关于生物化学核酸
合集下载
生物化学核酸知识点总结
生物化学核酸知识点总结
核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核酸的基本组成单位。
核苷酸由碱基-核糖-磷酸基团组成。
核酸可分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。
碱基可分为5大类，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）。
DNA分子中出现的碱基有A、T、C和G；RNA分子中所含的碱基是A、U、C和G。
核酸中含量相对恒定的元素是磷。
DNA分子由2条脱氧核糖核苷酸链组成，绝大部分RNA由1条核糖核苷酸链组成。
DNA碱基组成有一定的规律，即DNA分子中A的摩尔数与T相等，C与G相等。
碱基与碱基之间的连接中，（A）和（T）之间靠2个氢键连接，（C）和（G）之间靠3个氢键连接。
生物化学第三章核酸
第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
• DNA和RNA的区别
不同点 戊糖 碱基 二级结构 碱基互补配对 种类 RNA 核糖 G C A U 单链 忠实性较低 多 （mRNA，rRNA， tRNA 等） DNA 脱氧核糖 G C A T 双链 忠实性高 少
碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶(A-T)
4.双螺旋表面存在大沟和小沟
小沟
大沟
（二） DNA二级结构的多样性
• 三种DNA构型的比较
螺距 旋向 (nm) 每圈碱 基数 螺旋直径 （nm） 骨架 走行
存在条件
A型 右手 B型 右手
2.3 3.54
11 10.5
2.5 2.4
平滑 平滑
体外脱水 生理条件
（二）碱基
碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
NH2
嘌呤(purine，Pu)
N 7 8 9 NH
N
N
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
(二) 原核生物DNA的环状超螺旋结构
原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形 式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
DNA超螺旋结构的电镜图象
(三) DNA在真核生物细胞核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成
基本单位是核小体
DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。
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
生物化学课件核酸
3．DNA双螺旋的种类
Watson Crick DNA双螺旋结构（B型DNA）
当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时， DNA的构象发生改变。
不同DNA纤维的空间结构
类型
结晶状态
A
Na盐，相对湿度75%时结晶
B
Na盐，相对湿度92%时结晶
C
锂盐，相对湿度66%时结晶
Z-DNA
OH
OH
OH
5´
3´
RNA与DNA的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基
第二节 RNA的结构
一、RNA的概述
3´,5´-磷酸二酯键
RNA 的类别
信使 RNA （mRNA ）：在蛋白质合成中起模板作用； 核糖体 RNA （ rRNA ）：与蛋白质结合构成核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所； 转移 RNA （ tRNA ）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。
1、mRNA
例2
四、染色体结构
侧
顶
DNA （2nm）
核小体链（ 11nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）
螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花）
染色体（ 1400nm， 每个染色体单体含10个螺旋圈200bp）
螺旋方向 右手 右手 左手
螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm
碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm
每圈碱基数 11 10.4 12
螺距
2.8nm 3.32nm 4.56nm
氢键 碱基堆集力（base-stacking forces） 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中
Watson Crick DNA双螺旋结构（B型DNA）
当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时， DNA的构象发生改变。
不同DNA纤维的空间结构
类型
结晶状态
A
Na盐，相对湿度75%时结晶
B
Na盐，相对湿度92%时结晶
C
锂盐，相对湿度66%时结晶
Z-DNA
OH
OH
OH
5´
3´
RNA与DNA的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基
第二节 RNA的结构
一、RNA的概述
3´,5´-磷酸二酯键
RNA 的类别
信使 RNA （mRNA ）：在蛋白质合成中起模板作用； 核糖体 RNA （ rRNA ）：与蛋白质结合构成核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所； 转移 RNA （ tRNA ）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。
1、mRNA
例2
四、染色体结构
侧
顶
DNA （2nm）
核小体链（ 11nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）
螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花）
染色体（ 1400nm， 每个染色体单体含10个螺旋圈200bp）
螺旋方向 右手 右手 左手
螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm
碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm
每圈碱基数 11 10.4 12
螺距
2.8nm 3.32nm 4.56nm
氢键 碱基堆集力（base-stacking forces） 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中
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。
生物化学-核酸
核糖 + H +
Δ
糠醛 Δ
甲基间苯二酚 FeCl3
绿色产物
RNA和DNA定性、定量测定 脱氧核糖 + H+ ω-羟基-γ-酮 戊醛
二苯胺
蓝色产物
15
（二）嘌呤碱和嘧啶碱
6
嘌呤碱 (purine)：
NH2 N N
1N 2 N 3
5 N7
DNA和RNA均含 有腺嘌呤、鸟 嘌呤
8
4 N 9 H HN
2HN
哺乳动物的b-珠蛋白的基因长度
内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。 外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。
43
２、二级结构：
DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构（double helix model），又称Watson-Crick结构。是Watson与 Crick于1953年提出的。
17
稀有碱基（修饰碱基）
NH2
5
NH2
3
O
5
C
4
CH3
3
C
4
CH2OH
3
C
4
5
N C O
2
C CH
6
N C O
2
C CH
6
HN C O
2
CH2 CH2
6
1
1
1
N H
N H
N H
5－甲基胞嘧啶
5－羟甲基胞嘧啶
二氢尿嘧啶
18
OH H N HO N H 烯醇式 酮式
O
H
H
H N O N H 酮式
H H
• 约占全部RNA的80%， • 是核糖核蛋白体的主要组成部分。 • rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。
生物化学核酸生物化学医学知识
二、核酸的组成成分
核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其 基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。
核酸
核苷酸
磷酸 核苷
戊糖 碱基
核 苷 酸 的 基 本 结 构
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
（一）核酸中的戊糖
D-核糖（D-ribose） D-脱氧核糖
关系。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
核酸化学的发展过程
1869年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞 中分离得到称为“核素”的核酸
1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是 主要的遗传物质
1953年 J. D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双 螺旋结构模型
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
O
HN
H
O
1H N
H
尿嘧啶
O
HN1
NH
H5 CO
HOH2C5′ O OH
4′
1′
3′ 2′
OH OH 核尿苷糖
HOH2C5′ O OH
4′
1′
3′ 2′Biblioteka OH OH 假核尿苷糖（ψ）
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
核苷的表示：
核苷：A、G、 C 、U 脱氧核苷：dA,dG,dC,dT 修饰核苷： 如5-甲基脱氧胞嘧啶：
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
（三）核苷： (nucleoside)
核苷：戊糖与碱基 缩合而成，并以糖 苷键相连接。 糖苷键： 二者的连接是C-N 键，称N-糖苷键。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
H N
核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其 基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。
核酸
核苷酸
磷酸 核苷
戊糖 碱基
核 苷 酸 的 基 本 结 构
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
（一）核酸中的戊糖
D-核糖（D-ribose） D-脱氧核糖
关系。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
核酸化学的发展过程
1869年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞 中分离得到称为“核素”的核酸
1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是 主要的遗传物质
1953年 J. D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双 螺旋结构模型
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
O
HN
H
O
1H N
H
尿嘧啶
O
HN1
NH
H5 CO
HOH2C5′ O OH
4′
1′
3′ 2′
OH OH 核尿苷糖
HOH2C5′ O OH
4′
1′
3′ 2′Biblioteka OH OH 假核尿苷糖（ψ）
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
核苷的表示：
核苷：A、G、 C 、U 脱氧核苷：dA,dG,dC,dT 修饰核苷： 如5-甲基脱氧胞嘧啶：
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
（三）核苷： (nucleoside)
核苷：戊糖与碱基 缩合而成，并以糖 苷键相连接。 糖苷键： 二者的连接是C-N 键，称N-糖苷键。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
H N
生物化学中的核酸序列分析
生物化学中的核酸序列分析生物化学是研究生命现象与生理功能的科学，而核酸是构成生命的分子之一，它们在生物体内扮演着重要的角色。
核酸是由核苷酸单元组成的长链，其中DNA是一个双螺旋分子，可以储存生物遗传信息，而RNA则可以转录DNA的信息并参与蛋白质合成。
在生物研究中，对核酸序列的分析非常重要。
通过对DNA序列的分析，可以推测出蛋白质编码信息并预测基因功能；而对RNA序列的分析，则可以了解基因的表达和调控。
本文将从分子生物学和生物信息学的角度来探讨核酸序列分析。
1. PCR扩增与测序分析PCR(聚合酶链式反应)是一种常用的分子生物学技术，可以从少量的DNA或RNA样品中扩增出目标片段，为进一步的分析提供足够的材料。
PCR过程中需要用到一组引物，其可以通过生物信息学分析DNA序列寻找到设计合适的引物。
PCR扩增得到的产物可以进一步进行测序分析，最常用的测序方式为Sanger测序技术。
此技术基于DNA链延伸过程中的dNTP和ddNTP的竞争关系，通过荧光信号和电泳进行测序。
测序结果可以通过生物信息学工具进行比对、序列注释和统计分析。
2. 基因功能预测高通量基因组测序技术的出现，导致了大量未知基因序列的暴增。
对于这些基因序列的功能预测，通常需要先进行同源比对。
同源比对基于多序列比对的原理，将物种间已知的方向同源序列，与未知序列比对，寻找到相似的序列区域，从而对未知序列的基因功能进行推测。
同源比对时，需要注意序列的物种来源和序列的质量。
不同物种间的序列可能在不同位置发生突变，导致序列的比对不准确；若序列存在较多的突变，也可能会影响比对结果。
因此，如何选择合适的工具和参数进行同源比对很关键。
同时，基因家族和重复序列也可能会干扰比对结果，因此需要进行筛除和过滤。
3. RNA测序与转录组分析RNA测序技术可以获得全基因组水平的转录信息，从而了解基因的表达状态和调控机理。
RNA测序通常经过文库构建和深度测序等多个步骤。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
O
NH2
N
N
NN
I
N
—CH3
ON
m5C
hm5C
DHU
1．核苷酸
碱基的结构特征
• 碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环 均呈平面或接近于平面的结构。
• 碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式 或胺式—亚胺式互变异构。
胺 式 亚 胺 式 互 变 异 构
酮 式 烯 醇 式 互 变 异 构
已公认：氢原子在碱基上有固定的位置
嘧啶
uracil cytosine thymine
4 3N 5
2
6
N
1
O NH
NH 2 N
H3C
O NH
N H
O
N
H
O
N H
O
U
C
T
DNA的碱基组成：A G C T RNA的碱基组成：A G C U
1．核苷酸
组成核酸的稀有碱基
• 核酸中除了5类基本的碱基外，还有一些含量甚 少的碱基，称为稀有碱基。
核酸的研究历史： 1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品 并引入“核酸”这一名词。 20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分 为DNA和RNA。 1943年，E .Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1：1， 由此推理出碱基配对的理论。 1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明遗传 物质即为DNA。 1953年，Watson-Crick建立了DNA的双螺旋结构 模型。
一、核酸的元素组成
基本元素：C H O N P 核酸的元素组成有两个特点：
1. 一般不含S。 2. P含量较多，并且恒定（9%-10%）。
因此，实验室中用定磷法进行核酸的 定量分析。（DNA9.9% 、 RNA9.5%）
二 核酸的分子组成
• 核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸， 它的基本结构单元是核苷酸。
（二）核酸的分布
真核生物
原核生物
细胞核（95%） 核质区（拟核） DNA 线粒体、叶绿体
（5%）
细胞质（75%） 细胞质 RNA 线粒体、叶绿体
（15%）
细胞核（10%）
二、核酸的生物学功能 （一）DNA是主要的遗传物质
1928年，英国科学家Griffith 发现肺炎链球菌使小鼠死亡的 原因是引起肺炎。细菌的毒性是 由细胞表面中的多糖所决定的。
（一）DNA是主要的遗传物 质
1952年，美国冷泉港 Hershey-Chase 噬菌体浸染细菌的实验。
（二）RNA生物学功能
RNA的功能：
1.参与蛋白质的合成 rRNA(75-80%) tRNA(10-15%) mRNA(2-5%)
2.遗传物质 3.具有生物催化剂功 能
第二节：核酸的化学组成
• 核苷酸本身由核苷和磷酸组成, • 而核苷则由戊糖和碱基形成
所以， 核酸
核苷酸
磷酸
核苷
戊糖 碱基
1．核苷酸
（1）组成核酸的碱基
嘌呤
腺嘌呤 Adenine
鸟嘌呤 guanine
6
1N
5
7 N
2 N4N 8 39
NH 2 N
N
N H
N
A
O
N NH
N H
N
NH 2
G
1．核苷酸
（1）组成核酸的碱基
尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶
关于生物化学核酸
引 言：核酸概述
核酸的发现：
1868年，瑞士青年科学家 F.Miescher
从外科绷带上脓细 胞的 细胞核中分离得到 一种 含磷较高的酸性物 质， 称之为核素 （nuclein）
核素实质是一种核糖核蛋白
• 1944年,Oswald Avery,Colin Macleod和Maclyn McCarty发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病 性的肺炎球菌中提取的核酸 DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸)， 可使另一种无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺 炎球菌的遗传性状发生改变，转变为有夹膜，具 有致病性的肺炎球菌，且转化率与DNA纯度呈正 相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发 生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这 一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；
NH2 N
N
N
9 NN
HOCH2 O
HH
H H
OH H
dA
O
1 N
HOCH2 O
HH
H H
OH O H
U
假尿苷
胸腺嘧啶核糖核苷
稀有核苷（tRNA）
小分子细胞核RNA（snRNA）、染色质RNA（chRNA）、 反义RNA（antisense RNA）、双链RNA（dsRNA）、 细胞质小RNA（scRNA）、具有催化活性的RNA （ribozyme）、各种病毒RNA
功能 ：三者共同参与遗传信息的表达。 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid- DNA） 功能：遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。
二、核酸的生物学功能 （一）DNA是主要的遗传物质
S
1944年，O.T.Avery（美） R 肺炎链球菌的转化实验,首次 证明DNA是细菌遗传性状的转化 因子。
十年后证明 DNA是遗 传物质
S+R S菌体的DNA + R
S
转化作用：
• 感受态的微生物或离体培养的细 胞获得外源DNA并产生新的形 状特征。
▪ 因此，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学
和医学的重要基础之一。
克隆羊-dolly
第一节 核酸的种类、分布与功能
一、核酸的种类与分布 （一）核酸的种类（ RNA、DNA、）
核糖核酸（ribonucleic acid-RNA）:转移RNA(transfer RNAtRNA) 、信使RNA(messenger RNA-mRNA)、核糖体 RNA（ribosomal RNA-rRNA）
1．核苷酸
（2）戊糖
• 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的戊 糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的戊糖 则为β-D-核糖。
HOCH2 O OH HH
H
H
OH OH
HOCH2 O OH HH
H
H
OH HD-ຫໍສະໝຸດ 糖D-2-脱氧核糖1．核苷酸
（3）核苷 nucleoside
• 核苷由戊糖和碱基缩合而成，嘌呤的N9或嘧啶 的N1与戊糖C-1’-OH以C-N糖苷键相连接O。
遗传密码的阐明、内切核酸酶的发现、核酸的合成 与分析技术、基因重组技术等的建立形成了分子生 物学的基本完整体系。
引 言：核酸概述
▪ 核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少
的组成部分。
▪ 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、代谢病等也密切相关。