第六章 核酸化學(xué)

生物化學(xué)第六章核酸化學(xué)

湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院食品工程系

湖北工業(yè)大學(xué)精品課程

第六章核酸化學(xué)認(rèn)識(shí)核酸在生命科學(xué)上的重要性弄清堿基、核苷、核苷酸和核酸分子結(jié)構(gòu)上的關(guān)系了解核酸的化學(xué)本質(zhì)及DNA和RNA在組分、結(jié)構(gòu)和功能上的差異認(rèn)識(shí)核酸的結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)與功能之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)要求上頁(yè)

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章首1868年F.Miescher首先從傷員繃帶的膿細(xì)胞中分離得到稱為“核素”的核酸1944年O.N.Avery通過(guò)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是主要的遺傳物質(zhì)1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則1970s建立DNA重組技術(shù)1980s后分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進(jìn)發(fā)展，提出并完成HGP核酸化學(xué)的發(fā)展過(guò)程上頁(yè)

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章首一.核酸的概念和重要性二.核酸的化學(xué)組成及其基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸三.核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)及其測(cè)定四.DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)五.RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)六.核酸和核苷酸的理化性質(zhì)七.核酸的分離提取和純化本章目錄上頁(yè)

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章首一.核酸的概念和重要性核酸的概念核酸的重要性上頁(yè)

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章首核酸的概念核酸是酸性的大分子物質(zhì)，在活細(xì)胞中與堿性蛋白結(jié)合，以核蛋白形式存在。核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)以及核糖核酸(RNA)兩類，DNA所含核苷酸分子數(shù)比RNA大得多。RNA分為三個(gè)類型，即核蛋白體RNA(rRNA)、信使RNA(mRNA)和轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)，它們都參與蛋白質(zhì)合成上頁(yè)

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章首

節(jié)首脫氧核糖核酸和核糖核酸異同的對(duì)比RNADNA組成戊糖核糖脫氧核糖堿基A,G,CA,G,CUT磷酸Pi(磷酸二酯鍵)Pi(磷酸二酯鍵)結(jié)構(gòu)單鏈，部分堿基互補(bǔ)，局部雙螺旋，三葉草形等雙鏈，堿基互補(bǔ)，雙螺旋形分布細(xì)胞核(核仁)，細(xì)胞質(zhì)(線粒體、核蛋白體、胞液)細(xì)胞核(染色質(zhì))細(xì)胞質(zhì)(線粒體)生物功能遺傳信息表達(dá)，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(chǔ)，負(fù)責(zé)遺傳信息貯存，發(fā)布，轉(zhuǎn)錄上頁(yè)

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章首

節(jié)首DNA和RNA返回DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)遺傳信息的貯存和發(fā)布，遺傳基因就是DNA鏈上的若干核苷酸所組成的片段。RNA負(fù)責(zé)遺傳信息的表達(dá)，直接參與蛋白質(zhì)生物合成，轉(zhuǎn)錄DNA所發(fā)布的遺傳信息，并將之翻譯給蛋白質(zhì)，使生命機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和遺傳得以繼續(xù)進(jìn)行。核酸的重要性上頁(yè)

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章首

節(jié)首核酸類物質(zhì)RNA的重要功能RNA種類功能mRNA將信息從基因傳遞到蛋白質(zhì)tRNA攜帶活化氨基酸參與蛋白質(zhì)生物合成rRNA構(gòu)成核蛋白體（蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所）SnRNA參與mRNA前體剪接加工M1RNARNaseP的催化單體端粒酶RNA端粒合成的模板引物RNA起始DNA復(fù)制TsRNA蛋白質(zhì)分泌復(fù)合物中的一部分返回二.核酸的化學(xué)組成

及其基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸核酸的化學(xué)組成核酸的基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸上頁(yè)

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章首核酸的化學(xué)組成元素組成：C、H、O、N、PP元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。核酸在酸、堿或酶作用下會(huì)水解成核苷酸，進(jìn)一步水解可得堿基(嘌呤或嘧啶)，戊糖(核糖或脫氧核糖)和磷酸上頁(yè)

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章首

節(jié)首組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。(一)戊糖RiboseDeoxyribose上頁(yè)

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章首

節(jié)首(二)堿基(嘌呤和嘧啶）上頁(yè)

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章首

節(jié)首常見(jiàn)的嘌呤和嘧啶上頁(yè)

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章首

節(jié)首(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)上頁(yè)

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章首

節(jié)首嘧啶核苷嘌呤核苷幾種稀有核苷上頁(yè)

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章首

節(jié)首幾種稀有核苷上頁(yè)

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章首

節(jié)首（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHH上頁(yè)

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章首

節(jié)首嘧啶核苷（四）核苷酸（nucleotide）

脫氧核苷酸

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章首

節(jié)首（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸

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章首

節(jié)首（五）核苷酸衍生物

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章首

節(jié)首1.繼續(xù)磷酸化AMPADPATP（五）核苷酸衍生物

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章首

節(jié)首2.環(huán)化磷酸化cAMPcGMP3.肌苷酸及鳥(niǎo)苷酸(特鮮味精)4.輔酶NAD、NADP、FMNIMPGMP上頁(yè)

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章首

節(jié)首三.核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)及其測(cè)定核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)核苷酸序列分析上頁(yè)

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章首核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核酸中各核苷酸化學(xué)鍵連接方式即核苷酸排列順序。核苷酸通過(guò)3’，5’-磷酸二酯鍵連接起來(lái)，以磷酸-糖-磷酸-糖…形成核酸骨架上頁(yè)

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章首

節(jié)首5’5’3’3’RNA，DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖上頁(yè)

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章首

節(jié)首核酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH若不特別注明，一般規(guī)定從5′端書(shū)寫(xiě)至3′端上頁(yè)

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章首

節(jié)首核酸分子的核苷酸序列分析是以純品核酸為材料，經(jīng)水解，測(cè)定核苷酸組成及比例。先以外切酶確定5’-或3’-末端核苷酸，再以內(nèi)切酶將核酸鏈分為若干寡核苷酸段，分段測(cè)定核苷酸組成、比例和序列。最后將核苷酸序列的各寡核苷酸重疊，確定整個(gè)核酸分子的核苷酸序列。核酸序列分析上頁(yè)

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章首

節(jié)首酶底物作用部位作用產(chǎn)物外切酶磷酸二酯酶DNA，RNA5’端，5’連接處3’核苷酸3’端，3’連接處5’核苷酸內(nèi)切酶脫氧核糖核酸酶IDNA3’連接處3’-羥核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分脫氧核糖核酸酶II5’連接處3’-核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶T1RNA5’連接處堿基是G3’-鳥(niǎo)苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶I5’連接處堿基是Pyr3’-嘧啶類核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核苷酸序列分析中斷裂磷酸二酯鍵用酶返回DNA酶法測(cè)序1977年sanger發(fā)明末端終止法測(cè)定DNA序列根據(jù)sanger測(cè)序法，現(xiàn)在已經(jīng)有各種DNA自動(dòng)測(cè)序儀，DNA測(cè)序速度大大加快HGP得以提前完成上頁(yè)

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章首

節(jié)首DNA酶法測(cè)序上頁(yè)

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章首

節(jié)首DNA酶法測(cè)序上頁(yè)

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章首

節(jié)首平行進(jìn)行四組反應(yīng)，每組反應(yīng)均使用相同的模板，相同的引物以及四種脫氧核苷酸；并在四組反應(yīng)中各加入適量的四種之一的雙脫氧核苷酸，使其隨機(jī)地接入DNA鏈中，使鏈合成終止，產(chǎn)生相應(yīng)的四組具有特定長(zhǎng)度的、不同長(zhǎng)短的DNA鏈。這四組DNA鏈再經(jīng)過(guò)聚丙烯酸胺凝膠電泳按鏈的長(zhǎng)短分離開(kāi)，經(jīng)過(guò)放射自顯影顯示區(qū)帶，就可以直接讀出被測(cè)DNA的核苷酸序列,如下圖所示：DNA酶法測(cè)序上頁(yè)

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章首

節(jié)首DNA酶法測(cè)序上頁(yè)

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章首

節(jié)首四.DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，即兩條多聚核苷酸鏈圍繞一個(gè)共同軸，相互盤(pán)繞在一起構(gòu)成直徑2nm的雙螺旋，互補(bǔ)的堿基(A和T互補(bǔ)，G和C互補(bǔ))通過(guò)氫鍵連接在螺旋內(nèi)部，堿基平面垂直于右旋的螺旋軸。螺旋結(jié)構(gòu)中兩條鏈走向相反上頁(yè)

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章首

節(jié)首2.0nm小溝大溝DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)類型上頁(yè)

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章首

節(jié)首B型結(jié)構(gòu)兩條鏈反向平行，右手螺旋堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對(duì)（bp）A型結(jié)構(gòu)堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖返回DNA的分子節(jié)段及堿基配對(duì)示意圖返回穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的三種力量氫鍵：使四種堿基形成特異配對(duì)關(guān)系，G-C間可形成3對(duì)氫鍵，A-T之間有兩對(duì)氫鍵。疏水相互作用：軸向平行相鄰的堿基平面自發(fā)地相互靠近，從而使堿基締合、層層堆積，形成了堿基堆積力，它是使DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要力量。離子鍵：磷酸殘基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的正離子，如Na+，K+，Ｍg＋等之間形成的離子鍵。上頁(yè)

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章首

節(jié)首核酸的三級(jí)結(jié)構(gòu)指鏈狀核酸分子的空間構(gòu)型，即其三維空間排列或組合方式。DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首

節(jié)首DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要有以下三種：松弛環(huán)形超螺環(huán)形開(kāi)鏈環(huán)形DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首

節(jié)首回文結(jié)構(gòu)與鏡像結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首

節(jié)首回文結(jié)構(gòu)中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首

節(jié)首雙鏈回文結(jié)構(gòu)可形成十字架結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首

節(jié)首五.RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)上頁(yè)

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章首R(shí)NA的二級(jí)結(jié)構(gòu)RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)基本上是單股分子，其二級(jí)結(jié)構(gòu)比DNA簡(jiǎn)單的多，但也存在少數(shù)堿基配對(duì)區(qū)域即雙螺環(huán)結(jié)構(gòu)。RNA單鏈的折疊上頁(yè)

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章首

節(jié)首（1）占總RNA的15％（2）一種氨基酸對(duì)應(yīng)最少一種RNA（3）分子中含有較多修飾成分（4）3‘-末端都具有CCAOH結(jié)構(gòu)（5）半數(shù)堿基可經(jīng)過(guò)自身回折，形成局部雙螺旋“莖”結(jié)構(gòu)，其間是單鏈形成的“環(huán)”。絕大多數(shù)tRNA經(jīng)過(guò)這樣的折疊形成4個(gè)莖和4個(gè)環(huán)組成的特征性三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)。上頁(yè)

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章首

節(jié)首1、tRNA占總RNA的80％上頁(yè)

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章首

節(jié)首2、rRNA原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s5sRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)占總RNA的3％～5％上頁(yè)

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章首

節(jié)首3、mRNA和hnRNA真核細(xì)胞mRNA的3‘-末端有一段長(zhǎng)達(dá)200個(gè)核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥(niǎo)苷酸，稱為”