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第三章 核酸化学. Nucleic Acid chemistry. 核酸概述. 核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 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子。. 第一节 核酸是遗传物质的载体. 一、核酸的研究发现史 1868 年， F. Miescher 从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。. 1944 年， Avery 的转换转化实验. or. and. 可分离. 1952 年， Hexshey 、 Chase T 2 噬菌体（捣碎器实验）
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第三章核酸化学 Nucleic Acid chemistry
核酸概述 • 核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 • 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子。
第一节 核酸是遗传物质的载体 一、核酸的研究发现史 • 1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。
1944年，Avery的转换转化实验 or and 可分离
1952年， Hexshey、Chase T2噬菌体（捣碎器实验） • 1953年，Watson、Crick DNA双螺旋模型 • 核酶（Ribozyme）
二、核酸的种类和分布 核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA） 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
tRNA • rRNA • mRNA • 其它 • RNA病毒：SARS RNA主要存在于细胞质中 三、分子生物学的中心法则
第二节 核酸的基本化学组成 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。 碱基 核苷 核酸 核苷酸 戊糖 磷酸 元素组成： C H O N P
Ribose Deoxyribose 一、戊糖 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
6 7 5 1 8 2 4 9 3 • 腺嘌呤Adenine • 鸟嘌呤guanine A G 二、碱基 1. 嘌呤（Purine）
4 5 3 6 2 1 尿嘧啶 uracil 胞嘧啶 cytosine 胸腺嘧啶 thymine U C T 2. 嘧啶（Pyrimidine）
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，大部分是上述碱基的甲基化产物。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，大部分是上述碱基的甲基化产物。
5’ 5’ 4’ 1’ 4’ 1’ 3’ 2’ 3’ 2’ (OH) (OH) 三、核苷（nucleoside） • 核苷 戊糖+碱基 • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键
5 OH Adenosine Guanosine Cytidine Uridine • 假尿苷（ψ） • 次黄苷（肌苷）I • 黄嘌呤核苷 X • 二氢尿嘧啶核苷 D • 取代核苷的表示方式 • 7-甲基鸟苷 m5G
H H H H H H H H H 四、核苷酸（nucleotide）核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸
AMP ADP ATP 五、核苷酸衍生物 • 1. 继续磷酸化
2.环化磷酸化 • cGMP • cAMP
3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精) IMPGMP 4. 辅酶 NAD、NADP、FMN
5’ 3’ 5’ 3’ 六、多聚核苷酸（核酸） • 多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH 与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。
T U OH OH OH OH OH OH 3’ 5’ 3’ 5’ • 5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示） • 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5′→3′或是3′→5′。 多聚核苷酸的表示方式 DNA RNA 5′PdAPdCPdGPdTOH 3′ 5′PAPCPGPUOH ′ 或5′ACGTGCGT 3′ 5′ACGUAUGU 3′ ACGTGCGT ACGUAUGU
第三节 DNA的结构 • 一、DNA的一级结构 • 脱氧核糖核酸的排列顺序 • 可以用碱基排列顺序表示 • 连接键：3’，5’-磷酸二酯键 • 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 • 碱基形成侧链 • 多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端 DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
蛋白质（mRNA 蛋白质） 产物 tRNA RNA rRNA 调节功能：调节基因 无产物 作用未知 结构基因 2. 基因与基因组 基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。
bp（碱基对） 人 两栖类 鱼类 藻类 酵母 细菌 E.Coli 病毒 质粒 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA） 各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小
基因组计划 人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（E.Coli） • 3. 原核生物基因组特点 • 重复序列少，多位编码区 • 多为操纵子形式组织 • 有重叠基因存在 • 真核生物基因组特点 • 以染色体存在 • 重复序列多
二、DNA的二级结构 DNA的双螺旋模型 • 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 • 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。
2.0 nm 小沟 大沟 DNA双螺旋模型要点 B型结构 两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp） A型结构 碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。 Z型结构 左手螺旋，只有小沟
双螺旋DNA的结构参数 双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等 则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）
二、DNA的三级结构 • DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）
第四节 RNA的结构与功能 • 一、结构特点 • 碱基组成 A、G、C、U （A＝U/G≡C） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解 • 多为单链结构，少数局部形成螺旋 • 分子较小 • 分类 • mRNA（hnRNA 核不均一RNA） • tRNA • rRNA （snRNA/asRNA） • 少数RNA病毒
二、tRNA 占RNA总量的15％ 一种氨基酸对应最少一种RNA • 分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 • 分子中含有较多的修饰成分。 • 3'-末端都具有CpCpAOH的结构。
三、rRNA 占RNA总量的80％
四、mRNA和hnRNA 占细胞总RNA的3％～5％ • 真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5’ -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。 五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA）
一、一般的理化性质 • 两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂 • 线性大分子（粘度高。抗剪切力差） • 可用电泳或离子交换（色谱）进行分离 • 室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解 • 加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚 绿色 D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺 蓝紫色 第五节 核酸的性质
二、核酸的紫外吸收特性 • 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。 • 以A260/A280进行定性、定量 • DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光
三、核酸的变性、复性与分子杂交 1. 变性 • 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(碱基顺序)保持不变。 • 变性表征 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） • 变性因素 pH（>11.3或<5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热
2. 热变性和Tm • DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。 • 一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。 • G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44
3. 核酸的复性 • 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复性。 • DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。 • 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。 退火温度＝Tm－25℃ • 复性影响因素 片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度
4.分子杂交 • DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。 • 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。 • Southern 杂交（Southern bolting） • Northern 杂交（Northern bolting） • Western 杂交 （Western bolting）
