生物化學 3 核酸化學

[教學重點]

本章重點介紹核苷酸的化學結構與性質，進一步了解核酸的一級結構和二級結構，重點掌握DNA雙螺旋結構和tRNA的三葉草結構。分析比較核酸分子的組成和結構上的特點，進而聯(lián)系它們的性質和功能。[教學目標]

1．掌握核酸的化學本質及DNA和RNA的結構和功能；2．熟悉嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸在分子結構上的關系，認識核酸在生物科學上的重要性及其實踐意義；3．了解核酸結構與其性質、功能的相互關系。[教學難點]

核酸分子和各核苷酸分子內的連接方式，DNA和RNA結構及與功能的關系。前言3.1核酸的組成成分3.3

DNA的二級結構3.2核酸的一級結構3.7核酸的性質3.6RNA的結構與功能思考與練習[教學綱要]

3.4DNA的高級結構3.5DNA與基因組3.8核酸的序列測定前言1869年，Miescher從細胞核中分離出“核素”1930~40年，Kossel和Levene等確定核酸的組分后，明確核酸的類別：核酸脫氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）核酸1944年，Avery的“肺炎雙球菌轉化”實驗：DNA無莢膜，不致病溫育有莢膜，致病傳代傳代有莢膜，致病有莢膜，致病有莢膜，致病DNA是有機體的遺傳物質前言除少數(shù)病毒（RNA病毒）以RNA作為遺傳物質外，多數(shù)有機體的遺傳物質是DNA。不同有機體遺傳物質（信息分子）的結構差別，使得其所含蛋白質（表現(xiàn)分子）的種類和數(shù)量有所差別，有機體表現(xiàn)出不同的形態(tài)結構和代謝類型。RNA的主要作用是從DNA轉錄遺傳信息，并指導蛋白質的合成。1953年，Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構模型。DNA是大分子，其中蘊藏有大量的遺傳信息前言

98％核中（染色體）真核線粒體核外質粒葉綠體

DNA

擬核原核核外：質粒病毒：DNA病毒

前言

mRNA(5%)

真核tRNA(10-15%)rRNA（80%）

hnRNA和snRNA

RNAmRNA

原核tRNArRNA

病毒：RNA病毒前言什么是核酸？核酸是主要存在于細胞核中含磷豐富呈酸性的

物質，是核蛋白的成分之一，是由核苷酸聚合而成的高聚物，是具有遺傳功能

的生物大分子。依其所含的

組成成分

的不同分為DNA和

RNA

兩大類，RNA主要包括mRNA、rRNA和tRNA三小類。

核酸有何重要生物學功能？

核酸是具有遺傳功能的生物大分子，有遺傳大分子或信息大分子

之稱，其中

DNA是遺傳信息的載體，是生物體主要的遺傳物質；

RNA參與蛋白質的生物合成、RNA轉錄后的加工修飾、基因表達的調節(jié)及催化等。前言元素組成：

CHONP(9%-9.9%)

核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸酶核苷酸酶核苷酶核酸的組成成分遺傳大分子核酸的組成單位RNA:P-9.5%,DNA:P-9.84%3.1核酸的組成成分組成核酸的戊糖有兩種：RNA——β-D-核糖DNA—β-D-2-脫氧核糖5’4’3’2’1’1’2’3’4’5’3.1核酸的組成成分3.1.1戊糖嘌呤123456978嘧啶環(huán)咪唑環(huán)腺嘌呤（Adenine）（6-氨基嘌呤）鳥嘌呤（Guanine）（2-氨基-6-氧嘌呤）（DNA，RNA）3.1核酸的組成成分3.1.2含氮堿123456嘧啶尿嘧啶UracilCH3胞嘧啶Cyt胸腺嘧啶ThyRNADNA3.1核酸的組成成分3.1.2含氮堿組成成分的異同？3.1核酸的組成成分3.1.2含氮堿NNOOHHH烯醇式酮式ONHNOHHHH烯醇式與酮式互變稀有堿基：核苷的定義：戊糖+堿基核苷的連接：C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)C1’-N11’2’3’4’5’(OH)C1’-N93.1核酸的組成成分3.1.3核苷假尿苷（ψ）（C5’—C1）次黃苷（肌苷）I黃嘌呤核苷X二氫尿嘧啶核苷D（hu)取代核苷的表示方式：7-甲基鳥苷m7G5OHAdenosine--A

Guanosine--GCytidine–CUridine--U核苷包括核糖核苷脫氧核糖核苷核苷的種類

脫氧核糖核苷有

種？是哪

種？與核糖核苷有何區(qū)別？脫氧核糖核苷與核糖核苷的區(qū)別：1、戊糖有區(qū)別：核糖

脫氧核糖；2、堿基有區(qū)別：U

T

脫氧核糖核苷種類：同樣是

4

種：

dA、dG、dC、dT（T）CH3

核苷酸核苷--磷酸

(堿基－戊糖－磷酸)HHHHHHHHH酯鍵糖苷鍵核糖核苷酸（AMP)脫氧核糖核苷酸（dAMP）定義？連接方式？種類？3.1核酸的組成成分3.1.4核苷酸繼續(xù)磷酸化AMPADPATP核酸組成單位游離核苷酸（含兩個“～”）～3.1核酸的組成成分3.1.4核苷酸核苷酸衍生物～～

cAMP

cGMP環(huán)化核苷酸3.1核酸的組成成分3.1.4核苷酸核苷酸衍生物

核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產物。3.1核酸的組成成分核苷酸衍生物3.1.4核苷酸5’5’3’3’H2O3’，5’-磷酸二酯鍵兩個單核苷酸一個二核苷酸（某堿基某堿基二核苷酸）3.2核酸的一級結構5’-末端（P）

多核苷酸鏈

多脫氧核苷酸鏈

3’-末端（OH）3.2核酸的一級結構5′-磷酸端（常用P表示）----3′-羥基端（常用OH表示）----多聚核苷酸的表示方式DNA

RNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′5′ACGT3′5′ACGU3′

ACGTACGU3.2核酸的一級結構T5’3’OH

U5’3’

1’3’OH

OH

T5’3’OH

U5’3’

1’3’OH

DNA

RNAT5’3’OH

U5’3’

1’3’OH

2.0nm小溝大溝1953年，Watson和Crick提出3.3DNA的二級結構（1）X射線衍射數(shù)據(jù)Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜，而且沿長軸有周期性變化。（2）堿基配對證據(jù)Chargaff發(fā)現(xiàn)DNA中A與T、C與G的數(shù)目相等。后來Pauling和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個氫鍵、C與G生成3個氫鍵。（3）DNA滴定曲線

3.3.1雙螺旋結構模型的實驗依據(jù)3.3DNA的二級結構（1）兩條多核苷酸鏈反向平行螺旋前進。表面有一大溝和一小溝（2）雙螺旋每轉一周有10個bp，螺距3.4nm，直徑2.0nm（3）主鏈（磷酸-脫氧核糖）在外側，側鏈（堿基）在內側。內側鏈間堿基配對相連。2.0nm小溝大溝3.3DNA的二級結構3.3.2雙螺旋結構模型的要點(4)堿基配對有一定規(guī)律：A與T、形成2個氫鍵；G與C，形成3個氫鍵。(5)兩條鏈互為互補鏈堿基配對2.0nm小溝大溝(1)氫鍵（比較弱）——橫向力(2)堿基堆積力（由芳香族堿基π電子間的相互作用引起的，能形成疏水核心，是穩(wěn)定DNA最重要的因素）——縱向力另外還有：(3)離子鍵（減少雙鏈間的靜電斥力）。3.3DNA的二級結構3.3.3雙螺旋的穩(wěn)定因素2.0nm小溝大溝B-DNA：92%相對濕度，接近細胞內的DNA構象，與Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相對濕度，與溶液中DNA-RNA雜交分子的構象相似，推測轉錄時發(fā)生B→A。其堿基平面傾斜20°，螺距與每一轉堿基對數(shù)目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向盤繞，直徑約1.8nm，螺距4.5nm，每一轉含12個bp，只有小溝。B-DNA與Z-DNA的相互轉換可能和基因的調控有關。C-DNA：44-46%相對濕度，螺距3.09nm，每轉螺旋9.33個堿基對，堿基對傾斜6°。可能是特定條件下B-DNA和A-DNA的轉化中間物。3.3DNA的二級結構3.3.4DNA二級結構的其他類型3.3DNA的二級結構3.3.4DNA二級結構的其他類型DNA的不同結構類型的各項參數(shù)類型旋轉方向結晶狀態(tài)螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉堿基對數(shù)目堿基對間垂直距離（nm）堿基旋轉角度A-DNAB-DNAC-DNAZ-DNA右75%Na+右92%Na+右46%Li+左人工合成2.32.01.921.82.83.43.14.511109.3120.2550.340.330.3732.7o36o38o-60o3.3DNA的二級結構3.3.4DNA二級結構的其他類型3.4DNA的高級結構3.4.1環(huán)狀DNA的超螺旋結構DNA雙螺旋的進一步扭曲構成三級結構——超螺旋（染色體包裝）3.4DNA的高級結構3.4.2真核生物染色體的結構多級螺旋模型DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體2nm11nm30nm400nm2-10μm雙螺旋一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝

壓縮倍數(shù)76405（共8400）染色體包裝示意圖包裝包裝包裝包裝3.5DNA和基因組3.5.1基因與基因組的慨念基因------DNA分子中最小的功能單位?；蚪M------生物體所含的全套遺傳物質?；蚪M學------研究基因組的結構、功能及表達產物的學科。3.5.2基因和細菌基因組的特點3.5.3真核生物基因組的特點（1）基因組較大（2）不存在操縱子結構（3）存在大量重復序列（4）有斷裂基因（1）基因組較?。?）大部分用于編碼蛋白質（3）存在操縱子結構RNA是單鏈分子，因此，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關系，即分子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結構，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)。這種結構可以形象地稱為“發(fā)夾型”結構。在RNA的雙螺旋結構中，堿基的配對情況不象DNA中嚴格。G除了可以和C配對外，也可以和U配對。G-U配對形成的氫鍵較弱。不同類型的RNA,其二級結構有明顯的差異。tRNA中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分。3.6RNA的結構與功能RNA的一級結構------RNA的高級結構------—RNA分子是含短的不完全螺旋區(qū)的多核苷酸鏈。3.6.1tRNAtRNA約占RNA總量的15%，主要作用是轉運氨基酸用于合成蛋白質。tRNA分子量為4S，1965年Holley測定AlatRNA一級結構，提出三葉草二級結構模型。tRNA分子具有以下特點：分子量25000左右，大約由70－90個核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3’-末端都具有CpCpAOH的結構。主要特征：1.四臂四環(huán)：氨基酸臂：3′端有CCAOH的共有結構；反密碼子環(huán)：環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；二氫尿嘧啶（D）環(huán)：其上有二氫尿嘧啶（D），與識別酶有關；TψC環(huán)：含有T和ψ，與識別核糖體有關；可變環(huán)：其上的核苷酸數(shù)目可以變動；2.含有修飾堿基和可變核苷酸，修飾堿基約為10%。tRNA的二級結構——三葉草型3.6RNA的結構與功能在三葉草型二級結構的基礎上，突環(huán)上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對，目前已知的tRNA的三級結構均為倒L型tRNA的三級結構－倒

L型倒“L”型核糖體RNA（rRNA）占細胞RNA總量的80%，與蛋白質（40%）共同組成核糖體。原核生物

真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA

70S（30S+50S）16S、5S、23S

80S（40S+60S）18S、5S、5.8S、28S

3.6RNA的結構與功能3.6.2rRNAmRNA約占細胞RNA總量的3~5%，是蛋白質合成的模板。真核生物mRNA的前體在核內合成，包括整個基因的內含子和外顯子的轉錄產物，形成分子大小極不均勻的hnRNA。3.6RNA的結構與功能3.6.3mRNA和hnRNA3.6.4snRNA(小分子RNA)和snoRNA(核仁小RNA)3.6.5asRNA（反義RNA)和RNAi（RNA干擾)3.6.6非編碼RNA的多樣性真核細胞mRNA的3’-末端有一段長達200個核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結構”，5’-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結構”。是兩性電解質，呈酸性；DNA白色纖維狀固體，RNA白色粉末；微溶于水，不溶于有機溶劑；DNA-蛋白，溶于1mol/LNacl，低鹽不溶；RNA-蛋白，溶于0.14mol/LNacl，高鹽不溶。DNA在PH4.2時；RNA在PH2-2.5時溶解度最低。D-核糖+苔黒酚（甲基間苯二酚）綠色化合物

D-脫氧核糖+二苯胺藍紫色化合物3.7核酸的性質3.7.1一般理化性質原因：核酸的堿基具有共扼雙鍵，因而有紫外吸收性質，吸收峰在260nm（蛋白質的紫外吸收峰是280nm）。吸收值：核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值之和少30~40%。當核酸變性或降解時光吸收值顯著增加（增色效應）核酸復性后，光吸收值又回復到原有水平（減色效應）3.7.2紫外吸收性質3.7核酸的性質（1)變性的慨念和Tm：核酸變性------雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結構破壞，形成單鏈無規(guī)線團狀，只涉及次級鍵的破壞。Tm------紫外吸收的增加量達到最大增量一半時的溫度稱熔解溫度(Tm)（增色效應達到50%時的溫度）。一般DNA的Tm值在70-85C之間。TmTm3.7.3核酸的變性3.7核酸的性質(2)影響因素①G-C的相對含量：G和C的含量高，Tm值高。因而測定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通過經驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)*2.44②溶液離子強度：溶液離子強度低，Tm低。③溶液中PH：高pH下堿基廣泛去質子而喪失形成氫鍵的能力。④變性劑：如甲酰胺、尿素、甲醛等破壞氫鍵，妨礙堿基堆積，使Tm下降。3.7核酸的性質3.7.3核酸的變性（1）定義：變性核酸的互補鏈在適當條件下重新締合成雙螺旋的過程。（4）影響復性速度的因素：單鏈片段濃度/單鏈片段的大小/片段內重復序列的多少/溶液離子強度的大小/溶液溫度的高低（T–25℃）

（2）特性：DNA復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復，具有減色效應。3.7.4核酸的復性3.7核酸的性質（3）條件：將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復性。變性的DNA緩慢冷卻時可復性，因此又稱為“退火”。定義：在退火條件下，不同來源的DNA互補區(qū)形成氫鍵或DNA單鏈和RNA鏈的互補區(qū)形成DNA-RNA雜合雙鏈的過程。探針：用放射性同位素或熒光標記的DNA或RNA片段。原位雜交技術：直接用探針與菌落或組織細胞中的核酸雜交，能準確反映出核酸所在的位置在組織細胞中的功能狀態(tài)點雜交：將核酸直接點在膜上，再與核酸雜交。Southern印跡法：將電泳分離后的DNA片段從凝膠轉移到硝酸纖維素膜上，再進行雜交。Northern印跡法：將電泳分離后的RNA吸印到纖維素膜上再進行分子雜交。3.7核酸的性質3.7.5核酸的分子雜交雜交測序法質譜法單分子測序法原子探針顯微鏡測序法流式細胞儀測序法大規(guī)模平行實測法、DNA芯片法DNA測序方法：經典方法新技術方法Sang