生物化学第二章

第二章核酸

（Chemistryofnucleicacid）1868年，瑞士科学家F.Miescher

从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素”(nuclein)。他的论文发表在Med.Chem.Unters1872年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物,同时还分离到一种碱性化合物，称为鱼精蛋白（protamine）核酸的发现1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸”（NucleicAcid）命名。1944年，Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。核酸的发现噬菌体转化试验核酸的发现

1944年由Avery等完成的，它证明了生物遗传特性发生改变的转化因子是DNA，而不是蛋白质。

(核酸)NucleicAcidPolynucleotidechain(核苷酸链)Nucleotide(Nt)basicunit(核苷酸)Mono-phosphate(磷酸)Nucleoside(核苷)Deoxy-ribose(Ribose)Base(碱基)Purin(嘧啶)Pyrimidine(嘌呤)Adenine(A)Thymine(T)Guanine(G)

Uracil

(U)

Cytosine(C)

DNA分子的片段

第一节概述1.1核酸的种类核酸（NucleicAcid）脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）信使RNA(mRNA)转移RNA(tRNA)核糖体RNA(rRNA)小分子细胞核RNA（snRNA）、染色质RNA(chRNA)种类分布功能DNA原核生物：核质区真核生物：95%在细胞核、

5%在线粒体和叶绿体遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质真核生物：75%在细胞质

15%在线粒体和叶绿体

10%在细胞核携带、转移aamRNA肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分1.2核酸的分布1.3核酸的功能DNA是遗传物质，是遗传信息的载体。1、DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的。2、体细胞DNA含量为生殖细胞DNA含量的两倍，且含量十分稳定。3、DNA在代谢上较稳定不受营养条件、年龄等因素的影响。4、作用于DNA的理化因素可引起遗传特性的改变。由Avery在1953年用细菌转化试验证明。（二）RNA的生物学功能RNA参与蛋白质的生物合成。1、控制蛋白质的合成；2、作用于RNA转录后加工与修饰；3、基因表达与细胞功能的调节；4、生物催化与其他细胞持家功能；5、遗传信息的加工与进化。第二节核酸的化学组成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

本结构一碱基嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来Adenine(A)Guanine(G)嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)胞嘧啶(cytosine,C)在生理pH下，在生物体内，碱基多以亚氨基、酮基础形式存在。二核酸中的戊糖D-核糖（D-ribose）D-脱氧核糖（D-deoxyribose）核酸据此分类：脱氧核糖－DNA；

核糖－RNA；核酸中的戊糖均为

β-D-型它们均以呋喃糖态存在

RNA中

DNA中

三磷酸磷酸根，带负电荷，可与多种阳离子、组蛋白等结合结合。其参与形成磷酸二酯键。四核苷（nucleoside）

戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。腺苷脱氧鸟苷核苷的表示：

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。五核苷酸核苷与磷酸生成的核苷磷酸酯－核苷酸（nucleiotide）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

六特殊核苷酸环核苷酸：

核糖3’-,5’-成环。

cAMP、

cGMP

功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。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：ATP腺嘌呤核糖核苷三磷酸碱基5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基-6-氧嘌呤

Gue鸟嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3第三节核酸的分子结构

DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。四种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。1.定义一DNA的一级结构DNA单链的延伸5’3’端

无分枝的长链2.多聚脱氧核苷酸链的结构特点由糖-磷酸相互间隔连接，构成主链；碱基连接在主链的核糖上，形成侧链。具有方向性。两个末端分别为5'端和3'端。

在天然DNA中，5'端常为磷酸，3'端为游离羟基。3、一级结构的表示方法1）线条法5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式

DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。1.二级结构的概念二DNA的二级结构1953年Watsosn&Crick

RighthandedB-formDNADoublehelixModel

2.双螺旋结构模型提出的依据A.DNA的X-射线衍射图：(1)衍射斑点呈交叉状分布(2)衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

1952年B.DNA的碱基组成分析：（Chargaff定则）(1)所有DNA分子中A=T，G=C(2)同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可作为该物种的特征，用不对称比率(A+T)/(G+C)

来衡量。(3)亲缘越近的生物，其DNA的碱基组成越近，即不对称比率越相近。C、DNA的碱基物化数据如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。3.双螺旋结构模型的基本特征(1)反向平行的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。DNA的双螺旋结构(2)双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。l

碱基顶部基团裸露在DNA

大沟内

l

蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于

氨基酸与DNA间的氢键的形成l

蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性

结合的机率与多样性高于沿小沟的结合l

大沟的空间更有利于与蛋白质的结合

(3)由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。RighthandedB-formDNADoublehelixModel

(4)双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。A

=

TGC(5)双螺旋直径为2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。4.影响双螺旋结构稳定性的因素

互补碱基之间的氢键(Hydrogenbond)

弱键,可加热解链氢键堆积,有序排列(线性,方向)

碱基堆集力(Basestackingforces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力

☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

☆

Vandewaalsforce

(1.7A°/嘌呤环与嘧啶环作用半径)3.4A°4.影响双螺旋结构稳定性的因素

离子键

磷酸酯键

(phosphoesterbond)强键,需酶促解链消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力

l

0.2mol/LNa+

生理盐条件

4.影响双螺旋结构稳定性的因素

在生理状态及在溶液中，DNA一般为B型(含水量90％以上，NaCl浓度为2.5M）。

当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。5.DNA双螺旋构象的多态性DNA的分子构型(B,Z,A)比较

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNA0.2MNaclZ-DNA趋于稳定

rabbit

AntibodyofZ-DNA

B-DNA

Z-DNA

Z-DNA

4MNacl

Br+

Z-DNA的检测羊抗兔二级抗体

goatAntibodyofZ-DNA

偶联荧光标记

免疫反应

果蝇唾液腺染色体

细胞学制片

Z-DNAinDrosophilachromosomeprovedbyanti-Zantibody

ImmunoligicaslidCytologicalslid可能的功能

基因表达调控

Z-DNA

(小沟,信息少)

基因关闭

B-DNA

(大沟,信息多)

基因表达

●二级结构的形态LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)polymerOCLCCC核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制，转录，重组等阶段)核酸分子的二级结构分别出现在DNA复制，转录，重组等阶段(knot)6.三股螺旋DNA

(TribleHelixDNA,T.SDNA)

※T.SDNA的发现与证实

l

1953年以前Pauling(Chemist)

提出T.SDNA存在的可能性

l

1953年Watson&CrickD.SDNAmodel

证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体潜在的专一与DNA(蛋白质)

结合的能力形成T.SDNA可能性

l

1957年Davis,Felsenfeld,Rich发现

poly(U)+poly(U)+poly(A)T.SRNA

T.SDNA的概念l

1966年Miller&Sobell

实现RNA+D.SDNATrible

polyNt

asRepressor

关闭基因

但由于D.SDNA的提出而被忽视但因证明LacI

产物为Repressor而被忽视

●

1975年Perlgut

人工合成T.SDNA并证明其

Tm值,沉降系数(S)

l

1987年Mirkin.S.M

Nature330(495)

证明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在

●1987年Dervan.MoserScience238(645)

合成S.SDNA+D.SDNA→T.SDNA

实现DNA的定点切割研究X-rayphotograph

核磁共振→结构功能

继Davis（1957）后30年第一次证明T.SDNA在生物体内的存在

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA●D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三链DNA(T.S.DNA)

●

HomologouspalindromicsequenceinaD.S.DNA-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT-------------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----

Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA

--------TTCCCTCTTTCCC--------

--------AAGGGAGAAAGGG--------

-------TTCCCTCTTTCCC---------

--------AAGGGAGAAAGGG-------

NoduleDNA

HingedDNA

freeDNA

l

S.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA☆

PU+PU/PY(偏碱性介质中稳定)☆

PY

+PU/PY(偏酸性介质中稳定)常见类型

第三条链位于B-DNA的

Majorgroove中与D.S.DNA一起旋转T.S.DNA可能的功能

a)T.S.DNA可阻止调节蛋白与DNA结合,关闭基因转录过程

b)T.S.DNA与基因重组,交换有关

加入第三条S.S.DNA作为分子剪刀(molecularscissors),

定点切割DNA分子

d)加入反义的第三条链(anti-sence

polydNt)终止基因的表达

e)相反的观点----T.S.DNA与基因表达呈正相关!?

四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

发现

1958.Poly(I)

X-rayphotograph

碱基形成环状氢键连接结构TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’

Poly(G),4(dG)

染色体端粒高度重复的DNA序列(TG)着丝点附近的高度重复序列

结构特点LinkedbyHoogsteenBondingGGGG2×d(T4G4)2×d(G4C4)

结构特点可能的功能

A稳定真核生物染色体结构

B保证DNA末端准确复制

C与DNA分子的组装有关

D与染色体的meiosis(减数分裂)&mitosis(有丝分裂)有关

HoogsteenBonding

5-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT

3-----AATCCCAATCCC

GGG

TA超螺旋:双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和连环等。1.DNA超螺旋的概述

DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态，双螺旋中没有张力而处于松弛状态。如果这种正常双螺旋额外增加或减少螺旋圈数，就会使双螺旋内的原子偏离正常的位置而产生张力，这样正常的双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。超螺旋总是向着抵消初级螺旋改变的方向发展。三DNA的三级结构2.DNA超螺旋的特点1）线状DNA分子

双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺旋结构。positivesupercoiled

2）环状DNA分子双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构3、DNA超螺旋的生物学意义

DNA被压缩和包装，使其体积大大减小增加了DNA的稳定性可能与复制和转录的调控有关第四节RNA的分子结构一、RNA的结构特点1.单链状，但许多区域可自身进行碱基配对，形成回折。2.碱基配对规则：A-U，G-C，不能配对区域形成突起。3.RNA分子比DNA分子小得多，一般含几十至几千个核苷酸一、RNA的结构特点核苷酸之间的连结方式：3',5'-磷酸二酯键一、RNA的结构特点tRNA分子功能：tRNA：转运RNA，负责运送氨基酸一、RNA的结构特点tRNA分子特点：数百种，分子量小，只有73-93个核苷酸组成，主要特点为含稀有核苷。一、RNA的结构特点有较多的修饰成分A-U，G-C碱基对双螺旋区为臂，其它区域为环。四臂四环。3'端都为CCA，用以接受氨基酸，叫叶柄；5'端都为pG

有十几个恒定的核苷酸，对于维持其空间结构和实现生物功能起重要作用tRNA分子A-U，G-C碱基对双螺旋区为臂，其它区域为环。四臂四环。3'端都为CCA，用以接受氨基酸，叫叶柄；5'端都为pG

有较多的修饰成分tRNA分子反密码环由7个核苷酸组成，有3个反密码子可变环，由3-18核苷酸组成二氢尿嘧啶(D环)tRNA分子TψC(ψ为假尿苷)3、tRNA的三级结构

倒L型：一端是—CCA，另一端是反密码子环。二级结构：三叶草形四环——二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环、额外环、TC环四臂——氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码臂、TC臂

结构为行使功能提供基础tRNA分子rRNA分子核糖体rRNA原核生物70S30S16S50S23S、5S真核生物80S40S18S60S28S、5S、5.8S占细胞内总RNA的80％左右，由120-5000个核苷酸组成，但种类很少，只有3-4种。rRNA分子—结构特点与蛋白质结合，组成大小亚基。具有酶功能，如核酶。合成蛋白质的场所。二级结构可形成茎环结构。也呈茎环结构大肠杆菌5SrRNA

的二级结构模型rRNA分子大肠杆菌5SrRNA

的三级结构模型rRNA分子mRNA分子含量少，单链分子大小不一，也能形成茎环结构。mRNA是蛋白质生物合成的模板。每一种蛋白质都有对应的mRNA，种类多。mRNA分子原核生物和真核生物的mRNA在结构上有所不同：1)原核生物的mRNA是多顺反子的，真核生物的mRNA是单顺反子的；2)原核mRNA5'端无帽子结构，真核mRNA5'端有一段帽子结构（m7GpppNmpNmp-）；3)原核mRNA3'端无PolyA，真核mRNA3'端有PolyA。

第五节核酸的理化性质一物理性质

DNA为白色纤维状固体;RNA为白色粉末状固体?

1、形态2、溶解性

微溶于水，不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般的有机溶剂；DNA在溶液中粘度大，RNA粘度小。核酸既含有酸性的磷酸基团，又含有弱碱性的碱基，故可发生两性解离。其解离状态随溶液的pH值而改变。3、两性解离由于磷酸基团的酸性很强，所以pI较低，整个分子相当于多元酸。利用核酸的两性解离可以通过调节核酸溶液的等电点来沉淀核酸，也可通过电泳分离纯化核酸。嘌呤和嘧啶具有共轭双键，能强烈吸收紫外光。在260nm处有最大吸收峰。对于纯的DNA或RNA，可以通过测得A260来测定核酸的含量。纯的DNA：A260/A280=1.8

纯的RNA：A260/A280=2.0二紫外吸收性质

A260/A280值可以反映核酸的纯度。

核酸变性后，在260nm处的吸收值上升，这叫增色效应(hyperchromiceffect)。增色效应常可用来衡量DNA变性的程度。三核酸的变性

核酸在某些物理或化学因素的作用下，其空间结构发生改变，从而引起理化性质的改变及生物活性的降低或丧失叫变性。引起变性的因素有：加热、酸碱、尿素、甲醛等。1.增色效应

DNA分子变性(DNAdenaturation)

●

D.S.DNAS.S.DNA

(加温,极端pH,尿素,酰胺)

变性过程的表现

☆

S.S.DNA粘度降低☆

S.S.DNA

沉降速度加快

☆

S.S.DNA分子的A260nmUV

值上升

(

Hyperchromicity

)

热变性中光吸收达到最大吸收（完全变性）一半（双螺旋结构失去一半）时的温度称为DNA的熔点或熔解温度（Tm）。2.熔解温度三核酸的变性热变性曲线(熔解曲线)图5-26Tm的示意图在DNA发生热变性的过程中，A260随温度的变化曲线。1.1851.01.37OD℃Concentration50g/mL

D.SDNAA260=1S.SDNAA260=1.37dNTPsA260=1.60

Tm

=OD增加值的中点温度(一般为85-95℃)

Tm值与DNA的均一性、G-C含量、介质离子强度、pH等因素有关。

三核酸的变性l

增色效应的跳跃现象(JumpofHyperchromicity)高分子量的DNA分子在热变性过程中,富含AT区域首先发生变性,然后逐步扩展,表现增色效应的跳跃现象,使变形过程加快.

richAT

richAT

●影响Tm值的因素

☆在A,T,C,G随机分布的情况下

☆GC%含量相同的情况下GC%愈高→Tm值愈大GC%愈低→Tm值愈小

AT形成变性核心，变性加快，Tm值小碱基排列对Tm值具有明显影响（除变性核心外）

5

CG3GCn5

GC3CGn5

TA3ATn5

AT3TAn碱基堆积面和碱基积压程度的差异

例：常温下，活体内D.SDNA分子中富含AT的变性核心区（promoter,terminatorregion

）

常表现氢键的断裂与形成的“DNA呼吸现象”37.6℃57℃

Tm＞＞＜＜碱基排列对Tm值具有明显影响☆大片段D.SDNA分子之间比较片段长短对Tm值的影响较小,但与组成和排列相关☆小于100bp

的D.SDNA分子比较片段愈短，变性愈快，Tm值愈小☆变性液中含有尿素，酰胺等尿素，酰胺与碱基间形成氢键

改变碱基对间的氢键

Tm值可降至40℃左右

☆盐浓度的影响

单链DNA主链的磷酸基团负电荷的静电斥力两条单链DNA的分离

Na+在磷酸基团周围形成的电子云对静电斥力产生屏蔽作用减弱静电斥力Tm↑当Na+浓度低屏蔽作用小斥力加强Tm↓TmODA260

静电斥力

0.01M0.1M1.0MNa+当Na+浓度高

屏蔽作用大斥力减弱熵值(△S)上升碱基溶解性降低疏水作用力增加四核酸的复