第二章 核酸的化學(xué)

第二章核酸的化學(xué)

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核酸通論●

核酸的化學(xué)組成●

DNA的結(jié)構(gòu)與功能●

RNA的結(jié)構(gòu)與功能●

核酸的理化性質(zhì)及其應(yīng)用●核酸的序列測定

第一節(jié)核酸通論（一）核酸的研究簡史（二）核酸的種類與分布（三）核酸的生物功能第二節(jié)核酸的化學(xué)組成核酸的水解產(chǎn)物：※核苷是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮合而生成的化合物?！诖蠖鄶?shù)情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的C1’β-羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進(jìn)行縮合，故生成的化學(xué)鍵稱為β，N糖苷鍵。

腺苷(AR)脫氧胞苷(dCR)β1’,N9-糖苷鍵β1’,N1-糖苷鍵β1’β1’N9N1※

核苷酸是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸(RNA)和脫氧核糖核苷酸(DNA)兩大類?！?/p>

由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。最常見者為5’-核苷酸（5’常被省略）。

核苷酸的性質(zhì)●

紫外吸收特性

核苷酸的堿基具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)，在260nm左右有強(qiáng)吸收峰。●

核苷酸的等電點(diǎn)●

堿基的性質(zhì)影響核苷酸的解離度

pH3.5時，電泳速度：UMP>GMP>AMP>CMP※一分子的核苷酸的3’-位羥基與另一分子核苷酸的5’-位磷酸基通過脫水可形成3’,5’-磷酸二酯鍵，從而將兩分子核苷酸連接起來。

第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能一、DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序及連接方式。

※脫氧核糖核苷酸：dAMP、dGMP、dCMP和dTMP；※化學(xué)鍵：3’,5’-磷酸二酯鍵※核酸具有方向性的長鏈狀化合物，多核苷酸鏈的兩端，一端稱為5’-端，另一端稱為3’-端。●

DNA與RNA的組成主要差異知識補(bǔ)充：二、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

二級結(jié)構(gòu)：DNA的兩條多聚核苷酸鏈間通過氫鍵形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的一種重要形式，它是Watson和Crick兩位科學(xué)家于1953年提出來的一種結(jié)構(gòu)模型。（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景：

1950～1953，Chargaff研究小組對DNA的化學(xué)組成進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：①DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，差異越大；②相同物種，不同組織器官中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；③DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。這一規(guī)律被稱為Chargaff原則。1953年由Wilkins研究小組完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。

（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)：目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A、B、Z型等數(shù)種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。

B型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特征

堿基配對及氫鍵形成B型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.為右手反平行雙螺旋；2.主鏈位于螺旋外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)；3.兩條鏈間存在堿基互補(bǔ)：A與T或G與C配對形成氫鍵，稱為堿基互補(bǔ)原則（A與T為兩個氫鍵，G與C為三個氫鍵）；4.螺旋的穩(wěn)定因素為氫鍵和堿基堆積力；5.螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2nm。

三、DNA的三級結(jié)構(gòu)（一）原核生物DNA的三級結(jié)構(gòu)：絕大多數(shù)原核生物的DNA都是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋。如果再進(jìn)一步盤繞則形成麻花狀的超螺旋三級結(jié)構(gòu)。

三級結(jié)構(gòu):DNA雙鏈進(jìn)一步扭曲和折疊形成的構(gòu)象。

※超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。（二）真核生物中的核小體結(jié)構(gòu)：在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質(zhì)八聚體進(jìn)行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結(jié)構(gòu)，稱為核小體。核小體結(jié)構(gòu)屬于DNA的三級結(jié)構(gòu)。四、DNA和基因

（一）相關(guān)概念

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DNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復(fù)制以及基因信息的轉(zhuǎn)錄提供模板。

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基因（gene）：DNA分子中具有特定生物學(xué)功能的片段。

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基因組（genome）：一個生物體的全部DNA序列。

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結(jié)構(gòu)基因：為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因。

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調(diào)節(jié)基因：只有調(diào)節(jié)功能并不轉(zhuǎn)錄生成RNA的片段。（二）原核生物基因組的特點(diǎn)●

基因組較小，通常只有一個環(huán)形或線形的DNA分子?！?/p>

基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，基因之間的間隔序列很短。●

功能相關(guān)的基因常串聯(lián)在一起，由共同的調(diào)控元件調(diào)控，形

成操縱子?！?/p>

基因重疊現(xiàn)象。（生物界普遍存在）

（三）真核生物基因組的特點(diǎn)

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基因組較大一般由多條線形的染色體（DNA）構(gòu)成，每個DNA分子有多個復(fù)制起點(diǎn)?！?/p>

不存在操縱子結(jié)構(gòu)●

有重復(fù)序列(1)單拷貝序列：只出現(xiàn)一次或幾次，主要是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。如珠蛋白、卵清蛋白等。(2)中度重復(fù)序列：可重復(fù)幾十到幾千次，如rRNA基因、tRNA基因等。(3)高度重復(fù)序列：可重復(fù)幾百萬次，一般位于異染色質(zhì)上。如衛(wèi)星DNA等?！?/p>

衛(wèi)星DNA（satelliteDNA):又稱隨體DNA。因?yàn)檎婧思?xì)胞DNA的一部分是不被轉(zhuǎn)錄的異染色質(zhì)成分，其堿基組成與主體DNA不同，因而可用密度梯度沉降技術(shù)如氯化銫梯度離心將它與主體DNA分離。衛(wèi)星DNA通常是高度串聯(lián)重復(fù)的DNA。104bpfragmentCsClgradientcentrifugationSequenceinsatelliteDNASeacrab2ATATAT…..Drosophila5ATAATATAAT…..Mouse9GAAAAATGAGAAAAATGAbpofrepeatunit

sequenceProkaryoteEukaryote(GC%)42413455MouseCalf●

有斷裂基因

內(nèi)含子的存在使真核生物基因成為不連續(xù)的基因或斷裂基因。內(nèi)含子(intron)：基因中不編碼的居間序列。外顯子(exons)：基因中的編碼序列。斷裂基因：基因中的堿基序列能夠斷續(xù)的在成熟的蛋白質(zhì)中找到其相應(yīng)的AA，電鏡顯示這種基因和它的成熟mRNA只能形成帶泡的雜交分子?！?/p>

采用分子雜交與電鏡技術(shù)相結(jié)合的手段研究斷裂基因的結(jié)構(gòu)。第四節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能●

RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)?！馬NA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化?！?/p>

主要的RNA種類有mRNA、tRNA、rRNA、hnRNA、snRNA、asRNA、scRNA等。一、mRNA的結(jié)構(gòu)與功能●mRNA約占細(xì)胞總RNA的3%-5%，代謝活躍，壽命較短。（原核:2-5min，真核:3h）●mRNA在真核生物中的初級產(chǎn)物(不均一的mRNA)稱為hnRNA?！翊蠖鄶?shù)真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鳥苷三磷酸（m7GTP）帽子結(jié)構(gòu)和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結(jié)構(gòu)。

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DNA的均一性，有二種含義：DNA分子中堿基組成的均一性；DNA分子的組成均一性。真核生物mRNA5’-端帽子結(jié)構(gòu)真核生物mRNA3’-端的polyA結(jié)構(gòu)●

mRNA分子中帶有遺傳密碼，其功能是為蛋白質(zhì)的合成提供模板。●mRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)翻譯合成時代表一個特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體稱為遺傳密碼（coden）。原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的比較□真核生物mRNA與原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

※真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在；原核生物mRNA常以多順反子的形式存在?！婧松飉RNA具有5′端帽子結(jié)構(gòu)（m7G），具有3′端聚腺苷酸尾巴；原核生物mRNA不具有此特點(diǎn)，但具有SD序列。※真核生物mRNA的半壽期較長；原核生物mRNA半壽期很短?！?/p>

SD序列：存在于原核生物起始密碼子AUG上游7~12個核苷酸處的一種4~7個核苷酸的保守片段（AGGAGGU），它與16SrRNA3’端反向互補(bǔ)，所以可將mRNA的AUG起始密碼子置于核糖體的適當(dāng)位置以便起始翻譯作用。（一）tRNA的二級結(jié)構(gòu)：●

tRNA的二級結(jié)構(gòu)由于局部雙螺旋的形成而呈現(xiàn)“三葉草”形，故稱為“三葉草”結(jié)構(gòu)?！?/p>

tRNA的二級結(jié)構(gòu)包括：

四環(huán)——二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼環(huán)、額外環(huán)、T

C環(huán)

四臂——氨基酸臂、二氫尿嘧啶臂、反密碼子臂、T

C臂。二、tRNA的結(jié)構(gòu)與功能tRNA約占全部RNA的15%，分子量較小在2.5×104左右，一般含有70-90個核苷酸組成。（含有稀有堿基最多的RNA）二級結(jié)構(gòu)：三葉草形---TΨCloop;contactwith5srRNA（ψ為假尿苷）（二）tRNA的三級結(jié)構(gòu)：※

三級結(jié)構(gòu)：

倒“L”形

一端是—CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA；

另一端是反密碼子環(huán)：與mRNA結(jié)合部位

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tRNA的功能：1、解讀mRNA的遺傳信息2、運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸\(yùn)載氨基酸三、rRNA的結(jié)構(gòu)與功能

rRNA是細(xì)胞中含量最多的RNA，占總量的80%。rRNA與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。●在原核生物中，rRNA有三種：5S，16S，23S?！裨谡婧松镏?，rRNA有四種：5S，5.8S，18S，28S?！鮮RNA的功能：

※組成核糖體（蛋白質(zhì)生物合成的場所）※催化肽鍵形成的轉(zhuǎn)移酶活性存在于23SrRNA上※參與tRNA與mRNA的結(jié)合□其他RNA：

●snRNA：核內(nèi)小分子RNA，mRNA加工剪接和成熟。

●snoRNA:核仁小分子RNA，rRNA的切割和修飾。

●asRNA:反義RNA，抑制RNA的加工與翻譯，是原核基因表達(dá)的一種重要調(diào)控方式。

●dsRNA:雙鏈RNA，可誘發(fā)與該RNA高度同源的基因序列的特異性“沉默”。

●siRNA：小分子干擾RNA，由細(xì)胞中較長的外源雙鏈RNA（30個核苷酸以上）降解而成，特異地降解目標(biāo)mRNA。（介導(dǎo)RNAi技術(shù)，即RNA干涉技術(shù)）

●miRNA:微RNA,內(nèi)源性(細(xì)胞發(fā)育過程中產(chǎn)生),降解mRNA。四、核酶

具有自身催化作用的RNA稱為核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，如錘頭結(jié)構(gòu)。第五節(jié)核酸的理化性質(zhì)及其應(yīng)用一、核酸的一般理化性質(zhì)

核酸具有酸性；DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末；都微溶于水，不溶于有機(jī)溶劑。（常用乙醇從溶液中沉淀核酸）（一）核酸的水解（自學(xué)）

1、酸水解：pH＜1,DNA與RNA均水解。對酸的敏感性：糖苷鍵＞磷酸酯鍵嘌呤糖苷鍵＞嘧啶糖苷鍵

2、堿水解：pH13,RNA完全水解，而DNA穩(wěn)定。（常用此性質(zhì)測定RNA的堿基組成或除去溶液中的RNA雜質(zhì)）3、酶水解

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非特異的磷酸二酯酶：

蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸