生物化学第三章核酸

1、第三章 核酸Nucleic Acid 主讲教师：唐煌电话-Mail:1、核苷酸的结构与性质2、核酸的结构3、核酸的性质4、核酸的生物功能1、核苷酸的结构核苷酸的结构1.1 核苷酸的化学组成核苷酸的化学组成 元素组成元素组成C、H、O、N、P特点特点: P/: P/核酸核酸=9%=9%分子组成分子组成 碱基碱基( (base) )：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖( (ribose) )：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸( (phosphate) )1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质1.2.1 嘧啶碱（pyrimidine, Py） 1.2 碱基的结

2、构与性质碱基的结构与性质1.2.2 嘌呤碱（purine, Pu） 其它嘌呤（核酸的代谢产物）：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等 1.2.3 碱基的性质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质互变异构现象胺式胺式- -亚胺式互变异构亚胺式互变异构含氮碱基具有芳香环的结构特点。由于环上极性基团（如羰基、氨基等）的存在，碱基能够发生氨式氨式亚氨式亚氨式的互变异构1.2.3 1.2.3 碱基的性质碱基的性质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质互变异构现象酮式酮式- -烯醇式互变异构烯醇式互变异构因此，碱基既有芳香环的特性，也具有氨、酮和烯醇等相应的化学性质。1.2.3 1.2.3 碱基的性质碱基的性

3、质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质碱基环氮原子的烷基化在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。HNN+H2NOCH3NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NNH2ORCH3在同样条件下，U和T基本上不起反应。应用CH2N2作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。1.2.3 1.2.3 碱基的性质碱基的性质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质碱基的紫外吸收在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份

4、定性和定量测定的依据。1.2.3 1.2.3 碱基的性质碱基的性质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质碱基的解离1.2.3 碱基的性质碱基的性质 1.2 碱基的结构与性质碱基的结构与性质碱基的解离1.3.1 戊糖的结构戊糖的结构 1.3 戊糖的结构与性质戊糖的结构与性质OHOH2CHOHHOHOHHHOHOH2CHOHHHOHHHOHOH2CHOHHOCH3OHHH-D-核糖-D-2-脱氧核糖-D-2-O-甲基核糖1.3.2 戊糖的化学性质戊糖的化学性质 1.3 戊糖的结构与性质戊糖的结构与性质氧化反应 OCHbaseHOHOHOH2PIO4-OCHbaseHOH2PCHOOHCCH3N

5、H2H+OCNCHCHCH3baseHOH2CHHO+ H3PO4加成化合物H1.3.2 戊糖的化学性质戊糖的化学性质 1.3 戊糖的结构与性质戊糖的结构与性质碱性水解碱性水解 这种水解稳定性差异具有重要的生理意义：DNA作为遗传信息的携带者，在遗传信息的存储和传递中处于中心地位，要求其结构有高度的稳定性；而RNA在大多数情况下是作为DNA的信使，完成任务后即行分解，所以要求RNA具有容易水解性质。 1.3.2 戊糖的化学性质戊糖的化学性质 1.3 戊糖的结构与性质戊糖的结构与性质颜色反应颜色反应CH3OHHOD-核糖浓HCl 绿色（苔黑酚法）FeCl3D-2-脱氧核糖 蓝色（二苯胺法）HNH

6、+1.4 磷酸的性质磷酸的性质H3PO4pKa1=2H+H2PO4-pKa2=7H+2-HPO4pKa3=12H+3-PO41.3 核苷的结构核苷的结构核苷：含N苷，-苷 OHOH2CHHHbaseHOHOH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）胞嘧啶脱氧核苷 （deoxycytidne）OHOH2CHHHHOHHN1NONH211.3 核苷的结构核苷的结构OCH2HHOHHOHHNNONH2HOsyn-CytidineOCH2HHOHHOHHNNNH2HOanti-CytidineOOCH2

7、HHOHHOHHHOsyn-AdenosineNNNNNH2OCH2HHOHHOHHHOanti-AdenosineNNNNNH2天然核苷：一般天然核苷：一般为反式构象为反式构象 核苷核苷 核糖核苷（核苷）：核糖核苷（核苷）：A、G、C、U 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT 命名，简写符号命名，简写符号 修饰核苷（modified nucleoside）：修饰核苷包括三种情况: （1）由修饰碱基和糖组成的核苷 （2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷 （3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷 也称稀有核苷（minor nucleoside） NNNNN

8、HCH3dRN6-Methyl-dA（1）HNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(D or hU)（2）OCH2HHOHHOCH3HHO2-O-甲基腺苷Ade(Am)NNCH3NH25-Methyl-dCOdR（3）OCH2HHOHHOHHHO (pseudouridine)HNNHOO51假尿嘧啶核苷()22，33，55核糖核苷酸核糖核苷酸(2 -AMP)(3 -AMP)(5 -AMP)1.4 核苷酸的结构核苷酸的结构33，55脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸Deoxyadenosine 3- monphosphate (3- dAMP)Deoxyadenosine 5- mo

9、nphosphate (5- dAMP)（2）脱氧（核糖）核苷酸（）脱氧（核糖）核苷酸（deoxyribonucleotide）1.4 核苷酸的结构核苷酸的结构（1 1）一般物理性质）一般物理性质 （2 2）互变异构现象）互变异构现象 （3 3）紫外吸收）紫外吸收 1.5 核苷酸的性质核苷酸的性质A260：样品在样品在260nm处的吸收值处的吸收值 E260：所测核苷酸的摩尔消光系数所测核苷酸的摩尔消光系数 C： 核苷酸样品的浓度（核苷酸样品的浓度（mg/ml） 核核苷苷酸酸A260E260MrC100胞嘧啶核苷酸的解离胞嘧啶核苷酸的解离 OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMP

10、pKa2=4.5-OCH2HHOHHOHHONNONH2POOOCMPpKa3=6.4-pI =CMPpKa1+pKa22=0.8+4.52= 2.65OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMPpKa1=0.80H+-OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHHOCMP+H+（4 4）核苷酸的两性解离和等电点）核苷酸的两性解离和等电点 鸟嘌呤核苷酸的解离鸟嘌呤核苷酸的解离 （4 4）核苷酸的两性解离和等电点）核苷酸的两性解离和等电点 pI5-GMP1.55腺嘌呤核苷酸的解离腺嘌呤核苷酸的解离 （4 4）核苷酸的两性解离和等电点）核苷酸的两性解离和等电点 pI5-AMP2.35尿

11、嘧啶核苷酸的解离尿嘧啶核苷酸的解离 （4 4）核苷酸的两性解离和等电点）核苷酸的两性解离和等电点 4 4种核苷酸的解离曲线种核苷酸的解离曲线 可在可在pH 2.05.0之间分离各种核苷酸之间分离各种核苷酸 pH 3.5 时各核苷酸所带电荷时各核苷酸所带电荷 核苷酸 磷酸基电荷 碱基的电荷 净电荷 AMP-1+0.54-0.46GMP-1+0.05-0.95CMP-1+0.84-0.16UMP-1+0-11.5.1 ATP类的高能磷酸化合物 1.5 核苷酸的重要衍生物核苷酸的重要衍生物胞内 ATP cAMP + PPi 磷酸二酯酶 5-AMP 腺苷酸环化酶 （AC）1.5.1 核苷多磷酸类核苷多

12、磷酸类 5 端端3 端端CGA2、核酸的结构核酸的结构 2.1 2.1 核酸的一级结构核酸的一级结构 2.1.1 核酸分子中核苷酸核酸分子中核苷酸之间的连接键之间的连接键 3,5-磷酸二酯键，简称C3-O-P-O-C5键。RNA和DNA的多核苷酸皆无支链。 2、核酸的结构定义定义核酸中核苷酸的排列核酸中核苷酸的排列顺序。顺序。由于核苷酸间的差异由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。称为碱基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 2.2 DNA的空间结

13、构的空间结构 双螺旋结构双螺旋结构2.2 DNA的空间结构的空间结构 2.2.1 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = T G = C A+G=T+C物种不同，物种不同，DNA组成不同组成不同.同一个体的不同细胞同一个体的不同细胞DNA相同相同.2.2.2 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分子由两条分子由两条相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脱氧多核苷酸链的脱氧多核苷酸链组成，两链以组成，两链以- -脱氧核糖脱氧核糖- -磷磷酸酸- -为骨架，以为骨架，以右手螺旋右手螺旋方方式绕同一公共轴盘。螺旋直

14、式绕同一公共轴盘。螺旋直径为径为2 2nm，形成形成大沟大沟(major g ro o v e ) 及及 小 沟小 沟 ( m i n o r groove)相间。相间。u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成側，与对側碱基形成氢键配氢键配对对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T; G C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对对碱基。碱基。碱基互补配对碱基互补配对 u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性u碱基堆积力碱基堆积力维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性u磷酸基上的负电荷与介质中的阳

15、磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子之间形成的离子键，稳定双离子键，稳定双螺旋的完整性螺旋的完整性稳定稳定DNADNA双螺旋结构的化学键双螺旋结构的化学键2.2.3 DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Watson Crick DNA双螺旋结构（B型DNA） 2.2.3 DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性A-DNA： 与B-DNA相同处：反向的两条多核苷酸链，右手螺旋。与B-DNA不同点 :（1）螺体宽而短，直径2.55nm；11个核苷酸一圈，螺距2.46nm。（2）碱基的倾角大一些：倾角19。A-DNA：RNA分子中的双螺旋区；DNA-RNA杂交分子。2.2.3 DN

16、A双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Z-DNA： 1979年美国ARich等人发现了左旋DNA（左手DNA双螺旋结构）d(CpGpCpGpCp-Gp)2.2.4 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装2.2.4.1 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘

17、绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。 2.2.4.2 原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构环状DNADNA 双链线状 双链环状 单链线状：动物病毒MVM 单链环状：噬菌体X174 真核细胞染色体DNA 噬菌体T2，T5，T7，P22 E-Coli染色体DNA 线粒体DNA 叶绿体DNA 多瘤病毒DNA，病毒SV40DNA 噬菌体和X174的复制型 2.2.4.3 DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的

18、组装真核生物真核生物染色体染色体由由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H42.3 RNA的空间结构的空间结构 2.3.1 RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA

19、核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合

20、成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA2.3.2 mRNA结构特点结构特点1.帽：大多数真核帽：大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加末端均在转录后加上一个上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也是甲基化，形成帽子结构：也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2. 尾：大多数真核尾：大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺末端有一个多聚腺苷酸苷酸(polyA)结构，称

21、为多聚结构，称为多聚A尾。尾。3. 编码区：核苷酸残基编码区：核苷酸残基mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 tRNA的一级结构特点的一级结构特点 分子量小，分子量小，稀有碱基稀有碱基多多 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 2.3.3 转运转运RNA的结构与功能的结构与功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌

22、呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形四四臂臂三三环环: 氨基酸臂氨基酸臂 DHU(臂臂)环环 反密码反密码(臂臂)环环 额外环额外环(可变臂可变臂) TC(臂臂)环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。3、核酸的理化性质 3.1 核酸的两性性质及等电点核酸的两性性质及等电点 与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（

23、氨基），因而核酸也具有两性性质。 由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNA的等电点为44.5，RNA的等电点为22.5。 RNA的等电点比DNA低的原因，是RNA分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNA没有这种作用。3.2 核酸的水解核酸的水解 （1 1）酸或碱水解）酸或碱水解 核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。 DNA和和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RN

24、A几乎可以完全水解，生成几乎可以完全水解，生成2-或或3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNA在同样条件下则不受影响。这种水解性能上的差别，与在同样条件下则不受影响。这种水解性能上的差别，与RNA核糖基上核糖基上2-OH的邻基参与作用有很大的关系。在的邻基参与作用有很大的关系。在RNA水解时，水解时，2-OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。再在碱的作用形成水解产物。（2）酶水解）酶水解 生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。 以DNA为底物的DNA水解酶（DNases）和

25、以RNA为底物的RNA水解酶（RNases）。 根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。 核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-端或5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。 在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。3.3 核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收 在核酸分子中，由于嘌呤在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在外线吸收光谱，一般在260nm左

26、右有最大吸收峰，可左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。和定量测定的依据。3.4 核酸的变性、复性与杂交核酸的变性、复性与杂交 ( (1) ) 核酸的变性核酸的变性 核酸的变性是指核酸双螺旋区的核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构的断裂，所以它的一级结构( (碱碱基顺序基顺序) )保持不变。保持不变。能够引起核酸变

27、性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。DNA变性的特征变性的特征 当当DNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80-100时，双螺旋结构即发生解时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。体，两条链彼此分开，形成无规线团。 DNA变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外吸变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外吸收收( (260 nm) )值升高值升高, , 粘度降低等。粘度降低等。DNA变性的特征变性的特征 DNADNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起因此，通常将引起DNADNA变性的温度称为融点，用变性的温度称为融点，用T Tm m表示。表示。DNA变性的特征变性的特征一般一般DNA的的Tm值在值在70-85 C之间。之间。DNA的的Tm值与分子中的值与分子中的G和和C的含量有关。的含量有关。G和和C的含量高，的含量高，Tm值高。因而测定值高。因而测定Tm值，可反映值，可反映DNA分子分子中中G, C含量，可通过经验公式计算：含量，可通过经验公式计算： （G+C)%=(Tm-