生物化學：第三章 核酸的化學

1、 核核 酸酸（nucleic acid） 是以是以核苷酸核苷酸為基本組成單位的生為基本組成單位的生 物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。 l 核酸的分類及分布核酸的分類及分布 90%90%以上分布于細胞核，其余分布于以上分布于細胞核，其余分布于 核外核外如線粒體，葉綠體，質粒等。如線粒體，葉綠體，質粒等。 分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。 （DNA） （RNA） 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 攜帶遺傳信息，決定細胞和個攜帶遺傳信息，決定細胞和個 體的基因型。體的基因型。 參與細胞內參與細胞內DNADNA遺傳信息的表達。遺傳信息的表達。 某些病毒某些病毒

2、RNARNA也可作為遺傳信息也可作為遺傳信息 的載體。的載體。 核酸的分子組成及基本結構核酸的分子組成及基本結構 一、核酸的化學組成一、核酸的化學組成 1. 元素組成元素組成 C、H、O、N、P（910%） 2. 2. 分子組成分子組成 堿基：嘌呤堿，嘧啶堿堿基：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖：核糖，脫氧核糖戊糖：核糖，脫氧核糖 磷酸：磷酸： 嘌呤（嘌呤（purine） N N NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N NH N NH2 腺嘌呤（腺嘌呤（A） N NH NH N NH2 O 鳥嘌呤（鳥嘌呤（G） l 堿堿 基基 N NH 1 3 2 4 5 6 嘧嘧 啶啶 （ pyr imi

3、 din e） 胞嘧啶（胞嘧啶（C） N NH NH2 O 尿嘧啶尿嘧啶（U） NH NH O O 胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T） NH NH O O CH3 l戊戊 糖糖 （構成（構成RNA） 1 2 3 4 5 OH O CH2OH OHOH 核糖（核糖（riboseribose） （構成（構成DNA） OH O CH2OH OH 脫氧核糖（脫氧核糖（deoxyribose） 核苷：核苷：AR, GR, UR, CR 脫氧核苷：脫氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR 二、核苷酸的結構二、核苷酸的結構 1. 1. 核苷的形成核苷的形成 堿基和戊糖通過堿基和戊糖通過糖糖 苷鍵苷鍵連接形成核苷

4、（脫連接形成核苷（脫 氧核苷），且都是氧核苷），且都是糖糖 苷鍵。苷鍵。 OH O CH2 OHOH N N NH2 O 1 1 “稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有堿基稀有堿基”所生成的核苷。所生成的核苷。 假尿苷（假尿苷（） 1,C5-糖苷鍵糖苷鍵 1 C5 P O O OH OH O CH2 OHOH N N NH2 O OH O CH2 OHOH N N NH2 O 核苷酸：核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脫氧核苷酸：脫氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 2. 核苷酸的結構與命名核苷酸的結構與命名 核苷核苷（脫氧核苷）和磷酸以脫氧核苷）和磷酸以

5、磷磷 酸酯鍵酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷連接形成核苷酸（脫氧核苷 酸）。酸）。 體內重要的游離核苷酸及其衍生物體內重要的游離核苷酸及其衍生物 l含核苷酸的生物活性物質：含核苷酸的生物活性物質： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMP l 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP l 環(huán)化核苷酸環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP N O CH2O OHOH N N N NH2 P O OH OHN O CH2O OHOH N N N NH2 P O OH OP O OH OH N O CH2O OHOH N N N NH2 P O OH OP O OH O

6、P O OH OH N O CH2O OHO N N N NH2 PO OHNADP+ NAD+ 環(huán)化核苷酸環(huán)化核苷酸 5 端端 3 端端 3. 3. 核苷酸的連接核苷酸的連接 核苷酸之間以核苷酸之間以 磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接形連接形 成多核苷酸鏈，即成多核苷酸鏈，即 核酸。核酸。 C G A 三、核酸的分子結構三、核酸的分子結構 （一）（一）DNA的分子結構的分子結構 1、DNA的一級結構：的一級結構： 指構成指構成DNADNA的各個單核的各個單核 苷酸之間連接鍵的性質及苷酸之間連接鍵的性質及 排列順序（即排列順序（即堿基排列順堿基排列順 序）。序）。 A G P5 P T P G P C

7、 P T P OH 3 書書 寫寫 方方 法法 5 -pApGpTpGpCpT-OH- 3 5 -A G T G C T - 3 2、 DNA的二級結構的二級結構 雙螺旋結構雙螺旋結構 Erwin Chargaff （19051995） A=T, C=G； AGCT（嘌呤與（嘌呤與 嘧啶總數(shù)相等；嘧啶總數(shù)相等； 有種屬特異性；有種屬特異性； 無組織、器官特異性；無組織、器官特異性； 不受年齡、營養(yǎng)、性別及其不受年齡、營養(yǎng)、性別及其 他環(huán)境影響。他環(huán)境影響。 l研究背景研究背景-Chargaff s rule： l 模型要點模型要點（Watson, Crick, 1953） 由兩條由兩條相互平行

8、但走向相互平行但走向 相反相反的的DNA鏈組成，兩鏈組成，兩 鏈以鏈以-脫氧核糖脫氧核糖-磷酸磷酸-為為 骨架，以骨架，以右手螺旋右手螺旋方式方式 繞同一公共軸盤。螺旋繞同一公共軸盤。螺旋 直徑為直徑為2nm，形成大溝，形成大溝 及小溝相間。及小溝相間。 堿基垂直螺旋軸居雙螺堿基垂直螺旋軸居雙螺 旋內側，以旋內側，以氫鍵互補配氫鍵互補配 對對（互補配對形式：（互補配對形式：A=T; G C）；）； 相 鄰 堿 基 平 面 距 離相 鄰 堿 基 平 面 距 離 0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距 3.4nm，一圈，一圈10對堿基。對堿基。 穩(wěn)定因素：穩(wěn)定因素： 堿基堆積力堿基堆積力-維持雙鏈

9、維持雙鏈縱縱 向穩(wěn)定性；向穩(wěn)定性； 氫鍵氫鍵-維持雙鏈維持雙鏈橫向穩(wěn)定橫向穩(wěn)定 性；性； 離子鍵離子鍵-磷酸基團上的負磷酸基團上的負 電荷和介質中的陽離子形電荷和介質中的陽離子形 成的成的。 l 雙螺旋結構的意義雙螺旋結構的意義 該模型揭示了該模型揭示了DNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性特作為遺傳物質的穩(wěn)定性特 征，最有價值的是確認了征，最有價值的是確認了堿基配對堿基配對原則，這是原則，這是 DNA復制、轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳復制、轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳 信息傳遞和表達的分子基礎。信息傳遞和表達的分子基礎。 該模型的提出是上個世紀生命科學的重大突破該模型的提出是上個世紀生命科學的重

10、大突破 之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個 生命科學飛速發(fā)展的基石。生命科學飛速發(fā)展的基石。 l DNA雙螺旋結構種類雙螺旋結構種類 （1 1）右手螺旋結構：）右手螺旋結構： 由于由于DNA纖維的含水量不同，可分為三種：纖維的含水量不同，可分為三種：B-DNA、 A-DNA、C-DNA。 lB-DNA：Waston and Crick提出的提出的DNA雙螺旋結構為雙螺旋結構為B- DNA，另外溶液和細胞中天然狀態(tài)的，另外溶液和細胞中天然狀態(tài)的DNA可能是可能是B-DNA。 lA-DNA：堿基與中心軸不相垂直，而呈堿基與中心軸不相垂直，而呈20傾

11、角。傾角。 lC-DNA：可能存在于染色體與某些病毒的可能存在于染色體與某些病毒的DNA中。中。 不同不同DNA纖維的空間結構纖維的空間結構 類型類型結晶狀態(tài)結晶狀態(tài) ANa鹽，相對濕度鹽，相對濕度75%時結晶時結晶 BNa鹽，相對濕度鹽，相對濕度92%時結晶時結晶 C鋰鹽，相對濕度鋰鹽，相對濕度66%時結晶時結晶 （2 2）左手螺旋結構）左手螺旋結構 1 9 7 9 年 ， 美 國 麻 省 理 工 學 院年 ， 美 國 麻 省 理 工 學 院 R i c h 從從 d （GpCpGpCpGpCp）一段脫氧核苷酸鏈）一段脫氧核苷酸鏈X衍射中發(fā)現(xiàn)，衍射中發(fā)現(xiàn)， 糖與磷酸的走向是曲折的，又把左手螺

12、旋稱為糖與磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋稱為Z-DNA 螺旋。螺旋。 D N A 雙雙 螺螺 旋旋 結結 構構 的的 多多 樣樣 性性 3、DNA的三級結構的三級結構 指在二級結構的基礎上，雙螺旋進一步扭曲指在二級結構的基礎上，雙螺旋進一步扭曲 或再次螺旋所形成的結構?；蛟俅温菪纬傻慕Y構。 l原核生物：原核生物：大部分原核生物的大部分原核生物的DNADNA是共價封閉的環(huán)狀雙是共價封閉的環(huán)狀雙 螺旋，這種雙螺旋還可以再次螺旋化形成超螺旋。螺旋，這種雙螺旋還可以再次螺旋化形成超螺旋。 l真核生物：真核生物：DNADNA和蛋白質組裝成染色體，染色體的基本和蛋白質組裝成染色體，染色體的基本 單位

13、是單位是核小體。核小體。 l DNA的超螺旋結構的超螺旋結構 DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。 正超螺旋（正超螺旋（positive supercoil） 盤繞方向與盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。雙螺旋方同相同。 負超螺旋（負超螺旋（negative supercoil） 盤繞方向與盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。雙螺旋方向相反。 超螺旋結構超螺旋結構 意義意義 DNA超螺旋結構體或局部的拓撲學變化超螺旋結構體或局部的拓撲學變化 及其調控對于及其調控對于DNA復制和復制和RNA轉錄過程具有轉錄過程具有 關鍵作用。關鍵作用。 l DNA在真核生物細胞核內的

14、組裝在真核生物細胞核內的組裝 真核生物染色體由真核生物染色體由DNADNA和蛋白質構成，其基本單和蛋白質構成，其基本單 位是位是 核小體核小體(nucleosome)(nucleosome)。 核小體的組成核小體的組成 DNA：約約200bp 組蛋白：組蛋白： H1 H2A，H2B H3 H4 核小體的結構核小體的結構 染色體 染色質纖維纖維 核小體 組蛋白 DNA l DNA的功能的功能 DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷載遺傳信息，并的形式荷載遺傳信息，并 作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎， 也是個體生命活動

15、的信息基礎。也是個體生命活動的信息基礎。 基因從結構上定義，基因從結構上定義，是指是指DNA分子中的特定區(qū)段，分子中的特定區(qū)段， 其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 （二）RNA的種類和分子結構種類和分子結構 RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的 雙螺旋結構。雙螺旋結構。 RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功分子的種類較多，分子大小變化較大，功 能多樣化。能多樣化。 主要的主要的RNA種類有種類有rRNA、mRNA、tRNA、 HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。等。 RNA的種類、分布與

16、功能的種類、分布與功能 核蛋白體核蛋白體RNA 信使信使RNA 轉運轉運RNA 核內不均一核內不均一RNA 核內小核內小RNA 胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分 蛋白質合成模板蛋白質合成模板 轉運氨基酸轉運氨基酸 成熟成熟mRNA的前體的前體 參與參與hnRNA的剪接、轉運的剪接、轉運 rRNA的加工、修飾的加工、修飾 蛋白質內質網(wǎng)定位合成蛋白質內質網(wǎng)定位合成 的信號識別體的組分的信號識別體的組

17、分 核仁小核仁小RNA 核蛋白體核蛋白體RNA 信使信使RNA 轉運轉運RNA 核內不均一核內不均一RNA 核內小核內小RNA 胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分 蛋白質合成模板蛋白質合成模板 轉運氨基酸轉運氨基酸 成熟成熟mRNA的前體的前體 參與參與hnRNA的剪接、轉運的剪接、轉運 rRNA的加工、修飾的加工、修飾 蛋白質內質網(wǎng)定位合成蛋白質內質網(wǎng)定位合成 的信號識別體的組分的信號識別體的組

18、分 核仁小核仁小RNA 1、mRNA （信使（信使RNA） 約占總約占總RNA的的3%-5%； mRNA代謝不穩(wěn)定，種類多、分子量差異很大；代謝不穩(wěn)定，種類多、分子量差異很大； 其功能是蛋白質合成的模板。其功能是蛋白質合成的模板。 真核細胞真核細胞mRNA的特點：的特點： l 3末端有多聚腺嘌呤的結構（末端有多聚腺嘌呤的結構（polyA）；）； l 5末端具有帽子結構（末端具有帽子結構（m7GpppN）；）； l 一種一種mRNA只含有一條多肽鏈的信息（單順只含有一條多肽鏈的信息（單順 反子）。反子）。 hnRNA 內含子內含子 （intron） mRNA * mRNA成熟過程成熟過程 外顯外

19、顯 子子 （exon） 真核生物真核生物mRNA 5 -端帽子結構端帽子結構 55 m7GTP 2、tRNA （轉移（轉移RNA） 約占總約占總RNA的的15%； 在蛋白質合成中起攜帶氨基酸的作用；在蛋白質合成中起攜帶氨基酸的作用； 每一個每一個AA都有與其相對應的一種或幾種都有與其相對應的一種或幾種tRNA； tRNA分子大小相似，一般為分子大小相似，一般為73-93個核苷酸。個核苷酸。 * tRNA的一級結構特點的一級結構特點 含含 1020% 稀有堿基，如稀有堿基，如 DHU 3 末端為末端為 CCA-OH 5 末端大多數(shù)為末端大多數(shù)為G 具有具有 T C l tRNA的結構的結構 tR

20、NA的二級結構的二級結構 -三葉草型結構三葉草型結構 氨基酸臂氨基酸臂 DHU環(huán)環(huán) 反密碼環(huán)反密碼環(huán) 額外環(huán)額外環(huán) TC環(huán)環(huán) * tRNA的三級結構的三級結構 倒倒L形形 * tRNA的功能的功能 活化、搬運氨基活化、搬運氨基 酸到核糖體，參與蛋酸到核糖體，參與蛋 白質的翻譯。白質的翻譯。 3、rRNA（核蛋白體（核蛋白體RNA） 約占全部約占全部RNA的的80%; 是核蛋白體的主要組成部分是核蛋白體的主要組成部分; 核蛋白體是蛋白質合成的場所。核蛋白體是蛋白質合成的場所。 * rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類（根據(jù)沉降系數(shù)） 真核生物真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S

21、rRNA 18S rRNA 原核生物原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA * rRNA的結構的結構 * rRNA的功能的功能 參與組成核蛋白參與組成核蛋白 體，作為蛋白質生物體，作為蛋白質生物 合成的場所。合成的場所。 原核生物原核生物16S rRNA的二級結構的二級結構 核蛋白體的組成核蛋白體的組成 原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）真核生物（以小鼠肝為例） 小亞基小亞基 30S40S rRNA16S1542個核苷酸個核苷酸18S1874個核苷酸個核苷酸 蛋白質蛋白質21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量

22、的50% 大亞基大亞基 50S60S rRNA23S 5S 2940個核苷酸個核苷酸 120個核苷酸個核苷酸 28S 5.85S 5S 4718個核苷酸個核苷酸 160個核苷酸個核苷酸 120個核苷酸個核苷酸 蛋白質蛋白質31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35% 核酸的理化性質核酸的理化性質 一、核酸的紫外吸收一、核酸的紫外吸收 堿基含有共軛雙鍵；堿基含有共軛雙鍵； 最大吸收峰最大吸收峰260nm左右左右。 各種核酸的紫外吸收各種核酸的紫外吸收 二、二、DNA的變性的變性 定義定義：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開雙鏈解開 成兩條單鏈的過程

23、。成兩條單鏈的過程。 方法：方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、 酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。 變性后其它理化性質變化：變性后其它理化性質變化： OD260增高增高粘度下降粘度下降 比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高 酸堿滴定曲線改變酸堿滴定曲線改變生物活性喪失生物活性喪失 氫鍵和堿基堆積力的破壞，氫鍵和堿基堆積力的破壞， 核酸分子高級結構改變、理化性質及生物活性核酸分子高級結構改變、理化性質及生物活性 發(fā)生改變，發(fā)生改變， 磷酸二酯鍵不斷裂，故一級結構不變。磷酸二酯鍵不斷裂，故一級結構不變。 實質實質

24、 DNA變性示意圖變性示意圖: DNA的紫外吸收光譜的紫外吸收光譜 增色效應：增色效應：DNA變性時其溶液變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。增高的現(xiàn)象。 熱變性熱變性 解鏈曲線：解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對的過程中以溫度對 A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。 Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內完成，在這變性是在一個相當窄的溫度范圍內完成，在這 一范圍內，紫外光吸收值達到最大值的一范圍內，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度時的溫度 稱為稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度（的解鏈溫度，又稱融解溫度（Tm)。其大小。其大小 與與G+C含量成正比。含量成正比。 三、三、DNA的復性與分子雜交的復性與分子雜交 lDNA復性：復性： 在適當條件下，變性在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天的兩條互補鏈可恢復天 然的雙螺旋構象，這一現(xiàn)象稱為然的雙螺旋構象，這一現(xiàn)象稱為復性復性。 減色效應減色效應 DNA復性時，其溶液復性時，其溶液OD260降低。降低。 熱變性的熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱經(jīng)緩慢冷卻后即