第二章核酸化學第1頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核酸的結構與功能第一節(jié)核酸通論第二節(jié)核酸基本構件單位—核苷酸第三節(jié)DNA的分子結構第四節(jié)RNA的分子結構第五節(jié)核酸的某些理化性質及核酸研究常用技術第六節(jié)人類基因組計劃簡介第2頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)核酸通論一、核酸的研究歷史和重要性二、核酸的種類和分布三、DNA儲存遺傳信息的證實第3頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核酸的研究歷史和重要性1869

Miescher從膿細胞的細胞核中分離出了一種含磷酸的有機物，當時稱為核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）；此后幾十年內(nèi)，弄清了核酸的組成及在細胞中的分布。1944Avery等成功進行肺炎球菌轉化試驗；1952年Hershey等的實驗表明32P-DNA可進入噬菌體內(nèi)，證明DNA是遺傳物質。1953

Watson和Crick建立了DNA結構的雙螺旋模型，說明了基因的結構、信息和功能三者間的關系，推動了分子生物學的迅猛發(fā)展。1958

Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則，

60年代RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學說，遺傳密碼，逆轉錄酶）。第4頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核酸的研究歷史和重要性（續(xù)）歷史70年代建立DNA重組技術，改變了分子生物學的面貌，并導致生物技術的興起。80年代RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。90年代以后實施人類基因組計劃（HGP）,開辟了生命科學新紀元。生命科學進入后基因時代：功能基因組學（functionalgenomics）

蛋白質組學（proteomics）

結構基因組學（structuralgenomics）RNA組學（Rnomics）或核糖核酸組學（ribonomics）第5頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

核酸分類和分布脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質。在真核細胞中，DNA主要集中在細胞核內(nèi)，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細胞沒有明顯的細胞核結構，DNA存在于稱為類核的結構區(qū)。每個原核細胞只有一個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達過程，細胞內(nèi)的RNA主要存在于細胞質中，少量存在于細胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒，它是不含蛋白質的游離的RNA分子，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。第6頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一肺炎球菌轉化實驗圖解IIIS型細胞（有毒）IIR型細胞（無毒）破碎細胞DNAase降解后的DNAIIR型細胞接受IIIS型DNA只有IIR型大多數(shù)仍為IIR型少數(shù)IIR型細胞被轉化產(chǎn)生IIIS型莢膜S（光滑）SRRR（粗糙）+DNA第7頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)核酸的基本結構單位—核苷酸一、核苷酸的化學組成與命名1、堿基、核苷、核苷酸的概念和關系

2、常見堿基的結構與命名法

3、常見（脫氧）核苷酸的基本結構與命名4、稀有核苷酸5、細胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物學功能第8頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一5′-磷酸核苷酸的基本結構OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖磷酸堿基第9頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一堿基、核苷、核苷酸的概念和關系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核酸磷酸核苷戊糖堿基第10頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一基本堿基結構和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第11頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核苷酸的結構和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphate鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH第12頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一PPPPPPPP常見（脫氧）核苷酸的結構和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第13頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一幾種稀有核苷假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH第14頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一幾種稀有核苷酸假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH第15頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一細胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸環(huán)核苷酸輔酶類核苷酸。第16頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第17頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結構

Cyclicadenylie(Guanine)acid第18頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一二、核苷酸的生物學功能作為核酸的單體細胞中的攜能物質（如ATP、GTP、CTP、GTP）酶的輔助因子的結構成分（如NAD）細胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP）第19頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

第二節(jié)DNA的分子結構

一、核酸分子中的共價鍵二、DNA一級結構三、DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則四、DNA的二級結構五、DNA的三級結構六、DNA與蛋白質復合物的結構第20頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一5533核酸分子中核苷酸之間的共價鍵3-5磷酸二酯鍵第21頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一二、DNA的一級結構

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結構，簡稱為堿基序列。一級結構的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級結構的表示法結構式，線條式，字母式5′3′第22頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA一級結構的表示法5′3′結構式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式第23頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一三、DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則

Chargaff首先注意到DNA堿基組成的某些規(guī)律性，在１９５０年總結出DNA堿基組成的規(guī)律：

腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T。

鳥嘌呤和胞腺嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。

含氨基的堿基總數(shù)等于含酮基堿基總數(shù)，即

A+C=G+T。嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。第24頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA、RNA的一級結構

DNA一級結構5′3′OHOHOH5′3′RNA一級結構第25頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一四、DNA的二級結構

（1）DNA的雙螺旋結構(Watson-Crick模型)（2）

DNA雙螺旋結構特征及意義（3）DNA雙螺旋的多態(tài)性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）第26頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的雙螺旋結構的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對第27頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的雙螺旋模型特點

a.兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設的中心軸右旋相互盤繞而形成。

b.磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基配對原則，Chargaff定律）

c.螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結構每隔10個堿基對（basepair,bp）重復一次，間隔為3.4nm第28頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

氫鍵堿基堆集力磷酸基上負電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結構穩(wěn)定因素

第29頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的雙螺旋結構的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原則，這是是DNA復制、轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳信息傳遞和表達的分子基礎。該模型的提出是本世紀生命科學的重大突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛速發(fā)展的基石。第30頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA雙螺旋的不同構象

第31頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一三種DNA雙螺旋構象比較A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短適中細長螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基直升0.23nm0.34nm0.38nm堿基夾角32.7034.6060.00每圈堿基數(shù)1110.412軸心與堿基對關系2.46nm3.32nm4.56nm堿基傾角1901090糖苷鍵構象反式反式C、T反式，G順式大溝很窄很深很寬較深平坦小溝很寬、淺窄、深較窄很深第32頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA分子內(nèi)的三鏈結構多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結構DNA三鏈間的堿基配對T-A-TC-G-C第33頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一五、DNA的三級結構

1．超螺旋DNA（supercoiledDNA）2．拓樸異構酶（topoisomerase）

(1)超螺旋DNA的形成(2)超螺旋狀態(tài)的定量描述(３)DNA超螺旋結構形成的重要意義

(1)兩類拓樸異構酶(2)拓樸異構酶作用機理

DNA的三級結構指雙螺旋DNA分子通過扭曲和折疊所形成的特定構象，包括不同二級結構單元間的相互作用、單鏈和二級結構單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征。第34頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋第35頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一L=25,T=25,W=0松弛環(huán)形1152010523L=23,T=23,W=0解鏈環(huán)形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2負超螺旋121482316131510152023右手旋轉擰松兩匝后的線形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓撲學公式：L=T+W或=+第36頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一超螺旋狀態(tài)的定量描述

公式1：L=T+WL——連環(huán)數(shù)（linkingnumber），DNA雙螺旋中一條鏈以右手螺旋與另一條鏈纏繞的次數(shù)。

T——DNA分子中的螺旋數(shù)（twistingnumber）W——超螺旋數(shù)或纏繞數(shù)（writhingnumber）公式2：λ=（L-L0）/L0λ——超螺旋度（degreeofsupercoiling）L0——松馳態(tài)DNA連環(huán)數(shù)L=25,T=25,W=0松弛環(huán)形1152010523L=23,T=25,W=–2負超螺旋12148231613第37頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA超螺旋結構形成的意義

使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；推動DNA結構的轉化以滿足功能上的需要。如負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導致局部變性，利于復制和轉錄。第38頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一原核生物兩類拓撲異構酶

除連環(huán)數(shù)（L）不同外其他性質均相同的DNA分子稱為拓撲異構體（topoisomerase）。DNA拓撲異構酶通過改變DNA的L值而影響其拓撲結構。

拓撲異構酶I通過使DNA的一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，能使超螺旋DNA轉變成松弛型環(huán)狀DNA，每催化一次可消除一個負超螺旋，即使L增加１，反應無需供給能量。拓撲異構酶II則剛好相反，可使松弛型環(huán)狀DNA轉變成負超螺旋DNA，每催化一次，L減少２，可引入負超螺旋。拓撲異構酶II亦稱促旋酶，它可以使DNA的兩條鏈同時斷裂和再連接，當它引入超螺旋時需要ATP提供能量。細胞內(nèi)兩類拓撲異構酶的含量受嚴格的控制，使細胞內(nèi)DNA保持在一定的超螺旋水平。第39頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

原核拓撲異構酶I的作用機制連接數(shù)=n連接數(shù)=n+1穿越斷口和使兩端連接切割abcd第40頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

DNA雙鏈重新連接DNA雙鏈穿過DNA的釋放重復起始DNA雙鏈斷裂拓撲異構酶II的作用機制

第41頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一拓撲異構酶第42頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

六、DNA與蛋白質復合物的結構

生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質結合形成復合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子十分巨大，與蛋白質結合后被組裝到有限的空間中。１、病毒２、細菌擬核３、真核染色體第43頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一噬菌體T2結構頭部頸圈尾部基板尾絲尖釘?shù)?4頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一動物病毒切面模式圖

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣殼（蛋白質）核酸突起（糖蛋白）病毒粒第45頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一細菌擬核（nucleoid）的突環(huán)結構

RNA-蛋白質核心突環(huán)由雙鏈DNA結合堿性蛋白質組成平均一個突環(huán)含有約40kpDNA第46頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一組蛋白與DNA的結合核小體第47頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的念珠狀結構第48頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核小體盤繞及染色質示意圖第49頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構

DNA（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（1400nm，

每個染色體含10個玫瑰花200bp）第50頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

RNA的分子結構

一、RNA一級結構和類別二、tRNA的分子結構三、rRNA的分子結構四、mRNA的分子結構第51頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一RNA的類別

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白質合成中起模板作用；核糖體RNA（ribosoalRNA，rRNA）：與蛋白質結合構成核糖體（ribosome）,核糖體是蛋白質合成的場所；轉移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白質合成時起著攜帶活化氨基酸的作用。第52頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一RNA的一級結構

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結構OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基第53頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一tRNA的結構二級結構特征：單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)三級結構特征：在二級結構基礎上進一步折疊扭曲形成倒L型第54頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一酵母tRNAAla

的二級結構

DHU環(huán)IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)CCAAla3′5′第55頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一tRNA的三級結構第56頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

rRNA的分子結構特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5sRNA的二級結構第57頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一

mRNA的分子結構原核生物mRNA特征：

先導區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）第58頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一原核細胞mRNA的結構特點5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導區(qū)末端順序第59頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一真核細胞mRNA的結構特點AAAAAAA-OH5′“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p第60頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)核酸的某些理化性質及

核酸研究常用技術

一、核酸的兩性解離性質

二、核酸的紫外吸收（λmax=260nm）三、核酸的變性、復性和分子雜交

四、核酸的熔解溫度（Tm）五、核酸的沉降性質第61頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核苷酸的解離曲線pK1=0.9第一磷酸基pK3=6.2第二磷酸基pK2=3.7含氮環(huán)腺嘌呤核苷酸pK1=0.7第一磷酸基pK3=6.1第二磷酸基pK2=3.7含氮環(huán)烯醇式羥基鳥嘌呤核苷酸pK1=0.8第一磷酸基pK3=6.3第二磷酸基pK2=4.3含氮環(huán)胞嘧啶核苷酸pK1=1.0第一磷酸基pK3=6.4第二磷酸基烯醇式羥基尿嘧啶核苷酸pH離子化程度小牛胸線DNA的滴定曲線pH第62頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的紫外吸收光譜天然DNA變性DNA核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123第63頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團鏈內(nèi)堿基配對第64頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一核酸的變性、復性和雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢冷卻）復性（緩慢冷卻）

變性：在物理、化學因素影響下，DNA堿基對間的氫鍵斷裂，雙螺旋解開，這是一個是躍變過程，伴有A260增加（增色效應）,DNA的功能喪失。復性：在一定條件下，變性DNA單鏈間堿基重新配對恢復雙螺旋結構，伴有A260減小（減色效應）,DNA的功能恢復。第65頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一Southern印跡法DNA分子限制片段限制性酶切割瓊脂糖電泳轉移至硝酸纖維素膜上與放射性標記DNA探針雜交放射自顯影帶有DNA片段的凝膠凝膠濾膜用緩沖液轉移DNA吸附有DNA片段的膜第66頁，共72頁，2023年，2月20日，星期一分子雜交的原理示意圖

不同來源的DNA單鏈間或單鏈DNA與RNA之間只要有堿基配對的區(qū)域，在復性時可形成局部雙螺旋區(qū)，稱核酸分子雜交（hybridization）制備特定的探針（pr