生物化学课件：第五章 核 酸

第五章核酸

（Chemistryofnucleicacid）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。核酸研究的发展简史核酸（Nucleicacid）是以核苷酸（Nucleotide）为基本结构单位，按照一定的顺序，以3’,5’-磷酸二酯键相连接，并通过折叠、卷曲形成的具有特定生物学功能的线形或环形多聚核苷酸链。核酸组成核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成种类分布功能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核糖体主要成分核酸的种类、分布与功能核酸的化学组成核酸由五种元素组成，即C、H、O、N、P。其中P含量变化不大，（DNA平均含磷量为9.9%，RNA平均含磷量为9.4%）由测定含磷量可以算出核酸的含量。

核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶核酸的化学组成碱基DNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶磷酸碱基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戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)脱氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键糖苷键(glycosidicbond)一个环状单糖半缩醛（或半缩酮）羟基与另一个分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羟基、胺基或巯基之间缩合形成的缩醛键或缩酮键，糖苷键是连接提供半缩醛羟基的糖（也称为糖基）和与之缩合的“非糖”部分（也称糖苷配基）的化学键，常见的糖苷键有O-糖苷键和N-糖苷键。稀有核苷（P79)：1、修饰碱基+正常核糖：二氢尿嘧啶核苷（DHU）2、正常碱基+修饰核糖：2‘-O-甲基腺嘌呤核苷(Am)3、正常碱基+正常核糖，非正常连接：假尿嘧啶核苷（Ψ）核苷酸及其衍生物的功能1、作为核酸的单体，是核酸(RNA和DNA）生物合成的主要原料NTP和dNTP2、体内的主要能量物质:ATP，GTP，CTP，UTP3、参与代谢和生理调节:ATP/ADP4、活化代谢物的中间载体：UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)5、作为辅酶的组成部分：NAD+，NADP+，FAD，CoA6、细胞中的第二信使：cAMP，cGMP思考题：RNA和DNA中核酸的区别？UTP和dGTP的中文名称？核酸的基本单元：——核苷酸的主要组成：——————DNA主要位于：——；RNA主要位于：——举出几个含有核酸的辅酶：——————举出几个高能化合物：————————举出几个信号分子：————假尿嘧啶（Ψ）：

DNA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、DNA的一级结构:一、DNA的一级结构5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键DNA单链的延伸5’3’端无分枝的长链具有方向性。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。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。2、多聚脱氧核苷酸链的结构特点3、一级结构的表示方法1）线条法5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式3）缩写式

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

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。小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。(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。(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

（1）互补碱基之间的氢键(Hydrogenbond)

弱键,可加热解链（2）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)

☆范德华力（3）离子键

（4）磷酸二酯键

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-DNADNA的分子构型(B,Z,A)比较

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAny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

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

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-sencepolydNt)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!?

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。positivesupercoiled2）环状DNA分子双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

负超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数小于10，二级结构处于松缠状态。正超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数大于10，二级结构处于紧缠状态。l

拓扑异构酶(topoisomeraseI,II)参与构型的改变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真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体串珠样的结构RNA的分子结构RNA的种类、分布、功能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4.核苷酸之间的连结方式：3',5'-磷酸二酯键1.tRNA功能：在蛋白质合成中负责转运氨基酸和识别密码子；

参与翻译起始进程、RNA的反转录及基因表达调控73-93个核苷酸组成含稀有核苷和修饰成分3‘端都为CCA，用以接受氨基酸；5’端都为pG或者pC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分子特点三级结构：倒L型

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、T

C环四臂——氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码臂、T

C臂

2.rRNA分子核糖体rRNA原核生物70S30S16S50S