生化导师0841核酸

1、 核 酸 (Nucleic Acid) 核 酸 (Nucleic Acid) 在在1869年，年，F. Mischer从细胞核中分离得从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。物质。 1939年，年，E. Knapp等第一次用实验方法等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传的基础物质。证实核酸是生命遗传的基础物质。 核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括包括 : 核糖核酸（核糖核酸（RNA） 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA） 以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷

2、酸长链。 RNA主要参与遗传信息的表达主要参与遗传信息的表达,即蛋白质的生物即蛋白质的生物合成合成. DNA则是遗传信息的载体则是遗传信息的载体 James Watson (34y)James Watson (34y)Francis Crick (46y)Francis Crick (46y)Maurice Wilkins (46yMaurice Wilkins (46yDNA Double Helix model 核酸的分类和组成核酸的分类和组成 核酸的分类核酸的分类核酸核酸nucleic acid（NA） 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）Deoxyribonucleic Acid核糖核

3、酸（核糖核酸（RNA）Ribonucleic Acid DNADNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。子量一般都很大。 DNADNA为双链分子，其中大多数是链状结构大为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。分子，也有少部分呈环状结构。脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）RNARNA主要是负责主要是负责DNADNA遗传信息的翻译和表达，遗传信息的翻译和表达，分子量要比分子量要比DNADNA小得多。小得多。RNARNA为单链分子。为单链分子。 核酸是由几十个甚至几千万个核苷酸聚合而核酸是

4、由几十个甚至几千万个核苷酸聚合而成的具有一定空间结构的大分子化合物。成的具有一定空间结构的大分子化合物。 核蛋白核蛋白 磷酸磷酸 核苷核苷 碱基碱基 戊糖戊糖 蛋白质蛋白质 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷磷酸酸 核核糖糖 核核酸酸核核苷苷酸酸 戊戊糖糖 核核苷苷 脱脱氧氧核核糖糖 嘌嘌呤呤碱碱 含含氮氮碱碱 嘧嘧啶啶碱碱 核酸的水解产物核酸的水解产物核酸的化学组成核酸的化学组成组成组成 1 1碱基（碱基（basebase）：又称含氮碱）：又称含氮碱 （1 1）嘧啶碱（）嘧啶碱（pyrimidine, Pypyrimidine, Py） C T U（2 2）嘌呤碱（）嘌呤碱（purine, Pupur

5、ine, Pu） 其它嘌呤（核酸的代谢产物）：其它嘌呤（核酸的代谢产物）：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等A G2 2戊糖（戊糖（pentosepentose） （1 1）结构）结构 OHOH2CHOHHOHOHHHOHOH2CHOHHHOHHH-D-D-核糖核糖-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖NNNNNHCH3dRN6-M ethyl-dA（1）HNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(D or hU)NNCH3NH25-Methyl-dCOdR（1 1）由修饰碱基和糖组成的核苷）由修饰碱基和糖组成的核苷（2 2）由非修饰碱基和）由非修饰碱基和2-O-2-O

6、-甲基核糖组成的核苷甲基核糖组成的核苷（3 3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷）由碱基与糖连接方式特殊的核苷修饰核苷包括三种情况修饰核苷包括三种情况: : 2 2修饰核苷（修饰核苷（modified nucleosidemodified nucleoside）：）： 也称稀有核苷（也称稀有核苷（minor nucleosideminor nucleoside） 修饰碱基（修饰碱基（modified basemodified base）也称稀有碱基（）也称稀有碱基（minor baseminor base） NNNNORW(Y)核苷NRH3CCH3(Wyosine)HNNNCORQ 核 苷(Q u

7、 e u o s in e )RH2N 还有一些核苷，它还有一些核苷，它们的碱基不是嘌呤环，们的碱基不是嘌呤环，但可把它们看作是鸟苷但可把它们看作是鸟苷的衍生物，如的衍生物，如Y Y核苷、核苷、Q Q核苷核苷。 OCH2HHOHHOHHHO (pseudouridine)HNNHOO51假尿嘧啶核苷()OCH2HHOHHOCH3HHO2-O-甲基腺苷Ade(Am)（3）（2）修饰核苷的简写符号修饰核苷的简写符号 少数修饰核苷用单字符号如少数修饰核苷用单字符号如D D、I I；但大多数；但大多数修饰核苷是将碱基取代基、取代位置和取代数目写在修饰核苷是将碱基取代基、取代位置和取代数目写在核苷单字符

8、号的左边，用小写英文字母代表取代基。核苷单字符号的左边，用小写英文字母代表取代基。 m N22取代位置核苷取代基的数目取代基 核苷核苷 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。而生成的化合物。 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的核糖的C1 -羟基与嘧啶碱羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为进行缩合，故生成的化学键称为,N糖苷键。糖苷键。 核苷中戊糖与碱基的连接方式：核苷中戊糖与碱基的连接方式： OHOH2CHHHHOHOHNNNNNH291 腺嘌呤核苷 （adenosine）胞嘧啶脱氧核

9、苷 （deoxycytidne）OHOH2CHHHHOHHN1NONH21腺苷腺苷(AR) 脱氧胞苷脱氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷键糖苷键 1,N1-糖苷键糖苷键11N9N1 “稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核所生成的核苷。苷。假尿苷（假尿苷（）1,C5-糖苷键糖苷键1C5 核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名 核苷酸核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的成的磷酸酯类化合物磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。和脱氧核糖核苷酸两大类。 由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成成2

10、-核苷酸、核苷酸、3-核苷酸和核苷酸和5-核苷酸。最核苷酸。最常见者为常见者为5-核苷酸（核苷酸（5 常被省略）。常被省略）。 2 2，3 3，5 5一核糖核苷酸一核糖核苷酸(2(2 -AMP)-AMP)(3(3 -AMP)-AMP)(5 -AMP)3 3，5 5一脱氧核糖核苷酸一脱氧核糖核苷酸Deoxyadenosine;Deoxyadenosine;3 3monphosphate monphosphate (3(3- dAMP)- dAMP)Deoxyadenosine 5Deoxyadenosine 5- - monphosphate:5monphosphate:5- - dAMP)dA

11、MP)（2 2）脱氧（核糖）核苷（）脱氧（核糖）核苷（deoxyribonucleotidedeoxyribonucleotide）：）：核苷核苷 核糖核苷（核苷）：核糖核苷（核苷）：A A、G G、C C、U U 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dAdA、dGdG、dCdC、dT dT 命名，简写符号命名，简写符号 天然核苷：一般为反式构象天然核苷：一般为反式构象 核苷酸的分子结构核苷酸的分子结构 5 5- -核苷酸核苷酸又可按其在又可按其在5 5位缩合的磷酸基位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。磷酸

12、核苷和三磷酸核苷。 6.1.4 6.1.4 核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物 ATPATP是生物体内分布最广和最重要的一种是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：核苷酸衍生物。它的结构如下：O-POO-NNNNN H2OHHO HHO HHO C H2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP) ATP ATP 含有两个高能磷酸键。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是生物体内最重要的能量转换中能量转换中间体间体。用于推动生物体内各种需能的。用于推动生物体内各种需能的生化反应。生化

13、反应。 ATP ATP 也是一种很好的也是一种很好的磷酰化剂磷酰化剂。磷酰。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，化反应的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也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。物化学反应的激活步骤。 GTP (GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸鸟嘌呤核糖核苷三磷酸) ) GTPGTP是生物体内游离存在的另一种重要的核是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。苷酸衍生物。它具有它具有ATP ATP 类似的结构类似的结构, , 也也是一种高能化合物。是一种高能化合物。 GTPG

14、TP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下在许多情况下, ATP , ATP 和和 GTP GTP 可以相互转换。可以相互转换。 环核苷酸的分子结构环核苷酸的分子结构环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷胞内胞内 ATP cAMP + PPi 磷酸二酯酶磷酸二酯酶 5 -AMP 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 （ACAC）核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸dAMPGDT(DNA)TCU(RNA) 一分子的核苷酸的一分子的核苷酸的3-位羟基位羟基与另一分子与另一分子核苷酸的核苷酸的5-位磷酸位磷

15、酸基通过脱水可形成基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸，从而将两分子核苷酸连接起来。连接起来。 6.2 核酸的结构核酸的结构6.2.1 6.2.1 核酸的一级结构核酸的一级结构多核苷酸链多核苷酸链 核酸就是由许多核苷酸单位通过核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二磷酸二酯键酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。物。核酸具有核酸具有方向性方向性的长链状化合物，多核苷酸的长链状化合物，多核苷酸链的两端，链的两端，一端称为一端称为5-端，另一端称为端，另一端称为3-端。端。RNADNA多聚核苷酸的特点多聚核苷酸的特点 在多聚核苷酸

16、中，两个核苷酸之间形成的磷酸在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为二酯键通常称为53磷酸二酯键磷酸二酯键。 多聚核苷酸链一端的多聚核苷酸链一端的C5带有一个自由磷酸基，带有一个自由磷酸基，称为称为5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P表示）；另一端表示）；另一端C3带带有自由的羟基，称为有自由的羟基，称为3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH表表示）。示）。 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是苷酸链时，必须注明它的方向是5353或是或是3535。 DNA由由dAMP、dGMP、dCMP和和DtmpDNA的一级结

17、构就是指的一级结构就是指DNA分子中脱氧分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。 RNA由由AMP，GMP，CMP，UMPRNA的一级结构就是指的一级结构就是指RNA分子中核糖分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序及连接方式。 5-AGTCCATG-3 反向反向AGTCCATG 正向正向GTACCTGA 5-AGUCCAUG-3 反向反向AGUCCAUG 正向正向GUACCUGA核酸一级结构的表示方法核酸一级结构的表示方法 方向性方向性PP5335PP53P53ACGT 在多聚核苷酸（在多聚核苷酸（DNADNA或或RNARNA）链中，由于构成核

18、苷）链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：链结构也可表示为：在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：步简化为：5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或或5ACGCTGTA 3PP5335PP53P53ACGT DNA的空间结构的空间结构DNADNA双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级结构二级结构的一种重要的一种重要形

19、式，它是形式，它是WatsonWatson和和CrickCrick两位科学家于两位科学家于19531953年提出来的一种结构模型。年提出来的一种结构模型。（2）DNA碱基组成的定量分析碱基组成的定量分析 20世纪世纪40年代年代chargaff规则规则 DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。 A=T；G=C；A+G=T+C DNADNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景19501953，Chargaff研究小组对研究小组对DNA的化学组的化学组成进行了研究，发现：成进行了研究，发现： DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系碱基

20、组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；越远，差异越大； 相同物种，不同组织器官中相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；同，而且不因年龄、环境及营养而改变； DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。 这一规律被称为这一规律被称为Chargaff原则原则。 DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 目前已知目前已知DNA双螺旋结构可双螺旋结构可分为分为A、B、C、D及及Z型等数种，型等数种，除除Z型为左手型为左手双螺旋外，其双螺旋外，其余均为右手双余均为

21、右手双螺旋。螺旋。 二、二、DNADNA的二级结构的二级结构 19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. F. Crick Crick 在前人研究工作在前人研究工作的基础上，根据的基础上，根据DNADNA结晶结晶的的X-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DNADNA双双螺旋结构模型，并对模螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了型的生物学意义作出了科学的解释和预测。科学的解释和预测。1 1DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点 DNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单链组成。单链组成。 DNADNA的双螺旋结构是的双螺旋结

22、构是分子中两条分子中两条DNADNA单链单链之间基团相互识别之间基团相互识别和作用的结果。和作用的结果。 双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二二级结构的最基本形级结构的最基本形式。式。A DNAA DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点 （1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链( (简称简称DNADNA单链单链) )组成。两条链沿着同一根轴平组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为链方向相反，即其中一条链的方向为5353，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3535。 （2 2）嘌呤碱和）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋基环平面与螺旋轴垂直，糖基环轴垂直，糖基环平面与碱基环平平面与碱基环平面成面成9090角。角。A DNAA DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点 （3 3）螺旋横截面）螺旋横截面的直径约为的直径约为2 nm2 nm，每条链相邻两个碱每条链相邻两