山东大学生物化学核酸-01

第五章

核

酸生物化学

一、核酸的发现和研究简史p470第一节核酸概论基因是片段因子染色体是遗传单位基因位于染色体上染色体上包含线状排列的基因突变是基因的物理变化交换导致重组DNA是遗传物质一个基因编码一个蛋白质DNA是双螺旋的DNA复制是半保留的遗传的密码是三联体的DNA是可以测序的基因组是可以测序的.第一节核酸概论第一节核酸概论Miescher从小牛胸腺里提取了核酸

动物核酸

DNAAltmann从酵母中也提出一种核酸

植物核酸

RNA细胞核里的核酸与小牛胸腺的核酸相似,而细胞质里的核酸与植物核酸相似.经过一系列的研究,到核酸的化学组成,由四种核苷酸组成。两者的差别主要是核糖的不同，DNA是脱氧核糖，RNA是核糖(Hammars,1894)。细胞核里的核酸称为脱氧核糖核酸（DNA）细胞质里的核酸称为核糖核酸（RNA）四核苷酸假说PhoebusLevene(Russian-American,（1869-1940)第一节核酸概论贡献：核酸的化学结构及核酸中糖的鉴定第一节核酸概论In1928,FrederickGriffith(British),1944，O.Avery肺炎双球菌转化实验第一节核酸概论1952，A.DHershey和M.Chase噬菌体感染实验ErwinChargaffshowed(1950’s):不同来源的DNA的碱基组成不同同一生物的不同组织里的DNA碱基是相同的。DNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。%A=%Tand%G=%CEdwinChagraff

(1905-2002)第一节核酸概论JamesWatson(American,1928-)FrancisCrick(British,1916-2004)第一节核酸概论MauriceWilkins(1916-)andRosalindFranklin(1920-1958)1960年——1973年发现了逆转录酶.发现了基因工程的工具酶.1972年由Con实现了DNA的体外重组.1973年以后明确了基因的概念.基因工程的兴起.一级结构的顺序测定的发展.高级结构的测定.核酸的人工合成.人类基因组（一）脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)原核：裸露的DNA分子集中于核区真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体细胞器DNA：双链环形，一般裸露二、核酸的种类和分布第一节核酸概论（二）核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)1、转移RNA（transferRNA,tRNA):保守性最强2、核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA)3、信使RNA（messengerRNA,mRNA)4、特殊功能的RNASmallnuclearRNA,snRNA(核内小RNA）SmallnucleoarRNA,snoRNA

（核仁小RNA)SmallcytoplasmicRNA,scRNA(核质小RNA)AntisenseRNA(反义RNA）Ribozyme

（核酶）第一节核酸概论

20世纪40年代DNA和RNA都是细胞的重要组成物质，前者可引起遗传性状的转化，后者可能参与蛋白质的生物合成。（一）DNA是主要的遗传物质遗传物质

细胞

细胞核

染色体

DNA（非蛋白质）

DNA片段

基因第一节核酸概论三、核酸的生物功能（二）RNA参与蛋白质的生物合成

显微紫外分光光法，组织化学法，化学分析方法测生长和分泌旺盛进行蛋白生物合成的细胞中RNA含量特别丰富。（三）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第一节核酸概论三、核酸的生物功能第二节核酸的结构单元——核苷酸核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)戊糖(pentose)碱基(base)一、核酸的化学组成两类核酸的基本化学组成P479表13-1第二节核酸的结构单元——核苷酸核苷酸的基本构造MonophosphateDiphosphateTriphosphateAdenineGuanineThymineCytosineUracilNucleoside(Adenosine)Nucleotide

(Adenosinemonophosphate,AMP)PurinePyrimidine核苷核苷酸磷酸五碳糖

Ribose,

Deoxyribose碱

基1’2’3’4’5’JuangRH(2004)BCbasics核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A)，嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。第二节核酸的结构单元——核苷酸P479结构式嘌呤嘧啶（一）碱基二、核酸组成部分的化学结构第二节核酸的结构单元——核苷酸（一）碱基

嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.嘌呤嘧啶嘧啶第二节核酸的结构单元——核苷酸1、嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T5-甲基胞嘧啶5-羟甲基胞嘧啶第二节核酸的结构单元——核苷酸2、嘌呤

嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤六元环是实际上是嘧呤环，五元环部分是咪唑环。嘌呤的定位与嘧啶不同，嘧啶从底边开始定，而嘌呤从侧面开始定位。第二节核酸的结构单元——核苷酸3、稀有碱基（修饰碱基）修饰主要是甲基化，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。二氢尿嘧啶6-甲-氨基腺嘌呤第二节核酸的结构单元——核苷酸4、碱基互变异构核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。第二节核酸的结构单元——核苷酸（二）戊糖核酸中的戊糖是D型的，有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上撇“′”，而碱基中原子的标号不加撇，以示区别。无氧1’核糖脱氧核糖第二节核酸的结构单元——核苷酸三、核苷(nucleoside)戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷b型糖苷键,碱基与糖环平面互相垂直，反式存在。第二节核酸的结构单元——核苷酸1、常见核苷各种常见核苷碱基核糖核苷脱氧核糖核苷嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤脱氧核苷鸟嘌呤脱氧核苷嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷--------------胞嘧啶脱氧核苷--------------胸腺嘧啶核苷第二节核酸的结构单元——核苷酸2、稀有核苷次黄(嘌呤核)苷假尿嘧啶核苷7-甲基鸟苷4-硫代尿苷稀有碱基+正常的糖正常碱基+修饰糖或其它糖正常碱基+正常糖，但是非正常的糖苷糖假尿嘧啶核苷（ψ）P481第二节核酸的结构单元——核苷酸核苷中戊糖C2

、C3、C5羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸P481结构式：5’-AMP(5’腺嘌呤核苷酸）

3’-dCMP（3’胞嘧啶脱氧核苷酸）第二节核酸的结构单元——核苷酸四、核苷酸p4815’-AMP2’-AMP3’-AMP腺嘌呤核苷-n’-磷酸酯碱

基五碳糖磷酸核苷酸JuangRH(2004)BCbasics第二节核酸的结构单元——核苷酸全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸简称：碱基的简称+苷+酸如：腺苷酸第二节核酸的结构单元——核苷酸由于自然界中的核苷酸主要是5’-核苷酸，所以如果不是特指，以上的表示都是5’核苷酸，都是指一磷酸。如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。符号简称：腺嘌呤核苷一磷酸

AMP

pAA脱氧腺嘌呤核苷一磷酸

dAMP

dpA

dA核苷酸通式：5’-NMP5’-dNMP

如不特指5’-可以省略。RNA：AMP、

GMP、

UMP、

CMP第二节核酸的结构单元——核苷酸1、

构成DNA、RNA的核苷酸P481表13-4DNA：dAMP、dGMP、dTMP、dCMP2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节核酸的结构单元——核苷酸①核苷5’-多磷酸化合物。(脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸,在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。双脱氧核苷酸的结构

在DNA的序列测定中使用.NMPNDPNTPdNTPddNTP②环化核苷酸

3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP

信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节核酸的结构单元——核苷酸3’,5’-cAMP3’,5’-cGMP③其它多磷酸核苷酸——核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物ppGpp

pppGpp

ppApp多磷酸化合物中5’，3’通常省略。ppNpp,在碱基N的左侧为5’，在N右侧的为3’.2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节核酸的结构单元——核苷酸④辅酶核苷酸——核苷酸衍生物

CoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。

GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节核酸的结构单元——核苷酸第二节核酸的结构单元——核苷酸3、核苷酸的性质①一般的性状

核苷酸为无色粉末或结晶状,易溶于水,不溶于有机溶剂,有较高的熔点,酸性较强.由于其分子的不对称性和带有C*的糖环故有旋光性.②核苷酸的紫外吸收由于核苷酸中的碱基具有与苯环类似的共轭双键,所以它有强烈的吸收紫外光的能力，碱基、核苷和核苷酸的紫外吸收峰的吸收区间在240—290nm，各种核苷酸的最大吸收峰不同,但一般在260nm左右有较大的紫外吸收,故常用260nm作为核酸特征吸收峰值,利用这一点可作核酸的定量测定.第二节核酸的结构单元——核苷酸3、核苷酸的性质核苷酸的定量测定第二节核酸的结构单元——核苷酸3、核苷酸的性质利用紫外吸收对核苷酸的定量测定核苷酸的紫外吸收在260nm时符合Lembert-Beer定律即:A260=

.c.lA:光密度;:摩尔消光系数;c:吸光物质的摩尔浓度;l:光程.例题：称取AMP样品534毫克定容至100毫升，PH=2.0.测定

A260=1.98×10-4

已知：MWAMP=347.2ε260=1.5×10-2

求：样品中AMP的百分含量。

第二节核酸的结构单元——核苷酸3、核苷酸的性质③核苷酸的解离p505-506

某些碱基，核苷及核苷酸的PK’值碱基名称碱基的pK’值核苷的pK’值5'核苷酸的pK’值腺嘌呤4.15,9.83.5,12.5*3.8,0.9,6.2鸟嘌呤3.2,9.6,12.41.6,9.2,12.4*2.4,9.4,0.70,6.1胞嘧啶

4.6,12.24.15,12.5,12.3*4.5,0.80,6.3尿嘧啶9.59.2,12.5*9.5,1.0,6.4胸腺嘧啶9.99.8,>13*10.0,1.6,6.5*：戊糖羟基的PK值。一、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（超螺旋）。第三节核酸的结构DNA的一级结构

(一).DNA的分子大小与形状碱基对数目总长度(mm)形态多瘤病毒

SV40M13

FdP4T7λT2,T4,T6枝原体大肠杆菌酵母果蝇人南美肺鱼5.1×1035226640764081.5×1043.5×104485021.8×1057.6×1054×1061.35×1071.65×1082.9×1091.02×1011

0.00170.00180.00190.00190.00510120.0160.0610.26364.65699034,700环状环状环状环状线状线状线状线状环状环状7对染色体4对染色体23对染色体19对染色体DNA的一级结构Chargaff规则:1.在所有的生物DNA中,A=T,G=C或A+G=T+C,这就是DNA碱基的当量定律,即Chargaff规则.2.DNA的碱基组成有种的特异性,但在同一生物体内无组织特异性.3.DNA的碱基不随年龄,营养状态的变化而变化,即稳定性.

(二).DNA的碱基组成DNA的一级结构5’3’5’3’,5’-磷酸二酯键5’3’核酸是核苷酸以磷酯键连结成的长链分子P

RP

RP

RP

RP

RP

R5’123456（三）.DNA的一级结构核酸长链书写PRB3’2’5’1’ATCGATCGPOH5’3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’

pATCGATCG-OH

3’ATCGATCGJuangRH(2004)BCbasicsDNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号P483竖线式文字式两股核酸的方向相反5’

pCpGpApTpCpGpApT-OH

3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’3’3’5’JuangRH(2004)BCbasicsATCGATCGGCTAGCTA是不同的序列.蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3’、5’-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。DNA的一级结构（三）.DNA的一级结构ATCGATCGPOH5’3’P482PPPPPPP蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶Judson(1996)TheEighthDayofCreation19621953年，Watson和Crick根据Chargaff

规律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。DNA的二级结构——双螺旋结构DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。Franklin1、二级结构的阐明①、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’Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)P486图13-5②、磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。③、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。④、两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起，A与T相配以，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。⑥、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行⑤、螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持⑦、每圈螺旋有10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm，⑧、大沟：宽1.2nm，深0.85nm，⑨、小沟：宽0.6nm，深0.75nm⑩、碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。当一条多核苷酸链的序列被确定后，互补链的序列确定。这表明，遗传信息由碱基的序列所携带。

DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。DNA的二级结构——双螺旋结构2、稳定双螺旋结构的因素①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。DNA的二级结构——双螺旋结构核酸骨架的自由度比蛋白质高Nelson&Cox(2000)LehningerPrinciplesofBiochemistry(3e)p.337JuangRH(2004)BCbasics3、

DNA二级结构的多型性P489

DNA的二级结构——双螺旋结构DNA双螺旋的不同类型类型旋转方向螺旋直径

(nm)螺距

(nm)每匝碱基对数目碱基对间垂直距离碱基对与水平夹角A-DNA右2.552.46

110.23190B-DNA右2.373.3210.40.34

10Z-DNA左1.844.56

120.38

904、三股螺旋DNA

K.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤H-DNA：绞链DNA是一种分子内折叠形成的三股螺旋p490T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G三股螺旋DNA中的Hoogsteen-bondingP489-490

第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。三股螺旋DNA四股DNA可能存在于真核细胞染色体的端粒中DNA的三级结构是指DNA分子在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象。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以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。DNA的三级结构1、环状DNA的三种典型构象

P491（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DNADNA的三级结构三种环状DNA分子具有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为拓扑异构体。①连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数②扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示③超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）④比连环差（λ）表示DNA的超螺旋程度连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W2、三种环形DNA的拓扑学特性DNA的三级结构3、拓扑异构酶改变DNA拓扑异构体的L值。①拓扑异构酶酶I（解旋酶）能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次催化使L值增加1。②拓扑异构酶酶II（促旋酶）能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化使L减少2。DNA的三级结构基因组DNA与蛋白质结合形成染色体（染色质）（1）整个病毒可以看成游离的染色体组成：核酸、蛋白、脂类、糖类基因组：单链或双链的DNA（或RNA），多数环状形状：丝状、多面体状、（2）细菌染色体的结构——拟核，nucleoid

细菌基因组多数为双链环状DNA，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体。p494DNA与蛋白质复合物的结构p492（3）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。组蛋白有五种H1,H2A,H2B,H3,H4,后四种各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140bp。称为核小体的核心颗粒(coreparticle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为连接部。组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约8000～10000倍.（3）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构核小体的结构（3）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构6个核小体念珠绕成30nm纤丝（fiber)（3）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构纤丝扭曲变成突环（loop)，约75000bp。六个突环一个玫瑰花结（rosette)。进而组装成螺旋圈(coil)，由螺旋圈再组装成染色单体（chromatid)。p405染色体的结构层次

核酸紧密缠绕在组蛋白上面Albertsetal(2002)MolecularBiologyoftheCell(4e)p.230Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.980DNA一级结构的不均一性1.重复序列1)高度重复序列2-10bp/copy,105-106copies/genome多为串联重复排列分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧2)中度重复序列0.1-1Kb/copy10-104copies/genome多为间隔重复rDNA\tDNA\Histonegenecluster3)单拷贝序列（singlecopysequence)真核生物DNA的序列特点真核生物DNA的序列特点2.回文结构（序列）(invertedrepeat,palindromesequence)较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构。较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。转录的终止作用与回文结构有关。真核生物DNA的序列特点回文序列中的单链可形成发卡结构双链回文序列可形成十字架结构3）镜象结构所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。真核生物DNA的序列特点多嘌呤-多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关.真核细胞的内含子（Intron）与

外显子（Exon）mRNADNA5’3’cappolyAtailexonexonexonintronintronmaturemRNAProcessingTranscriptionSplicingpromotor3’5’都在细胞核中进行startcodonstopcodon送至细胞质去除

intronJuangRH(2004)BCbasicsIntron的发现Nelson&Cox(2000)LehningerPrinciplesofBiochemistry(3e)p.992Roberts,Sharp(1993)Firstintron第三节核酸的结构二、RNA的结构（一）RNA的碱基组成1.由A,U,G,C四种碱基组成.2.含有较多的稀有碱基.3.大部分的RNA中,A

U;G

C.4.mRNA的碱基组成与DNA非常相似(U代替T),有人称D-RNA.5.在tRNA中,由于双螺旋结构较多,基本上A=U;G=C.在一些双链RNA病毒中,A=U;G=C.（二）RNA的一级结构

P483①AMP、GMP、CMP、UMP通过3’、5’磷酸二酯键形成的线形多聚体。②组成RNA的戊糖是核糖。③

天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分区域是A-型双螺旋结构。第三节核酸的结构二、RNA的结构

RNA很容易被水解而断裂断

裂RNaseNelson&Cox(2000)LehningerPrinciplesofBiochemistry(3e)p.176Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.35微碱1、mRNA的结构原核：多顺反子,即一条mRNA链上有多个编码区。真核：单顺反子第三节核酸的结构（二）RNA的一级结构非翻译区