第3章 核酸的化学

第三章核酸的化学1核酸的化学组成2核酸的结构3核酸的理化性质4核酸类物质的制备核酸的化学【学习目标】

掌握核酸的定义、分类、分布以及生物学功能，DNA、RNA分子组成的异同点，DNA双螺旋结构的要点，tRNA二级结构的特点。熟悉核酸的紫外吸收、变性、复性及分子杂交。了解核酸的分离纯化、含量测定等方法。【重点难点】

核酸的分类、功能及分子组成；DNA的双螺旋结构特点；tRNA的三叶草型结构特点。

1868年，F.Miescher从脓细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型。1944年，O.Avery等通过转化实验证实核酸是遗传物质。重要事件1952年，A.D.Hershey和M.ChaseT2噬菌体实验再次证实DNA是遗传物质。第一节核酸的化学组成

核酸（Nucleicacid）是一类广泛存在于各种生物体内的重要生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。——遗传信息的储存和传递DeoxyribonucleicAcid——信息的传递和转录，直接参与蛋白质合成RibonucleicAcid核酸分为：脱氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）分布情况细胞核内：98％（染色体中）真核细胞核外：线粒体（mDNA）、叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核拟核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒（HBV、疱疹病毒等）

细胞质中：90%tRNArRNAmRNA其它RNA病毒：RNA病毒（SARS、HIV、TMV、流感病毒）一、元素组成基本元素：C、H、O、N、P等

两个特点：①一般不含S元素。②P含量较多且比较恒定（9%～10%）。常用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）二、核酸的基本结构单位——核苷酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解碱基RNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤ADNA碱基稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、7-甲基鸟嘌呤、6-甲基腺嘌呤等嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶等均为基本碱基的化学修饰型。戊糖DNARNA

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。磷酸核苷酸的形成过程核苷

戊糖与嘌呤或嘧啶碱以C-N糖苷键连接而形成的糖苷就称为核苷（nucleoside）。通常是戊糖的C1’与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连。核苷酸

核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成核苷酸（NMP）（nucleotide）或脱氧核苷酸（dNMP）。通常是戊糖的C5’-OH与磷酸基团相连。核苷酸的形成过程磷酸碱基戊糖OHOHOHONNH2NOOO-P-OCMP1.继续磷酸化三、核苷酸的衍生物CDPOO-P-OCTPOO-P-OHOHOHONNH2NOOO-P-OdCMPdCDPOO-P-OOO-P-OdCTPAMPADPATPATP是生物体内能量的通用货币。2.环化磷酸化

被称为第二信使，有放大激素的作用，在代谢调节中起重要作用。3.辅酶类衍生物辅酶Ⅰ（NAD+）辅酶Ⅱ（NADP+）FMNFAD辅酶A(CoA-SH)腺嘌呤核苷酸＋尼克酰胺核苷酸黄素单核苷酸＋腺嘌呤核苷酸3’－腺苷酸＋5’－焦磷酸＋氨基乙硫醇＋泛酸参与糖、脂肪、蛋白质代谢参与生物氧化过程第二节核酸的结构一、核酸的一级结构

一个核苷酸分子的C3’-OH与另一个核苷酸分子的5’-磷酸基团脱水缩合形成的磷酸二酯键称为3’,5’-磷酸二酯键。5’5’3’3’+①5’-磷酸端（常用5’-P表示）；3’-羟基端（常用3’-OH表示）②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5’→3’或是3’→5’。

多核苷酸链是几十个以上的核苷酸分子通过3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。

磷酸与戊糖C5’相连，称为5’-磷酸末端（5’-端）。戊糖C3’上连有羟基，称为3’-磷酸末端（3’-端）。核苷酸一级结构的表示方法结构式P-P-PC

S

P

GSP

ASP

TSP

TSOH5

3

pGpCpTpApG-C-T-ApGCTA线条式字母式

核酸的一级结构是指在多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。由于各种核酸由戊糖－磷酸连成的长链骨架相同，碱基排列顺序不同，因而可将碱基的排列顺序称为核酸的一级结构。二、核酸的空间结构(一)、DNA分子的空间结构(二)、RNA分子的空间结构1、DNA的二级结构Chargaff法则①对于所有DNA分子，A=T，G=C，A+G=T+C。②不同种属的4个碱基组成和排列顺序有差异，但同一种属不同组织的碱基组成无差异，即碱基组成没有组织和器官的特异性。(一)、DNA分子的空间结构DNA双螺旋结构模型要点①DNA分子由两条反向平行的互补多核苷酸链围绕一个假想的中心轴形成右手螺旋结构。一条链的走向为5’→3’，另一条为3’→5’。两条链上的碱基之间以氢键相连，形成碱基对。碱基互补配对，A=T，G≡C。H-bondPyrimidinesNNH2NOCNNOOHUNNOOHCH3TH-bondPurinesH2NNNNNAHGNNNH2NON腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶

DNA双链依靠A-T、G-C的配对关系互相结合。②双链结构中，脱氧核糖-磷酸形成骨架位于螺旋外侧，而碱基堆积于内侧。碱基平面与中心轴垂直，糖环平面几乎与碱基平面成直角。③DNA双螺旋为右手螺旋。双螺旋的平均直径为2nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm。螺旋每旋转一周包含10对碱基，螺距为3.4nm。相邻核苷酸的夹角为36°，并形成大沟和小沟。

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。模拟DNA双螺旋（蓝色）大沟中结合着肽（红色）④DNA双螺旋结构稳定的主要因素

．碱基堆积力（主要因素）是双螺旋中垂直方向的作用力

︰氢键

为双螺旋中水平方向的作用力∴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。①

A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。②

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。③

Z-DNA螺旋：左手螺旋，这种螺旋可能在基因表达的调控中起作用。DNA双螺旋的类型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2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7ºB-DNA&Z-DNA2、DNA的三级结构定义：DNA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。DNA的三级结构主要是指双螺旋进一步螺旋形成的超螺旋（麻花状）。原核生物及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋结构质粒染色体局部解链松弛环形负超螺旋松弛环形负超螺旋固定负超螺旋自然界通常为负超螺旋。环状DNA右旋

超螺旋真核细胞染色体的DNA串珠状（线形）三级结构核小体形成核小体真核细胞染色体的DNA串珠状（线形）三级结构2、RNA分子的空间结构①碱基组成为A、G、C、U（A＝U，G≡C）。稀有碱基或修饰碱基较多，稳定性较差，易水解。②多为单链结构，少数单链回折局部形成螺旋。③分子较小。RNA核糖体RNArRNA（ribosomeRNA）信使RNAmRNA（messengerRNA）转运RNAtRNA（transferRNA）RNA的结构特点：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并非都是双螺旋结构，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。

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共同的二级结构特征。约占细胞总RNA的80%。是核糖核蛋白体的主要组成部分。核糖核蛋白体=RNA＋蛋白质，形成大小两个亚基。核糖体是蛋白质合成场所。rRNA核糖体核糖核酸原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s

70s50s16s5s、23s40s

80s60s18s5s、5.8s、28srRNA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。mRNA信使核糖核酸约占细胞总RNA的3%～5%

。真核mRNA由核不均一RNA（hnRNA）剪切而来。在核糖体中作为模板指导蛋白质合成。结构特点：

种类多，分子量大小极不均一，平均分子量约50万，核苷酸残基数目从几百到上万。

5’端“帽子结构”：真核生物mRNA，5’端为7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸，与蛋白质生物合成的起始有关。

3’端“尾巴结构”：绝大多数真核生物mRNA，3’端为最长达200个的多聚腺苷酸片段（polyA）。

真核生物mRNA一般为单顺反子（即为编码一条多肽链的mRNA）。polyA的功能：1、与mRNA从细