生物化学：第三章 核酸化学

生物化学第三章核酸化学第一节概述一、核酸的发现与发展1868年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核，当时发现这种物质含磷量，并且含有很强的酸性，故得名核酸。1909年其组成被研究清楚，1944年生物功能初步澄清，后来在X射线衍射技术支持下建立双螺旋结构模型。肺炎链球菌的转化实验(1944)核酸（nucleicacid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。DNARNA蛋白质复制复制转录反转录翻译遗传信息传递的中心法则第二节核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解核酸的化学组成除含C、H、O、N外，还含有较多的磷（含磷量在9－10％）核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。碱基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。一、戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)嘌呤

嘧啶

碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有每种核酸都含有四种碱基。二、碱基嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)三、核苷（nucleoside)

核苷是核糖与碱基(嘌呤碱或嘧啶碱)结合物。问题：核糖是如何与碱基形成核苷的？嘌呤核苷是嘌呤的第9位N与核糖或脱氧核糖第1´位碳连接；嘧啶核苷是嘧啶的的第1位N与核糖或脱氧核糖第1´位碳连接；碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)

（或脱氧核苷）。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

四、核苷酸

多磷酸核苷酸：(能量载体）

NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMP（调节与信号分子）八种核苷酸如下表所示

M-单(D-二、T－三）；P-磷酸RNA的名称为某苷(一磷)酸，DNA在某前加脱氧两字。 例如：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；

DNA与RNA的组成区别核酸碱基戊糖DNAA、G、C、T脱氧核糖RNAA、G、C、U核糖第三节核酸的结构一、核酸的一级结构

核酸的一级结构是指核苷酸的组成及排列顺序（即碱基序列）。5´端3´端核苷酸之间以3

,5

-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。在链的一端的一个戊糖的3´位上OH是游离，另一端的戊糖其5´位上连有一个磷酸基团呈单磷酸酯状态，这两个末端分别称为3´末端及5´末端。CGA3´端DNA一级结构的简写形式核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与RNA结构的生物语言。戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOH书写方法二、DNA的二级结构——双螺旋结构RosalindFranklin1962年，Crick、Watson和Wilkins获得诺贝尔奖。（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基组成分析Chargaff规则：[A]=

[T][G]=

[C]

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA的X-线衍射图谱分析（二）DNA双螺旋结构模型要点1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对

(bp)，螺距为3.4nm。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（自学内容）（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix

或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4串珠状核小体结构串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的具有遗传信息的核苷酸序列，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。RNA（核糖核酸）∶主要分布在细胞质中，与蛋白质合成密切相关RibosomalRNAs(rRNA，核糖体RNA)占80%以上：与蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所MessengerRNAs(mRNA，信使RNA)

占5%：合成蛋白质的模板TransferRNAs(tRNA

，转运RNA)占15%：在蛋白质合成中运输氨基酸三、RNA的结构RNA分子的基本结构是一条线性的多核苷酸链，由四种核糖核苷酸以3’，5’-磷酸二酯键连接而成。（一）、信使RNA的结构与功能2、其结构模式为∶

5’-帽子-5’非编码区-编码区-3’非编码区-3’多聚A1、真核mRNA链翻译产生一条多肽链。5’-帽子结构(1)

大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，经焦磷酸与mRNA的5‘-末端核苷酸相连，形成5’，5’

-三磷酸酯键。同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。*mRNA结构特点(2)大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。多聚腺苷酸（多聚A)的尾的作用可能是延长mRNA的寿命，从而可以增加蛋白质合成的数量。此外，还可能有助于mRNA穿过核膜，进入细胞质执行其模板功能.mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。*

tRNA的一级结构特点含稀有碱基较多

3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

由70-90个核苷酸组成(二）、转运RNA的结构与功能

稀有碱基*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。*rRNA的结构（三）、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。核糖体的组成原核生物真核生物小亚基30S40SrRNA16S18S蛋白质21种33种大亚基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白质33种49种核糖体70S80S第四节核酸及核苷酸的性质一、一般理化性质∶

核酸为多元酸，具有较强的酸性；

DNA是线性高分子，粘度极大 均为极性化合物，难溶于有机溶剂。嘌呤碱和嘧啶碱均含有共轭双键，因此，核苷、核苷酸、DNA和RNA在240～290nm范围内均有紫外吸收。最大吸收峰在260nm左右。二、紫外吸收性质∶核酸的紫外吸收性质可以用于鉴定DNA和RNA的纯度，常用A260/A280比值来判断。 纯DNA∶A260/A280=1.8

纯RNA∶A260/A280=2.0若样品的蛋白质含量增加，A260/A280比值怎样变化？增色效应(hyperchromiceffect)∶当核酸变性或降解时，其紫外吸收显著增强，这就是核酸的增色效应。减色效应(hypochromiceffect)∶当变性的核酸在一定条件下恢复其原有的性质时，其紫外吸收的强度又可恢复到原有的水平，这种现象称为减色效应。三、核酸和核苷酸的两性解离∶

在核酸和核苷酸分子中，既含有可以给出H+的磷酸基团，又含有可以得到H+的碱性基团(碱基上的-N=，如嘌呤的N1和N7，胞嘧啶的N3)，所以核酸和核苷酸是两性化合物，有等电点。5´－脱氧腺苷一磷酸四、核酸的变性、复性和分子杂交1、变性∶(1)概念∶

核酸变性是指核酸分子中双螺旋区域的碱基对之间的氢键受某些理化因素的作用而破坏，变成单链的过程。

核酸变性不涉及共价键的断裂，所以变性后相对分子量不变，但其理化性质和生物功能都会发生变化，最重要的表现为∶

溶液粘度降低 沉降速率增加 紫外吸收显著增强∶DNA可增加20-25% RNA可增加10%左右。 生物功能丧失或减弱。DNA变性的本质：双链间氢键的断裂(2)引起核酸变性的因素∶

高温 极端pH(pH>10或pH<4)

变性剂(如∶尿素等)(3)DNA的变性温度(Tm):

DNA的变性不是随温度升高而逐步发生的，而是当温度达到某一数值时，在很窄的温度范围内，变性突然发生并迅速完成，就象晶体物质达到熔点时突然融化一样，这一温度就称为DNA的变性温度，也称为DNA的熔点，用Tm来表示。 实际上，Tm是增色效应达到最大值的50%时的温度。也就是说，DNA溶液的温度达到Tm时，将有50%的DNA双链处于解链状态。

DNA的Tm一般为70～85℃。

Tm随DNA分子中G-C碱基对含量的增加而升高。它也与溶液的离子强度有关，一般情况下，离子强度低，Tm值小。2、DNA的复性∶

变性的DNA在适当条件下，两条彼此分开的互补单链又可以恢复碱基配对，重新成为双螺旋，这个过程称为DNA的复性（DNArenaturation）。

复性后的DNA的某些理化性质和生物活性也可以得到部分或全部恢复。如∶减色效应。退火（annealing）:

即DNA由单链复性变成双链结构的过程。来源相同的DNA单链经退火后完全恢复双链结构，不同源DNA之间、DNA和RNA之间退火后形成杂交分子。

一定条件下，去除变性因素后，核酸恢复二级结构及生物活性的现象高温变性缓慢冷却热复性急速冷却复性失败退火（annealing）(1)降温速度。若热变性的DNA从高温(Tm)迅速冷却至低温(4℃以下)，则不能复性，此过程称为淬火。(2)DNA溶液的浓度越大，互补DNA链片段碰撞机会越多容易发生复性。(3)DNA片段越大，DNA内部的顺序越复杂，扩散速度也越慢，互补链的相遇机会也越小，复性也越难。与复性有关的因素∶3、分子杂交（Hybridization）

不同来源的变性DNA，若彼此之间有部分互补的核苷酸顺序，当它们在同一溶液中进行热变性和退火处理时，分子间部分配对成双链，这个过程称为分子杂交。将胶浸泡在碱溶液中使DNA进行变性，然后将变性DNA转移到硝酸纤维素膜上〔硝酸纤维素膜只吸附变性DNA)，在80℃烤4－6小时，使DNA牢固地吸附在硝酸纤维素膜上。然后与