生物化学-2核酸化学

1、第二章第二章 核酸的化学核酸的化学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分DNA的结构的结构DNA和基因组和基因组RNA的结构和功能的结构和功能核酸的性质核酸的性质核酸的序列测定核酸的序列测定核酸的生物学功能和实践意义核酸的生物学功能和实践意义一、核酸的概念和重要性一、核酸的概念和重要性1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）。193040年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（rib

2、onucleic acid，RNA）“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。20世纪40年代末，Avery 的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：DNA无荚膜，不致病温育有荚膜，致病传代传代有荚膜，致病有荚膜，致病有荚膜，致病除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。不同有机体遗传物质（信息分子信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。二、核酸的组成成分二、核酸的组成成分核酸

3、 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base（碱基 base）核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）（一）核糖和脱氧核糖（一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脱氧核糖O核糖 + H +糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖 + H+ -羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二

4、）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤 guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式（三）核苷（三）核苷OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH

5、51OH假尿苷（）（四）核苷酸（四）核苷酸OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷PO-OO胸苷-5-磷酸AMPOP O-OOADPATPP O-OO各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用在体内能量代谢中的作用：ATP能量“货币”UTP参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMPOHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA三、

6、三、DNA的结构的结构（一）（一）DNA的一级结构的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列碱基序列（base sequence)。通常碱基序列由DNA链的53方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。（二）（二）DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1953年，Watson 和Crick 提出。1. 双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。（2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pau

7、ling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。（3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。2. 双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（1）两条多核苷酸链反向平行。（2）碱基内侧，A与T、G与C配对，分别形成3和2个氢键。（3）双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm。3. 双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素（1）氢键氢键（太弱）；（2）碱基堆积力碱基堆积力（base stacking force，由芳香族碱基电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素；（3）离子键离子键（减少双链间的静电斥力）。4. DNA双螺旋的构象类型

8、双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜20，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：4446%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的

9、区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16。（三）（三）DNA的三级结构的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)超螺旋、染色体包装染色体包装染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数 7 6 40 5 （8400） DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装 四、四、DNA与基因组织与基因组织DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。

10、结构基因调节基因基因组基因组（一）（一）DNA与基因与基因（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物基因组的特点1. DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2. 功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。3.有基因重叠现象。ABCDEFG（三）真核生物基因组的特点（三）真核生物基因组的特点1. 重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列 ：在DNA中可重复几十次到几千次。高度重复序列 ：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的

11、更靠近管底，称为卫星卫星DNA（satellite DNA）富含A-T富含G-C主体DNA2. 有断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。transcription五、五、RNA的结构与功能的结构与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。（一）（一）tRNAt

12、RNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。tRNA分子量为4S，1965年Holley 测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型。主要特征主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶（D）；4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TC环含有T和；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。（二）（二）rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原原 核核 生生 物物 真真 核核 生生 物物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（

13、40S、60S）18S、5S、5.8S、28S （三）（三）mRNA与与hnRNAmRNA约占细胞RNA总量的35%，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNA。（四）（四）snRNA和和asRNAsnRNA主要存于细胞核中，占细胞RNA总量的0.11%，与蛋白质以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。（五）（五）RNA的其它功能

14、的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶核酶（ribozyme）。大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某写物质的运输与定位有关。六、核酸的性质六、核酸的性质（一）一般理化性质（一）一般理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。（二）核酸的紫外吸收性质（二

15、）核酸的紫外吸收性质核酸核酸的碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应减色效应）。00.10.20.30.4220240260280300波长 / nm光吸收（三）核酸结构的稳定性（三）核酸结构的稳定性1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子。（四）核酸的的变性（四）核酸的的变性 ：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。DNA变性是个突变

16、过程，类似结晶的熔解。将紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度熔解温度(melting temperature, Tm)。7075808590T /A /260nmTmTm影响Tm的因素：（1）G-C的相对含量 （G+C）% =（Tm 69.3） 2.44（2）介质离子强度低，Tm低。（3）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。（4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。（五）核酸的复性（退火）（五）核酸的复性（退火）：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。影响复性速度的因素：（1）单链片段浓度（2）单链片段的大小（3）片段内重复序列的

17、多少（4）溶液离子强度的大小（5）溶液温度的高低 （T 25）（六）分子杂交（六）分子杂交 ：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。探针探针：用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段。原位杂交技术原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交，未改变核酸所在的位置。点杂交点杂交：将核酸直接点在膜上，再与核酸杂交。Southern印迹法印迹法：将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交。Northern印迹法印迹法：将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。七、核酸的序列测定七、核酸的

18、序列测定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法OHOH2CHHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P八、核酸的生物学功能和实践意义八、核酸的生物学功能和实践意义核酸是基本遗传物质，在蛋白质的生物合成上又占有重要位置，因而在个体的生长、生殖、遗传、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。（一）核酸与遗传信息的传递（一）核酸与遗传信息的传递DNA是基本遗传物质 有了一定结构的DNA，才能产生一定结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征，所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的具体作用的具体作用：（1）

19、在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代；（2）作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。RNA在传递遗传信息上的作用 mRNA是蛋白质合成的模板；tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；rRNA是核糖体的主要成分，是翻译工作的场所。（二）核酸与蛋白质的生物合成（二）核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。（三）核酸结构改变与生物变异（三）核酸结构改变与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果。生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变，有的由于DNA碱基的颠倒（如TA被颠倒为A

20、T）或被调换（如GC被换为TA）；有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸，或者在转译时发生了差误，如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA。还有一些生物的遗传性状发生了突变。（四）（四）DNA与细菌转化与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化。（五）核酸与病变（五）核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果。镰刀型红细胞贫血镰刀型红细胞贫血和白化病白化病(albinism)。病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。（六）遗传工程（六）遗传工程遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物品种的技术。实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞（转化或转导）。有利有利：（1）有可能培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱的优良性能的动植物新品种；（2）改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；（3）解决某些疾病病因和控制这些疾病。不利：不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等。（七）克隆与克隆化（七）克隆与克隆化由单一亲代细胞用无性繁殖产生的