第5章　核酸的化学 主讲教师：卢涛.

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1 第5章　核酸的化学 主讲教师：卢涛

2 5.1　核酸的组成与结构 核酸是是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。

3 主要分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。
5.1.1　核酸的生物功能 分类 分布 脱氧核糖核酸（DNA） 主要分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 核糖核酸（RNA） 信使RNA(mRNA) 分布于胞核、胞液。 核糖体RNA(rRNA) 转运RNA(tRNA) 核不均RNA(hnRNA) 核小RNA(snRNA)

4 生物功能： 1．核酸是遗传变异的物质基础：生物遗传特征的延续与生物进化都是由基因所决定的。 2．核酸与生物遗传信息的传递：mRNA可将DNA的遗传信息传递给蛋白质。 3．核酸与医药

5 5.1.2 核酸的分子组成与基本结构 DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 嘧啶碱 胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U）
5.1.2　核酸的分子组成与基本结构 DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 嘧啶碱 胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷酸

6 （一）核苷和核苷酸 1．碱基：嘌呤碱和嘧啶碱 　（1）嘧啶碱：有胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶三种 　（2）嘌呤碱：有腺嘌呤和鸟嘌呤二种 　（3）稀有碱基：甲基化碱基、次黄嘌呤、二氢尿嘧啶 2．核糖和脱氧核糖 　　核酸中的戊糖为核糖，DNA中为D-2-脱氧核糖，RNA中为D-核糖。

7 嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G)

8 嘧啶(pyrimidine) 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine, T) 胞嘧啶(cytosine,C)

9 戊 糖 （构成RNA） 1´ 2´ 3´ 4´ 5´ 核糖(ribose) （构成DNA） 脱氧核糖(deoxyribose) H

10 3．核苷 戊糖和碱基缩合而成的糖苷为核苷，连接方式为嘌呤的N9与戊糖的C-1′之间形成糖苷键，嘧啶的N1与戊糖的C-1′之间形成糖苷键。 4．核苷酸 核苷中核糖的第五位碳原子C-5′与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸，可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。

11 1´ 1 核苷 核苷酸

12 （二）环化核苷酸 　　环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）在细胞信号转导过程中具有重要的调控作用。 cAMP

13 5.1.3 核酸的分子结构 （一）DNA的分子结构 1．DNA的一级结构
5.1.3　核酸的分子结构 （一）DNA的分子结构 1．DNA的一级结构 定义：核酸的一级结构是指DNA和RNA分子中核苷酸的排列顺序，也称核苷酸序列。由于核酸分子中不同核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此也称为碱基序列。 连接方式：前一个核苷酸的3′-OH和下一个5′-P之间形成3′, 5′ 磷酸二酯键，形成一个没有分支的线性大分子。只有一个游离的5′末端（游离的磷酸基）和3′末端（游离的羟基）。 化学键：3′, 5′-磷酸二酯键。 方向：5′→3′。

14 2．真核细胞染色质DNA与原核生物DNA的一级结构的特点
（1）重复序列，包括有高度重复序列、中度重复序列、单一序列。 （2）间隔序列与插入序列，通常把插入序列成为内含子，把编码蛋白质的基因序列成为外显子。 （3）回文序列 原核生物DNA特点： （1）基因重叠 （2）单顺反子 （3）基因无间隔，连续的

15 3．DNA的二级结构 DNA的二级结构是双螺旋，其模型要点： （1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧多核苷酸链组成，一条链的走向是5′→3′，另一条链的走向是3′→5′。 （2）在DNA双链结构中，外侧是由亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成的骨架，内侧是碱基，糖环平面与碱基平面垂直。 （3）螺旋直径为2nm，螺旋一周包含了10对碱基，螺距为3.4nm。

16 （4）两条链的碱基之间以氢键结合即A与T以2个氢键配对；C与G以3个氢键配对。
（5）DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟，此沟状结构可能与蛋白质和DNA间的识别有关。 （6）DNA双螺旋结构的稳定因素：DNA双螺旋结构的稳定性横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，由以后者更为重要。

17 4．DNA的三级结构 在双螺旋分子再次螺旋化形成超螺旋结构即DNA的三级结构。 5．染色质与染色体 真核生物的三级结构，在组蛋白的参与下构成核小体，然后再进一步折叠形成染色体。组蛋白有5种H1、H2A、H2B、H3、H4。染色体的基本单位是核小体，核小体由DNA和组蛋白共同构成。由许多核小体形成的串珠样结构又进一步盘曲成直径为 30nm 的中空的染色质纤维，称为螺线管。螺线管再经几次卷曲才能形成染色单体。

18 6．基因与基因组 基因：就是DNA分子中的某一区段，经过复制可以遗传给子代，经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。 基因组：一个生物体的全部基因序列成为基因组。

19 （二）RNA的类型 1．RNA的类型 （1）核糖体RNA（rRNA）：细胞内含量最多的RNA，占RNA总量的80%。原核生物的rRNA共有5S，16S，23S三种；而真核生物的rRNA有18S，5S，5.8S，28S四种，它们分别与蛋白质一起组成核蛋白体的大亚基和小亚基，然后构成核蛋白体，为蛋白质的合成提供场所。 （2）转运RNA（tRNA）：细胞内分子量最小的一类核酸，由70到90个核苷酸构成。在蛋白质合成过程中作为氨基酸的载体并将其转呈给mRNA。 （3）信使RNA（mRNA）：mRNA的长短差异很大，半期最短，它是蛋白质合成的直接模板。

20 （4）小的干扰RNA和微小RNA 1）小的干扰RNA（SiRNA）：是含有21~22个核苷酸的双链RNA，它可以促使与其互补的mRNA被核酸酶降解，从而定向抑制靶基因的表达。 2）微小RNA（miRNA）：是一类含有19~25bp的单链RNA，3`端有1~2个碱基变化，广泛存在于真核生物中，不编码蛋白，具有保守性、时序性、组织特异性。miRNA通过与靶mRNA3’-UTR碱基配对来抑制转录翻译。

21 2．RNA的结构特征 （1）RNA的基本组成单位是AMP、GMP、CMP及UMP，含有稀有碱基。 （2）每分子RNA还有几十个到数千个NMP。通过磷酸二酯键连接 （3）RNA主要是单链结构，但局部可形成双链称为发夹结构。 （4）RNA易降解

22 3．参与蛋白质生物合成的三类RNA的结构 （1）tRNA的结构 1）一节结构：70~90个核苷酸，有较多的稀有碱基，3`-末端为-CCA-OH。 2）二级结构：三叶草式，可分为氨基酸臂、DHU环、反密码环、额外环、TψC环。其中氨基酸臂作用是连接氨基酸，反密码环与mRNA的密码子配对。 3）三级结构：倒L形。

23 （2）mRNA的结构 真核生物 原核生物 3′-polyA 有 无 5′-帽子 顺贩子 单顺反子 多顺反子 断裂基因 是 不是 转录翻译偶联

24 （3）rRNA结构 部分具有类似三叶草型结构。

25 5.2 核酸的理化性质 5.2.1 核酸的分子大小 5.2.2 核酸的溶解度和黏度 5.2.3 核酸的酸碱性质
核酸为生物大分子。 核酸为极性化合物，溶于水，不溶于有机溶剂。黏度大，RNA黏度比DNA小。 5.2　核酸的理化性质 　5.2.1　核酸的分子大小 　5.2.2　核酸的溶解度和黏度 　5.2.3　核酸的酸碱性质 核酸为多元酸，酸性较强。

26 5.2.4 核酸的紫外吸收 在260nm波长有紫外吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。
5.2.4　核酸的紫外吸收 　　在260nm波长有紫外吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。 单核苷酸 > ssDNA(或RNA) > dsDNA

27 5.2.5 核酸的变性、复性和杂交 定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。
5.2.5　核酸的变性、复性和杂交 定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。 方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD260增高 粘度下降 比旋度下降 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失

28 变性的本质：双链间氢键的断裂，即空间结构的破坏，不涉及一级结构的变化。

29 热变性 解链曲线：连续加热以温度对OD260关系作图所得的曲线。 增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。 计算公式为： Tm=4（G+C）+2(A+T)

30 （二）复性 变性的DNA分子在适当条件下,两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象,称为复性。 （三）核酸的杂交 杂交：在DNA复性过程中，不同来源的DNA单链分子或者DNA和RNA分子之间，序列完全互补或者不完全互补的两个单链核酸分子之间能形成双链，这种现象称为分子杂交。 探针：标记的已知序列的一小段核苷酸。

31 5.3 核酸的分离与含量测定 5.3.1 核酸的提取、分离和纯化 5.3.2 核酸含量测定原理
5.3　核酸的分离与含量测定 　5.3.1　核酸的提取、分离和纯化 　5.3.2　核酸含量测定原理 DNA或RNA的定量： OD260=1.0相当于 50μg/ml双链DNA 40μg/ml单链DNA（或RNA） 20μg/ml寡核苷酸