第3章 核酸的化學

第三章核酸的化學1核酸的化學組成2核酸的結(jié)構(gòu)3核酸的理化性質(zhì)4核酸類物質(zhì)的制備核酸的化學【學習目標】

掌握核酸的定義、分類、分布以及生物學功能，DNA、RNA分子組成的異同點，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點，tRNA二級結(jié)構(gòu)的特點。熟悉核酸的紫外吸收、變性、復性及分子雜交。了解核酸的分離純化、含量測定等方法?！局攸c難點】

核酸的分類、功能及分子組成；DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)特點；tRNA的三葉草型結(jié)構(gòu)特點。

1868年，F(xiàn).Miescher從膿細胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。1953年，Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1944年，O.Avery等通過轉(zhuǎn)化實驗證實核酸是遺傳物質(zhì)。重要事件1952年，A.D.Hershey和M.ChaseT2噬菌體實驗再次證實DNA是遺傳物質(zhì)。第一節(jié)核酸的化學組成

核酸（Nucleicacid）是一類廣泛存在于各種生物體內(nèi)的重要生物大分子，擔負著生命信息的儲存與傳遞。——遺傳信息的儲存和傳遞DeoxyribonucleicAcid——信息的傳遞和轉(zhuǎn)錄，直接參與蛋白質(zhì)合成RibonucleicAcid核酸分為：脫氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）分布情況細胞核內(nèi)：98％（染色體中）真核細胞核外：線粒體（mDNA）、葉綠體（ctDNA）DNA擬核原核擬核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒（HBV、皰疹病毒等）

細胞質(zhì)中：90%tRNArRNAmRNA其它RNA病毒：RNA病毒（SARS、HIV、TMV、流感病毒）一、元素組成基本元素：C、H、O、N、P等

兩個特點：①一般不含S元素。②P含量較多且比較恒定（9%～10%）。常用定磷法進行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）二、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位——核苷酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解堿基RNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥嘌呤G腺嘌呤ADNA堿基稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、7-甲基鳥嘌呤、6-甲基腺嘌呤等嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶等均為基本堿基的化學修飾型。戊糖DNARNA

核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。

核酸中的磷酸參與形成3’，5’-磷酸二酯鍵，使核苷酸連接成多核苷酸鏈。磷酸核苷酸的形成過程核苷

戊糖與嘌呤或嘧啶堿以C-N糖苷鍵連接而形成的糖苷就稱為核苷（nucleoside）。通常是戊糖的C1’與嘌呤堿的N9或嘧啶堿的N1相連。核苷酸

核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵相連接分別構(gòu)成核苷酸（NMP）（nucleotide）或脫氧核苷酸（dNMP）。通常是戊糖的C5’-OH與磷酸基團相連。核苷酸的形成過程磷酸堿基戊糖OHOHOHONNH2NOOO-P-OCMP1.繼續(xù)磷酸化三、核苷酸的衍生物CDPOO-P-OCTPOO-P-OHOHOHONNH2NOOO-P-OdCMPdCDPOO-P-OOO-P-OdCTPAMPADPATPATP是生物體內(nèi)能量的通用貨幣。2.環(huán)化磷酸化

被稱為第二信使，有放大激素的作用，在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用。3.輔酶類衍生物輔酶Ⅰ（NAD+）輔酶Ⅱ（NADP+）FMNFAD輔酶A(CoA-SH)腺嘌呤核苷酸＋尼克酰胺核苷酸黃素單核苷酸＋腺嘌呤核苷酸3’－腺苷酸＋5’－焦磷酸＋氨基乙硫醇＋泛酸參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝參與生物氧化過程第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)一、核酸的一級結(jié)構(gòu)

一個核苷酸分子的C3’-OH與另一個核苷酸分子的5’-磷酸基團脫水縮合形成的磷酸二酯鍵稱為3’,5’-磷酸二酯鍵。5’5’3’3’+①5’-磷酸端（常用5’-P表示）；3’-羥基端（常用3’-OH表示）②多聚核苷酸鏈具有方向性，當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’。

多核苷酸鏈是幾十個以上的核苷酸分子通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。

磷酸與戊糖C5’相連，稱為5’-磷酸末端（5’-端）。戊糖C3’上連有羥基，稱為3’-磷酸末端（3’-端）。核苷酸一級結(jié)構(gòu)的表示方法結(jié)構(gòu)式P-P-PC

S

P

GSP

ASP

TSP

TSOH5

3

pGpCpTpApG-C-T-ApGCTA線條式字母式

核酸的一級結(jié)構(gòu)是指在多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。由于各種核酸由戊糖－磷酸連成的長鏈骨架相同，堿基排列順序不同，因而可將堿基的排列順序稱為核酸的一級結(jié)構(gòu)。二、核酸的空間結(jié)構(gòu)(一)、DNA分子的空間結(jié)構(gòu)(二)、RNA分子的空間結(jié)構(gòu)1、DNA的二級結(jié)構(gòu)Chargaff法則①對于所有DNA分子，A=T，G=C，A+G=T+C。②不同種屬的4個堿基組成和排列順序有差異，但同一種屬不同組織的堿基組成無差異，即堿基組成沒有組織和器官的特異性。(一)、DNA分子的空間結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點①DNA分子由兩條反向平行的互補多核苷酸鏈圍繞一個假想的中心軸形成右手螺旋結(jié)構(gòu)。一條鏈的走向為5’→3’，另一條為3’→5’。兩條鏈上的堿基之間以氫鍵相連，形成堿基對。堿基互補配對，A=T，G≡C。H-bondPyrimidinesNNH2NOCNNOOHUNNOOHCH3TH-bondPurinesH2NNNNNAHGNNNH2NON腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶

DNA雙鏈依靠A-T、G-C的配對關(guān)系互相結(jié)合。②雙鏈結(jié)構(gòu)中，脫氧核糖-磷酸形成骨架位于螺旋外側(cè)，而堿基堆積于內(nèi)側(cè)。堿基平面與中心軸垂直，糖環(huán)平面幾乎與堿基平面成直角。③DNA雙螺旋為右手螺旋。雙螺旋的平均直徑為2nm，每個堿基平面之間的距離為0.34nm。螺旋每旋轉(zhuǎn)一周包含10對堿基，螺距為3.4nm。相鄰核苷酸的夾角為36°，并形成大溝和小溝。

雙螺旋中的大溝對于DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合時的相互識別很重要，在溝內(nèi)可以辨認堿基的順序。模擬DNA雙螺旋（藍色）大溝中結(jié)合著肽（紅色）④DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素

．堿基堆積力（主要因素）是雙螺旋中垂直方向的作用力

︰氫鍵

為雙螺旋中水平方向的作用力∴離子鍵

磷酸基團上的負電荷與介質(zhì)中的陽離子或陽離子化合物之間所形成的鹽鍵。①

A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。②

B-DNA螺旋：DNA在92%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。標準的右手雙螺旋，細胞正常狀態(tài)下DNA存在的構(gòu)型。③

Z-DNA螺旋：左手螺旋，這種螺旋可能在基因表達的調(diào)控中起作用。DNA雙螺旋的類型類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對數(shù)目堿基對間垂直距離（nm）堿基對與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7oB-DNA&Z-DNA2、DNA的三級結(jié)構(gòu)定義：DNA雙螺旋進一步扭曲形成的更高層次的空間結(jié)構(gòu)，也就是比雙螺旋更為復雜的構(gòu)象。DNA的三級結(jié)構(gòu)主要是指雙螺旋進一步螺旋形成的超螺旋（麻花狀）。原核生物及真核生物細胞器環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)質(zhì)粒染色體局部解鏈松弛環(huán)形負超螺旋松弛環(huán)形負超螺旋固定負超螺旋自然界通常為負超螺旋。環(huán)狀DNA右旋

超螺旋真核細胞染色體的DNA串珠狀（線形）三級結(jié)構(gòu)核小體形成核小體真核細胞染色體的DNA串珠狀（線形）三級結(jié)構(gòu)2、RNA分子的空間結(jié)構(gòu)①堿基組成為A、G、C、U（A＝U，G≡C）。稀有堿基或修飾堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解。②多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)單鏈回折局部形成螺旋。③分子較小。RNA核糖體RNArRNA（ribosomeRNA）信使RNAmRNA（messengerRNA）轉(zhuǎn)運RNAtRNA（transferRNA）RNA的結(jié)構(gòu)特點：RNA的一級結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP），按一定順序通過3′,5′-磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。RNA的二級結(jié)構(gòu)是短的、不完全螺旋的多核苷酸鏈。（天然RNA并非都是雙螺旋結(jié)構(gòu)，而是單鏈線形分子，只有局部區(qū)域為雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋區(qū)約占RNA分子的50%。）RNA的三級結(jié)構(gòu)是在莖環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步扭曲折疊而成的復雜結(jié)構(gòu)。

這種由單鏈自身折疊形成的結(jié)構(gòu)稱為莖環(huán)結(jié)構(gòu)。莖環(huán)結(jié)構(gòu)是各種RNA共同的二級結(jié)構(gòu)特征。約占細胞總RNA的80%。是核糖核蛋白體的主要組成部分。核糖核蛋白體=RNA＋蛋白質(zhì)，形成大小兩個亞基。核糖體是蛋白質(zhì)合成場所。rRNA核糖體核糖核酸原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s

70s50s16s5s、23s40s

80s60s18s5s、5.8s、28srRNA的分子結(jié)構(gòu)基本上都是由部分雙螺旋與部分突環(huán)相間排列而成。mRNA信使核糖核酸約占細胞總RNA的3%～5%

。真核mRNA由核不均一RNA（hnRNA）剪切而來。在核糖體中作為模板指導蛋白質(zhì)合成。結(jié)構(gòu)特點：

種類多，分子量大小極不均一，平均分子量約50萬，核苷酸殘基數(shù)目從幾百到上萬。

5’端“帽子結(jié)構(gòu)”：真核生物mRNA，5’端為7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸，與蛋白質(zhì)生物合成的起始有關(guān)。

3’端“尾巴結(jié)構(gòu)”：絕大多數(shù)真核生物mRNA，3’端為最長達200個的多聚腺苷酸片段（polyA）。

真核生物mRNA一般為單順反子（即為編碼一條多肽鏈的mRNA）。polyA的功能：1、與mRNA從細