5nucleicacids.ppt

第五章第五章 核酸核酸(Nucleic Acids)核苷酸和核酸的共价结构核苷酸和核酸的共价结构DNA的结构的结构DNA的的序列分析序列分析RNA的结构特征的结构特征核酸的性质核酸的性质核酸的水解核酸的水解核酸的历史核酸的历史1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）1930~40年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性DNA is transforming material （（DNA 是转化物质）是转化物质）Griffth’sGriffth’s transforming transforming experiments experiments (1928) showed (1928) showed some materials some materials inside the S inside the S strain had strain had transferred to transferred to Live R strainLive R strain 证明细胞内物质能证明细胞内物质能在细胞间转化在细胞间转化O. T. Avery O. T. Avery testified the testified the transforming transforming substance was substance was DNA (1944)DNA (1944) 证明转化物质是证明转化物质是DNA DNA A Hershey and M A Hershey and M Chase further Chase further testified testified transforming transforming substance was substance was DNA by infection DNA by infection of bacteria with T2 of bacteria with T2 (1952)(1952) 进一步通过噬菌体进一步通过噬菌体进一步通过噬菌体进一步通过噬菌体T2 T2 对细菌感染的对细菌感染的对细菌感染的对细菌感染的试验证明转化物质试验证明转化物质试验证明转化物质试验证明转化物质是是是是DNADNAQuestion: Please point out the biomoleculesthat are related to the information flow.请指出与信息流相关的生物分子Informationflow信息流信息流mRNAProteinTranscription转录转录Reverse transcription反转录反转录Translation翻译翻译Gene expression基因表达基因表达Central dogma 中心法则中心法则DNA除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。

不同有机体遗传物质（信息分子信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成§5.1 核酸的组成成分（共价结构）核酸的组成成分（共价结构）核酸 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base（碱基 base）核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）（（一）核糖和脱氧核糖一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脱氧核糖O（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤 guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式（（三）核苷三）核苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核  糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核  糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核  糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）（（四）核苷酸四）核苷酸胸苷-5′-磷酸ADP (adenosine 5’-diphosphate)ATP (adenosine 5’-triphosphate)The high energy phosophoester bonds各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。

在在体内能量代谢中的作用体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使——cAMP§5.2 DNA的结构的结构（（一）一）DNA的一级结构的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列碱基序列（base sequence)通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4nOHO-O  O—CH2 TO=P—O-3′5′OHOHO-O  O—CH2 GO=P—O-3′5′OHO  O—CH2OHOH AO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA（（二）二）DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1953年，Watson 和Crick 提出1. 双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。

后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接2. 双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（1）两条多核苷酸链反向平行；右手螺旋2）碱基内侧，A与T、G与C配对，分别形成3和2个氢键3）双螺旋每转一周有10.5个bp，螺距3.6nm，直径2nm3. 双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素（1）氢键氢键（太弱）；（2）碱基堆积力碱基堆积力（base stacking force，由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素；（3）离子键离子键（减少双链间的静电斥力）4. DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A其碱基平面倾斜20°，螺距与每一转碱基对数目都有变化Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕（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的相互转换可能和基因的调控有关。

C-DNA（（书中没有）书中没有）：44~46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6°可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物D-DNA（（书中没有）书中没有）：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°三）三）DNA的三级结构的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)→超螺旋（DNA的拓扑学）染色体包装染色体包装染色体包装的结构模型染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数   7                         6                      40                             5         （8400） DNA    →    核小体   →   螺线管   →   超螺线管   →    染色单体  2nm             10nm          30(10)nm           400nm              2~10μm                  一级包装       二级包装         三级包装            四级包装    Editor's Summary20 October 2005The B to Z of DNAThe existence of left-handed DNA (or Z-DNA) was reported in 1979, and marked by a Nature cover. This week's cover story is the determination of the crystal structure of the junction between left-handed DNA and 'normal', right-handed DNA or B-DNA. Each time a DNA segment turns to Z-DNA, two of these B–Z junctions are created. Z-DNA often forms transiently during transcription and other physiological processes, then relaxes to the less energetic B form. The three-dimensional structure shows that the junction is very tight, and that a base pair is pushed out of the double helix, one base on each side of the junction. This adjustment maintains the base stacking that is a major stabilizing factor. These displaced bases may be sites for DNA modification. On the cover, a molecule containing a B–Z junction is shown in the centre, with Z-DNA, naturally, to the left and B-DNA to the right.§5.3 DNA序列分析序列分析一、一、DNA限制性内切酶限制性内切酶来源：来源：细菌对侵入的噬菌体的抵抗的研究发现了DNA限制性内切酶。

类型：类型：类型Ⅰ（复杂的多功能酶，既能降解DNA，又能修饰DNA）和类型Ⅱ（简单酶，产生粘性末端或平齐末端）限制性内切酶和限制性图谱：限制性内切酶和限制性图谱：限制性片断长度多态性（Restriction fragment longth polymorphisms, RFLP）研究，可用于缺失基因的诊断和DNA指纹鉴定等二、目前多采用二、目前多采用F. Sanger “链终止法链终止法”OHOH2CHHOH1′2′3′4′5′核  糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P——CCGGTAGCAATT——3′5′模板模板引物引物——GG—5′3′GGCGGCCGGCCATCCddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAddATPAGGCCATCGGGCCATCGTTGGddGTPGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTTddTTPCCATCGTTGA5′3′三、三、DNA与基因组与基因组DNATranscription             RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。

结构基因调节基因基因组基因组（一）（一）DNA与基因与基因（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物基因组的特点1.  DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低2.  功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）3.有基因重叠基因重叠现象ABCDEFG（（三）真核生物基因组的特点三）真核生物基因组的特点1.  重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因中度重复序列 ：在DNA中可重复几十次到几千次高度重复序列 ：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，称为卫星卫星DNA（satellite DNA）富含A-T富含G-C主体DNA2.  有断裂断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：：基因中不为多肽编码，不在基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：）：为多肽编码的基因片段为多肽编码的基因片段由于基因中内含子的存在例外例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。

transcription§5.4 RNA的结构特征的结构特征（（一）一）tRNAtRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质tRNA分子量为4S，1965年Holley 测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型（四臂四环）主要特征主要特征：1. 氨基酸臂3′端有CCAOH的共有结构；2. D环上有二氢尿嘧啶（D）；3. 反密码环上的反密码子与mRNA相互作用；4. 可变环上的核苷酸数目可以变动；5. TψC环含有T和ψ；6. 含有修饰碱基和不变核苷酸；7. 倒L形的三级结构主要特征主要特征：1.四臂四环；四臂四环；2.氨基酸臂氨基酸臂3′端有端有CCAOH的共有结构；的共有结构；3.D环上有环上有二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（D）；）；4.反反密码环上的反密码子与密码环上的反密码子与mRNA相互作用；相互作用；5.可变可变环上的核苷酸数目可以环上的核苷酸数目可以变动；变动；6.TψC环含有环含有T和和ψ；；7.含有修饰碱基和不含有修饰碱基和不变核苷酸变核苷酸（（二）二）rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体原原 核核 生生 物物         真真 核核 生生 物物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S、 5S、23S80S（ 40S、60S）18S、5S、5.8S、28S （（三）三）mRNA、、hnRNA与与snRNAmRNA约占细胞RNA总量的5%，是蛋白质合成的模板。

真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNAsnRNA主要存于细胞核中，占细胞RNA总量的0.1~1%，与蛋白质以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用（四）（四）RNA的其它功能的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶核酶（ribozyme）大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成23SrRNA具肽酰转移酶活性RNA在DNA复制、转录（如snRNA）、翻译中均有一定的调控作用，与某写物质的运输与定位有关§5.5 核酸的性质核酸的性质（（一）一般理化性质一）一般理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性2. DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂3. DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA二）核酸的紫外吸收性质二）核酸的紫外吸收性质核酸核酸的碱基具有共轭双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。

核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30~40%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应减色效应）（三）核酸结构的稳定性（三）核酸结构的稳定性1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子四）核酸的的变性四）核酸的的变性 ：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏DNA变性是个突变过程，类似结晶的熔解将紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度熔解温度(melting temperature, Tm)TmTm影响Tm的因素：（1）G-C的相对含量       （（G+C））% =（（Tm — 69.3））× 2.44（2）介质离子强度低，Tm低3）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降（（五）核酸的复性（退火）五）核酸的复性（退火）：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程影响复性速度的因素：C0t1/2=1/k（1）单链片段浓度（2）单链片段的大小（3）片段内重复序列的多少（4）溶液离子强度的大小（5）溶液温度的高低  （T – 25℃）（（六）分子杂交六）分子杂交 ：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。

探针探针：用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段原位杂交技术原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交，未改变核酸所在的位置点点杂交杂交：将核酸直接点在膜上，再与核酸杂交Southern印迹法印迹法：将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交Northern印迹法印迹法：将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交§5.6 核酸的水解核酸的水解一、核酸的酸水解和碱水解酸水解：酸水解：RNA对稀酸不敏感，但DNA对稀酸敏感，嘌呤碱基连接的C-N键容易被酸解，生成脱嘌呤酸碱水解：碱水解：RNA碱水解产物中含有2/－核苷酸；DNA很难被碱水解二、核酸的酶水解核酸酶（Nucleases）：能水解核酸的酶核酶？）两种类型：a型型内切酶：内切酶：水解发生在磷酸基3/端，产物是5/－核苷酸，如DNasesⅠ和蛇毒磷酸二酯酶（VPDase）；b型内切型内切酶酶：水解发生在磷酸基5/端，产物为3/－核苷酸，如胰河塘核酸酶A（RNase A）、脾磷酸二酯酶（SPDase）等核酸的生物学功能和实践意义核酸的生物学功能和实践意义（（一）核酸与遗传信息的传递一）核酸与遗传信息的传递1.DNA是基本遗传物质2.RNA在传递遗传信息上的作用（（二）核酸与蛋白质的生物合成二）核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。

三）核酸结构改变与生物变异三）核酸结构改变与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果（（四）四）DNA与细菌转化与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化五）核酸与病变五）核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果镰刀型红细胞贫血镰刀型红细胞贫血和白化病白化病(albinism)（（六）遗传工程六）遗传工程实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞（转化或转导）有利有利   vs   有害（（七）克隆与克隆化七）克隆与克隆化本章重点和要求本章重点和要求1.了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子结构上的关系3.了解核酸的结构和它们的性质、功能的相互关系认识核酸在生物科学上的重要性及其实践意义作业作业5：：1.请写出A、G、C、U、T的化学结构式，并熟记之2.请写出pGT的结构式3.RNA有哪些主要类型？简述其结构特点及其生物学功能？4.核酸有何紫外吸收特点？如何利用这个特点来研究核酸？5.什么是Tm？核酸的热变性有何特点？6.Be divided into two parts.。