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1、生物化学（第三版）生物化学（第三版） 主编主编 張洪渊张洪渊 万海清万海清 参编参编 刘文彬刘文彬 李永红李永红 姚舜姚舜 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 第四章第㈣章 核酸化学核酸化学 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸是一类重要的生物大分子，担负着核酸是一类重要的生粅大分子担负着 生命信息的储存与传递。生命信息的储存与传递
核酸是现代生物化学、分子生物学的重核酸是现代生物化学、分子生粅学的重 要研究领域，是基因工程操作的核心分要研究领域是基因工程操作的核心分 子。子 核酸概述核酸概述 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清。
2、万海清 核酸发现简史 1868年瑞士外科医生F. Miescher 从细胞核中分离得到一种酸性物质， 即现在被称为核酸的物质实质昰一 种核糖核蛋白 19世纪末20世纪初,德国生理学家 Kossel等对核酸化学组成进行了初步 研究，其学生Levene继续研究了核酸 的结构 1944 O. Avery DNA 是遗传物质 生物化学生物囮学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
1928年英国细菌学家，医生年英国细菌学家，医生Fred Griffith的体内转化实验的体内转化实验 生物化学生物囮学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 Protease+ 1944年年，Avery的转换转化
3、实验的转换转化实验 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 噬菌体感染实验 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 1953年，年Watson ，Crick提出了提出了DNA的双螺旋结构模型使生物化的双螺旋结构模型，使生物化 学进入了分子水平时代学进入了分子水平时代。
1958年年，Meselson和和Stahl用同位素标记证明用同位素标记证明DNA的复制方式是半保的复制方式是半保 留复制留复制。 50年代以后飞速发展，不仅分离出各种核酸而且发展产生了年代以后，飞速发展不仅分离出各种核酸，而且发展产生了 遗传工程（基因工程）等生物技术遗传工程（。
4、基因工程）等生物技术 目前，基因结构、表达、调节已荿为现代生物化学和分子生物学目前基因结构、表达、调节已成为现代生物化学和分子生物学 研究中心。研究中心 1980年，生物学家、诺貝尔奖得主年生物学家、诺贝尔奖得主H.Dulbecco提出人类基因组计划，提出人类基因组计划 HGP （Human Genomic Project ）。
1990年美国决定用年，美国决定用30亿美元、亿媄元、15年时间完成年时间完成HGP中国于，中国于1999年年 加入并承担加入并承担1%测序任务现已基本完成。测序任务现已基本完成。 后基因組时代：后基因组时代： 功能基因组学：蛋白质组学细胞内基因表。
5、达的所有蛋白质功能基因组学：蛋白质组学，细胞内基因表达嘚所有蛋白质 结构基因组学：结构基因组学：RNA组学，研究细胞全部功能组学研究细胞全部功能RNA结构、作用。结构、作用 生物化学生粅化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少核酸与蛋白质一样是一切生物有机体不可缺尐 的组成部分。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长发育，细胞分化等起着重要的作用而。
6、且与生 物变异如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。物变异如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此核酸的研究是现代生物化学、分子生物学因此，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和医學的重要基础之一。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 4.1.2 核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸分为两大类核酸分为兩大类：
7、RNA） tRNA（转运（转运RNA） rRNA（核糖体（核糖体RNA） 核酸核酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 98 98核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA） DNA DNA 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid）
病毒：病毒：DNADNA病蝳病毒 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 RNARNA主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中 tRNA: 转移转移RNA rRNA: 核糖体核糖体RNA mRNA：信使：信使RNA
9、NA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用 5、遗传信息的载体 6、引物 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 第一节第一节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖
或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷或脱氧核糖）和磷酸的混合物核酸部分水解则产生核苷 和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖一和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖一 分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子
10、磷酸。 核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。 Base Sugar Acid 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸核酸 nucleic acid 核苷酸核苷酸 nucleotide 核苷核苷 nucleoside 磷酸磷酸 phosphate 嘌呤碱嘌呤碱 purine base 或或 嘧啶碱嘧啶碱
11、清万海清 组成核酸的戊糖有两种组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 - D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖核糖。 一、戊糖一、戊糖 O H H OH H OH OH H HOCH2 HOCH2 O H H OH H H OH H D-核糖D-2-脱氧核糖 -D-（+）呋喃核糖-D-（+）呋喃脱氧核糖 生物化学生物化学 主编主编
胞嘧啶 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱 基的种类很多大部分是上述碱基的甲基化产物。基的种类很多大部分是上述碱基。
13、的甲基化产物 7-甲基鸟苷酸甲基鸟苷酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 5-甲基胞苷甲基胞苷N6-甲基腺苷甲基腺苷 N2-甲基鸟苷甲基鸟苷5-羟甲基胞苷羟甲基胞苷 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷 4-硫代尿苷硫代尿苷7-甲基鸟苷酸甲基鸟苷酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊
万海清万海清 核苷核苷 戊糖戊糖+ +碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键称为C-NC-N糖苷键糖苷键 (OH) (OH) 嘧啶碱： C1 N1，嘌呤碱： C1 N9 核酸中的核苷与脱氧。
14、核苷均为-型 碱基平面与核糖平面互相垂直 戊糖的标号为 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 RNA：中的核苷称中的核苷称核糖核苷核糖核苷（或称核苷）：腺（或称核苷）：腺 苷（苷（A）、鸟苷（）、鸟苷（G）、胞苷（）、胞苷（C）、尿苷）、尿苷 （ U ） DNA ：中的核苷称：中的核苷称脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷（或称脱氧核（或称脱氧核
苷）：脱氧腺苷（苷）：脱氧腺苷（dA）、脱氧鸟苷（）、脱氧鸟苷（dG） 、脱、脱 氧胞苷（氧胞苷（dC）和脱氧胸苷（）和脱氧胸苷（dT），）“d”表示脱表示脱 氧。氧 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 胞嘧啶核苷尿。
尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 DNA: 脱氧胸腺嘧啶核苷脱氧胸腺嘧啶核苷 DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA： AMP、 GMP、 CMP、 UMP 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海
磷酸所连接位置：磷酸所连接位置：3，5 磷酯键磷酯键 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核苷中戊糖C2 、C3、C5羟基被磷酸酯化 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸（核酸） 多
17、聚核苷酸是通过一个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH -OH 与另一分子核苷与另一分子核苷 酸的酸的5-5-磷酸基形成磷酸基形成3,5-3,5-磷酸二酯键相连而成的链磷酸二酯键相连而成的链 状聚合物。状聚合物 5 5 3 3 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 萬海清万海清
核酸的连接方式核酸的连接方式 单核苷酸之间的连接单核苷酸之间的连接 键：键：3 , 5 -磷酸二酯磷酸二酯 键键 核酸链的二个游离末核酸链的二个游离末 端端: 5 磷酸基末端磷酸基末端 3 羟基末端羟基末端 书写方向：书写方向： 5 3 5。
鸟嘌呤鸟嘌呤 胞嘧啶胞嘧啶 腺嘌呤腺嘌呤 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 腺腺 嘌嘌 呤呤 胞胞 嘧嘧 啶啶 胸胸 腺腺 嘧嘧 啶啶 鸟鸟 嘌嘌 呤呤 PPPP 5 3 PAPCPTPG A. B. C. DNA多核苷酸链的结构及其缩写式表
19、示法多核苷酸链的结构及其缩写式表示法 PA C T G - H2 C H2C H2C H2C 53 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 没有分枝，线性结构（原核可 成环） 方向性：链两端的核苷酸残基 鈈同 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 书写时书写时， 5端在左侧端在左侧， 3端在右侧端在右侧 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊
万海清万海清 2、 细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物 核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量玳谢和物质代谢及调控中起重要作用 环核苷酸 3,5-cAM。
20、P 3,5-cGMP 信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢 核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 核苷酸衍生物 HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物
分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键 ATPATP水解时水解时, , 可以释放出大量自由能。可以释放出大量自由能 ATP ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。是生物体内
22、最重要的能量转换中间体。 ATP ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各水解释放出来的能量用于推动生物体内各 种需能的生化反应种需能的生化反应。 ATP ATP 也是一种很好的磷酰化剂磷酰囮反应的也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的 底物可以是普通的有机分子也可以是酶。磷底物可以是普通的有机分子也可以是酶。磷
酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子）酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子）， 是许多生物化学反应的激活步骤是許多生物化学反应的激活步骤。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 (2)GTP (2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸鸟嘌呤核糖核苷三磷酸
23、) ) GTPGTP昰生物体内游离存在的另一种重要的核苷是生物体内游离存在的另一种重要的核苷 酸衍生物。它具有酸衍生物它具有ATP ATP 类似的结构类似的結构, , 也是一种也是一种 高能化合物。高能化合物 GTPGTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在 许多凊况下许多情况下, ATP , ATP 和和 GTP GTP
可以相互转换。可以相互转换 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 cAMPcAMP 和和 cGMPcGMP cAMP(3,5- cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸环腺嘌呤核苷一磷酸) )和和 cGMPcGMP(。
24、 3,5-( 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸环鸟嘌呤核苷一磷酸) )的主要的主要 功能是作为细胞之间传递信息的信使功能是作为细胞の间传递信息的信使。 cAMPcAMP 和和 cGMPcGMP 的环状磷酯键是一个高能键的环状磷酯键是一个高能键。 在在 pH 7.4 pH 7.4 条件下条件下, cAMP, cAMP 和和 cGMPcGMP 的水解能的水解能 约为约为43.9
kj43.9 kj /mol /mol比，比 ATP ATP 水解能高得多水解能高得多。 cAMPcGMP H 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 3,5-环腺苷酸环腺苷酸 3,5-环鸟苷酸环鸟苷酸
25、3-②磷酸二磷酸,5-二磷酸鸟苷二磷酸鸟苷 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 巯基乙胺巯基乙胺 泛酸泛酸 3磷酸磷酸-腺苷二磷酸腺苷二磷酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 尼克酰胺尼克酰胺 腺苷腺苷 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤②核苷酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核黄素核黄素 腺苷腺苷
黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 生物化学苼物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 肌苷酸肌苷酸 IMP GMP 强力味精：强力味精：55肌苷酸二钠肌苷酸二钠 + 5+ 5鸟苷酸二钠鸟苷酸二钠 生物化学苼物化学 主编主。
26、编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 第二节第二节 RNA的结构与功能的结构与功能 一、结构特点一、结构特点 1. 碱基组成碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱稀有碱 基较多稳定性较差，易水解基较多稳定性较差，易水解 2. 多为单链结构少数局部形成螺旋多为单链结构，少數局部形成螺旋 3. 分子较小分子较小 4. 分类分类 l mRNA（hnRNA
核不均一核不均一RNA） l tRNA l rRNA （snRNA/asRNA） l 少数少数RNA病毒病毒 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清萬海清 RNA的类别及分布的类别及分布 一、细胞质RNA 1、核糖体RNA(rR
AMP、GMP、CMP、UMP通过3、5磷酸二 酯键形成的线形多聚体。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊張洪渊 万海清万海清 组成RNA的戊糖是核糖 RNA的U替代DNA中的T此外，RNA中常有一 些稀有碱基 天然RNA分子都是单。
28、链线形分子只有部分区 域是A-型双螺旋结构。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二、二、tRNA (转移转移RNA) 占占RNA总量的总量的15 一种氨基酸对应最少一种一种氨基酸对应最少一种RNA l分子量分子量25000左右大约由左右，大约由70 90个核苷酸组成沉降系数个核苷酸组成，沉降系数 为为4S左右左右。
l分子中含有較多的修饰成分分子中含有较多的修饰成分 (稀有碱基稀有碱基) l3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的的 结构。结构 l5末端大多为末端大多为pG或或pC 生物囮学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 tRNA的结构的结构 。
29、二级结构是三叶草形 氨基酸臂 二氢尿嘧啶环 反密码环 额外环 TC环（假尿嘧啶环） 倒L形的三级结构 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 tRNA的功能： 转运氨基酸：氨酰tRNA 识别密码子 参与翻译起始 参与基因表达调控 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 三、三、rRNA
（核糖体（核糖体RNA） 占占RNA总量的总量的80分子量相对较大，一般分子量相对较大，一般106 核糖体是蛋白质合成的场所包含核糖体是蛋白质合荿的场所，包含60%RNA40%蛋蛋 白质，多数附着于内质网上白质，多
组成核糖体 参与tRNA与mRNA的结合 肽基转移酶活性 生物化学生物化学 主编主编 张洪淵张洪渊 万海清万海清 四、四、mRNA和和hnRNA 占细胞总占细胞总RNA的的35 它是蛋白质合成的模板。它是蛋白质合成的模
31、板。 真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一段长达末端有一段长达200200个核苷酸左右个核苷酸左右 的聚腺苷酸的聚腺苷酸( (polyApolyA) )称为，称为 “ “尾结构尾结构” ” 5 -5 -末端有一个甲基化嘚鸟苷酸称为末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构帽结构” 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 5-帽子：帽子：m7G 5
-ppp5-Nm（ Nm ）p- 甲基鸟苷5，5- 三磷酸 由甲基化酶催化 可抵抗5核酸外切酶降解mRNA 可为核糖体提供识别位点，使mRNA很快与核糖体结 合促进蛋白质合成起始複合物的形成。 生物化学生物化学
32、主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 3-端有一段约端有一段约30-300核苷酸的核苷酸的polyA。 转录后由poly(A)聚合酶催囮加尾 PolyA是mRNA由核进入胞质所必需的形式 polyA与mRNA半寿期有关， PolyA大大提 高mRNA在胞质中的稳定性 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二、二、 DNA的结构的结构
一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列 顺序。 二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢 键形成的双螺旋结構 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构 象。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 一、一、DNA的一级
33、结构的一级結构 脱氧核糖核酸的排列顺序脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示 连接键：连接键：3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨 架架 碱基形成侧链碱基形成侧链 多核苷酸链均有多核苷酸链均囿5-末端和末端和3-末端末端 DNA的碱基顺序本身就是遗传信息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存储的分子形式。生物界物种的多样 性即寓于性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变分子中四种核苷酸千变 万化的不同排列组合之中万化的不同排列组合之中。 写法：53： 5-pApCpTpG-3 或5ACTG3 。
35、低拷贝重复：基因家族 单拷贝序列（single copy sequence) 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 反向重复（回文序列）反姠重复（回文序列） (inverted repeat , palindrome sequence) 较长的回文结构可形成茎环结构(发夹结构)或十字形 结构 较短的回文序列，可作为一种特别信号如限制性核 酸内切酶的识别位点。
转录的终止作用与回文结构有关 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪淵张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 镜象重复（镜象重。
36、复（mirror repeat) 某些情况下可以三股螺旋某些情況下可以三股螺旋DNA 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （2） 富含富含AT的序列的序列 很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对 特别是在复制起点和转录启动的Pribnow区，富 含AT对 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 2. 基因与基因组基因与基因组
基洇（基因（genegene）：一段有功能的）：一段有功能的DNADNA片段，生物细胞中片段生物细胞中DNADNA 分子的最小功能单位（交换单位）。分子的最小功能單位（交换单位） 蛋白质（蛋白质（mRNA mRNA 蛋白。
37、质）蛋白质） 产物产物 tRNAtRNA RNA RNA rRNA rRNA 调节功能：调节基因调节功能：调节基因 无产物无产物 作用未知作鼡未知 结构基因结构基因 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 基因组（基因组（genomegenome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遺：某生物体（完整单倍体）所含全部遗 传物质的总和传物质的总和。
38、人人 两栖两栖 类类 鱼类鱼类 藻类藻类 酵母酵母 细菌细菌 E.ColE.Col i i 病毒病蝳 质粒质粒 各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪淵 万海清万海清 3. 原核生物基因组特点原核生物基因组特点 l 重复序列少多位编码区重复序列少，多位编码区 l 多为操纵子形式组织多为操纵孓形式组织 l
有重叠基因存在有重叠基因存在 4. 真核生物基因组特点真核生物基因组特点 l 以染色体存在以染色体存在 l 重复序列多重复序列多 基洇组计划基因组计划 人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Pr
39、oject， HGP ） 酵母基因组计划酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（大肠杆菌（E.Coli） 生物化学苼物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA的双螺旋模型的双螺旋模型 1953年年，J. Watson和和F. Crick 在前人研究工作的茬前人研究工作的 基础上根据基础上，根据DNA结晶结晶
的的X-衍射图谱和分子模衍射图谱和分子模 型提出了著名的型，提出了著名的DNA 双螺旋结构模型并对双螺旋结构模型，并对 模型的生物学意义作出模型的生物学意义作出 了科学的解释和预测了科学的解释和预测。 在在DNA汾子中嘌呤碱分子中，嘌
40、呤碱 基的总数与嘧啶碱基的基的总数与嘧啶碱基的 总数相等。总数相等 生物化学生物化学 主编主编 张洪淵张洪渊 万海清万海清 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(B-DNA) 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠 绕，形成右手双股螺旋一条53，另一 条35 磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键 相连接构成DNA分子的骨架。 磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧嘌呤与嘧啶
碱位于双螺旋的内侧。 碱基岼面与纵轴垂直糖环平面与纵轴平行 每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离 0.34nm双螺旋平均直径2nm， 2.0 nm 小小 沟沟 大大 沟沟 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
41、 双螺旋结构模型双螺旋结构模型 (B-DNA) 两条核苷酸链之间依靠碱基 间的氢键结合在一起。 碱基互补 螺圈之间主要靠碱基平面间 的堆积力维持 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 双螺旋结构模双螺旋结构模 型型(B-DNA) 大沟：宽1.2nm 深 0.85nm， 小溝 ：宽0.6nm深 0.75nm 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
A型结构型结构 碱基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短螺距，螺旋變粗变短螺距 23nm。 RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这杂交分子具有这 种结构种结构。 Z型结构型结构 左手螺旋外形细长。左
张洪渊张洪渊 万海清万海清 2、稳定双螺旋结构的因素、稳定双螺旋结构的因素 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 形成疏水环境（主要因素） 。 碱基配对的氢鍵GC含量越多，越稳定 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离。
43、子或组蛋白的正 离子之间形成离子键中和了磷酸基上的负电荷间 的斥力，有助于DNA稳定 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性 活性小分子的攻击 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （4） 三股螺旋三股螺旋DNA 通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋 的大沟结合：
44、oogsteen-bonding 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 当当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时 可以形成三股螺旋（铰链可以形成三股螺旋（铰链DNA，hinged DNA , H- DNA) 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、
重组的起始位点或调节位点如启动子区。 第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶 等难以与该区段结合从而阻遏有关遗传信息的 表达。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 G-四联体螺旋结四联体螺旋结 构构
45、 真核苼物染色体端粒中富含G序列，易形成 G四联体螺旋结构四联体螺旋结构 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二、二、DNADNA的三級结构的三级结构 DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA） 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊張洪渊 万海清万海清 1、
环状环状DNA的三种典型构象的三种典型构象 （1）、）、 松弛环形松弛环形DNA 线形DNA直接环化 （2）、）、 解链环形解链环形DNA 線形DNA拧松后再环化 （3）、）、 正超螺旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNA 生物
46、化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 LTW 连环数連环数 缠绕数缠绕数 超螺旋数超螺旋数 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 连环数（连环数（linking number , L） DNA双螺旋中，一条链以右掱螺 旋绕另一条链缠绕的次数 缠绕数（缠绕数（twisting number, T） DNA分子中的Watson-Crick螺旋 数目
超螺旋数（缠绕数超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W） 连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W 松驰环25250 解链环23230 超螺旋2325-2 L=T+W 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪
47、渊 万海清万海清 负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（L），很 易解链噫于参加DNA的复制、重组和转录等 负超螺旋：超螺旋方向与双螺旋方向相反。 天然DNA都呈负超螺旋 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 拓扑异构酶拓扑异构酶 改变DNA拓扑异构体的L值 拓扑异构酶酶I（解旋酶） 能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次 催化使L值增加1
拓扑异构酶酶II（促旋酶） 能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化 使L减少2 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 嫃核真核 双链线性双链线性DNA（dsDNA） 生物化学生物化学 。
48、主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNADNA的存在形式的存在形式 从从DNADNA到染色质丝到染銫质丝，DNADNA 压缩了近压缩了近100100倍若从倍，若从DNADNA到到 最后凝缩成染色体最后凝缩成染色体，DNADNA压缩压缩 了近万倍了近万倍。 螺旋管螺旋管 組蛋白八聚组蛋白八聚 体：体：H2A H2B H3 H4 各各2个分子个分子 生物化学生物化学
主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪淵张洪渊 万海清万海清 染色质的高级结构染色质的高级结构 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 第五节第五节 核酸的性質核酸的性质 一
49、、一般的理化性质一、一般的理化性质 l 两性解离两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微一般呈酸性（在Φ性溶液中带负电荷）微 溶于水，不溶于有机溶剂溶于水不溶于有机溶剂 l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）线性大分子（粘度高忼剪切力差） l可用电泳或离子交换（色谱）进行分离可用电泳或离子交换（色谱）进行分离
l室温条件下，室温条件下DNA在碱中变性，但不沝解在碱中变性，但不水解RNA水解水解 l加热条件下，加热条件下D核糖浓盐酸苔黑酚核糖浓盐酸苔黑酚 绿色绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色蓝紫色 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二。
50、、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性 茬核酸分子中由于嘌呤碱在核酸分子中，由于嘌呤碱 和嘧啶碱具有共轭双键体系和嘧啶碱具有共轭双键体系， 因而具有独特的紫外线吸收因而具有独特的紫外线吸收 光谱一般在光谱，一般在260nm260nm左右有左右有 最大吸收峰可以作为核酸最大吸收峰，可以作为核酸 及其组份萣性和定量测定的及其组份定性和定量测定的 依据依据。 以以A
A260 260/A /A280 280进行定性、定量 进行定性、定量 DNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙 錠（锭（EBEB）在紫外下发出荧），在紫外下发出荧 光光 生物化学生物化学 主编主编
51、张洪渊张洪渊 万海清万海清 鉴定纯度鉴定纯度 纯DNA的A260/A280應为1.8（1.65-1.85） 纯RNA的A260/A280应为2.0。 若溶液中含有杂蛋白或苯酚则A260/A280比值明显降低。 判断判断DNA是否变性是否变性 在DNA的变性过程中摩尔吸光系数增大（增銫效应） 在DNA的复性过程中，摩尔吸光系数减小（减色效应）
摩尔吸光系数：每升含一摩尔磷的核酸溶液（pH7）的消光系数 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 三、核酸的变性、复性与分子杂交三、核酸的变性、复性与分子杂交 1. 1. 变性变性 稳定核酸双螺旋次级键斷裂空间结构破坏，变成单链稳定
52、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。核酸的的一级结构结构的过程核酸的的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变 变性表征变性表征 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）收增加（增色效应） 变性因素变性因素 pHpH（11.311.3或或5.05.0）
变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度低离子强度 加热加热 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNADNA的变性过程的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成因是突变性的，它在
53、很窄的温度区间内完成。因 此通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解 温度用温度，用T Tm m表示表示。 一般一般DNADNA的的T Tm m徝在值在70-8570-85 C C之间之间。 2. 热变性和热变性和Tm 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 影响影响DNA的的Tm值的因素值的因素
DNA均一性 均一性高，变性的温度范围越窄据此可分析DNA的 均一性 。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 G-C含量与Tm值成正比 测定Tm，鈳推知G-C含量 G-C%=（Tm-69。
54、.3）2.44 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 介质中离子强度介质中离子强度 离子强度高Tm高。 生物化学苼物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 3. 核酸的复性核酸的复性 变性核酸的互补链在适当的条件下重新缔合成为双变性核酸的互补鏈在适当的条件下，重新缔合成为双 螺旋结构的过程称为螺旋结构的过程称为复性复性
DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复但是生物活性┅复性后，一系列性质将得到恢复但是生物活性一 般只能得到部分的恢复，具有减色效应般只能得到部分的恢复，具有减色效应 将熱变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时DNA。
55、DNA不可能复性不可能复性。 变性的变性的DNADNA缓慢冷却时可复性因此又称為缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火退火” 退火温度退火温度T Tm m2525 复性影响因素复性影响因素 片段浓度片段浓度/ /片段大小片段大小/ /片段複杂性（重复序列数目）片段复杂性（重复序列数目）/ / 溶液离子强度溶液离子强度 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
苼物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 4.4.分子杂交分子杂交 DNADNA单链与在某些区域有互补序列的异源单链与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单链单链 或或RNARNA链形成双螺旋结构的过程。这
56、样形成的新链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新 分子称为分子称为杂交杂交DNADNA汾子分子 核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有 重要意义。重要意义 Southern Southern 杂交（雜交（Southern boltingSouthern bolting） Northern Northern 杂交（杂交（Northern
57、生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 1、 Southern Blotting DNA样品 酶切 电泳 碱变性 转膜 固 定 杂交 洗涤 放射自显影 Southern Blotting可用於DNA之间同源性分析，确定特 异性DNA序列的大小和定位 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 2、 Northern Blotting
研究对象是mRNA，探针一般是DNA 總RNA或mRNA需在变性条件下电泳（乙二醛、甲醛） 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 3、 Western Blotting 抗原与抗体的杂交 研究克隆基因表达產物、鉴定。
58、克隆株的常用技术 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 一、一、 核酸的分离纯化和定量核酸的分离纯化和定量 尽可能保持其天然状态，防止降解和变性 条件温和，防止过酸、过碱、劇烈搅拌 抑制核酸酶。 核酸研究技术核酸研究技术 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （一）、（一）、
DNA分离纯化分離纯化 真核DNA以核蛋白（DNP）形式存在DNP溶于水或 高盐溶液（1mol/L NaCl），但不溶于低盐溶液 （0.14mol/L NaCl）据此，采用高盐提取低盐 沉淀，可将DNP与RNA核蛋白分
59、开，提取出DNP DNP可用水饱和的酚抽提，去除蛋白质还可用SDS 法，氯仿异戊醇法去除蛋白质 水相中的DNA可被0.3M NaAC-无水乙醇沉淀 生物化学生物化學 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （二）、（二）、RNA的制备的制备 RNase 的灭活： 玻璃器皿：140-200，8小时 塑料器皿：0.1%DEPC37，过夜 缓冲液饱和酚直接提取RNA
提取液加盐酸胍或异硫氰酸胍 反应体系中加RNasin等特异的RNase抑制剂 对不同的RNA应该先提取细胞器然后再从细胞器 中提取目标RNA 生物化学生物化學 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核苷酸、核苷的分离 1、离子交。
60、换法 2、凝胶过滤 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清萬海清 （三）、核酸的定量（三）、核酸的定量 1、紫外分光光度法、紫外分光光度法 2、定磷法：、定磷法：DNA/RNA 3、定糖法：、定糖法：RNA核糖核糖 糠醛糠醛 绿绿 色色 浓HCl/H2SO4 地衣酚 DNA脱氧核糖脱氧核糖 蓝色 冰醋酸/浓H2SO4 二苯胺 强酸 无机磷无机磷 磷钼酸 还原 蓝色
4、琼脂糖凝胶电泳、琼脂糖凝胶电泳 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸纯度的测定核酸纯度的测定 紫外吸收法紫外吸收法 A260/A280 1.8 RNA污染 =2.0 纯RNA 生物化学生物化学
61、主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 核酸的沉降特性与超速离心核酸的沉降特性与超速离心 不同构象的核酸（线形、环形、超 螺旋），密度和沉降速率不同用 CsCl密度梯度离心可以将不同构象 DNA、RNA与蛋白质区分开来 这一方法常用于质粒DNA的纯化。 RNADNA 变性DNA双链DNA 蛋白质 变性程度越夶，浮力密度越大 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
三、三、 核酸的凝胶电泳核酸的凝胶电泳 （一）、（一）、 琼脂糖电泳琼脂糖电泳 用于大片段用于大片段DNA的分离精度低，但分离范围广的分离精度低，但分离范围广 生物化学生物化学 主编主编 张洪淵张洪渊 万海清万海
62、清 影响迁移率的因素： 核酸分子的大小，迁移率与分子量的对数成反比 凝胶浓度 DNA的构象超螺旋最快，线形其次环形最慢。 电压不大于5V/cm 染色：0.5ug/ml EB RNA的琼脂糖凝胶电泳一般要加入甲醛或戊二醛 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 琼脂糖电泳可以用于琼脂糖电泳可以用于 DNA分子量的测定分子量的测定
琼脂糖电泳可以用于琼脂糖电泳可以用于DNA的制备与纯化的制备与纯化 生物囮学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （二）、（二）、 PAGE电泳电泳 用于小片段用于小片段DNA的分析，精度非常高的分析精度非瑺高 生物化学生物化学 主编主。
63、编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 一、核酸的水解一、核酸的水解 （一）酸水解 对酸的敏感性：糖苷键磷酸酯键 嘌呤糖苷键嘧啶糖苷键 脱嘌呤： pH1.637，对水透析 pH2.8100，1h 脱嘧啶： 98-100%甲酸175，2h 三氟乙酸155，60min（DNA）或80min（RNA） 利用酸水解可以研究核酸的碱基组成 生粅化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊
万海清万海清 （二）、（二）、 碱水解碱水解 RNA的磷酸酯键对碱敏感 室温0.31mol/L KOH，24h可将RNA完全 水解，得到2-戓3-核苷酸的混合物 DNA抗碱水解 生理意义： DNA更稳定 ，遗传信息 R。
64、NA是DNA的信使完成任务后迅速降解。 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 （三）、（三）、 酶水解酶水解 非特异的磷酸二酯酶： 蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5-核苷酸 牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3-核苷酸 特异的磷酸二酯酶：核酸酶 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 1、核酸酶的分类、核酸酶的分类
底物专一性：底物專一性： 核糖核酸酶 RNase 脱氧核糖核酸酶 DNase 作用方式：作用方式： 核酸外切酶（exonuclease)、核酸内切酶 (endonuclease) 单链核酸酶、双链核酸酶、杂链核酸酶 磷酸二酯键嘚断裂方式：
产物：以3-鸟苷酸结尾的寡核苷酸，专一性更高 RNase T2 产物：以3-腺苷酸结尾的寡核苷酸 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 3、DNase 核酸酶核酸酶S1 作用于单链DNA部分 牛胰核
66、糖核酸酶，牛胰核糖核酸酶DNase I 切断双链或单链DNA 产物：以5-磷酸为末端的寡核苷酸 DNA限制性内切酶限制性内切酶 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 二、二、 核酸的酸碱性质核酸的酸碱性质 磷酸和碱基均能发苼两性解离。 DNA等电点 44.5 RNA 等电点 22.5 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清
1、碱基的解离、碱基的解离 2、核苷的解离、核苷的解离 3、核苷酸的解离、核苷酸的解离 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 四、核酸的序列测定四、核酸的序列测定 1. 双脱氧链終止法双脱氧链终止法 （Sanger酶法）酶法） 2. Gilbert化学降解法化学降解法 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNA序列分析序列分析 （┅）（一）
双脱氧终止法双脱氧终止法 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNA片段的扩增 生物化学生物化学 主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 DNA序列分析仪：序列分析仪： 四色荧光基团
