第二章 核酸化學

劉新文北京大學醫(yī)學部生物化學與分子生物學系第二章核酸化學NucleicAcids第一節(jié)概述核酸(nucleicacid)

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。

DNA（Deoxyribonucleicacid)脫氧核糖核酸

RNA（Ribonucleicacid)核糖核酸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1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975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一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展二、核酸的分類及分布、功能(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。分布于胞核、胞液。攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第二節(jié)核酸的分子組成一、元素組成主要元素組成：C、H、O、N、P(9~11%)與蛋白質比較，核酸一般不含S，而P的含量較為穩(wěn)定，占9-11%。

二、基本構成單位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由戊糖、磷酸和含氮堿三部分構成戊糖堿基胺式

亞胺式互變異構酮式烯醇式互變異構堿基的結構特征嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260nm左右）。核苷nucleoside糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵。核糖核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR核苷酸(ribonucleotide)的結構與命名核苷和磷酸以磷酸酯鍵連接稀有核苷酸修飾成分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(chǎn)物。2、稀有核苷酸：稀有堿基/核苷/核苷酸3、核苷酸的其他形式多磷酸核苷（NDP、NTP)環(huán)化核苷酸（cAMP、cGMP等）輔酶或輔基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP），活性代謝物（UDPG、CDP-膽堿，等）

1、核苷酸的組成：含氮堿基、戊糖和磷酸。ATP的性質ATP分子的最顯著特點是含有兩個高能磷酸鍵。ATP水解時,可以釋放出大量自由能。ATP是生物體內(nèi)最重要的能量轉換中間體。ATP水解釋放出來的能量用于推動生物體內(nèi)各種需能的生化反應。ATP也是一種很好的磷?；瘎?。磷酰化反應的底物可以是普通的有機分子，也可以是酶。磷?；牡孜锓肿泳哂休^高的能量（活化分子），是許多生物化學反應的激活步驟。cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-環(huán)化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-環(huán)化鳥苷酸)的主要功能是作為細胞的第二信使。cAMP和cGMP的環(huán)狀磷酯鍵是一個高能鍵。在pH7.4,cAMP和cGMP的水解能約為43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。第三節(jié)核酸的分子結構一、一級結構（primarystructure）一級結構是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。核苷酸的排列順序代表了遺傳信息。1、核苷酸的連接方式：3

,5

磷酸二酯鍵2、核酸的基本結構形式：多核苷酸鏈信息量：4n末端：5

端、3

端多核苷酸鏈的方向：5ˊ端→3ˊ端(由左至右)3、表示方法：結構式、線條式、文字縮寫堿基組成分析——Chargaff

規(guī)則：[A]=

[T]；[G]

[C]堿基的理化數(shù)據(jù)分析：A-T、G-C以氫鍵配對較合理

DNA纖維的X-線衍射圖譜分析DNA雙螺旋結構的研究背景二、DNA的空間結構（一）DNA的二級結構（secondarystructure）1、堿基組成規(guī)則(Chargaff規(guī)則)[A]=[T]，[G]=[C]；

[A]+[G]=[T]+[C](嘌呤與嘧啶的總數(shù)相等)有種屬特異性無組織、器官特異性不受年齡、營養(yǎng)、性別及其他環(huán)境等影響

DNA分子由兩條DNA單鏈組成。DNA的雙螺旋結構是分子中兩條DNA單鏈之間基團相互識別和作用的結果。雙螺旋結構是DNA二級結構的最基本形式。

DNA雙螺旋結構的特點doublehelixmodelDNA雙螺旋結構的要點（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為5′端→3′端，而另一條鏈的方向為3′端→5′端。（2）嘌呤和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90°角。（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉一圈的高度）為3.4nm。（4）維持兩條DNA鏈相互結合的力是鏈間堿基對形成的氫鍵。堿基結合具有嚴格的配對規(guī)律:A與T結合，G與C結合，這種配對關系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。（5）螺旋表面形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質識別DNA堿基序列的基礎。（6）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。（二）二級結構：雙螺旋結構模型(doublehelixmodel)1、Watson-Crick雙螺旋結構模型(B-DNA)（1）反平行雙鏈：脫氧核糖-磷酸骨架位于外側，堿基對位于內(nèi)側（2）堿基互補配對：AT配對（兩個氫鍵），GC配對（三個氫鍵）；堿基對平面垂直縱軸（3）右手雙螺旋：螺距為3.4nm，直徑為2.0nm，10bp/圈（4）表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質識別DNA堿基序列的基礎

（5）維持結構穩(wěn)定的力量：氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定3、其他螺旋形式

Z-DNA（左手雙螺旋）

A-DNADNAdoublehelix類型helixtypebp/turnrotation/bpverticalrise/bphelicaldA11+34.72.56A23A

B10+34.03.38A19AC9.33+38.63.32A19AZ12-30.05.71A18ADNA雙螺旋的穩(wěn)定性DNA雙螺旋結構在生理條件下很穩(wěn)定。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵，堿基堆積力。雙螺旋結構內(nèi)部形成的疏水區(qū)，消除了介質中水分子對堿基之間氫鍵的影響；介質中的陽離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團的負電荷，降低了DNA鏈之間的排斥力等。改變介質條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。天然存在的DNA分子最顯著的特點是很長，分子質量很大，一般在106～1010。大腸桿菌染色體由400萬堿基對(basepair，bp)組成的雙螺旋DNA單分子。其長度為1.4×106nm，相當于1.4mm，而直徑為20nm，相當原子的大小。黑腹果蠅最大染色體由6.2×107bp組成，長2.1cm多瘤病毒的DNA由5100bp組成

，長1.7mm（二）DNA的三級結構雙螺旋進一步扭曲,形成一種比雙螺旋更高層次的空間構象。包括：線狀DNA形成的紐結、超螺旋和多重螺旋、環(huán)狀DNA形成的結、超螺旋和連環(huán)等大多數(shù)原核生物：1）共價封閉的環(huán)狀雙螺旋分子2）超螺旋結構：雙螺旋基礎上的螺旋化正超螺旋(positivesupercoil):盤繞方向與雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil):盤繞方向與雙螺旋方向相反（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝核小體(nucleosome)：由DNA和組蛋白構成。DNA：以負超螺旋纏繞在組蛋白上組蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4H1組蛋白在核小體之間DNA的存在形式（三）DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、RNA的分子結構RNA的結構特點RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(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，則形成單鏈突環(huán)。這種結構稱為“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.（一）信使RNA的結構與功能*真核生物mRNA的結構特點1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA

外顯子(exon)*真核生物mRNA成熟過程mRNA核內(nèi)向胞質的轉位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調控帽子結構和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞細胞質細胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞（二）tRNA的結構與功能*

tRNA的一級結構特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為-CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

C雙氫尿嘧啶(DHU)假尿嘧啶()次黃嘌呤(I)*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的功能：活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。1、分子較小，含較多的稀有堿基和非標準堿基配對2、5’端一般為鳥嘌呤核苷酸，3’端為CCA-OH3’。3、二級結構為“三葉草”型（cloverleafpattern）小結反密碼環(huán)：反密碼環(huán)中部的三個堿基可以與mRNA的三聯(lián)體密碼形成堿基互補配對，解讀遺傳密碼，稱為反密碼子（anticodon）。I常出現(xiàn)于反密碼子中ACCDHU環(huán)T

環(huán)反密碼環(huán)5’額外環(huán)氨基酸臂：3`末端的CCA-OH3`單鏈用于連接該tRNA轉運的氨基酸。

二氫尿嘧啶環(huán)（DHU）：識別氨酰-tRNA合成酶TΨC環(huán)：識別核蛋白體（核糖體）4、“倒L”型三級結構（三）rRNA的結構與功能原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質31種占總重量的30%49種占總重量的35%核蛋白體的組成*rRNA的功能:組成核蛋白體，作為蛋白質合成的場所。（四）其他小分子RNA及RNA組學除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs),或非編碼蛋白質的RNA(non-codingRNA,ncRNA)。種類：核內(nèi)小RNA；核仁小RNA；胞質小RNA；催化性小RNA；小片段干涉RNA功能：參與hnRNA和rRNA的加工和轉運。ncRNA在在基因表達以及應激信號傳導等方面起著重要的調節(jié)作用。因此，有人也將其稱為調節(jié)RNA（regulatoryRNA）。小片段干擾RNA（siRNA；又稱“引導RNAs”，guideRNAs）：一些小的雙鏈RNA可以高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因表達，促使mRNA降解，誘使細胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型，稱為RNA干擾（RNAinterference，RNAi，也譯作RNA干預或干涉）。它是體內(nèi)抵御外在感染的一種重要保護機制。RNAi的作用機制：包括起始階段和效應階段。（1）在起始步驟，生物宿主將外源基因表達的雙鏈RNA進行切割，產(chǎn)生具有特定長度（19-21nt）和序列的小片段RNA；（2）在RNAi效應階段，siRNA雙鏈結合一個核酶復合物從而形成所謂RNA誘導沉默復合物（RISC）。激活RISC需要一個ATP依賴的將siRNA解雙鏈的過程。激活的RISC通過堿基配對定位到同源mRNA轉錄本上，并在距離siRNA3'端12個堿基的位置切割mRNA。RNA組學研究細胞中snmRNAs的種類、結構和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。RNA組學:第四節(jié)核酸的理化性質一、酸性化合物

兩性解離，但酸性強電泳行為——泳向正極（pH7-8）二、高分子性質粘度DNA>RNA

超離心沉降凝膠過濾分子大小單位：分子量（道爾頓，D）、堿基對數(shù)目（bp）、離心沉降常數(shù)（S）

沉淀行為——加鹽（中和電荷）；乙醇紫外吸收1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg