高中生物競賽核酸

1、第五講 核酸的化學第一節(jié) 概述第二節(jié) 核酸的化學組成第三節(jié) 核酸的分子結構第四節(jié) 核酸的性質第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、核酸的發(fā)現二、核酸的生物學功能三、核酸的分布四、核酸的種類一、核酸的一、核酸的發(fā)現發(fā)現1869年Miescher從細胞核中分離出核素（nuclein）。1889年Altman制備了核酸（nucleic acid）。193040年，Kossel & Levene等確定核酸的的組分：核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）20世紀40年代末，Avery 的“肺炎雙球菌轉化”實驗證明DNA是有機

2、體的遺傳物質：二、核酸的生物學功能二、核酸的生物學功能v 核酸是生物遺傳的物質基礎，各種生物核酸是生物遺傳的物質基礎，各種生物遺傳信息儲存于核酸的核苷酸序列中，蛋白遺傳信息儲存于核酸的核苷酸序列中，蛋白質的結構是由核酸決定的。質的結構是由核酸決定的。 真核生物 原核生物DNA 細胞核（98%） 細胞質（類核部分） 細胞質（少量） 質粒DNA 線粒體（少量） 病毒DNA 葉綠體（少量）等RNA 細胞質（90%） 細胞質 核仁（少量） 病毒RNA注：生物細胞都含有注：生物細胞都含有DNA DNA 和和RNARNA；病毒中要么只含病毒中要么只含DNADNA，要么只含要么只含RNARNA。三、核酸的分

3、布三、核酸的分布 98核中（染色體中） 真核 線粒體 核外 葉綠體DNA 擬核 原核 核外：質粒（plasmid） 病毒：DNA病毒返回四、核酸的種類四、核酸的種類1、脫氧核糖核酸（DNA，細胞核）Deoxyribonucleic Acid2、核糖核酸（RNA，胞質） Ribonucleic AcidNext 脫氧核糖核酸（DNA）vDNA為雙鏈分子，其中大多數是線形結構大分子，也有少部分呈環(huán)狀結構，Next 核糖核酸（RNA）vRNA主要是負責DNA遺傳信息的翻譯和表達，分子量要比DNA小得多。RNA為單鏈分子。v根據RNA的功能，可以分為lmRNA、tRNA和rRNA三種l其它lRNA病毒

4、：SARS 。Next mRNA、tRNA和rRNAvmRNAmRNA：占全部RNA的5%，可以作為合成蛋白質的直接模板。vtRNAtRNA：占全部RNA的16%，在蛋白質合成中起轉運AA的功能。vrRNArRNA：占全部RNA的80%，是構成核糖體的成分，原核細胞中有5S、16S、28S三種，真核細胞中有5S、5.8S、18S、28S四種。v S為沉降系數（sedimentation coefficient），當用超速離心測定一個粒子的沉淀速度時，此速度與粒子的大小直徑成比例。5S含有120個核苷酸，16S含有1540個核苷酸，而23S含有2900個核苷酸。而真核生物有4種rRNA，它們分子

5、大小分別是5S、5.8S、18S和28S，分別具有大約120、160、1900和4700個核苷酸。 返回第二節(jié)第二節(jié) 核酸的化學組成核酸的化學組成一、核酸的元素組成二、核酸的基本組成單位核苷酸一、核酸的元素組成v組成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；v其中P 的含量比較穩(wěn)定，占9%-10%，通過測定P 的含量來推算核酸的含量（定磷法）。 vDNA平均含磷量為9.9%，RNA為9.4%。v任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。二、核酸的基本組成單位-核苷酸1、嘌呤和嘧啶堿基2、稀有堿基3、戊糖4、核苷5、核苷酸1、嘌呤堿和嘧啶堿、嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌

6、呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鳥嘌呤 guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式 核酸中核酸中也存在一些也存在一些不常見的稀不常見的稀有堿基。稀有堿基。稀有堿基的種有堿基的種類很多，大類很多，大部分是上述部分是上述堿基的甲基堿基的甲基化產物?；a物。2 2、稀有堿基、稀有堿基對核酸的生物功能有重要作用對核酸的生物功能有重要作用3、戊糖結構OHHOHHOHOH

7、HHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為-D-核糖。4、核苷結構胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2糖與堿基之間的糖與堿基之間的C-N鍵，稱為鍵，稱為C-N糖苷鍵。糖苷鍵。11119911核苷的種類vDNA中的脫氧核苷：dA、dG、dC、dT；vRNA中的核苷：A、G、C、U。OHOH2COHOHOH12345核 糖OHO

8、H2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）5、核苷酸v核苷酸結構v核苷酸種類v核苷三磷酸v環(huán)化腺苷酸1）、核苷酸結構OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脫氧核糖核苷酸5533磷酸與核苷磷酸與核苷5位位-OH脫水形成磷酸酯鍵脫水形成磷酸酯鍵2）、核苷酸種類vRNA 中含有 腺苷酸 AMP， 鳥苷酸 GMP，胞苷酸 CMP， 尿苷酸 UMP， vDNA 中含有 脫氧腺苷酸 dAMP脫氧鳥苷酸 dGMP脫氧胞苷酸 dCMP脫氧胸苷酸 dTMP3）、核苷三磷酸ATP的結構

9、細胞中的核苷細胞中的核苷三磷酸都是高三磷酸都是高能磷酸化合物。能磷酸化合物。如：如：dGTPdGTP、GTPGTP等。等。4）、環(huán)化腺苷酸-cAMP的結構vATP在腺苷酸環(huán)化酶作用下脫去焦磷酸形成cAMP。哺乳動物體內的激素很多是通過cAMP起作用的， 因此， cAMP被稱為第二信使。v體內重要的環(huán)化核苷酸有3，5-環(huán)化腺苷酸（ cAMP）和3，5-環(huán)化鳥苷酸（ cGMP）；它們不是核酸的組成成分，而是重要的調節(jié)物質。第三節(jié) 核酸的分子結構一、磷酸二酯鍵與多核苷酸鏈二、二、DNA的分子結構三、三、RNA的分子結構 一、3，5磷酸二酯鍵RNADNA磷酸二磷酸二酯鍵酯鍵堿基堿基堿基堿基5末末端端3

10、末末端端多核苷酸鏈注意鏈的方向性注意鏈的方向性3末端末端5末端末端二、DNA的分子結構1. DNA的分子大小與形狀2. DNA的一級結構3. DNA的二級結構1)B型型2)Z型型3)A型型4. DNA的三級結構5. 基因的特點1、 DNA的分子大小與形狀1) DNA的分子大小取決于組成 DNA的堿基對（bp或kb)的數目2) DNA遠遠大于蛋白質的分子3) 原核：雙鏈環(huán)狀原核：雙鏈環(huán)狀DNADNA（dcDNAdcDNA）病毒：單鏈環(huán)狀病毒：單鏈環(huán)狀DNADNA（scDNAscDNA） 單鏈線性單鏈線性DNADNA（ssDNAssDNA） 4）DNA大小的計算DNA分子量=核苷酸對的平均分子量核

11、苷酸對 數目DNA分子長度=核苷酸對之間的軸距核苷酸對數目核苷酸對數目= DNA分子量核苷酸對的平均分子量2、DNA的一級結構1.概念：DNA多核苷酸鏈中脫氧核苷酸的組成和排列 順序為DNA一級結構。2.也可指DNA分子中堿基的順序。3.DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變萬化的不同排列組合之中。（如：4n）4）DNA一級結構的表示方法PP5335PP53P53ACGT5PAPCPGPCPTPGPTPAOH 3 5 PACGCTGTAOH 3a 、線條線條式縮式縮寫寫b、字母式縮寫字母式縮寫 OH5）Chargaff定則（1950s

12、,E. Chargaff發(fā)現）I.I. DNADNA堿基組成符合：堿基組成符合：A+G=T+CA+G=T+CII.II.不對稱比率：不對稱比率：A+T/G+CA+T/G+C；物種不同，物種不同，DNADNA堿基堿基組成不同，物種親緣愈接近，堿基組成也愈組成不同，物種親緣愈接近，堿基組成也愈接近，該比率越相近似。接近，該比率越相近似。III.III.具有種的特異性，沒有器官和組織的特異性，具有種的特異性，沒有器官和組織的特異性，年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNADNA的堿的堿基組成?；M成。3、 DNA的二級結構qWatson 和 Crick 于1953年提出

13、了DNA 雙螺旋結構模型，說明了DNA 的二級結構。（即B型DNA）DNA雙螺旋結構模型要點（1）q螺旋中的兩條鏈反向平行，即其中一條鏈的方向為53，而另一條鏈的方向為35，兩條鏈共同圍繞一個假想的中心軸呈右手雙螺旋結構。 DNA雙螺旋結構模型要點（2） 疏水的堿基位于雙螺旋疏水的堿基位于雙螺旋的內側，親水的磷酸和脫氧的內側，親水的磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側。堿基核糖基位于螺旋外側。堿基平面與螺旋軸垂直，脫氧核平面與螺旋軸垂直，脫氧核糖平面與堿基與中心軸平行。糖平面與堿基與中心軸平行。由于幾何形狀的限制，堿基由于幾何形狀的限制，堿基對只能由嘌呤和嘧啶配對，對只能由嘌呤和嘧啶配對，即即A A與

14、與T T，G G與與C C。這種配對關這種配對關系，稱為系，稱為堿基互補堿基互補。2.0 nm小小溝溝大大溝溝A和T之間形成兩個氫鍵， G與C之間形成三個氫鍵。DNA雙螺旋結構模型要點（3）q由于堿基對排列的由于堿基對排列的方向性，使得堿基方向性，使得堿基對占據的空間是不對占據的空間是不對稱的，因此，在對稱的，因此，在雙螺旋的表面形成雙螺旋的表面形成大小兩個凹槽，分大小兩個凹槽，分別稱為別稱為大溝和小溝，大溝和小溝，二者交替出現，作二者交替出現，作用于用于DNADNA和蛋白質的和蛋白質的相互識別。相互識別。2.0 nm小小溝溝大大溝溝DNA雙螺旋結構模型要點（4）q雙螺旋橫截面的雙螺旋橫截面的

15、直徑直徑約約為為2 nm2 nm，相鄰兩個堿基相鄰兩個堿基平面之間的距離（平面之間的距離（軸距軸距）為為0.34 nm0.34 nm，每每1010個核苷個核苷酸形成一個螺旋，其酸形成一個螺旋，其螺螺距距（即螺旋旋轉一圈）（即螺旋旋轉一圈）的高度）為的高度）為3.43.4 nm nm。2.0 nm小小溝溝大大溝溝DNA雙螺旋結構模型要點（5）q兩條鏈借堿基之間的氫鍵和堿基堆積力（即堿基之間的范德華力），主鏈上帶負電的磷酸與溶液陽離子之間的離子鍵牢固的連接起來，維持DNA雙螺旋的三維結構。q兩條鏈是互補關系。A型DNA雙螺旋結構vA型雙螺旋結構是DNA鈉鹽在相對濕度為75%時具有的結構狀態(tài)，B型D

16、NA雙螺旋結構是DNA鈉鹽在相對濕度為92%時具有的結構狀態(tài)，v1979年，A.Rich等人用X射線衍射分析法分析人工合成的DNA小片段晶體時，發(fā)現d(CGCGCG)是左旋的雙螺旋結構，因為磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈“Z”字型，又稱為ZDNA。 Z型DNA雙螺旋結構DNA的B型和A型雙螺旋結構參數B型A型堿基傾角020堿基夾角3632.7堿基對升高0.34nm0.26nm螺距3.32nm2.46nm每螺內堿基數10個11個小溝寬/深0.57/0.75nm1.10/1.35nm大溝寬/深1.17/0.85nm0.27/0.35nmZ-DNA 和B-DNA的主要區(qū)別項目B-DNAZ-DNA螺旋

17、方向右旋左旋每圈核苷酸數10個12個直徑nm2.01.8堿基軸向距離nm0.340.37螺距nm3.44.5繼續(xù)返回A型結構中堿基平面與螺旋主軸不是垂直的，每對堿基的升高較少，堿基間的夾角也小，螺距縮短，兩條多核苷酸鏈繞成一個左手螺旋；糖磷酸骨架鏈的走向呈Z字形；分子外表只有一道溝槽，大溝消失，小溝加深；堿基對在分子軸外側，并構成分子的凸面；雙螺旋體比較細長。4、DNA的三級結構-超螺旋v超螺旋是指雙螺旋進一步扭曲或再螺旋的構象v正超螺旋（變緊）和負超螺旋（變松）v人類46條染色體的DNA總長可達1.7m，經過螺旋化壓縮，實際總長只有200nmv如線粒體DNA、細菌質粒DNA、病毒DNADNA

18、的存在形式-核小體v真核生物中DNA雙螺旋沿著組蛋白八聚體核心的短軸繞1.75圈，形成左手超螺旋，稱核小體。v染色質的基本結構單位是核小體。v串珠狀結構進一步卷曲形成螺線管，后者再進一步卷曲形成超螺旋管，形成染色單體。組蛋白組蛋白八聚體八聚體核小體核小體H1組蛋白組蛋白5、基因和基因組v基因即一段有功能的DNA片段，生物細胞中DNA分子的最小功能單位（交換單位）。v一個細胞或生物體所含的全套基因稱基因組；v基因組計劃：o人類基因組計劃人類基因組計劃（Human Genome Project， HGP ）o酵母基因組計劃酵母基因組計劃 （YGP）三、RNA的分子結構vRNA的分類及特點v原核細胞

19、與真核細胞mRNA結構比較vtRNA的分子結構 1、RNA的分類及特點v堿基組成：A、G、C、U （AU/GC）； 稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解；多為單鏈結構，少數局部形成螺旋（發(fā)夾結構）；分子較小。v信使RNA（ mRNA）v轉運RNA （ tRNA）v核糖體RNA （r RNA） mRNA1.成熟mRNA不含內含子，hnRNA含有。2.mRNA從DNA轉錄遺傳信息，并作為蛋白質合成的模板，決定蛋白質的氨基酸順序。rRNA v與多種蛋白質結合成核糖體與多種蛋白質結合成核糖體v真核細胞真核細胞核糖體大亞基含核糖體大亞基含28S28S、5.8S5.8S、5S5S三種三種rRNArRNA，小亞

20、基只含小亞基只含18S18S一種。一種。tRNAv分子最小。v它在蛋白質生物合成中起翻譯mRNA信息，并將相應的氨基酸轉運到核糖體，參與蛋白質體的合成。v已知每一個氨基酸至少有一個相應的tRNA。2、真核細胞mRNA的一級結構為：AGU起始起始密碼密碼帽狀帽狀結構結構不翻不翻譯區(qū)譯區(qū)翻譯區(qū)翻譯區(qū)UGAUAGUAA不翻不翻譯區(qū)譯區(qū)polyA1) 5端有甲基化的帽，端有甲基化的帽，3端有端有polyA尾巴；尾巴；2) 一般為單順反子結構，即一個一般為單順反子結構，即一個mRNA中只含中只含3) 有一條多肽鏈信息，能指導一個蛋白質的生物有一條多肽鏈信息，能指導一個蛋白質的生物4) 合成；合成；3）m

21、RNA代謝很慢。代謝很慢。next原核細胞mRNA的結構 原核細胞mRNA的結構與真核細胞顯著不同：v5端無帽狀結構，3端不含polyA結構v一般為多順反子結構，即一個mRNA中常含有幾個蛋白質信息，能指導幾個蛋白質的生物合成vmRNA代謝很快。1）tRNA分子的一級結構特點v大多數為76個核苷酸組成的單鏈，沉降系數為4S；v5端為pG，3端為pCCAOH；v有十幾個位置的核苷酸是恒定的；v有較多的修飾核苷酸。3、tRNA分子結構2）tRNA的二級結構特點-三葉草型v3端有一段以-CCA為主的單鏈區(qū)；v大約有50%的核苷酸配對，形成4個雙螺旋區(qū)，稱為臂或莖；v大約有50%的核苷酸不配對，形成4

22、個環(huán)；v不同的tRNA分子在長度上的變化主要發(fā)生在三個區(qū)域： D環(huán)、D莖、額外環(huán)。tRNA的二級結構4莖o氨基酸接受莖、D莖、反密碼子莖、 TC莖；o氨基酸臂包含有tRNA的3-末端和5-末端，由7對核苷酸組成， 5-末端為G，3-末端的最后3個核苷酸殘基都是-C-C-AOH，此結構是tRNA結合活化氨基酸的部位。tRNA的二級結構4環(huán)o反密碼環(huán)o左臂二氫尿嘧啶環(huán)（DHU或D環(huán)）o附加叉（可變環(huán)或額外環(huán)）o右臂TC環(huán)（胸苷T、假尿嘧啶核苷、胞苷C）氨基酸接受臂四環(huán)Go ontRNA的三級結構-倒L型指tRNA的三葉草型結構進一步扭曲折疊形成一種形狀象倒L型字母的三維 結 構 。tRNA倒L型結

23、構的基本特征v氨基酸接受莖和TC莖組成一個螺旋，D莖和反密碼子莖組成另一個螺旋，這兩個螺旋構成了象字母L的形狀；v出現了二級結構所沒有的三級氫鍵，堿基堆積力是穩(wěn)定倒L型結構的主要因素之一；v分子有柔韌性；v在倒L型分子的中部是由D環(huán)、D莖、和可變環(huán)組成的核心區(qū)域。tRNA的三級結構-倒L型第四節(jié) 核酸的性質一、一般物理性質二、核酸的水解三、兩性解離四、紫外吸收性質五、穩(wěn)定性六、變性七、復性與雜交一、一般物理性質1、DNA白色纖維狀固體白色纖維狀固體，RNA白色粉末狀固體，都微溶于水，白色粉末狀固體，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇來沉淀不溶于乙醇，因此常用乙醇來沉淀DNA ； DNA溶液黏

24、度溶液黏度大于大于RNA ；2、 DNA難溶于難溶于0.14mol/L的的NaCl溶液，可溶于溶液，可溶于12 mol/L的的 NaCl溶液，溶液，RNA則相反，可據此分離二者；則相反，可據此分離二者；3、加熱條件下，、加熱條件下， D核糖濃鹽酸苔黑酚核糖濃鹽酸苔黑酚 綠色；綠色； D2脫氧核糖酸二苯胺脫氧核糖酸二苯胺 藍紫色藍紫色二、核酸的水解v核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件下水解切斷。下水解切斷。vDNADNA和和RNARNA對酸或堿的耐受程度有很大差別。對酸或堿的耐受程度有很大差別。室溫條件下，室溫條件下，DNADNA在堿中變性，但不水解，在

25、堿中變性，但不水解，RNARNA水解。例如，在水解。例如，在0.1 mol/L 0.1 mol/L NaOHNaOH溶液中，溶液中，RNARNA幾乎可以完全水解；幾乎可以完全水解；DNADNA在同樣條件下則在同樣條件下則不受影響。不受影響。三、兩性解離v 核酸含酸性的磷酸基團，又含弱堿性的堿核酸含酸性的磷酸基團，又含弱堿性的堿基，為兩性電解質，可發(fā)生兩性解離；基，為兩性電解質，可發(fā)生兩性解離；四、紫外吸收v在核酸分子中嘌呤堿和嘧啶堿都含有共軛雙在核酸分子中嘌呤堿和嘧啶堿都含有共軛雙鍵體系，在鍵體系，在260 nm260 nm有最大吸收值；有最大吸收值；v可以作為區(qū)別蛋白質可以作為區(qū)別蛋白質、對

26、核酸及其組份定性對核酸及其組份定性和定量測定的依據，進行核酸純度鑒定，也和定量測定的依據，進行核酸純度鑒定，也可作為核酸變性和復性的指標。可作為核酸變性和復性的指標。五、DNA的穩(wěn)定性vDNADNA的溶液呈粘稠狀，但實際上的溶液呈粘稠狀，但實際上DNADNA的雙螺旋的雙螺旋結構僵直而有剛性，易斷成碎片，這也是目結構僵直而有剛性，易斷成碎片，這也是目前難以獲得完整大分子前難以獲得完整大分子DNADNA的原因。的原因。v溶液狀態(tài)的溶液狀態(tài)的DNADNA易受易受DNADNA酶作用而降解，抽干酶作用而降解，抽干水分水分的的DNADNA性質十分穩(wěn)定。性質十分穩(wěn)定。1、概念是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間

27、的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。六、DNA的變性2、DNA的變性的條件能夠引起核酸變性的因素有：o溫度升高；o酸堿度改變、 pH（11.3或5.0）；o有機溶劑如甲醛和尿素、甲酰胺等；o低離子強度。3、DNA變性的特征v變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。v變性改變了DNA的二級結構。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構(堿基順序)保持不變。vDNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內完成。 DNA解鏈溫度v紫外吸收值明顯增加，即增色效應。v粘度降低，沉降系數增加。DNA解鏈溫度（熔點， Tm ）v當50% 的DNA變性時的溫度稱為該DNA的解鏈溫度，一般DNA的Tm值在70-85C之間。v均一DNA（如病毒）的Tm值范圍較小。v分子中G和C的含量越高，越不易變性，Tm值越高