第4章 核酸 考研科目,动物生物化学

第4章核酸(NucleicAcid)本章主要内容1.核酸的化学组成与结构2.RNA的分子结构3.核酸的理化性质重点:核苷酸的生物学功能、RNA的种类和结构难点:DNA的双螺旋结构第一节核酸概述

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，能够储存、携带和传递遗传信息。1核酸(nucleicacid)

1868年，瑞士青年科学家F.Miescher2核酸的发现从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离得到一种含磷较高的酸性物质，称之为核素（nuclein）。3核酸的种类、分布（1）核酸的种类（RNA、DNA、）

①核糖核酸（ribonucleicacid:RNA）转移RNA(transferRNA:tRNA)信使RNA(messengerRNA:mRNA)核糖体RNA（ribosomal

RNA:rRNA）功能：三者共同参与遗传信息的表达。

②脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic

acid:DNA）功能：遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。

DNA(脱氧核糖核酸)

RNA（核糖核酸）分布98%于细胞核中，少量存于线粒体和叶绿体中90%细胞质，10%细胞核，其中：tRNA15%，mRNA5%,rRNA80%功能遗传物质基础（主要）传递遗传信息，指导蛋白质合成核糖碱基磷酸D-2-脱氧核糖A、C、G、T磷酸D-核糖A、C、G、U磷酸（2）核酸的分布与功能第二节核酸的化学组成一、核酸的化学组成

1基本元素

CHONP

一般不含S

P含量较多，并且恒定（9%-10%）2.分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)核酸低聚核苷酸单核苷酸磷酸核苷核糖碱基核酸的水解过程嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)（1）组成核酸的碱基嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)DNA的碱基组成：AGCTRNA的碱基组成：AGCU核酸中除了5类基本的碱基外，还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基。组成核酸的稀有碱基Im5Chm5CDHUNNNNONNNH2O—CH3次黄嘌呤5-甲基胞嘧啶5-羟甲基胞嘧啶二氢尿嘧啶

组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的戊糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的戊糖则为β-D-核糖。（2）核糖OHH

核苷：AGUC脱氧核苷：dA

dG

dT

dC（3）核苷(ribonucleoside)

碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1假尿苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）（4）核苷酸(ribonucleotide)核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核糖核苷酸的糖环上有三个（5′、3′、2′）游离的羟基，可以形成三种核苷酸。脱氧核糖核苷酸有两个（5′、3′）游离羟基，形成两种核苷酸。但天然的只发现5′连接磷酸的核苷酸。OHH核苷酸的生物功能（1）ATP参与能量代谢（GDP、GTP）（2）参与细胞信号转导

cAMP(3’,5’-环腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟苷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使（第二信使）。

cAMP

和cGMP

的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP

和cGMP的水解能约为43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。（3）辅助因子的成分参与代谢的辅酶或者辅基含有核苷酸

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+（4）参与rRNA的调控某些细菌中含有尿苷四磷酸（ppGpp）和尿苷五磷酸（pppGpp）,参与rRNA的调控。二DNA的分子结构1DNA分子的大小：

分子质量很大，一般在106－1010bp，DNA为生物大分子，DNA呈双股dsDNA或单股ssDNA，呈线型或环型

2DNA的碱基组成：

ATCG，还有少量的稀有碱基（m5C、hm5c）等。DNA碱基组成的特点（1）具有种的特异性。（2）没有器官和组织的特异性。（3）嘌呤碱基的总摩尔数等于嘧啶碱基的总摩尔数。

碱基当量定律：A=T，G=C+m5CA+G=T+C+m5C（4）年龄、营养状况和环境的改变不影响DNA碱基的组成。3DNA的一级结构概念：指DNA分子中核苷酸的连接方式、核苷酸的种类数量以及排列顺序。基本结构单位：脱氧核糖核苷酸连接键：3′，5′－磷酸二酯键书写及阅读方向：从5′端到3′端（2）多聚核苷酸多聚核苷酸是通过与前一分子核苷酸3′OH和后一分子核苷酸5′磷酸基均形成磷酸二酯键，这样鱼贯联结而成的链状聚合物（3′，5′连接）。

由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGAAGP5PTPGPCPTPOH3（2）书写方法5

pApGpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

34DNA的二级结构：双螺旋结构（1）DNA双螺旋结构的研究背景①碱基组成分析

Chargaff

规则：[A]=

[T][G]

[C]②碱基的理化数据分析

A-T、G-C以氢键配对较合理③DNA纤维的X-线衍射图谱分析（2）DNA双螺旋结构特点

①两条多聚脱氧核糖核苷酸链沿着同一根轴反向平行盘绕，形成右手双螺旋结构。即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。②碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。内侧碱基呈平面状，碱基环平面与螺旋轴垂直。

③螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩高度为3.4nm。0.34nm

④形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律。

碱基互补配对TAGCDNA双螺旋结构的生理意义1储存和传递遗传信息分子。2DNA的复制、转录以及反转录的分子基础。（3）DNA双螺旋结构的多样性不同构型DNA的比较

在基因的调控区或染色质的重组部位有DNA的三螺旋结构4DNA的三级结构（超螺旋结构）

指DNA双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象，即DNA的三级结构线形DNA松弛环形DNA

DNA负超螺旋解链环形DNA超螺旋结构(superhelix

或supercoil)DNA

双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反核小体的串珠状结构

三RNA的结构与功能1RNA的种类、分布、功能（1）信使RNAmRNA：占细胞中RNA总量的3%-5%，分子量大小不一，不稳定，代谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。

mRNA结构特点①

大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-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：m7Gppp。②

大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。

把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。mRNA的功能

DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞

（2）转运RNA（tRNA）

约占细胞中RNA总量的15%。约由75-90个核苷酸组成。蛋白质合成中携带活化的氨基酸。

tRNA的二级结构：三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环

tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。（3）核蛋白体RNA(rRNA)

rRNA是细胞中最多的一类RNA，占RNA总量的80％。是核糖体的主要组成部分。

为蛋白质生物合成的场所。

rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成原核生物真核生物小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%2RNA一级结构

RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。

3RNA的二级结构发卡式结构：A-U，C-G配对RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。第三节DNA的理化性质

1DNA为白色纤维状固体，微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。

2DNA溶液的粘度很大，核酸发生变性或降解后其粘度降低。

4与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有弱碱性基团碱基，因而核酸也具有两性性质。3核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。

5紫外吸收特性

6DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降沉降系数增加酸碱滴定曲线改变生物活性丧失

Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，50%的ＤＮＡ分子发生变性时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。热变性一般DNA的Tm值在70-85C之间

①G和C的含量高，Tm值高：因而测定Tm值，可反映DNA分子中G、C含量，可通过经验公式计算：

（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44

影响Tm值的因素

②DNA的均一性：均质DNA的熔解过程发生在一较小的温度范围内；异质DNA的熔解过程发生在一较宽的温度范围内。③Tm与溶液性质有关：

DNA的保存应在含盐的缓冲液中。（7）增色效应DNA的紫外吸收光谱增色效应：变性后DNA对260nm紫外光的吸收率（A260）比变性前明显增加，这种现象称为增色效应.8DNA的复性DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一