第二章核酸化學(xué)

1、第二章第二章 核酸化學(xué)核酸化學(xué)Hoppe-seyler霍佩霍佩-賽勒賽勒(Ernst Felix Hoppe-Seyler, 1825-1895)，德國(guó)人。，德國(guó)人。 1877年首次提出年首次提出Biochemie這個(gè)名這個(gè)名詞詞 ，譯成英文即，譯成英文即Biochemistry，首創(chuàng)，首創(chuàng)蛋白質(zhì)一詞蛋白質(zhì)一詞(proteids)。他首次獲得純他首次獲得純卵磷脂卵磷脂，曾獲得結(jié)晶血紅素曾獲得結(jié)晶血紅素，研究過(guò)葉研究過(guò)葉綠素、血液、膿細(xì)胞。綠素、血液、膿細(xì)胞。Friedrich Miescher瑞士科學(xué)家瑞士科學(xué)家 (1844-1895) 1868年，年，F(xiàn)riedrich Miescher 從

2、從外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種有機(jī)物質(zhì)，它的含磷量超出了一種有機(jī)物質(zhì)，它的含磷量超過(guò)任何一個(gè)當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有機(jī)化過(guò)任何一個(gè)當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有機(jī)化合物并且有很強(qiáng)的酸性，由于這種合物并且有很強(qiáng)的酸性，由于這種物質(zhì)是從細(xì)胞核中分離出來(lái)的，就物質(zhì)是從細(xì)胞核中分離出來(lái)的，就稱之為核素稱之為核素(nuclein)。我們現(xiàn)在知。我們現(xiàn)在知道他分離出來(lái)時(shí)的是混合物脫氧核道他分離出來(lái)時(shí)的是混合物脫氧核糖核蛋白。糖核蛋白。 二十多年后，二十多年后，1889年年 R.Altman從酵母和動(dòng)物細(xì)從酵母和動(dòng)物細(xì)胞核中制得不含蛋白質(zhì)的胞核中制得不含蛋白質(zhì)的核酸，命名核酸，命名 nuc

3、leic acid。Oswald Avery 1944年年,加拿大細(xì)菌學(xué)家加拿大細(xì)菌學(xué)家Oswald Avery(1877-1955)美國(guó)生物學(xué)家美國(guó)生物學(xué)家Macleod和和McCarty 發(fā)表著名論文發(fā)表著名論文, 證明證明DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì)。 肺炎雙球菌肺炎雙球菌: :粗糙型粗糙型, ,光滑型光滑型 大腸桿菌大腸桿菌豌豆豌豆DNAdsDNA 17核小體核小體 16螺線管螺線管 140超螺線管超螺線管 15染色單體染色單體 人細(xì)胞含有人細(xì)胞含有5.74109bp，總長(zhǎng)約總長(zhǎng)約2米，壓縮在米，壓縮在46個(gè)配對(duì)個(gè)配對(duì)的染色體中，總長(zhǎng)只有的染色體中，總長(zhǎng)只有200微微米，壓縮比達(dá)米，壓縮

4、比達(dá)104。polydactyly 核酸是由許多單核苷酸通過(guò)磷酸二核酸是由許多單核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵連接而成的高分子物質(zhì)，其基本單酯鍵連接而成的高分子物質(zhì)，其基本單位是核苷酸，是由上百個(gè)甚至幾千萬(wàn)個(gè)位是核苷酸，是由上百個(gè)甚至幾千萬(wàn)個(gè)核苷酸聚合而成的長(zhǎng)鏈。這種長(zhǎng)鏈又稱核苷酸聚合而成的長(zhǎng)鏈。這種長(zhǎng)鏈又稱多聚核苷酸。多聚核苷酸。第一節(jié)第一節(jié) 核酸的種類和化學(xué)組成核酸的種類和化學(xué)組成Erwin Chargaff DNA和和RNA在強(qiáng)酸的作用下在強(qiáng)酸的作用下可以完全水解，得到磷酸、戊糖可以完全水解，得到磷酸、戊糖和堿基三種組分，和堿基三種組分，DNA中的戊糖中的戊糖是是D-2-脫氧戊糖，脫氧戊糖，RNA

5、中的戊糖中的戊糖是是D-核糖，核酸分解成核苷酸，核糖，核酸分解成核苷酸，核苷酸進(jìn)一步分解成核苷和磷酸，核苷酸進(jìn)一步分解成核苷和磷酸，核苷進(jìn)一步分解成堿基和戍糖。核苷進(jìn)一步分解成堿基和戍糖。 在核酸中的含在核酸中的含N堿包括嘌呤（堿包括嘌呤（purine）和嘧啶（）和嘧啶（pyrimidine）兩）兩類，類，RNA中所含的是腺嘌呤、鳥嘌中所含的是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶呤、胞嘧啶和尿嘧啶(adenine、 guanine、 cytosine 、uracil)。DNA中所含的是腺嘌呤、鳥嘌呤、中所含的是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶胞嘧啶和胸腺嘧啶(thymine)。核酸按其所含的糖不同而

6、分為核酸按其所含的糖不同而分為: 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic Acid，簡(jiǎn)寫作，簡(jiǎn)寫作DNA） 核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic Acid，簡(jiǎn)寫作簡(jiǎn)寫作RNA）核酸的種類核酸的種類（一）（一）DNA 真核細(xì)胞內(nèi)真核細(xì)胞內(nèi)DNA主要分布在細(xì)胞核中，占總主要分布在細(xì)胞核中，占總量的量的98%以上，不同各生物的細(xì)胞核中的以上，不同各生物的細(xì)胞核中的DNA含含量有很大差異，但同種生物的體細(xì)胞核中的量有很大差異，但同種生物的體細(xì)胞核中的DNA含量是相同的，而性細(xì)胞核中含量是相同的，而性細(xì)胞核中DNA含量則占有體含量則占有體細(xì)胞的一半，在細(xì)胞核內(nèi)，細(xì)胞的一半，在細(xì)

7、胞核內(nèi)，DNA呈高度卷曲的雙呈高度卷曲的雙股螺旋鏈狀態(tài)，與堿性蛋白即組蛋白結(jié)合成為染股螺旋鏈狀態(tài)，與堿性蛋白即組蛋白結(jié)合成為染色質(zhì)。每一個(gè)染色質(zhì)含一個(gè)色質(zhì)。每一個(gè)染色質(zhì)含一個(gè)DNA分子，這個(gè)分子，這個(gè)DNA分子沒(méi)有分枝，呈線狀分子沒(méi)有分枝，呈線狀 。但是，原核細(xì)胞的。但是，原核細(xì)胞的DNA呈環(huán)狀，存在于擬核內(nèi)。呈環(huán)狀，存在于擬核內(nèi)。（二）（二）RNA RNA 在細(xì)胞內(nèi)的在細(xì)胞內(nèi)的RNARNA主要存在于細(xì)胞主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，約占質(zhì)中，約占90%90%，不論動(dòng)、植、微生物細(xì)胞內(nèi)，不論動(dòng)、植、微生物細(xì)胞內(nèi)都含有三種主要的都含有三種主要的RNARNA。1 1核糖體核糖體RNA(ribosomal R

8、NA RNA(ribosomal RNA 簡(jiǎn)寫作簡(jiǎn)寫作rRNA)rRNA) rRNA rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合而構(gòu)成核糖體與蛋白質(zhì)結(jié)合而構(gòu)成核糖體(ribosome)(ribosome)，它是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，在，它是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，在核糖體內(nèi)有三種分子大小不同的核糖體內(nèi)有三種分子大小不同的rRNArRNA。rRNArRNA約占總約占總RNARNA的的75-80%75-80%。 2 2轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移RNARNA（transfer RNAtransfer RNA簡(jiǎn)寫作簡(jiǎn)寫作tRNAtRNA） tRNAtRNA分子量最小，約為分子量最小，約為25000-30000D25000-30000D，核苷酸數(shù)目

9、在，核苷酸數(shù)目在75-8875-88之間，占總之間，占總RNARNA的的10-10-15%15%，主要功能是攜帶活化的，主要功能是攜帶活化的AAAA到核糖體上到核糖體上去合成蛋白質(zhì)，起著轉(zhuǎn)移去合成蛋白質(zhì)，起著轉(zhuǎn)移AAAA的作用。的作用。3 3信使信使mRNA(messenger RNAmRNA(messenger RNA簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱mRNA)mRNA)，mRNAmRNA只占總只占總RNARNA的的5-19%5-19%，核苷，核苷酸數(shù)目在酸數(shù)目在12001200左右，左右，mRNAmRNA在蛋白質(zhì)合成在蛋白質(zhì)合成是起著決定氨基酸順序的模板是起著決定氨基酸順序的模板。大腸桿菌的大腸桿菌的RNA二、核酸

10、的化學(xué)組成二、核酸的化學(xué)組成( (一一) )堿基堿基: : 基本堿基的結(jié)構(gòu)與命名基本堿基的結(jié)構(gòu)與命名(A)(A)(G)(G)(C)(C)(T)(T)(U)(U)DNADNA中的四種堿基及它們間的氫鍵中的四種堿基及它們間的氫鍵胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶鳥嘌啉鳥嘌啉腺嘌啉腺嘌啉TCAGCH3RNA分子中的四個(gè)堿基分子中的四個(gè)堿基脫氧核糖脫氧核糖 上述的嘌呤或嘧啶堿與核糖或脫氧核上述的嘌呤或嘧啶堿與核糖或脫氧核糖連接便形成核苷，堿基與戊糖縮合而成糖連接便形成核苷，堿基與戊糖縮合而成有化合物叫核苷，堿基與脫氧戊糖縮合而有化合物叫核苷，堿基與脫氧戊糖縮合而成的化合物叫脫氧核苷。嘌呤堿以第成的化合物叫脫

11、氧核苷。嘌呤堿以第9 9位位氮與戊糖的第一位碳的半縮醛羥基連接。氮與戊糖的第一位碳的半縮醛羥基連接。嘧啶堿則以第嘧啶堿則以第1 1位氮與第一位半縮醛基連位氮與第一位半縮醛基連接。接。( (二二) )、核苷、核苷( (三三) ) 核苷酸核苷酸由核苷和磷酸生成由核苷和磷酸生成酯，稱為核苷酸。由核酯，稱為核苷酸。由核糖核苷生成的核苷酸稱糖核苷生成的核苷酸稱為核苷酸為核苷酸 (ribonudeotide)(ribonudeotide)由脫由脫氧核糖核苷生成的核苷氧核糖核苷生成的核苷酸則稱為脫氧核糖核苷酸則稱為脫氧核糖核苷酸酸(deoxyribonudeotide)(deoxyribonudeotide

12、)。磷酸不是同堿基相連。磷酸不是同堿基相連，而是同核糖的，而是同核糖的5 5位位相連或相連或2 2位或位或3 3位相位相連。連。ATPdATP4、細(xì)胞內(nèi)核苷酸衍生物、細(xì)胞內(nèi)核苷酸衍生物 環(huán)核苷酸環(huán)核苷酸:常見的有常見的有3,5環(huán)腺苷環(huán)腺苷酸酸cAMP、cGMP。它們是傳遞激素作用。它們是傳遞激素作用的媒介物的媒介物,在細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)中具有重要作用在細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)中具有重要作用。第二節(jié)第二節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)一、一、DNA的堿基組成的堿基組成E.charguff規(guī)則規(guī)則:1.體細(xì)胞堿基組成體細(xì)胞堿基組成2.不同生物堿基組成不同生物堿基組成3.親緣關(guān)系相近的生物親緣關(guān)系相近的生物4.A=T、

13、G=C5.A+G=C+TErwin Chargaff二、二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)的一級(jí)結(jié)構(gòu) DNA分子中分子中堿基的排列順序堿基的排列順序叫叫DNA的一級(jí)結(jié)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。DNA的水解產(chǎn)物中有堿基、磷酸、脫氧核的水解產(chǎn)物中有堿基、磷酸、脫氧核糖、核苷、核苷酸等，因而推測(cè)糖、核苷、核苷酸等，因而推測(cè)DNA的骨的骨架結(jié)構(gòu)為架結(jié)構(gòu)為:DNA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)書寫方式書寫方式:三、三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)1.Watson和和Crick的的DNA的雙的雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型螺旋結(jié)構(gòu)的模型 A.兩條脫氧核苷酸鏈的走向：兩條脫氧核苷酸鏈的走向：DNA分子由兩條多脫氧核苷酸鏈組成，分子由兩條多脫氧核苷酸鏈組成，這兩條鏈都是

14、以磷酸二酯鍵連接起這兩條鏈都是以磷酸二酯鍵連接起來(lái)的磷酸脫氧核糖長(zhǎng)鏈骨架，位于來(lái)的磷酸脫氧核糖長(zhǎng)鏈骨架，位于外側(cè)，以右旋方式圍繞一個(gè)共同的外側(cè)，以右旋方式圍繞一個(gè)共同的中軸向前旋繞，但二條鏈的方向相中軸向前旋繞，但二條鏈的方向相反，即一條鏈的走向?yàn)榉?，即一條鏈的走向?yàn)?5方向，方向，另一條鏈為另一條鏈為53走向，二者呈逆走向，二者呈逆平行狀態(tài)形成雙螺旋，在螺旋中形平行狀態(tài)形成雙螺旋，在螺旋中形成大溝和小溝。嘌呤和嘧啶堿基重成大溝和小溝。嘌呤和嘧啶堿基重疊于螺旋內(nèi)側(cè)，堿基平面與縱軸相疊于螺旋內(nèi)側(cè)，堿基平面與縱軸相互垂直?；ゴ怪?。B. 堿基的配對(duì)：堿基的配對(duì)： 堿基的配對(duì)是一條鏈的腺嘌呤與另一堿基

15、的配對(duì)是一條鏈的腺嘌呤與另一條的胸腺嘧啶配對(duì)，一條鏈的鳥嘌呤與另?xiàng)l的胸腺嘧啶配對(duì)，一條鏈的鳥嘌呤與另一條胞嘧啶配對(duì)，一條胞嘧啶配對(duì)，A與與T形成兩個(gè)氫鍵形成兩個(gè)氫鍵(A=T)G與與C之間形成三個(gè)氫鍵之間形成三個(gè)氫鍵(GC)嘌呤，嘌呤，每個(gè)堿基之間配對(duì)叫互補(bǔ)堿基，并聯(lián)后的每個(gè)堿基之間配對(duì)叫互補(bǔ)堿基，并聯(lián)后的兩條多脫氧核苷酸鏈叫互補(bǔ)鏈，一條鏈的兩條多脫氧核苷酸鏈叫互補(bǔ)鏈，一條鏈的堿基順序確定之后，就可推知另一條鏈的堿基順序確定之后，就可推知另一條鏈的堿基順序。堿基順序。 C. DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)呈螺旋上升，旋呈螺旋上升，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中每轉(zhuǎn)過(guò)程中每10個(gè)個(gè)核苷酸旋轉(zhuǎn)一圈，核苷酸旋轉(zhuǎn)一圈，螺旋上升一圈

16、，螺旋上升一圈，10個(gè)核苷酸上升個(gè)核苷酸上升3.4nm，每個(gè)核，每個(gè)核苷酸上升苷酸上升0.34nm，螺旋的直徑螺旋的直徑2nm。一、堿基堆積力：這是主要的穩(wěn)定因素，一、堿基堆積力：這是主要的穩(wěn)定因素， 因?yàn)楦鱾€(gè)堿基堆積在一起，產(chǎn)生堿因?yàn)楦鱾€(gè)堿基堆積在一起，產(chǎn)生堿基間的范德華引力，使得兩條脫氧多核苷基間的范德華引力，使得兩條脫氧多核苷酸鏈成螺旋開穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，堿基堆積力是由酸鏈成螺旋開穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，堿基堆積力是由于芳香族堿基的于芳香族堿基的電子之間相互作用而引電子之間相互作用而引起的起的DNA分子中堿基層層堆積，在分子中堿基層層堆積，在DNA分子內(nèi)部形成了一個(gè)疏水核心，核心內(nèi)幾分子內(nèi)部形成了一個(gè)疏水核心

17、，核心內(nèi)幾乎沒(méi)有游離水分子，所以使互補(bǔ)的堿基之乎沒(méi)有游離水分子，所以使互補(bǔ)的堿基之間形成氫鍵。間形成氫鍵。2.雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性C6H6(benzene)H22H23H2H=_120KJ / molH=_232KJ / molH=_208KJ / molH苯實(shí)=208 KJ / molH苯理=3x120=360KJ / mol從氫化熱看苯的穩(wěn)定性從氫化熱看苯的穩(wěn)定性 堿基堆積力堿基堆積力二、堿基對(duì)之間的氫鍵：這種力量比二、堿基對(duì)之間的氫鍵：這種力量比堿基堆積力弱。堿基堆積力弱。三、磷酸殘基上的負(fù)電荷與介質(zhì)三、磷酸殘基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子中的陽(yáng)離子(胺類，金屬離子，穩(wěn)胺類，金

18、屬離子，穩(wěn)定蛋白定蛋白)之間形成的離子鍵。之間形成的離子鍵。外來(lái)的外來(lái)的力量！力量！4、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性 以上介紹的以上介紹的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是是DNA分子在細(xì)胞內(nèi)和水溶液中的分子在細(xì)胞內(nèi)和水溶液中的主要形式，現(xiàn)在稱為主要形式，現(xiàn)在稱為B-DNA，它是，它是相對(duì)濕度為相對(duì)濕度為92%時(shí)，時(shí)，DNA-鈉鹽纖維鈉鹽纖維所呈現(xiàn)的構(gòu)象。在相對(duì)濕度為所呈現(xiàn)的構(gòu)象。在相對(duì)濕度為75%，由由B-DNA脫水制成的脫水制成的DNA鈉鹽纖維鈉鹽纖維為為A-DNA。當(dāng)。當(dāng)DNA纖維中的水分再纖維中的水分再進(jìn)一步減少時(shí)就出現(xiàn)進(jìn)一步減少時(shí)就出現(xiàn)C-DNA。A-DNA、B-DN

19、A、C-DNA都是右手螺旋都是右手螺旋，它們之間只是堿基，它們之間只是堿基的平面不再垂直，而的平面不再垂直，而出現(xiàn)不同程度的傾角出現(xiàn)不同程度的傾角，螺距和每匝螺旋的，螺距和每匝螺旋的堿基數(shù)目也發(fā)生了改堿基數(shù)目也發(fā)生了改變。變。A-DNA、B-DNA、C-DNA都是右手螺旋都是右手螺旋，它們之間只，它們之間只是堿基的平面是堿基的平面不再垂直，而不再垂直，而出現(xiàn)不同程度出現(xiàn)不同程度的傾角，螺距的傾角，螺距和每匝螺旋的和每匝螺旋的堿基數(shù)目也發(fā)堿基數(shù)目也發(fā)生了改變。生了改變。但是，但是，Wang和和Rich等人在研究人工合成的等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的單晶的X射線射線衍射圖譜時(shí)分別發(fā)現(xiàn)這種

20、衍射圖譜時(shí)分別發(fā)現(xiàn)這種六聚體的構(gòu)象與上面講到六聚體的構(gòu)象與上面講到的完全不同。它是左手雙的完全不同。它是左手雙螺旋，在主鏈中各個(gè)磷酸螺旋，在主鏈中各個(gè)磷酸根呈鋸齒狀排列，有如根呈鋸齒狀排列，有如“之之”字形一樣，因此叫它字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象（英文字構(gòu)象（英文字Zigzag的的第一個(gè)字母）。還有，這第一個(gè)字母）。還有，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；核苷酸而不是單核苷酸；而且而且ZDNA只有一個(gè)螺只有一個(gè)螺旋溝，它相當(dāng)于旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在。則不復(fù)存在。Z-DNA研究表明，研究表明，Z-DNA的

21、形成是的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者或者CACACACA。這種堿基排列方式會(huì)造成核苷酸的糖苷。這種堿基排列方式會(huì)造成核苷酸的糖苷鍵的順式和反式構(gòu)象的交替存在。當(dāng)堿基與糖構(gòu)成反式鍵的順式和反式構(gòu)象的交替存在。當(dāng)堿基與糖構(gòu)成反式結(jié)構(gòu)時(shí)，它們之間離得遠(yuǎn)；而當(dāng)它們成順式時(shí)，就彼此結(jié)構(gòu)時(shí)，它們之間離得遠(yuǎn)；而當(dāng)它們成順式時(shí)，就彼此接近。嘧啶糖苷鍵通常是反式的，而嘌呤糖苷酸鍵既可接近。嘧啶糖苷鍵通常是反式的，而嘌呤糖苷酸鍵既可成順式的也可成反式的。而在成順式的也可成反式的。而在Z-DNA中，嘌呤堿是順式中，嘌呤堿是順式的。這

22、樣，在的。這樣，在Z-DNA中嘧啶的糖苷鏈離開小溝向外挑出中嘧啶的糖苷鏈離開小溝向外挑出，而嘌呤上的糖苷鍵則彎向小溝。嘌呤與嘧啶的交替排，而嘌呤上的糖苷鍵則彎向小溝。嘌呤與嘧啶的交替排列就使得糖苷鍵也是順式與反式交替排列，從而使列就使得糖苷鍵也是順式與反式交替排列，從而使ZDNA主鏈呈鋸齒狀或主鏈呈鋸齒狀或“之之”字形。字形。Z-DNA生物學(xué)意義生物學(xué)意義 這種結(jié)構(gòu)是怎樣生成的？這一結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)是怎樣生成的？這一結(jié)構(gòu)在天然狀態(tài)下存在嗎？它有什么生物學(xué)天然狀態(tài)下存在嗎？它有什么生物學(xué)意義？意義？ 人們相信，并用實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞人們相信，并用實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞DNA分分子中確實(shí)存在有子中確實(shí)存在有ZDNA

23、區(qū)。而且，區(qū)。而且，細(xì)胞內(nèi)有一些因素可以促使細(xì)胞內(nèi)有一些因素可以促使BDNA轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閆DNA。比如，胞嘧啶第五。比如，胞嘧啶第五位碳原子的甲基化。位碳原子的甲基化。 螺距螺距 殘基數(shù)殘基數(shù) 堿基傾斜堿基傾斜 A型型(75%,Na) 2.8 11 20B型型(92%,Na) 3.4 10 0C型型(66%,Li) 3.1 9.3 6D/R hybrid 2.8 11 20Z型型 4.6 12 9三股螺旋三股螺旋DNADNA三鏈結(jié)構(gòu)三鏈結(jié)構(gòu) 環(huán)型環(huán)型DNA 生物體內(nèi)有些生物體內(nèi)有些DNA是以雙鏈環(huán)形是以雙鏈環(huán)形DNA形形式存在的，如某些病毒式存在的，如某些病毒DNA，噬菌體，噬菌體DNA、細(xì)菌

24、質(zhì)粒、細(xì)菌質(zhì)粒DN A、真核細(xì)胞中的線、真核細(xì)胞中的線粒體粒體DNA、葉綠體、葉綠體DNA等。等。在細(xì)胞內(nèi)，由于在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其他分分子與其他分子的相互作用，使子的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一雙螺旋進(jìn)一步扭曲成三級(jí)結(jié)構(gòu)，超螺旋是步扭曲成三級(jí)結(jié)構(gòu)，超螺旋是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)中最常見的形式。三級(jí)結(jié)構(gòu)中最常見的形式。BacteriophageLambda Bacteriophage DNA第三節(jié)第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) RNA的堿基組成：的堿基組成： RNA中所含的四種基本堿基是：中所含的四種基本堿基是：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，此外還含有幾十種修飾堿

25、基。此外還含有幾十種修飾堿基。RNA的的堿基組成，不象堿基組成，不象DNA那樣具有嚴(yán)格的那樣具有嚴(yán)格的A=T，G=C的規(guī)律，因?yàn)榈囊?guī)律，因?yàn)镽NA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不象不象DNA那樣，整個(gè)分子都是雙螺旋那樣，整個(gè)分子都是雙螺旋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：的一級(jí)結(jié)構(gòu)： 核糖核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)很象脫氧核糖核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)很象脫氧核糖核酸，是由許許多多的核糖核核糖核酸，是由許許多多的核糖核苷酸借助苷酸借助3、5-磷酸二酯鍵連接而磷酸二酯鍵連接而成的多核苷酸鏈，盡管成的多核苷酸鏈，盡管RNA的核糖的核糖C2上有一自由羥基，但不形成上有一自由羥基，但不形成2，5-磷酸二酯鍵，用牛脾磷酸二酯酶磷酸二酯鍵，用牛脾磷

26、酸二酯酶降解天然降解天然RNA，酶解產(chǎn)物中只有，酶解產(chǎn)物中只有3-核苷酸，并無(wú)核苷酸，并無(wú)2-核苷酸。核苷酸。一、一、mRNAmRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 真核細(xì)胞的真核細(xì)胞的mRNA5-末端還有一特殊的結(jié)末端還有一特殊的結(jié)構(gòu)，構(gòu)，m7GpppNm，通稱為，通稱為“帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)”。5末端末端的鳥嘌呤的鳥嘌呤N7被甲基化被甲基化m7G，核苷酸經(jīng)過(guò)磷酸與，核苷酸經(jīng)過(guò)磷酸與相鄰的核苷酸（相鄰的核苷酸（N）相連，形成）相連，形成5、5-磷酸二磷酸二酯鍵，這個(gè)（酯鍵，這個(gè)（N）核苷酸的）核苷酸的C2上也是被甲基化上也是被甲基化了的，這種特殊的了的，這種特殊的5末端有抗核酸酶水解的作末端有

27、抗核酸酶水解的作用。用。Nm表示表示N核苷酸的核苷酸的C2上也是被甲基化了。上也是被甲基化了。mRNA5末端的末端的“帽子帽子”結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)啟動(dòng)子啟動(dòng)子外顯子外顯子內(nèi)含子內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄終轉(zhuǎn)錄終止子止子 極大多數(shù)真核細(xì)胞極大多數(shù)真核細(xì)胞mRNA在在3末端連末端連續(xù)續(xù)200個(gè)核苷酸均為腺嘌呤核苷酸殘個(gè)核苷酸均為腺嘌呤核苷酸殘基，稱為多聚腺苷酸（或稱基，稱為多聚腺苷酸（或稱polyA），），原核細(xì)胞的原核細(xì)胞的mRNA其其3端一般沒(méi)有端一般沒(méi)有polyA、polyA的結(jié)構(gòu)與的結(jié)構(gòu)與mRNA從細(xì)胞從細(xì)胞轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程有關(guān)，也與轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)的過(guò)程有關(guān)，也與mRNA的半衰期有關(guān)。新合成的的半衰期有關(guān)。新合成的

28、mRNA、polyA較長(zhǎng)，衰老的較長(zhǎng)，衰老的mRNA分子，分子，polyA短。短。二、二、tRNA三葉草結(jié)構(gòu)具有下列共同特三葉草結(jié)構(gòu)具有下列共同特點(diǎn)。點(diǎn)。1. 3末端起為三個(gè)不構(gòu)成堿基末端起為三個(gè)不構(gòu)成堿基對(duì)但也不是連接成環(huán)的核苷對(duì)但也不是連接成環(huán)的核苷酸，即酸，即C-C-AOH，連接它們，連接它們的是的是5-末端形成末端形成7個(gè)堿基對(duì)的個(gè)堿基對(duì)的一個(gè)螺旋區(qū)，通常稱這一部一個(gè)螺旋區(qū)，通常稱這一部分為分為“氨基酸臂氨基酸臂”或稱氨基或稱氨基酸接受基），因?yàn)樵诘鞍踪|(zhì)酸接受基），因?yàn)樵诘鞍踪|(zhì)生物合成中，生物合成中，tRNA運(yùn)送氨基運(yùn)送氨基酸時(shí)，氨基酸總是接在酸時(shí)，氨基酸總是接在3-末末端的腺苷酸上。

29、端的腺苷酸上。2.環(huán)環(huán)I由由8至至11個(gè)不能個(gè)不能形成堿基對(duì)的核苷酸形成堿基對(duì)的核苷酸組成的小環(huán)，接在由組成的小環(huán)，接在由3或或4個(gè)堿基對(duì)形成的個(gè)堿基對(duì)形成的另一個(gè)螺旋區(qū)的一端，另一個(gè)螺旋區(qū)的一端，此環(huán)因含有此環(huán)因含有5、6-二二氫尿嘧啶，故稱為氫尿嘧啶，故稱為“二氫尿嘧啶環(huán)二氫尿嘧啶環(huán)”（DHU環(huán)）。連接環(huán)）。連接此環(huán)的螺旋區(qū)稱二氫此環(huán)的螺旋區(qū)稱二氫尿嘧啶區(qū)。尿嘧啶區(qū)。3.環(huán)環(huán)為由為由7個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸組成的小環(huán)，它們也都組成的小環(huán)，它們也都不能互補(bǔ)為堿基對(duì)，接不能互補(bǔ)為堿基對(duì)，接在由在由5個(gè)堿基對(duì)級(jí)成的個(gè)堿基對(duì)級(jí)成的另一螺旋另一螺旋 區(qū)區(qū) 一端，位一端，位于此環(huán)中間部位的三個(gè)于此環(huán)中間部位

30、的三個(gè)核苷酸偏成一組，構(gòu)成核苷酸偏成一組，構(gòu)成所謂的所謂的“反密碼子反密碼子”，故稱此環(huán)為故稱此環(huán)為“反密碼反密碼環(huán)環(huán)”，連接此環(huán)的，連接此環(huán)的5個(gè)個(gè)堿基對(duì)組成的螺旋區(qū)稱堿基對(duì)組成的螺旋區(qū)稱“反密碼區(qū)反密碼區(qū)”。4. 環(huán)環(huán)為為7個(gè)核苷個(gè)核苷酸組成的小環(huán)，接酸組成的小環(huán)，接在由在由5 個(gè)堿基對(duì)形個(gè)堿基對(duì)形成的又一螺旋區(qū)的成的又一螺旋區(qū)的一端，此環(huán)因含有一端，此環(huán)因含有修飾核苷修飾核苷（假尿（假尿嘧啶核苷）及嘧啶核苷）及T（胸腺嘧啶核糖核（胸腺嘧啶核糖核苷酸殘基）并必定苷酸殘基）并必定含有含有-T-C的堿基的堿基順序，所以又稱為順序，所以又稱為T-C環(huán)。環(huán)。5.在環(huán)在環(huán)與環(huán)與環(huán)之間，之間，由由 3

31、-18個(gè)核苷酸組成個(gè)核苷酸組成的的“附加叉附加叉”又可稱又可稱額外環(huán)或不變環(huán)，這額外環(huán)或不變環(huán)，這些核苷酸以含有較多些核苷酸以含有較多修飾堿基為其特點(diǎn)，修飾堿基為其特點(diǎn)，它們有的可形成堿基它們有的可形成堿基對(duì)，稱可變環(huán)或額外對(duì)，稱可變環(huán)或額外環(huán)，有的不能形成堿環(huán)，有的不能形成堿基對(duì)，在不同種類的基對(duì)，在不同種類的tRNA中，額外環(huán)的大中，額外環(huán)的大小很不一致，核苷酸小很不一致，核苷酸的數(shù)目相差很遠(yuǎn)，所的數(shù)目相差很遠(yuǎn)，所以是以是tRNA分類的重要分類的重要指標(biāo)。指標(biāo)。tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)三三. rRNARNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 原核生物和真核生物的核糖體大小不一原核生物和真核生物的核糖體大小不一樣

32、。樣。 原核生物（原核生物（70S） 真核生物（真核生物（80S）核糖體核糖體 rRNA 核糖體核糖體 rRNA小亞基小亞基 (30S ) 16S (40S ) 18S大亞基大亞基 (50S) 23S、5S (60S) 28S、5S、5.8S核糖體由兩個(gè)亞基組成，核糖體由兩個(gè)亞基組成，每個(gè)亞基由數(shù)十個(gè)蛋白每個(gè)亞基由數(shù)十個(gè)蛋白質(zhì)和質(zhì)和34種種rRNA組成。組成。 核糖體的大亞基和小亞基都有結(jié)合核糖體的大亞基和小亞基都有結(jié)合位點(diǎn)位點(diǎn),小亞基有與小亞基有與mRNA結(jié)合的部結(jié)合的部位，大亞基有與位，大亞基有與tRNA結(jié)合的位點(diǎn)，結(jié)合的位點(diǎn)，在核糖體內(nèi)，在核糖體內(nèi)，rRNA以單鏈存在，而以單鏈存在，而且

33、也和且也和tRNA一樣，多核苷酸鏈發(fā)生一樣，多核苷酸鏈發(fā)生折疊而形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，同時(shí)，也折疊而形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，同時(shí)，也局部呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是局部呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是rRNA的雙的雙螺旋結(jié)構(gòu)沒(méi)有螺旋結(jié)構(gòu)沒(méi)有DNA穩(wěn)定，它容易因穩(wěn)定，它容易因各種因子影響而發(fā)生構(gòu)象變化，如各種因子影響而發(fā)生構(gòu)象變化，如溫度、電解質(zhì)的不同，可以使溫度、電解質(zhì)的不同，可以使RNA呈現(xiàn)不同的構(gòu)象。呈現(xiàn)不同的構(gòu)象。16S rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)5S rRNA第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)核酸的理化性質(zhì) 一、核酸紫外吸收一、核酸紫外吸收: 1. 嘌呤堿、嘧啶堿具有共軛嘌呤堿、嘧啶堿具有共軛雙鍵雙鍵,使堿基、核苷、核苷使堿基、

34、核苷、核苷酸和核酸在酸和核酸在240-290nm有吸有吸收收, 在在260nm處最大吸收。處最大吸收。 C=C-C=C2. 純純DNA OD260/OD280=1.8 、 RNA=2.0, 不純的樣品不能用這個(gè)方法。不純的樣品不能用這個(gè)方法。這個(gè)特性可用來(lái)鑒定純度。這個(gè)特性可用來(lái)鑒定純度。3. 測(cè)定核酸含量：測(cè)定核酸含量： A260: 1.OD=50g/ml 雙鏈雙鏈DNA =40g/ml單鏈單鏈DNA、RNA =20g/ml寡核苷酸寡核苷酸二、核酸的解離性質(zhì)二、核酸的解離性質(zhì): 核酸既有酸性基因，又有堿性核酸既有酸性基因，又有堿性基因，是兩性電解質(zhì)。基因，是兩性電解質(zhì)。磷酸基在磷酸基在pH4

35、時(shí)，時(shí)，H全部解離，呈全部解離，呈多陰離子狀態(tài)。高等生物中這種狀多陰離子狀態(tài)。高等生物中這種狀態(tài)下的核酸與堿性組蛋白結(jié)合而保態(tài)下的核酸與堿性組蛋白結(jié)合而保持穩(wěn)定。持穩(wěn)定。2堿基的解離也受堿基的解離也受pH的影響。的影響。3只有在中性條件下才能只有在中性條件下才能進(jìn)行正常的堿基配對(duì)。進(jìn)行正常的堿基配對(duì)。4核酸的核酸的pI=2-2.5, 中性帶中性帶負(fù)電，酸性帶正電。負(fù)電，酸性帶正電。5. 不同的核酸分子解離度不同，不同的核酸分子解離度不同，電性和帶電量不同它們?cè)陔妶?chǎng)的電性和帶電量不同它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下能向與其相反的電極移動(dòng)，作用下能向與其相反的電極移動(dòng)，這種現(xiàn)象，稱為這種現(xiàn)象，稱為電泳電泳。電泳

36、是分。電泳是分離、鑒定核酸及其片段的常用方離、鑒定核酸及其片段的常用方法。法。1.核酸的變性核酸的變性: 當(dāng)將呈雙螺旋結(jié)構(gòu)的當(dāng)將呈雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA溶液緩慢地加熱時(shí)溶液緩慢地加熱時(shí)，其中氫鍵便斷開，雙鏈，其中氫鍵便斷開，雙鏈DNA便解脫成為單鏈，這便解脫成為單鏈，這叫做核酸的叫做核酸的“熔解熔解”或變性?；蜃冃?。降解降解: 核酸骨架上的核酸骨架上的3,5-磷酸二酯鍵的斷裂、稱為降磷酸二酯鍵的斷裂、稱為降解。解。三、核酸的變性、復(fù)性和分子雜交三、核酸的變性、復(fù)性和分子雜交:2.增色效應(yīng)增色效應(yīng) 核酸變性后，增加了核酸變性后，增加了A260的光吸收。的光吸收。 A260: 1.OD=50g/ml

37、雙鏈雙鏈DNA 1g/ml=1/50 OD =. OD 40g/ml單鏈單鏈DNA,RNA 1g/ml =1/40 OD = .OD 20g/ml寡核苷酸寡核苷酸 1g/ml =1/20 OD=. OD Tm值值 當(dāng)當(dāng)DNA從雙螺旋結(jié)構(gòu)變?yōu)閱捂湹臒o(wú)從雙螺旋結(jié)構(gòu)變?yōu)閱捂湹臒o(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài)時(shí)，它在規(guī)則卷曲狀態(tài)時(shí)，它在260nm處的吸收便處的吸收便增加，也就是增色效應(yīng)，引起增加，也就是增色效應(yīng)，引起DNA發(fā)生熔發(fā)生熔解的溫度變化范圍只不過(guò)幾度，這個(gè)溫度解的溫度變化范圍只不過(guò)幾度，這個(gè)溫度變化范圍的中點(diǎn)稱為熔解溫度（變化范圍的中點(diǎn)稱為熔解溫度（Tm），）， DNA的的Tm值一般在值一般在70-85之間。

38、之間。DNA部分變性電鏡圖部分變性電鏡圖( (二二) )復(fù)性與退火復(fù)性與退火 當(dāng)將雙股鏈呈分散狀態(tài)的當(dāng)將雙股鏈呈分散狀態(tài)的DNA溶溶解液緩慢冷卻時(shí)，它們又可以發(fā)生解液緩慢冷卻時(shí)，它們又可以發(fā)生不同程度的重新結(jié)合，而形成雙股不同程度的重新結(jié)合，而形成雙股螺旋結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為螺旋結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為 “退火退火” （annealing）。在適宜的溫度條件）。在適宜的溫度條件下，分散開的兩條下，分散開的兩條DNA鏈可以完全鏈可以完全重新結(jié)合成和原來(lái)一樣的雙股螺旋。重新結(jié)合成和原來(lái)一樣的雙股螺旋。這個(gè)螺旋的重組過(guò)程稱為這個(gè)螺旋的重組過(guò)程稱為“復(fù)性復(fù)性” （renaturation）。）。DNA的變性與

39、復(fù)性的變性與復(fù)性T1/2 C const 哺乳動(dòng)物哺乳動(dòng)物的的DNA 一般一般均呈右圖的均呈右圖的曲線，這是曲線，這是因?yàn)樗鼈兊囊驗(yàn)樗鼈兊幕蚪M基因組DNA 中插入了大中插入了大量的重復(fù)序量的重復(fù)序列，如人的列，如人的DNA中就插中就插入了長(zhǎng)度為入了長(zhǎng)度為350bp的的Alu序列達(dá)序列達(dá)50萬(wàn)萬(wàn)份拷貝之多。份拷貝之多。DNA部分變性電鏡圖部分變性電鏡圖 5AGCT 3AGCT 3 5AGCT 3AGCT 3 3 3TCGA TCGA 5 3 3TCGA 5TCGA 5 5AGCT 3AGCT 3 5 5AGCT AGCT 3 3 3 3TCGA TCGA 5 3 3TCGA TCGA 5 5 5AGCT 3AGCT 3 5 5AGCT 3AGCT 3 3 3TCGA TCGA 5 3 3TCGA 5TCGA 5 Questions5AGCT 3AGCT 3 5 5AGCT 3AGCT 3 3 3TCGA 5TCGA 5 3 3TCGA TCGA 5 Questions : 1. If 5ACACAGCTAGCTTTGGT 3TTGGT 3 + + 3 3TCGATCGA