核酸化学省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第三章核酸化学第1页核酸概述核酸组成核酸结构核酸性质本章讲授提纲第2页第一节核酸概述一、核酸发展简史(P215-218)1、1868年，瑞士科学家F.Miescher从脓细胞核中分离出含磷很高酸性化合物当初称为核素；以后他又从鲭鱼精子中分离出类似物质，并指出它是由一个碱性蛋白质与一个酸性物质组成，此酸性物质即是核酸。2、1889年，Altman制备了不含蛋白质核酸制品，并正式命名为核酸（NucleicAcid）。3、以后四五十年，Kossel和Levene等确定核酸组分，将核酸分为两大类，即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。第3页4、20世纪50年代以前，已证实生物体普遍含有DNA和RNA，但未引发足够重视。5、1943年，Chargaff等证实DNA中4种碱基百分比并不相等。6、1944年，Avery等完成肺炎双球菌转化试验，证实使肺炎球菌遗传性发生改变转化因子是DNA，而不是蛋白质。7、20世纪50年代初，核酸主要性得到公认。8、1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型。9、20世纪70年代初建立起来DNA重组技术，基因工程诞生。10、年人类基因组计划开辟了生命科学新纪元。第4页二、核酸种类核酸依据所含戊糖不一样进行分类：1）脱氧核糖核酸（DNA，DeoxyribonucleicAcid）2）核糖核酸（RNA，RibonucleicAcid）全部生物细胞都含有DNA和RNA这两类核酸，而病毒只含DNA或RNA。第5页真核生物染色体DNA是线型双链DNA。原核生物染色体DNA、质粒DNA和真核生物细胞器DNA都是环状双链DNA。细胞RNA通常都是线型单链，但病毒RNA则有线型与环状、双链与单链之分。第6页RNA主要有三种类型：1）转移RNA(tRNA)2）信使RNA(mRNA)3）核糖体RNA(rRNA)第7页tRNA约占细胞总RNA15%，分子量25,000左右，大约由70－90个核苷酸组成。功效：在蛋白质生物合成中起携带氨基酸并识别密码子作用。tRNA已知每一个tRNA专门转移一个特定氨基酸，每一个氨基酸最少有一个对应tRNA。RNA分子大小很相同，最长有93个核苷酸（大肠杆菌tRNASer)。第8页mRNA功效：因其携带DNA遗传信息（碱基次序），在蛋白质生物合成中起直接模板作用，决定蛋白质中氨基酸次序。mRNA约占细胞总RNA3-5%。第9页rRNArRNA约占细胞总RNA80%。

原核生物

真核生物

核糖体rRNA核糖体rRNA（动物）70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（40S、60S）18S、5S、5.8S、28S核糖体由rRNA（60%）和蛋白质（40%）组成。功效：核糖体是蛋白质合成场所。第10页沉降系数（sedimentationcoefficient）沉降系数单位：因为蛋白质、核酸、病毒等沉降系数介于1×10-13到200×10-13秒范围，为方便起见，把1×10-13秒作为一个单位，称为Svedberg单位，或称为沉降系数单位，用S（大写）表示。在6-8万r/min高速离心力作用下，生物大分子会沿旋转中心向外周方向移动，用光学方法测定界面移动速度即为沉降速度（沉降系数）。沉降速度与分子大小和形状相关。第11页三、核酸分布98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA

拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒

（一）DNA分布第12页生命科学与技术学院RNA主要分布在细胞质中,另外还存在细胞核、叶绿体和线粒体中。（二）RNA分布其它小分子RNA不均一核RNA（hnRNA）：真核生物成熟mRNA前体。小核RNA（snRNA）：参加hnRNA剪接转运。反义RNA（asRNA）：抑制DNA复制和转录，以及基因表示小核仁RNA(snoRNA)：参加rRNA加工和修饰小胞质RNA(scRNA)：蛋白质内质网定位合成信号识别组成成份阶段第13页四、核酸主要性核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺乏组成部分。核酸是生命遗传信息携带者和传递者，它不但对于生命延续，生物物种遗传特征保持，生长发育，细胞分化等起着主要作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也亲密相关。所以，核酸是当代生物化学、分子生物学和医学主要基础之一。第14页第二节核酸组成一、元素组成

组成核酸元素有C、H、O、N、P等。与蛋白质比较，其组成上有两个特点：1）核酸普通不含元素S。2）核酸中P元素含量较多而且恒定，约占9～10%。所以，核酸定量测定经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。第15页核酸逐步降解形成中间产物和最终产物：核苷磷酸

碱基

嘌呤碱（A；G）嘧啶碱（C；U；T）戊糖

核糖

脱氧核糖

核酸

水解n核苷酸

水解水解二、化学组成与基本组成单位核苷酸是核酸基本组成单位。

第16页第17页1、碱基

核酸中碱基均为含氮杂环化合物，分为两类：嘧啶碱和嘌呤碱，分别属于嘧啶衍生物和嘌呤衍生物。

第18页胞嘧啶

C胸腺嘧啶

T尿嘧啶

U嘧啶碱

(pyrimidine)嘧啶原子编号第19页嘌呤原子编号腺嘌呤

A鸟嘌呤

G嘌呤碱(purine)第20页稀有碱基（或修饰碱基）稀有碱基大多是在常见嘌呤碱或嘧啶碱不一样部位甲基化或进行其它化学修饰而形成衍生物。DNA中修饰碱基不多见；RNA中以tRNA含稀有碱基最多。第21页几个稀有碱基第22页2、戊糖核酸中戊糖有两种：核糖和脱氧核糖。5′1′1′5′5′DNA所含糖为β-D-2-脱氧核糖。RNA所含糖为β-D-核糖。第23页3、核苷1）定义：戊糖与碱基缩合去水以糖苷键连接化合物称为核苷。

2）连接键：通常是戊糖C1′与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9相连接。

键类型：1’,9-C-N-糖苷键

1’,1-C-N-糖苷键第24页1′,9-C-N-糖苷键1′,1-C-N-糖苷键胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）腺嘌呤核苷或称腺苷胞嘧啶核苷或称胞苷第25页（3）核苷分类及表示方法：腺嘌呤核苷（腺苷，A）鸟嘌呤核苷（鸟苷，G）胞嘧啶核苷（胞苷，C）尿嘧啶核苷（尿苷，U）核糖核苷（核苷）脱氧核糖核苷（脱氧核苷）腺嘌呤脱氧核苷(脱氧腺苷，dA)鸟嘌呤脱氧核苷(脱氧鸟苷，dG)胞嘧啶脱氧核苷(脱氧胞苷，dC)胸腺嘧啶脱氧核苷(脱氧胸苷，dT)第26页

(4)常见修饰核苷符号有:

次黄嘌呤核苷或肌苷:I

黄嘌呤核苷:X

二氢尿嘧啶核苷: D

假尿嘧啶核苷:Ψ第27页(2)种类：5’-磷酸-核糖核苷酸：是RNA基本结构单位。5’-磷酸-脱氧核糖核苷酸：是DNA基本结构单位。(1)定义：核苷酸是核苷磷酸酯。是核酸基本结构单位。三、核酸基本组成单位——核苷酸第28页HHHHHHHHH(3)核苷酸组成：核苷+磷酸戊糖+碱基+磷酸脱氧腺苷酸腺苷酸第29页

(4)表示法核苷酸表示为:AMP、GMP、

CMP、UMP脱氧核苷酸表示为:dAMP、dGMP、

dCMP、dTMP第30页(5)核苷酸衍生物ATP是生物体内分布最广和最主要一个核苷酸衍生物。它结构以下：①ATP(三磷酸腺苷)第31页腺苷酸及其多磷酸化合物第32页ATP分子最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,能够释放出大量自由能。ATP

是生物体内最主要能量转换中间体。ATP水解释放出来能量用于推进生物体内各种需能生化反应。ATP

是一个很好磷酰化剂。磷酰化底物分子含有较高能量（活化分子），是许多生物化学反应激活步骤。ATP特点第33页②cAMP

(3’,5’-环腺一磷)

cGMP(3’,5’-环鸟一磷)cAMPcGMP5’3’5’3’第34页cAMP

和

cGMP主要功效是作为细胞之间传递信息信使和调整分子。cAMP

和cGMP

环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP和cGMP水解能约为43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。第35页生命科学与技术学院第三节核苷酸连接方式一、核苷酸间连接键:

3’，5’-磷酸二酯键5’5’3’3’3’5’3’,5’-磷酸二酯键第36页多聚核苷酸是经过一个核苷酸C3’-OH与另一分子核苷酸5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成称为DNA链由核糖核苷酸聚合而成则称为RNA链。二、多聚核苷酸5’-末端磷酸基3’，5’-磷酸二酯键3’-末端羟基第37页多聚核苷酸表示法第一个表示法:结构法第38页用竖线表示戊糖，最上方为C1，最下方为C5

；竖线上方字母表示碱基；P表示磷酸，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：第二种表示法:线条式第39页多核苷酸链差异只是它所带碱基不一样，所以上式能够深入简化为：

5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′

或5′ACGCTGTA3′第三种表示法:字母式第40页第四节DNA结构一、DNA一级结构定义：是由若干个四种脱氧核糖核苷酸以3’，5’-磷酸二酯键连接起来线形或环形多聚体。

DNA碱基次序本身就是遗传信息存放分子形式。生物界物种多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化不一样排列组合之中。第41页二、DNA二级结构(1)X-射线衍射数据

Ⅰ.1952年，

Wilkins和Franklin拍摄了较清楚DNA纤维X-射线衍射图，发觉DNA分子中有3.4nm和0.34nm周期性改变，这意味着DNA分子中可能存在螺旋结构。不一样起源DNA纤维含有相同X-射线衍射图谱。1.DNA二级结构试验依据：第42页(2)DNA碱基组成——Chargaff法则1950年，Chargaff采取层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子碱基组成，发觉同一生物体中，DNA分子中碱基组成A=T，G=C，所以A+G=T+C，即嘌呤碱总和=嘧啶碱总和。说明DNA分子中碱基A-T，G-C是配对存在。这就是有名碱基配对规律。有种特异性，无组织和器官特异性。DNA碱基组成不受年纪、营养情况及环境影响。第43页Ⅱ.1953年，Watson和Crick

在前人研究工作基础上，依据DNA结晶X-衍射图谱和分子模型，提出了著名DNA双螺旋结构模型，并对模型生物学意义作出了科学解释和预测。第44页2.DNA双螺旋结构模型关键点：1)DNA分子由两条反向平行多核苷酸链组成，两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋；螺旋直径为2nm;螺旋表面有一条大沟和一条小沟。第45页2）脱氧核糖与磷酸在外侧，形成DNA骨架；糖环平面与DNA螺旋轴平行；碱基在内侧，碱基平面与纵轴垂直。3）每10对核苷酸螺旋上升一圈，上升螺距3.4nm，相邻碱基平面之间距离为0.34nm;相邻两个核苷酸之间夹角为36度。第46页4）一条核苷酸链上嘌呤碱和另外一条链上嘧啶碱匹配成对，即A=T配对，G=C配对；

A=T之间形成2个氢键，G=C之间形成3个氢键。第47页生命科学与技术学院DNA双螺旋结构第48页3.稳定双螺旋结构力1）碱基堆积力：由芳香族碱基π电子间相互作用引发，使双螺旋内部形成一个强大疏水区，与介质中水分子隔开，有利于互补碱基间形成氢键。

2）氢键：互补碱基对间可形成氢键。3）离子键：磷酸基团上负电荷与介质中阳离子之间形成离子键（盐键）。碱基堆积力是稳定双螺旋结构最主要力

。第49页4.

DNA双螺旋结构意义双螺旋结构最主要特点是两条链互补。因为碱基配正确规律性，假如一条链碱基次序已确定，则可推知与其互补另一条链碱基次序。碱基互补含有十分主要生物学意义。该模型揭示了DNA作为遗传物质稳定性特征，最有价值是确认了碱基配对标准，这是DNA复制、转录和反转录分子基础，亦是遗传信息传递和表示分子基础。该模型提出是本世纪生命科学重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展基石。第50页

∵1）脱氧核糖五元环能够折叠成不一样构象。

2）C-N糖苷键旋转一定角度。

3）3′，5′-磷酸二酯键旋转一定角度。∴这就使DNA双螺旋产生不一样构象，DNA这种构象上差异称为多态性。5.DNA二级结构多态性（构象类型）B-型A-型Z-型主要有三种类型第51页A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子构象相同，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，每一螺圈有11个bp，螺距2～3nm，螺旋变粗变短。Z-DNA：主链为锯齿型呈左手螺旋，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA相互转换可能和基因调控相关。B-DNA：92%相对湿度，靠近细胞内DNA构象，与Watson和Crick提出模型相同。第52页第53页DNA二级结构多态性发觉拓宽了人们视野。生物体中最为稳定遗传物质也能够采取不一样姿态来实现其丰富多采生物学功效。多年来，DNA结构研究伎俩主要是X射线衍射技术，其结果是多个DNA分子结构参数平均值；且被测DNA分子与天然状态相差甚远。所以，这种方法在反应DNA结构真实性方面有缺点。1989年，应用扫描隧道显微镜(STM)研究DNA结构克服了上述技术缺点。这种先进显微技术，不但可将被测物放大500万倍，且能直接观察靠近天然条件下单个DNA分子结构细节。STM技术应用是DNA结构研究中主要进展，可望在探索DNA结构一些未知点上展示巨大潜力。第54页三、DNA三级结构指含有双螺旋结构DNA分子经过扭曲和折叠所形成特定空间构象。1、定义：2、形式：超螺旋是DNA三级结构一个形式。第55页超螺旋：当DNA分子在溶液中以一定构象存在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态；假如这种正常DNA分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当DNA分子两端是固定，或是环状分子，则这种额外张力就不能释放掉，DNA分子就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋，即双螺旋螺旋。第56页螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋第57页超螺旋按其方向分为正、负超螺旋两种。例：

B型构象DNA两条链均为右手螺旋，则其超螺旋为负超螺旋（左手螺旋）。

细胞DNA通常处于负超螺旋状态。在生物体内，绝大多数DNA是以超螺旋形成存在。第58页四、DNA四级结构（DNA与蛋白质复合物结构）指含有三级结构DNA分子与蛋白质形成复合物。1、定义：例：染色体（质）第59页DNA存在形式（1¾圈146bp

）第60页染色体

染色体基本单位是核小体。核小体由关键颗粒（组蛋白）和连接区（DNA）二部分组成。组蛋白有H1、H2A、H2B、H3和H4。由H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体成为核小体关键，DNA双螺旋分子缠绕在八聚体上组成核小体关键颗粒。关键颗粒之间再由DNA和H1组成连接区连接起来形成串珠状结构。核小体深入旋转折叠形成棒状染色体。第61页

核小体是DNA紧缩第一阶段。在此基础上，DNA链深入折叠成每圈六个核小体，直径30nm纤维状结构，这种30nm纤维再扭曲，围绕染色体骨架形成棒状染色体。据预计DNA双螺旋经如此重复折叠盘绕共压缩8000-10000倍。

这么，使每个染色体中几厘米长(如人染色体DNA分子平均长度为4cm)DNA分子容纳在直径数微米(如人细胞核直径为6－7μm)细胞核中。

核小体形成以及DNA超螺旋结构与功效关系还不十分清楚，可能与基因转录调整控制相关。第62页基因(gene)是DNA分子中某一区段,经过复制能够遗传给子代,经过转录和翻译能够确保支持生命活动各种蛋白质在细胞内有序地合成。一个生物体全部基因序列称为基因组(genome)。

DNA基本功效就是作为生物遗传信息复制模板和基因转录模板,它是生命遗传、繁殖物质基础,也是个体生命活动基础。（遗传信息载体）DNA功效第63页四级结构：指DNA与蛋白质形成复合物。如染色体（质）。三级结构：在二级结构上，DNA双螺旋结构经过折叠和扭曲所形成特定构象。如超螺旋等。二级结构：在碱基互补配正确基础上形成DNA双螺旋结构。一级结构：由多个4种脱氧核苷酸分子经过3′，5′-磷酸二酯键连接形成直线型或环型多聚体。DNA一级～四级结构第64页一、RNA一级结构RNA结构研究最多是tRNA、rRNA以及一些小分子RNA。

第五节RNA分子结构RNA是多聚核苷酸，它基本结构单位是核糖核苷酸。主要由AMP、GMP、CMP、UMP四种核糖核苷酸组合而成。定义：RNA分子中各种核糖核苷酸以3′-5′磷酸二酯键连接起来排列次序。第65页（1)tRNA一级结构特点细胞内分子量最小一类核酸，大约由70－90个核苷酸组成；分子中含有10%-20%稀有碱基。3'-末端都含有CpCpAOH结构。（2）mRNA一级结构特点大多数真核细胞mRNA3′末端有一段长约25-250个核苷酸多聚腺苷酸[poly（A）]，称为“尾巴”结构；5′末端有一个甲基化鸟苷酸（m7GpppN），称为“帽子”结构。原核生物mRNA普通没有这种首、尾结构。第66页（3）rRNA一级结构特点动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。许多rRNA一级结构及由一级结构推导出来二级结构都已说明，不过对许多rRNA功效迄今仍不十分清楚。第67页RNA分子中，部分区域也能形成局部双螺旋结构（本身回折，使链内形成局部互补区），不能形成双螺旋部分，则突起成环。二、RNA高级结构RNA是单链分子，并不恪守碱基种类数量百分比关系，即分子中嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基总数。结构特点：第68页tRNA中除了常见碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分。在RNA双螺旋结构中，碱基配对情况不象DNA中严格。G

除了能够和C配对外，也能够和U配对。G-U

配对形成氢键较弱。不一样类型RNA,其二级结构有显著差异。所以，RNA分子是含短不完全双螺旋区多核苷酸链。每段双螺旋区最少需要有4～6对碱基才能保持稳定。第69页tRNA二级结构都呈“三叶草”形状，在结构上含有一些共同之处，普通可将其分为四臂四环，互补碱基形成双螺旋为臂，不能配对碱基突起成环。包含：(1)tRNA二级结构1、tRNA高级结构第70页Ⅰ.氨基酸臂

包含有tRNA3′-末端和5′-末端；3′-末端最终3个核苷酸残基都是CCA，A与AA成酯，该臂在蛋白质合成中起携带氨基酸作用；G和C含量高。Ⅱ.反密码臂和反密码臂环反密码环正中3个核苷酸残基称为反密码，在蛋白质合成中起解读密码子，将所携带氨基酸准确地“对号入座”。

反密码环氨基酸臂DHU环可变环TψC环5bp7bp第71页Ⅲ.二氢尿嘧啶臂和二氢尿嘧啶臂环（DHU环或D环）

DHU臂由3-4对碱基组成双螺旋区。该环含有二氢尿嘧啶（D），此环是氨酰基tRNA合成酶结合部位（识别氨酰tRNA合成酶位点）。Ⅳ.

TC臂和TC环

与DHU环相对，TC环由7个核苷酸组成；TC臂由5对碱基组成双螺旋区。几乎全部tRNA在此环中都含有TC结构，此环是tRNA与核糖体结合部位（核糖体识别位点）。第72页Ⅴ.可变环（额外环）

由数个乃至二十余个核苷酸组成。不一样tRNA此环上核苷酸数目改变较大。其功效还不清楚。但能够作为tRNA分类指标。第73页(2)tRNA三级结构tRNA分子在二级结构基础上，突环上未配正确碱基因为整个分子扭曲而配成对，当前已知tRNA三级结构均为倒L型。第74页tRNA三级结构第75页一、普通理化性质2、形状：DNA为白色纤维状固体;RNA为白色粉末。3、溶解度：DNA和RNA均微溶于水，它们钠盐在水中溶解度较大；DNA和RNA均不能溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。第六节核酸性质1、颜色：均为白色。

在体内普通都与蛋白质结合，DNA-蛋白在低盐浓度下难溶，如在0.14MNaCl溶液中溶解度最低，几乎不溶；而RNA-蛋白在0.14MNaCl溶液中能溶解，所以可利用此性质将二者分离开。在高浓度盐溶液中（如1MNaCl

）都能溶解。第76页4、黏度：DNA溶液黏度极高；

RNA溶液黏度要小得多。5、颜色反应：

核糖试剂条件颜色β-D-核糖（RNA）甲基间苯二酚（苔黑酚）+浓盐酸加热绿色β-D-2-脱氧核糖（DNA）二苯胺+酸加热蓝紫色利用显色反应判定DNA与RNA。第77页二、紫外吸收性质DNA和RNA溶液中加入溴乙锭（EB），在紫外光下发出荧光。在核酸分子中，因为嘌呤碱和嘧啶碱含有共轭双键体系，因而含有独特紫外线吸收光谱，普通在260nm左右有最大吸收峰。进行定性、定量测定。第78页DNA紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值123

核酸光吸收值常比其各核苷酸成份光吸收值之和少30%～40%。这是因为双螺旋结构中碱基有规律紧密堆积在一起缘故。第79页增色效应和减色效应增色效应：当核酸变性或降解时光吸收值显著增加,这种现象称增色效应。减色效应：核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平，这种现象称减色效应。第80页RNA等电点比DNA低原因，是RNA分子中核糖基2′-OH经过氢键促进了磷酸基上质子解离。DNA没有这种作用。三、核酸两性解离及等电点与蛋白质相同，核酸分子中既含有酸性基团（例：磷酸基），也含有碱性基团（例：氨基），因而核酸也含有两性性质。核酸等电点比较低。如DNA等电点为4～4.5，RNA等电点为2～2.5。∵因为核酸分子中磷酸是一个中等强度酸，而碱性（氨基）是一个弱碱。第81页四、核酸变性、复性与杂交（1）核酸变性定义：是指核酸双螺旋区氢键断裂，双螺旋变成涣散无规则线团（单链）结构，并不包括共价键断裂过程。1、核酸变性变性剂（脲、甲酰胺、甲醛等）pH（>11.3或<5.0）加热（2）引发变性原因部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对加热DNA变性过程第82页DNA变性第83页5）分子解链；成无规则线团；（3）变性表征4）生物活性全部或部分丧失；1）粘度下降；（紧密刚性柔软而涣散）2）浮力密度升高；3）紫外吸收增加（增色效应）；第84页2、热变性与