生物化学6核酸2
生物化学 第2章Ⅱ 核酸(共86张PPT)
内呈正比
5、电泳缓冲液
DNA的凝胶电泳检测
(ethidiumbromide， 简称EB)是一种核酸染料，可以插入到DNA
或RNA分子的碱基之间，并在300nm波长的
紫外光照射下放射出橘红色的荧光，可用来显现 凝胶中的核酸分子。
在凝胶电泳中，溴化乙锭染料可对核酸分子 染色，在紫外光下便可以十分敏感而方便地检测 出凝胶介质中DNA谱带。
五、变性、复性与杂交
（一）、DNA的变性
1、概念 2、变性因素
3、变性的指标
1、概念
是指核酸双螺旋区的氢键断裂，双螺旋 解开，变成无规则线团的现象。核酸变 性其分子中的共价键并没有破坏，分子 量也不改变，核酸的变性（
denaturation ）
2、DNA的变性的因素
温度升高；
酸碱度改变、 pH（>11.3或<5.0）；
1、核酸分子本身的大小：同分子的摩擦
系数成反比的 Maxam和Gilbert 于1977年发明
Primer1（10uM）
2、琼脂糖的浓度：迁移率与胶浓度成反比 而聚丙烯酰胺凝胶制胶时不能将染料加入，会影响聚合。
第五节 核酸的研究方法 据此特性可以定性和定量检测核酸。
在液氮蒸发去2/3时，用自制研杵迅速磨碎叶片；
RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变 性行为所引起的性质变化没有DNA那样 明显。 天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸
收(260 nm)值增加25－40%.而RNA变性 后，约增加1.1%。
4. DNA变性后的表现
A260值增加
粘度下降
浮力密度增大
分子量不变
（二）、DNA的复性
1、概念：
变性DNA在适当的条件下，两条彼此分 开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构 ，这一过程称为复性；
第六章 生物化学核酸讲解
生物化学核酸讲解核酸是遗传物质1868年瑞士Miesher.从脓细胞的细胞核中分离出可溶于碱而不溶于稀酸的酸性物质。
间接证据：同一种生物的不同种类的不同生长期的细胞，DNA含量基本恒定。
直接证据：T2噬菌体DNA感染E.coli用35S标记噬菌体蛋白质，感染E.coli，又用32P标记噬菌体核酸，感染E.coliDNA、RNA的分布（DNA在核内，RNA在核外）。
第一节核酸的化学组成核酸是一种线形多聚核苷酸，基本组成单位是核苷酸。
结构层次：核酸核苷酸组成核酸的戊糖有两种：：D-核糖和D-2-脱氧核糖，据此，可以将核酸分为两种：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）P330 表5-1 两类核酸的基本化学组成一、碱基1. 嘌呤碱：腺嘌呤鸟嘌呤2. 嘧啶碱：胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶P331 结构式3. 修饰碱基植物中有大量5-甲基胞嘧啶。
E.coli噬菌体中，5-羟甲基胞嘧啶代替C。
稀有碱基：100余种，多数是甲基化的产物。
DNA由A、G、C、T碱基构成。
RNA由A、G、C、U碱基构成。
二、核苷核苷由戊糖和碱基缩合而成，糖环上C1与嘧啶碱的N1或与嘌呤碱的N9连接。
核酸中的核苷均为β-型核苷P332 结构式腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷DNA 的戊糖是：脱氧核糖RNA 的戊糖是：核糖三、核苷酸核苷中戊糖C3、C5羟基被磷酸酯化，生成核苷酸。
1、构成DNA、RNA的核苷酸P333表5-32、细胞内游离核苷酸及其衍生物①核苷5’-多磷酸化合物A TP、GTP、CTP、ppppA、ppppG在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。
②环核苷酸cAMP（3’，5’-cAMP）cGMP（3’，5’-cGMP）它们作为质膜的激素的第二信使起作用，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。
③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物ppGpp pppGpp ppApp④核苷酸衍生物HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。
GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。
生物化学 第二章 核酸化学
1 核苷酸的组成
核酸化学
• 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的 核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷酸和5′-磷酸-核糖 核苷酸。核苷酸 核苷+磷酸
戊糖+碱基+磷酸
O
HO P OH2C O B OH
O
HO P OH2C O B OH
OH OH
OH
核糖核苷酸
脱氧核糖核苷酸
B=腺 嘌 呤 ， 鸟 嘌 呤 ， 胞 嘧 啶 ， 尿 嘧 啶 或 胸 腺 密 啶
核酸化学
格里菲斯——肺炎双球菌转化实验
多 糖 类 荚 膜
R型菌
（粗糙、 无毒性）
S型菌
（光滑、 有毒性）
核酸化学
将R型活菌注入小鼠体内
一段时间后
核酸化学
将S型活菌注入小鼠体内
一段时间后
核酸化学
将杀死的S型菌注入小鼠体内
一段时间后
核酸化学
将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内
一段时间后
细菌发生转化，性状的转化可以遗传。
O
（N = A、G、C、U、T）
O-
P
O
5´
CH2
O
N 碱基
O-
磷酸
4´ H
H 1´
O H 3´
2´ H
OH (O)H
核糖
(一)、戊糖
核酸化学
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 βD-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 O OH HH
H
H
OH OH
D-核糖
Ribose
HOCH2 O OH HH
（四）核苷酸nucleotide
核酸化学
第5章核酸的化学 第二节 核酸的化学组成
食品生物化学
二、核酸的水解产物
3.次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）
在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成 次黄嘌呤核苷酸。
次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤 核苷酸的关键物质，对生物的遗传有重要的功能。另外，它还 是一种很好的助鲜剂，有肉鲜味，与味精以不同比例混合制成 具有特殊风味的强力味精（见第九章第二节鲜味）。
2.腺苷衍生物——环腺苷酸（cAMP）
cAMP是由ATP经腺苷酸环化酶催化而成的。
食品生物化学
图5-7 环腺苷酸（cAMP）
食品生物化学
cAMP广泛存在于一切细胞中，浓度很低。它们的主要作 用不是作为能量的供体，而是在生物体内参与细胞内多种调节 功能，如它可调节细胞内催化糖和脂肪反应的一系列酶的活性， 也可以调节蛋白激酶的活性。一般把激素称为第一信使，而称 cAMP为“第二信使”。
核酸是一种聚合物，它的结构单位是核苷酸 。
核酸
核苷酸
磷酸
核苷
碱基
戊糖
(嘌呤碱和嘧Ch啶em碱Pa)st(e核r 糖或脱氧核糖)
图5-1 核酸的水解产物
食品生物化学
三、核酸水解产物的化学结构
1．戊糖
DNA和RNA的主要区别是所含戊糖不同，DNA分子中的戊 糖是β-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是β-D-核糖 。
碱基 Ade Gua Cyt Ura
《食品生物化学》 6模块六 核酸化学
三
多核苷酸链 5磷酸基末端
DNA分子结构
5′端
RNA分子结构
C
A 3, 5 -磷 酸二酯键
G
3′端
模块六 核酸化学
22
三
2.DNA的二级结构
DNA分子结构
（1）DNA的碱基组成规律——Chargaff 规则 不同物种的DNA碱基组成不同 同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同 [A]=[T]，[G]=[C]，[A]+[G]=[T]+[C]
N N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
核酸的组成
NH
N
NH2
鸟嘌呤(guanine, G)
模块六 核酸化学
9
一
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3N
612 NH
NH2 N
核酸的种类
O
核酸的分布
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
H3C
O NH
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
（1）元素组成 组成核酸的主要元素有C、H、O、N、P等，其中P的含量大约占 总量的9%～10% 。
磷在各种核酸中的含量比较接近和恒定，DNA的平均含磷量为 9.9%，RNA的平均含磷量为9.4%。因此，只要测出生物样品中核 酸的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量，这是定磷法的理论 基础。
模块六 核酸化学
模块六 核酸化学
5’
3’ 5’
3’
20
三
1.一级结构
定义 核酸中核苷酸的
排列顺序。 由于核苷酸间的
差异主要是碱基不 同，所以也称为碱 基序列。
生物化学第二章核酸化学
核酸分类及命名规则
核酸可分为DNA和RNA两大类，根据来源不同可分为基因组DNA、病毒DNA、mRNA、tRNA、 rRNA等。
核酸的命名通常包括种类、来源和特定序列信息，如人类基因组DNA可命名为hgDNA，mRNA可命 名为信使RNA等。
02
DNA结构与性质
DNA双螺旋结构模型
DNA由两条反向平行的多核苷酸链 组成，形成右手螺旋结构。
长约21nt的双链RNA，可引导RISC复合物识别并切割靶mRNA，实现基因沉默。
其他小分子RNA
如piRNA、snoRNA等，在基因表达调控、RNA修饰等方面发挥作用。
04
核酸理化性质与分离纯化方法
核酸溶解度和沉淀条件
溶解度
核酸在不同溶剂中的溶解度不同，一般易溶于水，难溶于乙醇、乙醚等有机溶 剂。其溶解度受温度、pH、离子强度等因素的影响。
非同源重组
发生在非同源序列之间的重组过程。这种重 组不依赖于序列之间的相似性，而是通过一 些特殊的蛋白质和酶的作用来实现DNA片 段的连接。非同源重组可能导致基因的重排 和染色体的不稳定，进而对生物体产生遗传 影响。
07
总结与展望
核酸化学领域重要成果回顾
核酸结构与功能研
究
揭示了DNA双螺旋结构和RNA多 种功能，阐明了遗传信息存储、 传递和表达机制。
05
核酸酶及其作用机制
限制性内切酶和外切酶作用方式
限制性内切酶
识别DNA分子中的特定核苷酸序 列，并在该序列内部进行切割， 产生特定的DNA片段。
外切酶
从DNA或RNA链的末端开始，逐 个水解核苷酸，释放单个的核苷 酸或寡核苷酸。
DNA连接酶在基因工程中应用
连接DNA片段
生物化学中的核酸二级结构分析
生物化学中的核酸二级结构分析核酸的二级结构是指核酸分子中核苷酸之间的空间排列方式。
核酸分子的二级结构对于其功能和特性具有重要影响，因此对核酸二级结构的分析具有极大的研究价值。
在生物化学中，核酸主要分为DNA和RNA两种类型。
DNA是遗传信息的存储介质，而RNA则在转录和翻译过程中起到传递和转化遗传信息的作用。
DNA和RNA的二级结构分析主要包括以W-C碱基配对为基础的双螺旋结构和非W-C碱基配对的非螺旋结构。
首先，W-C碱基配对是核酸二级结构的基本特征，通过互补配对形成双螺旋结构。
DNA双螺旋结构由两条互相平行的DNA链通过互补碱基配对而成，形成了DNA的螺旋结构。
在DNA分子中，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）通过两个氢键相互配对，而鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）通过三个氢键相互配对。
这种碱基配对规则使得DNA可以稳定地保存遗传信息，并且具有高度的选择性。
除了DNA双螺旋结构，RNA也可以形成双螺旋结构，但通常不稳定且片段较短。
RNA的二级结构形成主要是通过碱基间的互补配对和碱基间的非螺旋结构来实现的。
RNA分子中腺嘌呤（A）和尿嘧啶（U）通过两个氢键配对，而鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）通过三个氢键配对。
这种配对规则使得RNA也能稳定地保持双螺旋结构。
此外，非W-C碱基配对也可以导致核酸的非螺旋结构。
在非螺旋结构中，不同的碱基之间通过氢键或范德华力相互作用而形成特定的构象。
例如，DNA分子中的瓜儿啶（G）可以与胞嘧啶（C）形成非W-C碱基配对，形成三个氢键的G-C配对。
这种非W-C碱基配对结构在DNA分子中发挥了重要的生物学功能，如在转录调控中起到关键作用。
核酸二级结构的分析方法主要包括X射线晶体学和核磁共振（NMR），通过这些技术可以直接研究核酸双螺旋和非螺旋结构的形态和三维空间排列。
此外，计算机模拟和分子动力学模拟等理论方法也可以用来预测和分析核酸的二级结构。
总之，核酸的二级结构分析在生物化学中具有重要的研究价值。
生物化学 第二版 6核酸的性质
二、核酸的酸碱性
01 02
03 04
三、核酸的紫外吸收
嘌呤碱与嘧啶碱具有共轭双键
碱基
紫 外
核苷 ➢ 240nm～290 nm的紫外波段有强烈
线
核苷酸 的吸收峰；
核酸 ➢ 最大吸收值在260 nm附近。
三、核酸的紫外吸收
核酸的紫外吸收：
➢ 碱基紧密堆积在一起，核酸的Fra bibliotek6.核酸的性质
主讲人：
核酸的性质
1、核酸的一般性质 2、核酸的酸碱性 3、核酸的紫外吸收 4、核酸的变性、复性和分子杂交
复习：核酸的结构
DNA的结构
一级结构 二级结构
脱氧核苷酸的 排列顺序
双螺旋结构
三级结构
超螺旋结构
RNA的结构
核苷酸的排列顺序 一条单链通过自身回折 形成双螺旋和环状突起
一、核酸的一般性质
1.物种和个体间亲缘关系研究； 2.疾病诊断研究。
小结
1、了解核酸的一般性质； 2、熟悉核酸的酸碱性； 3、掌握核酸的紫外吸收； 4、掌握核酸的变性、复性 5、比较：核酸与蛋白质的性质
谢谢
➢ 核酸微溶于水，不溶于乙醇； ➢ DNA和RNA的钠盐比游离酸在水中的溶解度大； ➢ DNA和RNA在不同浓度的氯化钠溶液中溶解度不同：
0.14mol/L NaCl -
+
1~2mol/L NaCl +
-
乙醇沉淀
一、核酸的一般性质
4、沉降特性
➢ 核酸受到强大离心力的作用时可从溶液中沉降下来； ➢ 沉降速度与核酸的大小和密度有关； ➢ 可用超离心法纯化核酸或将不同构象的核酸进行分离，
紫
紫外吸收值比其各核苷酸成分
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large subunit
tRNA
EF-G
small subunit
mRNA location
三、核蛋白体RNA的结构与功能
* rRNA的结构
* rRNA的功能 参与组成核蛋白
体，作为蛋白质生物 合成的场所。
原
真
核
核
生
生
物
物
* rRNA的种类（根据沉降系数）
原核生物（50S+30S）
真核生物（60S+40S）
30S 1542个核苷酸 占总重量的40%
18S 33种
40S 1874个核苷酸 占总重量的50%
大亚基 rRNA
蛋白质
23S 5S
31种
50S 2940个核苷酸 120个核苷酸
占总重量的30%
28S 5.85S
5S
49种
60S
4718个核苷酸 160个核苷酸 120个核苷酸
占总重量的35%
The crystal structure of a 23S ribosme
DNA
压缩7倍
核小体
压缩6倍
螺线管
压缩40倍
超螺线管
压缩5倍
染色单体
共计压缩8400倍
第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
大多数天然RNA是一条单链，通过自身回折形成部分螺旋区，部分非螺旋区。
少数病毒RNA如水稻矮缩病毒、呼肠孤病毒、伤瘤病毒等RNA是双链螺旋，类 似于DNA的双螺旋结构。
5’非翻译区
3’非翻译区
编码区
原核细胞的mRNA
* 真核细胞mRNA成熟过程
内含子 (intron)
外显子 (exon)
hnRNA
mRNA
首尾修饰
* mRNA结构特点
1. 大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一 个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是 甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。
通常polyA长度从几十到几百个核苷酸不 等，是由polyA转移酶加上去的。
帽子结构和多聚A尾的功能
mRNA核内向胞质的转移
mRNA的稳定性维系
翻译起始的调控
帽结合蛋白（CBPs)
polyA结合蛋白(PAB)
eIF4A
* mRNA的功能 把 DNA 所 携 带 的 遗 传 信 息 ， 按 碱 基 互
蛋白质
核酸
氨基酸 20 种氨基酸 肽键
O
稀有碱基
N
NH
NH N
CH3 N
N,N二甲基鸟嘌呤CH3
HN CH2
CH
C CH3 CH3
N
N
NH N
N6-异戊烯腺嘌呤
O
H
H
NH
H H NH O
双氢尿嘧啶
S
NH
NH O 4-巯尿嘧啶
* tRNA的二级结构 ——三叶草形
➢ 氨基酸臂 ➢ DHU环 ➢ 反密码环 ➢ TΨC环 ➢额外环
氨基酸臂
额外环
5S rRNA
大亚基
5S rRNA 5.8S rRNA
23S rRNA
28S rRNA
16S rRNA
小亚基
18S rRNA
16S rRNA
5S rRNA
大肠杆菌16S，5S rRNA的二级结构
核糖体的组成
原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例）
小亚基 rRNA 蛋白质
16S 21种
四 、其他小分子RNA及RNA组学
snmRNAs
除了上述三种RNA外，细胞的不同部位 存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为 非 mRNA 小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。
snmRNAs的种类 核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉 RNA
RNA一级结构分子组成：A、U、C、G
H
U
二级结构基本元件
RNA的种类、分布、功能
细胞核和胞质 线粒体
功
能
核糖体 RNA
rRNA
mt rRNA 核糖体组分
信使RNA
mRNA
mt mRNA 蛋白质合成模板
转运RNA
tRNA
mt tRNA 转运氨基酸
核内不均一RNA HnRNA
成熟mRNA的前体
核内小RNA
SnRNA
参与hnRNA的剪接、转运来自核仁小RNASnoRNA
rRNA的加工、修饰
胞浆小RNA scRNA/7SL -RNA
蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分
一 、信使RNA的结构与功能
▪ mRNA：是携带从DNA编码链得到的遗传信 息，并以三联体密码子的方式指导蛋白质生 物合成的RNA，由5 ’ 非翻译区、编码区和 3’非翻译区组成。
核酸是以核苷酸为基本组成单位的 生物大分子
核 磷酸
苷
戊糖 — 核糖或脱氧核糖
酸 核苷 碱基 嘌呤: 腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)
嘧啶: 胞嘧啶(C),尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(T)
核酸分为DNA和RNA
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（Watson, Crick, 1953）
3.54 nm
碱基互补配对
帽子结构
帽子结构的类型
5´-cap：m7G(5´)pppNmp
cap0: m7G(5´)pppNp
5´-cap
cap1: m7G(5´)pppNmpNp cap2: m7G(5´)pppNmpNmpNp
* mRNA结构特点 2. 大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸
(polyA)结构，称为多聚A尾。
snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。
RNA组学
RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、 结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、 同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs 的表达具有时间和空间特异性。
核酸和蛋白质的比较
组成单位 组成单位的种类 连接方式 一级结构 空间结构 功能
1980年牛心线粒体tRNAser只有63个核苷酸，沉 降常数3S，缺少D环和D臂，呈二叶草型。
近年来发现2种线虫线粒体tRNA也不是标准 的三叶草结构。
TΨC环
额外环
DHU环
* tRNA的三级结构 —— 倒L形
* tRNA的功能 活化、搬运氨基
酸到核糖体，参与蛋 白质的翻译。
tRNA functions as a amino acid transfer in protein biosynthesis.
补配对原则，抄录并传送至核糖体，指导蛋 白质的合成。
原核细胞
真核细胞
细胞质
DNA
mRNA
蛋白
转录
翻译
细胞核
外显子
内含子
DNA
转录
hnRNA
转录后剪接 转运
mRNA 蛋白
翻译
二、转运RNA的结构与功能
* tRNA的一级结构特点 ➢ 分子量较小，一般由73～93个核苷酸组成 ➢ 各种tRNA的3′一端为CCA；5′一端大多数为 pG，少数为pC ➢ 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU， 等