第5章核酸的化学

第五章核酸的化学

本章主要内容

核苷酸

DNA

RNA

核酸的性质

1868年F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸1944年O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋结构模型1958Crick提出遗传信息传递的中心法则1970s建立DNA重组技术1980s后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP核酸化学的发展过程上页

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章首

一、概述

概念

核酸(nucleicacid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成。种类：

DNA（脱氧核糖核酸）

RNA（核糖核酸）“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,不大可能有重要的生理功能。1928年，英国S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙

著名的肺炎球菌实验

结果说明？结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌这种生物分子或遗传物质是什么呢？

著名的肺炎球菌实验

纽约洛克非勒研究所Avery从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年结论：DNA是生命的遗传物质分布：

DNA：主要在细胞核中，是染色体的主要成分。此外在线粒体、叶绿体.

RNA：主要在细胞质中，此外在线粒体、细胞核——核仁；二、核酸的组成成分

核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。戊糖碱基磷酸核苷核苷酸核酸

核苷酸的基

本结构

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。(一)、核酸中的戊糖RiboseDeoxyribose从两类核酸的水解产物可看到它们组成的差别?（二）碱基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶核酸中的碱基分两类：1、嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）2、嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来。NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）3、稀有碱基：

一些修饰碱基，因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基，多在tRNA中。（三）核苷：

(nucleoside)

核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖苷键：

二者的连接是C-N键，称N-糖苷键。OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）核苷的表示：核苷：A、G、C、U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT修饰核苷：如5-甲基胞嘧啶：m5dC。（四）核苷酸(nucleotide，nt)1、种类：1）按酯化位点：可在核糖的2’-,3’-,5’-；2）按核糖类型：

核苷酸、脱氧核苷酸核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。2、结构：3、表示：与一个磷酸结合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合——DP：如：ADP与三个磷酸结合——TP：如：ATP

核苷酸AMPADPATP4、特殊核苷酸：环核苷酸：

核糖3’-,5’-成环。

cAMP、cGMP

功能：第二信使第二信使：通常把激素称为第一信使，激素与靶位受体结合后，生成某些物质，这些物质是联系激素引起生物学效应的重要物质，称为第二信使。例如：cAMP、cGMP等。核苷酸cAMPcGMP肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)酶的辅助因子的结构成分

NAD、NADP、FMNIMP

GMP（五）核苷酸的连接方式1、3’-,5’磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。一、核苷酸OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA2、核酸的一级结构：

多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序称~。OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA1）一级结构表示方法如上：2）读向：

碱基序列从左到右表示5’——3’，由3’-,5’磷酸二酯键连接。若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：

5’A-T-G-C-C-T-G-A3’

3’T-A-C-G-G-A-C-T5’核苷酸三、DNA（一）DNA的一级结构：由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3’-,5’磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。（二）DNA的双螺旋二级结构1、双螺旋结构模型建立的依据：1）根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则：A=T，G=C2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。3）电位滴定证明。DNA双螺旋中的碱基对（basepair,bp)2,双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型）1）形成：两条链反向平行；右手螺旋。DNA2）结构：A、核糖-磷酸以3’-,5’磷酸二酯键连接成骨架；碱基在内；B、大沟、小沟。DNA3）尺寸：DNAA、直径：2nm；B、碱基距离：0.34nm；C、一周10个核苷酸；D、螺距：3.4nm。4）双螺旋的稳定性：A、依靠碱基堆积力B、氢键C、离子键3.DNA的二级结构类型上页

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章首

节首B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟几种DNA螺旋主要构象参数

螺旋类型每圈螺旋中的碱基对数每个碱基旋转的角(度)每个碱基对的垂直高度(nm)螺距(nm)螺旋直径(nm)A11+32.70.2560.82.3B10+36.00.3383.42.0Z12-30.00.3714.51.8B-DNA与A-DNA几种DNA钠盐的特点：B-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交替；有m5dC

；与基因表达调控有关；此外，还发现有C、D、E等型。

DNA分子间三股螺旋结构模型

(三）DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。天然DNA有双链DNA（dsDNA），有的病毒为单链DNA（ssDNA）在dsDNA中：

线形分子（大多数）

环状分子（dcDNA）：质粒、线粒体、叶绿体、病毒、细菌DNA1、超螺旋结构特点：可将长链压缩在一较小体内；密度大；凝胶电泳中移动速度快。DNA2、核小体中的

扭曲方式在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构———染色体。DNA（四）DNA的功能1、DNA一级结构的特点基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列

（DNA或RNA）是遗传物质的最小功能单位。若干bp多个基因pr+DNA染色体染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA含有大量基因片段，是生命的遗传物质。DNA弄清几个概念

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。转录：DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中过程。翻译:把以mRNA为模板合成蛋白质的过程。结构基因:为RNA或蛋白质编码的基因.调节基因:只有调节作用,并不能转录生成RNA的片段.基因组:某生物体所含的全部基因称该生物体的。1）原核生物基因组：

基因在同一染色体上。

A、除调节序列和信号序列外，多为结构基因；B、功能相关的基因常连在一起，并转录在同一mRNA中；DNAC、基因有重叠；

同一核苷酸顺序中包含多种生物信息。2）真核生物基因组：

一般基因分布在若干染色体上。

A、有重复序列；B、有断裂基因：即有内含子。

内含子（intron)：DNA分子中不编码的序列。

外显子(exons)：DNA分子中可表达的序列。DNA内含子与外显子2、DNA是遗传信息的载体半保留复制保证了亲代性状传到子代，保证了亲代与子代的相似性。DNA3、DNA是变异的物质基础变异是生物进化的基础。变异的发生：1）DNA复制时出错；2）理化因素等引起碱基变化或缺失，使DNA碱基序列改变，从而发生性状变异。DNA四、RNA（一）RNA的结构组成：4种核苷酸，有稀有碱基；连接：同DNA形成：一般以DNA为模板合成，有例外。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。（二）RNA的类型三种：

信使RNA（messengerRNA,mRNA)

核糖体RNA(ribosomelRNA,rRNA)

转运RNA(transferRNA,tRNA)RNA此外，在真核细胞中还有少量：核内小RNA（snRNA）:

参与核糖体的组成。不均一RNA（hnRNA）：

mRNA的前体。反义RNA（asRNA）：可与mRNA部分或全部序列互补；抑制DNA复制、转录；抑制mRNA翻译。1、tRNA约占全部RNA的15%；由70-90个核苷酸组成许多种类；沉降系数4S。RNA1）tRNA结构：一级结构多已清楚，含较多稀有碱基；二级结构为三叶草有：aa臂、二氢嘧啶环、

反密码环、可变环、

TΨ环P198RNA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.TψC环含有T和ψ；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。tRNA三级结构为倒L型A、在pr合成中转运aa；B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。2）tRNA功能：2、mRNA和hnRNA1）合成：以DNA为模板(核内)

合成

hnRNA（含内含子和外显子）加工成熟的mRNA

入细胞质蛋白质合成RNA合成mRNA切除内含子2)mRNA结构特点：3‘末端有polyA结构：与mRNA从核入质有关。5‘末端有帽子结构：G被甲基化，此可能与pro合成的起始有关。3)功能：是蛋白质合成的模板3、rRNA1)占RNA总量的80%，是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能：

pr合成的部位.3）结构：分大、小亚基一、二级结构多已确定，但功能不清。RNA原核细胞：70S核糖体；真核细胞：80S核糖体；核糖体RNA自我剪切1983年在四膜虫中发现RNA有催化功能4、RNA的功能1）在DNA复制、转录、翻译中起重要调控作用；2）有催化作用；3）可作为遗传物质（如逆转录病毒）。RNA五、核酸的性质（一）一般理化性质1、两性电解质：2、溶解性：微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。0.14摩尔法:分离DNA蛋白和RNA蛋白的方法DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度较大.3、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。4、水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比

RNA对稀碱稳定。核酸的性质5、颜色反应：1）核糖与浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热呈绿色，在670nm处可测RNA；2）2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色，在595nm处可测DNA。二种反应可作定性试验，定量试验灵敏度低、准确性差，但快、简便。核酸的性质（二）紫外吸收性质

碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。应用：1、不同核苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。

1OD相当于：50μg/mlDNA40μg/mlRNA

核酸的性质2、确定所提取的核酸是否纯品。

1）DNA：

OD260/OD280≈1.8纯品

2）RNA：

OD260/OD280≈2.0纯品在纯化DNA

时,通常用A260/A280=1.8-2.0作为纯度标准,若大于此值,表示有RNA污染;若小于此值,则有pro或酚污染.核酸的性质（三）核酸结构的稳定性1、碱基堆积力：双螺旋内部碱基形成的疏水区；2、碱基间的氢键：3、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键核酸的性质（四）核酸的变性1、变性的概念1）现象：双螺旋DNA和具双螺旋区的RNA氢键断裂，空间结构被破坏，形成单链无规则线团状的过程。核酸的性质2）结果：A、增色效应：

260nm紫外吸收增加；

B、粘度下降；

C、生物学性能部分或全部丧失。3）引起变性的因素：温度、pH、尿素、甲醛等。核酸的性质2、热变性与TmTm：在热变性中，紫外吸收增加的中点值所对应的温度，称该DNA的熔解温度（meltingtemperature,Tm);又称热解链温度。(G+C)%=(Tm-69.3)*2.44核酸的性质3、影响Tm的因素：1）G-C含量：Tm与G-C含量成正比。2）介质中的离子强度：离子强度低，Tm低，在纯水中,DNA

在室温下即可变性。3）溶液的pH.4)变性剂核酸的性质（五）核酸的复性概念：变性DNA在适当条件下（缓慢降温），可使两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结构的过程。复性后，许多物化性质可得到恢复，生物学活性部分恢复。影响因素：温度、DNA片段大小、DNA浓度、碱基重复序列多少、离子浓度。核酸的性质DNA变性与复性六、分子