第二章核酸的化学

第二章核酸的化学第1页，共75页，2023年，2月20日，星期三第2页，共75页，2023年，2月20日，星期三＊核酸的生物学意义核酸是一切生物机体不可缺少的组分，是生命遗传信息的携带者和传递者它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。生物化学nucleicacid第3页，共75页，2023年，2月20日，星期三＊“核酸与遗传”的发现1868年，F.Miescher

从细胞核中分离得到一种酸性物质核素，即现在被称为核酸的物质。1939年，E.Knapp等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传的基础物质。1953年，Crick&Watson双螺旋模型的提出，奠定分子遗传学和分子生物学的基础，

具有十分重大的意义。1958年，Crick总结提出中心法则（centraldogma）2004年，Crick逝世。生物化学nucleicacid第4页，共75页，2023年，2月20日，星期三＊“核酸与遗传”的研究进展1970’s，DNArecombinanttechnology:

DNA切割技术、分子克隆、快速测序，标志着生物技术的兴起。1972年，P.Berg将外源DNA片段插入猴病毒SV40的环状DNA分子，获得第一个DNA体外重组体，但未克隆。1973年，S.Cohen用细菌的质粒得到细菌重组体。1975年，F.SangerDNA酶法测序1976年，A.M.Maxam,W.GilbertDNA化学测序法1986年，H.Dulbecco

提出HGP，1990开始实施，进入post-genomeera1994年，M.Williams,提出proteomics生物化学nucleicacid第5页，共75页，2023年，2月20日，星期三人类利用基因存在的问题转基因食品滥用基因检测第6页，共75页，2023年，2月20日，星期三可怕的转基因玉米第7页，共75页，2023年，2月20日，星期三转基因食品存在的不确定性转基因对生命结构改变后的连锁反应不确定；转基因导致食物链“潜在风险”不确定；转基因污染、增殖、扩散及其清除途径不确定。第8页，共75页，2023年，2月20日，星期三滥用基因检测生物化学nucleicacid中国基因歧视第一案地中海贫血第9页，共75页，2023年，2月20日，星期三Emphasis核酸的生物学功能（RNA）核酸的结构（secondstructure）核酸的理化性质（UV，denature）核酸的测序（PCR）生物化学nucleicacid第10页，共75页，2023年，2月20日，星期三Content核酸的类型和组成核酸的结构核酸的性质核酸的合成核酸一级结构测定生物化学nucleicacid第11页，共75页，2023年，2月20日，星期三1、核酸的类型和组成核酸分类：DNA：DeoxyribonucleicAcidRNA：RibonucleicAcid生物化学nucleicacid第12页，共75页，2023年，2月20日，星期三核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同？1.1核酸的组成生物化学nucleicacid第13页，共75页，2023年，2月20日，星期三BasicStructureofNucleicAcidsMonophosphateDiphosphateTriphosphateAdenineGuanineThymineCytosineUracilNucleoside(Adenosine)Nucleotide(Adenosinemonophosphate,AMP)PurinePyrimidine核苷核苷酸磷酸五碳糖Ribose,Deoxyribose碱基1’2’3’4’5’第14页，共75页，2023年，2月20日，星期三糖（Saccharide）OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖生物化学nucleicacid第15页，共75页，2023年，2月20日，星期三碱基（Base）腺嘌呤Adenine鸟嘌呤Guanine尿嘧啶Uracil胞嘧啶Cytosine胸腺嘧啶Thymine生物化学nucleicacid第16页，共75页，2023年，2月20日，星期三记忆口诀：先将嘌呤和嘧啶的结构式记住，再记住下面口诀

胸前一滩尿：U+一碳基团（甲基）＝T

尿里两泡泡：嘧啶中有两个O＝U

上面一个氨气包：U靠上面的一个O换成-NH2就是C

鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即O，嘌呤有O又有-NH2＝G

线儿将鸟嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2换个位置＝A第17页，共75页，2023年，2月20日，星期三1.2核苷（nucleoside）糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键生物化学nucleicacid第18页，共75页，2023年，2月20日，星期三1.3核苷酸（nucleotide）B=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。OBOHOHOH2CPOHHOO核糖核苷酸OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸生物化学nucleicacid第19页，共75页，2023年，2月20日，星期三1.4多聚核苷酸（Polynucleotide）多聚核苷酸是通过核苷酸的C5’-磷酸基与另一分子核苷酸的C3’-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。方向：5’-3’为正方向。表示方法：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′或5’-ACGCTGTA-3′生物化学nucleicacid第20页，共75页，2023年，2月20日，星期三NucleotidesLinkedbyPhosphodiesterBondOHPO4

2-PhosphodiesterbondO-P=O-OO5’3’PO4

2-OH3’5’P

RP

RP

RP

RP

RP

R123’5’123456Akindofphospho-polysaccharides第21页，共75页，2023年，2月20日，星期三TheNotationforNucleicAcidsPRB3’2’5’1’ATCGATCGPOH5’3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’

pATCGATCG-OH

3’ATCGATCG第22页，共75页，2023年，2月20日，星期三TheTwoChainsofDNAAreAntiparallel5’

pCpGpApTpCpGpApT-OH

3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’3’3’5’第23页，共75页，2023年，2月20日，星期三*信使RNA（MessengerRNA）约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大,寿命短暂它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地－－核糖核蛋白体。真、原核生物的不同：原核生物为多顺反子？生物化学nucleicacid第24页，共75页，2023年，2月20日，星期三*转运RNA（TransferRNA）约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。生物化学nucleicacid第25页，共75页，2023年，2月20日，星期三约占全部RNA的80%。是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA的功能与蛋白质生物合成相关。*核糖体RNA（RibosomeRNA）生物化学nucleicacid第26页，共75页，2023年，2月20日，星期三1.5核苷酸的衍生物－－ATPATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。是一种重要的能量中间体。生物化学nucleicacid第27页，共75页，2023年，2月20日，星期三GTPGTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体，是生物体内游离存在一种高能化合物。在许多情况下,ATP和GTP可以相互转换。O-POO-NOHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-生物化学nucleicacid第28页，共75页，2023年，2月20日，星期三cAMP&cGMPcAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷单磷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷单磷酸)的主要功能：作为细胞之间传递信息的信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP和cGMP的水解能约为43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多生物化学nucleicacid第29页，共75页，2023年，2月20日，星期三2、核酸的结构按结构层次：一，二，三。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。而mRNA的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。生物化学nucleicacid第30页，共75页，2023年，2月20日，星期三2.1mRNA的一级结构3’-tail：真核细胞mRNA3’-末端有一段长达

20-250polyA（转录后加入)，原核生物的mRNA一般无polyA，某些病毒mBNA有polyA

polyA与mRNA从细胞核到细胞质的转移运输有关；与mRNA的半寿期有关，新mRNApolyA链较长，衰老链短；5’-

Cap：

5’-末端有1－2个

G的核糖被甲基化分为O(nometh)、I（1meth）、II（2meth）三种类型防止或抵抗5’-核酸外切酶对mRNA的降解与蛋白质合成的起始作用有关：识别一核糖体生物化学nucleicacid第31页，共75页，2023年，2月20日，星期三附1：真核生物mRNA的一级结构m7G5’PPP5’Nm5’-Cap5’-非编码区UTR编码区编译起始控制区抑制因子结合位点AUGUGAUAAUAG抑制因子结合位点3’-非编码区UTR定位信号AnAAAOH3’poly(A)AAUAAA生物化学nucleicacid第32页，共75页，2023年，2月20日，星期三2.2tRNA的一级结构分子量25000左右，大约由

70－90

个核苷酸组成，沉降系数为

4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3‘-末端都具有CpCpAOH的结构。5个区及功能?生物化学nucleicacid第33页，共75页，2023年，2月20日，星期三附1：tRNA的二级结构(三叶草结构)生物化学nucleicacid第34页，共75页，2023年，2月20日，星期三附2：tRNA的三级结构生物化学nucleicacid第35页，共75页，2023年，2月20日，星期三2.3rRNA的二级结构局部螺旋，许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚生物化学nucleicacid第36页，共75页，2023年，2月20日，星期三2.4DNA的一级结构生物化学nucleicacidDNA一级结构的定义：脱氧核苷酸在分子中的排列顺序（序列）。第37页，共75页，2023年，2月20日，星期三真、原核生物基因组的特点1、原核生物基因组的特点（Ｐ53）2、真核生物基因组的特点（Ｐ54）生物化学nucleicacid第38页，共75页，2023年，2月20日，星期三生物化学nucleicacid真、原核细胞的结构基因第39页，共75页，2023年，2月20日，星期三结构模型的多样性：DNA二级结构的形式：B，A，C、D、Z、H多种模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果，是DNA二级结构的最基本形式。2.5DNA的二级结构生物化学nucleicacid第40页，共75页，2023年，2月20日，星期三螺旋之美第41页，共75页，2023年，2月20日，星期三DNA分子由两条DNA单链沿同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm嘌呤碱和嘧啶碱基

位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°。I、B－DNA双螺旋结构特点生物化学nucleicacid第42页，共75页，2023年，2月20日，星期三大沟小沟1Twist=10bp1234567891034Å

CharacteristicsofDoubleHelix3’5’5’3’第43页，共75页，2023年，2月20日，星期三34Å第44页，共75页，2023年，2月20日，星期三第45页，共75页，2023年，2月20日，星期三

DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键；由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如：Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力、范德华引力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。II、DNA双螺旋结构的稳定性生物化学nucleicacid第46页，共75页，2023年，2月20日，星期三生物化学nucleicacid几种不同的DNA螺旋形式的比较第47页，共75页，2023年，2月20日，星期三III、DNA与蛋白质复合物结构生物化学nucleicacid第48页，共75页，2023年，2月20日，星期三2.6DNA的三级结构在二级结构的基础上产生三级结构，即双螺旋DNA通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括：不同二级结构单元间的相互作用单链与二级结构单元间的相互作用DNA的拓扑结构：超螺旋三级结构对DNA性质的影响电泳速率不同：cccDNA(共价闭合环状的超螺旋分子)>ocDNA(开环)>linearDNA生物化学nucleicacid第49页，共75页，2023年，2月20日，星期三生物化学nucleicacid第50页，共75页，2023年，2月20日，星期三生物化学nucleicacidＬ＝ＤＮＡ中一条链绕另一条链的总次数Ｔ＝双螺旋的圈数Ｗ＝超螺旋数第51页，共75页，2023年，2月20日，星期三3、核酸的性质核酸的互变异构酸碱性质核酸的理化性质生物化学nucleicacid第52页，共75页，2023年，2月20日，星期三3.1核酸的互变异构碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构－－DNA变异的自然动力生物化学nucleicacid第53页，共75页，2023年，2月20日，星期三3.2核酸的酸碱性质嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性：环内氨基的pKa值约为9.5，环外的氨基（存在于A、G和C）的碱性很弱，在生理pH条件下不能被质子化，因此嘌呤和嘧啶碱基碱性主要是环内氨基的贡献。碱基都具有芳香环的结构特征，嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。生物化学nucleicacid第54页，共75页，2023年，2月20日，星期三3.3核酸的理化性质I、物理性质溶解性：易溶碱或水，不溶有机溶剂离心沉降的性质：超离心法。氯化铯梯度离心场中，上－下：PN-line

DNA-circleDNA/plasmidDNA紫外吸收：生物化学nucleicacid第55页，共75页，2023年，2月20日，星期三附：核酸的紫外吸收嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，一般在260nm左右有最大吸收峰具有增色效应和减色效应可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据，如：DNAA260/A280DNA>1.8,

RNA为2.0生物化学nucleicacid第56页，共75页，2023年，2月20日，星期三*不同核苷酸衍生物的UV生物化学nucleicacid第57页，共75页，2023年，2月20日，星期三II、化学性质：烷基化反应在一定条件下，碱基环上氮原子可以发生烷基化反应在同样条件下，U和T基本上不起反应。应用CH2N2作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。HNN+H2NOCH3NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NNH2ORCH3生物化学nucleicacid第58页，共75页，2023年，2月20日，星期三为什么能够两性电离：与蛋白质相似，核酸分子中的酸性基团（磷酸基）碱性基团（氨基)等电点：分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，核酸的等电点比较低。如：DNA的等电点为4～4.5，RNA的等电点为2～2.5RNA的等电点比DNA低的原因：RNA分子中核糖基2′-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离，而DNA没有这种作用。III、两性电离及等电点生物化学nucleicacid第59页，共75页，2023年，2月20日，星期三IV、水解酸或碱水解：

核酸分子中的磷酸二酯键可在酸、碱性条件下水解切断。DNA和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别，如：在0.1mol/LNaOH中，RNA几乎可以完全水解，生成2′-或3′-磷酸核苷，DNA则不受影响。原因：这种水解性能上的差别，与RNA2′-OH的邻基参与作用有很大的关系。在RNA水解时，2′-OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。生物化学nucleicacid第60页，共75页，2023年，2月20日，星期三生物体内存在多种核酸水解酶，可催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。DNases和RNases根据作用方式分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶endonucleuase：在分子生物学研究中最有应用价值,可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。酶水解生物化学nucleicacid第61页，共75页，2023年，2月20日，星期三第62页，共75页，2023年，2月20日，星期三V、核酸的变性、复性与杂交denature核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。引起核酸变性的因素:温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素生物化学nucleicacid第63页，共75页，2023年，2月20日，星期三变性（denaturation）生物化学nucleicacid第64页，共75页，2023年，2月20日，星期三DNA变性的特点结构变化（核酸变性P62）突变性及熔点（热变性及熔解温度P62）影响因素：DNA自身的（G+C）%，离子类型与强度、溶液pH、变性剂（甲酰胺、尿素、甲醛）检测：紫外吸收的增色效应.生物化学nucleicacid第65页，共75页，2023年，2月20日，星期三EffectsofDNAchain-pairand(G+C)%onthedenaturation生物化学nucleicacid第66页，共75页，2023年，2月20日，星期三复性（Renaturation）变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构的过程。（复性的概念）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。DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关：将热变性的DNA骤然冷却至低温时