第三章 核酸化学 后
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第三章 核酸——生物化学(ssy)
螺旋直径为2nm，相邻碱基
平面距离0.34nm，螺旋一圈
螺距3.4nm，一圈10对碱基。
碱基垂直螺旋轴居双螺旋内
側，与对侧碱基形成氢键配 对 （ 互 补 配 对 形 式 ： A=T; GC） 。
碱基互补配对 A T G C
氢键维持双链横向稳定性
碱基堆积力维持双链纵向
稳定性。 离子键屏蔽磷酸基团之间 的静电斥力
5′端
C
A
G
3′端
书写方法
A
G
T
G
C
T
线条式
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
字母式
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
2、 DNA二级结构-双螺旋结构
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T] [G] [C] 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理
第 三 章 核 酸 化 学
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俗
语
生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理 功能上常常相似的现象，就是遗传现象。
牛的后代仍然是牛 早在公元前3世纪，《吕氏春 秋》中就记载着“夫种麦而得麦， 种稷而得稷，人不怪也”
金丝猴的后代 仍然是金丝猴
思考： 到底是什么物质在亲子代的遗传 中起作用呢？
2004年12月26日，圣诞节欢乐的气氛尚未结束， 此时，位处南亚的印尼发生了史上第四大强震， 芮氏规模9.0，引发波及东南亚8个国家的海啸。
b. 多磷酸核苷酸：
指含两个以上磷酸基的核苷酸,如ADP 、ATP 、 GDP、 GTP 、 UDP和UTP等.
ATP在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。
第三章 核酸的生物有机化学 第五节 2013
DMT)或三苯甲基(trityl)常用来保护第一醇羟基(5'-OH)。
在温和条件下，仅有极少量的第二醇羟基或碱基上
的氨基与单甲氧基三苯甲基氯作用。
用80%的乙酸或吡啶-乙酸处理，即可以除去这类保护 基。
② 酰基：酸酐或酰氯在吡啶存在下，可以使核糖的第 一和第二醇羟基酰化。若碱基上同时存在有游离氨基， 也可以发生酰化。常用的酰基主要有：甲酰基、乙酰基、 苯甲酰基和氯乙酰基等。这些酰基在碱性条件下可以方 便地被除去。
开发的比较特殊的酰基保护基：三氟乙酰基(CF3CO-)、苯 氧乙酰基 (PhOCH2CO-)、甲氧基乙酰基(CH3OCH2CO-)，γ酮酰基和烯酮酰基等。即保护基能在不同条件下被除去， 具有比乙酰基更容易除去特性。
可以用肼解方法除去
某些碳酸酯基也可以用于核糖羟基的保护。如氯甲
酸异丁酯(isobutyl chloroformate)可用于保护胸腺嘧啶
1. 保护基
核苷酸的保护问题比氨基酸更为复杂。特别是 核糖中有两个化学性质几乎等价的基团(2'-OH和3'OH)的选择性保护，是一个非常困难的问题。
核糖核酸合成的保护基问题：必须区分化学 性质类似的2位羟基和3位羟基。
需要保护的基团包括：碱基中游离的氨基，糖
的羟基(2'-OH, 3'-OH, 5'-OH), 以及核苷酸的磷酰基 （磷酰基中的游离羟基 ) 。
2,4,6-三甲基苯磺酰氯(mesity1enesu1fony1 chloride,
MS)、 2,4,6-三异丙基苯磺酰氯(triisopropyl benzene su1fonyl chloride, TPS)
应用磷酸三酯途径合成T-(3'→5')-T的反应过程如下：
在温和条件下，仅有极少量的第二醇羟基或碱基上
的氨基与单甲氧基三苯甲基氯作用。
用80%的乙酸或吡啶-乙酸处理，即可以除去这类保护 基。
② 酰基：酸酐或酰氯在吡啶存在下，可以使核糖的第 一和第二醇羟基酰化。若碱基上同时存在有游离氨基， 也可以发生酰化。常用的酰基主要有：甲酰基、乙酰基、 苯甲酰基和氯乙酰基等。这些酰基在碱性条件下可以方 便地被除去。
开发的比较特殊的酰基保护基：三氟乙酰基(CF3CO-)、苯 氧乙酰基 (PhOCH2CO-)、甲氧基乙酰基(CH3OCH2CO-)，γ酮酰基和烯酮酰基等。即保护基能在不同条件下被除去， 具有比乙酰基更容易除去特性。
可以用肼解方法除去
某些碳酸酯基也可以用于核糖羟基的保护。如氯甲
酸异丁酯(isobutyl chloroformate)可用于保护胸腺嘧啶
1. 保护基
核苷酸的保护问题比氨基酸更为复杂。特别是 核糖中有两个化学性质几乎等价的基团(2'-OH和3'OH)的选择性保护，是一个非常困难的问题。
核糖核酸合成的保护基问题：必须区分化学 性质类似的2位羟基和3位羟基。
需要保护的基团包括：碱基中游离的氨基，糖
的羟基(2'-OH, 3'-OH, 5'-OH), 以及核苷酸的磷酰基 （磷酰基中的游离羟基 ) 。
2,4,6-三甲基苯磺酰氯(mesity1enesu1fony1 chloride,
MS)、 2,4,6-三异丙基苯磺酰氯(triisopropyl benzene su1fonyl chloride, TPS)
应用磷酸三酯途径合成T-(3'→5')-T的反应过程如下：
第三章 核酸化学
反向平行是指一条链是 5’
一条链必为3’ 5’端。
3’ 端，则另
（二）DNA的二级结构
• 双螺旋结构模型的要点
（2）磷酸与核糖彼此通过3’,5’-磷酸 二酯键相连接位于双螺旋外侧，形成 DNA分子的骨架。碱基位于内侧。碱 基平面与螺旋轴基本垂直，糖环平面 与螺旋轴基本平行。
（二）DNA的二级结构
3.多磷酸核苷酸
A
P ～ P ～ P
O
腺苷一磷酸 （AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP） ATP参与多种物质代谢，为各项生命活动提供能量。
NMP NDP
dNMP
RNA
AU U C G
dNDP dNTP
DNA
A T C G
NTP
AMP UDP CTP
dGMP dADP dTTP
（ TTP ）
功能： 与蛋白质结合形成核蛋白体，是蛋白质
生物合成场所。
结构： 核蛋白体有大、小两个亚基组成。
特点：
数量最多。
（三）mRNA的分子结构与功能
“帽子结构” 的作用：
防止mRNA被降解。 蛋白质生物合成时被起始因子识别的标志。
Poly A的作用：引导mRNA由胞核转移到胞质。
点滴积累
1. DNA的一级结构实质是指碱基的排列顺序。 2. DNA的二级结构是双螺旋型，其要点包括：由两条反向 平行的多核苷酸链围绕中心轴形成；磷酸和脱氧核糖位 于螺旋外侧，碱基位于螺旋内侧；碱基配对具有一定的 规律性，即A与T配对，G与C配对。 3. DNA双螺旋结构模型要点及稳定因素。 4. 3种RNA的空间结构决定了它们在蛋白质生物合成过程 中的不同作用。
E．S
• • • • • •
核酸-2江南大学食品学院生化课件第三章.
RNA
复制
翻译
蛋白质
遗传信息传递的中心法则
二、核酸的组成
核酸 核苷酸
水
磷酸
核苷
解
戊糖
碱基
三、碱基
嘌呤：
腺嘌呤 (A)
鸟嘌呤 (G) 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) 胸腺嘧啶 (T)
嘧啶：
O
NH
碱基
N N
脂键
N
N H
HN O N H
H2O 核苷键
O
磷酸 O P OH
OHCH2 O
第三章 核酸化学
（ Nucleic Acids Chemistry )
• 第一节
概述
• 第二节 • 第三节 • 第四节
核酸的组成 核酸的结构 核酸及核苷酸的性质
一、核酸的类别
• 脱氧核糖核酸（ DNA）
• 核糖核酸（ RNA）
• 核糖体RNA • 信使RNA • 转运RNA
DNA
复制
转录 反转录
实际上， Tm是增色效应达到最大值的50% 时的温度。也就是说，DNA溶液的温度达 到Tm时，将有50%的DNA双链处于解链状态。
DNA的Tm一般为70～85℃。 Tm随DNA分子中G-C碱基对含量的增加而升 高。它也与溶液的离子强度有关，一般情 况下，离 子强度低，Tm值小。
2、DNA的复性∶ 变性的DNA在适当条件下，两条彼此分开的互补 单链又可以恢复碱基配对，重新成为双螺旋，这个 过程称为DNA的复性（DNA renaturation）。 复性后的DNA的某些理化性质和生物活性也可以 得到部分或全部恢复。如∶减色效应。 退火（annealing）: 即DNA由单链复性变成双链结构的过程。来源 相同的DNA单链经退火后完全恢复双链结构，不同 源DNA之间、DNA和RNA之间退火后形成杂交分子。
生物化学第三章核酸化学
核糖核酸酶类
牛胰核糖核酸酶：存在于牛胰中，简称为 RNaseⅠ，只作用于RNA，十分耐热，是具 有极高专一性的内切酶。 核糖核酸酶T1：从米曲霉中获得的，耐热， 耐酸，专一性更强。 核糖核酸酶T2：来源同T1，核酸酶：也叫做DNaseⅠ， 需要镁离子参与，切断双链DNA或者单链 DNA为寡聚核苷酸，平均长度为4个核苷酸。 ② 牛脾脱氧核糖核酸酶：也叫做DNaseⅡ， 需要钠离子激活，镁离子抑制活性。 ③ 限制性内切酶：主要降解外源性DNA，目 前发现有数千种，是基因工程最重要的工 具酶。
RNA功能的多样性
① ② ③ ④ ⑤ 控制蛋白质的生物合成； 作用于RNA转录后的加工与修饰； 基因表达与细胞功能调节； 生物催化与其他的细胞功能 遗传信息的加工与进化
第三节
核酸的分子结构
一． 核酸中核苷酸的连 接方式 二． DNA的分子结构 三． RNA的分子结构
核酸中核苷酸的连接方式
1. 核苷酸可以被酸、碱 和酶水解，水解后产 生寡核苷酸、核苷酸、 核苷和碱基。 2. 实验证明，核苷酸是 通过磷酸二酯键彼此 相连，并且形成的是 3’-5’磷酸二酯键（后 面核酸降解中详细说 明）。
tRNA的一级结构特点
① 一般由73-78个核苷酸组成； ② 碱基中有较多的稀有碱基； ③ 3’末端均有CCA-OH结构，用以携带氨基 酸，5’多为pG或者pC。
tRNA的二级结构特点
① 氨基酸臂，由3’和5’末端的7对互补碱基构 成，携带氨基酸，富含G，形成双螺旋； ② 二氢尿嘧啶环，8-12个核苷酸组成，由34对碱基构成双螺旋； ③ 反密码子环，7个核苷酸组成，其中3个组 成反密码子环； ④ 额外环，是tRNA分类的重要标志 ⑤ TψC环，是tRNA中起连接作用的。
4.3核酸(课件)高二化学(人教版2019选择性必修3)
存在于DNA中
存在于RNA中
01 核酸的组成
7.定义：核酸可以看作磷酸、戊糖和碱基通过一定方式结合而成的 生物大分子。
戊糖 碱基
缩合
水解 核苷 磷酸
缩合
缩合
水解 核苷酸 水解
核酸
01 核酸的组成
【思考与讨论】---教材P123
碱 基 碱 基 戊 糖
腺嘌吟核苷
磷酸
腺嘌吟核苷酸
戊糖
01 核酸的组成
课堂练习
例2.下列说法正确的是( A )。 A.叶肉细胞中碱基、核苷酸、戊糖种类分别是5种、8种和2种 B.大肠杆菌细胞中含有碱基A、T、G、C的核苷酸共4种 C.组成核酸的基本单位是核糖核苷酸 D.DNA与RNA的不同点只在于戊糖和碱基的不同
课堂练习
例3.下列有关核酸的说法中不正确的是( C )。 A.核酸是一类含磷的生物高分子化合物 B.根据组成,核酸分为DNA和RNA C.DNA大量存在于细胞质中 D.我国用人工方法合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸
资料卡片
ATP
知识扩展
释放能量 吸收能量
ADP
02 核酸的结构
DNA的结构---双螺旋结构模型——晶体X射线 ①两条多聚核苷酸链组成DNA分子，两条链平行盘绕，形成双螺旋结构； ②每条链中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，碱基排列在内侧； ③两条链上的碱基通过氢键作用，遵循碱基互补配对原则，结合成碱基对。
02 核酸的结构 脱氧核糖核酸（DNA）分子的形成过程
腺NA单链 -H2O
DNA双螺旋 腺嘌呤（A）
腺嘌呤核苷酸
腺嘌呤核苷
脱氧核糖
-H2O
02 核酸的结构
RNA的结构：
①RNA也是以核苷酸为基本构成单位，其中的戊糖和
存在于RNA中
01 核酸的组成
7.定义：核酸可以看作磷酸、戊糖和碱基通过一定方式结合而成的 生物大分子。
戊糖 碱基
缩合
水解 核苷 磷酸
缩合
缩合
水解 核苷酸 水解
核酸
01 核酸的组成
【思考与讨论】---教材P123
碱 基 碱 基 戊 糖
腺嘌吟核苷
磷酸
腺嘌吟核苷酸
戊糖
01 核酸的组成
课堂练习
例2.下列说法正确的是( A )。 A.叶肉细胞中碱基、核苷酸、戊糖种类分别是5种、8种和2种 B.大肠杆菌细胞中含有碱基A、T、G、C的核苷酸共4种 C.组成核酸的基本单位是核糖核苷酸 D.DNA与RNA的不同点只在于戊糖和碱基的不同
课堂练习
例3.下列有关核酸的说法中不正确的是( C )。 A.核酸是一类含磷的生物高分子化合物 B.根据组成,核酸分为DNA和RNA C.DNA大量存在于细胞质中 D.我国用人工方法合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸
资料卡片
ATP
知识扩展
释放能量 吸收能量
ADP
02 核酸的结构
DNA的结构---双螺旋结构模型——晶体X射线 ①两条多聚核苷酸链组成DNA分子，两条链平行盘绕，形成双螺旋结构； ②每条链中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，碱基排列在内侧； ③两条链上的碱基通过氢键作用，遵循碱基互补配对原则，结合成碱基对。
02 核酸的结构 脱氧核糖核酸（DNA）分子的形成过程
腺NA单链 -H2O
DNA双螺旋 腺嘌呤（A）
腺嘌呤核苷酸
腺嘌呤核苷
脱氧核糖
-H2O
02 核酸的结构
RNA的结构：
①RNA也是以核苷酸为基本构成单位，其中的戊糖和
化学生物学导论：第三章 核酸
四体
2n+2 (ABCD) (ABCD) (AA)
双三体 2n+1+1 (ABCD) (ABCD) (AB)
缺体
2n-2 (ABC) (ABC)
注：A、B、C、D代表非同源染色体
44
染色体畸变分析
观察染色体形态结构和数目改变。 将观察细胞停留在细胞分裂中期相，用显微镜检查
染色体畸变和染色体分离异常。
13
突变的原因
2.物理因素：电离辐射、温度剧烈变化等
14
突变的原因
3. 生物因素：病毒、基因工程等
转基因鲑鱼(上)比同年 龄的野生鲑鱼(下)重 11 倍
15
突变的类型
基因突变
突变 染色体数目变化
染色体畸变
碱基置换 移码突变
密码子插入或丢失
转换 颠换
碱基插入 碱基丢失
非整倍体 多倍性
缺失、断片 重复 倒位 易位
基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合 成的终止密码子，导致多肽链在成熟之前终止合成 的改变
25
终止密码突变：碱基置换使mRNA上的终止密码子变成一
个氨基酸密码子，其结果是使合成的肽链延长到第二个终止密码 时才结束。
终止密码子：UAG，UAA，UGA
DNA ···ATT··· ···ATG···
测定小分子与核酸相互作用的亲和力及键合选择性,有利于进一 步探讨小分子的结构与核酸作用模式及其生物活性之间的关系3
一、 化学物质的致突变作用
基因一般是稳定的，但其稳定性也不是绝对的， DNA结构的改变将导致 相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发 生变异。
一切生物的变异和进化都是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质 变化的结果。
核酸化学2011
基本碱基结构和命名
嘌呤
嘧啶
Adenine
(A)
Guanine
(G)
Cytosine
(C)
Uracil Thymine
(U) (T)
OD260的应用
1. 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
2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0
例：变性引起紫外吸收值的改变
DNA的紫外吸收光谱 增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。
热变性
解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以
温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在 260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解 链曲线。
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 (melting temperature, Tm) 。 其 大 小 与 G+C含量成正比。
碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖
NH2
苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。
N
核苷：AR, GR, UR, CR
1
HO CH2 O N O
1´
脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR OH OH
核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键
连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。
二、DNA的变性(denaturation)
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。
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增色效应(hyperchromic effect)∶当核酸变性或降 解时，其紫外吸收显著增强，这就是核酸的增 色效应。
减色效应(hypochromic effect)∶当变性的核酸在 一定条件下恢复其原有的性质时，其紫外吸收 的强度又可恢复到原有的水平，这种现象称为 减色效应。
三、核酸和核苷酸的两性解离∶
六、核酸的呈色反应
核酸分子中含有核糖和磷酸，它们可以分别与专一 性的化学试剂发生颜色反应，作为定性、定量检测 核酸的依据。
(1) 核糖的地衣酚(3，5-二羟基甲苯)反应∶ 用于定量测定RNA的含量。
(2) 脱氧核糖的二苯胺反应∶
用于定量测定DNA的含量。
(3) 核酸中磷酸的定量测定∶经典的钼蓝法 RNA和DNA的含磷量分别为9.2%和9.5%。
一定条件下，去除变性因素后，核酸恢复二级结构 及生物活性的现象
退火（annealing） 缓 慢 冷 却
热复性
高温变性
急 速 冷 却
复性失败
与复性有关的因素∶
(1) 降温速度。若热变性的DNA从高温(Tm)迅速 冷却至低温(4℃以下)，则不能复性，此过程 称为淬火。 (2) DNA溶液的浓度越大，互补DNA链片段碰 撞机会越多容易发生复性。 (3) DNA片段越大，DNA内部的顺序越复杂， 扩散速度也越慢，互补链的相遇机会也越小， 复性也越难。
生 物 化 学
第三章 核酸化学
课堂测验
DNA双螺旋结构模型要点 信使RNA的主要结构特征
第四节
核酸及核苷酸的性质
一、一般理化性质∶
核酸为多元酸，具有较强的酸性；
DNA是线性高分子，粘度极大
均为极性性质∶
嘌呤碱和嘧啶碱均含有共轭双键，因此，核苷、核苷酸、 DNA和RNA在240～290nm范围内均有紫外吸收。 最大吸收峰在260nm左右。
DNA变性的 本质：双链 间氢键的断 裂
(2) 引起核酸变性的因素∶ 高温 极端pH (pH>10或pH<4) 变性剂(如∶尿素等) (3) DNA的变性温度(Tm):
DNA的变性不是随温度升高而逐步发生的，而 是当温度达到某一数值时，在很窄的温度范围内， 变性突然发生并迅速完成，就象晶体物质达到熔 点时突然融化一样，这一温度就称为DNA的变性 温度，也称为DNA的熔点，用Tm来表示。
N 7 8 9 NH 5 4 6 3 N 1N 2
5
4
6 1 NH
N 3 2
核酸的紫外吸收性质可以用于鉴定DNA和RNA的纯度， 常用A260/A280比值来判断。 纯DNA ∶A260/A280=1.8 纯RNA∶A260/A280=2.0 若样品的蛋白质含量增加，A260/A280比值怎样变化？
(1) 概念∶
核酸变性是指核酸分子中双螺旋区域的碱基对之 间的氢键受某些理化因素的作用而破坏，变成单 链的过程。
核酸变性不涉及共价键的断裂，所以变性后 相对分子量不变，但其理化性质和生物功能 都会发生变化，最重要的表现为∶
溶液粘度降低 沉降速率增加 紫外吸收显著增强∶DNA可增加20-25% RNA可增加10%左右。 生物功能丧失或减弱。
变性的DNA在适当条件下，两条彼此分开的互 补单链又可以恢复碱基配对，重新成为双螺旋，这 个过程称为DNA的复性（DNA renaturation）。
复性后的DNA的某些理化性质和生物活性也可 以得到部分或全部恢复。如∶减色效应。 退火（annealing）: 即DNA由单链复性变成双链结构的过程。来源 相同的DNA单链经退火后完全恢复双链结构，不同 源DNA之间、DNA和RNA之间退火后形成杂交分 子。
核酸的分离和纯化 核酸碱基顺序分析 聚合酶链式反应
Frederick Sanger
（自学内容）
Kary Mullis
实际上，Tm是增色效应达到最大值的50%时的温 度。也就是说，DNA溶液的温度达到Tm时，将有 50%的DNA双链处于解链状态。
DNA的Tm一般为70～85℃。
Tm随DNA分子中G-C碱基对含量的增加而升高。 它也与溶液的离子强度有关，一般情况下，离子 强度低，Tm值小。
2、DNA的复性∶
然后与放射性同位素标记的变性后的DNA探 针进行杂交。
杂交须在较高的盐浓度及适当的温度(68℃)下 进行数小时或十余小时。
应用类似的方法也可用于分析RNA、蛋白质。
• 将RNA变性后转移到硝酸纤维素膜再进行杂交，这 方法称Northern印迹法(Northern blotting)。 • 根据抗体与抗原可以结合的原理，也可以分析蛋白 质。这个方法称Western印迹法(Western blotting)
在核酸和核苷酸分子 中，既含有可以给出 H+的磷酸基团，又含 有可以得到H+的碱性 基团(碱基上的-N=， 如嘌呤的N1和N7，胞 嘧啶的N3)，所以核酸 和核苷酸是两性化合 物，有等电点。
NH2 N O -O P O OH H OH O H H H N N N
5
´－脱氧腺苷一磷酸
四、核酸的变性、复性和分子杂交 1、变性∶
3、分子杂交（Hybridization ）
不同来源的变性DNA，若彼此之间有部分互补 的核苷酸顺序，当它们在同一溶液中进行热变性 和退火处理时，分子间部分配对成双链，这个过 程称为分子杂交。
Southern印迹法( Southern blotting)
将胶浸泡在碱溶液中使DNA进行变性，然后 将变性DNA转移到硝酸纤维素膜上〔硝酸纤 维素膜只吸附变性DNA)，在80 ℃烤4－6小时， 使DNA牢固地吸附在硝酸纤维素膜上。