第四章 核酸化學(09,10)

1、 第四章第四章 核酸化學核酸化學環(huán)境與生物工程系環(huán)境與生物工程系 易麗娟易麗娟l認識核酸在生命科學上的重要性認識核酸在生命科學上的重要性l弄清堿基、核苷、核苷酸和核酸分子結構弄清堿基、核苷、核苷酸和核酸分子結構上的關系上的關系l了解核酸的化學本質及了解核酸的化學本質及DNADNA和和RNARNA在組分、在組分、結構和功能上的差異結構和功能上的差異l認識核酸的結構與其性質與功能之間的關認識核酸的結構與其性質與功能之間的關系。系。學習要求學習要求目目 錄錄第一節(jié)第一節(jié) 核酸的概念、分類和功能核酸的概念、分類和功能 第二節(jié)第二節(jié) 核酸的組成和分子結構核酸的組成和分子結構 第三節(jié)第三節(jié) DNADNA的

2、結構的結構 第五節(jié)第五節(jié) 核酸的性質及分離、分析核酸的性質及分離、分析 第六節(jié)第六節(jié) 核酸的應用核酸的應用第四節(jié)第四節(jié) RNARNA的結構的結構 第一節(jié)第一節(jié) 核酸的概念、分類和功能核酸的概念、分類和功能一、核酸的發(fā)現(xiàn)一、核酸的發(fā)現(xiàn)二、核酸概念和分類二、核酸概念和分類l18681868年，年，F(xiàn).MiescherF.Miescher首先從傷員繃帶的膿首先從傷員繃帶的膿細胞中分離得到稱為細胞中分離得到稱為“核素核素”的核酸的核酸l18891889年，年，AltmanAltman等從酵母和動物的細胞核等從酵母和動物的細胞核中制備出不含蛋白質的核酸，這是首次使中制備出不含蛋白質的核酸，這是首次使用用

3、核酸核酸這一詞。這一詞。l19441944年，年，O.N.AveryO.N.Avery通過轉化實驗證實通過轉化實驗證實DNADNA是主要的遺傳物質是主要的遺傳物質l19531953年，年，J. D.WatsonJ. D.Watson和和F.H.C.CrickF.H.C.Crick提出提出DNA DNA 雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型 核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史l19681968年年 NirenbergNirenberg發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)遺傳密碼遺傳密碼。l19751975年年 TeminTemin和和BaltimoreBaltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)逆轉錄酶逆轉錄酶。l19811981年年 Gil

4、bertGilbert和和SangerSanger建建立立DNA測序方法測序方法。l19851985年年 MullisMullis發(fā)明發(fā)明PCR技術技術。l19901990年年 美國啟動人類基因組計劃美國啟動人類基因組計劃(HGP(HGP) )。l19941994年年 中國人類基因組計劃啟動。中國人類基因組計劃啟動。l20002000年年 人類基因組計劃。人類基因組計劃。第一節(jié)第一節(jié) 核酸的概念、分類和功能核酸的概念、分類和功能 l核酸（核酸（nucleic acidnucleic acid）是生物體內含有磷酸基團的）是生物體內含有磷酸基團的重要生物大分子，主要作用是信息的儲存和傳遞。重要生物

5、大分子，主要作用是信息的儲存和傳遞。l核酸分為核酸分為脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 ( DNA )( DNA )以及以及核糖核酸核糖核酸 (RNA)(RNA)兩類，兩類，DNADNA所含核苷酸分子數(shù)比所含核苷酸分子數(shù)比RNARNA大得多。大得多。lRNARNA分為三個類型，即核糖體分為三個類型，即核糖體 RNA(rRNARNA(rRNA) )、信使、信使RNA(mRNARNA(mRNA) )和轉移和轉移RNA(tRNARNA(tRNA) )，它們都參與蛋白質合，它們都參與蛋白質合成。成。lDNADNA是遺傳的物質基礎，是遺傳的物質基礎，負責遺傳信息的貯存負責遺傳信息的貯存和發(fā)布，遺傳基因就是和發(fā)布

6、，遺傳基因就是DNADNA鏈上的若干核苷酸鏈上的若干核苷酸所組成的片段。所組成的片段。lRNARNA負責遺傳信息的表達負責遺傳信息的表達，直接參與蛋白質生，直接參與蛋白質生物合成，轉錄物合成，轉錄DNADNA所發(fā)布的遺傳信息，并將之所發(fā)布的遺傳信息，并將之翻譯給蛋白質，使生命機體的生長、發(fā)育、翻譯給蛋白質，使生命機體的生長、發(fā)育、繁殖和遺傳得以繼續(xù)進行繁殖和遺傳得以繼續(xù)進行。核酸的功能核酸的功能核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖堿基堿基水水解解核蛋白核蛋白蛋白質蛋白質第二節(jié)第二節(jié) 核酸的組成和分子結構核酸的組成和分子結構 組成元素（組成元素（C,H,O,N,P）一、戊糖一、戊糖 三、

7、核苷三、核苷二、堿基二、堿基四、核苷酸四、核苷酸第二節(jié)第二節(jié) 核酸的組成和分子結構核酸的組成和分子結構 五、核酸五、核酸組成核酸的戊糖有兩種組成核酸的戊糖有兩種 組成組成DNADNA 組成組成RNARNA一、戊糖一、戊糖二、堿基二、堿基1.1.嘧啶堿基嘧啶堿基2.2.嘌呤堿基嘌呤堿基3.3.稀有堿基稀有堿基4.4.堿基的性質堿基的性質核酸中的堿基分兩類：核酸中的堿基分兩類：（1 1）嘧啶堿：）嘧啶堿：胞嘧啶（胞嘧啶（C C） 尿嘧啶（尿嘧啶（U U） 胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）（2 2）嘌呤堿：）嘌呤堿：腺嘌呤（腺嘌呤（A A） 鳥嘌呤（鳥嘌呤（G G）二、堿基二、堿基1.1.嘧啶堿基嘧啶堿

8、基2.2.嘌呤堿基嘌呤堿基3.3.稀有堿基稀有堿基核酸中的部分稀有堿基核酸中的部分稀有堿基DNADNARNARNA嘌嘌呤呤7-7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤N N6 6- -甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤N N6 6- -甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤N N 6 6,N ,N 6 6- -二甲基腺嘌呤二甲基腺嘌呤7-7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤嘧嘧啶啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶5-5-羥甲基胞嘧啶羥甲基胞嘧啶假尿嘧啶假尿嘧啶二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶3.3.稀有堿基稀有堿基假尿苷（假尿苷（ ）二氫尿嘧啶（二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH54.4.堿基的性質堿基的性質酮式烯醇式互變異構酮式烯醇式互變異構氨基

9、亞氨基互變異構氨基亞氨基互變異構具有吸收紫外光的性質，最大吸收波長具有吸收紫外光的性質，最大吸收波長在在260 nm左右左右堿基的紫外吸收光譜隨堿基的紫外吸收光譜隨pH的改變而改變的改變而改變化學性質比較穩(wěn)定化學性質比較穩(wěn)定嘌呤堿基還可以被銀鹽沉淀嘌呤堿基還可以被銀鹽沉淀 三、核苷三、核苷1.1.核苷的結構核苷的結構2.2.核苷的書寫核苷的書寫核苷是一種糖苷，由戌糖和堿基縮合而成。核苷是一種糖苷，由戌糖和堿基縮合而成。糖與堿基之間以糖苷鍵相連接。糖的第一糖與堿基之間以糖苷鍵相連接。糖的第一位上的碳原子（位上的碳原子（C1）與嘧啶堿的第一位上）與嘧啶堿的第一位上的氮原子（的氮原子（N1）或嘌呤堿

10、的第九位上的氮）或嘌呤堿的第九位上的氮原子（原子（N9）相連，所以糖與堿基間的連鍵）相連，所以糖與堿基間的連鍵是是N-C鍵，一般稱之為鍵，一般稱之為N-糖苷鍵。糖苷鍵。1.1.核苷的結構核苷的結構胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2糖與堿基之間以糖與堿基之間以C-NC-N糖苷鍵連接糖苷鍵連接11191.1.核苷的結構核苷的結構(OH)(OH)嘧啶核苷嘧啶核苷嘌呤核苷嘌呤核苷2.2.核苷的書寫核苷的書寫核苷可用單字符號核苷可

11、用單字符號A（腺嘌呤核苷，簡稱腺苷）、（腺嘌呤核苷，簡稱腺苷）、G（鳥苷）、（鳥苷）、C（胞苷）、（胞苷）、U（尿苷）表示。（尿苷）表示。脫氧核苷則在單字符號前面加一個小寫的脫氧核苷則在單字符號前面加一個小寫的d，如，如dA（腺嘌呤脫氧核糖核苷，簡稱脫氧腺苷）、（腺嘌呤脫氧核糖核苷，簡稱脫氧腺苷）、dG（脫氧鳥苷）、（脫氧鳥苷）、dC（脫氧胞苷）、（脫氧胞苷）、dT（脫氧胸（脫氧胸苷）。苷）。稀有堿基（或稱為修飾堿基）與戊糖通過糖苷鍵稀有堿基（或稱為修飾堿基）與戊糖通過糖苷鍵結合生成的核苷稱為稀有核苷（或稱為修飾核苷）。結合生成的核苷稱為稀有核苷（或稱為修飾核苷）。1 1核苷酸的種類核苷酸的種

12、類2 2核苷酸的結構與命名核苷酸的結構與命名3 3多磷酸核苷及其衍生物多磷酸核苷及其衍生物4 4環(huán)核苷酸環(huán)核苷酸5 5核苷酸的性質核苷酸的性質四、核苷酸四、核苷酸核苷中的戌糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸核苷中的戌糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸作為作為DNA或或RNA結構單元的核苷酸分別是結構單元的核苷酸分別是5-磷酸磷酸-脫氧核糖核苷和脫氧核糖核苷和5-磷酸磷酸-核糖核苷。核糖核苷。1 1核苷酸的種類核苷酸的種類1 1核苷酸的種類核苷酸的種類核苷或脫氧核苷與磷酸通過核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵酯鍵結合構成結合構成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyr

13、ibonucleotide)。NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵2 2核苷酸的結構與命名核苷酸的結構與命名 腺腺嘌嘌呤呤 A 鳥鳥嘌嘌呤呤 G 胞胞嘧嘧啶啶 C 尿尿嘧嘧啶啶 U 胸胸腺腺嘧嘧啶啶 T RNA AMP GMP CMP UMP 未未發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn) DNA dAMP dGMP dCMP 未未發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn) dTMP lRNARNA的名稱為某（單、二、三）磷酸核苷酸，的名稱為某（單、二、三）磷酸核苷酸，DNADNA在某（單、二、三）前加脫氧兩字。在某（單、二、三）前加脫氧兩字。l如如AMPAMP稱腺苷磷酸稱腺苷磷酸( (或腺苷酸），或腺苷酸）

14、，dAMPdAMP稱為脫氧稱為脫氧腺苷磷酸（脫氧腺苷酸）。腺苷磷酸（脫氧腺苷酸）。2 2核苷酸的結構與命名核苷酸的結構與命名參與核酸生物合成的直接參與核酸生物合成的直接原料不是一磷酸核苷酸，而原料不是一磷酸核苷酸，而是三磷酸核苷酸，如是三磷酸核苷酸，如ATP ATP （三磷酸腺苷酸）。（三磷酸腺苷酸）。ATPATP上的磷酸殘基用上的磷酸殘基用、來編號。來編號。ATPATP含有兩個高能磷酸酯鍵（含有兩個高能磷酸酯鍵（P P），其水解時釋），其水解時釋放出的能量為放出的能量為7.37.3千卡千卡/ /克分子（普通磷酸酯鍵為克分子（普通磷酸酯鍵為2 2千卡千卡/ /克分子）。克分子）。ATPATP在

15、細胞能量代謝中起著及其重要的作用。在細胞能量代謝中起著及其重要的作用。3 3多磷酸核苷及其衍生物多磷酸核苷及其衍生物O-POO-NNNNN H2OHHO HHO HHO C H2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATP3 3多磷酸核苷及其衍生物多磷酸核苷及其衍生物環(huán)化磷酸化：環(huán)化磷酸化：cAMPcAMP和和cGMPcGMP在細胞的代謝調節(jié)中有在細胞的代謝調節(jié)中有重要作用，稱為第二信使重要作用，稱為第二信使 cAMPcGMP3 3多磷酸核苷及其衍生物多磷酸核苷及其衍生物3 3、含核苷酸的生物活性物質：、含核苷酸的生物活性物質： NAD+NAD+、NADP+NADP+、Co

16、ASHCoASH、FADFAD等等3 3多磷酸核苷及其衍生物多磷酸核苷及其衍生物4 4核苷酸的性質核苷酸的性質堿基可以發(fā)生酮式和烯醇式的互變異構，體內以酮堿基可以發(fā)生酮式和烯醇式的互變異構，體內以酮式為主。式為主。核苷酸在核苷酸在240290 nm具有強烈的光吸收，最大吸具有強烈的光吸收，最大吸收波長在收波長在260 nm左右。左右。核苷酸是兩性電解質，在不同的核苷酸是兩性電解質，在不同的pH條件下，其解條件下，其解離程度不同，在某一離程度不同，在某一pH值時，對外不表現(xiàn)出電性，值時，對外不表現(xiàn)出電性，該該pH值稱為其等電點。值稱為其等電點。核苷酸在日常生活中也有重要用途，如在食品行業(yè)核苷酸在

17、日常生活中也有重要用途，如在食品行業(yè)中作為鮮味劑，稱為呈味核苷酸。中作為鮮味劑，稱為呈味核苷酸。一般物理性質：一般物理性質：1 1、核酸的結構、核酸的結構2 2、核酸的降解、核酸的降解五、核酸五、核酸35531 1、核核酸酸的的結結構構2 2、核酸的降解、核酸的降解（1 1）堿水解）堿水解（2 2）酸水解）酸水解（3 3）酶水解）酶水解（1 1）堿水解）堿水解RNA用用0.3 mol/L的的NaOH在在37條件下處理條件下處理1618 h可被完全降解，得到可被完全降解，得到2-核苷酸和核苷酸和3-核苷酸。核苷酸。同樣的條件下同樣的條件下DNA十分穩(wěn)定，不被降解。十分穩(wěn)定，不被降解。利用此性質可

18、以進行利用此性質可以進行DNA和和RNA的鑒別和的鑒別和分離。分離。（1 1）堿水解）堿水解RNARNA水解產(chǎn)物中會含有水解產(chǎn)物中會含有2-2-核苷酸？核苷酸？（2 2）酸水解）酸水解在不同的酸濃度下，核酸的水解產(chǎn)物不在不同的酸濃度下，核酸的水解產(chǎn)物不同。同。嘌呤的糖苷鍵比嘧啶的糖苷鍵對酸更不嘌呤的糖苷鍵比嘧啶的糖苷鍵對酸更不穩(wěn)定。穩(wěn)定。脫氧核糖的糖苷鍵比核糖的糖苷鍵更易脫氧核糖的糖苷鍵比核糖的糖苷鍵更易被酸水解被酸水解 。（3 3）酶水解）酶水解按照核酸酶作用底物按照核酸酶作用底物:分為核糖核分為核糖核酸酶和脫氧核糖核酸酶酸酶和脫氧核糖核酸酶按照核酸酶對底物作用方式按照核酸酶對底物作用方式:

19、分為分為核酸外切酶和核酸內切酶核酸外切酶和核酸內切酶按照核酸酶所作用化學鍵按照核酸酶所作用化學鍵:分為磷分為磷酸二酯酶和磷酸單酯酶酸二酯酶和磷酸單酯酶 （3 3）酶水解）酶水解核糖核核糖核酸酶和脫酸酶和脫氧核糖核氧核糖核酸酶。酸酶。核酸外核酸外切酶和核切酶和核酸內切酶。酸內切酶。磷酸二磷酸二酯酶和磷酯酶和磷酸單酯酶。酸單酯酶。 一、一、DNA的一級結構的一級結構 三、三、DNA的三級結構的三級結構 二、二、DNA的二級結構的二級結構 四、核酸序列的研究方法四、核酸序列的研究方法第三節(jié)第三節(jié) DNADNA的結構的結構 五、五、DNA基因組基因組一、一、DNA的一級結構的一級結構 雙鏈線性分子雙鏈

20、線性分子:細胞核內的細胞核內的DNA、有些動物病毒。有些動物病毒。環(huán)狀雙鏈環(huán)狀雙鏈DNA:原核生物染色體原核生物染色體DNA、質粒、質粒DNA、真核生物細胞器、真核生物細胞器DNA、有些動物病毒。、有些動物病毒。 各核苷酸殘基沿多核苷各核苷酸殘基沿多核苷酸鏈排列的順序叫核酸的酸鏈排列的順序叫核酸的一級結構。一級結構。連接鍵：連接鍵：3 3，5 5一磷酸二一磷酸二酯鍵連接起來的直線形或酯鍵連接起來的直線形或環(huán)形分子。環(huán)形分子。DNADNA沒有側鏈。沒有側鏈。一、一、DNA的一級結構的一級結構 戊糖戊糖5-磷酸磷酸P核苷酸核苷酸53首端首端末端末端PPPPPP 核苷酸順序又稱核苷酸順序又稱堿基順序

21、堿基順序，是蛋白質與核，是蛋白質與核酸結構的生物語言。酸結構的生物語言。堿基堿基一、一、DNA的一級結構的一級結構 5PPPPPP 3 或或 5 3一、一、DNA的一級結構的一級結構 公認的為公認的為1953年年watson和和crick提提出的出的DNA雙螺旋雙螺旋結構模型。結構模型。二、二、 DNA的二級結構的二級結構 二、二、 DNA的二級結構的二級結構 1 1實驗證據(jù)實驗證據(jù)2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點3 3雙螺旋結構的穩(wěn)定性雙螺旋結構的穩(wěn)定性4 4DNADNA雙螺旋的不同類型雙螺旋的不同類型5 5三螺旋三螺旋DNADNA和四螺旋和四螺旋DNA D

22、NA 1 1實驗證據(jù)實驗證據(jù)（1）20世紀世紀40年代末，年代末，Avery證實了證實了遺傳物質是遺傳物質是DNA（2）20世紀世紀50年代初，年代初，Chargaff規(guī)則：規(guī)則：無組織特異性；無組織特異性；不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或環(huán)不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或環(huán)境變化而改變；境變化而改變； A=T，G=C；不同生物來源的不同生物來源的DNA堿基組成不同。堿基組成不同。（3）1952年，年，Wilkins和和Franklin等人研究等人研究DNA的的X光衍光衍射圖譜，說明射圖譜，說明DNA分子可能含有分子可能含有螺旋結構。螺旋結構。（4）1952年，年，Gulland和和Jordan，說明

23、，說明DNA分子中的堿分子中的堿基間會形成基間會形成氫鍵。氫鍵。 （5）1953年，年，Watson和和Crick，DNA雙螺旋結構模型。雙螺旋結構模型。（1）w兩條兩條多核苷酸鏈組成多核苷酸鏈組成w反向平行反向平行（p5-糖糖3-p的結構與的結構與p3-糖糖5-p的結構相對）的結構相對）w兩條鏈的糖磷酸主鏈都是兩條鏈的糖磷酸主鏈都是右手螺旋右手螺旋，有一共同螺旋軸，有一共同螺旋軸2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點（2）兩條鏈上的堿基互補配對：）兩條鏈上的堿基互補配對：wA-T，C-G或或T-A，G-CwA與與T之間為二個氫鍵，之間為二個氫鍵，C與與G之間為三個

24、氫鍵之間為三個氫鍵2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點雙螺旋的螺距雙螺旋的螺距為為3.4 nm，螺，螺旋的直徑為旋的直徑為2 nm，相鄰堿基，相鄰堿基對平面間的距對平面間的距離是離是0.34 nm。雙螺旋的每一雙螺旋的每一轉有轉有10對對核苷核苷酸，相鄰核苷酸，相鄰核苷酸之間的夾角酸之間的夾角為為36。 （3）螺 旋 表螺 旋 表面有一條面有一條大溝和一大溝和一條小溝條小溝大溝大溝小溝小溝2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點（4）2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型

25、的要點雙螺旋結構模型的要點（5）堿基平堿基平面與雙螺旋的面與雙螺旋的中心軸垂直，中心軸垂直，糖環(huán)平面與中糖環(huán)平面與中心軸平行。心軸平行。2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點（6）雙螺旋）雙螺旋結構橫向靠氫結構橫向靠氫鍵穩(wěn)定，縱向鍵穩(wěn)定，縱向靠堿基堆積力靠堿基堆積力維系穩(wěn)定。維系穩(wěn)定。2 2B-DNAB-DNA雙螺旋結構模型的要點雙螺旋結構模型的要點（7）一個鏈的堿基順序一個鏈的堿基順序確定后，則另一條鏈確定后，則另一條鏈必有相對應的堿基順必有相對應的堿基順序。序。堿基互補原則具有堿基互補原則具有極重要意義，極重要意義，DNA復復制、轉錄、反轉錄等制、轉錄、反轉錄等

26、過程的分子基礎都是過程的分子基礎都是堿基互補配對。堿基互補配對。（1 1）氫鍵；）氫鍵；（2 2）離子鍵及范）離子鍵及范德華力；德華力；（3 3）堿基堆積力；）堿基堆積力；3 3雙螺旋結構的穩(wěn)定性雙螺旋結構的穩(wěn)定性（1 1）氫鍵：）氫鍵：兩條鏈間堿基的相互作用，兩條鏈間堿基的相互作用，A A與與T T之間為二條之間為二條氫鍵，氫鍵，C C與與G G之間為三條氫鍵。氫鍵作用力很弱，但之間為三條氫鍵。氫鍵作用力很弱，但DNADNA分分子中存在大量氫鍵，因此氫鍵為一重要穩(wěn)定因素；子中存在大量氫鍵，因此氫鍵為一重要穩(wěn)定因素；（2 2）離子鍵及范德華力：）離子鍵及范德華力：DNADNA分子中磷酸基團在生

27、理條件分子中磷酸基團在生理條件下解離，使下解離，使DNADNA成為一種多陰離子，這有利于它與帶正電成為一種多陰離子，這有利于它與帶正電荷的其它陽離子基團發(fā)生靜電作用，這樣減少雙鏈間的靜荷的其它陽離子基團發(fā)生靜電作用，這樣減少雙鏈間的靜電排斥，有利于雙螺旋的穩(wěn)定；電排斥，有利于雙螺旋的穩(wěn)定；（3 3）堿基堆積力：）堿基堆積力：目前普遍認為堆積堿基間的疏水作用目前普遍認為堆積堿基間的疏水作用是穩(wěn)定是穩(wěn)定DNADNA結構的更重要的因素。大量堿基層層堆積，兩結構的更重要的因素。大量堿基層層堆積，兩相鄰堿基的平面十分貼近，于是使雙螺旋結構內部形成一相鄰堿基的平面十分貼近，于是使雙螺旋結構內部形成一個強大

28、的疏水區(qū)，與介質中的小分子隔開，有利于互補堿個強大的疏水區(qū)，與介質中的小分子隔開，有利于互補堿基之間氫鍵的形成；基之間氫鍵的形成；3 3雙螺旋結構的穩(wěn)定性雙螺旋結構的穩(wěn)定性4 4DNADNA雙螺旋的不同類型雙螺旋的不同類型B型型DNA（BDNA）:在相對濕度為在相對濕度為92%時，所得到的時，所得到的DNA鈉鹽纖維；鈉鹽纖維；A型型DNA（ADNA）:在相對濕度低于在相對濕度低于75%時，獲得的時，獲得的DNA鈉鹽纖維；鈉鹽纖維；此外還有此外還有ZDNA等；等；4 4DNADNA雙螺旋的不同類型雙螺旋的不同類型5 5三螺旋三螺旋DNADNA和四螺旋和四螺旋DNA DNA 雙螺旋雙螺旋DNA可以

29、與單鏈可以與單鏈DNA分子結分子結合形成三螺旋合形成三螺旋DNA；人工合成的單鏈人工合成的單鏈DNA序列（序列（T/A）mGn（m14，n18）中的）中的4個個鳥嘌呤可以通過鳥嘌呤可以通過Hoogsteen氫鍵配對氫鍵配對形成分子內或分子間的四螺旋形成分子內或分子間的四螺旋DNA；5 5三螺旋三螺旋DNADNA和四螺旋和四螺旋DNA DNA 當研究某些小病毒、線粒體、葉綠體及某些細菌中分當研究某些小病毒、線粒體、葉綠體及某些細菌中分離出來降解的離出來降解的DNADNA時，發(fā)現(xiàn)它們的雙螺旋二級結構還可進時，發(fā)現(xiàn)它們的雙螺旋二級結構還可進一步緊縮成閉鏈環(huán)狀或開鏈環(huán)狀以及麻花狀等，這是一步緊縮成閉鏈

30、環(huán)狀或開鏈環(huán)狀以及麻花狀等，這是DNADNA形成的三級結構。形成的三級結構。松弛形松弛形解鏈環(huán)形解鏈環(huán)形負超螺旋負超螺旋三、三、 DNA的三級結構的三級結構 DNADNA的三級結構的三級結構：在細胞內，由于在細胞內，由于DNADNA分子與其它分子與其它分子（主要是蛋白質）的相互作用，使分子（主要是蛋白質）的相互作用，使DNADNA雙雙螺旋進一步扭曲形成的高級結構。螺旋進一步扭曲形成的高級結構。l超螺旋是指雙螺旋進一步扭曲或再螺旋的構象超螺旋是指雙螺旋進一步扭曲或再螺旋的構象; ;l正超螺旋（盤繞方向與正超螺旋（盤繞方向與DNADNA雙螺旋方同相同雙螺旋方同相同 ）和和負超螺旋負超螺旋（盤繞方向

31、與（盤繞方向與DNADNA雙螺旋方同相雙螺旋方同相反反 ）; ;l人類人類4646條染色體的條染色體的DNADNA總長可達總長可達1.7m1.7m，經(jīng)過螺，經(jīng)過螺旋化壓縮，實際總長只有旋化壓縮，實際總長只有200nm;200nm;三、三、 DNA的三級結構的三級結構 原核生物原核生物DNA的高級結構的高級結構真核生物真核生物DNADNA的存在形式的存在形式-核小體核小體l真核生物中真核生物中DNADNA雙螺旋沿著組蛋白八聚體核雙螺旋沿著組蛋白八聚體核心的短軸繞心的短軸繞1.751.75圈，形成左手超螺旋，稱圈，形成左手超螺旋，稱核小體核小體。l染色質的基本結構單位是核小體。染色質的基本結構單位

32、是核小體。l串珠狀結構進一步卷曲形成螺線管，后者串珠狀結構進一步卷曲形成螺線管，后者再進一步卷曲形成超螺旋管，形成染色單再進一步卷曲形成超螺旋管，形成染色單體。體。一、一、RNA的一級結構的一級結構 二、二、 RNA的高級結構的高級結構 第四節(jié)第四節(jié) RNARNA的結構的結構 RNA的一級結構指的的一級結構指的是多核苷酸鏈中是多核苷酸鏈中核糖核核糖核苷酸苷酸的排列順序，即多的排列順序，即多核苷酸鏈中核苷酸鏈中堿基堿基的排列的排列順序。順序。RNA是無分支的是無分支的線形線形結構。結構。一、一、RNA的一級結構的一級結構 RNA RNA的二級結構的二級結構基本上是單股分子，其二基本上是單股分子，

33、其二級結構比級結構比DNADNA簡單的多，但也存在少數(shù)堿基簡單的多，但也存在少數(shù)堿基配對區(qū)域即雙螺環(huán)結構。配對區(qū)域即雙螺環(huán)結構。二、二、 RNA的高級結構的高級結構 （1 1）占總）占總RNARNA的的1515（2 2）一種氨基酸對應最少一種）一種氨基酸對應最少一種RNARNA（3 3）分子中含有較多修飾成分）分子中含有較多修飾成分（4 4） 3-3-末端都具有末端都具有CCAOHCCAOH結構結構（5 5）半數(shù)堿基可經(jīng)過自身回折，）半數(shù)堿基可經(jīng)過自身回折，形成局部雙螺旋形成局部雙螺旋“莖莖” ” 結構，結構，其間是單鏈形成的其間是單鏈形成的“環(huán)環(huán)”。絕大。絕大多數(shù)多數(shù)tRNAtRNA經(jīng)過這樣

34、的折疊形成經(jīng)過這樣的折疊形成4 4個莖和個莖和4 4個環(huán)組成的特征性三葉個環(huán)組成的特征性三葉草形二級結構。草形二級結構。1、tRNA占總占總RNARNA的的80802、rRNA原核生物原核生物真核生物真核生物核糖體核糖體rRNArRNA核糖體核糖體rRNArRNA 30s30s70s70s 50s 50s16s16s5s 5s 、23s23s 40s 40s80s80s 50s 50s 18s18s5s5s、5.8s5.8s、28s28s5sRNA5sRNA的二級結構的二級結構 占總占總RNARNA的的3 35 53、mRNA和和hnRNAl真核細胞真核細胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一

35、段長達末端有一段長達200200個核個核苷酸左右的聚腺苷酸苷酸左右的聚腺苷酸( (polyApolyA) )，稱為，稱為 “ “尾結尾結構構” ” ，5 -5 -末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為為” ” 帽結構帽結構“ “ 。hnRNA 內含子內含子mRNA 外顯子外顯子3、mRNA和和hnRNA真核生物真核生物mRNAmRNA特征特征： “ “帽子帽子”（m m7 7G-5G-5 ppp5ppp5 -N-3-N-3 p p）+ +單順反子單順反子+ + “ “尾巴尾巴”（Poly APoly A）真核細胞真核細胞mRNAmRNA的結構特點的結構特點AAAAAAA-O

36、H5 “帽子帽子”PolyA 3 m7G-5 ppp-N-3 plRNA的三級結構的三級結構l在在tRNAtRNA二級結構中二級結構中未配對的某些并不未配對的某些并不互補的堿基參與了互補的堿基參與了三級結構中特殊的三級結構中特殊的氫鍵作用，氫鍵作用，tRNAtRNA鏈鏈中的核糖中的核糖- -磷酸骨架磷酸骨架與某些堿基甚至其與某些堿基甚至其他的骨架之間也能他的骨架之間也能產(chǎn)生作用。產(chǎn)生作用。 第五節(jié)第五節(jié) 核酸的性質及分離、分析核酸的性質及分離、分析 一、核酸的理化性質一、核酸的理化性質二、核酸的分離二、核酸的分離三、核酸的分析三、核酸的分析四、核酸測序的研究方法四、核酸測序的研究方法一、核酸的

37、理化性質一、核酸的理化性質一、一般物理性質一、一般物理性質二、核酸的水解二、核酸的水解三、兩性解離三、兩性解離四、紫外吸收性質四、紫外吸收性質五、穩(wěn)定性五、穩(wěn)定性六、變性六、變性七、復性與雜交七、復性與雜交（一）一般物理性質（一）一般物理性質1 1、DNADNA白色纖維狀固體，白色纖維狀固體，RNARNA白色粉末狀固體，白色粉末狀固體，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇來沉淀來沉淀DNA DNA ； DNADNA溶液黏度大于溶液黏度大于RNA RNA ；2 2、DNADNA難溶于難溶于0.14mol/L0.14mol/L的的NaClNaCl溶液，可溶于溶液

38、，可溶于1 12 mol/L2 mol/L的的NaClNaCl溶液，溶液，RNARNA則相反，可據(jù)則相反，可據(jù)此分離二者；此分離二者；（二）核酸的水解（二）核酸的水解1.1.核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件下水解切斷。下水解切斷。2.2.DNADNA和和RNARNA對酸或堿的耐受程度有很大差別。對酸或堿的耐受程度有很大差別。室溫條件下，室溫條件下，DNADNA在堿中變性，但不水解，在堿中變性，但不水解，RNARNA水解。水解。 例如，在例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA幾乎可幾乎可以完全水解以

39、完全水解；DNADNA在同樣條件下則不受影響。在同樣條件下則不受影響。 DNADNA的相對分子質量較大，一般為的相對分子質量較大，一般為10106 610109 9 bp bp，大多數(shù)，大多數(shù)DNADNA為線性分子，分子極不為線性分子，分子極不對稱，雖然其長度可達對稱，雖然其長度可達cmcm級但分子的直徑級但分子的直徑只有只有nmnm級。級。RNARNA的相對分子質量較小，通常為的相對分子質量較小，通常為10104 410106 6 bpbp。（三）兩性解離（三）兩性解離1.1.核酸含酸性的磷酸基團，又含弱堿性核酸含酸性的磷酸基團，又含弱堿性的堿基，為兩性電解質，可發(fā)生兩性解的堿基，為兩性電解

40、質，可發(fā)生兩性解離；離；2.2.核酸相當于多元酸，核酸相當于多元酸，pHpH大于大于4 4時，呈陰時，呈陰離子狀態(tài)；離子狀態(tài)；（四）紫外吸收（四）紫外吸收l在核酸分子中嘌呤堿和嘧啶堿都含有在核酸分子中嘌呤堿和嘧啶堿都含有共軛雙鍵體系，在共軛雙鍵體系，在260 nm260 nm有吸收；有吸收；l可以作為區(qū)別蛋白質和對核酸及其組可以作為區(qū)別蛋白質和對核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)，進行核酸份定性和定量測定的依據(jù)，進行核酸純度鑒定，也可作為核酸變性和復性純度鑒定，也可作為核酸變性和復性的指標。的指標。l1. DNA1. DNA或或RNARNA的定量的定量lODOD260260=1.0=1.0相當于

41、相當于l5050g/mlg/ml雙鏈雙鏈DNADNAl4040g/mlg/ml單鏈單鏈DNADNA（或（或RNARNA）l2020g/mlg/ml寡核苷酸寡核苷酸l2.2.判斷核酸樣品的純度判斷核酸樣品的純度lDNADNA純品純品: : ODOD260260/OD/OD280280 = 1.8 = 1.8lRNARNA純品純品: : ODOD260260/OD/OD280280 = 2.0 = 2.0（五）（五）DNADNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性lDNADNA的溶液呈粘稠狀，但實際上的溶液呈粘稠狀，但實際上DNADNA的雙螺旋結的雙螺旋結構僵直而有剛性，易斷成碎片，這也是目前難構僵直而有剛性，易斷成

42、碎片，這也是目前難以獲得完整大分子以獲得完整大分子DNADNA的原因。的原因。l溶液狀態(tài)的溶液狀態(tài)的DNADNA易受易受DNADNA酶作用而降解，抽干水酶作用而降解，抽干水分的分的DNADNA性質十分穩(wěn)定。性質十分穩(wěn)定。（六）（六）DNA的變性的變性核酸的變性：指核酸雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，變核酸的變性：指核酸雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，變成單鏈，它并不涉及共價鍵（磷酸二酯鍵）成單鏈，它并不涉及共價鍵（磷酸二酯鍵）的斷裂。的斷裂。DNADNA的變性的條件的變性的條件能夠引起核酸變性的因素有：能夠引起核酸變性的因素有：o溫度升高；溫度升高；o酸堿度改變、酸堿度改變、 pHpH（11.311.3或或5.05.0）

43、；）；o有機溶劑如甲醛和尿素、甲酰胺等；有機溶劑如甲醛和尿素、甲酰胺等；o低離子強度。低離子強度。DNADNA變性的特征變性的特征l變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。l變性改變了變性改變了DNADNA的二級結構。核酸的變性并不涉的二級結構。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構( (堿基堿基順序順序) )保持不變。保持不變。lDNADNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內完成。間內完成。 DNADNA解鏈溫度解鏈溫度l紫外吸收值明顯增加，即增色效應。紫外吸收

44、值明顯增加，即增色效應。l粘度降低，沉降系數(shù)增加。粘度降低，沉降系數(shù)增加。DNADNA解鏈溫度（熔點，解鏈溫度（熔點， TmTm ）l當當50% 50% 的的DNADNA變性時的溫度稱為該變性時的溫度稱為該DNADNA的解鏈溫度，的解鏈溫度，一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之間。之間。l均一均一DNADNA（如病毒）的（如病毒）的T Tm m值范圍較小。值范圍較小。l分子中分子中G G和和C C的含量越高，越不易變性，的含量越高，越不易變性，T Tm m值越高。值越高。 可通過經(jīng)驗公式計算：（可通過經(jīng)驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44

45、G+C)%=(Tm-69.3)X2.44lT Tm m值隨溶液鹽濃度增加而增大，值隨溶液鹽濃度增加而增大，lT Tm m值較低，易變性，不易保存值較低，易變性，不易保存。增色效應與減色效應增色效應與減色效應 天然天然DNADNA分子在熱變性條件下，雙螺旋結構破分子在熱變性條件下，雙螺旋結構破壞，堿基暴露，在紫外光壞，堿基暴露，在紫外光260nm260nm波長處的吸收波長處的吸收度明顯增加，此現(xiàn)象稱為度明顯增加，此現(xiàn)象稱為增色效應增色效應。 變性變性DNADNA分子復性形成雙螺旋結構時其紫外吸分子復性形成雙螺旋結構時其紫外吸收降低的現(xiàn)象稱為收降低的現(xiàn)象稱為減色效應減色效應。（七）（七）DNADNA的復性的復性l概念概念l復性的條件復性的條件l分子雜交分子雜交1 1、復性的概念、復性的概念o變性變性DNADNA在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，其物理單鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，其物理性質和生物活性隨之恢復，這一過程稱為性質和生物活性隨之恢復，這一過程稱為復復性性；o對于熱變性的對于熱變性