第四节核酸化学(徐)

第四节核酸的化学概述1868年，F.Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，被称为核酸（nucleicacid）。

Medel关于基因（gene）的研究。

1944年，Avery等完成了著名的肺炎球菌转化实验，证明遗传物质的基础是核酸。

1953年，Watson和Click提出DNA双螺旋模型。核酸的分类和功能：

脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）：基因遗传与表达的载体，是生物的主要遗传物质。

核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）：参与遗传信息的传递和表达过程，在蛋白质的生物合成中起重要作用。一、核酸的分子组成核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸核苷磷酸戊糖(核糖、脱氧核糖)碱基（嘌呤、嘧啶）

核酸

3`，5`-磷酸二酯键

核苷酸

磷酸酯键核苷磷酸

糖苷键碱基

脱氧核糖（核糖）7(一)核苷酸的基本成分核酸的基本组成单位：核苷酸主要组成元素：C、H、O、N、PP平均含量：9%~10%故：测定样品中P的含量可计算其核酸的含量1、核苷酸（1）戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。嘌呤碱789456123腺嘌呤鸟嘌呤1、核苷酸（2）碱基——腺嘌呤（A）腺嘌呤Adenine1、核苷酸（2）碱基——鸟嘌呤（G）鸟嘌呤guanine

嘧啶碱胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶123456111、核苷酸（2）碱基——尿嘧啶（U）尿嘧啶uracil1、核苷酸（2）碱基——胞嘧啶（C）胞嘧啶cytosine1、核苷酸（2）碱基——胸腺嘧啶（T）胸腺嘧啶thymine核酸中除了上述五种碱基外，还有一些含量极少的碱基，称为稀有碱基。稀有碱基种类甚多，RNA中特别是tRNA中含有较多的稀有碱基。稀有碱基：(3)戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。1421、核苷酸（4）核苷nucleoside由一个碱基和一个戊糖结合形成。共8种(4)核苷糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1911为了区别于碱基上的原子编号，核糖上的碳原子编号的右上方都加上“′”如1-C′、3-C′等均表示核糖上第1和第3个碳原子。核苷酸链3′5′1、核苷酸（4）核苷酸nucleotide核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5’-磷酸-脱氧核糖核苷和5’-磷酸-核糖核苷。

核糖核苷的核糖环上的2ˊ、3ˊ、5ˊ位各有一游离的羟基，这些羟基均可磷酸化而形成2ˊ、3ˊ和5ˊ—三种核苷酸脱氧核苷只在3ˊ和5ˊ位有游离的羟基，只能生成3ˊ和5ˊ—核苷酸。将核酸用不同方法水解可生成上述各种不同的核苷酸。下面为几种核苷酸的结构式：2、核苷酸的衍生物ATP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：（1）ATP(三磷酸腺苷)ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。2、核苷酸的衍生物环核苷酸普遍存在于动植物及微生物中。（2）cAMP（环腺苷酸）和cGMP这两种环核苷酸在细胞代谢调节中具有重要作用，是传递激素作用的媒介物。称为二级信使。2、核苷酸的衍生物NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸（3）辅酶类核苷酸第二节DNA的分子结构一、DNA的一级结构

是指脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。1.连接方式：

3′，5′

-磷酸二酯键脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖核酸中C2′上不含羟基，C1′又与碱基相连，只能形成3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键，所以DNA没有分枝。见动画1多聚核苷酸特点通过3′，5′-磷酸二酯键连接起来的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3′带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3′-OH表示）。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5′→3′或是3′→5′。

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，所以上式可以进一步简化为：

－PAPCPGPT－或－PA－C－G－T－

----ACGT----

可以表示为各种简化的读向都是:从左到右，左侧为5′

，右侧为3′

。2.排列顺序

真正代表DNA生物学意义的是碱基的排列顺序，顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界的多样性即寓于DNA分子中的4种脱氧核苷酸的千变万化的不同排列组合之中。3.DNA一级结构测定原理Maxam－Gilbert的化学裂解法Sanger的双脱氧末端终止法Chargaff定律：碱基当量定律：对所有生物A＝T，G＝C；A＋G＝T＋C。不对称比率：不同物种中A/G、T/C比值差别较大；（A＋T）/(G＋C)比值因物种而异。

1953年，J.Watson和F.Crick

在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型.并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。二、DNA的二级结构

1.DNA分子由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成。一条链的走向为5’→3’，而另一条链的走向向为3’→5’。两条链沿一个假想的中心轴右旋平行盘绕，形成大沟与小沟。DNA双螺旋结构的要点2.磷酸和脱氧核糖作为不变的链骨架位于外侧，作为可变成分的碱基位于螺旋的内侧。链间的碱基按A＝T和GC配对形成碱基平面，平面与纵轴近于垂直。3.螺旋横截面的直径约为2nm，相邻碱基平面的垂直距离为0.34nm，螺旋结构每隔10个碱基重复一次，间距为3.4nm。4.DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的，稳定力量主要有两个：1.两条DNA链之间形成的氢键（hydrogenbond）；2.双螺旋结构内部碱基层层堆积，形成了一个强大的疏水区-碱基堆积力（basestackingforce），消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；3.介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）可与磷酸基团上的负电荷形成离子键，降低了DNA链之间的排斥力、范德华引力等.碱基间氢键碱基间氢键见动画2DNA双螺旋结构的多态性

类型

螺距（nm）每匝碱基数螺旋方向B-DNA（DNA-Na盐，92％相对湿度,天然状态)3.410右A-DNA（DNA-Na盐，75％相对湿度）2.811右C-DNA（DNA-Li盐，75％相对湿度）3.19.3右Z-DNA4.512左A,B,Z型DNA构象的比较回文序列（palindromicsequence）：指DNA序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列正读和反读都相同的双螺旋结构。镜像重复（mirrorrepeat）：DNA序列反向重复，且存在于同一条链上。发夹结构十字形结构三、DNA的三级结构当双螺旋的链进一步扭曲时，再次形成螺旋结构，称为DNA的三级结构----超螺旋结构正超螺旋----拧紧状态3.4nm间距内碱基对数多于10个。负超螺旋----拧松状态3.4nm间距内碱基对数少于10个。见动画3RNA是DNA的局部转录产物，分子量要比DNA小得多。

RNA为单链分子，以3’，5’-磷酸二酯键相连。配对原则是A＝U，GC，但不遵守碱基当量定律。第三节RNA的分子结构概述

根据RNA的功能，可以分为mRNA（messageRNA）、tRNA（transferRNA）和rRNA（ribosomalRNA）三种。

类别螺旋比例占总RNA的％

功能mRNA很小

约2编码氨基酸tRNA50％左右16转运氨基酸rRNA40％左右82构成蛋白质合成场所（核糖体）一、tRNA的分子结构

一级结构单链核酸，通常由73－88个核苷酸组成。含较多稀有核苷酸，如：DHU（二氢尿嘧啶核苷）、ψ（假尿嘧啶核苷）等。

3'-末端都具有CCA-OH的结构。

二级结构三叶草形结构，由四臂四环组成。

氨基酸臂

D臂（二氢尿嘧啶臂）

D环

AC臂（反密码臂）

AC环

TC臂

TC环额外环

三级结构——

倒L型目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型

原核生物rRNA有3类：5S、16S、23S；真核生物rRNA有4类：5S、5.8S、18S、28S二、rRNA的分子结构

许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。已有一些rRNA具有酶的活性，称为核酶（ribozyme）。原核70S真核80S大亚基50S(23S,5S)32种蛋白质60S(28S,5S,5.8S)小亚基30S(16S)21种蛋白质40S(18S)30种蛋白质真核、原核的核糖体比较rRNA呈单链存在，也有局部双螺旋和发夹结构rRNA与蛋白质一起组成核糖体，作为蛋白质合成场所

顺反子（cistron）：一个基因就是一个顺反子。原核生物的mRNA一般是多顺反子。真核生物的mRNA一般是单顺反子。三、mRNA的分子结构

原核生物mRNA结构特点先导区：SD序列。富含嘌呤碱基（5’－AGGAGGU-3’

），可与16srRNA的3’末端富含嘧啶碱基的序列互补，这与mRNA对核糖体的快速识别有关。5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构”3’-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”。

真核生物mRNA结构特点帽子结构5’5’PolyA位点原核与真核细胞的mRNA在结构上的差异：1.原核细胞mRNA是多顺反子，真核细胞mRNA为单顺反子。2.绝大多数真核细胞的mRNA的3’-末端有一段polyA，5’-末端有以“帽子”结构3.“帽子”结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协同核糖体与mRNA相结合有关，3’-末端的polyA可能有抗核酸外切酶的作用4.原核生物mRNA分子中一般没有修饰成分，无3’-末端的polyA和5’-末端“帽子”结构，而真核生物mRNA一般都有修饰成分。第四节核蛋白体自学第五节核酸的性质

核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基），也含有碱性基团（氨基），因而核酸具有两性性质。核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而氨基是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNA的等电点为4～4.5，RNA的等电点为2～2.5。在生理pH或中性缓冲液中，核酸带负电，可在电场中向阳极移动。1.核酸的两性性质及等电点

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260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸定性和定量测定的依据。（碱基、核苷、核苷酸、核酸）2.核酸的紫外吸收减色效应（hypochromiceffect）:双螺旋结构的形成和3’，5’-磷酸二酯键的形成都会减弱碱基对紫外光的吸收。增色效应（hyperchromiceffect）：核酸变性后对紫外光的吸收增加。

核酸的变性（denaturation）是指核酸分子中氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则卷曲的过程。核酸的复性（renaturation）是指变性DNA的两条单链的碱基可以重新配对，恢复双螺旋结构。2.核酸的变性、复性和分子杂交思考？？DNA的变性DNA的降解RNA是否变性DNA变性DNA复性复性（Renatur