核酸的物理化学性质
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核算理化性质-讲义目录1.一般物理性质;2.核酸的紫外吸收;3.变性;4.复性;5.杂交;教学目的:了解核酸的一般物理性质及DNA序列的测定方法,掌握核酸的紫外吸收特性、变性和复性及核酸的分离、提纯和定量测定。
教学重点:核酸的紫外吸收及变性和复性;教学难点:核酸的变性和复性1.一般物理性质1.1形态DNA —— 白色纤维状固体 RNA —— 白色粉末状固体1.2溶解性微溶于水;不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般的有机溶剂;用乙醇可以沉淀核酸。
RNA核蛋白体(RNP)易溶于0.14mol/L NaCl溶液;DNP可溶于1~2mol/L的NaCl溶液;RNA在碱性溶液中不稳定; DNA在碱性溶液中稳定。
显色反应:利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。
核糖与地衣酚(3,5-二羟甲苯)试剂反应呈鲜绿色。
脱氧核糖与二苯胺试剂反应生成蓝色化合物,而核糖无此反应。
1.3粘度DNA溶液粘度极高 (因其分子直径小而长度大)RNA溶液粘度要小得多★核酸变性或降解后,粘度降低1.4两性解离概念:核酸为两性电解质,因核苷酸含有磷酸基与碱基,磷酸基和碱基可以解离,在不同pH条件下解离程度不同,在一定条件下可形成兼性离子,表现为两性离子状态,通常表现为酸性。
效果:由于磷酸基团的酸性很强,所以pI(等电点)较低,整个分子相当于多元酸。
应用:利用核酸的两性解离可以通过调节核酸溶液的pH来沉淀核酸,也可通过电泳分离纯化核酸。
2. 紫外吸收性质2.1机理:嘌呤和嘧啶具有共轭双键,能强烈吸收紫外光。
2.2性质1:在260nm处有最大吸收峰。
对于纯的DNA或RNA,可以通过测得A260来推测其核酸含量。
A260/ A280值可以反映核酸的纯度。
性质2:纯的DNA:A260/ A280 =1.8 纯的RNA:A260/ A280 =2.02.3.定义:增色效应(hyperchromic effect)是变性后DNA 溶液的紫外吸收作用增强的效应。
1Biochemistry. LuJie陆婕Lujie.jane@华中科技大学生命科学与技术学院生物物理与生物化学研究所生物化学BiochemistryBiochemistry. LuJieChapter 15Nucleic Acids:Properties and Techniques核酸的理化性质和研究方法2Biochemistry. LuJie核酸的化学结构和作为高聚物决定其理化性质:核酸的糖苷键和磷酸二酯键:可被水解;磷酸基和碱基:酸碱性质;碱基:紫外吸收特性;双螺旋结构:变性和复性。
3Biochemistry. LuJie核酸的性质溶解度:溶于水酸碱性:生理pH带负电荷分子量和形状:DNA 108~1012,d/l=10-7,“柔性棒”——高黏度不对称性——正旋光性紫外吸收——260nm有最大光吸收核酸的离心沉降DNA 的变性与复性4Biochemistry. LuJie一、核酸的水解二、核酸的酸碱性质三、核酸的紫外吸收四、核酸的变性、复性及杂交五、核酸的分离和纯化六、核酸序列的测定七、核酸的化学合成八、DNA微阵技术5Biochemistry. LuJie(一)酸水解糖苷键比磷酸酯键更易被酸水解,产生嘌呤和嘧啶碱(二)碱水解: RNA→2’-核苷酸,3’-核苷酸RNA的磷酸酯键更易被碱水解(RNA的核糖上有2’-OH,在碱作用下形成磷酸三酯,极不稳定易水解,产生核苷2’,3’-环磷酸酯,继续水解产生2’-核苷酸和3’-核苷酸)(三)酶水解(消化)专一水解核酸的磷酸二酯键的酶称为核酸酶(nuclease)。
能识别特定的核苷酸顺序,并从特定位点水解核酸的内切酶称为限制性核酸内切酶(限制酶)。
67Biochemistry. LuJie限制性DNA 内切酶: 专一性的核酸内切酶,能识别双链DNA 分子的特定序列,并可在该位置或其附近同时切断双链DNA 。
Biochemistry. LuJie核酸外切酶(endonuclease):从多核苷酸链的末端开始,逐个将核苷酸切下的酶,如:♦3’→5’外切酶(蛇毒磷酸二酯酶):在3’-OH与磷酸基之间断裂,其产物是5’-磷酸核苷酸或寡核苷酸,如(1);♦5’→3’外切酶(牛脾磷酸二酯酶):在5’-OH与磷酸基之间断裂,其产物是3’-磷酸核苷酸或寡核苷酸,如(2)。
第15章、核酸的物理化学性质(上册P502)本章重点:1、核酸的水解,2、核酸的紫外吸收,3、核酸的变性和复性本章的主要内容:(一)核酸的水解:所有糖苷键和磷酸酯键都能被水解。
(1)酸水解:糖苷键比磷酸二酯键易被水解,嘌呤碱糖苷键比嘧啶碱更易水解。
(2)碱水解:磷酸酯键易水解,RNA比DNA易水解,因为RNA核糖上有2‘-OH,水解过程见P502。
(3)酶水解:为水解磷酸二酯键的酶,专一水解核酸的为核酸酶。
1.核酸酶的分类:按底物专一性分为RNase(核糖核酸酶)和DNase(脱氧核糖核酸酶)。
按对底物作用方式分为内切酶(作用点在核糖核酸酶内部)和外切酶(作用点在末端)。
2.RNase:如牛胰核糖核酸酶(EC 2.7.7.16),内切酶,作用位点为嘧啶核苷(Py)-3‘-磷酸与其他核苷酸之间的连键。
3.限制性内切酶:为DNase。
剪裁DNA的工具,可用于核酸测序和基因工程。
在细菌中发现,目前已找到限制性内切酶数千种。
限制性内切酶往往与甲基化酶成对存在,自身酶作用位点的碱基被甲基化,内切酶不再降解,因而可识别和降解外源DNA。
断裂位点处常有二重旋转(轴)对称性(回文结构,正读反读相同),在特定位点两条链切断后形成粘末端或平末端。
限制性内切酶命名:如E. coR Ⅰ,第1个字母E(大写),为大肠杆菌(E.coli)属名的第一个字母,第2、3两个字母co(小写)为种名头两个字母,第4个字母R,表示菌株,最后一个罗马字为该细菌中已分离这一类酶的编号。
(二)核酸的酸碱性质:核苷和核苷酸都是兼性离子,碱基和磷酸基均能解离,见P505,具有酸碱性。
由于DNA酸碱变性,使酸碱滴定曲线不可逆。
(三)核酸的紫外吸收:嘌呤环与嘧啶环具有共轭双键,核苷和核酸的吸收波段在240~290nm,最大吸收值在260nm附近(蛋白质最大吸收值280nm)。
(1)可用于测样品纯度(测吸光度A):A260/A280比值,纯DNA应大于1.8,纯RNA应达到2.0,若样品混有杂蛋白,比值明显降低。
7-3 核酸的物理化学性质上册P502
(一)核酸的水解:
所有糖苷键和磷酸酯键都能被水解。
(1)酸水解:
糖苷键比磷酸二酯键易被水解,嘌呤碱糖苷键比嘧啶碱更易水解。
(2)碱水解:
磷酸酯键易水解,RNA比DNA易水解,因为RNA核糖上有2‘-OH,水解过
程见P502。
(3)酶水解:
为水解磷酸二酯键的酶,专一水解核酸的为核酸酶。
1.核酸酶的分类:
按底物专一性分为RNase(核糖核酸酶)和DNase(脱氧核糖核酸酶)。
按对底物作用方式分为内切酶(作用点在核糖核酸酶内部)和外切酶(作用
点在末端)。
2.RNase:如牛胰核糖核酸酶(EC 2.7.7.16),内切酶,作用位点为嘧啶核苷(Py)
-3‘-磷酸与其他核苷酸之间的连键。
3.限制性内切酶:为DNase。
剪裁DNA的工具,可用于核酸测序和基因工程。
在细菌中发现,目前已找到限制性内切酶数千种。
限制性内切酶往往与甲基
化酶成对存在,自身酶作用位点的碱基被甲基化,内切酶不再降解,因而可
识别和降解外源DNA。
断裂位点处常有二重旋转(轴)对称性(回文结构,正读反读相同),在特定
位点两条链切断后形成粘末端或平末端。
限制性内切酶命名:如E. coR Ⅰ,第1个字母E(大写),为大肠杆菌(E.coli)
属名的第一个字母,第2、3两个字母co(小写)为种名头两个字母,第4
个字母R,表示菌株,最后一个罗马字为该细菌中已分离这一类酶的编号。
(二)核酸的酸碱性质:
核苷和核苷酸都是兼性离子,碱基和磷酸基均能解离,见P505,具有酸碱性。
由于DNA酸碱变性,使酸碱滴定曲线不可逆。
(三)核酸的紫外吸收:
嘌呤环与嘧啶环具有共轭双键,核苷和核酸的吸收波段在240~290nm,最大吸收值在260nm附近(蛋白质最大吸收值280nm)。
(1)可用于测样品纯度(测吸光度A):
A260/A280比值,纯DNA应大于1.8,纯RNA应达到2.0,若样品混有杂蛋白,比值明显降低。
对于纯样品,从260nm的A值即可算出含量。
A值为1,相当于50μg/mL DNA双螺旋,或40μg/mL单链DNA(或RNA),或20μg/mL寡核苷酸。
(2)核酸的摩尔磷吸光系数ε(P):为含有1克原子磷(30.98g)的核酸在260nm 处的吸光系数。
ε(P)= A / CL. = 30.98 A / W L
A:吸收值,C:每升溶液的磷摩尔数,C=W/30.98,L:比色杯内径。
一般天然DNA ε(P)为6600,RNA为7700~7800
由于双螺旋结构使碱基对的π电子云发生重叠,使紫外吸收比单链减少,由此可判断DNA是否变性。
DNA变性时ε(P)值升高,增色效应。
DNA复性时ε(P)值降低,减色效应。
核酸比所含核苷酸单体的ε(P)低40~45%。
(四)核酸的变性、复性及杂交:
(1)变性:核酸双螺旋区的氢键断裂变成单链,不涉及共价键的断裂。
降解:多核苷酸骨架上共价键(3‘,5‘-磷酸二酯键)断裂,分子量降低。
引起变性因素:热变性,酸碱变性,变性剂(如尿素,甲醛等)变性(竞争形
成氢键)。
DNA变性温度:又称熔点或熔解温度,为DNA双螺旋结构失去一半时的温度,用T m表示,DNA的T m一般为82~950C。
DNA变性是爆发式的,变性
在一个很窄温度范围内发生。
P508 图14-4为DNA变性过程。
影响T m的因素:
1. DNA的均一性:均一则T m窄,如poly (A-T),poly d(G-C)等,T m窄。
2. G-C含量:T m值与G-C含量成正比,G-C含量越高,T m值越高,因为
G-C间三个氢键。
G-C含量与T m关系的经验公式:
G-C% = (T m - 69.3) ×2.44
可由G-C含量计算T m或由T m计算G-C含量。
3. 介质离子强度:
离子强度较高时,DNA的T m值较高,DNA较稳定,因此DNA的保存在含盐(如1mol NaCl)缓冲溶液中。
RNA的变性:RNA分子中有局部双螺旋区,所以也可发生变性,只是T m值较低,且范围较宽
双链RNA变性几乎与DNA同。
(2)复性:变性DNA在适当条件下,两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结构的过程称为复性。
变性DNA在缓慢冷却时,可以复性的过程称为退火。
加热变性的DNA为防止复性,需骤冷处理。
DNA复性,浓度越大复性越快,且具有多重复序列的复性快。
(3)核酸的杂交:不同来源的DNA热变性后慢慢冷却,若异源DNA之间某些区域有相同序列,则复性时会形成杂交DNA分子。
DNA与互补的RNA之间也可发生杂交。
核酸杂交应用广泛,可用来检测特殊核苷酸序列的一个或更多的DNA片断,将少量基因钓出,是基因芯片,基因探针的工作根据。