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生物奥赛之生物化学重点串讲-----核苷酸与核酸


核苷酸与核酸
Nucleotides and Nucleic Acids
重点内容

核酸通论

脱氧核糖核酸(DNA)

核酸(nucleic acid)

核糖核酸(RNA)

核酸通论
核酸的功能 (一)DNA是主要的遗传物质(携带与传递遗

传信息) 直接证据:
? 肺炎双球菌转化实验 ? 噬菌体感染实验 ? DNA双螺旋结构模型

核酸通论
(二)RNA功能的多样性(参与遗传信息的表达、调
节遗传信息的表达、催化功能。。。。。。。)

? tRNA
? rRNA

? mRNA
? 其他的RNA

核酸的结构
一、核酸的组成
核 酸(nucleic acid)

核苷酸(nucleotide) 磷酸(phosphoric acid) 核苷(nucleoside)

或核糖

戊糖(pentose)

碱基(base)

核酸的结构

核糖核酸
(RNA)

核糖核苷酸 (ribonucleotide)

脱氧核糖核酸 (DNA)

脱氧核糖核苷酸 (deoxyribonucleotide)

核酸的结构
两类核苷酸的基本化学组成
核糖核苷酸
戊糖 碱基 核糖(D-ribose) 腺嘌呤(adenine)、 鸟嘌呤(guanine)、 胞嘧啶(cytosine)、 尿嘧啶(uracil) phosphoric acid

脱氧核糖核苷酸
脱氧核糖(D-2deoxyribose) 腺嘌呤(adenine)、 鸟嘌呤(guanine)、 胞嘧啶(cytosine)、 胸腺嘧啶(thymine) phosphoric acid

组 成

磷酸

核酸的结构

? 核糖与碱基之间通过N-(?-)糖苷键相连,形成 核苷;

? 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化,形成核苷酸, 核苷与磷酸之间主要通过5’-磷酸酯键相连。

核酸的结构

5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 4’

5’ 1’ 3’ 2’

(OH)

(OH)

嘧啶核苷

嘌呤核苷

核酸的结构
构成DNA的核苷酸:5’-脱氧核苷酸

核酸的结构
构成RNA的核苷酸:5’-核苷酸

核酸的结构
二、核酸的共价结构
? 核酸( DNA 与 RNA )是核苷酸聚合成的生物大分子,
无分支结构。

? 核酸的共价结构就是核酸的一级结构,通常指核酸
的核苷酸序列。

核酸的结构
? DNA与RNA均以3',5'-磷酸二酯键连接核苷酸。

核酸的结构
DNA一级结构的特点

? 无分支的线形或环形链;
? DNA链很长,分子量很大,编码巨大的信息量; ? 真核生物与原核生物具有不同的特性

核酸的结构
RNA一级结构的特点 ? 无分支的线形链; ? 不同种类具有不同结构:
RNA种类
原核mRNA

碱基组成
无修饰碱基

3'端
有一段非 翻译区 有poly(A)

5'端
有一段 非翻译 区 有5'端 帽子

其他特点
有多顺反子 mRNA

真核mRNA

有修饰碱基

单顺反子

核酸的结构
三、DNA的三维空间结构
? 二级结构:DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成

的双螺旋(double helix)结构。
? 三级结构:DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。

? 四级结构:DNA与蛋白质的复合体结构

核酸的结构
(一)DNA的二级结构

1953年,Watson和Crick 根据Chargaff 规律和 DNA钠盐纤维的X光衍射 结果提出了DNA的双螺

旋结构模型。

核酸的结构
Watson-Crick双螺旋结构模型
? 两条反向平行(一条5’→3’,另一条3’→5’)的多核

苷酸链绕同一中心轴相互缠绕,形成右手双股螺旋。

核酸的结构

? 碱基 位于 双螺 旋的 内侧 ,

磷酸与脱氧核糖在双螺
旋 外 侧 , 构 成 DNA 分 子 的骨架;外部亲水,内

部疏水。

核酸的结构
? 碱基平面接近与纵轴垂直,糖环的平面接近与纵轴
平行。

核酸的结构
? 双螺旋是一种 有规律的结构
平均直径 螺距 每旋转一周的核 苷酸数目 碱基堆积距离 相邻核苷酸夹角 2 nm 3.4 nm 10 0.34 nm 36o
2.0 nm

核酸的结构
? 大沟与小沟。

核酸的结构
? 两条链依靠碱基之间形成的氢键结合在一起。

碱基配对 原则: A-T

G- C

核酸的结构
稳定双螺旋结构的因素
①碱基堆积力(base-stacking interactions) 疏水作用+范德华力 ②碱基配对的氢键。GC含量越多,双螺旋越稳定。

核酸的结构

? 碱基在一条链上的排

列顺序不受任何影响;
但是根据碱基配对原则, 当一条链的序列被确定 后,即可决定另一条互 补链的序列。

核酸的结构
(二)DNA的三级结构
? DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象

? 包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构
单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征

? 超螺旋(supercoil)是DNA三级结构的主要形式

核酸的结构
超螺旋的功能
?超螺旋有助于DNA在细胞内的包装; ?负超螺旋易于解链,有利于DNA的复制、重组和转录 等过程的进行; ?生物体内可通过调节DNA的拓扑结构来调节其功能。

核酸的结构
(三)DNA与蛋白质复合物的结构(四级结构)
病毒:类型多样(环状双链、线型双链、线型单链、环状单链)
原核:环状双链分子,集中于核区,包括DNA与质粒DNA 真核:细胞核DNA-线型双链分子,与组蛋白等形成染色体 (chromosome)
细胞器DNA-环状双链分子,一般裸露

核酸的结构

染色体DNA组装不同层次的结构

核酸的结构
四、RNA的结构
? RNA通常是单链线型分子 ? RNA可自身回折形成局部双螺旋(二级结构),并进一 步折叠形成三级结构 ? RNA可与蛋白质形成核蛋白复合体(四级结构,例如核 糖体)

核酸的结构
tRNA的高级结构
? 三叶草形二级结构:茎+环

? 倒L形三级结构

核酸的结构
? 维系tRNA三级结构的因素:氢键、碱基堆积力 ? tRNA分子功能:转运氨基酸 ? tRNA分子具有与其功能相适应的柔韧性。

核酸的理化性质

? 核酸的水解 ? 核酸的酸碱性质

? 核酸的紫外吸收
? 核酸的变性和复性

核酸的理化性质
一、核酸的水解
? 对酸的敏感性:糖苷键>磷酸酯键,脱氧核糖>核糖

? RNA的磷酸酯键对碱敏感,DNA抗碱水解(生理意义)
? 酶水解:酶的专一性;限制性内切酶(特点、应用)

核酸的理化性质
二、核酸的酸碱性质
? 碱基、核苷与核苷酸均能发生解离
? 核苷酸与核酸的磷酸基具有酸性,碱基具有碱性,因

此核苷酸与核酸具有两性解离的性质。
? 核苷酸与核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性,其等 电点偏低(等电点的应用)

核酸的理化性质
三、核酸的紫外吸收
? 嘌呤碱与嘧啶碱具有共轭双键,使碱基、核苷、核苷 酸和核酸在240-290nm的紫外波段有强烈的光吸收 ? λmax≈260nm

核酸的理化性质
? 紫外吸收光谱的应用 ? 鉴定纯度 ? 核苷酸与核酸含量计算 ? 判断变性(增色效应、减色效应)
在DNA的变性过程中,? (P)值增大(增色效应,hyperchromic effect)

在DNA的复性过程中,? (P)值减小(减色效应,hypochromic effect)

核酸的理化性质

四、核酸的变性、复性及杂交
(一)变性(denaturation)

核酸双螺旋区的氢键断裂,变成单链,不涉及
共价键断裂。

核酸的理化性质
? 熔解温度(Tm):
? 加热变性使 DNA 的双螺旋

结构失去一半时的温度。

? 影响DNA的Tm值的因素
melting temperature

核酸的理化性质
(二)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,这一过程称为复性。

? 影响DNA复性的因素 ? 降温速率,负效应(热变性的DNA在缓慢冷却的条 件下可以复性,称为退火-annealing)

核酸的理化性质
(三) 分子杂交(hybridization)
? 在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA

单链分子(与原DNA具有序列互补性),去掉变性
条件后复性形成双螺旋结构的过程。

核酸的理化性质
?分子杂交的种类
? Southern Blotting:检测DNA ? Northern Blotting:检测RNA

核酸的研究方法(结束)
核酸的研究方法
? 核酸的分离纯化和定量测定 ? 核酸的离心分析

? 核酸的凝胶电泳
? 核酸的测序

? PCR
? DNA的化学合成

核酸的研究方法
核酸的分离纯化
要点: ? 利用各种核酸的特性选择合适的纯化方法(注意 掌握原理); ? 抑制核酸酶的作用,防止核酸的降解和变性。

核酸的研究方法
核酸含量的测定
? 紫外分光光度法

50 ?g/ml 双螺旋DNA A260=1 40 ?g/ml 单链DNA/RNA 20 ?g/ml 寡核苷酸

核酸的研究方法
核酸的凝胶电泳

琼脂糖凝胶电泳分离核酸 并测定DNA分子量

核酸的研究方法
核酸测序

双脱氧终止法测定DNA序列

核酸的研究方法
DNA聚合酶链反应(PCR) PCR:体外扩增DNA的技术
?必备条件 ?核心反应(原理) ?核心技术 ?核心酶


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