新陈代谢 核酸1次学习课件

第二章核酸化学NucleicAcid

核酸与蛋白质，是一切生物机体不可缺少的组成部分，是2类最重要的生物大分子。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者。

DNA2类核酸｛

RNA

核酸不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。

1868年Miescher从细胞核中分离出核素(nuclein)。1889年Altmann制备了核酸（nucleicacid）。1940年前,Kossel&Levene等确定核酸的组分:核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）第一节核酸的发现和重要性一、核酸的发现与研究简史

1943年Chargaff（查格夫）证明，DNA中4种碱基的比例并不是相等，总是A=T,G=C，并认为在DNA中是A-T配对、G-C配对的规律，因此后来称之为查格夫规则。（－－证明“四核苷酸假说”不能成立）核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子化合物，具有高度的特异性。但Levene提出一种错误的“四核苷酸假说”：核酸是由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。（后被推翻）

1944年，Avery的“肺炎双球菌转化实验”证明DNA是生物体的遗传物质。图Avery-Macleod-McCarty实验

1952年A.Hershey和M.Chase的噬菌体侵染细菌的实验，是证明DNA为遗传物质的最有力证据。（含S）（含P）用放射性同位素32P标记内部DNA细菌内有放射性DNA是真正的遗传物质用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细菌内无放射性

1953年，J.D.Waston（美）和F.H.C.Crick（英）提出DNA双螺旋结构模型－－核酸研究的又一个里程碑：不但阐明了DNA的结构，并且为一个DNA分子如何复制成两个相同结构的DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信提供了合理的说明。这一学说为现代分子生物学和分子遗传学奠定了关键性基础，1962年被授予诺贝尔生理医学奖。从此之后的几十年里，核酸研究进展之快，涉及范围之广，影响之大，内容之丰富，在生物科学领域内是少见的。1958年,Crick提出分子生物学的“中心法则”。生物技术的兴起——20世纪70～80年代。人类基因组计划开辟了生命科学新纪元。人类基因组计划（HGP）功能基因组学结构基因组学蛋白质组学

RNA组学二、核酸的种类和分布

脱氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）（阅读P90—92内容）

RNA与DNA主要有三大差别除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数生物体的遗传物质是DNA。不同生物体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，生物体表现出不同的形态结构和代谢类型。三、核酸的生物功能（一）DNA是主要的遗传物质

基因(DNA)作为遗传物质具有的3个基本属性:

●通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;

●通过转录使遗传信息在子代得以表达;

●通过变异在自然选择过程中获得新的遗传信息。（二）RNA的生物功能的多样性

RNA具有诸多功能,均关系着生物体的生长、发育和进化1.充当RNA病毒的遗传物质(如甲肝病毒,艾滋病毒)；

2.作为生物催化剂（即核酶）；

3.参与蛋白质生物合成（3种最重要的RNA）；

4.作为引物，参与DNA复制；

5.参与RNA前体的后加工，如snRNA参与细胞核mRNA前体的剪接，snoRNA参与真核rRNA前体的后加工，gRNA参与编辑；

6.参与基因表达的调控，如干扰RNA和反义RNA；7.参与蛋白质共翻译定向和分拣，如7SRNA；

8.参与X染色体的失活，这与XistRNA有关。

男性第23对染色体是XY，女性的第23对染色体是XX。如女性两条X染色体都正常表达的话，女性X编码基因的表达量将是男性的两倍。事实是男女性X染色体编码蛋白的表达量是一致的。其原因是女性Xist基因编码不表达蛋白质的RNA（XistRNA，约17Kb），它与２条X染色体中的一条结合，使其失活。

(RNA的核心作用是基因表达的信息加工与调节)第二节核酸的组成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase

或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose

或脱氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）一、核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脱氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定1.嘌呤碱（purine

）：嘌呤的衍生物

腺嘌呤（adenineA）

鸟嘌呤（guanineG）DNA和RNA两种二、碱基N9是成苷位置2.嘧啶碱（pyrimidine

）:

尿嘧啶（uracil

U）胞嘧啶（cytosineC）

胸腺嘧啶（thymineT）

三种RNADNAN1是成苷位置3.稀有碱基

含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。tRNA中大约有10%。嘧啶碱基（C）（U）(T)(hm5C)(m5C)（D）4、碱基的结构特征

酮式

烯醇式氨基

亚氨基共轭双键，对260nm的紫外光吸收较强嘧啶碱基和嘌呤碱基最重要的功能基团是环上的氮和羰基，以及环外的氨基。（氨基和羰基之间的氢键是核酸分子中碱基之间相互作用的一种重要方式。）碱基的互变异构嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）三、核苷

1.核苷：含氮碱基与糖组分缩合成的糖苷

核苷=碱基+戊糖

β-D-2-脱氧核糖β-D-核糖2、连接方式：

戊糖C1'-OH…H-N9

嘌呤

戊糖C1'-OH…H-N1

嘧啶

戊糖C1'-OH…H-C5

假尿苷(tRNA)5C假尿苷（ψ）

核苷（核酸）分子中的糖苷键均为β-N糖苷键关于修饰核苷的表示方法

●修饰核苷中的取代基团用英文小写字母表示;●

碱基取代基团的符号写在核苷单字符号的左下角;●

核糖取代基团的符号写在核苷单字符号的右下角;

●

取代基团的位置写在取代基团符号的右上角，数字（目）则写在右下角。

举例

N1,N2,N7-三甲基鸟嘌呤核苷：m31,2,7G

真核mRNA5'-端的7-甲基鸟苷帽子结构：

m7G5'ppp四、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯嘌呤或嘧啶碱基abcdefghiabcdhjhlhbyiu五、重要的其他核苷酸

1.多磷酸核苷酸ATPCTP

参与磷脂合成GTPUTP

参与糖原合成能量转换中间体蛋白质合成中磷酰基供体NMP

NDP

NTP2.环化核苷酸

cAMP,环腺苷酸（cyclicAMP,cAMP）

cGMP,环鸟苷酸（cyclicGMP,cGMP）

--作为细胞功能的调节分子和信号分子。环化核苷酸的生成

1、作为核酸的基本单位，承载遗传信息；

2、能量货币；（是细胞中化学能量的主要载体，在细胞里运输化学能量）

3、核酸合成的前体；(NTP→RNA，dNTP→DNA)4、信息转导；（如cAMP和cGMP作为第二信使，GMP调节G蛋白活性）

5、作为其它物质的前体或辅酶/辅基的成分；（如腺嘌呤是辅酶A，NAD＋，NADP＋，FAD的结构成分；GMP是第一类内含子的辅酶）小结——核苷酸的功能

6、活化的中间物；（如UDPGlc，CDP-乙醇胺，SAM）

7、作为酶的别构效应物参与代谢调节；（如ATP，AMP）

8、调节基因表达。（如ppGpp，pppGpp）化学能量的主要载体一些含腺苷的辅酶三种有调节作用的核苷酸六、核酸分子中核苷酸的连接方式核酸链的重要特征：

●具有5'-端和3'-端两个末端；

●是1种多聚阴离子复合物；（因为链上的磷酸基团带大量负电荷）

●任一核酸链都有特定的一级结构。核酸一级结构表示方法：TCATGA5′PPPPPPOH3′5′pTpCpApTpGpA-OH3′5′TCATGA3′

第三节

脱氧核糖核酸（DNA）

一、DNA的碱基组成（一）碱基组成：C,T,A,G

（二）DNA碱基组成规律（Chargaff法则）

（1）同一生物，嘌呤=嘧啶，

A=T，G=C，A+G=C+T

（2）不同生物种属的DNA碱基组成不同（3）同一生物的所有体细胞中DNA碱基组成相同（物种特异性）二、DNA的一级结构（一）DNA的一级结构

DNA链中碱基的组成及排列顺序称为DNA的一级结构。（二）脱氧核苷酸的连接方式多脱氧核苷酸链相邻的脱氧核苷酸残基以3ˊ,5ˊ－磷酸二酯键连接，无分支。5ˊ-末端磷酸3ˊ-末端羟基3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键

DNA一级结构三、DNA的空间结构

DNA二级结构：双螺旋结构DNA三级结构：超螺旋结构DNA四级结构：DNA与蛋白质复合物的结构※一般不认为(单独存在的)核酸具有四级结构

1953年，J.Watson和F.Crick

在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测,因此而获得了诺贝尔(1962)医学和生理学奖。（一）DNA二级结构——双螺旋结构1.双螺旋结构的主要依据

(3)X射线衍射数据－－Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。

(2)碱基成对证据－－Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。

(4)电位滴定行为－－电位滴定证明，DNA中的磷酸基可滴定，而嘌呤与嘧啶的可解离基团不能滴定，因为碱基间是由氢键连接。

(1)已知的核酸化学结构知识－－如核酸的化学性质、核苷酸的键长与键角数据。DNA的X射线衍射图在中部衍射带上形成交叉的点表明存在螺旋结构，左边和右边的衍射强带来自重复出现的碱基DNA结构的揭示2.双螺旋结构模型要点(1)两条脱氧多核苷酸链反向平行且均为右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟(2)两条链上的碱基间互补配对，且正确配对必定为A=T，G≡C(3)糖-磷酸主链在螺旋外侧，碱基对平面在内侧且平面与螺旋轴垂直(4)螺旋每圈含10个碱基对，螺距为3.4nm该理论的核心：碱基互补配对5′5′3′3′双链DNA分子两条链平行且方向相反DNA的空间结构

——双螺旋结构AT和GC碱基对的配对性质B-型DNA双螺旋结构的主要特征关于B型双螺旋DNA表面的大沟和小沟●在DNA双螺旋上出现大沟（宽度2.2nm）、小沟（宽度1.2nm）的原因是，与每一个碱基对有关的两个糖苷键没有完全处于相对的位置。如果把螺旋看成一个圆筒的话，在对螺旋横切后，看到的两个糖苷键之间的夹角不是180°，而是120°的小角或240°的大角。当越来越多的碱基对垛叠在一起的时候，在碱基对一侧的小角形成小沟，在另外一侧的大角则形成大沟。显然，若一个碱基对的两个糖苷键夹角为180°，则两个沟的大小和形状应是一样的。120°240°120°240°大沟和小沟的秘密A-DNAB-DNAZ-DNA3.双螺旋结构的稳定因素（1）氢键（太弱）；（2）碱基堆积力（basestackingforce）；由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素

（※碱基堆积力包括疏水作用和范德华力）（3）离子键。阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和作用，减少双链间的静电斥力4、DNA双螺旋结构模型的理论意义解释下列生命现象（1）DNA的复制－－DNA的遗传信息在生物世代间、细胞世代间传递。※该模型直接表明了遗传信息传递（自我复制）的机制。（2）遗传与变异－－DNA分子的碱基序列具有保守性和变异性,碱基对是突变的最小单位。（3）生物的性状控制－－蛋白质生物合成时遗传密码与反密码互补配对。（4）为现代分子生物学与基因工程奠定了理论基础。DNAReplication5.DNA双螺旋的构象类型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°，螺距与每一圈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，每一圈含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。DNA在不同盐溶液及不同相对湿度下的存在状态分为：B-DNA

钠盐纤维，相对湿度92%A-DNA

钠盐纤维，相对湿度75%C-DNA

锂盐纤维，相对湿度66%Z-DNAGC交替的寡聚体自然界存在

※这些结构的多样性并未影响Watson和Crick提出的

DNA结构的主要性质：互补性双链、反向平行、需要

A＝T和G≡C碱基对。A-DNA的结构（1）结构特征：右手双螺旋、螺旋直径

2.6nm、螺距2.5nm，11个碱基对/周。（2）A-DNA存在及意义：存在于脱水条件下的DNA双螺旋、生理条件下的RNA双螺旋和DNA-RNA杂合双螺旋中。推测在转录时DNA分子发生B→A的构象转变。（1）Z-DNA特征：存在于d(CGCGCGCG)结晶体结构中。左手螺旋，螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm，12碱基对/周，核酸链骨架呈Z字型走行。螺旋表面只有小沟。（2）意义：与转录活性有关。Z-DNA转换成B-DNA将产生使双螺旋链解开的张力，因而暴露出蛋白质结合位点，此位点包括复制起始点以及调控转录的启动子和增强子顺序。Z-DNAZ-DNAB-DNAA-DNA三股螺旋DNA(triplehelixDNA,或triplexDNA)（1）概念：三股螺旋DNA是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。三股螺旋中的第三股可来自分子间或分子内。分子内折叠形成的三股螺旋称为铰链DNA（hinged-DNA，简称H-DNA）。组成三股螺旋的DNA单链，一般都由单一的嘌呤碱基（A和G）或单一的嘧啶碱基（C和T）所组成图H-DNA的结构图H-DNA的结构（2）结构：是在Watson-Crick双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三个碱基配对(Hoogsteenbasepairing)形成三碱基体:T-A-T，C-G-C。（3）作用：H-DNA存在于基因调控区和其他重要区域，因而具有重要生物学意义。

HoogsteenA-T碱基对Watson-CrickA-T碱基对Watson-CrickG-C碱基对HoogsteenG-C碱基对7.四股螺旋DNA（tetraplexDNA）

富含鸟嘌呤（G）的多核苷酸具有通过Hoogsteen型碱基配对而聚集的倾向。这一倾向允许富含G的端粒DNA3′突出端自身往回折叠，形成发卡结构，两个这样的发卡结构聚集成一个四链结构。每条链的G残基以G-四碱基体的形式形成氢键排列。（二）

DNA的超螺旋结构——三级结构

DNA的三级结构是指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象，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三级结构的一种形式。原核生物DNA的超螺旋结构

在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)，体积进一步压缩.

拓扑连环数L：一条以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数(α)

扭转数T：双螺旋的圈数(β)

超螺旋数W：扭曲数（缠绕数,τ）B-DNA模型螺旋数

L=T

＋W(α=β+τ)

或

W=L

－T(τ=α-β

)

W=0

松弛环

W为负值负超螺旋（右手扭曲）

W为正值

正超螺旋（左手扭曲）真核生物DNA的高