第三章核酸化學

第三章核酸化學1第一節(jié)概述一、核酸的概念及重要性核酸是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，是生物體中重要遺傳物質(zhì)。（攜帶和傳遞遺傳信息）22.核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構1965年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1970年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架3二、核酸的分類及生物學作用1.脫氧核糖核酸（DNA）：90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的遺傳型。2.核糖核酸（RNA）:存在于胞核、胞液和線粒體,參與遺傳信息的復制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體.4第二節(jié)核酸分子的基本組成單位－單核苷酸核酸的化學組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)5一、核酸的組成成分堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸6核苷酸的結構

嘌呤嘧啶堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA有RNA有每種核酸都含有四種堿基。7

嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基8嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)9

堿基的互變異構酮式－烯醇C=OC-OHNN氨基－亞氨基C-NH2C=NH2+

+HNHN

受介質(zhì)pH影響10戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H11磷酸

OOO‖‖解離 ‖HO—P—OHHO—P——P—O－|||OHOHO－磷酸磷?；?2核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核苷1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′113核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

三、核苷酸核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

14電腦模型圖簡化式酯鍵糖苷鍵15四、核苷酸的其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+16多磷酸核苷酸

常見的核苷酸為一磷酸單核苷酸，如5′—AMP。一磷酸核苷酸可與一分子磷酸結合成二磷酸核苷酸，如ADP；二磷酸核苷酸再與一分子磷酸結合成三磷酸核苷酸，如ATP。ADPATP即為多磷酸核苷酸。17重要生理功能：①參與能量代謝。ATP是能量通貨；②各種三磷酸核苷酸參與DNA、RAN的生物合成（作原料）；③參與其它合成。如UTP參加糖轉化、合成，CTP參與嘌呤、蛋白質(zhì)的合成；④作輔酶的結構成分。如NAD+、NADP+。18環(huán)化核苷酸

1950年EarlSutherland（薩瑟蘭德）在激素研究中偶爾發(fā)現(xiàn)腺苷3′，5′—一磷酸，即cAMP充當了激素第二信使的作用，并放大了激素信號。另外cGMP，有人認為它與cAMP的作用相拮抗。19第三節(jié)核酸的基本結構－多核苷酸一、核苷酸的連接方式核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。聚合酶催化細胞中的RNA和DNA的合成。通過催化一個核苷酸的核糖或脫氧核糖第5′位的磷酸，與另一個核苷酸的第3′位的羥基之間脫水縮合形成3′，5′-磷酸二酯鍵，并釋放出無機焦磷酸。多個核苷酸以3′，5′-磷酸二酯鍵連接成線形大分子，即多核苷酸鏈。20215′端3′端核苷酸之間以3,5-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA22書寫方法23二、核酸的一級結構定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列24AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3目錄25

DNA與RNA的區(qū)別核酸堿基戊糖DNAA、G、C、T脫氧核糖RNAA、G、C、U核糖26第四節(jié)DNA的空間結構DNA的空間結構是指多核苷酸鏈與多核苷酸鏈之間通過氫鍵及堿基堆積力，在空間形成的螺旋、卷曲和折疊的構象。DNA的空間結構包括DNA的二級結構和DNA的超螺旋結構。27一、DNA的二級結構DNA的二級結構一般是指DNA分子的空間雙螺旋結構。DNA雙螺旋結構模型的建立，揭開了現(xiàn)代分子生物學的序幕。1953年Watson和Crick總結前人的研究成果，提出了DNA的雙螺旋結構模型。28DNA的二級結構——雙螺旋結構29DNA的二級結構設想（1）DNA分子是由兩條互相平行、但走向相反（一條鏈為3‘→5’，另一條鏈為5‘→3’）的脫氧多核苷酸鏈組成，兩條鏈以右手螺旋方式平行地圍繞同一個軸盤旋成雙螺旋結構（2）雙螺旋的兩條主鏈都是由脫氧核糖酸殘基中的糖和磷酸構成的，是雙螺旋的骨架。兩條鏈上的堿基兩兩成對層疊分布于雙螺旋的內(nèi)側，堿基平面與螺旋軸垂直。雙螺旋的直徑為2nm，螺旋每繞一圈升高3.4nm，含10個堿基對30（3）兩鏈之間的堿基是通過氫鍵相連形成堿基對，并且堿基配對有一定規(guī)律，即A與T通過形成兩個氫鍵配對（A=T）；G與C通過形成三個氫鍵配對（G≡C）。因此，有4種可能的堿基對，即A－T、T－A、G－C和C－G。在堿基對之中的兩個堿基稱為互補堿基，由于DNA雙鏈同一水平上的堿基對都是互補的，所以兩條鏈也是互補的，稱為互補鏈，只要知道一條鏈的堿基排列順序，就能確定另一條鏈的堿基排列順序。DNA的復制、轉錄、反轉錄以及蛋白質(zhì)的生物合成都是通過堿基互補原則實現(xiàn)的，堿基互補規(guī)律有重要的生物學意義。31

DNA的雙螺旋結構總結DNA分子由兩條脫氧核糖核酸作骨架的雙鏈組成，以右手螺旋方式盤旋糖－磷酸骨架均位于外側，堿基在內(nèi)側堿基平面之間距離為0.34nm。螺旋一周為10堿基對，螺距為3.4nm。雙螺旋的兩條鏈是反方向平行的。堿基配對：G=CA=T。穩(wěn)定力：互補堿基之間的氫鍵疏水性堆積力-堿基堆積力32維持雙螺旋結構穩(wěn)定的因素兩條鏈堿基之間的氫鍵（離子鍵、范德華力）堿基之間的堆積力：作用最大環(huán)境中的正離子33DNA的雙螺旋結構3435堿基配對及氫鍵形成36DNA的三級結構雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成其三級結構，超螺旋是DNA三級結構的主要形式。許多病毒DNA、細菌質(zhì)粒DNA和真核生物的線粒體DNA以及葉綠體DNA，多是由雙螺旋結構的首尾兩端接成環(huán)狀。雙螺旋進一步發(fā)生扭曲形成超螺旋結構。37DNA的三級結構真核細胞核染色質(zhì)中DNA雙螺旋纏繞在組蛋白的八聚體上，形成核小體。許多核小體之間由DNA鏈相連，形成串珠狀結構。在串珠狀結構的基礎上，再經(jīng)過幾個層次折疊，將DNA緊密壓縮于染色體中。細胞內(nèi)的DNA主要以超螺旋形式存在，比如，人的DNA在染色體中的超螺旋結構，使DNA分子反復折疊盤繞后共壓縮8400倍左右。38DNA的三級結構真核生物中DNA的三級結構與蛋白質(zhì)有關。和DNA結合的蛋白質(zhì)有組蛋白和非組蛋白。組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩個分子形成八聚體，被兩圈140-145堿基對的DNA所圍繞。形成核小體。H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構。39DNA的三級結構超螺旋40DNA超螺旋結構核小體示意圖41DNA的功能基因：就是DNA大分子的一個片段，有復制、轉錄等主要功能，是生物遺傳繁殖的物質(zhì)基礎。DNA的功能：是儲存遺傳信息，保證每一種生物機體合成它們獨特的蛋白質(zhì)和RNA，使機體按一定時間和空間順序來合成細胞成分,作為生物遺傳信息復制的模版和基因轉錄的模版。一個生物體的全部基因序列稱為基因組。42生物體內(nèi)DNA的大小43第五節(jié)RNA的空間結構RNA由一條多核苷酸鏈組成，經(jīng)卷曲盤繞可形成局部雙螺旋二級結構和三級結構RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的雙螺旋結構。RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。44動物細胞內(nèi)主要RNA的種類及功能45轉運tRNA、核糖體rRNA及信使mRNA

結構特點在RNA分子的多核苷酸鏈中也能形成與DNA相類似的螺旋區(qū)，這是由單鏈自身回折，使鏈內(nèi)可配對的堿基（A-U,G－G）相遇形成氫鍵（A－U堿基對），使該部分扭轉形成螺旋。但其螺旋結構與DNA的略有不同，堿基既不彼此平行，也不垂直于螺旋的軸。這是因為在核糖的2‘位置上多出的氧原子的大部分伸入到結構的密集部位所致。46tRNA的結構特點tRNA分子中含有較多的稀有堿基：DHU、ψ和mG、mA等所有的tRNA均是線性多核苷酸鏈，局部片斷由于堿基互補而形成局部雙螺旋區(qū)，而非互補區(qū)則形成環(huán)狀結構。整個tRNA的二級結構呈現(xiàn)三葉草結構tRNA中的3個環(huán)分別是DHU環(huán)、TψC環(huán)和反密碼環(huán)tRNA的三級結構呈現(xiàn)倒L型，一端為氨基酸臂，另一端為反密碼子47tRNA的二級結構—三葉草型結構五部分：氨基酸接受臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)：之間差異較大，是分類的指標。TψCG

環(huán)48tRNA三葉草模型tRNA倒L形三級結構49二、RNA的三級結構氨基酸接受臂與反密碼子環(huán)分別位于兩端；分子上有兩個雙螺旋區(qū)；構象靠非螺旋區(qū)的堿基之間的氫鍵維持。50tRNA的三級結構tRNA的三級結構均呈倒L字母形，其3’末端含CAA-OH的氨基酸臂位于一端，反密碼環(huán)位于另一端。tRNA的三級結構的穩(wěn)定力是核苷酸之間的各種氫鍵。51tRNA的功能tRNA活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯攜帶蛋白質(zhì)合成所需的氨基酸，并找mRNA上的密碼順序“對號入座”地將其轉運到mRNA分子上。52tRNA的三級結構

均為倒L型53第六節(jié)核酸的理化性質(zhì)及分離提純核酸（DNA和RNA）是大分子化合物，且都是極性化合物，一般都溶于水，不溶于乙醇、氯仿、乙醚等有機溶劑。RNA和核苷酸的純品都是白色粉末或結晶，DNA是白色類似石棉樣的纖維狀物。除肌苷酸和鳥苷酸具有鮮味外，核酸和核苷酸大都呈酸味。54一、核酸的理化性質(zhì)(一)核酸的分子大小1.核酸是分子量很大的高分子化合物。2.高分子溶液比普通溶液黏度要大得多，由于DNA分子極為細長，因此即使是極稀的溶液也有極大的黏度，RNA的黏度要小得多55（二）核酸的酸堿性質(zhì)1.核酸和蛋白質(zhì)一樣，也是兩性電解質(zhì)，在溶液中發(fā)生兩性電離。因磷酸基的酸性比堿基的堿性強，故其等電點偏于酸性。2.利用核酸的兩性解離能進行電泳，3.核酸中的酸性基團可與K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金屬離子結合成鹽。4.當向核酸溶液中加入適當鹽溶液后，其金屬離子即可將負離子中和。5.DNA雙螺旋兩條鏈間堿基的解離狀態(tài)與溶液pH有關，溶液的pH將直接影響堿基對之間氫鍵的穩(wěn)定性，在pH4.0～11.0之間DNA最為穩(wěn)定56（三）核酸的紫外吸收特性

1、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，可以作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。2、以A260/A280進行定性、定量3、DNA和RNA溶液中加入溴化乙錠（EB），在紫外下發(fā)出熒光5758（四）核酸的變性1、穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結構破壞，變成單鏈結構的過程。核酸的的一級結構(堿基順序)保持不變。2、變性表征生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應）3、變性因素pH（>11.3或<5.0）；變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）；低離子強度；加熱59（五）核酸的復性與雜交1、復性：因變性而解開的兩條單鏈，在溫度緩慢下降時重又聚合成雙鏈結構的過程，復性在實驗技術