生物化学 核酸化学

生物化学核酸化学第1页/共100页1.核酸的种类、分布与功能2.核酸的化学组成3.核酸的分子结构4.核酸的理化性质5.核蛋白与病毒

提要第2页/共100页

核酸：当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。二、核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：

1.核糖核酸（RNA）

2.脱氧核糖核酸（DNA）第一节核酸的种类、分布与功能一、什么是核酸？第3页/共100页核糖核酸（RNA）：按功能不同分为三大类tRNA

转运RNA（15%）rRNA

核糖体RNA（80%）mRNA信使RNA（5%）小分子细胞核RNA（snRNA）染色质RNA（chRNA）三、核酸的分布原核细胞内DNA集中在核质区RNA分散在细胞质中真核细胞内DNA95%细胞核中5%线粒体及叶绿体中RNA75%细胞质中15%线粒体及叶绿体中10%细胞核中第4页/共100页四、核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质是遗传信息的载体(1).间接的证据包括：

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.细胞核内DNA含量十分稳定，而且与染色体数目的多少有平行关系，体细胞(则双倍体)DNA含量为生殖细胞(单倍体)DNA含量的两倍；

③.DNA在代谢上较稳定，不受营养条件，年龄等因素影响；

④.可作用于DNA的一些物理和化学因素，如紫外线、X—射线等都可以引起遗传特性的改变。(2).直接的证据：

1944年艾弗里（Avery）等人进行了肺炎双球菌的转化实验。从光滑型肺炎球菌(有荚膜，菌落光滑)分别提取DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型肺炎球菌(无荚膜，菌落粗糙)一起培养，发现只有DNA能使一部分粗糙型细菌转变成为光滑型，且还可以继续繁殖。而且转化率与DNA的纯度有关，DNA越纯，转化率越高。从而首次证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。第5页/共100页（二）RNA的生物学功能tRNA

起携带和转移活化氨基酸的作用rRNA

与各种蛋白质结合构成核糖体，它是合成蛋白质的细胞器。mRNA是蛋白质合成的模板。1.指导蛋白质的生物合成DNA转录形成3类主要的RNA2.遗传物质

在病毒中RNA也是遗传物质3.具有生物催化剂功能（核酶）第6页/共100页第二节核酸的化学组成一、核酸的元素组成

基本元素：CHONP核酸的元素组成有两个特点：

1.一般不含S2.P含量较多，并且恒定（9%-10%）。

因此，实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）第7页/共100页核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解二核酸的分子组成第8页/共100页核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸第9页/共100页一、戊糖核糖(inRNA)2｀－脱氧核糖(inDNA)第10页/共100页A9NNNN12346587腺嘌呤鸟嘌呤（1）嘌呤

G二.碱基第11页/共100页嘧啶H3CN3N24561CTU尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶(2)嘧啶第12页/共100页RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A第13页/共100页稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。第14页/共100页鸟嘌呤次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤第15页/共100页

胞嘧啶（C）CH35-甲基胞嘧啶第16页/共100页三.磷酸

核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与形成3’，5’-磷酸二酯键，使核苷酸连接成多核苷酸链。

第17页/共100页NONO尿苷11’OHOCH2HHHHOHOH2’3’4’5’1’脱氧腺苷9NNNNNH2OHHOHOCH2HHHH2’3’4’5’四.核苷戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接而形成的糖苷就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。第18页/共100页

在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接成多核苷酸链核苷酸都是核酸的基本结构单位，它们都是5‘-核苷酸。（一）核酸内的核苷酸DNA主要由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核糖核苷酸组成RNA主要由AMP、GMP、CMP、UMP四种核糖核苷酸组成五.核苷酸第19页/共100页核苷酸磷酸碱基戊糖第20页/共100页OOHOHOHHOCH2H2OH2O碱基磷酸戊糖糖苷键酯键第21页/共100页1`2`3`4`5`酯键（对DNA为H）碱基连接（糖苷键）第22页/共100页八种核苷酸如下表所示

M-一(D-二、T－三）；P-磷酸RNA的名称为某（一、二、三）苷酸，DNA在某（一、二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸）

dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）。稀有核苷酸与上类似；第23页/共100页（二）（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧）核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构ADP、ATP是生物体中重要的能量转换体。ddNTP在DNA的序列测定中使用第24页/共100页～～ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)αβγADPATPAMP第25页/共100页（三）环化核苷酸cAMP、cGMP：

被称为第二信使，有放大激素的作用。它们在代谢调节中起重要作用。第26页/共100页（四）核苷酸的生物学作用（1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。（2）在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。（3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）参与细胞中的代谢与调节（cAMP、cGMP）。第27页/共100页第三节：核酸的分子结构一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构1.定义：

DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3´,5´磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。

2.DNA的书写顺序是5‘——3’。

3.DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。第28页/共100页3`，5`-磷酸二酯键12第29页/共100页4、DNA一级结构的表示方法——结构式/线条式/字母式（1）结构式（碱基用单字母表示）第30页/共100页戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOH（2）线条式（碱基用单字母表示磷酸基团用P表示）第31页/共100页（3）字母式（单字母ATGC在式中表示脱氧核苷，省略d）第32页/共100页二、DNA的二级结构（双螺旋）1.定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。第33页/共100页第34页/共100页2、DNA的碱基组成特点——Chargaff定律（1）所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即A=T）;鸟嘌呤与胞嘌呤的摩尔含量相等，（即G=C）。碱基当量定律：嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。（即A+G=T+C）（2）不同生物DNA的碱基组成有很大差异，可用不对称比率：A+T/G+C表示。亲缘相近的生物，其DNA的碱基组成相近，即不对称比率相近。（3）同一种生物所有体细胞DNA的碱基组成相同，可作为该物种的特征。第35页/共100页（1）DNA是一反向平行的互补双链结构。在双链结构中糖-磷酸骨架居外侧，而碱基位于内侧，两条链之间的碱基以氢键相结合。碱基互补配对，A=T,G≡C,一条链的走向为5’—3’，另一条为3’—5’。3、双螺旋结构模型要点第36页/共100页腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥例如G:T＊因此，DNA的双股系藉著A:T

和G

:

C的配对关系互相结合。第37页/共100页A-T配对G-C配对第38页/共100页（2）DNA双螺旋为右手螺旋。螺旋直径为2nm，螺旋每旋转一周为10对碱基，螺距为3.4nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm,并形成大沟和小沟。2.0nm小沟大沟第39页/共100页计算机模拟DNA双螺旋结构（蓝色）大沟中结合着肽（红色）

双螺旋中的大沟对于DNA和蛋白质结合时的相互识别很重要，在沟内可以辨认碱基的顺序。第40页/共100页4.双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。稳定DNA双螺旋结构的主要作用力1、碱基堆积力（主要因素）是双螺旋中垂直方向的作用力

2、氢键

为双螺旋中水平方向的作用力3、离子键

磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子或阳离子化合物之间所形成的盐键。第41页/共100页5、DNA双螺旋的类型(1)B-DNA螺旋：DNA在92%相对湿度的钠盐中的构型。标准的

右手双螺旋，细胞正常状态下DNA存在的构型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。(3)Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达的调控中起作用。(4)H-DNA螺旋：三螺旋结构，又称三链DNA(tsDNA)第42页/共100页B-DNA&Z-DNA第43页/共100页三、DNA的三级结构定义：是指双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，也就是比双螺旋更为复杂的构象。线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋环状DNA形成的结、超螺旋和连环类型DNA的三级结构主要是指双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。第44页/共100页1.真核细胞染色体的DNA念珠状（线形）三级结构第45页/共100页第46页/共100页超螺旋第47页/共100页2.原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构

细菌等原核生物质粒染色体第48页/共100页松弛环形正超螺旋解链环形第49页/共100页松弛环形负超螺旋第50页/共100页固定负超螺旋（右手拓扑结构）自然界通常为负超螺旋。环状DNA右旋第51页/共100页RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´,5´—磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。

RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（天然RNA并不像DNA一样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占RNA分子的50%）

RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。四、RNA的结构第52页/共100页

这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构。茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。第53页/共100页（一）tRNA的结构tRNA的一级结构

1.由74~93个（多为76个）核苷酸组成单链，沉降系数为4S；(沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，S常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小）

2.具有不变的（恒定的）核苷酸:U8、G18、G193.含较多的修饰核苷酸（稀有碱基）；

4.5ˊ端多为PG；3ˊ端多为CCAOH

（用来接受活化的氨基酸，又称为接受末端）2.tRNA的二级结构——三叶草结构

具有四臂四环

3ˊ端为CCAOH序列，5ˊ端为PG

3.

tRNA的三级结构——倒L形结构第54页/共100页tRNA的三叶草型二级结构124叶子反密码子环

反密码子载运氨基酸臂稀有碱基RNA中的碱基配对原则

A-U

G-C3额外环二氢尿嘧啶环次黄嘌呤不同的tRNA具有不同的额外环，所以额外环是tRNA分类的重要指标假尿嘧啶核苷——胸腺嘧啶核糖核苷环第55页/共100页tRNA的“倒L”型三级结构第56页/共100页第57页/共100页第58页/共100页（二）mRNA的结构信使RNA（messengerRNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）：在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。mRNA的功能：是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。第59页/共100页mRNA的成熟过程第60页/共100页mRNA一级结构的特点真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区别：1、5’端帽子结构（capsequence):m7G5’ppp5’Nm-5’-末端的G的N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5’,5’-磷酸二酯键。帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻译起始速度，同时可以增强mRNA的稳定性。原核生物无此结构第61页/共100页mRNA的帽子结构第62页/共100页2、3’末端多聚A的尾巴。

极大多数真核细胞mRNA在3’-末端有一段长约20—200个多聚腺苷酸的polyA。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。

原核生物无些结构polyA的功能：1、与mRNA从细胞核转移到细胞质有关；2、与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。第63页/共100页3、真核生物mRNA是单顺反子的，而原核生物的mRNA是多顺反子的。顺反子：是由顺反试验所规定的遗传单位相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸序列。多顺反子：是指携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA也就是说：原核生物mRNA可编码几条不同的多肽链。单顺反子：只编码一条多肽链。第64页/共100页（三）rRNA的结构核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA），是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核糖体（ribosome）原核生物70S真核生物80S第65页/共100页rRNA的分子结构基本上都是由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。16SrRNA二级结构第66页/共100页大肠杆菌5SrRNA的结构第67页/共100页（一）一般理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，均微溶于水，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。第四节核酸的理化性质第68页/共100页（二）核酸的紫外吸收性质

核酸的碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。

核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30~40%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应）。第69页/共100页核酸的紫外吸收峰天然DNA变性DNA纯DNA为1.8纯RNA为2.0所以用这一方法可以检测样品是否是纯品OD260OD280第70页/共100页（三）核酸的变性、复性和分子杂交一、核酸的变性1、核酸（DNA）变性的概念：

高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。监测指标为A260的变化。常用的变性方法为加热。第71页/共100页第72页/共100页第73页/共100页第74页/共100页第75页/共100页2、变性因素热力强碱强酸有机溶剂变性剂射线机械力第76页/共100页3.变性DNA的性质变性能导致DNA的一些理化性质及生物学性质发生改变溶液粘度降低溶液旋光性发生改变增色效应或高色效应第77页/共100页3.变性温度

通常把DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为DNA的熔点或熔解温度(meltingtemperature,Tm)。用Tm表示。DNA的Tm值一般在70～85度之间。以加热为变性条件，使DNA分子双链解开50%所需温度

第78页/共100页爆发式：热变性是在变性温度范围内突发的跃变过程，很像结晶达到熔点时的熔化现象，故名熔解温度狭窄性：变性温度范围很小变性温度的特点第79页/共100页某些DNA的Tm值第80页/共100页DNA的Tm值大小与下列因素有关：（１）DNA的均一性

均一性愈高的样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。（２）G—C之含量

G—C含量越高，Tm值越高，成正比关系，这是G—C对比A—-T对更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出G—C对的含量。其经验公式为：G—C（％）＝（Tm－69.3）×2.44第81页/共100页（３）介质中的离子强度

一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也较窄。而在较高的离子强度的介质中，情况则相反。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液中或溶液中，故常在1mol／L的NaCl中保存。

RNA分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也可发生变性，但Tm值较低，变性曲线也不那