生物化學-2核酸化學

1、第二章第二章 核酸的化學核酸的化學核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的組成成分核酸的組成成分DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)DNA和基因組和基因組RNA的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能核酸的性質(zhì)核酸的性質(zhì)核酸的序列測定核酸的序列測定核酸的生物學功能和實踐意義核酸的生物學功能和實踐意義一、核酸的概念和重要性一、核酸的概念和重要性1869年Miescher從細胞核中分離出核素（nuclein）。1889年Altman制備了核酸（nucleic acid）。193040年，Kossel & Levene等確定核酸的的組分：核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（rib

2、onucleic acid，RNA）“四核苷酸假說”：核酸由四種核苷酸組成的單體構(gòu)成的，缺乏結(jié)構(gòu)方面的多樣性。20世紀40年代末，Avery 的“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化”實驗證明DNA是有機體的遺傳物質(zhì)：DNA無莢膜，不致病溫育有莢膜，致病傳代傳代有莢膜，致病有莢膜，致病有莢膜，致病除少數(shù)病毒（RNA病毒）以RNA作為遺傳物質(zhì)外，多數(shù)有機體的遺傳物質(zhì)是DNA。不同有機體遺傳物質(zhì)（信息分子信息分子）的結(jié)構(gòu)差別，使得其所含蛋白質(zhì)（表現(xiàn)分子表現(xiàn)分子）的種類和數(shù)量有所差別，有機體表現(xiàn)出不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝類型。RNA的主要作用是從DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并指導蛋白質(zhì)的合成。二、核酸的組成成分二、核酸的組成成分核酸

3、 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤堿 purine base 或 嘧啶堿 pyrimidine base（堿基 base）核糖 ribose 或 脫氧核糖脫氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）（一）核糖和脫氧核糖（一）核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脫氧核糖O核糖 + H +糠醛甲基間苯二酚FeCl3綠色產(chǎn)物綠色產(chǎn)物脫氧核糖 + H+ -羥基-酮戊醛二苯胺藍色產(chǎn)物藍色產(chǎn)物RNA和和DNA定性、定量測定定性、定量測定（二）嘌呤堿和嘧啶堿（二

4、）嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鳥嘌呤 guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式（三）核苷（三）核苷OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH

5、51OH假尿苷（）（四）核苷酸（四）核苷酸OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷PO-OO胸苷-5-磷酸AMPOP O-OOADPATPP O-OO各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內(nèi)能量代謝中的作用在體內(nèi)能量代謝中的作用：ATP能量“貨幣”UTP參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成CTP參加磷脂的合成GTP參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMPOHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA三、

6、三、DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（一）（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)因為DNA的脫氧核苷酸只在它們所攜帶的堿基上有區(qū)別，所以脫氧核苷酸的序列常被認為是堿基序列堿基序列（base sequence)。通常堿基序列由DNA鏈的53方向?qū)?。DNA中有4種類型的核苷酸，有n個核苷酸組成的DNA鏈中可能有的不同序列總數(shù)為4n。（二）（二）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年，Watson 和Crick 提出。1. 雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)（1）Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜。（2）Chargaff發(fā)現(xiàn)DNA中A與T、C與G的數(shù)目相等。后Pau

7、ling 和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個氫鍵、C與G生成3個氫鍵。（3）電位滴定證明，嘌呤與嘧啶的可解離基團由氫鍵連接。2. 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點（1）兩條多核苷酸鏈反向平行。（2）堿基內(nèi)側(cè)，A與T、G與C配對，分別形成3和2個氫鍵。（3）雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個bp，螺距3.4nm，直徑2nm。3. 雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素（1）氫鍵氫鍵（太弱）；（2）堿基堆積力堿基堆積力（base stacking force，由芳香族堿基電子間的相互作用引起的，能形成疏水核心，是穩(wěn)定DNA最重要的因素；（3）離子鍵離子鍵（減少雙鏈間的靜電斥力）。4. DNA雙螺旋的構(gòu)象類型

8、雙螺旋的構(gòu)象類型B-DNA：92%相對濕度，接近細胞內(nèi)的DNA構(gòu)象，與Watson 和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相對濕度，與溶液中DNA-RNA雜交分子的構(gòu)象相似，推測轉(zhuǎn)錄時發(fā)生BA。其堿基平面傾斜20，螺距與每一轉(zhuǎn)堿基對數(shù)目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向盤繞，直徑約1.8nm，螺距4.5nm，每一轉(zhuǎn)含12個bp，只有小溝。B-DNA與Z-DNA的相互轉(zhuǎn)換可能和基因的調(diào)控有關(guān)。C-DNA：4446%相對濕度，螺距3.09nm，每轉(zhuǎn)螺旋9.33個堿基對，堿基對傾斜6?？赡苁翘囟l件下B-DNA和A-DNA的轉(zhuǎn)化中間物。D-DNA：60%相對濕度，DNA中A、T序列交替的

9、區(qū)域。每個螺旋含8個bp，螺距2.43nm，堿基平面傾斜16。（三）（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)線形分子、雙鏈環(huán)狀(dcDNA)超螺旋、染色體包裝染色體包裝染色體包裝的結(jié)構(gòu)模型多級螺旋模型多級螺旋模型壓縮倍數(shù) 7 6 40 5 （8400） DNA 核小體 螺線管 超螺線管 染色單體 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一級包裝 二級包裝 三級包裝 四級包裝 四、四、DNA與基因組織與基因組織DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能單位。

10、結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因基因組基因組（一）（一）DNA與基因與基因（二）原核生物基因組的特點（二）原核生物基因組的特點1. DNA大部分為結(jié)構(gòu)基因，每個基因出現(xiàn)頻率低。2. 功能相關(guān)基因串聯(lián)在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中（多順反子）。3.有基因重疊現(xiàn)象。ABCDEFG（三）真核生物基因組的特點（三）真核生物基因組的特點1. 重復序列單拷貝序列：在整個DNA中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，主要為編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。中度重復序列 ：在DNA中可重復幾十次到幾千次。高度重復序列 ：可重復幾百萬次高度重復序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度離心時在離心管中形成的區(qū)帶比主體DNA更靠近管口；富含G-C的

11、更靠近管底，稱為衛(wèi)星衛(wèi)星DNA（satellite DNA）富含A-T富含G-C主體DNA2. 有斷裂基因mRNA1 872bp內(nèi)含子（內(nèi)含子（intron)：基因中不為多肽編碼，不在：基因中不為多肽編碼，不在mRNA中出現(xiàn)。中出現(xiàn)。ABCDEG7 700bpF外顯子（外顯子（exons）：為多肽編碼的基因片段。）：為多肽編碼的基因片段。：由于基因中內(nèi)含子的存在。例外例外：組蛋白基因(histongene)和干擾素基因(interferon gene)沒有內(nèi)含子。transcription五、五、RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能RNA分子是含短的不完全的螺旋區(qū)的多核苷酸鏈。（一）（一）tRNAt

12、RNA約占RNA總量的15%，主要作用是轉(zhuǎn)運氨基酸用于合成蛋白質(zhì)。tRNA分子量為4S，1965年Holley 測定AlatRNA一級結(jié)構(gòu)，提出三葉草二級結(jié)構(gòu)模型。主要特征主要特征：1.四臂四環(huán)；2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有結(jié)構(gòu)；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）；4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動；6.TC環(huán)含有T和；7.含有修飾堿基和不變核苷酸。（二）（二）rRNA占細胞RNA總量的80%，與蛋白質(zhì)（40%）共同組成核糖體。原原 核核 生生 物物 真真 核核 生生 物物核糖體rRNA核糖體rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（

13、40S、60S）18S、5S、5.8S、28S （三）（三）mRNA與與hnRNAmRNA約占細胞RNA總量的35%，是蛋白質(zhì)合成的模板。真核生物mRNA的前體在核內(nèi)合成，包括整個基因的內(nèi)含子和外顯子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，形成分子大小極不均勻的hnRNA。（四）（四）snRNA和和asRNAsnRNA主要存于細胞核中，占細胞RNA總量的0.11%，與蛋白質(zhì)以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、細胞分裂和分化、協(xié)助細胞內(nèi)物質(zhì)運輸、構(gòu)成染色質(zhì)等方面有重要作用。asRNA可通過互補序列與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，還可抑制DNA的復制和轉(zhuǎn)錄。（五）（五）RNA的其它功能

14、的其它功能1981年，Cech發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酶核酶（ribozyme）。大部分核酶參加RNA的加工和成熟，也有催化C-N鍵的合成。23SrRNA具肽酰轉(zhuǎn)移酶活性。RNA在DNA復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中均有一定的調(diào)控作用，與某寫物質(zhì)的運輸與定位有關(guān)。六、核酸的性質(zhì)六、核酸的性質(zhì)（一）一般理化性質(zhì)（一）一般理化性質(zhì)1.為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性。2.DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，不溶于有機溶劑。3.DNA溶液的粘度極高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室溫條件下被稀堿水解而DNA對堿穩(wěn)定。5.利用核糖和脫氧核糖不同的顯色反應鑒定DNA與RNA。（二）核酸的紫外吸收性質(zhì)（二

15、）核酸的紫外吸收性質(zhì)核酸核酸的堿基具有共扼雙鍵，因而有紫外吸收性質(zhì)，吸收峰在260nm（蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的紫外吸收峰在280nm）。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，當核酸變性或降解時光吸收值顯著增加（增色效應增色效應），但核酸復性后，光吸收值又回復到原有水平（減色效應減色效應）。00.10.20.30.4220240260280300波長 / nm光吸收（三）核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（三）核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性1.堿基對間的氫鍵；2.堿基堆積力；3.環(huán)境中的正離子。（四）核酸的的變性（四）核酸的的變性 ：雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈無規(guī)線團狀，只涉及次級鍵的破壞。DNA變性是個突變

16、過程，類似結(jié)晶的熔解。將紫外吸收的增加量達到最大增量一半時的溫度稱熔解溫度熔解溫度(melting temperature, Tm)。7075808590T /A /260nmTmTm影響Tm的因素：（1）G-C的相對含量 （G+C）% =（Tm 69.3） 2.44（2）介質(zhì)離子強度低，Tm低。（3）高pH下堿基廣泛去質(zhì)子而喪失形成氫鍵的能力。（4）變性劑如甲酰胺、尿素、甲醛等破壞氫鍵，妨礙堿基堆積，使Tm下降。（五）核酸的復性（退火）（五）核酸的復性（退火）：變性核酸的互補鏈在適當條件下重新締合成雙螺旋的過程。影響復性速度的因素：（1）單鏈片段濃度（2）單鏈片段的大?。?）片段內(nèi)重復序列的

17、多少（4）溶液離子強度的大?。?）溶液溫度的高低 （T 25）（六）分子雜交（六）分子雜交 ：在退火條件下，不同來源的DNA互補區(qū)形成氫鍵，或DNA單鏈和RNA鏈的互補區(qū)形成DNA-RNA雜合雙鏈的過程。探針探針：用放射性同位素或熒光標記的DNA或RNA片段。原位雜交技術(shù)原位雜交技術(shù)：直接用探針與菌落或組織細胞中的核酸雜交，未改變核酸所在的位置。點雜交點雜交：將核酸直接點在膜上，再與核酸雜交。Southern印跡法印跡法：將電泳分離后的DNA片段從凝膠轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上，再進行雜交。Northern印跡法印跡法：將電泳分離后的RNA吸印到纖維素膜上再進行分子雜交。七、核酸的序列測定七、核酸的

18、序列測定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化學法OHOH2CHHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P八、核酸的生物學功能和實踐意義八、核酸的生物學功能和實踐意義核酸是基本遺傳物質(zhì)，在蛋白質(zhì)的生物合成上又占有重要位置，因而在個體的生長、生殖、遺傳、變異和轉(zhuǎn)化等一系列生命現(xiàn)象中起決定性作用。（一）核酸與遺傳信息的傳遞（一）核酸與遺傳信息的傳遞DNA是基本遺傳物質(zhì) 有了一定結(jié)構(gòu)的DNA，才能產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，由一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才有一定形態(tài)和生理特征，所以根據(jù)DNA的特定遺傳密碼產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就代表特定生物的遺傳性。在遺傳過程中DNA的具體作用的具體作用：（1）

19、在細胞分裂時按照自己的結(jié)構(gòu)精確復制傳給后代；（2）作為模板將所貯遺傳信息傳給mRNA。RNA在傳遞遺傳信息上的作用 mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板；tRNA識別mRNA上的遺傳密碼，轉(zhuǎn)運特定氨基酸到核糖體上合成肽鏈；rRNA是核糖體的主要成分，是翻譯工作的場所。（二）核酸與蛋白質(zhì)的生物合成（二）核酸與蛋白質(zhì)的生物合成DNA轉(zhuǎn)錄為mRNA是有選擇的，tRNA和rRNA也是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。（三）核酸結(jié)構(gòu)改變與生物變異（三）核酸結(jié)構(gòu)改變與生物變異一切生物的變異和進化都可以說是由于DNA的結(jié)構(gòu)改變而引起蛋白質(zhì)改變的結(jié)果。生物遺傳的變異起源于DNA堿基配對的改變，有的由于DNA堿基的顛倒（如TA被顛倒為A

20、T）或被調(diào)換（如GC被換為TA）；有的由于在DNA復制過程中被遺漏了一對或多了一對核苷酸，或者在轉(zhuǎn)譯時發(fā)生了差誤，如氨酰tRNA合成酶錯將一個結(jié)構(gòu)與正常氨基酸十分相似的物質(zhì)交給tRNA。還有一些生物的遺傳性狀發(fā)生了突變。（四）（四）DNA與細菌轉(zhuǎn)化與細菌轉(zhuǎn)化一種細菌的遺傳性狀因吸收了另一種細菌的DNA而發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為細菌的轉(zhuǎn)化。（五）核酸與病變（五）核酸與病變遺傳性疾病是由于遺傳缺陷而產(chǎn)生的，也就是DNA結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果。鐮刀型紅細胞貧血鐮刀型紅細胞貧血和白化病白化病(albinism)。病毒對活細胞的侵染是寄主發(fā)生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、帶狀皰疹、脊髓灰質(zhì)炎、白血病、煙草斑紋病。（六）遺傳工程（六）遺傳工程遺傳工程是用人工方法改組DNA，從而培育新型生物品種的技術(shù)。實驗室中將細菌作材料研究遺傳工程過程可分為：（1）重組DNA分子（基因重組）；（2）將重組DNA引入受體細胞（轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導）。有利有利：（1）有可能培育出高產(chǎn)抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿的優(yōu)良性能的動植物新品種；（2）改良微生物品種使產(chǎn)生人工難以制得的生物活性物質(zhì)如胰島素、干擾素等；（3）解決某些疾病病因和控制這些疾病。不利：不利：引起某些疾病的廣泛流行和使某些細菌失去對抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去應有的生物活性等。（七）克隆與克隆化（七）克隆與克隆化由單一親代細胞用無性繁殖產(chǎn)生的