第四節(jié)核酸化學(xué)(徐)

第四節(jié)核酸的化學(xué)概述1868年，F(xiàn).Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，被稱為核酸（nucleicacid）。

Medel關(guān)于基因（gene）的研究。

1944年，Avery等完成了著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗，證明遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)是核酸。

1953年，Watson和Click提出DNA雙螺旋模型。核酸的分類和功能：

脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）：基因遺傳與表達(dá)的載體，是生物的主要遺傳物質(zhì)。

核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）：參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過程，在蛋白質(zhì)的生物合成中起重要作用。一、核酸的分子組成核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。核苷酸核苷磷酸戊糖(核糖、脫氧核糖)堿基（嘌呤、嘧啶）

核酸

3`，5`-磷酸二酯鍵

核苷酸

磷酸酯鍵核苷磷酸

糖苷鍵堿基

脫氧核糖（核糖）7(一)核苷酸的基本成分核酸的基本組成單位：核苷酸主要組成元素：C、H、O、N、PP平均含量：9%~10%故：測定樣品中P的含量可計算其核酸的含量1、核苷酸（1）戊糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。嘌呤堿789456123腺嘌呤鳥嘌呤1、核苷酸（2）堿基——腺嘌呤（A）腺嘌呤Adenine1、核苷酸（2）堿基——鳥嘌呤（G）鳥嘌呤guanine

嘧啶堿胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶123456111、核苷酸（2）堿基——尿嘧啶（U）尿嘧啶uracil1、核苷酸（2）堿基——胞嘧啶（C）胞嘧啶cytosine1、核苷酸（2）堿基——胸腺嘧啶（T）胸腺嘧啶thymine核酸中除了上述五種堿基外，還有一些含量極少的堿基，稱為稀有堿基。稀有堿基種類甚多，RNA中特別是tRNA中含有較多的稀有堿基。稀有堿基：(3)戊糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。1421、核苷酸（4）核苷nucleoside由一個堿基和一個戊糖結(jié)合形成。共8種(4)核苷糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1911為了區(qū)別于堿基上的原子編號，核糖上的碳原子編號的右上方都加上“′”如1-C′、3-C′等均表示核糖上第1和第3個碳原子。核苷酸鏈3′5′1、核苷酸（4）核苷酸nucleotide核苷酸是核苷的磷酸酯。作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分別是5’-磷酸-脫氧核糖核苷和5’-磷酸-核糖核苷。

核糖核苷的核糖環(huán)上的2ˊ、3ˊ、5ˊ位各有一游離的羥基，這些羥基均可磷酸化而形成2ˊ、3ˊ和5ˊ—三種核苷酸脫氧核苷只在3ˊ和5ˊ位有游離的羥基，只能生成3ˊ和5ˊ—核苷酸。將核酸用不同方法水解可生成上述各種不同的核苷酸。下面為幾種核苷酸的結(jié)構(gòu)式：2、核苷酸的衍生物ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結(jié)構(gòu)如下：（1）ATP(三磷酸腺苷)ATP分子的最顯著特點(diǎn)是含有兩個高能磷酸鍵。ATP水解時,可以釋放出大量自由能。2、核苷酸的衍生物環(huán)核苷酸普遍存在于動植物及微生物中。（2）cAMP（環(huán)腺苷酸）和cGMP這兩種環(huán)核苷酸在細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)中具有重要作用，是傳遞激素作用的媒介物。稱為二級信使。2、核苷酸的衍生物NAD：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸（3）輔酶類核苷酸第二節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)一、DNA的一級結(jié)構(gòu)

是指脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。1.連接方式：

3′，5′

-磷酸二酯鍵脫氧腺嘌呤核苷酸、脫氧鳥嘌呤核苷酸、脫氧胞嘧啶核苷酸和脫氧胸腺嘧啶核苷酸，通過3ˊ，5ˊ-磷酸二酯鍵連接起來的直線形或環(huán)形多聚體。由于脫氧核糖核酸中C2′上不含羥基，C1′又與堿基相連，只能形成3ˊ，5ˊ-磷酸二酯鍵，所以DNA沒有分枝。見動畫1多聚核苷酸特點(diǎn)通過3′，5′-磷酸二酯鍵連接起來的C5′帶有一個自由磷酸基，稱為5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3′帶有自由的羥基，稱為3′-羥基端（常用3′-OH表示）。多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。

在討論有關(guān)核酸問題時，一般只關(guān)心其中堿基的種類和順序，所以上式可以進(jìn)一步簡化為：

－PAPCPGPT－或－PA－C－G－T－

----ACGT----

可以表示為各種簡化的讀向都是:從左到右，左側(cè)為5′

，右側(cè)為3′

。2.排列順序

真正代表DNA生物學(xué)意義的是堿基的排列順序，順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界的多樣性即寓于DNA分子中的4種脫氧核苷酸的千變?nèi)f化的不同排列組合之中。3.DNA一級結(jié)構(gòu)測定原理Maxam－Gilbert的化學(xué)裂解法Sanger的雙脫氧末端終止法Chargaff定律：堿基當(dāng)量定律：對所有生物A＝T，G＝C；A＋G＝T＋C。不對稱比率：不同物種中A/G、T/C比值差別較大；（A＋T）/(G＋C)比值因物種而異。

1953年，J.Watson和F.Crick

在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型.并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。二、DNA的二級結(jié)構(gòu)

1.DNA分子由兩條反向平行的多聚脫氧核苷酸鏈組成。一條鏈的走向為5’→3’，而另一條鏈的走向向為3’→5’。兩條鏈沿一個假想的中心軸右旋平行盤繞，形成大溝與小溝。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)2.磷酸和脫氧核糖作為不變的鏈骨架位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)。鏈間的堿基按A＝T和GC配對形成堿基平面，平面與縱軸近于垂直。3.螺旋橫截面的直徑約為2nm，相鄰堿基平面的垂直距離為0.34nm，螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個堿基重復(fù)一次，間距為3.4nm。4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理條件下是很穩(wěn)定的，穩(wěn)定力量主要有兩個：1.兩條DNA鏈之間形成的氫鍵（hydrogenbond）；2.雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿基層層堆積，形成了一個強(qiáng)大的疏水區(qū)-堿基堆積力（basestackingforce），消除了介質(zhì)中水分子對堿基之間氫鍵的影響；3.介質(zhì)中的陽離子（如Na+、K+和Mg2+）可與磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷形成離子鍵，降低了DNA鏈之間的排斥力、范德華引力等.堿基間氫鍵堿基間氫鍵見動畫2DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性

類型

螺距（nm）每匝堿基數(shù)螺旋方向B-DNA（DNA-Na鹽，92％相對濕度,天然狀態(tài))3.410右A-DNA（DNA-Na鹽，75％相對濕度）2.811右C-DNA（DNA-Li鹽，75％相對濕度）3.19.3右Z-DNA4.512左A,B,Z型DNA構(gòu)象的比較回文序列（palindromicsequence）：指DNA序列中，以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)堿基序列正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。鏡像重復(fù)（mirrorrepeat）：DNA序列反向重復(fù)，且存在于同一條鏈上。發(fā)夾結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)三、DNA的三級結(jié)構(gòu)當(dāng)雙螺旋的鏈進(jìn)一步扭曲時，再次形成螺旋結(jié)構(gòu)，稱為DNA的三級結(jié)構(gòu)----超螺旋結(jié)構(gòu)正超螺旋----擰緊狀態(tài)3.4nm間距內(nèi)堿基對數(shù)多于10個。負(fù)超螺旋----擰松狀態(tài)3.4nm間距內(nèi)堿基對數(shù)少于10個。見動畫3RNA是DNA的局部轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，分子量要比DNA小得多。

RNA為單鏈分子，以3’，5’-磷酸二酯鍵相連。配對原則是A＝U，GC，但不遵守堿基當(dāng)量定律。第三節(jié)RNA的分子結(jié)構(gòu)概述

根據(jù)RNA的功能，可以分為mRNA（messageRNA）、tRNA（transferRNA）和rRNA（ribosomalRNA）三種。

類別螺旋比例占總RNA的％

功能mRNA很小

約2編碼氨基酸t(yī)RNA50％左右16轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸rRNA40％左右82構(gòu)成蛋白質(zhì)合成場所（核糖體）一、tRNA的分子結(jié)構(gòu)

一級結(jié)構(gòu)單鏈核酸，通常由73－88個核苷酸組成。含較多稀有核苷酸，如：DHU（二氫尿嘧啶核苷）、ψ（假尿嘧啶核苷）等。

3'-末端都具有CCA-OH的結(jié)構(gòu)。

二級結(jié)構(gòu)三葉草形結(jié)構(gòu)，由四臂四環(huán)組成。

氨基酸臂

D臂（二氫尿嘧啶臂）

D環(huán)

AC臂（反密碼臂）

AC環(huán)

TC臂

TC環(huán)額外環(huán)

三級結(jié)構(gòu)——

倒L型目前已知的tRNA的三級結(jié)構(gòu)均為倒L型

原核生物rRNA有3類：5S、16S、23S；真核生物rRNA有4類：5S、5.8S、18S、28S二、rRNA的分子結(jié)構(gòu)

許多rRNA的一級結(jié)構(gòu)及由一級結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出來的二級結(jié)構(gòu)都已闡明，但是對許多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。已有一些rRNA具有酶的活性，稱為核酶（ribozyme）。原核70S真核80S大亞基50S(23S,5S)32種蛋白質(zhì)60S(28S,5S,5.8S)小亞基30S(16S)21種蛋白質(zhì)40S(18S)30種蛋白質(zhì)真核、原核的核糖體比較rRNA呈單鏈存在，也有局部雙螺旋和發(fā)夾結(jié)構(gòu)rRNA與蛋白質(zhì)一起組成核糖體，作為蛋白質(zhì)合成場所

順反子（cistron）：一個基因就是一個順反子。原核生物的mRNA一般是多順反子。真核生物的mRNA一般是單順反子。三、mRNA的分子結(jié)構(gòu)

原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)先導(dǎo)區(qū)：SD序列。富含嘌呤堿基（5’－AGGAGGU-3’

），可與16srRNA的3’末端富含嘧啶堿基的序列互補(bǔ)，這與mRNA對核糖體的快速識別有關(guān)。5’-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結(jié)構(gòu)”3’-末端有一段長達(dá)200個核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”。

真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帽子結(jié)構(gòu)5’5’PolyA位點(diǎn)原核與真核細(xì)胞的mRNA在結(jié)構(gòu)上的差異：1.原核細(xì)胞mRNA是多順反子，真核細(xì)胞mRNA為單順反子。2.絕大多數(shù)真核細(xì)胞的mRNA的3’-末端有一段polyA，5’-末端有以“帽子”結(jié)構(gòu)3.“帽子”結(jié)構(gòu)可能與蛋白質(zhì)合成的正確起始作用及協(xié)同核糖體與mRNA相結(jié)合有關(guān)，3’-末端的polyA可能有抗核酸外切酶的作用4.原核生物mRNA分子中一般沒有修飾成分，無3’-末端的polyA和5’-末端“帽子”結(jié)構(gòu)，而真核生物mRNA一般都有修飾成分。第四節(jié)核蛋白體自學(xué)第五節(jié)核酸的性質(zhì)

核酸分子中既含有酸性基團(tuán)（磷酸基），也含有堿性基團(tuán)（氨基），因而核酸具有兩性性質(zhì)。核酸分子中的磷酸是一個中等強(qiáng)度的酸，而氨基是一個弱堿，所以核酸的等電點(diǎn)比較低。如DNA的等電點(diǎn)為4～4.5，RNA的等電點(diǎn)為2～2.5。在生理pH或中性緩沖液中，核酸帶負(fù)電，可在電場中向陽極移動。1.核酸的兩性性質(zhì)及等電點(diǎn)

在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨(dú)特的紫外線吸收光譜。一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作為核酸定性和定量測定的依據(jù)。（堿基、核苷、核苷酸、核酸）2.核酸的紫外吸收減色效應(yīng)（hypochromiceffect）:雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成和3’，5’-磷酸二酯鍵的形成都會減弱堿基對紫外光的吸收。增色效應(yīng)（hyperchromiceffect）：核酸變性后對紫外光的吸收增加。

核酸的變性（denaturation）是指核酸分子中氫鍵斷裂，雙螺旋解開，變成無規(guī)則卷曲的過程。核酸的復(fù)性（renaturation）是指變性DNA的兩條單鏈的堿基可以重新配對，恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)。2.核酸的變性、復(fù)性和分子雜交思考？？DNA的變性DNA的降解RNA是否變性DNA變性DNA復(fù)性復(fù)性（Renatur