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核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。和医学的重要基础之一。第1页/共95页 核酸概述核酸概述 （一）核酸的发展史（一）核酸的发展史 1.1869年年,瑞士年轻的医生瑞士年轻的医生Friedrich Miescher 在废弃的外科绷带上的血细胞核中在废弃的外科绷带上的血细胞核中分离到一种物质，含有高比例的磷，他将其分离到一种物质，含有高比例的磷，他将其命名为命名为“核素核素”（nuclein）。）。后来，发现有强烈的酸性，改名为后来，发现有强烈的酸性，改名为“核酸核酸”（nucleic acid）。虽然）。虽然Miescher并不知道，并不知道，但他发现了但他发现了DNA！第2页/共95页 2.不久，不久，Hoppe-Seyler 从酵母细胞中分离从酵母细胞中分离了类似的物质，现在知道是了类似的物质，现在知道是RNA。3.20世纪世纪50年代以前，年代以前，“四核苷酸假说四核苷酸假说”比较流行，但缺乏结构方面的多样性，因此比较流行，但缺乏结构方面的多样性，因此普遍认为核酸不大可能有重要的生理功能。普遍认为核酸不大可能有重要的生理功能。4.1943年，年，Chargaff等证明等证明DNA中中4种碱种碱基的比例并不相等。基的比例并不相等。5.1944年，年，美国生化学家美国生化学家Avery通过肺炎通过肺炎双球菌转化实验，证实双球菌转化实验，证实DNA是遗传物质。是遗传物质。第3页/共95页6.1953年年,James Watson and Francis Crick提出了提出了DNA的双螺旋结构模型。的双螺旋结构模型。第4页/共95页 （二）核酸概念（二）核酸概念 和蛋白质一样，核酸是一种重要的生物高和蛋白质一样，核酸是一种重要的生物高分子化合物，是由其结构单体核苷酸通过分子化合物，是由其结构单体核苷酸通过3,5 -磷酸二酯键聚合而成的长链，继而形磷酸二酯键聚合而成的长链，继而形成具有复杂三维结构的大分子化合物。成具有复杂三维结构的大分子化合物。核酸是动物、植物、微生物机体的重要组核酸是动物、植物、微生物机体的重要组成成分，约占细胞干重的成成分，约占细胞干重的 。第5页/共95页 （三）核酸分类和分布（三）核酸分类和分布 1.核酸的分类核酸的分类 根据核酸的化学组成，分为两类根据核酸的化学组成，分为两类:核糖核酸核糖核酸 （ribonucleic acid 简写为：简写为：RNA）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 （deoxyribonucleic acid 简写为：简写为：DNA）第6页/共95页 2.核酸的主要分布核酸的主要分布 DNA：主要分布在真核细胞的细胞核中，在：主要分布在真核细胞的细胞核中，在线粒体、叶绿体等细胞器中也含有较少的线粒体、叶绿体等细胞器中也含有较少的DNA。原核细胞则分布在其拟核区。原核细胞则分布在其拟核区。RNA：主要分布在真核细胞的细胞质中，核：主要分布在真核细胞的细胞质中，核糖体上含量最多。细胞核的核仁区域进行旺盛糖体上含量最多。细胞核的核仁区域进行旺盛的的RNA合成（占合成（占RNA总量的总量的10%）。）。目前发现每种病毒中只含其中一类核酸，因目前发现每种病毒中只含其中一类核酸，因此共有两类病毒：此共有两类病毒：DNA病毒（病毒（DNA virus）RNA病毒（病毒（RNA virus）第7页/共95页 （四）核酸的重要性（四）核酸的重要性 1.DNA是主要遗传物质，是遗传信息的载体。是主要遗传物质，是遗传信息的载体。证据有：证据有：细菌转化实验。细菌转化实验。1944年年Avery 第一次证明第一次证明了了DNA是细菌转化的因子。是细菌转化的因子。噬菌体侵染细菌实验。噬菌体侵染细菌实验。1952 年，年，Hershey 和和Chase 噬菌体感染实验。噬菌体感染实验。2.RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。在蛋白质生物合成中起重要作用。第8页/共95页肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验第9页/共95页III S型细胞型细胞（有毒）（有毒）II R型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAase降降解后的解后的DNAII R型细胞接受型细胞接受III S型型DNA只有只有II R型型大多数仍大多数仍为为II R型型少数少数II R型细胞被转化型细胞被转化产生产生III S型荚膜型荚膜S（光滑）（光滑）SR RR（粗糙）（粗糙）+DNA第10页/共95页噬噬菌菌体体侵侵染染细细菌菌实实验验第11页/共95页 一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 核酸的元素组成核酸的元素组成:C、H、O、N、P 其中其中P在各种核酸中的含量比较恒定：在各种核酸中的含量比较恒定：RNA平均含磷量平均含磷量8.9%DNA平均含磷量平均含磷量9.1%第12页/共95页 核酸的逐级水解过程：核酸的逐级水解过程：核酸酶；核酸酶；核苷酸酶；核苷酸酶；核苷酶核苷酶 磷酸磷酸 核酸核酸 核苷酸核苷酸 戊糖戊糖 核苷核苷 碱基碱基第13页/共95页 （一）戊糖（一）戊糖（pentose）RNA中的戊糖为中的戊糖为-D-核糖（核糖（-D-ribose）DNA中的戊糖为中的戊糖为-D-2-脱氧核糖脱氧核糖(-D-2-deoxyribose)RiboseDeoxyribose213 4 5 2第14页/共95页 （二）含氮碱基（氮碱）（二）含氮碱基（氮碱）核酸中的碱基分为两类，即嘌呤碱和嘧啶碱。核酸中的碱基分为两类，即嘌呤碱和嘧啶碱。两类核酸中所含的主要碱基都是两类核酸中所含的主要碱基都是4种：种：1.嘌呤碱（嘌呤碱（purine）为嘌呤的衍生物，两种：为嘌呤的衍生物，两种：腺嘌呤（腺嘌呤（adenine Ade or A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（guanine Gua or G）第15页/共95页嘌呤环嘌呤环腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤N9是成苷位置是成苷位置第16页/共95页 2.嘧啶碱（嘧啶碱（pyrimidine）胞嘧啶胞嘧啶 （cytosine Cyt or C）尿嘧啶尿嘧啶 （uracil Ura or U）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（thymine Thy or T）RNA中的碱基为胞嘧啶和尿嘧啶；中的碱基为胞嘧啶和尿嘧啶；DNA中的碱基为胞嘧啶和胸腺中的碱基为胞嘧啶和胸腺嘧啶嘧啶。第17页/共95页N1是成苷位置是成苷位置123456pyrimidine ring system 嘧啶环嘧啶环 胞嘧啶胞嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 尿嘧啶尿嘧啶第18页/共95页 3.稀有碱基（修饰碱基、微量碱基）稀有碱基（修饰碱基、微量碱基）含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。tRNA中大约有中大约有10%。第19页/共95页 4.碱基的结构特征碱基的结构特征 （1）结构互变）结构互变酮式酮式 烯醇式烯醇式氨基氨基 亚氨基亚氨基第20页/共95页 （2）嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键）嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）左右）第21页/共95页 （三）核苷（三）核苷（nucleoside）核苷是戊糖和碱基通过糖苷键形成的糖苷。核苷是戊糖和碱基通过糖苷键形成的糖苷。由戊糖（核糖或脱氧核糖）的第由戊糖（核糖或脱氧核糖）的第1位位C碳原子碳原子与嘌呤碱的第与嘌呤碱的第9位位N原子或嘧啶碱的第原子或嘧啶碱的第1位位N原子原子通过通过N-糖苷键相连。核苷为糖苷键相连。核苷为-型，碱基平面与型，碱基平面与戊糖平面互相垂直。戊糖平面互相垂直。第22页/共95页 核苷有两类，分别存在于核苷有两类，分别存在于RNA和和DNA中：中：核糖核苷（核糖核苷（ribonucleoside）脱氧核糖核苷（脱氧核糖核苷（deoxyribonucleoside）Adenosine Guanosine Cytidine Uridine第23页/共95页There are two types nucleoside ProteinsnucleosideDeoxynucleoside第24页/共95页核酸中的稀有核苷：核酸中的稀有核苷：次黄苷（次黄苷（inosine,I）假尿苷假尿苷(pseudouridine,)7-甲基鸟苷甲基鸟苷（7-methylguanosine,m7G）二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷（dihydrouridine,DHU）第25页/共95页 （四）核苷酸（四）核苷酸（nucleotide）核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸是核苷的磷酸酯。在核苷酸的核糖上，有在核苷酸的核糖上，有3个游离的羟基，个游离的羟基，它们磷酸化可形成它们磷酸化可形成2-、3-和和5-核苷酸。核苷酸。在脱氧核苷酸核糖上，有在脱氧核苷酸核糖上，有2个游离羟基，个游离羟基，磷酸化形成磷酸化形成3-和和5-脱氧核苷酸。脱氧核苷酸。生物体游离核苷酸多为生物体游离核苷酸多为5-核苷酸。核苷酸。水解核酸得到水解核酸得到5-核苷酸和核苷酸和3-核苷酸。核苷酸。第26页/共95页OHH腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine monophosphate第27页/共95页 RNA中的核苷酸有中的核苷酸有4种：种：腺嘌呤核糖核苷一磷酸（腺苷一磷酸、腺苷酸）腺嘌呤核糖核苷一磷酸（腺苷一磷酸、腺苷酸）（adenosine monophosphate AMP）鸟嘌呤核糖核苷一磷酸（鸟苷一磷酸、鸟苷酸）鸟嘌呤核糖核苷一磷酸（鸟苷一磷酸、鸟苷酸）（guanosine monophosphate GMP）胞嘧啶核糖核苷一磷酸（胞苷一磷酸、胞苷酸）胞嘧啶核糖核苷一磷酸（胞苷一磷酸、胞苷酸）（cytidine monophosphate CMP）尿嘧啶核糖核苷一磷酸（尿苷一磷酸、尿苷酸）尿嘧啶核糖核苷一磷酸（尿苷一磷酸、尿苷酸）（uridine monophosphate UMP）第28页/共95页AMPGMPUMPCMP第29页/共95页 DNA中的脱氧核苷酸有中的脱氧核苷酸有4种：种：腺嘌呤脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧腺苷酸）腺嘌呤脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧腺苷酸）（deoxyadenosine monophosphate dAMP）鸟嘌呤脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧鸟苷酸）鸟嘌呤脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧鸟苷酸）（deoxyguanosine monophosphate dGMP）胞嘧啶脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧胞苷酸）胞嘧啶脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧胞苷酸）（deoxycytidine monophosphate dCMP）胸腺嘧啶脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧胸苷酸）胸腺嘧啶脱氧核糖核苷一磷酸（脱氧胸苷酸）（deoxythymidine monophosphate dTMP）第30页/共95页dAMPdGMPdTMPdCMP第31页/共95页第32页/共95页 （五）重要的其他核苷酸衍生物（五）重要的其他核苷酸衍生物 1.多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 各种核苷一磷酸（各种核苷一磷酸（NMP）继续磷酸化可生成）继续磷酸化可生成为核苷二磷酸（为核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（）和核苷三磷酸（NTP）例如：例如：AMP（adenosine monophosphate）ADP（adenosine diphosphate）ATP（adenosine triphosphate）第33页/共95页第34页/共95页AMPADPATP第35页/共95页2.环化核苷酸环化核苷酸 环腺苷酸环腺苷酸（cyclic AMP cAMP）环鸟苷酸环鸟苷酸（cyclic GMP cGMP）它们作为细胞之间传递信息的信使。它们作为细胞之间传递信息的信使。NcAMPcGMP第36页/共95页二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构 指核苷酸残基沿多核苷酸链的排列次序。指核苷酸残基沿多核苷酸链的排列次序。实验证明，实验证明，DNA和和RNA是没有分支的多核苷是没有分支的多核苷酸链。酸链。1.连接方式：连接方式：3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键 2.确定：确定：3-末端和末端和5-末端末端 3.核酸的一级结构：各种不同的核苷酸在多核酸的一级结构：各种不同的核苷酸在多核苷酸链上的排列顺序。核苷酸链上的排列顺序。第37页/共95页5-末端磷酸末端磷酸3-末端羟基末端羟基3，5-磷磷酸二酯键酸二酯键第38页/共95页第39页/共95页 4.核酸一级结构的表达方式：核酸一级结构的表达方式：（1）化学结构式：繁琐、复杂。）化学结构式：繁琐、复杂。（2）简写式）简写式 pApCpGpUpC p表示为磷酸基团，表示为磷酸基团，p在碱基的左侧表示与在碱基的左侧表示与戊糖的戊糖的5-OH结合，右侧表示与戊糖的结合，右侧表示与戊糖的3-OH结结合。合。读向：左读向：左 右右 碱基序列：碱基序列：5 3 第40页/共95页T C A T G A5P P P P P P OH 35pTpCpApTpGpA-OH 35TCATGA 3（3）竖线式）竖线式第41页/共95页 三、三、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构 第42页/共95页 （一）双螺旋结构的主要依据（一）双螺旋结构的主要依据 1.DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则 组成的四种碱基：组成的四种碱基：A、G、C、T 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，A=T 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，C=G 嘌呤碱基总数嘌呤碱基总数=嘧啶碱基总数嘧啶碱基总数 即：即：A+G=C+T DNA的碱基组成有物种的特异性，不同物的碱基组成有物种的特异性，不同物种的种的DNA有其独特的碱基组成。有其独特的碱基组成。同一物种不同组织、器官有相同同一物种不同组织、器官有相同DNA碱基碱基组成，不受生长发育、营养状况及环境影响。组成，不受生长发育、营养状况及环境影响。第43页/共95页DNA来源来源腺嘌呤腺嘌呤（A）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）胞嘧啶胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C）大肠杆菌大肠杆菌25.424.824.125.71.01小麦小麦27.327.122.822.71.21鼠鼠28.628.421.421.51.33猪：肝猪：肝29.429.720.520.51.43胸腺胸腺30.028.920.420.7脾脾29.629.220.420.8酵母酵母31.332.918.717.51.079不同生物来源的不同生物来源的DNA四种碱基比例关系四种碱基比例关系第44页/共95页 2.X-光衍射数据光衍射数据 1938年，年，Astbury等用小牛胸腺等用小牛胸腺DNA纤纤维做维做X-射线衍射分析，发现有射线衍射分析，发现有0.34nm的周的周期变化。期变化。以后以后Franklin和和Wilkins对对DNA的的X-衍衍射进行了更多的研究，获得清晰的衍射图谱。射进行了更多的研究，获得清晰的衍射图谱。说明说明DNA是由是由2条或条或2条以上的多核苷酸链条以上的多核苷酸链组成，沿长轴有组成，沿长轴有0.34nm和和3.4nm两个重要的两个重要的周期性变化。周期性变化。第45页/共95页DNA的的Na盐纤维和盐纤维和DNA晶体的晶体的X光衍射图谱光衍射图谱Franklin第46页/共95页 （3）DNA的滴定曲线的滴定曲线 DNA分子中的磷酸基可被滴定，碱基的分子中的磷酸基可被滴定，碱基的可解离基团不能被滴定。可解离基团不能被滴定。1953年，年，J.Watson和和F.Crick 在前人研在前人研究工作基础上，根据究工作基础上，根据DNA结晶结晶X-衍射图谱，衍射图谱，提出了著名的提出了著名的DNA双螺旋结构模型（双螺旋结构模型（The double helical model of DNA structure），），并对模型的生物学意义作出了科学的解释和并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测，这是预测，这是20世纪生物科学最伟大的成就。世纪生物科学最伟大的成就。因此而获得了诺贝尔奖。因此而获得了诺贝尔奖。第47页/共95页第48页/共95页 （二）（二）双螺旋结构模型（双螺旋结构模型（B-DNA）要点）要点 1.DNA分子由两条反向平行的多核苷分子由两条反向平行的多核苷 酸链酸链（一条链（一条链5 3,另一条链另一条链3 5）沿同一中心）沿同一中心轴右手盘绕而成。轴右手盘绕而成。磷磷酸酸与与脱脱氧氧核核糖糖通通过过 3,5-磷磷酸酸二二酯酯键键相相连连接，构成接，构成DNA分子的主链骨架。分子的主链骨架。两两条条主主链链是是由由磷磷酸酸-脱脱氧氧核核糖糖交交替替而而成成，位位于于双螺旋外侧，侧链（碱基）位于双螺旋内侧。双螺旋外侧，侧链（碱基）位于双螺旋内侧。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行.2.两条链之间存在碱基互补的关系。即：两条链之间存在碱基互补的关系。即：A和和T配对，中间形成两个氢键；配对，中间形成两个氢键；C和和G配对，中间形成三个氢键。配对，中间形成三个氢键。第49页/共95页5533第50页/共95页第51页/共95页第52页/共95页 3.螺旋直径螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔螺旋结构每隔10个碱基对（个碱基对（base pair,bp）重复一次，间隔为）重复一次，间隔为3.4nm。4.双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟，双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟，其宽度分别为其宽度分别为2.2nm和和1.2nm，其碱基对暴露，其碱基对暴露在外，与其他调节分子相互作用。在外，与其他调节分子相互作用。第53页/共95页第54页/共95页第55页/共95页 5.双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素 （1）互补碱基之间氢键）互补碱基之间氢键 主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。稳定的贡献不是最重要的。（2）碱基堆积力）碱基堆积力 包括疏水作用和范德华力。为螺旋稳定的包括疏水作用和范德华力。为螺旋稳定的主要作用力。主要作用力。（3）溶液中的阳离子或带正电荷的化合）溶液中的阳离子或带正电荷的化合物对物对DNA表面磷酸基团的中和，消除了静电表面磷酸基团的中和，消除了静电斥力。斥力。第56页/共95页 （三）（三）DNA二级结构的构象类型二级结构的构象类型 DNA在不同盐溶液及不同相对湿度下可以各在不同盐溶液及不同相对湿度下可以各种不同状态存在：种不同状态存在：（1）B-DNA 相对湿度相对湿度92%的钠盐，典型的的钠盐，典型的Watson-Crick双螺旋双螺旋DNA，右手双螺旋，每圈，右手双螺旋，每圈螺旋螺旋10.4个个bp，螺距：，螺距：3.32nm。（2）A-DNA 相对湿度相对湿度75%钠盐，右手双螺钠盐，右手双螺旋，外形粗短。旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分杂交分子具有这种结构。子具有这种结构。（3）Z-DNA 1979年年Rich等发现。等发现。GC交替的交替的寡聚体，左手螺旋，外形细长。天然寡聚体，左手螺旋，外形细长。天然B-DNA的的局部区域可以形成局部区域可以形成Z-DNA。第57页/共95页A-DNA B-DNA Z-DNA第58页/共95页第59页/共95页 （四）（四）DNA双螺旋结构模型的意义双螺旋结构模型的意义 该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，这这是是是是DNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和和表表达达的的分分子子基基础础。该该模模型型的的提提出出是是本本世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生生命命科科学学飞飞速发展的基石。速发展的基石。第60页/共95页四、四、DNA的高级结构的高级结构 DNA在双螺旋结构基础上通过扭曲和折叠所在双螺旋结构基础上通过扭曲和折叠所形成构象。超螺旋是三级结构主要形式。形成构象。超螺旋是三级结构主要形式。第61页/共95页 （一）（一）双链环状双链环状DNA分子（分子（dcDNA）存在于某些细菌的存在于某些细菌的染色体、质粒、病毒、染色体、质粒、病毒、真核生物的线粒体和真核生物的线粒体和叶绿体中。叶绿体中。在共价闭环双螺旋在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘基础上进一步扭转盘曲曲,形成超螺旋形成超螺旋(supercoil)体积进一体积进一步压缩。步压缩。第62页/共95页 拓扑连环数（拓扑连环数（linking number）L：一条：一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。扭转数（扭转数（twisting number）T：B-DNA模型双螺旋数。模型双螺旋数。超螺旋数（超螺旋数（writhing number）W L=T+W W=0 松弛环松弛环 W 0 正超螺旋正超螺旋（左手扭曲（左手扭曲 ）第63页/共95页第64页/共95页 （二）双链线性（二）双链线性DNA（dsDNA）分子）分子 存在于真核生物的染色质和一些病毒中。存在于真核生物的染色质和一些病毒中。第65页/共95页五、五、DNA和基因组和基因组 本部分为自学内容。本部分为自学内容。第66页/共95页六、六、RNA的结构和功能的结构和功能 组成组成RNA的戊糖是核糖，主要碱基：的戊糖是核糖，主要碱基：A、U、G、C，U替代替代DNA中的中的T，还常有一些稀，还常有一些稀有碱基。有碱基。RNA的结构单位主要是四种核苷酸：的结构单位主要是四种核苷酸：AMP、GMP、CMP、UMP。核苷酸连接方式：核苷酸连接方式：3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。天然天然RNA分子都是单链线形分子（有些病分子都是单链线形分子（有些病毒是双链）毒是双链），可自身回折，形成局部双螺旋，可自身回折，形成局部双螺旋（A-型，型，AU、GC），），RNA中约中约40%-70%的核苷酸参与螺旋的形成。的核苷酸参与螺旋的形成。稳定性较差，易水解。稳定性较差，易水解。第67页/共95页第68页/共95页 （一）（一）tRNA（transfer RNA）1.tRNA概况：概况：（1）含量：占细胞内）含量：占细胞内RNA总量的总量的15%。（2）种类：）种类：50-60种，种，真核可达真核可达100多种（同多种（同工工tRNA：运载同一氨基酸的几种：运载同一氨基酸的几种tRNA）。）。（3）分子量：）分子量：23-28kD，4S。（4）功能：专一携带氨基酸，是氨基酸运载）功能：专一携带氨基酸，是氨基酸运载工具。有些工具。有些tRNA可作为反转录酶的引物，参与可作为反转录酶的引物，参与DNA的合成。的合成。第69页/共95页 2.tRNA一级结构一级结构 （1）组成：）组成：70-90个核苷酸（标准：个核苷酸（标准：76nt）。）。（2）不变和半不变的核苷酸：约有）不变和半不变的核苷酸：约有20多种。多种。半不变的核苷酸主要是嘌呤或嘧啶间的互换的半不变的核苷酸主要是嘌呤或嘧啶间的互换的核苷酸。核苷酸。（3）TCG序列：序列：54-57位，与位，与 5S rRNA结合结合并与并与 tRNA 空间结构有关。空间结构有关。（4）修饰碱基（修饰核苷酸）：转录后加工）修饰碱基（修饰核苷酸）：转录后加工而形成，而形成，2-19个，个，70多种，占多种，占10%。第70页/共95页 3.tRNA的二级结构的二级结构 tRNA的二级结构都呈的二级结构都呈“三叶草三叶草”形状，一形状，一般可将其分为四臂四环般可将其分为四臂四环：四环四环二氢尿嘧啶环：二氢尿嘧啶环：8-12nt反密码环：反密码环：7ntTC环环:7nt额外环额外环4-5nt 可变可变四臂四臂氨基酸臂：氨基酸臂：7bp 3-CCA二氢尿嘧啶臂：二氢尿嘧啶臂：D臂臂 3bp反密码臂：反密码臂：5bpTC臂：臂：5bp第71页/共95页酵母酵母tRNA Ala 的二级结构的二级结构DHU环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环CCAAla35TC环环第72页/共95页第73页/共95页 4.tRNA的三级结构的三级结构 倒倒“L”形，是所形，是所有有tRNA折叠后形折叠后形成大小相似及三成大小相似及三维构象相似三级维构象相似三级结构，这有利于结构，这有利于携带的氨基酸的携带的氨基酸的tRNA进入核糖体进入核糖体的特定部位。的特定部位。第74页/共95页（二）（二）mRNA（messenger RNA）概念：概念：1961年年Jacob和和Monod提出用信使提出用信使RNA命名。是带有从命名。是带有从DNA上的到信息并指导上的到信息并指导蛋白质合成的一类蛋白质合成的一类RNA分子，称信使分子，称信使RNA。含量：含量：3-5%平均分子量平均分子量50万，万，8S。功能：蛋白质合成模板（遗传密码）。功能：蛋白质合成模板（遗传密码）。hnRNA：真核生物：真核生物RNA前体，需剪接、加前体，需剪接、加工后为成熟的工后为成熟的mRNA。第75页/共95页 （三）（三）rRNA（ribosomal RNA）占占RNA总量的总量的80，与蛋白质结合组成核糖，与蛋白质结合组成核糖体，是生物体内蛋白质合成的场所。体，是生物体内蛋白质合成的场所。种类：种类：细菌有细菌有16S、5S、23S三种，组成三种，组成30S的转录的转录单位。单位。真真核核生生物物有有18S、5.8S、28S和和5S四四种种，前前3种组成种组成45S的转录单位，的转录单位，5S rRNA单独转录。单独转录。rRNA的二级结构：茎环结构的二级结构：茎环结构第76页/共95页大肠杆菌大肠杆菌 5S rRNA 结构结构第77页/共95页七、核酸的理化性质七、核酸的理化性质 核酸的结构特点：分子大，有一些可解离的核酸的结构特点：分子大，有一些可解离的基团，具有共轭双键等。基团，具有共轭双键等。（一）一般理化性质（一）一般理化性质 1.两性电解质。含有磷酸基和碱基，但表现两性电解质。含有磷酸基和碱基，但表现为酸性。为酸性。2.RNA纯品是白色的粉末，纯品是白色的粉末，DNA为疏松的为疏松的石棉一样的纤维状固体。石棉一样的纤维状固体。3.线性大分子，极不对称，具有粘度高，抗线性大分子，极不对称，具有粘度高，抗剪切力差等特点。剪切力差等特点。第78页/共95页 3.溶解性：溶解性：RNA和和DNA都是极性的化合物，都是极性的化合物，一般都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等一般都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂，但其钠盐易溶于水。有机溶剂，但其钠盐易溶于水。4.RNA的磷酸二酯键对碱敏感，室温下，被的磷酸二酯键对碱敏感，室温下，被稀碱水解为稀碱水解为2-或或3-核苷酸。核苷酸。DNA在碱中虽变在碱中虽变性，但不被水解，所以性，但不被水解，所以DNA更稳定。更稳定。5.鉴别鉴别DNA和和RNA的反应：的反应：RNA：D-核糖核糖+浓盐酸浓盐酸+苔黑酚苔黑酚 绿色绿色DNA：D-2-脱氧核糖脱氧核糖+酸酸+二苯胺二苯胺 蓝紫色蓝紫色第79页/共95页 （二）核酸的紫外吸收（二）核酸的紫外吸收 1.核酸中的碱基有共轭双键体系，有独特的核酸中的碱基有共轭双键体系，有独特的紫外线吸收光谱，其吸收峰紫外线吸收光谱，其吸收峰240-290nm，最大，最大吸收峰吸收峰260nm。2.天然核酸比其各核天然核酸比其各核苷酸成分的光吸收值之苷酸成分的光吸收值之和少和少30-40%（如图）。（如图）。1.天然天然DNA2.变性变性DNA3.核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值第80页/共95页 （三）核酸的变性、复性与分子杂交（三）核酸的变性、复性与分子杂交 1.核酸的变性核酸的变性 （1）变性（）变性（denaturation）的概念）的概念 某些理化因素使核酸分子互补双链之间的氢某些理化因素使核酸分子互补双链之间的氢键断裂，使双螺旋变成松散单链的过程。键断裂，使双螺旋变成松散单链的过程。第81页/共95页 （2）变性因素）变性因素 热变性：热变性：80几分钟，螺旋几分钟，螺旋线团线团 酸碱变性（酸碱变性（pH小于小于4或大于或大于11）变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛）变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛）（3）变性表征）变性表征 黏度下降、比旋光度下降、沉降系数增加、黏度下降、比旋光度下降、沉降系数增加、浮力密度增大、酸碱滴定曲线改变、生物活性浮力密度增大、酸碱滴定曲线改变、生物活性丧失。丧失。增色效应（增色效应（hyperchromic effect）：）：变性后的核酸紫外吸收值增加的现象。变性后的核酸紫外吸收值增加的现象。第82页/共95页 （4）热变性和）热变性和Tm DNA的热变性是爆发式的，变性作用发的热变性是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。生在一个很窄的温度范围内。Tm：即解链温度或熔解温度（：即解链温度或熔解温度（melting temperature），指核酸加热变性过程中，），指核酸加热变性过程中，A260紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度。紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度。在在Tm时，时，DNA内内50%的双链结构被解开。的双链结构被解开。DNA的的Tm一般在一般在82-95之间。之间。第83页/共95页DNA的热变性曲线的热变性曲线第84页/共95页 影响影响Tm值大小因素值大小因素l 核酸均一性：均一性高，变性温度范围越窄。核酸均一性：均一性高，变性温度范围越窄。l G-C含量与含量与Tm值成正比。经验公式：值成正比。经验公式：Tm=69.3+0.41(G+C)%第85页/共95页l 介质离子强度：离子强度低，介质离子强度：离子强度低，Tm低；离子强低；离子强度高，度高，Tm高。高。l pH：影响碱基的解离。高：影响碱基的解离。高pH下，碱基失去质下，碱基失去质子，影响碱基对之间氢键的形成，子，影响碱基对之间氢键的形成，Tm下降。下降。l 变性剂：尿素、甲醛等破坏氢键，变性剂：尿素、甲醛等破坏氢键，Tm下降。下降。第86页/共95页 2.核酸的复性核酸的复性 （1）复性（）复性（renaturation）的概念）的概念 又称退火（又称退火（annealing），指变性），指变性DNA在一定在一定条件下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互条件下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互补链重新恢复天然的双螺旋构象。补链重新恢复天然的双螺旋构象。The denaturation and renaturation of double-stranded DNA第87页/共95页 （2）减色效应（）减色效应（hypochromic effect）复性使紫外吸收降低的现象。复性使紫外吸收降低的现象。（3）复性条件）复性条件 温度温度 缓慢冷却可复性。快速冷却称淬火缓慢冷却可复性。快速冷却称淬火（quenching），不能复性。），不能复性。DNA浓度：浓度较高，复性较快浓度：浓度较高，复性较快。DNA片段大小：片段越大，复性越慢。片段大小：片段越大，复性越慢。（4）复性速度：复性速度可用）复性速度：复性速度可用 Co t 衡量，衡量，Co 为变性为变性DNA原始浓度原始浓度molL-1，t 为时间，以秒表示。为时间，以秒表示。第88页/共95页不同不同DNA的复性动力学曲线的复性动力学曲线。第89页/共95页 3.分子杂交分子杂交 （1）分子杂交的概念）分子杂交的概念 不同来源不同来源DNA单链间或单链单链间或单链DNA与与RNA之之间只要有碱基配对区域，复性时可形成局部间只要有碱基配对区域，复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）（2）分子探针（分子探针（probe）带有某种标记物的已知序列的带有某种标记物的已知序列的RNA或或DNA片段。片段。制备特定的探针通过杂交技术可进行基因制备特定的探针通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。的检测和定位研究。第90页/共95页第91页/共95页 （3）分子杂交实例）分子杂交实例 Southern Blotting 可用于可用于DNA之间同源之间同源性分析，确定特异性性分析，确定特异性DNA序列的大小和定位。序列的大小和定位。基本步骤是：基本步骤是：DNA样品样品 酶切酶切 电泳电泳 碱变性碱变性 转膜转膜 固定固定 杂交杂交 洗涤洗涤 放射自显影放射自显影第92页/共95页第93页/共95页 Northern Blotting 研究对象是研究对象是mRNA，探针一般是，探针一般是DNA。Western Blotting 抗原与抗体的杂交，研究克隆基因表达产物，抗原与抗体的杂交，研究克隆基因表达产物，鉴定克隆株的常用技术。鉴定克隆株的常用技术。第94页/共95页八、核酸的序列测定八、核酸的序列测定 双脱氧终止法双脱氧终止法 英英国国Sanger于于1955年年确确定定牛牛胰胰岛岛素素一一级级结结构构，1958年年获获诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖。1975年年设设计计出出DNA测测序法，序法，1980年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。第95页/共95页