生物奧賽之生物化學重點串講-----核苷酸與核酸

1、重點內(nèi)容重點內(nèi)容核苷酸與核酸核苷酸與核酸 Nucleotides and Nucleotides and Nucleic AcidsNucleic Acids核酸通論核酸通論脫氧核糖核酸（脫氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（核糖核酸（RNA）核酸（核酸（nucleic acid）核酸的功能核酸的功能（一）（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)（攜帶與傳遞遺是主要的遺傳物質(zhì)（攜帶與傳遞遺傳信息）傳信息）核酸通論核酸通論直接證據(jù)：直接證據(jù)： 肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗 噬菌體感染實驗噬菌體感染實驗 DNA雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型（二）（二）RNA功能的多樣性功能的多樣性（參與遺傳信息的表達、調(diào)（參

2、與遺傳信息的表達、調(diào)節(jié)遺傳信息的表達、催化功能。）節(jié)遺傳信息的表達、催化功能。）tRNArRNAmRNA其他的其他的RNA核酸通論核酸通論核核 酸（酸（nucleic acid）核苷酸（核苷酸（nucleotide） 磷酸（磷酸（phosphoric acid）核苷（核苷（nucleoside）戊糖（戊糖（pentose）堿基（堿基（base）一、核酸的組成一、核酸的組成核酸的結構核酸的結構或核糖或核糖核糖核苷酸核糖核苷酸（ribonucleotide）脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸（DNA）脫氧核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）核酸的結構核酸的結構核糖核酸核糖核酸（

3、RNA）兩類核苷酸的基本化學組成兩類核苷酸的基本化學組成核糖核苷酸核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸組組成成戊糖戊糖核糖（核糖（D-ribose）脫氧核糖（脫氧核糖（D-2-deoxyribose）堿基堿基腺嘌呤（腺嘌呤（adenine）、）、鳥嘌呤（鳥嘌呤（guanine）、）、胞嘧啶（胞嘧啶（cytosine）、）、尿嘧啶（尿嘧啶（uracil）腺嘌呤（腺嘌呤（adenine）、）、鳥嘌呤（鳥嘌呤（guanine）、）、胞嘧啶（胞嘧啶（cytosine）、）、胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（thymine）磷酸磷酸phosphoric acidphosphoric acid核酸的結構核酸的結構核酸

4、的結構核酸的結構 核糖與堿基之間通過核糖與堿基之間通過N-( -)糖苷鍵相連，形成糖苷鍵相連，形成核苷；核苷； 核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷與磷酸之間主要通過核苷與磷酸之間主要通過5-磷酸酯鍵相連。磷酸酯鍵相連。核酸的結構核酸的結構嘧啶核苷嘧啶核苷嘌呤核苷嘌呤核苷(OH)(OH)構成構成DNA的核苷酸：的核苷酸：55脫氧核苷脫氧核苷酸酸核酸的結構核酸的結構構成構成RNA的核苷酸：的核苷酸：55核苷酸核苷酸核酸的結構核酸的結構二、核酸的共價結構二、核酸的共價結構l核酸（核酸（DNA與與RNA）是核苷酸聚合成的生物大分子，）是核苷酸聚合成的生

5、物大分子，無分支結構。無分支結構。l核酸的共價結構就是核酸的一級結構，通常指核酸核酸的共價結構就是核酸的一級結構，通常指核酸的核苷酸序列。的核苷酸序列。核酸的結構核酸的結構lDNA與與RNA均以均以3,5-3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接核苷酸。連接核苷酸。核酸的結構核酸的結構DNA一級結構的特點一級結構的特點無分支的線形或環(huán)形鏈；無分支的線形或環(huán)形鏈；DNA鏈很長，分子量很大，鏈很長，分子量很大，編碼巨大的信息量編碼巨大的信息量；真核生物與原核生物具有不同的特性真核生物與原核生物具有不同的特性核酸的結構核酸的結構RNA一級結構的特點一級結構的特點無分支的線形鏈；無分支的線形鏈；不同種類具有不

6、同結構：不同種類具有不同結構：核酸的結構核酸的結構RNA種類種類堿基組成堿基組成3端端5端端其他特點其他特點原核原核mRNA無修飾堿基無修飾堿基有一段非有一段非翻譯區(qū)翻譯區(qū)有一段有一段非翻譯非翻譯區(qū)區(qū)有多順反子有多順反子mRNA真核真核mRNA有修飾堿基有修飾堿基有有poly(A)有有5端端帽子帽子單順反子單順反子三、三、DNA的三維空間結構的三維空間結構l二級結構：二級結構：DNA的兩條多聚核苷酸鏈間通過氫鍵形成的兩條多聚核苷酸鏈間通過氫鍵形成的雙螺旋（的雙螺旋（double helix）結構。）結構。l三級結構：三級結構：DNA雙鏈進一步折疊卷曲形成的構象。雙鏈進一步折疊卷曲形成的構象。l

7、四級結構：四級結構：DNA與蛋白質(zhì)的復合體結構與蛋白質(zhì)的復合體結構核酸的結構核酸的結構（一）（一）DNA的二級結構的二級結構核酸的結構核酸的結構1953年，年，Watson和和Crick根據(jù)根據(jù)Chargaff 規(guī)律和規(guī)律和DNA鈉鹽纖維的鈉鹽纖維的X光衍射光衍射結果提出了結果提出了DNA的雙螺的雙螺旋結構模型。旋結構模型。Watson-Crick雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型核酸的結構核酸的結構 兩條反向平行（一條兩條反向平行（一條53，另一條，另一條35）的多核）的多核苷酸鏈繞同一中心軸相互纏繞，形成右手雙股螺旋。苷酸鏈繞同一中心軸相互纏繞，形成右手雙股螺旋。核酸的結構核酸的結構堿基位于雙螺

8、旋的內(nèi)側，堿基位于雙螺旋的內(nèi)側，磷酸與脫氧核糖在雙螺磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側，構成旋外側，構成DNA分子分子的骨架；外部親水，內(nèi)的骨架；外部親水，內(nèi)部疏水。部疏水。核酸的結構核酸的結構堿基平面接近與縱軸垂直，糖環(huán)的平面接近與縱軸堿基平面接近與縱軸垂直，糖環(huán)的平面接近與縱軸平行。平行。核酸的結構核酸的結構 雙螺旋是一種雙螺旋是一種有規(guī)律的結構有規(guī)律的結構平均直徑平均直徑2 nm螺距螺距3.4 nm每旋轉(zhuǎn)一周的核每旋轉(zhuǎn)一周的核苷酸數(shù)目苷酸數(shù)目10堿基堆積距離堿基堆積距離0.34 nm相鄰核苷酸夾角相鄰核苷酸夾角36o2.0 nm核酸的結構核酸的結構 大溝與小溝。大溝與小溝。核酸的結構核酸的結構

9、兩條鏈依靠堿基之間形成的氫鍵結合在一起。兩條鏈依靠堿基之間形成的氫鍵結合在一起。堿基配對堿基配對原則：原則：AT GC穩(wěn)定雙螺旋結構的因素穩(wěn)定雙螺旋結構的因素堿基堆積力堿基堆積力（base-stacking interactions）疏水作用范德華力疏水作用范德華力堿基配對的氫鍵。堿基配對的氫鍵。GC含量越多，雙螺旋越穩(wěn)定。含量越多，雙螺旋越穩(wěn)定。核酸的結構核酸的結構核酸的結構核酸的結構l 堿基在一條鏈上的排堿基在一條鏈上的排列順序不受任何影響；列順序不受任何影響；但是根據(jù)堿基配對原則，但是根據(jù)堿基配對原則，當一條鏈的序列被確定當一條鏈的序列被確定后，即可決定另一條互后，即可決定另一條互補鏈的

10、序列。補鏈的序列。(二）二）DNA的三級結構的三級結構lDNA在雙螺旋的基礎上通過扭曲和折疊形成的構象在雙螺旋的基礎上通過扭曲和折疊形成的構象l包括不同二級結構單元間的相互作用、單鏈與二級結構單包括不同二級結構單元間的相互作用、單鏈與二級結構單元間的相互作用以及元間的相互作用以及DNA的拓撲特征的拓撲特征l超螺旋（超螺旋（supercoil）是）是DNA三級結構的主要形式三級結構的主要形式核酸的結構核酸的結構核酸的結構核酸的結構超螺旋的功能超螺旋的功能超螺旋有助于超螺旋有助于DNA在細胞內(nèi)的包裝；在細胞內(nèi)的包裝；負超螺旋易于解鏈，有利于負超螺旋易于解鏈，有利于DNA的復制、重組和轉(zhuǎn)錄的復制、重

11、組和轉(zhuǎn)錄等過程的進行；等過程的進行；生物體內(nèi)可通過調(diào)節(jié)生物體內(nèi)可通過調(diào)節(jié)DNA的拓撲結構來調(diào)節(jié)其功能。的拓撲結構來調(diào)節(jié)其功能。（三）（三）DNA與蛋白質(zhì)復合物的結構（四級結構）與蛋白質(zhì)復合物的結構（四級結構）核酸的結構核酸的結構病毒：病毒：類型多樣（環(huán)狀雙鏈、線型雙鏈、線型單鏈、環(huán)狀單鏈）類型多樣（環(huán)狀雙鏈、線型雙鏈、線型單鏈、環(huán)狀單鏈）原核：原核：環(huán)狀雙鏈分子，集中于核區(qū)，包括環(huán)狀雙鏈分子，集中于核區(qū)，包括DNA與質(zhì)粒與質(zhì)粒DNA真核真核：細胞核細胞核DNA線型雙鏈分子，與組蛋白等形成線型雙鏈分子，與組蛋白等形成染色體染色體（chromosome） 細胞器細胞器DNA環(huán)狀雙鏈分子，一般裸露環(huán)

12、狀雙鏈分子，一般裸露 染色體染色體DNA組裝不同層次的結構組裝不同層次的結構核酸的結構核酸的結構核酸的結構核酸的結構四、四、RNA的結構的結構l RNA通常是單鏈線型分子通常是單鏈線型分子l RNA可自身回折形成局部雙螺旋（二級結構），并進一可自身回折形成局部雙螺旋（二級結構），并進一步折疊形成三級結構步折疊形成三級結構l RNA可與蛋白質(zhì)形成核蛋白復合體（四級結構，例如核可與蛋白質(zhì)形成核蛋白復合體（四級結構，例如核糖體）糖體）tRNA的高級結構的高級結構 l三葉草形二級結構：莖環(huán)三葉草形二級結構：莖環(huán)l倒倒L形三級結構形三級結構 核酸的結構核酸的結構核酸的結構核酸的結構l 維系維系tRNA三

13、級結構的因素：氫鍵、堿基堆積力三級結構的因素：氫鍵、堿基堆積力l tRNA分子功能：轉(zhuǎn)運氨基酸分子功能：轉(zhuǎn)運氨基酸l tRNA分子具有與其功能相適應的柔韌性。分子具有與其功能相適應的柔韌性。l 核酸的水解核酸的水解l 核酸的酸堿性質(zhì)核酸的酸堿性質(zhì)l核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收l核酸的變性和復性核酸的變性和復性核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的水解一、核酸的水解l對酸的敏感性：糖苷鍵磷酸酯鍵，脫氧核糖核糖對酸的敏感性：糖苷鍵磷酸酯鍵，脫氧核糖核糖lRNA的磷酸酯鍵對堿敏感，的磷酸酯鍵對堿敏感，DNA抗堿水解（生理意義）抗堿水解（生理意義）l酶水解：酶的專一性；限制性內(nèi)切酶（特點、應用）酶水解

14、：酶的專一性；限制性內(nèi)切酶（特點、應用）核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)二、核酸的酸堿性質(zhì)二、核酸的酸堿性質(zhì)l堿基、核苷與核苷酸均能發(fā)生解離堿基、核苷與核苷酸均能發(fā)生解離l核苷酸與核酸的磷酸基具有酸性，堿基具有堿性，因核苷酸與核酸的磷酸基具有酸性，堿基具有堿性，因此核苷酸與核酸具有兩性解離的性質(zhì)。此核苷酸與核酸具有兩性解離的性質(zhì)。l核苷酸與核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等核苷酸與核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等電點偏低（等電點的應用）電點偏低（等電點的應用）核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)三、核酸的紫外吸收三、核酸的紫外吸收核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)l 嘌呤堿與嘧啶堿具有共軛雙鍵，使堿基

15、、核苷、核苷嘌呤堿與嘧啶堿具有共軛雙鍵，使堿基、核苷、核苷酸和核酸在酸和核酸在240290nm的紫外波段有強烈的光吸收的紫外波段有強烈的光吸收l max260nml紫外吸收光譜的應用紫外吸收光譜的應用鑒定純度鑒定純度核苷酸與核酸含量計算核苷酸與核酸含量計算判斷變性（判斷變性（增色效應、減色效應增色效應、減色效應）核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)在在DNA的變性過程中，的變性過程中， (P)值值增大（增色效應，增大（增色效應，hyperchromic effect）在在DNA的復性過程中，的復性過程中， (P)值值減小（減色效應，減小（減色效應，hypochromic effect）四、核酸的變性、

16、復性及雜交四、核酸的變性、復性及雜交核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)( (一一) )變性（變性（denaturation）核酸雙螺旋區(qū)的核酸雙螺旋區(qū)的氫鍵氫鍵斷裂，變成單鏈，不涉及斷裂，變成單鏈，不涉及共價鍵共價鍵斷裂。斷裂。l熔解溫度（熔解溫度（Tm）：）：加熱變性使加熱變性使DNA的雙螺旋的雙螺旋結構失去一半時的溫度。結構失去一半時的溫度。核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)melting temperaturel影響影響DNA的的Tm值的因素值的因素( (二二) )復性復性核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)l變性變性DNA在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合

17、成為雙螺旋結構，這一過程稱為復性。重新締合成為雙螺旋結構，這一過程稱為復性。l影響影響DNA復性的因素復性的因素降溫速率，負效應（熱變性的降溫速率，負效應（熱變性的DNA在緩慢冷卻的條件在緩慢冷卻的條件下可以復性，稱為退火下可以復性，稱為退火annealing）( (三三) ) 分子雜交（分子雜交（hybridization）核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)l在變性的在變性的DNA溶液中加入外源溶液中加入外源DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA單鏈分子（與原單鏈分子（與原DNA具有序列互補性），去掉變性具有序列互補性），去掉變性條件后復性形成雙螺旋結構的過程。條件后復性形成雙螺旋結構的過程。核酸的理化

18、性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)l分子雜交的種類分子雜交的種類Southern Blotting：檢測：檢測DNANorthern Blotting：檢測：檢測RNA核酸的研究方法核酸的研究方法l 核酸的分離純化和定量測定核酸的分離純化和定量測定l 核酸的離心分析核酸的離心分析l 核酸的凝膠電泳核酸的凝膠電泳l 核酸的測序核酸的測序l PCRl DNA的化學合成的化學合成核酸的研究方法（結束）核酸的研究方法（結束）核酸的分離純化核酸的分離純化要點：要點：l 利用各種核酸的特性選擇合適的純化方法（注意利用各種核酸的特性選擇合適的純化方法（注意掌握原理）；掌握原理）；l 抑制核酸酶的作用，防止核酸的降解和變性。抑制核酸酶的作用，防止核酸的降解和變性。核酸的研究方法核酸的研究方法核酸含量的測定核酸含量的測定l紫外分光光