生命中的化学5核酸

1、 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）和和核糖核酸（核糖核酸（RNA）。 DNA含有生物物种的所有遗传信息，分子量很大。人含有生物物种的所有遗传信息，分子量很大。人 细胞核中细胞核中DNA分子至少含分子至少含9千万个核苷酸。千万个核苷酸。DNA为双链为双链 分子，大部分为链状，少部分为环状。分子，大部分为链状，少部分为环状。 RNA负责负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量小的多。遗传信息的翻译和表达，分子量小的多。 单链分子。根据功能，可分为单链分子。根据功能，可分为mRNA(信使）信使） tRNA（转移）（转移）rRNA（核糖体）（核糖体）。 一、核酸的分

2、类一、核酸的分类 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 二、核酸的组成二、核酸的组成 核酸（和）是一种核酸（和）是一种线形多聚核苷酸线形多聚核苷酸， 基本结构单元是基本结构单元是核苷酸核苷酸。 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 二、核酸的组成二、核酸的组成 、核酸的结构单元、核酸的结构单元核苷酸核苷酸 （）（）碱基碱基 N N N H N NH2 NH N N H N O NH2 N N H NH2 O NH N H O O AdenineGuanine CytosineThymineUracil NH N H O O H3C 腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（

3、尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T） 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （）（）碱基碱基紫外吸收紫外吸收 （）（）戊糖戊糖脱氧核糖和核糖脱氧核糖和核糖 核苷酸的紫外吸收，平均峰值核苷酸的紫外吸收，平均峰值 260 nm (pH 7.0) 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （）（）核苷核苷糖苷键糖苷键 （碱基近似垂直于糖的平面）（碱基近似垂直于糖的平面） 核苷酸核苷酸 核苷核苷 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （）（）核苷酸核苷酸磷酸脱氧核糖核磷酸脱氧核糖核 苷苷 核糖核苷核糖核苷 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 、核苷酸的衍生物、核苷酸的衍生物 （）（）ATPATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）

4、（腺嘌呤核糖核苷三磷酸） 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （）（）ATPATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）（腺嘌呤核糖核苷三磷酸） 含有两个高能磷酸键，水解时释放出大量自由能。含有两个高能磷酸键，水解时释放出大量自由能。生物体内生物体内 大部分需能反应的能量来源。大部分需能反应的能量来源。 很好的磷酰化剂，底物可以是有机分子或酶很好的磷酰化剂，底物可以是有机分子或酶。磷酰化使得底。磷酰化使得底 物分子具有较高能量，是许多生化反应的激活步骤。物分子具有较高能量，是许多生化反应的激活步骤。 ATPATP性质的结构机制：性质的结构机制： 静电效应静电效应三聚磷酸根三聚磷酸根在在pH7.4pH7.4（生

5、理）（生理）四个质子四个质子全部解全部解 离，共带四个负电荷，负电荷间的静电排斥使磷酸酯键处于离，共带四个负电荷，负电荷间的静电排斥使磷酸酯键处于 高能。高能。 共振稳定作用共振稳定作用ATPATP解离成解离成ADPADP（焦磷酸根焦磷酸根）和磷酸，共振）和磷酸，共振 稳定性大大增加。稳定性大大增加。 三聚磷酸钠三聚磷酸钠作为一种优良的洗涤剂助剂已为人类服务了半个世 纪，对清洁人类的生存环境，提高洗涤剂的去污效果起到了巨 大的作用。 （1）用于软化水。因为它有螯合钙、镁、铁等金属离子的性 质； （2）作胶溶剂、乳化剂。它对蛋白质有膨润、增溶作用，因 而有解胶的效果，对脂肪物质起促进乳化的作用，

6、对砂土、尘 土等固体污垢增加分散作用，它能增强表面活性剂的表面活性，它能增强表面活性剂的表面活性， 降低临界胶束浓度，起到降低表面活性剂用量和增强去污力的降低临界胶束浓度，起到降低表面活性剂用量和增强去污力的 双重作用；双重作用； （3）作缓冲剂。即使有酸性污垢存在，它也能使洗涤液保持 一定的碱度，有利于酸性污垢的去除； （4）作干燥剂。它具有吸收水分防止洗涤剂结块的作用，它 能保持合成洗涤剂制品始终成为干爽的粒状。 Na5P3O10 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （2 2）GTPGTP（鸟嘌呤核糖核苷三磷酸）（鸟嘌呤核糖核苷三磷酸） 与与ATPATP类似；很好的磷酰化剂；类似；很好的磷酰

7、化剂； 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 （3 3）cAMPcAMP和和cGMPcGMP环状核苷酸，细胞间传递信环状核苷酸，细胞间传递信 息的信使。息的信使。 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 3 3、多聚核苷酸、多聚核苷酸 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 3 3、多聚核苷酸、多聚核苷酸 核酸的结构核酸的结构 一、一、DNADNA的结构的结构 小沟小沟 大沟大沟 19531953年，年，J. Watson J. Watson 和和F.Crick F.Crick 提出提出DNADNA 双螺旋的结构模型，并对其生物学意义作双螺旋的结构模型，并对其生物学意义作 出科学解释和预测。出科学解释和预测。

8、19621962年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。 英国英国 英国英国英国英国 美国美国 核酸的结构核酸的结构 1 1、DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级二级 结构的基本形式。结构的基本形式。 （1 1）DNADNA分子两条多聚脱氧核糖核苷酸链（分子两条多聚脱氧核糖核苷酸链（DNADNA单链）单链） 沿同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构，两条链沿同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构，两条链 方向相反。方向相反。 核酸的结构核酸的结构 （2 2）碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋）碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋 外侧（表面）。碱基

9、平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱外侧（表面）。碱基平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱 基环平面垂直。基环平面垂直。 （3 3）螺旋截面直径为）螺旋截面直径为2nm2nm，每条链相邻两个碱基平面间距，每条链相邻两个碱基平面间距 0.34 nm0.34 nm，每，每1010个核苷酸形成一个螺旋，螺距高度为个核苷酸形成一个螺旋，螺距高度为3.4 3.4 nmnm。 核酸的结构核酸的结构 （4 4）双螺旋间碱基严格配对：）双螺旋间碱基严格配对： 核酸的结构核酸的结构 2 2、DNADNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性 生理环境下稳定。生理环境下稳定。 维持稳定的因素：两条链间的氢键；内部的疏水区，维持稳定

10、的因素：两条链间的氢键；内部的疏水区， 消除了介质水分子对碱基间氢键的影响；介质中的阳离子消除了介质水分子对碱基间氢键的影响；介质中的阳离子 （NaNa+ +, K, K+ + , Mg , Mg2+ 2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了链 ）中和了磷酸基团的负电荷，降低了链 间的排斥力；范德华引力。间的排斥力；范德华引力。 改变介质条件和温度，将影响双螺旋的稳定性。改变介质条件和温度，将影响双螺旋的稳定性。 核酸的结构核酸的结构 二、二、RNARNA的结构的结构 单链分子，丰富的二级结构。单链分子，丰富的二级结构。 1 1、mRNAmRNA的结构的结构(messenger RNA)(mess

11、enger RNA) 信使信使RNARNA，约占总，约占总RNARNA的的5%5%，但种类很多，体，但种类很多，体 内代谢很快，细菌内代谢很快，细菌mRNAmRNA平均半衰期平均半衰期2min2min，真核细，真核细 胞的平均胞的平均5hrs5hrs。功能：。功能：将将DNADNA的遗传信息传递到蛋的遗传信息传递到蛋 白质合成基地白质合成基地核糖核蛋白体核糖核蛋白体。 第二节第二节 核酸的结构核酸的结构 1 1、mRNAmRNA的结构的结构 （1 1）尾结构尾结构3 3 末端一段末端一段200200个核苷酸的结构个核苷酸的结构 poly(A)poly(A)。与与mRNAmRNA从细胞核到细胞质

12、的转移、从细胞核到细胞质的转移、mRNAmRNA的半的半 衰期衰期（寿命）有关（寿命）有关。 （2 2）帽结构帽结构5 5端有一个甲基化的鸟苷酸。保护端有一个甲基化的鸟苷酸。保护 mRNAmRNA免受核酸酶对它从免受核酸酶对它从5 5端的水解；并且在翻译中起重要端的水解；并且在翻译中起重要 作用。作用。 5-端的（端的（7-甲基甲基-鸟苷酸）鸟苷酸） 帽结构帽结构 核酸的结构核酸的结构 2 2、rRNA(rRNA(核糖体核糖体RNARNA）的结构的结构 约占全部约占全部RNARNA的的80%80%，它们与核糖体蛋白构成核糖体，它们与核糖体蛋白构成核糖体 （ribosome)ribosome)。

13、核糖体是合成蛋白质的细胞器核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一，其唯一 的功能是按照的功能是按照mRNAmRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多的指令由氨基酸高效且精确地合成多 肽链。（蛋白质的合成工厂）肽链。（蛋白质的合成工厂） 核酸的结构核酸的结构 2 2、rRNA(rRNA(核糖体核糖体RNARNA）的结构）的结构： (a) (a) E.coliE.coli 16S rRNA 16S rRNA；（红色为高度保守区）；（红色为高度保守区） (b) (b) 酵母菌酵母菌18S rRNA18S rRNA，它们都具有类似的，它们都具有类似的4040个臂环个臂环 结构结构( (图中图中1 140)4

14、0)，其长度和位置往往非常保守；，其长度和位置往往非常保守； 核酸的结构核酸的结构 3 3、tRNA(tRNA(转移转移RNARNA）的结构的结构 约占全部约占全部RNARNA的的101015%15%，种类较多。大小，种类较多。大小 在在73737878个核苷酸之间。在蛋白质的生物合成个核苷酸之间。在蛋白质的生物合成 中起中起翻译氨基酸信息、并将相应的氨基酸转移翻译氨基酸信息、并将相应的氨基酸转移 到核糖核蛋白体的作用到核糖核蛋白体的作用。每一个氨基酸至少有。每一个氨基酸至少有 一个相应的一个相应的tRNAtRNA。 核酸的结构核酸的结构 3 3、tRNA(tRNA(转移转移RNARNA）的结

15、构）的结构 二级结构二级结构 “三叶草三叶草”形状；形状； 五臂四环的五区结构；五臂四环的五区结构； （1 1）氨基酸接受区）氨基酸接受区 （2 2）反密码子区）反密码子区 （3 3）二氢脲嘧啶区）二氢脲嘧啶区 （4 4）T TC C区区 （5 5）可变区）可变区 核酸的结构核酸的结构 3 3、tRNA(tRNA(转移转移RNARNA）的结构）的结构 倒倒“L L”型型三级结三级结 构构 DNADNA是遗传信息的是遗传信息的存储和传递存储和传递的载体；的载体； RNARNA是将是将DNADNA中的遗传信息进行中的遗传信息进行翻译翻译的物质；的物质； （翻译（翻译 = = 蛋白质生物合成）蛋白质

16、生物合成） mRNAmRNA信使，传令兵，工程师；信使，传令兵，工程师； rRNArRNA蛋白质装配工厂，生产线，车间；蛋白质装配工厂，生产线，车间； tRNAtRNA原材料运输者、送货员原材料运输者、送货员 生命过程的生命过程的 两大步骤两大步骤 繁衍（遗传繁衍（遗传 信息复制）信息复制） 生长发育（蛋生长发育（蛋 白质合成）白质合成） RNARNA DNADNA 粗面内质网粗面内质网 光面内质网光面内质网 核糖体核糖体 高尔基体高尔基体 线粒体线粒体 细胞核细胞核 一、核酸的两性性质及等电点一、核酸的两性性质及等电点 核酸含：酸性基团（磷酸基核酸含：酸性基团（磷酸基中强酸），碱性基团（碱中

17、强酸），碱性基团（碱 基基弱碱）。具有弱碱）。具有两性和等电点两性和等电点。DNADNA的等电点为的等电点为4 44.5 4.5 RNARNA的等电点为的等电点为2 22.52.5。 核酸的性质核酸的性质 O P O H O O O H RNADNA 核酸的性质核酸的性质 二、核酸的水解二、核酸的水解 1 1、酸或碱水解、酸或碱水解核酸分子的磷酸二酯键可以在酸性或碱性核酸分子的磷酸二酯键可以在酸性或碱性 条件下水解切断。依然是条件下水解切断。依然是RNARNA比比DNADNA分子容易发生水解。分子容易发生水解。 二者二者稳定性差异的生物学意义稳定性差异的生物学意义DNADNA作为遗传信息的携带

18、作为遗传信息的携带 者，要求其结构有高度稳定性者，要求其结构有高度稳定性。RNARNA作为信使时，常常需要其作为信使时，常常需要其 快速代谢快速代谢。 核酸的性质核酸的性质 二、核酸的水解二、核酸的水解 2 2、酶水解、酶水解核酸水解酶催化多聚核苷酸链中的磷酸二酯核酸水解酶催化多聚核苷酸链中的磷酸二酯 键的水解。键的水解。 根据水解对象分为：根据水解对象分为：DNADNA水解酶水解酶（DNasesDNases）和）和RNARNA水解酶水解酶 （RNasesRNases）。 根据水解作用方式分为：根据水解作用方式分为：核酸外切酶核酸外切酶和和核酸内切酶核酸内切酶。 核酸外切酶核酸外切酶从多聚核苷

19、酸的一端开始，逐个切除从多聚核苷酸的一端开始，逐个切除 核苷酸；核苷酸； 核酸内切酶核酸内切酶从多聚核苷酸链中间开始，在某个位从多聚核苷酸链中间开始，在某个位 点切断磷酸二酯键。点切断磷酸二酯键。 核酸的性质核酸的性质 二、核酸的水解二、核酸的水解 2 2、酶水解酶水解核酸水解酶催化多聚核苷酸链中的磷酸二核酸水解酶催化多聚核苷酸链中的磷酸二 酯键的水解。酯键的水解。 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶：可以特异性的水解核酸中某些：可以特异性的水解核酸中某些 特定碱基顺序部位，有严格的碱基专一性，在降解特定碱基顺序部位，有严格的碱基专一性，在降解DNADNA时时 能够识别能够识别4 46 6个脱氧

20、核苷酸顺序。基因工程的个脱氧核苷酸顺序。基因工程的“手术刀手术刀”。 遗传信息的传递与表达遗传信息的传递与表达 Crick中心法则（中心法则（Francis Crick，英国，英国，1958年年） Replication Transcription Translation or Expression Reverse Transcription 以密码的形式由亲代传递给子代以密码的形式由亲代传递给子代DNA的的复制复制 （Replication)； 自自DNA传递给传递给mRNA转录（转录（Transcription)； 根据根据mRNA的遗传信息合成出特异的蛋白质的遗传信息合成出特异的蛋白质

21、翻译（翻译（Translation）或表达（）或表达（Expression）；）； RNA病毒以自身核酸分子为模板进行复制；病毒以自身核酸分子为模板进行复制； 致癌致癌RNA病毒能通过逆转录（病毒能通过逆转录（Reverse transcription）的方式将遗传信息传递给）的方式将遗传信息传递给DNA。 Crick中心法则中心法则 遗传信息的传递与表达遗传信息的传递与表达 DNADNA的复制的复制半保留复半保留复 制制 亲代亲代DNA分子有一半保留在子代分子有一半保留在子代DNA分子中。分子中。 第一代第一代第二代第二代 DNADNA的复制的复制半不连续复半不连续复 制制 复制叉移动方向复

22、制叉移动方向 连续复制，前导链连续复制，前导链 冈崎片段的合成冈崎片段的合成 不连续复制，滞后链不连续复制，滞后链 DNADNA聚合酶聚合酶 b b- -亚基（夹子）亚基（夹子） 冈崎片段冈崎片段 5 3 3 5 5 3 3 5 3 5 DNA信息的转录信息的转录 合成方向是合成方向是5 533，RNARNA聚合酶沿聚合酶沿 DNADNA链的链的3 355方向移动。方向移动。 DNADNA自身的自身的终止信号序列终止信号序列可以可以被被RNARNA聚合酶识别聚合酶识别，mRNAmRNA和和 RNARNA聚合酶一起脱落；另一些信号聚合酶一起脱落；另一些信号被蛋白质被蛋白质r r因子识别因子识别，

23、 使使mRNAmRNA脱落，但是脱落，但是RNARNA聚合酶不脱落。聚合酶不脱落。 Trp 遗传密码遗传密码mRNAmRNA四种四种碱基碱基以特定顺序排成以特定顺序排成三个一组的三三个一组的三 联体（密码子）联体（密码子），6464个密码中，个密码中，6161个为氨基酸编码，三个个为氨基酸编码，三个终终 止密码止密码，一个（甲硫氨酸密码子）为，一个（甲硫氨酸密码子）为起始密码起始密码子。子。 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 二、核酸的组成二、核酸的组成 核酸（和）是一种核酸（和）是一种线形多聚核苷酸线形多聚核苷酸， 基本结构单元是基本结构单元是核苷酸核苷酸。 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 二、核酸的组成二、核酸的组成 、核酸的结构单元、核酸的结构单元核苷酸核苷酸 （）（）碱基碱基 N N N H N NH2 NH N N H N O NH2 N N H NH2 O NH N H O O AdenineGuanine CytosineThymineUracil NH N H O O H3C 腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T） 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 3 3、多聚核苷酸、多聚核苷酸 核酸的结构