第二章 核酸的化学

第二章

核酸的化学NucleicAcidchemistry二十世纪二十一世纪物理学生命科学世纪世纪生命是生命=核酸+蛋白质二十一世纪核酸、蛋白质的世纪？核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。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。第一节核酸通论第二节核酸的结构第三节核酸的性质第四节核酸蛋白质复合体第一节核酸通论研究发现史核酸的功能核酸的种类和分布分子生物学的中心法则一、研究发现史

1869，F.Miescher，脓细胞核，酸性物质（P↑）

溶于稀碱不溶于稀酸——核素（nuclein）

核酸-蛋白质复合物

1889，R.Altman，酵母及其他动物细胞，不含Pr的“核酸”（nucleic

acid）

1930-1940年，Kossel，Levene确定核酸的组分：核酸DNA（deoxyribonucleicacid，脱氧核糖核酸）RNA（ribonucleicacid，核糖核酸）“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。1952年，Hershey、ChaseT2噬菌体（捣碎器实验）1953年，Watson、CrickDNA双螺旋模型1958年，Crick提出中心法则1970年，Arber发现了限制性内切酶，为DNA切割技术的发展奠定了基础（1978年Nobel生理学/医学奖）1972年，P.Berg获得了第一个DNA的体外重组体1973年，S.Cohen克隆了细菌的质粒重组体，是DNA分子克隆技术发展的基础1975年，Sanger首创DNA的酶法序列测定技术1976年，Maxiam和Gilbert发明了DNA的化学测序法标志着DNA序列快速测定技术的成熟（Sanger和Gilbert分获得1980年Nobel化学奖）在以上三大技术的基础上，建立了DNA重组技术（DNArecombinanttechnology)，是分子生物学的第二次革命DNA重组技术应用于改造生物基因、生物体性状、物种——基因工程（遗传工程，geneticengineering）；在其他领域的应用，导致了蛋白质工程的出现，酶工程、细胞工程等其他生物技术（工程）的发展1986年提出人类基因组计划（HGP)；1990年启动；2003年完成后基因组时代（post-genomeera)——功能基因组*蛋白质组学：1994年，Wilkins和Williams提出指一个细胞内，基因组表达的所有蛋白*结构基因组学：系统测定基因组所代表的所有大分子结构二、核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质1944，O.Avery：肺炎双球菌转化实验1952，A.DHershey，M.Chase：

噬菌体感染实验O.Averytest:多糖荚膜噬菌体感染实验（二）RNA功能的多样性1、参与蛋白质的合成2、RNA的转录后加工与修饰（自催化）3、参与基因表达的调控4、生物催化作用5、遗传信息的加工与进化除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。三、核酸的种类和分布

脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）

核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）RNA：细胞质

tRNA

rRNAmRNA

其它

RNA病毒：SARS四、分子生物学的中心法则第二节核酸的结构一、核酸的化学组成

三、RNA的结构与功能

戊糖结构特点

碱基tRNA结构特点与功能

核苷mRNA结构特点与功能

核苷酸rRNA结构特点与功能核苷酸衍生物多聚核苷酸（核酸）二、DNA的结构

DNA的一级结构

DNA的二级结构——DNA的双螺旋模型

DNA的三级结构一、核酸的化学组成元素组成：CHONP核酸：多聚核苷酸（polynucleotide)核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基脱氧核糖核糖嘌呤嘧啶1、戊糖RiboseDeoxyriboseRNA：β-D-核糖DNA：β-D-2-脱氧核糖1）嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2、碱基2）嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT稀有碱基：种类很多，碱基的甲基化，硫代，甲硫代，产物（二氢尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤、可可碱、茶叶碱等）目前发现约80种，主要分布在tRNA中。3、核苷（nucleoside）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)AdenosineGuanosineCytidineUridineA(dA)G(dG)C(dC)UHHHHHHHHH4、核苷酸（nucleotide）核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸AMP

ADPATP5、核苷酸衍生物1）继续磷酸化NMP,dNMPNDP,dNDPNTP,dNTP各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成2）环化磷酸化cAMPcGMP第二信使——cAMP3）肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)IMPGMPNAD、NADP、FMN4）辅酶5’5’3’3’6、核酸（多聚核苷酸）通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物5′-磷酸端（5’-P）；3′-羟基端（3’-OH）多聚核苷酸链具有方向性表示时，必须注明它的方向5′→3′或3′→5′OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA5′5′3′3′多聚核苷酸的表示方式T5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′5′ACGT3′5′ACGU3′

ACGTACGU线条式文字式二、DNA的结构

一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序

二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构

三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象（一）DNA的一级结构

脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端1、概念

碱基顺序：遗传信息存储的分子形式物种多样性：四种核苷酸的不同排列组合通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写。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。★

DNA一级结构的特点：不均一性（1）重复序列★正向重复★反向重复（迴文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)较长的迴文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构较短的迴文序列，可作为一种特别信号限制性核酸内切酶的识别位点转录的终止作用与迴文结构有关。★镜象重复（mirrorrepeat)某些情况下可以三股螺旋DNA★高度重复序列（highrepetivesequence,sateliteDNA，SSR)2-10bp/copy105-106copies/genome多为串联重复排列（tandemrepeats)分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧★中度重复序列（middlerepetitivesequence)0.1-1Kb/copy10-104copies/genome多为间隔重复rDNA\tDNA\Histonegenecluster★低拷贝重复：基因家族★单拷贝序列（singlecopysequence)在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。

（2）富含AT的序列重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对复制起点和转录启动的Pribnow区，富含AT2、基因与基因组基因（gene）：具有功能的DNA片段生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）

蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNARNArRNA调节功能：调节基因无产物

作用未知结构基因基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）；核外（质粒/质体DNA）基因结构基因调节基因基因组bp（碱基对）103104105106107108109101010111012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因组计划（YGP）大肠杆菌（E.Coli）3、原核生物基因组特点

重复序列少，多位编码区，DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。多为操纵子形式组织，功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。有重叠基因存在4、真核生物基因组特点

以染色体存在重复序列多

有断裂基因mRNA1872bp内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7700bpF外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferongene)没有内含子。transcription（二）DNA的二级结构——DNA的双螺旋模型1953，Watson、CrickChargaff规律DNANa盐的X光衍射分析DNA的双螺旋结构模型★DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析Franklinwilkins1、Chargaff规律1950a.所有生物的DNA，A=T，G=C且A+G=C+T。(A与T之间形成两个氢键；G与C之间形成三个氢键）b.碱基组成具有种的特异性c.碱基组成没有组织和器官的特异性d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成2、DNA双螺旋模型要点（B-DNA）★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋一条5’→3’，另一条3’→5’★磷酸与脱氧核糖通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持★每圈螺旋含10bp，螺距3.4nm,碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm，★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，★小沟：宽0.6nm，深0.75nm2.0nm小沟大沟3、DNA二级结构的多型性B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：44-46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6°。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°。4、双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.01.82.83.44.51110.4120.2550.340.2720º0º7º5、双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用、范德华力）离子键等

DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）（三）DNA的三级结构

DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象★超螺旋是DNA三级结构的主要形式原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）环状DNA的三种典型构象（1）松弛环形DNA线形DNA直接环化（2）解链环形DNA线形DNA拧松后再环化（3）正超螺旋与负超螺旋DNA线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋真核双链线性DNA（dsDNA）三、RNA的结构与功能结构特点tRNA结构特点与功能mRNA的结构特点与功能rRNA结构特点与功能三、RNA的结构与功能一）、结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类：mRNA（hnRNA核不均一RNA）tRNArRNA（snRNA/asRNA）少数RNA病毒二）tRNA结构特点与功能1、tRNA的一级结构

74～93个（多76）核苷酸组成单链不变的（恒定）核苷酸:U8、G18、G19

较多的修饰核苷酸

5ˊ端：PG,3ˊ端：CCAOH15％；一种氨基酸对应最少一种RNA2.tRNA的二级结构——三叶草结构

四臂四环3ˊ端：CCAOH，5ˊ端：PG3.tRNA的三级结构——倒L形结构酵母苯丙氨酸-tRNA反密码环二氢尿嘧啶环额外环TC环（假尿嘧啶环）三叶草结构tRNA的二级结构tRNA的三级和二级结构转运氨基酸识别密码子参与翻译起始参与DNA的反转录参与基因表达调控4、tRNA的功能：三）mRNA的结构1、真核mRNA的结构

5’-帽子：m7G5’-ppp5’-Nm（Nm）p-3～5%抗酶降解

mRNA与核糖体结合的识别