有機(jī)化學(xué)課件：第17章 核酸

1868年，瑞士?jī)?nèi)科醫(yī)生FriedrichMiescher

從外科醫(yī)院包扎傷口繃帶的膿細(xì)胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物；后來(lái)他又從鮭魚(yú)精子細(xì)胞核中也分離出類(lèi)似物質(zhì)，因而將其命名為核酸(nucleicacid)。

1889年Altman從酵母和動(dòng)物組織中成功提取了核酸；核酸概述1930－40年，Kossel&Levene等確定了核酸的組分：DNA和RNA；

1920－40年代末，Griffith（英國(guó)）和Avery（美國(guó)）的“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)證明DNA是有機(jī)體的遺傳物質(zhì)；1953年Watson(美)和Crick(英)提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成就之一；1990年美國(guó)政府決定出資30億美元正式啟動(dòng)“人類(lèi)基因組計(jì)劃(HGP)”，預(yù)期到2005年拿到人體的全部基因序列（共約30億個(gè)堿基對(duì)全序列）；我國(guó)于1999年7月加入，承擔(dān)約1％的測(cè)序任務(wù)。2002年2月12日,歷時(shí)10載耗資20億美元的人類(lèi)基因組計(jì)劃最終完成,并報(bào)道了99%的人類(lèi)基因組序列。從此,生物學(xué)被重新劃分為前基因組和后基因組兩部分,現(xiàn)為后基因組時(shí)代。后基因組時(shí)代生物科學(xué)的重心，已從揭示生命的遺傳信息，轉(zhuǎn)移到在整體水平對(duì)生物功能進(jìn)行研究的功能基因組學(xué)上。即在整體水平研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及活動(dòng)規(guī)律，包括蛋白質(zhì)的分離鑒別、修飾加工、轉(zhuǎn)運(yùn)定位、結(jié)構(gòu)變化、蛋白質(zhì)分子間和蛋白質(zhì)與其它生物分子間的相互作用等。

核酸是生物體內(nèi)最重要的生物大分子，是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。任何生物體，甚至無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒和噬菌體都含有核酸。核酸在生物的個(gè)體發(fā)育、生長(zhǎng)繁殖、遺傳變異等生命過(guò)程中起著極為重要的作用。第一節(jié)核酸的分類(lèi)和組成一、核酸的分類(lèi)核酸主要存在于細(xì)胞核中，含量占細(xì)胞干重的5～15%。

根據(jù)核酸的化學(xué)組成和生物學(xué)功能分為：

脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid)簡(jiǎn)稱(chēng)DNA

核糖核酸(ribonucleicacid)簡(jiǎn)稱(chēng)RNA核酸脫氧核糖核酸核糖核酸轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸t(yī)RNA信使核糖核酸mRNA核糖體核糖核酸rRNA遺傳信息的載體(DNA)(RNA)遺傳信息傳遞或遺傳信息的載體DNA分布:絕大部分存在于細(xì)胞核染色體中；線粒體和葉綠體中也含有少量DNA。功能:DNA是生物體遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)，能儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息。RNA

信使RNA－mRNA（messengerRNA）把DNA的遺傳信息帶給核糖體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成；轉(zhuǎn)運(yùn)RNA－tRNA

（transferRNA）攜帶和轉(zhuǎn)運(yùn)活性氨基酸，識(shí)別mRNA上的密碼子；核糖體RNA－rRNA

（ribosomalRNA）核糖體的結(jié)構(gòu)成分，核糖體是蛋白質(zhì)合成“機(jī)器”。

分布：細(xì)胞質(zhì)中。功能：三種RNA共同參與蛋白質(zhì)的生物合成。二、核酸的化學(xué)組成2、化學(xué)組成：C、H、O、N、P等1、核酸是生物大分子，分子量從幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)。核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。核酸定量測(cè)定就是以測(cè)定P含量來(lái)代表核酸量的。3、核酸是一種線形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸(nucleotide)。核酸水解核苷酸水解磷酸核苷或脫氧核苷戊糖堿基核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶核苷酸通式表示為：堿基＋戊糖＋磷酸

戊糖

堿基磷酸核苷核苷酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸。RNA的基本組成單位是核糖核苷酸。⒈磷酸(基)

核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性，可與Na+、多胺、組蛋白結(jié)合。核酸中的磷酸參與形成3

,5

-磷酸二酯鍵，使核苷酸連成多核苷酸鏈。核苷酸的組成

核酸中的戊糖：核糖(ribose)

存在于核糖核苷酸脫氧核糖(deoxyribose)

存在于脫氧核糖核苷酸

2.戊糖結(jié)構(gòu)為了與堿基標(biāo)號(hào)相區(qū)別，通常將戊糖的C原子編號(hào)都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。（構(gòu)成RNA）

核糖

（構(gòu)成DNA）脫氧核糖核糖的結(jié)構(gòu)如下：

核苷酸中的堿基均為含氮雜環(huán)化合物，它們分別屬于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤堿(purine)主要是:

腺嘌呤(adenine,A)和鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G);

嘧啶堿(pyrimidine)主要是:

胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)、

胸腺嘧啶(thymine,T)。3.組成核苷酸的堿基嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)堿基結(jié)構(gòu)：含氮雜環(huán)化合物

嘧啶（pyrimydine,

Py）胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)堿基結(jié)構(gòu)嘌呤

嘧啶

堿基腺嘌呤（A）鳥(niǎo)嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有每種核酸都含有四種堿基。RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥(niǎo)嘌呤G腺嘌呤ADNARNA基本單位五碳糖含氮堿基結(jié)構(gòu)主要存在部位顯色反應(yīng)DNA、RNA的主要區(qū)別脫氧核糖核苷酸核糖核苷酸脫氧核糖A,G,C,TA,G,C,U

雙螺旋核糖細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)遇吡羅紅呈紅色遇甲基綠呈綠色單鏈ATGC核酸DNA(脫氧核糖核酸)RNA(核糖核酸)雙鏈脫氧核糖核苷酸單鏈

核糖

核苷酸堿基脫氧核糖磷酸堿基核糖磷酸AUGC課堂小結(jié)

核酸中五種堿基中的酮基和氨基，均位于堿基環(huán)中氮原子的鄰位，可以發(fā)生酮式-烯醇式或氨基-

亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變。這種互變異構(gòu)在基因的突變和生物的進(jìn)化中具有重要作用。

酮式－烯醇

受介質(zhì)pH影響

＋⒈糖苷鍵與核苷嘌呤堿基N-9或嘧啶堿基N-1與戊糖C-1

以N-β-糖苷鍵連接構(gòu)成的分子稱(chēng)為核苷。第二節(jié)核苷和核苷酸的結(jié)構(gòu)及命名⑴存在于RNA中的核苷1′911′⑵存在于DNA中的脫氧核苷⒉磷酸酯鍵與核苷酸⑴核苷與磷酸以磷酸酯鍵連接，形成一磷核苷酸，也稱(chēng)核苷酸。堿基與戊糖之間：糖苷鍵核苷與磷酸之間：磷酸酯鍵NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO5'腺苷酸核苷酸磷酸堿基戊糖⑵根據(jù)磷酸基與戊糖連接位置不同，可以形成：5

-核苷酸3

-核苷酸2

-核苷酸生物體中的核苷酸多為5'-核苷酸。RNA中的核苷酸DNA中的脫氧核苷酸３.酸酐鍵（焦磷酸酯鍵）AMP（一磷酸腺苷）ADP（二磷酸腺苷）ATP

(三磷酸腺苷)αβγADP，腺苷-5

-二磷酸（腺二磷）ATP，腺苷-5

-三磷酸（腺三磷）AMP，腺苷酸ADP，腺苷-5

-二磷酸（腺二磷）ATP，腺苷-5

-三磷酸（腺三磷）焦磷酸酯鍵高能磷酸鍵

水解30kJ·mol-1磷酸酯鍵

水解14kJ·mol-1ATP是生物體內(nèi)的能源庫(kù)，是體內(nèi)所需能量的主要來(lái)源。核苷酸的種類(lèi)核苷一磷酸

核糖核苷一磷酸AMP、GMP、CMP、UMP脫氧核苷一磷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMP核苷二磷酸

核糖核苷二磷酸ADP、GDP、CDP、UDP脫氧核苷二磷酸dADP、dGDP、dCDP、dTDP核苷三磷酸

核糖核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP脫氧核苷三磷酸dATP、dGTP、dCTP、dTTP多磷酸核苷酸：指含兩個(gè)以上磷酸基的核苷酸,如ADP、ATP、GDP、GTP、UDP和UTP等.ATP在細(xì)胞能量代謝上起著極其重要的作用。

UTP參與糖原合成作用以供給能量,

UDP有攜帶轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的作用。

GDP和GTP為蛋白質(zhì)生物合成的起始和延伸提供能量四、核苷酸的功能作為核酸的單體細(xì)胞中的攜能物質(zhì)（如ATP、GTP）酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分細(xì)胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP）第三節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)二、DNA的空間結(jié)構(gòu)和功能三、RNA的結(jié)構(gòu)和功能一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義:由核苷酸按一定的數(shù)目、比例和特定的排列順序，通過(guò)3′,5′-磷酸二酯鍵連接而成的多核苷酸長(zhǎng)鏈。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱(chēng)為堿基序列。5′端3′端CGA一個(gè)核苷酸3

－OH

與另一個(gè)核苷酸5

－H3PO4

脫水形成3

,5

－磷酸二酯鍵核苷酸通過(guò)3

,5

－磷酸二酯鍵相連形成的大分子多核苷酸鏈就是核酸。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱(chēng)為堿基序列。方向從5

-端向3

-端字符式：用A、T、G、C、U代表堿基，用P代表磷酸殘基。核酸分子中的糖基、糖苷鍵和酯鍵等均省略不寫(xiě)，將堿基和磷酸相間排列即可。核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的書(shū)寫(xiě)方法：簡(jiǎn)寫(xiě)式中：出現(xiàn)T為DNA鏈，出現(xiàn)U為RNA鏈。以5

和3

表示鏈的末端及方向，分別置于簡(jiǎn)寫(xiě)式左右二端。

5

pApCpTpTpGpApApCpGOH3

DNA5

pApCpUpUpGpApApCpCOH3

RNA簡(jiǎn)化為：5

pACTTGAACG3

DNA5

pACUUGAACG3

RNA簡(jiǎn)寫(xiě)式的5

-末端均含有一個(gè)磷酸殘基（與糖基的C-5

位上的羥基相連），3

-末端含有一個(gè)自由羥基（與糖基的C-3

位相連）。線條式：以豎線和斜線分別表示糖基和磷酸酯鍵。糖基的C-3

位糖基的C-5

位字母式pppppATGCA

OH5′3′RNA:5′UGCCA3′多核苷酸鏈的簡(jiǎn)寫(xiě)式：DNA:5′dpApTpGpCpA-OH3′

或5′ATGCA3′線條式縮寫(xiě)字母式縮寫(xiě)ATGCAUGCCA5′→3′

堿基序列從左到右表示5

—3

，由3

,5

磷酸二酯鍵連接。若兩鏈反向平行，則需注明每條鏈的走向。如：

5

A-T-G-C-C-T-G-A3

3

T-A-C-G-G-A-C-T5

讀向二、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)它必須能夠攜帶遺傳信息能夠自我復(fù)制傳遞遺傳信息能夠讓遺傳信息得到表達(dá)以控制細(xì)胞活動(dòng)并且能夠突變并保留突變

DNA應(yīng)該有什么樣的結(jié)構(gòu)，才能擔(dān)當(dāng)遺傳的重任？

這4點(diǎn)，缺一不可，如何建構(gòu)一個(gè)DNA分子模型解釋這一切？

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)：

chargaff

規(guī)則

A＝TG＝C；A/T＝G/C=1

堿基的理化性質(zhì)分析

A－TG－C以氫鍵配對(duì)較為合理

DNA的X衍射分析

DNA分子為線性雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA的堿基組成—Chargaff規(guī)則（1）DNA有獨(dú)特的堿基組成，有物種差異性，無(wú)組織、器官差異性；（2）DNA的堿基組成不受個(gè)體、年齡、營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境影響；（3）不同生物種屬DNA堿基組成均存在以下關(guān)系：A=T,G＝C；A/T＝G/C=1，A+G=T+C即：嘌呤堿數(shù)目總和=嘧啶堿數(shù)目總和

這一規(guī)律暗示A與T，C與G相互配對(duì)的可能性。DNANa鹽纖維X光衍射具有非凡才能的英國(guó)女科學(xué)家Franklin（1920～1958）加盟到威爾金斯小組。她憑著獨(dú)特的思維，設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)方法，1952年5月她獲得了一張清晰的DNA的X光衍射照片。弗蘭克林與威爾金斯提出DNA的結(jié)構(gòu)可能是雙螺旋。

1950年，愛(ài)爾蘭科學(xué)家Wilkins（1916～）研究小組測(cè)定DNA的X射線衍射。提示DNA的整個(gè)結(jié)構(gòu)為螺旋形。威爾金斯（MauriceWilkins）羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind

Franklin)

受此激發(fā)，1953年2月28日沃森和克里克提出了正確的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。1953年4月25日《自然》雜志發(fā)表了他們DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)假說(shuō)的短文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型》（不到1000字）。1953年2月28日，他們用金屬線又制出了新的DNA模型，他們?yōu)樽匀豢茖W(xué)樹(shù)立了一座閃閃發(fā)光的里程碑。沃森（JDWatson，1928--）克里克（FHCCrick，1916～2004）分享1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

DNA的結(jié)構(gòu)，發(fā)表于《自然》171卷(1953)737-738頁(yè))上的插圖

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的歷史意義：揭示了遺傳信息穩(wěn)定傳遞中DNA半保留復(fù)制的機(jī)制；從本質(zhì)上揭示生物遺傳性狀得以世代相傳的分子奧秘；是分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋。一股鏈的走向?yàn)?3，另一股鏈的走向?yàn)?5。2.磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)，堿基垂直于螺旋軸而伸入內(nèi)側(cè)。每圈螺旋含10個(gè)堿基對(duì)

(bp)。3.堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。4.兩條鏈通過(guò)堿基間的氫鍵相連，A對(duì)T有兩個(gè)氫鍵，C對(duì)G有三個(gè)氫鍵，這種A-T、C-G配對(duì)的規(guī)律，稱(chēng)為堿基互補(bǔ)規(guī)律。堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的精髄?。。。。、T配對(duì)2個(gè)氫鍵C、G配對(duì)3個(gè)氫鍵AGTACTCG堿基配對(duì)原則:A＝T,G≡C2.8?3.0?2.9?3.0?2.9?5′3′5′3′

?

?

?2.0nm小溝大溝5′ACTGTAACGT

磷酸脫氧核糖

堿基2.0nm小溝大溝螺旋直徑2nm螺旋周期包含10bp螺距3.4nm相鄰堿基對(duì)平面間距0.34nm雙螺旋表面有兩條溝槽：大溝(主槽)寬1.2nm小溝(次槽)寬0.6nm53355.結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）氫鍵：互補(bǔ)堿基對(duì)之間形成氫鍵；是雙螺旋水平方向作用力，維持雙鏈橫向穩(wěn)定性；

2）堿基堆積力：層層堆積的堿基電子云交錯(cuò)形成的力使雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成強(qiáng)大的疏水核心區(qū)，有利于互補(bǔ)堿基間形成氫鍵，是雙螺旋中垂直方向的作用力，維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。6.影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素

3）離子鍵雙螺旋外側(cè)帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子之間形成離子鍵（鹽鍵），可減少雙鏈間的靜電斥力，對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)也有一定穩(wěn)定作用；

4）堿基分子內(nèi)能分子內(nèi)部無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成的能量，受溫度等外部因素的影響。DNA堿基互補(bǔ)雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義：

自身復(fù)制的功能，根據(jù)堿基配對(duì)和堿基互補(bǔ)原則，通過(guò)復(fù)制可以合成與其一模一樣的DNA分子。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性

多核苷酸鏈中，脫氧核糖的五元環(huán)能折疊成多種構(gòu)象，此外，分子還可繞N-C糖苷鍵以及3‘,5’-磷酸二酯鍵旋轉(zhuǎn)一定的角度，產(chǎn)生新的構(gòu)象，DNA構(gòu)象的這種差異稱(chēng)為多態(tài)性。

Watson和Crick所描述的DNA雙螺旋構(gòu)象為B型DNA，另外還有A型、C型和Z型等構(gòu)象的DNA，一定條件下B型可轉(zhuǎn)變?yōu)锳型或C型。A-DNAB-DNAZ-DNA三、RNA的結(jié)構(gòu)（一）RNA的基本結(jié)構(gòu)（二）tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（三）RNA的功能1.轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)：蛋白質(zhì)合成時(shí)攜帶活化氨基酸

3.核糖體RNA(rRNA):

與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成核糖體,蛋白

質(zhì)合成場(chǎng)所2.信使RNA(mRNA)：蛋白質(zhì)合成中起模板作用RNA分類(lèi)（一）RNA的基本結(jié)構(gòu)RNA為直線型多核苷酸鏈，鏈間也是以3

,5

-磷酸二酯鍵彼此連接起來(lái)。

RNA的堿基組成沒(méi)有DNA那樣的規(guī)律，大多數(shù)天然RNA分子是一條單鏈，其可發(fā)生分子自身回折，而使互補(bǔ)堿基區(qū)形成局部雙螺旋區(qū)，不能配對(duì)的堿基區(qū)域則形成突環(huán)，形成類(lèi)似發(fā)夾式結(jié)構(gòu)。RNA雙鏈部分的堿基配對(duì)原則：

A＝U,G≡

C存在形式:

單股多核苷酸鏈(主），部分雙鏈（次）5′3′ACGUA（二）tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)辨認(rèn)并結(jié)合氨基酰tRNA合成酶攜帶氨基酸識(shí)別mRNA上的密碼識(shí)別并結(jié)合核蛋白體三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)：四臂三環(huán)氨基酸臂反密碼子臂和反密碼子環(huán)TψC臂和TψC環(huán)二氫尿嘧啶臂和二氫尿嘧啶環(huán)(D臂和D環(huán))（三）RNA的功能1.RNA在傳遞遺傳信息方面發(fā)揮重要作用2.具有生物催化功能3.在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中起重要調(diào)控作用；4.可作為遺傳物質(zhì)（如逆轉(zhuǎn)錄病毒）;RNA即可為遺傳物質(zhì)，又可行使蛋白質(zhì)的功能，故RNA在生命起源和生物進(jìn)化的研究中有重要意義DNA:主要的遺傳物質(zhì)，主要存在于細(xì)胞核；通過(guò)復(fù)制傳遞遺傳信息給子代；通常為雙鏈；