生物化學(xué)核酸化學(xué)上

第四章核苷酸和核酸

（NucleotidesandNucleicAcid）第一節(jié)核酸通論一核酸的研究歷史和重要事件1869

Miescher從膿細胞的細胞核中分離核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）。

1944

Avery

等成功進行肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗；1952年Hershey等的實驗表明32P-DNA可進入噬菌體內(nèi)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。

1953Watson和Crick建立了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。

1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則，

60年代RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學(xué)說，遺傳密碼，逆轉(zhuǎn)錄酶）。核酸的研究歷史和重要事件（續(xù)）

70年代建立DNA重組技術(shù)，改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致生物技術(shù)的興起。

80年代RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。

90年代以后實施人類基因組計劃（HGP）,開辟了生命科學(xué)新紀元。生命科學(xué)進入后基因時代：功能基因組學(xué)（functionalgenomics）

蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）

RNA組學(xué)（Rnomics）或核糖核酸組學(xué)（ribonomics）Griffith轉(zhuǎn)化現(xiàn)象：注射R型活菌注射S型活菌注射加熱殺死的S型菌體在死亡的小鼠血中發(fā)現(xiàn)S型細菌。推測：加熱殺死的S型菌體內(nèi)的某種物質(zhì)以某種方式進入到活的R型菌體內(nèi)，使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。注射加熱殺死的S型菌體和R型活菌混合物Avery等證明使R型轉(zhuǎn)化成S型的物質(zhì)是DNA提取S型細菌的多糖莢膜、蛋白質(zhì)、DNA，分別與R型活菌混合培養(yǎng)。多糖莢膜蛋白質(zhì)DNA未分離出S菌蛋白酶消化的DNA未分離出S菌分離出S菌分離出S菌DNA酶消化的DNA未分離出S菌OswaldAvery（1877-1955）R型細菌：無毒型肺炎球菌S型細菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗二、核酸的種類、分布和含量

(一)種類

DNA(DeoxyribonucleicacidDNA):脫氧核糖核酸RNA（RibonucleicacidRNA）:核糖核酸RNA主要有下幾種：1、核糖體RNA(ribosomeRNArRNA)

細胞中最主要的RNA，占細胞中總RNA80%左右。核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所。2、轉(zhuǎn)移RNA(transferRNAtRNA)

是細胞中最小的一種RNA分子，占細胞總RNA的15%左右。是結(jié)構(gòu)研究最清楚的一類RNA。在蛋白質(zhì)的生物合成中，tRNA起攜帶氨基酸的作用。

3、信使RNA(messengerRNAmRNA)

占細胞總RNA的5%左右，含量最少，代謝活躍。mRNA在蛋白質(zhì)的生物合成中起模板作用。它將DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)。（二）分布（三）含量

DNA含量恒定，RNA含量與細胞生長狀態(tài)有關(guān)。三、核酸的功能1、核酸是生物體遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)，DNA是大多數(shù)生物體的遺傳物質(zhì)。2、RNA主要參與蛋白質(zhì)的生物合成。

RNA的功能多樣性。主要有：參與基因表達和調(diào)控、催化作用、遺傳信息的加工、持家功能、病毒RNA是遺傳信息的載體。第二節(jié)堿基、核苷和核苷酸一、核酸的組成(一)化學(xué)元素組成：

CHONP(9-10%)(二)分子組成：磷酸(phosphate)

堿基(base)

核糖(ribose)

其組成上有兩個特點：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。因此，核酸定量測定的經(jīng)典方法，是以測定P含量來代表核酸量。堿基（Bases）嘌呤堿AG堿基（Bases）嘧啶堿TUC堿基的互變異構(gòu)嘌呤和嘧啶堿基都是含氮雜環(huán)化合物，分子中的酮基或氨基均位于雜環(huán)上氮原子的鄰位，受介質(zhì)中pH的影響，會發(fā)生酮式-烯醇式互變異構(gòu)，或氨基-亞氨基互變異構(gòu)(c)稀有堿基（rarebases）：指核酸中含有的一些微量堿基，多是甲基化的衍生物。核酸中的部分稀有堿基DNARNA嘌呤7-甲基鳥嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鳥嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）(DHU)稀有堿基H核糖(Ribose)

構(gòu)成RNA脫氧核糖(Deoxyribose)

構(gòu)成DNAβ-D-核糖β-D-2-脫氧核糖??????????（二）戊糖核苷順式為主5′-磷酸核苷

酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖磷酸堿基核苷酸二核苷酸的生物學(xué)功能1攜化學(xué)能核苷酸2核酸的組成成分～～3信號物質(zhì)

4含核苷酸的輔酶及輔基主要有NAD+、NADP+

、FAD、COA-SH

均含AMP

Vpp兩種活性形式，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。AMP第三節(jié)磷酸二酯鍵和多核苷酸3’，5’-磷酸二酯鍵

5′-磷酸核苷基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖磷酸堿基核苷酸表示方法：結(jié)構(gòu)式、豎線式及字母縮寫第三節(jié)堿基的性質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)1堿基結(jié)構(gòu)的酮式醇式的轉(zhuǎn)化2紫外吸收性質(zhì)3疏水作用力堿基堆積力；范德華力；減色效應(yīng)；增色效應(yīng)4堿基間的氫鍵ATCG第五節(jié)DNA結(jié)構(gòu)一DNA一級結(jié)構(gòu)的不均一性（1）重復(fù)序列★反向重復(fù)（回文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)較長的回文結(jié)構(gòu)，可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)(發(fā)夾結(jié)構(gòu))或十字形結(jié)構(gòu)較短的回文序列，可作為一種特別信號，如限制性核酸內(nèi)切酶的識別位點。轉(zhuǎn)錄的終止作用與回文結(jié)構(gòu)有關(guān)?！镧R象重復(fù)（mirrorrepeat)某些情況下可以三股螺旋DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究的背景及主要依據(jù)DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)Chargaff原則核酸相關(guān)數(shù)據(jù)的測定X射線衍射數(shù)據(jù)電位滴定行為ErwinChargaff

（1905－1995）1950年前后，ErwinChargaff等人采用紙層析及紫外吸收技術(shù)測定了多種生物體DNA的堿基組成。

不同來源的DNA堿基組成（摩爾%）

DNA來源腺嘌呤胸嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶人30.430.119.619.9

綿羊23.928.721.120.9

公牛29.028.721.221.2

大鼠28.628.421.420.4

母雞28.028.422.021.6

大腸桿菌24.723.625.725.7Charggff原則：1.A=T(摩爾數(shù))，G=C,A+G=T+C（嘌呤堿的摩爾數(shù)=嘧啶堿的摩爾數(shù)）2.不同生物的DNA堿基組成不同3.同一生物體的DNA堿基組成沒有組織器官特異性,且組成不受天營養(yǎng)、條件、環(huán)境等因素影響這預(yù)示著堿基互補配對的可能性，即A與T配對，G與C配對。DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

JamesWatson&FrancisCrick（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(Watson和Crick，1953)1.DNA由兩條反相平行的脫氧核苷酸鏈組成的右手螺旋，外面有一個大溝及小溝。2.DNA螺旋直徑為

2nm，螺距為3.4nm。堿基平面垂直螺旋軸，相鄰堿基平面距離為0.34nm，螺旋一圈包含10對堿基3.脫氧核糖-磷酸骨架位于雙鏈的外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)，雙鏈的堿基之間以氫鍵相結(jié)合。堿基互補配對形式：AT；GC堿基環(huán)平面與螺旋環(huán)垂直，糖環(huán)與螺旋軸平行ATCG4.氫鍵維持DNA雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性5.不同生物體核苷酸或堿基排列順序不同，它們的排列順序的特異性決定了遺傳信息的特異性。圖1-8DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖堿基互補原則：腺嘌呤（A）總是跟胸腺嘧啶（T）配對，形成兩個氫鍵；鳥嘌呤（G）總是跟胞嘧啶（C）配對，形成三個氫鍵圖1-9堿基互補原則穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。④堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。（三）DNA結(jié)構(gòu)的多樣性A-DNA：右手螺旋

11堿基/螺旋B-DNA：右手螺旋

10堿基/螺旋Z-DNA：左手螺旋

12堿基/螺旋可能參與基因的表達和調(diào)控相對濕度92%鈉鹽：B—DNA相對濕度75%鈉鹽：A—DNA。相對濕度44-46%：C—DNA人工合成的聚CG：Z—DNA

三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)★第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G★第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按Hoogsteen配對★當DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）構(gòu)成鏡像重復(fù)時可以形成三股螺旋（鉸鏈DNA，hingedDNA,H-DNA)H-DNA的結(jié)構(gòu)★DNA三股螺旋結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組的起始位點或調(diào)節(jié)位點，如啟動子區(qū)。第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶等難以與該區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達。DNA的高級結(jié)構(gòu)

1.DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)（原核）二級結(jié)構(gòu)為閉環(huán)雙螺旋；三級結(jié)構(gòu)為超螺旋環(huán)狀DNA的三種典型構(gòu)象（1）、

松弛環(huán)形DNA線形DNA直接環(huán)化（2）、

解鏈環(huán)形DNA線形DNA擰松后再環(huán)化（3）、

正超螺旋與負超螺旋DNA①連環(huán)數(shù)（linkingnumber,L）DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)②扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以T表示③超螺旋數(shù)（纏繞數(shù),writhingnumber,W）連環(huán)數(shù)（L）纏繞數(shù)（T）扭曲數(shù)W松馳環(huán)25250解鏈環(huán)23230超螺旋2325-2L=T+W

2.真核生物細胞中DNA的組裝核小體60bp纏繞1.75圈約140~160bp真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)

DNA（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（1400nm，

每個染色體含10個玫瑰花200bp）線粒體DNA

在真核細胞中，DNA除了存在于細胞核內(nèi)，還有少量的DNA位于細胞的線粒體中，稱為線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）。mtDNA與細菌的DNA相似，也是超螺旋雙鏈環(huán)狀分子，裸露而不與組蛋白結(jié)合，分散在線粒體基質(zhì)的不同區(qū)域第五節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能表1-3RNA與DNA的比較RNADNA堿基A、G、C、UA、G、C、T戊糖β-D-核糖β-D-2脫氧核糖堿基含量A與U的含量不一定相同；G與C的含量也不一定相同

A=TG=C堿基互補配對U與A，G與CA與T，G與C分子大小不等，從幾十至數(shù)千個核苷酸

因物種不同而異，但較RNA大得多

結(jié)構(gòu)單鏈，局部互補配對形成雙螺旋

雙鏈，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)

功能

多樣，涉及遺傳信息表達的各個方面

攜帶遺傳信息

表1-4真核細胞內(nèi)RNA的種類及功能種類細胞定位英文縮寫分子大小及沉降系數(shù)功能信使RNA胞漿及細胞核線粒體mRNAmtmRNA取決于編碼蛋白質(zhì)的大小，1000~10,000個核苷酸9~40S蛋白質(zhì)合成的模板

轉(zhuǎn)運RNA胞漿及細胞核線粒體tRNAmt

tRNA4S，74-95個核苷酸3.2~4S轉(zhuǎn)運氨基酸

核糖體RNA胞漿及細胞核線粒體rRNAmt

rRNA28S，5400個核苷酸18S，2100個核苷酸5.8S，160個核苷酸5S，120個核苷酸16S，1650個核苷酸12S，1100個核苷酸

與蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體

種類細胞定位英文縮寫分子大小及沉降系數(shù)功能不均一核RNA胞漿及細胞核hnRNA成熟mRNA及其他RNA的前體

小核RNA胞漿及細胞核snRNA100~300個核苷酸

參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運

小核仁RNA胞漿及細胞核snoRNArRNA的加工與修飾

小胞質(zhì)RNA胞漿及粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

scRNA/7SL-RNA129個核苷酸

信號識別顆粒的組成成分，選擇分泌蛋白

（續(xù)表）表1-4真核細胞內(nèi)RNA的種類及功能一、信使RNA信使RNA（mRNA）的作用就好像一種信使，將存在于細胞核內(nèi)的基因的遺傳信息轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中，作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。真核生物的mRNA前身稱為不均一核RNA（heterogenousnuclearRNA，hnRNA）。hnRNA在核內(nèi)經(jīng)過一系列的剪接、修飾和加工，成為成熟的mRNA并轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。DNADNAIPOabc轉(zhuǎn)錄

翻譯重疊基因(overlappinggene)蛋白A蛋白B蛋白C原核細胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特征5'-端有一個特殊結(jié)構(gòu)：7mG-5'ppp5'-Nm-3'-P，稱為帽子結(jié)構(gòu)。3'-端有一段長約20~250個核苷酸的多聚腺苷酸（polyA），稱為多聚A尾巴（polyAtail）mRNA分子上的每三個核苷酸為一組，構(gòu)成遺傳密碼（geneticcode），可以決定多肽鏈上某一個氨基酸，又稱為三聯(lián)體密碼（tripletcode）。二、轉(zhuǎn)運RNA轉(zhuǎn)運RNA約占細胞中RNA總量的10%~15%，是分子量最小的一類核酸，由74~95個核苷酸構(gòu)成