動(dòng)物生化第八章核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1、第八章 核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu),講授內(nèi)容,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu) 第二節(jié) RNA分子的結(jié)構(gòu),教學(xué)目標(biāo),了解主要的嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸的結(jié)構(gòu)。 掌握DNA和RNA在組成、結(jié)構(gòu)和功能上的差異。 掌握DNA雙螺旋模型的要點(diǎn)，以及模型在生物學(xué)上的意義,核酸的概述,核酸是生物體的基本組成物質(zhì)，是重要的生物大分子，從高等的動(dòng)、植物到簡(jiǎn)單的病毒都含有核酸,核酸的發(fā)現(xiàn),1868年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生F.Miescher從膿細(xì)胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為“核素” (nuclein，脫氧核糖核蛋白) 1889年，Altamann將其純化，把其中不含蛋白的酸性物質(zhì)成分稱為“核酸” (nucleic

2、 acid,核酸的種類、分布,脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 在真核細(xì)胞中DNA主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，DNA與組蛋白結(jié)合形成染色體 少量的DNA存在于核外的線粒體、葉綠體中 核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，微粒體含量最多，線粒體含少量 在細(xì)胞核中也含有少量的RNA，集中于核仁 病毒只含DNA或RNA，不可能即含DNA又含RNA，所以有的是DNA病毒，有的是RNA病毒,核酸的生物學(xué)功能,核酸最為重要的作用是遺傳的作用,在二十世紀(jì)的上半葉，人們建立了基因遺傳的染色體理論，認(rèn)為基因存在于染色體上。但沒有對(duì)基因的化學(xué)

3、本質(zhì)作出回答,細(xì)菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn),1928年英國(guó)Frederick Griffith的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn) Griffith認(rèn)為“死細(xì)菌可能提供了某些特異性的蛋白質(zhì)原料，使R型細(xì)菌能夠制造夾膜,1944年 ，Avery等用生物化學(xué)方法證明這種引起轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA 他們將S型細(xì)菌的DNA提取物與R型細(xì)菌混合在一起，在離體培養(yǎng)條件下，成功的使少數(shù)R型細(xì)菌定向轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌,1957年，Heinaz Fraenki-Conrat和B.Singre煙草花葉病毒試驗(yàn),基因必須表現(xiàn)三種基本的功能： 遺傳功能即基因的復(fù)制 表型功能即基因的表達(dá) 進(jìn)化功能即基因的變異 核酸的功能與上述要求相對(duì)應(yīng) 自我復(fù)制 轉(zhuǎn)錄、翻

4、譯 突變,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu),脫氧核糖核酸(DNA) 核酸 核糖核酸(RNA) 組蛋白 染色體 蛋白質(zhì) 非組蛋白 少量的類脂與無機(jī)物質(zhì),27,6,66,一、核酸的化學(xué)組成,若將核酸(DNA或RNA)逐步水解，則可生成多種中間產(chǎn)物,1、堿基,嘧啶堿,嘌呤堿,2、戊糖,3、核 苷,由一個(gè)戊糖和一個(gè)堿基縮合成 戊糖的第1位碳原子與嘧啶堿的第1位氮原子相連接 或嘌呤堿第9位氮原子相連接 RNA中的核苷稱核糖核苷(或稱核苷)，包括 腺苷、鳥苷、胞苷和尿苷 分別以A、G、C、U表示 DNA中的核苷稱脫氧核糖核苷，包括 脫氧腺苷、脫氧鳥苷、脫氧胞苷和脫氧胸苷 分別以dA、dG、dC、dT表示，“d

5、”表示脫氧,核苷結(jié)構(gòu),5、核苷酸,5-腺苷酸（-AMP,兩種核酸核苷酸的主要區(qū)別,糖環(huán)上連接磷酸的位置,天然核酸中只發(fā)現(xiàn)5連接磷酸的核苷酸,核苷酸的磷酸化,核苷酸分子都只含有一個(gè)磷酸基，故統(tǒng)稱為核苷一磷酸(NMP) 但5核苷酸的磷酸基都可進(jìn)一步磷酸化形成相應(yīng)的核苷二磷酸(NDP)和核苷三磷酸(NTP,二、DNA的分子結(jié)構(gòu),1、DNA分子的大小、形狀,天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長(zhǎng)，分子質(zhì)量很大，一般在106-1010D。 大腸桿菌 染色體由400萬堿基對(duì)(base pair，bp)組成的雙螺旋DNA單分子 分子質(zhì)量為2.6106 DNA分子的形狀 DNA有的呈雙股(double str

6、and DNA，dsDNA)線型分子，有些為環(huán)狀，也有少數(shù)呈單股(single strand，ssDNA)環(huán)狀,2、DNA的堿基組成,DNA分子中的堿基 主要是由腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四種堿基組成 少量的稀有堿基，如5甲基胞嘧啶（m5C）等 DNA的堿基組成符合堿基摩爾比例規(guī)律（堿基當(dāng)量定律） 腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即AT 鳥嘌呤與胞嘧啶(包括5甲基胞嘧啶)的摩爾數(shù)相等，即G C + m5C 因此嘌呤堿基的總摩爾數(shù)等于嘧啶堿基的總數(shù)，即A + G T + C + m5C,DNA的堿基組成的特點(diǎn),具有種的特異性 沒有器官和組織的特異性 DNA的堿基組成符

7、合堿基摩爾比例規(guī)律 年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基組成,3、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu),概念 核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指在其多核苷酸鏈中各個(gè)核苷酸之間的連接方式、核苷酸的種類數(shù)量以及核苷酸的排列順序 意義 DNA的遺傳信息是由堿基的精確排列順序決定的，生物的遺傳信息就儲(chǔ)存于DNA的核苷酸序列中 70年代后期，Sanger和Gilbert等分別建立了DNA中核苷酸順序快速測(cè)定法，推動(dòng)了核酸研究的進(jìn)展,DNA分子的連接方式,DNA分子是由幾千到幾干萬個(gè)脫氧核糖核苷酸線型聯(lián)貫而成的，沒有分枝 聯(lián)接的方式是在核苷酸之間形成3，5磷酸二酯鍵 形成的核苷酸鏈都具一個(gè)5端和一個(gè)3端,4、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),195

8、3年，瓦特森(Watson, J. D.)和克里克(Crick, F.)根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律以及對(duì)DNA分子的X射線衍射研究的成果，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 它是上世紀(jì)最重大的自然科學(xué)成果之一,DNA分子特征,由兩條平行的多核苷酸鏈，以相反的方向，圍繞著同一個(gè)中心軸，以右手旋轉(zhuǎn)方式構(gòu)成一個(gè)雙螺旋形狀 疏水的嘌呤和嘧啶堿基平面層迭于螺旋的內(nèi)側(cè)，親水的磷酸基和脫氧核糖以磷酸二酯鍵相連形成的骨架位于外側(cè) 內(nèi)側(cè)堿基呈平面狀，堿基平面與中心軸相垂直。每個(gè)平面上有兩個(gè)堿基(每條各一個(gè))形成堿基對(duì)。相鄰堿基平面在螺旋軸之間的距離為3.4nm。旋轉(zhuǎn)夾角為36。因此每10對(duì)核苷酸繞中心軸旋轉(zhuǎn)一圈，故螺

9、旋的螺距為34nm,DNA分子特征,雙螺旋的直徑為2nm，沿螺旋的中心軸形成大溝和小溝交替出現(xiàn) 兩條鏈被堿基對(duì)之間形成的氫鍵而穩(wěn)定的維系在一起。在DNA中堿基總是由腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)(用AT表示)，由鳥嘌呤與胞嘧啶配對(duì)(用GC)表示,特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型稱為BDNA BDNA是DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型 當(dāng)DNA在高鹽濃度下時(shí)，則以ADNA形式存在 ADNA是DNA的脫水構(gòu)型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11個(gè)核苷酸對(duì)。ADNA比較短和密。 現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些DNA序列可以左手螺旋的形式存在，稱為ZDNA,DNA構(gòu)型之變異,5、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu),DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)指雙螺旋進(jìn)一步扭曲,真核生

10、物的染色質(zhì)DNA，以染色質(zhì)形式存在于細(xì)胞核中,三、DNA的一些性質(zhì),DNA微溶于水，呈酸性，加堿促進(jìn)溶解，但不溶于有機(jī)溶劑。 由于DNA分子很長(zhǎng)，形成溶液后呈現(xiàn)粘稠狀，DNA愈長(zhǎng)粘稠度愈大。在加入乙醇后可用玻璃棒將粘稠的DNA攪?yán)p起來。 DNA的溶液是呈粘稠狀，但DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)際上顯得僵直具有剛性，經(jīng)不起剪切力的作用，易斷裂成碎片。這也是目前難以獲得完整大分子DNA的原因。 溶液狀態(tài)的DNA易受DNA酶作用而降解。抽干水分的DNA性質(zhì)卻十分穩(wěn)定,核酸的變性是指氫鍵的斷裂，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)分開，成為兩條單鏈的DNA分子，即改變了DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，但并不破壞一級(jí)結(jié)構(gòu)。 如加熱、加酸、加堿、

11、改變?nèi)芤旱膒H，加乙醇、丙酮或尿素等有機(jī)溶劑或試劑，都可引起變性。 變性后的DNA，其生物活性喪失(如細(xì)菌DNA的轉(zhuǎn)化活性明顯下降)，同時(shí)發(fā)生一系列理化性質(zhì)的改變。 粘度下降； 沉降系數(shù)增加； 比旋下降； 紫外光吸收值升高（增色效應(yīng),5、變性,解鏈溫度Tm,通常將50的DNA分子發(fā)生變性時(shí)的溫度稱為解鏈溫度，一般用“Tm”符號(hào)表示。DNA的Tm值一般在70一85之間,6、光吸收,核酸中的嘌呤、嘧啶都具有共軛的雙鍵，在260nm處對(duì)紫外光有一個(gè)最大吸收峰 DNA變性后，在260nm處的紫外光吸收值升高，稱為增色效應(yīng) 由于雙螺旋分子堿基相互堆積，加以氫鍵的吸引而處于雙螺旋的內(nèi)部，使光的吸收受到壓抑

12、，其值低于等摩爾的堿基在溶液中的光吸收 變性后，氫鍵斷開，堿基堆積破壞、堿基暴露，于是紫外光的吸收就明顯升高，約可增加30一40或更高一些,7、復(fù)性,DNA的變性是可逆過程，在適當(dāng)?shù)臈l件下，變性DNA分開的兩條鏈又重新締合而恢復(fù)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程稱為復(fù)性。 如當(dāng)溫度高于Tm約5時(shí)，DNA的兩條鏈由于布朗運(yùn)動(dòng)而完全分開。如果將此熱溶液迅速冷卻，則兩條鏈繼續(xù)保持分開，稱為淬火； 若將此溶液緩慢冷卻（稱退火）到適當(dāng)?shù)牡蜏?，則兩條鏈可發(fā)生特異性的重新組合而恢復(fù)到原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 DNA的復(fù)性一般只適用于均一的病毒和細(xì)菌的DNA，至于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的非均一DNA，很難恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài),8、核酸

13、的分子雜交,不同來源的多核苷酸鏈間，經(jīng)變性分離、退火處理后，若有互補(bǔ)的堿基順序，就能發(fā)生雜交形成DNADNA雜合體，或DNARNA雜合體，這一過程稱為核酸的分子雜交。 如果雜交的一條鏈?zhǔn)侨斯ぬ囟ǎㄒ阎塑账犴樞颍┑腄NA或RNA的序列，并經(jīng)放射性同位素或其它方法標(biāo)記，稱為探針(probe)。 利用雜交方法，使“探針”與特定未知的序列發(fā)生“退火”形成雜合體，即可達(dá)到尋找和鑒定特定序列的目的,第二節(jié) RNA的分子結(jié)構(gòu),一、RNA的類型,RNA在各種生物的細(xì)胞中，依不同的功能和性質(zhì)，都含有三類主要的RNA： mRNA rRNA tRNA 它們都參與蛋白質(zhì)的生物合成。近年來也有許多報(bào)道認(rèn)為RNA具有催

14、化活性,1. mRNA,占細(xì)胞中RNA總量的35，分子質(zhì)量極不均一，一般在0.52 106，一分子的mRNA可被翻譯成1種或1組蛋白質(zhì)，其大小相差很多。 是合成蛋白質(zhì)的模板。傳遞DNA的遺傳信息，決定著每一種蛋白質(zhì)肽鏈中氨基酸的排列順序，所以細(xì)胞內(nèi)mRNA的種類很多。 mRNA是三類RNA中最不穩(wěn)定的，它代謝活躍、更新迅速。原核生物（如大腸桿菌）mRNA的半衰期只有幾分鐘，真核細(xì)胞中的則壽命較長(zhǎng)，可達(dá)幾小時(shí)以上,2、rRNA,是細(xì)胞中含量最多的一類RNA，占細(xì)胞中RNA總量的80左右，是構(gòu)成核糖體的骨架。 核糖體（ribosome）或稱核蛋白體，是一種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，直徑為1020nm的微小顆粒。

15、rRNA約占核糖體的60，其余40為蛋白質(zhì)。 大腸桿菌核糖體中有三類rRNA，5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。 動(dòng)物細(xì)胞核糖體RNA有四類：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA,3、tRNA,tRNA 約占RNA總量的15，通常以游離的狀態(tài)存在于細(xì)胞質(zhì)中。 它的功能主要是攜帶活化了的氨基酸，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到與核糖體結(jié)合的mRNA上用以合成蛋白質(zhì)。 細(xì)胞內(nèi)tRNA種類很多，每一種氨基酸都有特異轉(zhuǎn)運(yùn)它的一種或幾種tRNA,二、RNA的堿基組成,RNA中的堿基包括腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶 不同來源的RNA，堿基組成變化較大 還有幾十種稀有堿基，其中以各種甲基

16、化的堿基和假尿嘧啶（）尤為豐富,三、 一級(jí)結(jié)構(gòu),RNA分子是由幾十到幾干個(gè)核糖核苷酸線型聯(lián)貫而成的，沒有分枝 聯(lián)接的方式是在核苷酸之間形成3，5磷酸二酯鍵 形成的核苷酸鏈都具一個(gè)5端和一個(gè)3端,四、二級(jí)結(jié)構(gòu),絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可以折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫鍵(圖310) 但有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA,tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu),tRNA皆由70-90個(gè)核苷酸組成，有較多的稀有堿基核苷酸。在三類RNA中它的分子質(zhì)量最小。 3，-末端為-C-C-AOH,用來接受活化的氨基酸。 根據(jù)堿基排列模式，呈三葉草式（clover leaf）。

17、雙鏈互補(bǔ)區(qū)構(gòu)成三葉草的葉柄，突環(huán)好象三片小葉。大致分為五部分 氨基酸臂 二氫尿嘧啶環(huán) 反密碼子環(huán) 額外環(huán) TC環(huán),名詞術(shù)語,核苷（nucleoside）:是由嘌呤或嘧啶堿基通過共價(jià)鍵與戊糖連接組成的化合物。核糖與堿基一般都是由糖的異頭碳與嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之間形成的-N-糖苷鍵連接的。 核苷酸（nucleotide）：核苷的戊糖成分中的羥基磷酸化形成的化合物,磷酸二酯鍵（phosphodiester linkage）：一種化學(xué)基團(tuán)，指一分子磷酸與兩個(gè)醇（羥基）酯化形成的兩個(gè)酯鍵。該酯鍵成了兩個(gè)醇之間的橋梁。例如一個(gè)核苷的3羥基與另一個(gè)核苷的5羥基與同一分子磷酸酯化，就形成了一個(gè)磷酸二酯

18、鍵。 脫氧核糖核酸（DNA , deoxyribonucleic acid）:含有特殊脫氧核糖核苷酸序列的聚脫氧核苷酸，脫氧核苷酸之間是通過3,5-磷酸二酯鍵連接的。DNA是遺傳信息的載體。 核糖核酸（RNA , ribonucleic acid）:通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的特殊核糖核苷酸序列的聚核糖核苷酸,核糖體核糖核酸（rRNA, ribosomal robonucleic acid）：作為核糖體組成成分的一類RNA，rRNA是細(xì)胞內(nèi)最豐富的RNA。 信使核糖核酸（mRNA, messenger ribonucleic acid）：一類用作蛋白質(zhì)合成模板的RNA。 轉(zhuǎn)移核糖核酸（tR

19、NA, transfer ribonucleic acid,堿基對(duì)（base pair）：通過堿基之間氫鍵配對(duì)的核酸鏈中的兩個(gè)核苷酸，例如A與T或U，以及G與C配對(duì)。 查格夫法則（Chargaffs rules）：所有DNA中腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾含量相等，（AT），鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾含量相等（GC），即嘌呤的總含量與嘧啶的總含量相等（AGTC）。DNA的堿基組成具有種的特異性，但沒有組織和器官的特異性。另外生長(zhǎng)發(fā)育階段、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境的改變都不影響DNA的堿基組成,DNA雙螺旋(DNA double helix)：一種核酸的構(gòu)象，在該構(gòu)象中，兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞彼此纏繞形成一個(gè)右手

20、的雙螺旋結(jié)構(gòu)。堿基位于雙螺旋內(nèi)側(cè),磷酸與糖基在外側(cè)，通過磷酸二酯鍵相連,形成核酸的骨架。堿基平面與假想的中心軸垂直,糖環(huán)平面則與軸平行。兩條鏈皆為右手螺旋。雙螺旋的直徑為2nm，堿基堆積距離為0.34nm，兩核苷酸之間的夾角是36，每對(duì)螺旋由10對(duì)堿基組成，堿基按A-T, G-C配對(duì)互補(bǔ)，彼此以氫鍵相連系。維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力主要是堿基堆積力。雙螺旋表面有兩條寬窄、深淺不一的一個(gè)大溝和一個(gè)小溝。 大溝(major groove)和小溝(minor groove)：繞B-DNA雙螺旋表面上出現(xiàn)的螺旋槽（溝），寬的溝稱之大溝，窄溝稱之小溝。大溝、小溝都是由于堿基對(duì)堆積和糖-磷酸骨架扭轉(zhuǎn)造成的,DNA超螺旋（DNA supercoiling）:DNA本身的卷曲，一般是DNA雙螺旋的彎曲、欠旋（負(fù)超螺旋）或過旋（正超螺旋）的結(jié)果。 染色質(zhì)