1、l 核酸与蛋白质是最重要的生物大分核酸与蛋白质是最重要的生物大分子 。 核 酸 有 两 类 ： 脱 氧 核 糖 核 酸子 。 核 酸 有 两 类 ： 脱 氧 核 糖 核 酸（deoxyribonucleic acid, DNAdeoxyribonucleic acid, DNA）和核糖）和核糖核酸（核酸（ribonucleic acid, RNAribonucleic acid, RNA）。）。l 核酸是现代生物化学、分子生物学的核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。子。第一节第一节 核酸概述核酸概述一、核酸的研究发现史一、
2、核酸的研究发现史 1868年，年，F. Miescher从细胞核中分离从细胞核中分离得到一种富含磷的酸性物质，即现在被称得到一种富含磷的酸性物质，即现在被称为脱氧核糖核蛋白的物质。为脱氧核糖核蛋白的物质。 1889年，年，Altman等从酵母和动物的细等从酵母和动物的细胞核中制备了不含蛋白质的核酸，首次使胞核中制备了不含蛋白质的核酸，首次使用用“核酸核酸”一词命名。一词命名。orand可分离可分离揭示了核酸的生物学功能； 98 98细胞核内（染色体中）细胞核内（染色体中） 真核细胞真核细胞 线粒体线粒体 核外核外 叶绿体叶绿体DNA DNA 拟核拟核 原核细胞原核细胞 核外：质粒（核外：质粒（
3、plasmidplasmid） 病毒：病毒： DNA DNA病毒病毒核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸按其所含糖的不同分为两大类：核酸按其所含糖的不同分为两大类： 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中；主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中；l 转移转移RNA（transfer RNA, tRNA） 占细胞总占细胞总RNA的的1015 ;l 核糖体核糖体RNA （ ribosome RNA, rRNA） 占细胞总占细胞总RNA的的80 ;l
4、信使信使RNA （messenger RNA, mRNA） 占细胞总占细胞总RNA的的5 ;l 其它具特殊功能的其它具特殊功能的RNA;l RNA病毒病毒; 植物病毒基因组大多是植物病毒基因组大多是RNA核酸的生物学功能核酸的生物学功能 DNA是主要的遗传物质，是遗传信息的载体、负责遗是主要的遗传物质，是遗传信息的载体、负责遗传信息的储存与发布，并通过复制将遗传信息传给子代。传信息的储存与发布，并通过复制将遗传信息传给子代。RNA功能的多样性：功能的多样性：1、参与蛋白质的生物合成、参与蛋白质的生物合成 2、RNA的转录后加工与修饰的转录后加工与修饰3、参与基因表达与细胞功能的调节、参与基因表
5、达与细胞功能的调节4、生物催化作用、生物催化作用5、遗传信息的加工与进化、遗传信息的加工与进化元素组成：元素组成： C H O N PC H O N P 核 酸（nucleic acid)核苷酸(nucleotide) 磷酸 (phosphoric acid)核苷(nucleoside) 戊糖(pentose)碱 基(base)核酸由核苷酸组成，核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成；核酸由核苷酸组成，核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成； 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。OHHOHHOHO
6、HHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖NNNHNNH2l腺嘌呤腺嘌呤AdenineNHNNHNONH2l鸟嘌呤鸟嘌呤guanine嘌呤嘌呤两类核酸中两类核酸中的嘌呤碱基的嘌呤碱基完全相同；完全相同；尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOONNHNH2O胞嘧啶胞嘧啶cytosineNHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymine嘧啶嘧啶胞嘧啶为两类核酸所共有，胸腺嘧啶只存在于胞嘧啶为两类核酸所共有，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶只存在于中，尿嘧啶只存在于RNA中；中； 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述
7、碱基的甲基化产物。基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。核苷：核苷： 戊糖戊糖+ +碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键，核酸分子糖苷键，核酸分子中为中为糖苷键。糖苷键。(OH)(OH)为与碱基分子中的原子标号相区别，糖的碳原子编为与碱基分子中的原子标号相区别，糖的碳原子编号加上号加上 。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2假尿嘧啶核苷（假尿嘧啶核苷（）二氢尿嘧啶核苷二
8、氢尿嘧啶核苷 等；等；OHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine常见核苷：常见核苷：稀有核苷：稀有核苷：核苷酸：核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化核苷酸：核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化 核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖戊糖+ +碱基碱基+ +磷酸磷酸HHHHHHH H HOHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖l1. 1. 继续磷酸化继续磷酸化O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATP3，5-环腺苷酸（环腺苷酸（ cAMP）3，5-环鸟苷酸（环鸟苷酸（ cG
9、MP）4. 4. 辅酶辅酶 NADNAD、NADPNADP、FMNFMNIMP GMPl多聚核苷酸是通过一个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH -OH 与另一分子核苷与另一分子核苷酸的酸的5-5-磷酸基形成磷酸基形成3,5-3,5-磷酸二酯键相连而成的链磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。状聚合物。5533l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表表示）示）l 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是注明它的方向是5353或是
10、或是3535。DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH 一级结构一级结构 DNA的碱基顺序本身就是遗传的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于物种的多样性即寓于DNA分子分子中四种核苷酸千变万化的不同中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。排列组合之中。二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA的双螺旋模型的双螺旋模型l1953年，年，J. Watson和和F. Crick 在前人
11、研究在前人研究工作的基础上，提出工作的基础上，提出了著名的了著名的DNA双螺旋双螺旋结构模型。结构模型。DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点2.0 nm小小沟沟大大沟沟DNA双螺旋构象的多态性双螺旋构象的多态性除除B型结构外，还有：型结构外，还有：A型结构型结构 碱基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗变，螺旋变粗变短，螺距短，螺距23nm。Z型结构型结构 左手螺旋，只有小沟左手螺旋，只有小沟稳定双螺旋结构的力稳定双螺旋结构的力碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）碱基堆积力形成疏水环境（主要因素） 。碱基配对的氢键。碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介
12、质中的阳离子或组蛋白的正离子磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，减少双链间的静电斥力之间形成离子键，减少双链间的静电斥力碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。小分子的攻击。 细胞中，由于细胞中，由于DNA与其与其他分子的相互作用，使他分子的相互作用，使双螺旋进一步扭曲和折双螺旋进一步扭曲和折叠形成的构象叠形成的构象超螺旋是超螺旋是DNA三级结构三级结构的主要形式，有正超螺的主要形式，有正超螺旋和负超螺旋之分；旋和负超螺旋之分；天然环状天然环状DNA一般都以一般都以负超螺旋构象存在；负超螺旋构象存
13、在；负超螺旋负超螺旋 正超螺旋正超螺旋 第四节第四节 RNARNA的结构与功能的结构与功能一、结构特点一、结构特点1. 碱基组成碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱稀有碱基较多，稳定性较差，易水解基较多，稳定性较差，易水解2. 多为单链结构，可发生分子自身回旋，互补碱基区多为单链结构，可发生分子自身回旋，互补碱基区形成局部螺旋结构，不能配对碱基区形成突环；形成局部螺旋结构，不能配对碱基区形成突环；3. 分子较小分子较小(相对于相对于DNA而言而言)4. 分类分类l mRNAl tRNA l rRNA l 其他具特殊功能的其他具特殊功能的RNAl 少数少数RNA病毒病毒二、二、tRN
14、A三叶草形二级结构模型；三叶草形二级结构模型；碱基配对构成双螺旋区叫臂，碱基配对构成双螺旋区叫臂，不配对部分叫环，不配对部分叫环，tRNA一般一般具四臂四环结构；具四臂四环结构； 氨基酸臂氨基酸臂 二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环（环（假尿嘧啶环）假尿嘧啶环）碱基组成中含有较多的稀有核碱基组成中含有较多的稀有核苷酸；苷酸；l倒倒L形的三级结构形的三级结构tRNA的三级结构的三级结构tRNA的功能：的功能：转运氨基酸转运氨基酸识别密码子识别密码子参与翻译起始参与翻译起始参与参与DNA的反转录的反转录参与基因表达调控参与基因表达调控占占RNARNA总量的总量的808
15、0，是构成核糖体的骨架；，是构成核糖体的骨架；原核生物原核生物真核生物真核生物核糖体核糖体rRNArRNA核糖体核糖体rRNArRNA 30s30s70s70s 50s 50s16s16s5s 5s 、23s23s 40s 40s80s80s 50s 50s 18s18s5s5s、5.8s5.8s、28s28s rRNA的功能：的功能： 组成核糖体组成核糖体 催化肽键合成催化肽键合成 参与参与tRNA与与mRNA的结合的结合大肠杆菌大肠杆菌5SrRNA的结构的结构四、四、mRNA是蛋白质合成的模板，占细胞总是蛋白质合成的模板，占细胞总RNA的的35；l真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构有明
16、显特征，的结构有明显特征，3-3-末端有一段长末端有一段长达达200200个核苷酸左右的聚腺苷酸个核苷酸左右的聚腺苷酸( (polyApolyA) )，称为称为 “ “尾结尾结构构” ” ，5 -5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽帽结构结构” ” 。甲基鸟苷5，5-三磷酸 转录后由转录后由poly(A)聚合酶催化加尾聚合酶催化加尾 PolyA是是mRNA由核进入胞质所必需的形式。由核进入胞质所必需的形式。 polyA与与mRNA半寿期有关，半寿期有关， PolyA大大提高大大提高mRNA在胞在胞质中的稳定性。质中的稳定性。 由甲基化酶催化形成；由甲基化酶催化
17、形成；可抵抗可抵抗5核酸外切酶降解核酸外切酶降解mRNA； 可为核糖体提供识别位点，使可为核糖体提供识别位点，使mRNA很快与核糖体结合，很快与核糖体结合，促进蛋白质合成起始复合物的形成；促进蛋白质合成起始复合物的形成；第五节第五节 核酸的性质核酸的性质一、一般的理化性质一、一般的理化性质l 两性解离两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），DNA的的pI为为44.5，RNA的的pI为为22.5。l提纯的提纯的DNA为白色纤维状固体，为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，微溶为白色粉末，微溶于水，不溶于有机溶剂；能被乙醇或异丙醇沉淀。于水，不溶于有机溶
18、剂；能被乙醇或异丙醇沉淀。lDNA分子由于直径小而长度大，溶液粘度高；分子由于直径小而长度大，溶液粘度高；RNA分子分子粘度较小；核酸变性后粘度降低。粘度较小；核酸变性后粘度降低。l室温条件下，室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，在碱中变性，但不水解，RNA水解；水解；l核酸分子在缓冲液中带有电荷，可利用电泳进行分离；核酸分子在缓冲液中带有电荷，可利用电泳进行分离；二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性l嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，核酸（包括碱基、键体系，核酸（包括碱基、核苷、核苷酸）具有独特的核苷、核苷酸）具有独特的紫外线吸收（紫外线吸收（2402402
19、90nm290nm强强吸收）光谱，一般在吸收）光谱，一般在260nm260nm左右有最大吸收峰左右有最大吸收峰l以以A A260260/A/A280280进行定性、定量进行定性、定量lDNADNA的减色效应的减色效应lDNADNA和和RNARNA溶液中加入溴乙锭溶液中加入溴乙锭（EBEB），），在紫外光下发出红在紫外光下发出红橙色荧光；橙色荧光；1. 1. 变性变性l稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构结构的过程。核酸的的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。l变性表征变性表征 生物活性部
20、分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）收增加（增色效应）l变性因素变性因素 pHpH（11.311.3或或5.05.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度低离子强度 加热加热lDNADNA的变性过程的变性过程是突变性是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。通的，它在很窄的温度区间内完成。通常将紫外吸收达最大量（完全变性）一半（双螺旋结构失去常将紫外吸收达最大量（完全变性）一半（双螺旋结构失去一半）时的温度称熔点或熔解温度，用一半）时的温度称熔点或熔解温度，用Tm表示。表示。l一般一般DNA的的Tm值
21、在值在70-85 C之间。之间。DNA的的Tm值与分子中的值与分子中的G和和C的含量有关。的含量有关。lG和和C的含量高，的含量高，Tm值值高。测定高。测定TmTm值，可值，可反映反映DNA分子中分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442. 热变性和热变性和Tm3. 核酸的复性核酸的复性l变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为螺旋结构的过程称为复性复性。lDNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一
22、般只能得到部分的恢复，具有减色效应。般只能得到部分的恢复，具有减色效应。l将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。不可能复性。变性的变性的DNADNA缓慢冷却时可复性，因此又称为缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火退火”。 l复性影响因素复性影响因素 片段浓度片段浓度/ /片段大小片段大小/ /片段复杂性（重复序列数目）片段复杂性（重复序列数目）/ / 溶液离子强度溶液离子强度 4.4.分子杂交分子杂交lDNADNA单链与在某些区域有互补序列的异源单链与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单链单链或或RNARNA链形成双螺旋结构的过程。这样形
23、成的新链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为分子称为杂交杂交DNADNA分子分子。l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。重要意义。lSouthern Southern 印迹法印迹法（Southern boltingSouthern bolting）lNorthern Northern 印迹法（印迹法（Northern boltingNorthern bolting）lWestern Western 印迹法（印迹法（Western boltingWestern bolting）l核酸是遗传物质载体的证明和研究历史核酸是遗传物质载体的
24、证明和研究历史l核酸的化学结构：戊糖、碱基（核酸的化学结构：戊糖、碱基（A A、T T、G G、C C、U U），），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）lDNADNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示）、二的结构：一级结构（核酸序列及其表示）、二级结构（级结构（ WatsonWatson CrickCrick双螺旋模型、双螺旋模型、Z ZDNADNA）、）、结构维持的化学键结构维持的化学键lRNARNA结构与功能：碱基组成特点、结构与功能：碱基组成特点、RNARNA的种类结构及的种类结构及功能功能l核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交复习题复习题1、DNA分子具有哪些结构特征？2、稳定DNA双螺旋结构的因素有哪些？3、核酸具有哪些性质？
