第二章 核酸化学上
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2章--核酸化学习题
第二章核酸化学一、名词解释：1．磷酸二酯键：核酸分子中前一个核苷酸的3`-羟基和下一个核苷酸的5`-磷酸脱水缩合形成的化学键称为磷酸二酯键。
2．碱基互补规律：DNA分子组成中腺嘌呤和胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对，这种配对规律称为碱基互补规律。
3. 退火：加热变性DNA溶液缓慢冷却到适当的低温，则两条互补链可重新配对而恢复到原来的双螺旋结构的现象。
4．DNA的熔解温度：DNA加热变性过程中，紫外吸收值达最大吸收值一半时所对应的温度。
5．核酸的变性：在某些理化因素作用下，DNA双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团状态的过程；核酸的复性：在适宜条件下，变性DNA分开的两条单链可重新形成链间氢键，恢复双螺旋结构，这个过程称为复性。
6．减色效应：复性DNA由于双螺旋的重新形成，在260nm处的紫外吸收值降低的现象。
7．增色效应：变性DNA由于碱基对失去重叠，在260nm处的紫外吸收值增加的现象。
二、填空题1．DNA双螺旋结构模型是 Watson-Crick 于 1953 年提出的。
2．核酸的基本结构单位是核苷酸。
3．脱氧核糖核酸在糖环 C2’位置不带羟基。
4．两类核酸在细胞中的分布不同，DNA主要位于细胞核中，RNA主要位于细胞质中。
5．核酸分子中的糖苷键均为β型糖苷键。
糖环与碱基之间的连键为糖苷键。
核苷酸与核苷酸之间通过磷酸二酯键键连接成多聚体。
6．核酸的特征元素是磷（P）。
7． DNA在水溶解中热变性之后，如果将溶液迅速冷却，则DNA保持单链状态；若使溶液缓慢冷却，则DNA重新形成双链。
8．真核细胞的mRNA帽子由 m7G 组成，其尾部由 polyA 组成。
9．常见的环化核苷酸有 cAPM 和 cGMP 。
其作用是起第二信使作用。
10．DNA双螺旋的两股链的顺序是反平行/互补关系。
11．给动物食用3H标记的胸腺嘧啶（T），可使DNA带有放射性，而RNA不带放射性。
12．B型DNA双螺旋的螺距为 3.4nm ，每匝螺旋有 10 对碱基，每对碱基的转角是 36º。
核酸化学ppt课件
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-。
3 编码区：mRNA有编码区和非编码区，编码区是所有mRNA分子的主要结构部分，决定蛋白质分子的 一级结构。非编码区与蛋白质生物合成调控有关。
元素组成 核酸的基本结构单位——核苷酸
第二节 核酸的基本结构单位－核苷酸
核酸的分子组成
元素组成 C、H、O、N、P等 平均磷含量 P含量约为9％～10%。各种核酸中P接近和恒定。 故在测定组织中的核酸含量时常通过测定P的含量计算生物组织中核酸的含量。
核酸的基本结构单位——核苷酸
复性：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～。
（2）核酸的复性
不同来源的DNA、DNA与RNA、RNA和RNA之间都可以发生杂交。
核酸的杂交的应用： 在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。 临床诊断： 基因诊断：如地中海贫血、分子病等 遗传病的产前诊断：胎儿羊水中收取DNA 基础研究领域： PCR技术、Southern杂交、Northern杂交
—— DNA和 RNA
DNA
RNA
嘌呤(purine)
腺嘌呤(adenine, A)
鸟嘌呤(guanine, G)
嘧啶(pyrimidine)
胞嘧啶(cytosine, C)
尿嘧啶(uracil, U)
胸腺嘧啶(thymine, T)
二、 戊 糖
（构成RNA）
1´
2´
3´
4´
5´
核糖(ribose)
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
第二章核酸的化学优秀课件
H
OH OH
OH OH
OH OH
OH OH
腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷
胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷
A
O
H 3C
NH
NO HO
O
H
H
H
H
OH H
G
C
O
HN NH
脱氧胸苷（dT;T)
O
HO
O
H
H
H
H
OH OH
U
假尿苷（φ）
4、核苷酸
核苷的核糖上的羟基与磷酸酯化
A
5′-磷 酸化
OOP O
O-
NH2
N
N
NN
O HH
H
H
H
H OH
H OCH3
2、碱基-嘧啶碱和嘌呤碱
N
1
N
）
嘧 啶 碱
修饰碱
NH2 N
N
O
H
胞嘧啶C
O NH
N
O
H
尿嘧啶U
O H 3C
NH
N
O
H
胸腺嘧啶T
2）嘌呤碱
6 1N 5 2
3N 4
N7 8
N9 H
嘌呤
NH2
N
N
N
N H
腺嘌呤A
O
HN
N
H2N N
N H
鸟嘌呤G
修饰碱
NH2 N
O NH
O H 3CHOH OH源自核苷酸的表示：AMP
O
H 3C
NH
NO HO
O HH
H
H
OH H
dT
5′-磷酸 化
O
H 3C
NH
核酸化学课件
RNA的类别
根 据 RNA 的 功 能 ， 可 以 分 为 mRNA 、 tRNA和rRNA三种。
其它类别的RNA
（1）病毒RNA（Viral RNA, rRNA） （2）核内RNA（nuclear RNA, nRNA）
核蛋白
核酸→核苷酸 蛋白质
磷酸 核苷
碱基 戊糖
二 核酸的分类、分布和生物学功能
核酸分为两大类. 脱氧核糖核酸（DNA）
Deoxyribonucleic Acid 核糖核酸（RNA）
Ribonucleic Acid。
脱氧核糖核酸（DNA）
DNA分子含有生物物 种的所有遗传信息， 分子量一般都很大。
① 不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA,HnRNA） ② 小分子核RNA（small nuclear RNA, sn RNA） ③ 小分子核仁RNA（small nucleolar RNA, sno RNA） ④ 染色体RNA（chromosomal RNA, ch RNA）
RNA
简写方法：线条式、文字式
在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱 基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化 为：
5′PAPCPGPCPTPGPTPA 3′ 或5′ ACGCTGTA 3′
在DNA一级结构中，有一种回文结构的特殊序 列，所谓回文结构即DNA互补链上一段反向重 复顺序，正读和反读意义相同，经反折可形成 “十字形”结构，在转录成RNA后可形成“发 夹”样结构，有调控意义。
氨基n 硫基s
注意：
含修饰核糖的核苷即2’-O-甲基核苷的表示方法，在 核苷符号的右下方注上一个小写m。
第二章3-核酸化学PPT课件
▪
戊糖在外，双螺旋每转一
小 沟
周 为10碱基对（bp）
▪
A型结构
▪
碱基平面倾斜20º，螺旋
变粗变短，螺距2～3nm。
2.0 nm
大 沟
DNA的三级结构
➢DNA的三级结构：指双螺旋进一步扭曲 形成的超螺旋。 ➢包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和 多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋 和连环等
线状DNA形成的超螺旋
▪ 多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端 ▪ 核酸的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形
式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种 核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
二、DNA的二级结构
DNA的双螺旋模型
▪ 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上， 根据DNA结晶的X-衍射图谱和 分子模型，提出了著名的
➢DNA分子中具有特定生物学功能的片 段称为基因（gene）。
➢一个生物体的全部DNA序列称为基因 组（genome）。
RNA的结构与功能
▪ 一、结构特点
1. 碱基组成 A、G、C、U （A＝ U/G=C）
稀有碱基较多，稳定性较差，易水解 2. 多为单链结构，少数局部形成螺旋 3. 分子较小 4. 分类 ➢mRNA ➢tRNA ➢rRNA
三、核酸的变性
▪ 稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结 构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。
▪ 变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外
吸收增加（增色效应） ▪ 变性因素
pH（>11.3或<5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热
➢核酸是存在于细胞中的一类大分子酸 性物质，包括核糖核酸（RNA）和脱氧 核糖核酸（DNA）两大类。
《生物化学》核酸化学
A-T: 2个氢键 G-C：3个氢键
放线菌素A结合于小沟 抑制DNA、RNA合成
调控蛋白结合处
DNA其它二级结构 Z型：左旋，每螺旋12个碱基
DNA其它二级结构
十字型
G-四链体
三链型
G-四链体功能
端粒保持
转录调控
复制调节
翻译抑制 Bochman et al, Nat Rev Genet. 2012 ,13: 770
融解温度(melting temperature, Tm)： 核酸加热变性过程中，紫外光吸收值
达 到 最 大 值 50% 时 的 温 度 , 又 称 为 解 链温度。 。
热变性
Tm：50%的DNA分子发生变性时的温度。
三、复性和分子杂交
复性：变性的核酸在适宜条件下， 重新形成双链螺旋结构。(又叫退火)
HH ATP ADP
H AMP
H3
三磷酸 二磷酸 一磷酸
OH
腺苷 腺苷 腺苷
H1
2H OH
DNA和RNA结构
第二节 DNA的结构与功能
(一）一级结构: 核苷酸顺序，即碱基顺序
O
5
O P O CH2
O
G
OH 4 H
H
H3
2H
O
O
5
O P O CH2
O
A
核苷酸以
OH 4 H
3'，5'磷酸二酯键连接。 H 3
环状---miRNA海绵
第四节 核酸的理化性质
一、一般理化性质 酸性，大分子，粘度大 紫外吸收:260nm
二、变性
受某些因素影响,核酸的双链间的 氢键解开形成单链。
第二章 核酸的化学
心理因素、环境因素（—外因）
基因诊断、基因治疗已成为目前医学发展的最前沿的方向。 同时也成为新的财富源泉！
4.RNA病毒以RNA为遗传物质；
（二）RNA在蛋白质合成中起着重要的辅助作用
3.tRNA 转运RNA
2.rRNA 核糖体RNA
1.mRNA 信使RNA
第二节 核酸的组成
核酸
核苷酸
水
解
磷酸
核苷
酸？） （1944年）—DNA是基因的化学载体
DNA双螺旋
基因3％
假基因
基因间隔区
基因(Gene)即DNA上能够编译一个蛋白质或RNA 的最小单位，一个细胞内所有基因组合在一起统 称为“基因组” 。
DNA 的所有功能本质上反映的是基因的功能。
基生因老必病死须通过RNA起作用！
存在基因（—内因）
共同决定 生老病死
第二章 核酸的化学
1.核酸的分类与功能 2.核酸的组成 3.核酸的结构 4.核酸的性质 5.基因差别
什么是核酸？
1869年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核， 当时发现这种物质含磷量之高超过当时发现的任 何一种有机物，并且含有很强的酸性，故得名核 酸。 1909年其组成被研究清楚，1944年生物功能初 步澄清，在X射线衍射技术支持下1951年结构澄 清。 核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA） 的通称。
提问：起稳定作用的有哪些力呢？
答案：疏水作用力（主要） （又称碱基堆积力） 氢键 范德华力
D.其他类型的DNA双螺旋
在真核及原核细胞 皆有证据显示短的 Z 型 DNA 存 在 。 Z 型 DNA左旋、细长
3.3 DNA的三级结构
A.真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构
第二章核酸化学上
腺苷酸与辅酶
CONH2
O
N O
O P O- H H
O
H OH OHH
O P ON
O
NH2 N
ON N HH
H OH OHH
Nicotinamide-adenine dinucleotide (NAD+)
NH2
N
N
O
N O
N
O P O- H H
O
H OH OHH
O P O- OH OH OH
HO
OH
O
HH
H
H
OH OCH3
2-脱氧核糖 (2-deoxyribose)
核糖
2-O-甲基核糖
(ribose) (2-O-Methylribose)
2020/4/26
核酸的碱基—嘧啶
4
3N
5
NH2 N
O HN
O
HN
CH3
2
6
N
ON
1
H
ON H
嘧啶
胞嘧啶
尿嘧啶
(pyrimidine) (cytosine)
H O OHH
O
-O P O O-
A O HH
O- OHH
O P O-
O
U O
HH
H O OHH
2020/4/26
胞嘧啶的水解
NH2
N
+ H2O
NO H
Cytosine
O NH
NO H
Uracil
2020/4/26
DNA的结构
• DNA的一级结构 • DNA的二级结构 • DNA的三级结构
2020/4/26
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生物化学 Biochemistry
第 二 章 核 酸 化 学
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 核酸的化学组成 核酸的分子结构 核酸的性质 核酸的研究方法
第一节
概述
一、 核酸的发现与研究历史 二、 核酸的种类 三、核酸的分布 四、核酸的生物学功能
一、核酸的发现与研究历史
• 1869，德国科学家 Friedrich Miescher（细胞核 化学的创始人和发 现者） - 从脓球发 现“核素” –主要染 色质
一、核酸的发现与研究历史
• 1879年Kossel经过10 年的努力, 搞清楚核质 中有四种不同的组成 部分: A,T, C和G。
Kossel及同事在核酸 化学研究中作出了重 大贡献(碱基鉴定), 获 1910 诺奖 , 但他认为 决定染色体功能的是 蛋白质
•
一、核酸的发现与研究历史
• 1889，R. Altmann 提出了”核酸”名称
并且已经认识到“核 素” 乃“核酸” 与蛋白 质的复合体。
发展了从酵母和动 物组织中制备不含蛋 白质的核酸方法
一、核酸的发现与研究历史
• 1930年Levene发现动 物细胞的核酸含有一 种特殊的核糖即脱氧 核糖 Levene还提出了核酸 的“磷酸-核糖(碱基)磷酸”的骨架结构 Levene提出核酸中含 有等量的4种核苷酸 —使研究脱离轨道
•
• •
1928 Griffith et al- 肺炎双 球菌转化 实验
1944年，Avery等肺炎球菌转化实验
1944年，Avery等肺炎球菌转化实验首先，他们驱除提取物中的蛋白发现仍能转化；其次，用不同的降解蛋白的酶如胰岛素、胰蛋白酶，但在转化上不受影响；用RNA酶处理对转化也不受影响；这些实验排除了蛋白质或RNA不是转化中发挥作用的物质。
相反，用DNA酶处理就可以破坏有毒细胞提取物的转化能力，这些结果表明转化的物质是DNA。
以上的发现应该可以解决基因的本质，但还有无法解释的，因为有个错误的观点，早期的实验认为DNA是四个碱基的单调重复如ACTG-ACTG-ACTG，说服遗传学家认为其不可能是遗传物质。
而且有争议的是可能转化物质中有蛋白的污染(2%)，是否除了控制R和S的的其他基因也能转化，是否细菌的基因与其他高等生物的一样。
进一步的证实：
1952 Hershey和Chase-噬菌体标记实验
Francis Crick (35y)
James Watson (23y)
丹麦哥本哈根
剑桥大学
Cavendish Lab.
大多数遗传学家认同基因是由DNA组成的；
随后，DNA的半保留复制和半不连续复制机理也被阐明，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。
中心法则
转录翻译
DNA mRNA蛋白质反转录
Crick, F.H., Symp. Soc. Expt. Biol. 12:138, 1958
1966年,Nirenberg等破译了遗传密码
1975年, Sanger建立了酶法测序技术1976 Maxam和Gilbert建立了DNA化学Sequencing
1981年, Cech发现了核酶
DNA Sequencing(序列分析）----
基因组计划
1990人类基因组计划正式启动,这一计划与“曼哈顿原子弹研制计划”、“阿波罗登月计划”并称为人类科学史上的“三大计划”。
2000年6月，宣布了人类基因组“工作草图”的完成，那时，人类基因组计划只完成了85％的基因组
2003年4月14日，完成了构成人类基因组的31亿个DNA的全面而又非常精确的测序。
我国承担的工作区域，位于人类3号染色体短臂上。
由于该区域约占人类整个基因组的1%，因此简称“1%项目”。
人类基因组计划实施以来的成就1995 完成原核生物Hemophilus luenzae的基因组测序1996 完成啤酒酵母的基因组测序
1997 完成大肠杆菌的基因组测序
2000 人类基因组序列框架（中国完成1%）2000 拟南芥基因组序列（第一个高等植物）2002 水稻基因组序列框架图（中国独立完成）2003 中国家蚕基因组序列框架图
水稻、拟南芥、小鼠等完成了测序进入后基因组时代
第一节概述
一、核酸的发现与研究历史
二、核酸的种类
三、核酸的分布
四、核酸的生物学功能
二、核酸的种类
核酸分为两大类：
脱氧核糖核酸Deoxyribonucleic
Acid （DNA）
核糖核酸Ribonucleic Acid（RNA）
核糖核酸（RNA）
•RNA主要是负责
DNA遗传信息的翻
译和表达，分子
量要比DNA小得
多。
RNA为单链分
子。
RNAi不仅是很多生物基因组所采用的一种很古老的防卫方法，又是一种了解基因功能的强大工具。
在功能基因组研究、细胞生物信号传导途径、新药作用机理研究和基因治疗疾病的方法等方面，RNAi有着广泛的用途和市场前景。
据爱尔兰都柏林的一家研究机构称，市场预测仅RNAi试剂一项就将由2005年的40亿美元增加到2010年的85亿美元。
mRNA、tRNA和rRNA •mRNA：占全部RNA的5%，可以作为合成蛋白质的直接模板。
•tRNA：占全部RNA的16%，在蛋白质合成中起转运AA的功能。
•rRNA：占全部RNA的80%，是构成核糖体的成分，原核细胞中有5S、
16S、23S三种，真核细胞中有5S、
5.8S、18S、28S四种。
第一节概述
一、核酸的发现与研究历史
二、核酸的种类
三、核酸的分布
四、核酸的生物学功能
第一节概述
一、核酸的研究历史
二、核酸的种类
三、核酸的分布
四、核酸的生物学功能
第一节概述
第二节核酸的化学组成第三节核酸的分子结构第四节核酸的性质
第五节核酸的研究方法
一、核酸的基本组成单位-核苷酸
核糖
稀有碱基
核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。
稀有碱基的种类很多.
12
3
456H H。