第三章核酸化学

第三章核酸化学1第一节概述一、核酸的概念及重要性核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，是生物体中重要遗传物质。（携带和传递遗传信息）22.核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1965年Nirenberg发现遗传密码1970年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架3二、核酸的分类及生物学作用1.脱氧核糖核酸（DNA）：90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型。2.核糖核酸（RNA）:存在于胞核、胞液和线粒体,参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体.4第二节核酸分子的基本组成单位－单核苷酸核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（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)5一、核酸的组成成分碱基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸6核苷酸的结构

嘌呤嘧啶碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA有RNA有每种核酸都含有四种碱基。7

嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基8嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)9

碱基的互变异构酮式－烯醇C=OC-OHNN氨基－亚氨基C-NH2C=NH2+

+HNHN

受介质pH影响10戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)H11磷酸

OOO‖‖解离 ‖HO—P—OHHO—P——P—O－|||OHOHO－磷酸磷酰基12核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核苷1.核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´113核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

三、核苷酸核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

14电脑模型图简化式酯键糖苷键15四、核苷酸的其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+16多磷酸核苷酸

常见的核苷酸为一磷酸单核苷酸，如5′—AMP。一磷酸核苷酸可与一分子磷酸结合成二磷酸核苷酸，如ADP；二磷酸核苷酸再与一分子磷酸结合成三磷酸核苷酸，如ATP。ADPATP即为多磷酸核苷酸。17重要生理功能：①参与能量代谢。ATP是能量通货；②各种三磷酸核苷酸参与DNA、RAN的生物合成（作原料）；③参与其它合成。如UTP参加糖转化、合成，CTP参与嘌呤、蛋白质的合成；④作辅酶的结构成分。如NAD+、NADP+。18环化核苷酸

1950年EarlSutherland（萨瑟兰德）在激素研究中偶尔发现腺苷3′，5′—一磷酸，即cAMP充当了激素第二信使的作用，并放大了激素信号。另外cGMP，有人认为它与cAMP的作用相拮抗。19第三节核酸的基本结构－多核苷酸一、核苷酸的连接方式核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。通过催化一个核苷酸的核糖或脱氧核糖第5′位的磷酸，与另一个核苷酸的第3′位的羟基之间脱水缩合形成3′，5′-磷酸二酯键，并释放出无机焦磷酸。多个核苷酸以3′，5′-磷酸二酯键连接成线形大分子，即多核苷酸链。20215´端3´端核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA22书写方法23二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。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24AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH

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ACTGCT

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DNA与RNA的区别核酸碱基戊糖DNAA、G、C、T脱氧核糖RNAA、G、C、U核糖26第四节DNA的空间结构DNA的空间结构是指多核苷酸链与多核苷酸链之间通过氢键及碱基堆积力，在空间形成的螺旋、卷曲和折叠的构象。DNA的空间结构包括DNA的二级结构和DNA的超螺旋结构。27一、DNA的二级结构DNA的二级结构一般是指DNA分子的空间双螺旋结构。DNA双螺旋结构模型的建立，揭开了现代分子生物学的序幕。1953年Watson和Crick总结前人的研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型。28DNA的二级结构——双螺旋结构29DNA的二级结构设想（1）DNA分子是由两条互相平行、但走向相反（一条链为3‘→5’，另一条链为5‘→3’）的脱氧多核苷酸链组成，两条链以右手螺旋方式平行地围绕同一个轴盘旋成双螺旋结构（2）双螺旋的两条主链都是由脱氧核糖酸残基中的糖和磷酸构成的，是双螺旋的骨架。两条链上的碱基两两成对层叠分布于双螺旋的内侧，碱基平面与螺旋轴垂直。双螺旋的直径为2nm，螺旋每绕一圈升高3.4nm，含10个碱基对30（3）两链之间的碱基是通过氢键相连形成碱基对，并且碱基配对有一定规律，即A与T通过形成两个氢键配对（A=T）；G与C通过形成三个氢键配对（G≡C）。因此，有4种可能的碱基对，即A－T、T－A、G－C和C－G。在碱基对之中的两个碱基称为互补碱基，由于DNA双链同一水平上的碱基对都是互补的，所以两条链也是互补的，称为互补链，只要知道一条链的碱基排列顺序，就能确定另一条链的碱基排列顺序。DNA的复制、转录、反转录以及蛋白质的生物合成都是通过碱基互补原则实现的，碱基互补规律有重要的生物学意义。31

DNA的双螺旋结构总结DNA分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的双链组成，以右手螺旋方式盘旋糖－磷酸骨架均位于外侧，碱基在内侧碱基平面之间距离为0.34nm。螺旋一周为10碱基对，螺距为3.4nm。双螺旋的两条链是反方向平行的。碱基配对：G=CA=T。稳定力：互补碱基之间的氢键疏水性堆积力-碱基堆积力32维持双螺旋结构稳定的因素两条链碱基之间的氢键（离子键、范德华力）碱基之间的堆积力：作用最大环境中的正离子33DNA的双螺旋结构3435碱基配对及氢键形成36DNA的三级结构双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。许多病毒DNA、细菌质粒DNA和真核生物的线粒体DNA以及叶绿体DNA，多是由双螺旋结构的首尾两端接成环状。双螺旋进一步发生扭曲形成超螺旋结构。37DNA的三级结构真核细胞核染色质中DNA双螺旋缠绕在组蛋白的八聚体上，形成核小体。许多核小体之间由DNA链相连，形成串珠状结构。在串珠状结构的基础上，再经过几个层次折叠，将DNA紧密压缩于染色体中。细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在，比如，人的DNA在染色体中的超螺旋结构，使DNA分子反复折叠盘绕后共压缩8400倍左右。38DNA的三级结构真核生物中DNA的三级结构与蛋白质有关。和DNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成八聚体，被两圈140-145碱基对的DNA所围绕。形成核小体。H1位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构。39DNA的三级结构超螺旋40DNA超螺旋结构核小体示意图41DNA的功能基因：就是DNA大分子的一个片段，有复制、转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基础。DNA的功能：是储存遗传信息，保证每一种生物机体合成它们独特的蛋白质和RNA，使机体按一定时间和空间顺序来合成细胞成分,作为生物遗传信息复制的模版和基因转录的模版。一个生物体的全部基因序列称为基因组。42生物体内DNA的大小43第五节RNA的空间结构RNA由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。44动物细胞内主要RNA的种类及功能45转运tRNA、核糖体rRNA及信使mRNA

结构特点在RNA分子的多核苷酸链中也能形成与DNA相类似的螺旋区，这是由单链自身回折，使链内可配对的碱基（A-U,G－G）相遇形成氢键（A－U碱基对），使该部分扭转形成螺旋。但其螺旋结构与DNA的略有不同，碱基既不彼此平行，也不垂直于螺旋的轴。这是因为在核糖的2‘位置上多出的氧原子的大部分伸入到结构的密集部位所致。46tRNA的结构特点tRNA分子中含有较多的稀有碱基：DHU、ψ和mG、mA等所有的tRNA均是线性多核苷酸链，局部片断由于碱基互补而形成局部双螺旋区，而非互补区则形成环状结构。整个tRNA的二级结构呈现三叶草结构tRNA中的3个环分别是DHU环、TψC环和反密码环tRNA的三级结构呈现倒L型，一端为氨基酸臂，另一端为反密码子47tRNA的二级结构—三叶草型结构五部分：氨基酸接受臂二氢尿嘧啶环反密码环额外环：之间差异较大，是分类的指标。TψCG

环48tRNA三叶草模型tRNA倒L形三级结构49二、RNA的三级结构氨基酸接受臂与反密码子环分别位于两端；分子上有两个双螺旋区；构象靠非螺旋区的碱基之间的氢键维持。50tRNA的三级结构tRNA的三级结构均呈倒L字母形，其3’末端含CAA-OH的氨基酸臂位于一端，反密码环位于另一端。tRNA的三级结构的稳定力是核苷酸之间的各种氢键。51tRNA的功能tRNA活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译携带蛋白质合成所需的氨基酸，并找mRNA上的密码顺序“对号入座”地将其转运到mRNA分子上。52tRNA的三级结构

均为倒L型53第六节核酸的理化性质及分离提纯核酸（DNA和RNA）是大分子化合物，且都是极性化合物，一般都溶于水，不溶于乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂。RNA和核苷酸的纯品都是白色粉末或结晶，DNA是白色类似石棉样的纤维状物。除肌苷酸和鸟苷酸具有鲜味外，核酸和核苷酸大都呈酸味。54一、核酸的理化性质(一)核酸的分子大小1.核酸是分子量很大的高分子化合物。2.高分子溶液比普通溶液黏度要大得多，由于DNA分子极为细长，因此即使是极稀的溶液也有极大的黏度，RNA的黏度要小得多55（二）核酸的酸碱性质1.核酸和蛋白质一样，也是两性电解质，在溶液中发生两性电离。因磷酸基的酸性比碱基的碱性强，故其等电点偏于酸性。2.利用核酸的两性解离能进行电泳，3.核酸中的酸性基团可与K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子结合成盐。4.当向核酸溶液中加入适当盐溶液后，其金属离子即可将负离子中和。5.DNA双螺旋两条链间碱基的解离状态与溶液pH有关，溶液的pH将直接影响碱基对之间氢键的稳定性，在pH4.0～11.0之间DNA最为稳定56（三）核酸的紫外吸收特性

1、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，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。2、以A260/A280进行定性、定量3、DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光5758（四）核酸的变性1、稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。2、变性表征生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）3、变性因素pH（>11.3或<5.0）；变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）；低离子强度；加热59（五）核酸的复性与杂交1、复性：因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时重又聚合成双链结构的过程，复性在实验技术