生物化学核酸化学

生物化学核酸化学第一页，共五十五页，2022年，8月28日第一节核酸概述核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。核酸是一类以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息，担负着生命信息的储存与传递。第二页，共五十五页，2022年，8月28日一、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1968年Nirenberg发现遗传密码1975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第三页，共五十五页，2022年，8月28日二、核酸的分类及分布

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。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。mRNAtRNArRNA第四页，共五十五页，2022年，8月28日第二节核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。在酶作用下水解则产生核苷和核苷酸。第五页，共五十五页，2022年，8月28日一、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。RiboseDeoxyribose第六页，共五十五页，2022年，8月28日二、碱基

嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第七页，共五十五页，2022年，8月28日嘧啶(pyrimidine)尿嘧啶(uracil,U)RNA胸腺嘧啶(thymine,T)DNA胞嘧啶(cytosine,C)第八页，共五十五页，2022年，8月28日三、核苷酸1.核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR第九页，共五十五页，2022年，8月28日2.核苷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸第十页，共五十五页，2022年，8月28日3.核苷酸衍生物(1)腺苷三磷酸ATP高能磷酸酯键第十一页，共五十五页，2022年，8月28日ATP水解时，可以释放出大量自由能：－30.5kJ/mol-1－30.5kJ/mol-1a.ATP水解释放出的能量，可以作为推动生物体内各种需能反应的能量来源，是代谢途径中重要的能量转运工具。b.ATP也是一种很好的磷酰化试剂。而磷酰化的底物分子具有较高能量，是许多生物化学反应的激活步骤。第十二页，共五十五页，2022年，8月28日（2）环化核苷酸:cAMP，cGMPp.55

cAMP

cGMPcAMP和cGMP的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使（第二信使）第十三页，共五十五页，2022年，8月28日多聚核苷酸（核酸）是通过一个核苷酸C5′的磷酸

与另一分子核苷酸3′的OH形成3′,5′-磷酸二酯键（简称C3′

-O-P-C5′）相连而成的链状聚合物。一、核酸的一级结构指核酸分子中核苷酸的种类、连接顺序以及连接方式。（DNAp.56RNAp.64）1.核苷酸的连接方式第三节核酸的分子结构第十四页，共五十五页，2022年，8月28日5’5’3’3’第十五页，共五十五页，2022年，8月28日第十六页，共五十五页，2022年，8月28日5ʹ-磷酸端（常用5ʹ

-P表示）；3ʹ

-羟基端（常用3ʹ

-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5ʹ→3ʹ或是3ʹ

→5ʹ

。2.多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OH

OH

OH

OH

OH第十七页，共五十五页，2022年，8月28日3.DNA中核苷酸的排列顺序就是遗传信息，即DNA的一级结构就包含有遗传信息。4.RNA的一级结构(1)tRNA的一级结构不同tRNA的核苷酸数目及序列均不一样；相对分子量很小；链长接近，一般在73-93个核苷酸之间；有20多个位置上的核苷酸是不变和半不变的；

3´端都为CCA，这是接受氨基酸的一端；含有较多的修饰成分。第十八页，共五十五页，2022年，8月28日(3)mRNA的一级结构不同mRNA的相对分子质量及碱基序列都不相同；真核细胞mRNA5´端有帽子结构；真核细胞mRNA3´端一般有尾巴结构。(2)rRNA的一级结构真核细胞和原核细胞的rRNA种类及构成见p.66；

rRNA中修饰碱基含量少于tRNA，主要为甲基化核苷，多集中于3´端。第十九页，共五十五页，2022年，8月28日二、核酸的高级结构1.DNA的二级结构——双螺旋结构X-衍射数据1953年，J.Watson和F.Crick发现不同来源的DNA结晶具有相似的X-衍射图谱，且X-衍射图谱说明DNA含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。（1）双螺旋结构的提出依据第二十页，共五十五页，2022年，8月28日Chargaff规则a.在DNA分子中，A=T,G=C；嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等：A+G=C+T；b.含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即A+C=G+T；c.DNA碱基的组成只有种属的特异性，没有组织器官的特异性，且同一物种不同组织的DNA碱基组成不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。核酸中，磷酸可滴定而碱基上的氨基不可滴定，这说明DNA中碱基可能以氢键缔合。第二十一页，共五十五页，2022年，8月28日DNA双螺旋结构模型要点两条反平行的脱氧多核苷酸链形成右手螺旋。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm。第二十二页，共五十五页，2022年，8月28日磷酸和脱氧核糖单位作为骨架位于螺旋的外侧，碱基位于内侧，按A－T，G－C配对。TAGC第二十三页，共五十五页，2022年，8月28日（2）DNA双螺旋结构模型5´3´5´3´磷酸核糖碱基第二十四页，共五十五页，2022年，8月28日DNA双螺旋结构稳定因素

氢键（维持螺旋双链横向稳定）碱基堆集力（维持螺旋双链纵向稳定）

磷酸基上负电荷与胞内组蛋白或介质中的正离子形成离子键，屏蔽磷酸基之间静电斥力第二十五页，共五十五页，2022年，8月28日DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。第二十六页，共五十五页，2022年，8月28日(3)DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指一段有功能的DNA片段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA复制mRNA复制转录逆转录蛋白质翻译第二十七页，共五十五页，2022年，8月28日2.RNA的结构与功能（1）RNA的类别

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。第二十八页，共五十五页，2022年，8月28日（2）RNA的结构特点①碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解②多为单链结构，少数局部形成螺旋③分子较小N,N二甲基鸟嘌呤双氢尿嘧啶N6-异戊烯腺嘌呤第二十九页，共五十五页，2022年，8月28日（3）mRNA的功能把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。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞

细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞第三十页，共五十五页，2022年，8月28日mRNA中核苷酸的序列就决定了蛋白质中氨基酸的序列，即所谓的遗传密码。

3个相邻核苷酸的碱基序列就代表一种氨基酸，称为密码子，也称三联体密码。

遗传密码具有如下特性：①无逗号；②不重叠；③简并性；④摆动性；⑤通用性；⑥防错系统。因此，mRNA的主要功能是传递遗传信息，作为蛋白质合成的直接模板。第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日（4）t-RNA的高级结构二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日酵母tRNAAla

的二级结构

DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCAOH3´5´Ala第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日*tRNA的功能被特定的氨酰-tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。依靠反密码子识别遗传密码，翻译成相应的氨基酸，并搬运氨基酸到核糖体，按照mRNA的密码序列装配蛋白质肽链。*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日五、核酸的理化性质1.一般的理化性质两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂线性大分子（粘度高。抗剪切力差）可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色

D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日2.核酸的紫外吸收特性在核酸分子中，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。以A260/A280进行定性、定量分析第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日3.核酸的变性、复性与杂交（1）变性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。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）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（破坏氢键）。第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G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（2）热变性和Tm第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日（3）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，性质也得到部分恢复，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。退火温度＝Tm－25℃减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。第四十页，共五十五页，2022年，8月28日在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。（4）核酸分子杂交(hybridization)第四十一页，共五十五页，2022年，8月28日六、蛋白质的生物合成p.304

中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息，到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。

翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为N端-C端。第四十二页，共五十五页，2022年，8月28日遗传信息传递的中心法则DNA复制RNA复制转录逆转录蛋白质翻译中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。第四十三页，共五十五页，2022年，8月28日1.蛋白质合成体系（1）mRNA和遗传密码mRNA是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是遗传信息的载体。其中每3个相邻核苷酸编码蛋白质多肽链中的一种氨基酸，称为一个密码子。（2）tRNAtRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体。第四十四页，共五十五页，2022年，8月28日（3）核糖体核糖体是由rRNA（ribosomalribonucleicasid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。p.310第四十五页，共五十五页，2022年，8月28日原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图p.314anticodoncodon30S与mRNA结合部位P位（结合或接受肽基的部位）A位（结合或接受AA-tRNA的部位）50S53mRNA第四十六页，共五十五页，2022年，8月28日（4）真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段原核

真核功能

IF1

IF2

eIF2参与起始复合物的形成

IF3

eIF3、eIF4C起始CBPI与mRNA帽子结合

eIF4ABF参与寻找第一个AUG

eIF5协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放

eIF6协助60S亚基从无活性的核糖体上解离

EF-Tu

eEF1协助氨酰-tRNA进入核糖体延长EF-Ts

eEF1帮助EF-Tu、eEF1周转

EF-G

eEF2移位因子

RF-1终止eRF释放完整的肽链

RF-2第四十七页，共五十五页，2022年，8月28日2.蛋白质合成的机理（1）氨基酸的活化和转移tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3'-OH与氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。第四十八页，共五十五页，2022年，8月28日氨基酸活化的总反应式：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。第四十九页，共五十五页，2022年，8月28