生物化学核酸的化学.ppt

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1、第四章第四章 核酸的化学核酸的化学第一节第一节 概述概述第二节第二节 核酸的组成核酸的组成第三节第三节 DNADNA的结构的结构第四节第四节 RNARNA的结构的结构第五节第五节 核酸及核苷酸的性质核酸及核苷酸的性质第六节第六节 核酸的分离提取与纯化核酸的分离提取与纯化第一节第一节 概述概述一、核酸的发现和研究简史一、核酸的发现和研究简史二、二、核酸的分类和分布核酸的分类和分布一、核酸的发现和研究简史一、核酸的发现和研究简史1869 1869 MiescherMiescher从脓细胞的细胞核中从脓细胞的细胞核中分离出了一分离出了一 种含磷酸的有机物，当种含磷酸的有机物，当时称为核素（时称为核素

2、（nucleinnuclein）,后称为核酸后称为核酸（nucleic acidnucleic acid）；）；此后几十年内，弄此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。清了核酸的组成及在细胞中的分布。1944 1944 AveryAvery 等成功进行肺炎球菌转化等成功进行肺炎球菌转化试验；试验；19521952年年HersheyHershey等的实验表明等的实验表明3232P-DNAP-DNA可进入噬菌体内，可进入噬菌体内，证明证明DNADNA是遗传物质。是遗传物质。1953 1953 WatsonWatson和和CrickCrick建立了建立了DNADNA结构结构的双螺旋模型，说明

3、了基因的结构、的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。子生物学的迅猛发展。1958 1958 CrickCrick提出遗传信息传递的中心提出遗传信息传递的中心法则，法则，6060年代年代 RNARNA研究取得大发展（操纵研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。子学说，遗传密码，逆转录酶）。7070年代年代 建立建立DNADNA重组技术，改重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。生物技术的兴起。80 80年代年代 RNARNA研究出现第二次高研究出现第二次高潮：潮：r

4、ibozymeribozyme、反义反义RNARNA、“RNA“RNA世界世界”假说等等。假说等等。9090年代以后年代以后 实施人类基因组计划（实施人类基因组计划（HGPHGP）,开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：因时代：功能基因组学功能基因组学 蛋白质组学蛋白质组学 结构基因组学结构基因组学 RNA RNA组学或核糖核酸组学组学或核糖核酸组学二、二、核酸的分类和分布核酸的分类和分布脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）:遗传信息的贮存和遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，胞中，D

5、NADNA主要集中在细胞核内，线粒体主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的和叶绿体中均有各自的DNADNA。原核细胞没原核细胞没有明显的细胞核结构，有明显的细胞核结构，DNADNA存在于称为类存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状体，每个染色体含一个双链环状DNADNA。核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）：主要参与遗传信息的主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的传递和表达过程，细胞内的RNARNA主要存在主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中中RNARNA本身就是遗

6、传信息的储存者。另外本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的白质的游离的RNARNA分子，还发现有些分子，还发现有些RNARNA具生物催化作用（具生物催化作用（ribozymeribozyme）。第二节第二节 核酸的组成核酸的组成一、核酸的元素组成一、核酸的元素组成v组成核酸的基本元素：组成核酸的基本元素：C C、H H、OO、NN、P P；v其中其中P P 的含量比较稳定，占的含量比较稳定，占9%-10%9%-10%，通过测定通过测定P P 的含量

7、来推算核酸的含量的含量来推算核酸的含量（定磷法）。（定磷法）。vDNADNA平均含磷量为平均含磷量为9.9%9.9%，RNARNA为为9.4%9.4%。v任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。二、核酸的基本组成单位二、核酸的基本组成单位-核苷酸核苷酸核酸核苷酸磷酸核苷碱基戊糖 核糖嘌呤嘧啶1.核酸完全水解产物脱氧核糖PyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAGNitrogenous basePhosphatePentose sugarHOCH2HOOHRibose(in RNA)HOCH2HO

8、HDoxyribose(in DNA)（1）嘌呤碱（purine,Pu）腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）（2）嘧啶碱（purine,Pu）胞嘧啶胞嘧啶（C）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T）尿嘧啶尿嘧啶（U）碱基的胺式与亚胺式互变异构碱基的胺式与亚胺式互变异构碱基的酮式与烯醇式互变异构碱基的酮式与烯醇式互变异构（3）核糖两类核酸分子组成的比较两类核酸分子组成的比较嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖磷酸磷酸DNADNAA GA GC TC T脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸RNARNAA GA GC UC U核糖核糖磷酸磷酸2.核苷3.3.核苷酸核苷酸腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMPAMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺

9、嘌呤核苷酸（dAMPdAMP）OHHPPPPPPPP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）稀有碱基稀有碱基假尿苷（假尿苷（）二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH核苷酸衍生物核苷酸衍生物 5-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=

10、A、G、C、T腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷二磷酸腺苷 ADP二磷酸腺苷二磷酸腺苷 ATPlATP ATP 分子的最显著特点是含有两个高分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可以释放出大可以释放出大量自由能。量自由能。lATP ATP 是生物体内最重要的能量转换中是生物体内最重要的能量转换中间体。间体。ATP ATP 水解释放出来的能量用于水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。推动生物体内各种需能的生化反应。lATP ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，化反应的底物

11、可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。学反应的激活步骤。第三节第三节 DNADNA的结构的结构一、核酸分子中的一、核酸分子中的共价键共价键二、二、DNADNA 一级结构一级结构 三、三、DNADNA碱基组成的碱基组成的ChargaffChargaff规则规则四、四、DNADNA的的二级结构二级结构五、五、DNADNA的的三级结构三级结构 六、六、DNADNA与与蛋白质复合物的结构蛋白质复合物的结构5 5 3 3 3 3 -5 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键核酸分

12、子中核苷核酸分子中核苷酸之间的共价键酸之间的共价键DNADNA 一级结构一级结构v一级结构指其核苷酸的排列顺序。一级结构指其核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称也称碱基序列碱基序列。vDNADNA：四种脱氧核苷酸按一定顺序四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷以磷酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷酸链。酸链。l多聚核苷酸链一端的多聚核苷酸链一端的C C5 5带有一个自带有一个自由磷酸基，称为由磷酸基，称为5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5 -P P表示）；另一端表示）；另一端C C3 3 带有自由的羟带有自由的羟基，称为基，

13、称为3-3-羟基端（常用羟基端（常用3 3 -OHOH表示）。表示）。l多聚核苷酸链具有方向性，当表示一多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是向是5353或是或是3535。l规定规定DNADNA的书写顺序是的书写顺序是5 5 3 3 。一级结构的表示法一级结构的表示法：53结构式结构式线条式线条式字母式字母式 DNADNA大小的计算大小的计算 DNADNA的分子大小取决于组成的分子大小取决于组成DNADNA的碱的碱基对（基对（bpbp或或kb)kb)的数目的数目I.DNA分子量分子量=核苷酸对的平均分子核苷酸对的平均分子量量核苷酸对

14、数目核苷酸对数目II.DNA分子长度分子长度=核苷酸对之间的轴核苷酸对之间的轴距距核苷酸对数目核苷酸对数目核苷酸对数目核苷酸对数目=DNA分子量分子量核苷核苷酸对的平均分子量酸对的平均分子量ChargaffChargaff首先注意到首先注意到DNADNA碱基组成的碱基组成的某些规律性，在年总结出某些规律性，在年总结出DNADNA碱基组成的规律：碱基组成的规律：腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=TA=T。鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数相等，即鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数相等，即G=CG=C。含含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即A+

15、C=G+TA+C=G+T。嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+TA+G=C+T。DNADNA的二级结构的二级结构（1）DNADNA的的双螺旋结构双螺旋结构(Watson-Watson-CrickCrick模型模型)（2）DNADNA双双螺旋结构螺旋结构特征特征及及意义意义（3）DNADNA双螺旋的双螺旋的多态性多态性19531953年，年，J.WatsonJ.Watson和和F.Crick F.Crick 在前人在前人研究工作的基础上，根据研究工作的基础上，根据DNADNA结晶的结晶的X-X-衍射图谱和分子模型，提出了著名衍射图谱和分子模型，提出了著名的的DNA

16、DNA双螺旋结构模型，并对模型的双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。生物学意义作出了科学的解释和预测。DNADNA的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成53磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基53T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对5353vDNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单链组成。单链组成。vDNADNA的双螺旋结构是分子中两条的双螺旋结构是分子中两条DNADNA单链之间基团相互识别和作用单链之间基团相互识别和作用的结果。的结果。v双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级结构的最二级结构的最基本形式。基本形式。DNADNA双双螺旋结构螺旋结构特征特征（1 1）DNADN

17、A分子由两条分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链多聚脱氧核糖核苷酸链(简称简称DNADNA单链单链)组成。组成。两条链沿着同一根假设两条链沿着同一根假设的中心轴平行盘绕，形的中心轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。成右手双螺旋结构。螺螺旋中的两条链方向相反，旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为即其中一条链的方向为5353，而另一条，而另一条链的方向为链的方向为3535。（2 2）嘌呤碱和嘧啶）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环糖基环平面与碱基环平面成平面成

18、9090角。角。（3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的直径约为直径约为2 2 nmnm，每条每条链相邻两个碱基平面链相邻两个碱基平面之间的距离为之间的距离为0.34 0.34 nmnm，每每1010个核苷酸个核苷酸形成一个螺旋，其螺形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）矩（即螺旋旋转一圈）高度为高度为3.4 3.4 nmnm。并形并形成大沟和小沟。成大沟和小沟。0.34nm大沟大沟小沟小沟（4 4）两条）两条DNADNA链相链相互结合以及形成双螺互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。对所形成的氢键。纵纵向靠碱基平面之间的向靠碱基平面之间的碱基堆积力碱基堆积力（即疏

19、水（即疏水作用）作用）维持其稳定性。维持其稳定性。DNADNA双双螺旋结构螺旋结构的的意义意义该模型揭示了该模型揭示了DNADNA作为遗传物质的稳作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了定性特征，最有价值的是确认了碱基碱基配对原则配对原则，这是，这是DNADNA复制、转录和反复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是和表达的分子基础。该模型的提出是上世纪生命科学的重大突破之一，它上世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整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的基石。个生命科学飞速发展的基石

20、。DNADNA结构的多样性结构的多样性vDNADNA的右手螺旋并不是自然界的右手螺旋并不是自然界DNADNA唯一存在的方式。右手螺旋结构是在唯一存在的方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的生理盐水溶液中提取的DNADNA的结构，的结构，目前将这种结构称为目前将这种结构称为B-DNAB-DNA。v19791979年，年，Alexander RichAlexander Rich发现了左手发现了左手螺旋，称为螺旋，称为Z-DNAZ-DNA，另外也有另外也有A-DNAA-DNA的存在。的存在。A-DNAZ-DNAB-DNA外外形形碱基碱基距离距离直径直径nm螺旋螺旋方向方向螺距螺距nm碱基碱基数目

21、数目螺旋螺旋表面表面A型型短短粗粗0.232.55右手右手2.4611大小沟大小沟B型型适适中中0.342.37右手右手3.4010.4大小沟大小沟Z-DNA细细长长0.381.84左手左手4.5612小沟深小沟深DNADNA的的三级结构三级结构DNADNA的三级的三级结构指双螺结构指双螺旋旋DNADNA分子分子通过扭曲和通过扭曲和折叠所形成折叠所形成的特定构象的特定构象超螺旋超螺旋结构。结构。DNADNA的的超螺旋结构超螺旋结构(1)超螺旋超螺旋DNA的形成的形成(2)DNA超螺旋结构形成超螺旋结构形成的重要意义的重要意义超螺旋螺旋大部分原核生物的大部分原核生物的DNADNA是共价封闭的环状

22、双螺是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。当引进的张力与原先右手螺旋的方向相同时，当引进的张力与原先右手螺旋的方向相同时，超螺旋的方向是左手的，称为正超螺旋（变紧）超螺旋的方向是左手的，称为正超螺旋（变紧）；引进张力与原先右手螺旋方向相反时，超螺；引进张力与原先右手螺旋方向相反时，超螺旋的方向是右手的，称为负超螺旋（变松）旋的方向是右手的，称为负超螺旋（变松）。正超螺旋是旋紧双螺旋后形成的，负超螺旋是正超螺旋是旋紧双螺旋后形成的，负超螺旋是放松双螺旋后形成的。放松双螺旋后形成的。15101520251510152023右手旋转拧

23、松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNA解链环形解链环形1510152023负超螺旋负超螺旋12148231613松弛环形松弛环形1152010523松弛型超螺旋超螺旋部分解链部分解链v使使DNADNA形成高度致密状态从而形成高度致密状态从而得以装入核中；得以装入核中；v推动推动DNADNA结构的转化以满足功结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。部变性，利于复制和转录。DNADNA与与蛋白质复合物的结构蛋白质复合物的结构 生物体内的核生物体内的核酸通常都与蛋白质酸通常都与蛋白

24、质结合形成复合物，结合形成复合物，以核蛋白以核蛋白（nucleoproteinnucleoprotein）的形式的形式存在。存在。DNADNA分子十分子十分巨大，与蛋白质分巨大，与蛋白质结合后被组装到有结合后被组装到有限的空间中。限的空间中。.病毒病毒.细菌拟核细菌拟核.真核染色体真核染色体噬菌体噬菌体T2T2结构结构头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）核酸核酸衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）病毒粒病毒粒突起突起（糖蛋白糖蛋白）细菌拟核（细菌拟核（nucleoidnucleoid ）的突环结构的突环

25、结构平均平均一个突环一个突环含有含有约约40kpDNARNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNA结结合合碱性蛋白质组成碱性蛋白质组成v真核生物：真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。染色体的基本单位是核小体。v核小体由核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白有和组蛋白构成。组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和和H4五种五种。H2A，H2B，H3和和H4各两分子构成核小体的核心，各两分子构成核小体的核心，称为组蛋白八聚体。称为组蛋白八聚体。DNA双螺旋分子缠绕双螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体的核心颗粒。核小在八聚体上构成核小体的核心颗粒。核

26、小体的核心颗粒之间再由体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠状结构。构成的连接区连接起来形成串珠状结构。核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，将近将近1 m长的长的DNA分子容纳于直径只有数分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。微米的细胞核中。DNA（2nm）核小体核小体链（链（11nm，每个每个核小体核小体200bp）纤丝纤丝（30nm，每每圈圈6个个核小体核小体）突环突环（150nm，每个每个突环大约突环大约75000bp）玫瑰花结玫瑰花结（300nm，6个个突环突环）螺旋圈螺旋圈（700nm，每每圈圈30个玫瑰花个玫瑰花

27、）染色体染色体（1400nm，每个每个染色体含染色体含10个玫瑰花个玫瑰花200bp）核生物染色体核生物染色体DNADNA组装组装不同层次的结构不同层次的结构染色体的四级结构染色体的四级结构第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构一、一、RNARNA一级结构一级结构 和和类别类别二、二、tRNA tRNA 的分子结构的分子结构三、三、rRNArRNA的分子结构的分子结构四、四、mRNAmRNA的分子结构的分子结构RNARNA的一级结构的一级结构 RNARNA分分子子中中各各核核苷苷之之间间的的连连接接方方式式（3-3-55磷磷酸酸二二酯酯键键）和和排排列列顺顺序序叫叫做做RNARNA的的

28、一一级结构。级结构。RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基OHOHOH53RNARNA的类别的类别v信使信使RNARNA（mRNAmRNA）：）：在蛋白质合在蛋白质合成中起模板作用；成中起模板作用；v 核糖体核糖体RNARNA（rRNArRNA）：）：与蛋白质与蛋白质结合构成核糖体结合构成核糖体,核糖体是蛋白质合核糖体是蛋白质合成的场所；成的场所；v 转移转移RNARNA（tRNAtRNA）：）：在蛋白质合在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。成时起着携带活化氨基酸的作用。tRN

29、A tRNA 的结构的结构二级结构二级结构特征特征：单链单链 三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环三三级结构级结构 特征：特征：在在二二级级结结构构基基础础上上进进一一步步折折叠叠扭扭曲形成倒曲形成倒L L型型Ala氨基酸臂氨基酸臂TC环环可变环可变环反密码环反密码环DHU环环IGC反密码子反密码子酵母酵母tRNAtRNA AlaAla 的二级的二级结构结构tRNA的二级结构都为四茎四环的三的二级结构都为四茎四环的三叶草形。其结构特点和名称是：叶草形。其结构特点和名称是：（1）氨基酸臂或氨基）氨基酸臂或氨基酸茎，由酸茎，由3-端和端和5-端端碱基组成碱基组成7对互补碱基对互补碱基对的双螺旋区

30、，富含鸟对的双螺旋区，富含鸟嘌呤，末端为嘌呤，末端为CpCpA-OH，接受活化的氨基接受活化的氨基酸。酸。（2）二氢尿嘧）二氢尿嘧啶环，由啶环，由812个核苷酸组成，个核苷酸组成，含有二氢尿嘧啶。含有二氢尿嘧啶。由由34对碱基对碱基组成的双螺旋区组成的双螺旋区与与tRNA其余部其余部分相连，这个双分相连，这个双螺旋区叫二氢尿螺旋区叫二氢尿嘧啶臂（茎）。嘧啶臂（茎）。（3）反密码子环，由）反密码子环，由 7个核苷酸组成，环中个核苷酸组成，环中部由部由 3个碱基组成反密码子，反密码子在蛋白个碱基组成反密码子，反密码子在蛋白质（肽）合成中能与质（肽）合成中能与rnRNA上的密码子配对。上的密码子配对

31、。次黄嘌呤常出现于此环中。次黄嘌呤常出现于此环中。5对碱基组成的双对碱基组成的双螺旋区叫反密码子臂（茎），反密码子环由此螺旋区叫反密码子臂（茎），反密码子环由此茎与茎与tRNA分子的其他部分相连。分子的其他部分相连。（4）额外环，又可变）额外环，又可变环（或叉），由环（或叉），由318个核苷酸组成，是个核苷酸组成，是tRNA分类的重要指标。分类的重要指标。（5）假尿嘧啶核苷）假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环，胸腺嘧啶核糖核苷环，即即TC环，由环，由7个核个核苷酸组成。有苷酸组成。有5对碱基对碱基组成的双螺旋区叫组成的双螺旋区叫TC臂，由此臂与臂，由此臂与tRNA的其它部分连接。的其它部分连接。

32、tRNAtRNA的三级结构的三级结构tRNA的三级结构的形状的三级结构的形状像一个倒写的像一个倒写的L字母。它字母。它是在二级结构三叶草形是在二级结构三叶草形的基础上进一步扭曲、的基础上进一步扭曲、折叠而成的。氨基酸茎折叠而成的。氨基酸茎处在倒处在倒 L的一端并与的一端并与TC茎形成双股螺旋；茎形成双股螺旋；倒倒L的另一端为反密码子的另一端为反密码子环，二氢尿嘧啶茎与反环，二氢尿嘧啶茎与反密码子茎形成双螺旋；密码子茎形成双螺旋；在倒在倒L的拐弯处是的拐弯处是TC环和二氢尿嘧啶环。整环和二氢尿嘧啶环。整个分子为扁平状，厚度个分子为扁平状，厚度约约2nm，两端间直线距两端间直线距离约离约7nm，以

33、氢键和疏以氢键和疏水作用力维持倒水作用力维持倒L结构。结构。rRNArRNA的分子结构的分子结构特征特征：单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低低 与蛋白质组成核糖体后发挥其功能与蛋白质组成核糖体后发挥其功能原原核核生生物物核核糖糖体体50S30S34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质5S rRNA，23S rRNA70S5S rRNA，23S rRNA70S50S30S34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质80S60S40S49种蛋白质种蛋白质18SrRNA33种蛋白质种蛋白质真真核核生生物物核核糖糖体体5SrRNA，5.8SrRNA，28

34、SrRNA5 5sRNAsRNA的二级结构的二级结构mRNA的结构的结构mRNAmRNA是以是以DNADNA为模板合成的，携带为模板合成的，携带着着DNADNA的遗传信息，故称信使的遗传信息，故称信使RNARNA。mRNAmRNA又是蛋白质合成的模板，决定又是蛋白质合成的模板，决定着蛋白质（多肽）中氨基酸的排列顺着蛋白质（多肽）中氨基酸的排列顺序。每一种多肽有一种特定的序。每一种多肽有一种特定的mRNAmRNA负责编码，所以细胞内负责编码，所以细胞内mRNAmRNA种类很种类很多。多。mRNAmRNA的分子大小不一，相差甚的分子大小不一，相差甚大。大。原核与真核细胞的原核与真核细胞的mRNAm

35、RNA在结构上的差异在结构上的差异（1 1）原核细胞）原核细胞mRNAmRNA是多顺反子，即可是多顺反子，即可以编码多条多肽链；真核细胞的以编码多条多肽链；真核细胞的mRNAmRNA为单顺反子。为单顺反子。（2 2）绝大多数真核细胞的）绝大多数真核细胞的mRNAmRNA的的3-3-末端具有一段多聚腺苷酸（末端具有一段多聚腺苷酸（poly(A)poly(A)），），而且不同真核细胞的而且不同真核细胞的mRNAmRNA的的3-3-末端末端的的poly(A)poly(A)长短不同。长短不同。而原核细胞的而原核细胞的mRNAmRNA一般没有一般没有poly(A)poly(A)。（3 3）真核细胞）真核

36、细胞mRNAmRNA 5-5-末端有一末端有一个特殊的个特殊的5-“5-“帽子帽子”结构。结构。“帽子帽子”结构和结构和3-3-末端的末端的poly(A)poly(A)都有抗都有抗核酸外切酶的作用，。原核生物核酸外切酶的作用，。原核生物rnRNArnRNA一般没有一般没有“帽于帽于”结构。结构。（4 4）真核细胞）真核细胞5-“5-“帽子帽子”结构的下结构的下游和游和3-3-poly(A)poly(A)的上游分别为的上游分别为5-5-端端不编码区和不编码区和3-3-端不编码区，二者之端不编码区，二者之间是其编码区。已知间是其编码区。已知5-5-端不编码区端不编码区和和“帽子帽子”结构是与核糖体

37、结合的区结构是与核糖体结合的区域，与蛋白质合成的起始有关。至于域，与蛋白质合成的起始有关。至于3-3-端不编码的功能，目前仍不清楚。端不编码的功能，目前仍不清楚。原核细胞由于没有原核细胞由于没有“帽子帽子”结构，不结构，不编码区位于编码区位于mRNAmRNA的两端。的两端。顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序53原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5“帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3 p真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点第五节第五节 核酸与核苷酸的理化

38、性质核酸与核苷酸的理化性质及及核酸研究常用技术核酸研究常用技术一、核酸的一、核酸的物理性质物理性质二、二、核酸的核酸的两性解离性质两性解离性质三、三、核酸的核酸的紫外吸收紫外吸收四、四、核酸的核酸的变性变性、复性和分子杂交复性和分子杂交五、五、核酸的核酸的熔解温度熔解温度（TmTm）六、核酸的六、核酸的颜色反应颜色反应 物理性质：物理性质：vDNADNA相对分子质量很大，一般在相对分子质量很大，一般在10106 610101212，制品为白色絮状物。制品为白色絮状物。RNARNA相对分子质量较小，一般在相对分子质量较小，一般在1 11010万，制品为白色粉末。核苷酸也万，制品为白色粉末。核苷酸

39、也是白色粉末。是白色粉末。vDNADNA、RNARNA和核苷酸都是极性化和核苷酸都是极性化合物，易溶于水，难溶于有机溶剂。合物，易溶于水，难溶于有机溶剂。核酸及核苷酸中碱基上有可解离核酸及核苷酸中碱基上有可解离基团，如胞嘧啶的基团，如胞嘧啶的NN3 3 ，嘌呤的，嘌呤的NN1 1和和NN7 7 ，可接受质子带正电荷。，磷酸基，可接受质子带正电荷。，磷酸基团可可进行酸性解离袋负电荷。所以，团可可进行酸性解离袋负电荷。所以，核酸和嘌呤核苷酸、胞苷酸是两性化核酸和嘌呤核苷酸、胞苷酸是两性化合物，有等电点。尿嘧啶和胸腺嘧啶合物，有等电点。尿嘧啶和胸腺嘧啶不能进行碱性解离，所以它们的核苷不能进行碱性解离

40、，所以它们的核苷酸不是两性化合物。酸不是两性化合物。两性解离性质两性解离性质pK1 =0.9第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.2第二磷酸基第二磷酸基pK2 =3.7含氮环含氮环腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸pK1 =0.7第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.1第二磷酸基第二磷酸基pK2 =3.7含氮环含氮环烯醇式羟基烯醇式羟基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸pK1 =0.8第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.3第二磷酸基第二磷酸基pK2 =4.3含氮环含氮环胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸pK1 =1.0第一磷酸基第一磷酸基pK3 =6.4第二磷酸基第二磷酸基烯醇式羟基烯醇式羟基尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸pH离离子子化化

41、程程度度核核苷苷酸酸的的解解离离曲曲线线紫外吸收性质紫外吸收性质DNADNA和和RNARNA的紫外吸收性质无明显的紫外吸收性质无明显差别。最大吸收峰差别。最大吸收峰258258nmnm，最小吸最小吸收收232232nmnm。它们的纯度常用它们的纯度常用A A260260/A/A280280的比值来判断，的比值来判断，纯纯DNADNA溶溶液的液的A A260260/A/A280280为为1.81.8，纯，纯RNARNA溶液的溶液的A A260260/A/A280280比值为比值为2.02.0，样品中若有蛋，样品中若有蛋白质，则白质，则A A260260/A/A280280比值要下降。对比值要下降

42、。对DNADNA和和RNARNA制品，可测定其制品，可测定其A A260260 ，从而计算出含量。从而计算出含量。天然天然DNADNA变性变性DNADNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值123DNADNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱2202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123核酸核酸的变性、复性和杂交的变性、复性和杂交 变性变性：在物理、化学因素影响下，在物理、化学因素影响下，DNADNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有开，这是一个是跃变过程，伴有A A260260增加（增加（增色效应增色效应）,DNA

43、DNA的功能丧失。的功能丧失。复性（退火）复性（退火）：在一定条件下，变：在一定条件下，变性性DNA DNA 单链间碱基重新配对恢复双螺单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有旋结构，伴有A260A260减小（减小（减色效应减色效应）,DNADNA的功能恢复。的功能恢复。在在DNADNA复性过程中复性过程中,双链分子的双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子之间的核酸分子之间,也可以发生在碱基也可以发生在碱基序列部分互补的不同的序列部分互补的不同的DNADNA之间或之间或DNADNA与与RNARNA之间之间,这种现象称为分子这种现象称为分子杂交。利用这一原

44、理，在核酸研究杂交。利用这一原理，在核酸研究中可引入特制的中可引入特制的“探针探针”。分子杂交分子杂交变性变性（加热）（加热）杂交杂交（缓慢冷却）（缓慢冷却）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却）探针探针DNA分子分子限制片段限制片段限制性酶切割限制性酶切割琼脂糖电泳琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记与放射性标记DNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影带有带有DNA片片段的凝胶段的凝胶凝胶凝胶滤膜滤膜用缓冲液用缓冲液转移转移DNA吸附有吸附有DNA片段的膜片段的膜印迹法印迹法DNADNA分子的熔点分子的熔点DNADNA变性从开始到完全解链是在一个变性从开始到完全解链是在

45、一个相当窄的温度范围内完成相当窄的温度范围内完成 的。定义的。定义增增色效应达到最大值的色效应达到最大值的50%50%时的温度称时的温度称为为DNADNA分子的熔点。用分子的熔点。用TmTm表示。表示。也就也就是说，当是说，当DNADNA溶液的温度达到溶液的温度达到TmTm时，时，已经有已经有5050的的DNADNA处于解链状态。处于解链状态。TmTm的大小与其所含碱基中的的大小与其所含碱基中的G+CG+C比例比例相关，相关，G+CG+C比例越高，比例越高，TmTm值越高。值越高。Poly d(A-T)DNAPoly d(G-C)某些某些DNA的的Tm值值60801001.01.41.2100

46、%A260t 0CTmTmTmTmTmTm123123核酸的显色反应核酸的显色反应地衣酚反应地衣酚反应二苯胺反应二苯胺反应定磷定磷已知已知RANRAN的含磷量为的含磷量为9.29.2，DNADNA的含的含磷量为磷量为9.59.5，所以按照常规经典定磷，所以按照常规经典定磷法钼蓝反应可以通过检测核酸中的法钼蓝反应可以通过检测核酸中的磷而检测核酸的含量。磷而检测核酸的含量。核酸的分离纯化的一般步骤：核酸的分离纯化的一般步骤：（1 1）破碎细胞；）破碎细胞；（2 2）除去蛋白质、脂类、糖类等成分；）除去蛋白质、脂类、糖类等成分；（3 3）避免激烈搅拌和振荡；）避免激烈搅拌和振荡；（4 4）除去）除去

47、RNARNA（或或DNADNA）；）；（5 5）抑制相关酶；抑制相关酶；（6 6）低温操作。）低温操作。DNADNA的分离纯化的分离纯化（1 1）在破碎细胞的同时，用浓盐酸或十二）在破碎细胞的同时，用浓盐酸或十二烷基硫酸钠（烷基硫酸钠（SDSSDS）使使DNADNA与相关的蛋白质与相关的蛋白质解联。解联。（2 2）蛋白酶）蛋白酶K K消化以使蛋白质部分分解。消化以使蛋白质部分分解。（3 3）通过缓冲液饱和的苯酚抽提以除去蛋）通过缓冲液饱和的苯酚抽提以除去蛋白质。白质。（4 4）通过）通过RnaseRnase消化使消化使RNARNA降解。降解。（5 5）利用氯仿）利用氯仿-异戊醇处理，进一步除去

48、异戊醇处理，进一步除去蛋白质。蛋白质。（6 6）加入二倍体积的无水乙醇沉淀）加入二倍体积的无水乙醇沉淀DNADNA。（7 7）琼脂糖凝胶电泳进一步分离和鉴定。琼脂糖凝胶电泳进一步分离和鉴定。DNADNA的分离纯化的分离纯化目前在实验室中常常是将细胞匀浆后目前在实验室中常常是将细胞匀浆后进行差速离心，制得细胞核、叶绿体、进行差速离心，制得细胞核、叶绿体、线粒体和核糖体等细胞器和细胞质，线粒体和核糖体等细胞器和细胞质，然后再从这些细胞器中分离某一些然后再从这些细胞器中分离某一些RNARNA。复习题1.1.某某DNADNA样品含腺嘌呤样品含腺嘌呤15.1%15.1%（按摩尔碱基计），（按摩尔碱基计）

49、，计算其余碱基的百分含量。计算其余碱基的百分含量。2.2.DNADNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其基本特点。这些特点能解释哪些最重要？试述其基本特点。这些特点能解释哪些最重要的生命现象？的生命现象？3.3.计算（计算（1 1）分子量为）分子量为3 3 10105 5的双股的双股DNADNA分子的分子的长度；（长度；（2 2）这种）这种DNADNA一分子占有的螺旋圈数。一分子占有的螺旋圈数。（一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为（一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为618618）4.4.名词解释：变性和复性名词解释：变性和复性 分子杂交分子杂交 增色效应增色效应 Tm TmChargaffChargaff定律定律又结束一章了！又结束一章了！