层堆积的芳香族碱基上的 电子云交错形成了碱基电子云交错形成了碱基电子云交错形成了碱基电子云交错形成了碱基堆积力，使堆积力，使堆积力，使堆积力，使DNADNA双螺旋结构内部形成疏水核心而不双螺旋结构内部形成疏水核心而不双螺旋结构内部形成疏水核心而不双螺旋结构内部形成疏水核心而不存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的

23、阳离子双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而对对对对DNADNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。双螺旋结构也有一定的稳定作用。双螺旋结构也有一定的稳定作用。双螺旋结构也有一定的稳定作用。（4）DNA双螺旋构象的多态性双螺旋构象的多态性在在多多核核苷苷酸酸链链中中，戊戊糖糖能能折折叠叠成成多多种种构构象象，同同时时，分分子子还

24、还可可绕绕C-N糖糖苷苷键键以以及及3,5 -磷磷酸酸二二酯酯键键旋旋转转一一定定角角度度，使使得得具具有有同同样样碱碱基基配配对对的的DNA双双螺螺旋旋可可以以采采取取不不同同的的构构象象，这这种种构构象象上上的的差差异称为多态性。异称为多态性。在在溶溶液液中中，DNA一一般般为为B型型。在在以以钠钠、钾钾或或铯铯作作反反离离子子，相相对对湿湿度度为为75时时，DNA分分子子的的X-射射线衍射图显示的是线衍射图显示的是A-构象。构象。A-构构象象不不仅仅出出现现于于脱脱水水DNA中中，还还出出现现在在RNA分子中的双螺旋区和分子中的双螺旋区和DNA-RNA杂交分子中。杂交分子中。B-DNA与

25、A-DNA的比较Z-DNAWang和和Rich等在研究人工等在研究人工合成的合成的d（CGCGCG）单单晶的晶的X-射线衍射图谱时，射线衍射图谱时，发现这种六聚体的构象不发现这种六聚体的构象不同于同于B-构象。构象。它是左手双螺旋，在主链它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿中各个磷酸根呈锯齿（Zigzag）状排列，因此状排列，因此称称Z-构象。构象。B-DNA与与Z-DNA的比较的比较天然天然DNA分子中存在有分子中存在有Z-DNA区。区。B-DNA与与Z-DNA的互变可能与基因的调控有关。的互变可能与基因的调控有关。如胞嘧啶如胞嘧啶C5的甲基化，在甲基周围形成局部的的甲基化，在甲基周围形

26、成局部的疏水区。这一区域扩伸到疏水区。这一区域扩伸到B-DNA的大沟中，的大沟中，使使B-DNA不稳定而转变为不稳定而转变为Z-DNA。这种这种C5甲甲基化现象在真核生物中是常见的。基化现象在真核生物中是常见的。利用利用X-射线衍射技术时的样品分析条件与被射线衍射技术时的样品分析条件与被测测DNA分子的天然状态相差甚远，在反映分子的天然状态相差甚远，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。结构真实性方面这种方法存在着缺陷。1989年，应用扫描隧道显微镜年，应用扫描隧道显微镜(STM)可克服可克服X-射线衍射技术的缺陷射线衍射技术的缺陷（分辨率（分辨率（分辨率（分辨率1010-10-10m

27、m）。 STM可将被测物放大可将被测物放大500万倍，且能直接观测接近万倍，且能直接观测接近天然条件下单个天然条件下单个DNA分子的结构细节。它所分子的结构细节。它所取得的取得的DNA结构资料更具有结构资料更具有“权威性权威性”。STM证实了证实了d(CG)重复序列的寡核苷酸片段重复序列的寡核苷酸片段为为Z-DNA结构的事实。结构的事实。（5 5）三链）三链）三链）三链DNADNA（H-DNAH-DNA）在三链在三链在三链在三链DNADNA中，中，中，中，polyPypolyPy和和和和polyPupolyPu形成反向平行的双形成反向平行的双形成反向平行的双形成反向平行的双螺旋，碱基以螺旋，碱

28、基以螺旋，碱基以螺旋，碱基以Watson-CrickWatson-Crick方式配对，第三股链则方式配对，第三股链则方式配对，第三股链则方式配对，第三股链则以结合于大沟中。以结合于大沟中。以结合于大沟中。以结合于大沟中。在三链在三链在三链在三链DNADNA中，位于大沟中的多聚嘧啶链与双链中，位于大沟中的多聚嘧啶链与双链中，位于大沟中的多聚嘧啶链与双链中，位于大沟中的多聚嘧啶链与双链DNADNA中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照HoogsteenHoogsteen方式配对形成方式配对形成方式配对

29、形成方式配对形成TATTAT，CGCCGC三联体。三联体。三联体。三联体。作用：与基因表达调控有关，第三股链可能阻碍一些作用：与基因表达调控有关，第三股链可能阻碍一些作用：与基因表达调控有关，第三股链可能阻碍一些作用：与基因表达调控有关，第三股链可能阻碍一些调控蛋白或调控蛋白或调控蛋白或调控蛋白或RNARNA聚合酶与聚合酶与聚合酶与聚合酶与DNADNA结合。结合。结合。结合。1.2.1.3 DNA的三级结构的三级结构在二级结构基础上形成的整条在二级结构基础上形成的整条DNA分子分子的空间结构的空间结构.(超螺旋结构超螺旋结构,核小体结构核小体结构)(1)超螺旋结构的形成超螺旋结构的形成DNA双

30、螺旋结构中，一般每转一圈有双螺旋结构中，一般每转一圈有10个核苷个核苷酸对，平时，双螺旋总处于能量最低状态。酸对，平时，双螺旋总处于能量最低状态。若正常若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使双螺旋额外地多转或少转几圈，使每一圈的核苷酸数目大于或小于每一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出，就会出现双螺旋空间结构的改变，在现双螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产分子中产生额外张力。生额外张力。若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子，若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子，双链不能自由转动，额外的张力不能释放，双链不能自由转动，额外的张力不能释放，导致导致DNA分子内部原子空位置的重排，造成分

31、子内部原子空位置的重排，造成扭曲，出现超螺旋。扭曲，出现超螺旋。超螺旋有正超螺旋和负超螺旋超螺旋有正超螺旋和负超螺旋负超螺旋：形成超螺旋时，旋转方向与负超螺旋：形成超螺旋时，旋转方向与DNA双双螺旋方向相反，称为松旋效应。在自然条件螺旋方向相反，称为松旋效应。在自然条件下共价封闭环状下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构。呈负超螺旋结构。正超螺旋：与负超螺旋相反，形成超螺旋时的正超螺旋：与负超螺旋相反，形成超螺旋时的旋转方向与旋转方向与DNA双螺旋方向相同，有紧旋效双螺旋方向相同，有紧旋效应。应。L: Linking numberT: twisting numberW: writhing numb

32、er真核生物真核生物DNA的包装的包装DNA是生物大分子，是生物大分子，人单倍体细胞基因组含有人单倍体细胞基因组含有3109bp，一条染色体包含一条一条染色体包含一条DNA双链分子，双链分子，若将所有染色体若将所有染色体(双倍体细胞双倍体细胞)相连并充分伸相连并充分伸展，长度达展，长度达2m左右。左右。巨大的巨大的DNA链必需高度压缩形成一定的高级结链必需高度压缩形成一定的高级结构，才能贮存于小小的细胞核中。构，才能贮存于小小的细胞核中。核小体（核小体（nucleosome）是染色体的基本结构是染色体的基本结构单位单位核小体由核心颗粒核小体由核心颗粒(core particle)和连接区和连接

33、区DNA(linker DNA)组成。组成。染色质基本单位的核小体。染色质基本单位的核小体。由核小体螺旋化盘绕形成螺线管由核小体螺旋化盘绕形成螺线管。由螺线管纤维缠绕形成染色质纤维环。由螺线管纤维缠绕形成染色质纤维环。由染色质纤维环会再绕成螺旋形成染色体。由染色质纤维环会再绕成螺旋形成染色体。1.2.2 RNA的分子结构的分子结构RNA的一级结构为线形多聚核苷酸，核苷酸间的一级结构为线形多聚核苷酸，核苷酸间也是也是3,5-磷酸二酯键连接磷酸二酯键连接，与，与 DNA 不同之处不同之处是戊糖为核糖，碱基中是戊糖为核糖，碱基中T变为变为U。天然的天然的RNA一般都为单链，但单链回折时通过一般都为单

34、链，但单链回折时通过碱基配对碱基配对（A=U，G C）形成部分双螺旋形成部分双螺旋区，称为发夹，以碱基堆积力和氢键维持。区，称为发夹，以碱基堆积力和氢键维持。1.2.2.1t RNA（transfer RNA ，转移转移RNA） tRNA由由7090个核苷酸组成，个核苷酸组成，分子量为分子量为2500030000dalton，沉降系数沉降系数4S ，含较多含较多的稀有碱基的稀有碱基（修饰碱基），种类多。（修饰碱基），种类多。 tRNA的的作用是携带活化氨基酸参与蛋白质作用是携带活化氨基酸参与蛋白质合成。合成。 tRNA的二级结构的二级结构不同的不同的tRNA具有相似的高级结构具有相似的高级结构

35、，tRNA分子分子单股链通过自身折叠形成四个螺旋区和四个单股链通过自身折叠形成四个螺旋区和四个环的基本结构，类似一个三叶草，称为三叶环的基本结构，类似一个三叶草，称为三叶草结构草结构(cloverleaf structure)。tRNA分子分子中含有氨中含有氨基酸臂、基酸臂、二氢尿嘧二氢尿嘧啶环、反啶环、反密码环、密码环、额外环和额外环和T C环环五部分。五部分。氨基酸臂氨基酸臂氨基酸臂氨基酸臂 ：7bp7bp组成，富含组成，富含组成，富含组成，富含GG，5-pG5-pG或或或或pCpC，3-3-CCA-OHCCA-OH，氨基酸连接在腺苷酸残基氨基酸连接在腺苷酸残基氨基酸连接在腺苷酸残基氨基酸

36、连接在腺苷酸残基(A)(A)上上上上 。TCTC环：由环：由环：由环：由7 7个碱基组成，参与个碱基组成，参与个碱基组成，参与个碱基组成，参与tRNAtRNA与核糖体与核糖体与核糖体与核糖体表面的结合。表面的结合。表面的结合。表面的结合。额额额额外外外外环环环环或或或或可可可可变变变变环环环环( (extroextro variable variable loop)loop)。碱碱碱碱基基基基种种种种类类类类和和和和数数数数量量量量（318318个个个个碱碱碱碱基基基基）高高高高度度度度可可可可变变变变，并并并并富富富富含含含含稀稀稀稀有有有有碱碱碱碱基基基基。环环环环的的的的大大大大小小小小

37、与与与与生生生生物物物物种种种种类类类类有有有有关关关关，作作作作为为为为tRNAtRNA分分分分类的指标类的指标类的指标类的指标。反反反反密密密密码码码码子子子子环环环环(anti-cordon (anti-cordon loop)loop)。由由由由7 7个个个个碱碱碱碱基基基基组组组组成成成成，处处处处于于于于中中中中间间间间位位位位的的的的3 3个个个个碱碱碱碱基基基基为为为为反反反反密密密密码码码码子子子子，常常常常含含含含有有有有次次次次黄黄黄黄嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤核核核核苷苷苷苷酸酸酸酸。反反反反密密密密码码码码子子子子可可可可与与与与mRNAmRNA中中中中的的的的密密密密码码码码

38、子结合。子结合。子结合。子结合。二二二二氢氢氢氢尿尿尿尿嘧嘧嘧嘧啶啶啶啶环环环环(D-loop)(D-loop)由由由由812812个个个个碱碱碱碱基基基基组组组组成成成成，具具具具2 2个个个个二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶( (DHU)DHU)。tRNA的三级结构的三级结构tRNA的三维结构的三维结构(three dimensional structure) 是倒是倒“L”形。形。1.2.2.2 rRNA（ribosomal RNA）rRNArRNA分子量为分子量为103106D， 存在于核糖体存在于核糖体(ribosome)中。中。原核生物大肠杆菌的原核生物大肠杆菌的rRNA有

39、有5S、16S和和23SrRNA三种，动物细胞有三种，动物细胞有5S、5.8S、18S和和28S rRNA四种。四种。1.2.2.3 m RNA（messenger RNA） mRNA是蛋白质生物合成的模板是蛋白质生物合成的模板（template），它携带着从它携带着从DNA分子中抄录分子中抄录而来的指令多肽链中氨基酸排列顺序的信息，而来的指令多肽链中氨基酸排列顺序的信息，是遗传信息的传递者，故称之为信使是遗传信息的传递者，故称之为信使RNA。每一种蛋白质都是由一种特定的每一种蛋白质都是由一种特定的mRNA编码，编码，故细胞内故细胞内mRNA种类很多，但每一种种类很多，但每一种mRNA的数量却

40、很少（的数量却很少（5%以下），瞬时含量低，代以下），瞬时含量低，代谢率高。分子大小差异很大。谢率高。分子大小差异很大。mRNA的结构的结构典型的典型的真核真核mRNA的结构顺序是：的结构顺序是：帽子结构区帽子结构区-5非编码区非编码区-起始密码起始密码-编码编码-终止终止密码密码-3非编码区非编码区-polyA尾巴尾巴真核生物真核生物真核生物真核生物mRNAmRNA一级结构特点：一级结构特点：一级结构特点：一级结构特点：5 5 3 3 5 5 帽子帽子帽子帽子 5 5 非翻译区非翻译区非翻译区非翻译区 翻译区翻译区翻译区翻译区 3 3 非翻译区非翻译区非翻译区非翻译区 polyApolyA尾

41、尾尾尾原核生物原核生物mRNA一般为多顺反子一般为多顺反子(polycistron)，即在同一即在同一mRNA中含有编码中含有编码多个蛋白质的信息多个蛋白质的信息(一个基因即一个顺反子一个基因即一个顺反子)；真核；真核mRNA通常是单顺反子，一通常是单顺反子，一 个个mRNA只能编码一条多肽链。只能编码一条多肽链。原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG -5 3 蛋白质蛋白质原核细胞原核细胞原核细胞原核细胞mRNAmR

42、NA的结构特点的结构特点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真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点的结构特点的结构特点真核和原真核和原真核和原真核和原核核核核mRNAmRNA都是单链线状分子，内部有许多碱都是单链线状分子，内部有许多碱都是单链线状分子，内部有许多碱都是单链线状分子，内部有许多碱基互补区，基互补区，基互补区，基互补区，mRNAmRNA回折时可形成大量发夹结构。回折时可形成大量发夹结构。回折时可形成大量发夹结构。回折时可形成大量发夹结构。真核真核真核真核mRNAmRNA

43、的的的的55 - -端的帽子结构端的帽子结构端的帽子结构端的帽子结构-m-m7 7GpppNGpppNmm结构结构结构结构“ “帽子帽子帽子帽子” ”结构通常有结构通常有结构通常有结构通常有mm7 7GG55pppppp55NpNp、mm7 7GG55pppppp55NmpNmp和和和和mm7 7GG55pppppp55NmpNmpNmpNmp三种类型。三种类型。三种类型。三种类型。AAAAAAA-OH5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3 p真核生物帽子结构的复杂程度与生物进化程度真核生物帽子结构的复杂程度与生物进化程度关系密切。关系密切。mRNA 5-端帽子结

44、构是端帽子结构是mRNA翻译起始的必翻译起始的必要结构，对核糖体对要结构，对核糖体对mRNA的识别提供了信的识别提供了信号；这种帽子结构还可能增加号；这种帽子结构还可能增加mRNA的稳定的稳定性，保护性，保护mRNA 免遭免遭5 3核酸外切酶的攻核酸外切酶的攻击，击，同时也与同时也与mRNA的翻译活性有关。的翻译活性有关。绝大多数真核绝大多数真核绝大多数真核绝大多数真核mRNAmRNA的的的的3-3-末端有一段长约末端有一段长约末端有一段长约末端有一段长约200200个残基个残基个残基个残基的的的的Poly（A） 。原核生物原核生物原核生物原核生物mRNAmRNA一般无此结构。一般无此结构。一

45、般无此结构。一般无此结构。Poly （A）尾巴是转录后在核内加上的。尾巴是转录后在核内加上的。Poly（A）尾巴的功能可能与尾巴的功能可能与mRNA从细胞核从细胞核转送到细胞质有关。但是相当数量的没有转送到细胞质有关。但是相当数量的没有polyA尾巴尾巴的的mRNA如组蛋白如组蛋白mRNA，也能也能通过核膜进入细胞质。通过核膜进入细胞质。这种结构可能对真核这种结构可能对真核mRNA的翻译效率具有某的翻译效率具有某种作用，使种作用，使mRNA较容易被核糖体辨认，并较容易被核糖体辨认，并能稳定能稳定mRNA结构，保持一定的生物半衰期。结构，保持一定的生物半衰期。1.3 核酸的理化性质及其应用核酸的

46、理化性质及其应用1.3.1 核酸的一般性质核酸的一般性质(1).RNA为白色粉末状为白色粉末状，DNA是白色纤维状固是白色纤维状固体，二者均溶于水，而不溶于一般有机溶剂体，二者均溶于水，而不溶于一般有机溶剂中，故常用冷乙醇从水溶液中将核酸沉淀出中，故常用冷乙醇从水溶液中将核酸沉淀出来。来。(2).大多数大多数DNA为线性分子，长度可达数厘米，为线性分子，长度可达数厘米，直径仅为直径仅为2nm，故，故DNA溶液粘度很高，分子溶液粘度很高，分子极易断裂；极易断裂；RNA溶液粘度较小。溶液粘度较小。核酸电泳核酸电泳n n利用带电离子在电场中的运动对物质进行分析.碱解碱解(3).(3).核酸可被酸、碱

47、或酶水解，核酸可被酸、碱或酶水解，核酸可被酸、碱或酶水解，核酸可被酸、碱或酶水解，DNADNA比比比比RNARNA稀碱稳定。稀碱稳定。稀碱稳定。稀碱稳定。(4).(4).核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，也可与碱性蛋白（组蛋白）结合；介质也可与碱性蛋白（组蛋白）结合；介质也可与碱性蛋白（组蛋白）结合；介质也可与碱性蛋白（组蛋白）结合；介质pHpH大于大于大于大于4 4时，呈阴离时，呈阴离时，呈阴离时，呈阴离子，电泳时向阳极移动；子，电泳时

48、向阳极移动；子，电泳时向阳极移动；子，电泳时向阳极移动；DNADNA在在在在pH411pH411间最稳定间最稳定间最稳定间最稳定，超出此，超出此，超出此，超出此范围易变性。范围易变性。范围易变性。范围易变性。531534 bp 994 bp 695 bp 515 bp 377 bp 237 bp1.3.2 1.3.2 核酸紫外吸收核酸紫外吸收核酸紫外吸收核酸紫外吸收核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，因而具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于因而

49、具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于因而具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于因而具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于260nm260nm处。利用这一性质可定量测定核酸的含量或处。利用这一性质可定量测定核酸的含量或处。利用这一性质可定量测定核酸的含量或处。利用这一性质可定量测定核酸的含量或鉴定核酸的纯度。鉴定核酸的纯度。鉴定核酸的纯度。鉴定核酸的纯度。样品中如含有蛋白质及苯酚等杂样品中如含有蛋白质及苯酚等杂样品中如含有蛋白质及苯酚等杂样品中如含有蛋白质及苯酚等杂质，此比值明显降低。质，此比值明显降低。质，此比值明显降低。质，此比值明显降低。 纯纯纯纯DNADNA：ODOD260260

50、/OD/OD280 280 = 1.8= 1.8 纯纯纯纯RNARNA：ODOD260260/OD/OD280 280 = 2.0= 2.0DNA的减色效应：(复性过程)有规律的双螺旋结构的DNA分子的光吸收值比无序松散状态的分子的吸收值低。1.3.3 核酸的变性和复性核酸的变性和复性1.3.3.1 核酸的变性（核酸的变性（denaturation） 概念概念核酸的变性是指因某些理化因素的影响使维持核酸的变性是指因某些理化因素的影响使维持核酸空间结构的氢键和疏水键断裂，双螺旋核酸空间结构的氢键和疏水键断裂，双螺旋结构解体，但不涉及核结构解体，但不涉及核 苷酸间共价键的断裂。苷酸间共价键的断裂。

51、核酸变性后，粘度降低，紫外吸收值增高核酸变性后，粘度降低，紫外吸收值增高(增增色效应色效应)，生物功能消失。，生物功能消失。影响变性的因素影响变性的因素破坏双螺旋稳定性的因素都可使破坏双螺旋稳定性的因素都可使DNA变性。变性。 DNA分子中的碱基处于配对和不配对的动态分子中的碱基处于配对和不配对的动态平衡状态，很多因素会引起它向不配对方向平衡状态，很多因素会引起它向不配对方向转变，即引起转变，即引起DNA变性。如变性。如高温、强酸、强高温、强酸、强碱、有机溶剂碱、有机溶剂(乙醇、丙酮等乙醇、丙酮等)、尿素、酰胺、尿素、酰胺等试剂、射线等试剂、射线等。等。高温：高温：DNA稀盐溶液加热到稀盐溶液

52、加热到80100，几分钟，几分钟内双螺旋键即解开，形成无规则的线团。内双螺旋键即解开，形成无规则的线团。离子强度：提高溶液的离子强度，可中和离子强度：提高溶液的离子强度，可中和DNA分子链上磷酸基团的负电荷，降低它们之间分子链上磷酸基团的负电荷，降低它们之间的排斥力，稳定的排斥力，稳定DNA的结构。的结构。DNA通常保存通常保存在在1molNaCl中。中。极端的极端的pH值：值：pH1时，时，DNA的磷酸二酯键会的磷酸二酯键会被水解；被水解；pH11.3时，时，DNA的的所有氢键断裂。所有氢键断裂。疏水作用：甲醇可增加碱基的溶解度，三氟醋疏水作用：甲醇可增加碱基的溶解度，三氟醋酸钠可降低酸钠可

53、降低DNA分子的疏水作用，破坏双螺分子的疏水作用，破坏双螺旋结构引起变性。旋结构引起变性。DNA的的熔熔点（点（ Tm ）DNA的热变性过程中光吸收达到最大吸收一的热变性过程中光吸收达到最大吸收一半时的温度称为半时的温度称为DNA的解链温度的解链温度( melting temperature，简写简写Tm)或熔点，用或熔点，用 Tm 表示。表示。DNA的的Tm值一般在值一般在7085之间。之间。热热变变性性是是在在很很狭狭的的温温度度范范围围内内突突发发的的跃跃变变过过程程，很很像像结结晶晶达达到到熔熔点点时时的的熔熔化化现现象象，故故名名熔解温度。熔解温度。（4） Tm的的影响因素影响因素n

54、 nDNA的均一性高，的均一性高，Tm的范围越小。的范围越小。n nDNA的的(G+C)含量含量 Tm值的高低取决于值的高低取决于DNA分子中的分子中的(G+C)的含量。的含量。(G+C)含量越高，含量越高，Tm值越高。值越高。n n介质离子强度介质离子强度 离子强度低，离子强度低，DNA的的Tm值也低。反之，值也低。反之，则高。则高。 Tm与与DNA中中(G+C)含量的关系含量的关系1.3.3.2 核酸的复性（核酸的复性（renauration）概念概念变性变性DNA在适当的条件下在适当的条件下(除去变性因素除去变性因素)，可，可使两条分开的链按照碱基配对规律重新缔合使两条分开的链按照碱基配

55、对规律重新缔合(reassociation)成双螺旋结构，这一过程称成双螺旋结构，这一过程称为复性。复性后的为复性。复性后的DNA其理化性质和生物功其理化性质和生物功能都得到部分恢复。复性的能都得到部分恢复。复性的DNA溶液紫外吸溶液紫外吸收下降称为减色效应。收下降称为减色效应。影响复性的因素影响复性的因素影响复性的因素影响复性的因素温度和时间温度和时间温度和时间温度和时间一般认为比一般认为比一般认为比一般认为比TmTm低低低低2525左右的温度是复左右的温度是复左右的温度是复左右的温度是复性的最佳条件，越远离此温度，复性速度就越慢。性的最佳条件，越远离此温度，复性速度就越慢。性的最佳条件，越

56、远离此温度，复性速度就越慢。性的最佳条件，越远离此温度，复性速度就越慢。 复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过TmTm的温度下迅速冷却至低温的温度下迅速冷却至低温的温度下迅速冷却至低温的温度下迅速冷却至低温( (如如如如44以下以下以下以下) )，复性几乎，复性几乎，复性几乎，复性几乎是及不可能的，核酸实验中经常以此方式保持是及不可能的，核酸实验中经常以此方式保持是及不可能的，核酸实验中经常以此方式保持是及不可能的，核酸实验中经常以此方式保持DNADNA的变性的变性的变性

57、的变性( (单链单链单链单链) )状态。状态。状态。状态。 降温时间太短以及温差大均不利于复性。降温时间太短以及温差大均不利于复性。降温时间太短以及温差大均不利于复性。降温时间太短以及温差大均不利于复性。DNA浓度浓度浓度越大，复性越快。浓度越大，复性越快。DNA顺序的复杂性顺序的复杂性简单顺序的简单顺序的DNA分子，如多聚分子，如多聚(A)和多聚和多聚(T)这这二种单链序列复性时，互补碱基的配对较易二种单链序列复性时，互补碱基的配对较易实现。实现。顺序复杂的顺序复杂的DNA，如小牛如小牛DNA的非重复部分，的非重复部分，一般以单拷贝存在于基因组中，这种复杂特一般以单拷贝存在于基因组中，这种复

58、杂特定序列要实现互补，显然要比简单序列困难定序列要实现互补，显然要比简单序列困难得多。得多。1.3.3.3 核酸分子杂交核酸分子杂交分子杂交分子杂交(简称杂交，简称杂交，hybridization) 是应用核是应用核酸分子的变性和复性的性质，使两条来源不酸分子的变性和复性的性质，使两条来源不同的具有一定同源性（即具有碱基互补关系）同的具有一定同源性（即具有碱基互补关系）的的DNA单链分子或单链分子或DNA单链分子与单链分子与RNA分分子经退火形成双链子经退火形成双链DNA分子或分子或DNA-RNA异异质双链分子质双链分子(heteroduplex)的过程。的过程。杂交是通过加热或碱处理使双螺旋解开成为单杂交是通过加热或碱处理使双螺旋解开成为单链，然后在一定条件下使互补核酸链实现复链，然后在一定条件下使互补核酸链实现复性。性。