生物化學(xué)第二章核酸的化學(xué)

本章重點(diǎn)核酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)難點(diǎn)DNA和基因第一節(jié)概述

一、發(fā)現(xiàn)及研究歷史⒈傳統(tǒng)生物化學(xué)時代⑴1868年，從膿細(xì)胞核中分離出一種高含磷的酸性有機(jī)物—核素。⑵1889年分離出核酸。⑶隨后，證明核酸有兩種,即脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。⑷1943年發(fā)現(xiàn)DNA中A=T和C=G的規(guī)律，推翻四核苷酸學(xué)說。⑸1944年，進(jìn)行了著名的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗，證明使肺炎雙球菌遺傳發(fā)生轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)化因子是DNA。⑹1953年，提出DNA的雙螺旋分子模型,奠基了生命科學(xué)分子水平上的研究及應(yīng)用。⒉分子生物化學(xué)時代⑴1970年，發(fā)現(xiàn)并分離純化了細(xì)菌限制性內(nèi)切酶；⑵1971年，應(yīng)用限制性內(nèi)切酶切割DNA，繪制出酶切點(diǎn)的圖譜（限制性圖譜）；⑶1972年，將外源DNA片段插入喉病毒SV40環(huán)狀DNA分子內(nèi)，獲得第一個DNA體外重組體。上述三項技術(shù)的建立，導(dǎo)致70年代初DNA重組技術(shù)誕生。⑷1973，獲得細(xì)菌質(zhì)粒重組體并實現(xiàn)克隆；⑸1975年，建立DNA的酶法測序技術(shù)，1978年，建立了DNA的化學(xué)測序技術(shù)。⑹限制性內(nèi)切酶等技術(shù)的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，大大推進(jìn)了對遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析和重組研究，由此產(chǎn)生的基因工程目前已經(jīng)在醫(yī)藥、醫(yī)學(xué)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，正在帶來越來越多的變化。⒊基因組時代⑴1986年，諾貝爾獎獲得者H.Dulbecoo在Science雜志上率先提出人類基因組計劃（簡稱HGP）。⑵1990年由美國政府出資30億美圓，計劃用15年時間完成（1991——2005）。中國政府1999年加入該計劃，承擔(dān)了約1%的工作。其間還有英國，日本，法國，德國參加。目前該計劃已經(jīng)提前完成。隨后，一些生物的DNA順序也被測定。例如水稻，家蠶等。目前生命科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入后基因組時代，即蛋白質(zhì)組時代。

二、主要種類及定位兩類:DNA和RNADNA存在于細(xì)胞核或擬核，線粒體、葉綠體、質(zhì)粒也含有DNA。RNA主要在細(xì)胞質(zhì)，包括nRNA;mRNA；tRNA等。近年發(fā)現(xiàn)少量RNA有調(diào)節(jié)和催化功能。細(xì)菌等原核生物質(zhì)粒染色體葉綠體中含有環(huán)狀DNA線粒體中含有環(huán)狀DNA第二節(jié)核酸的化學(xué)組成

核酸磷酸嘌呤戊糖嘧啶水解酸水解產(chǎn)物：核酸對酸不穩(wěn)定，用酸完全水解成嘌呤、嘧啶和戊糖及磷酸。酶水解產(chǎn)物核酸酶水解，產(chǎn)物為核苷和核苷酸；核苷酶水解，水解產(chǎn)物為等分子的核糖及堿基；核苷酸酶水解，水解產(chǎn)物為等分子的核苷、磷酸。核酸磷酸核糖堿基酶水解核苷核苷酸核糖堿基一.核糖和脫氧核糖脫氧核糖：DNA的核糖為β-D-2-脫氧核糖核糖：RNA的核糖為β-D-核糖，有些RNA中還含有少量β-D-2-O-甲基核糖。OHβ-D-核糖β-D-2’-脫氧核糖二.堿基⒈嘌呤：腺嘌呤，鳥嘌呤，黃嘌呤，次黃嘌呤等，修飾嘌呤如1-甲基嘌呤，6-甲基嘌呤腺嘌呤A嘌呤類似物

如尿酸、茶葉堿、可可堿、咖啡堿、玉米素—N6異戊烯腺嘌呤和激動素N6-呋喃甲基腺嘌呤等⒉嘧啶胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶；修飾嘧啶（稀有嘧啶）5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-硫尿嘧啶修飾嘧啶修飾嘧啶⒊堿基的縮寫3大寫字母或第一字母。DNARNA尿嘧啶(U)5,6-二氫尿嘧啶(DHU)5-羥甲基尿嘧啶(hm5U)5-甲基尿嘧啶，即胸腺嘧啶(T)5-甲基胞嘧啶(m5C)4-硫尿嘧啶(s4U)5-羥甲基胞嘧啶(hm5C)次黃嘌呤(I)N6-甲基腺嘧啶(m6A)N6-異戊烯基腺嘌呤(i6A)三、含氮堿基的性質(zhì)(略）

嘌呤和嘧啶是核酸中最重要的組分,對核酸的性質(zhì)和生物功能有重要影響。

含氮堿基具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于環(huán)上羰基、氨基等的存在，使堿基可發(fā)生酮烯醇或氨亞氨的互變異構(gòu)。

因此，堿基既有芳香環(huán)的特性，也具有氨、酮和烯醇等相應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)。

⒈堿性嘌呤堿基和嘧啶堿基都具有弱堿性。環(huán)上氨基的pKa值約為9.5。堿基環(huán)外的氨基（存在于A、G和C）的堿性很弱，在生理pH條件下不能被質(zhì)子化（與苯胺相似）。因此，其堿性主要是環(huán)上氨基的貢獻(xiàn)。⒉堿基環(huán)的親電取代由于嘌呤和嘧啶的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，其上的正碳原子可發(fā)生親電取代反應(yīng)。環(huán)上的氮原子在親電取代反應(yīng)中具有定位基的功能。嘧啶環(huán)中反應(yīng)活性最高的是C5，嘌呤環(huán)中反應(yīng)活性最高的是C8。（1）腺嘌呤核苷的溴代

（2）尿嘧啶核苷的氯代3．堿基環(huán)的親核加成（1）水解含羰基的堿基（G、C、T和U），具有酰胺鍵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在堿性條件下，可發(fā)生水解開環(huán)反應(yīng)。腺嘌呤堿基不含羰基，對堿比較穩(wěn)定。（2）與肼的反應(yīng)嘧啶堿基能夠與肼作用，得到堿基環(huán)分解的產(chǎn)物。只在嘧啶堿基發(fā)生，嘌呤堿基不發(fā)生，在核酸分析中應(yīng)用。⒊堿基環(huán)氮原子的烷基化堿基環(huán)上的氮原子在適宜條件下可以發(fā)生烷基化反應(yīng)。同樣條件下，U和T基本上不反應(yīng)；應(yīng)用CH2N2作為烷基化劑，所有堿基都能發(fā)生上述反應(yīng)。⒋環(huán)外氨基的反應(yīng)環(huán)外氨基在適當(dāng)條件下，也可以發(fā)生反應(yīng)。胞嘧啶的環(huán)外氨基在亞硝酸作用下，形成重氮鹽，再轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏ず塑?。意義？腺嘌呤核苷和鳥嘌呤核苷也能發(fā)生類似的反應(yīng)，分別形成次黃嘌呤核苷（I）和黃嘌呤核苷（X）。影響或改變堿基形成氫鍵的能力和方向，導(dǎo)致DNA復(fù)制錯誤，是引起基因突變的重要原因之一。⒌光聚合反應(yīng)胸腺嘧啶在紫外光照射下，可以發(fā)生二聚加成反應(yīng)：

DNA分子中，如果兩個胸腺嘧啶堿基相鄰，在紫外光照射下，可能發(fā)生上述聚合反應(yīng)，破壞正常復(fù)制或轉(zhuǎn)錄。⒍環(huán)外氧的反應(yīng)含氧堿基存在酮式和烯醇式的互變異構(gòu)，烯醇式羥基可以被烷基化為穩(wěn)定的烯醇醚。導(dǎo)致何種后果？鳥嘌呤烷基化形成6-甲氧基鳥嘌呤后，不再與C配對，而與T配對。引起DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及信息表達(dá)出現(xiàn)錯誤。三.核苷

⒈定義：核糖或脫氧核糖與嘌呤或嘧啶生成的糖苷⒉連接：核糖或脫氧核糖C1與嘌呤N9或嘧啶N1氮原子以糖苷鍵相連。假尿嘧啶核苷（C1’—C5）注意核糖標(biāo)號C1’，以區(qū)別堿基編號。書寫方式核苷用大寫單字母表示，脫氧核苷在其前加一小寫的d，取代基團(tuán)用小寫字母表示，取代位置寫在取代基團(tuán)符號的右上角。例如，腺嘌呤核苷：A胞嘧啶核苷：C

5-甲基胞嘧啶核苷(m5C)脫氧腺嘌呤核苷：dA脫氧胞嘧啶核苷：dC四.核苷酸⒈化學(xué)組成核糖分子上有5個羥基，其中，2’，3’和5’三個游離羥基，可分別與無機(jī)磷酸結(jié)合成相應(yīng)的核苷酸；脫氧核糖只有3’和5’二個游離羥基，僅能形成3’和5’二種核苷酸。還可形成環(huán)核苷酸，例如細(xì)胞中大量存在的環(huán)腺苷酸，3’，5’-環(huán)腺苷酸（cAMP）堿基連接（糖苷鍵）脂鍵（對DNA為H）1`2`3`4`5`⒉核苷酸命名及表示根據(jù)其分子上的磷酸酯鍵位置、數(shù)量及堿基命名。例如，腺嘌呤核苷在5’位置上有一磷酸酯鍵，即稱5’-腺嘌呤核苷酸；在3’上則稱3’-腺嘌呤核苷酸；若在同一位置有連續(xù)的磷酸酯鍵則稱多核苷酸，例如，腺嘌呤二核苷酸、三核苷酸；若在不同位置上連有多個磷酸酯鍵，則加上位置區(qū)別，例如3’，5’-二磷酸核苷酸或3’-核苷酸-5’-磷酸。表示方法：大寫三字母第一個字母表示堿基第二個字母表示磷酸酯鍵數(shù)量第三個字母表示磷酸殘基d表示脫氧c表示成環(huán)狀磷酸酯鍵可在前面加上表示磷酸酯鍵的位置例如3’-AMP；dAMP；cAMP；ATP⒊核苷酸的用途⑴合成核酸的原料：例如，ATP、CTP、UTP、GTP⑵代謝能量載體：主要是ATP，磷酸與核糖連接是磷酸酯鍵，能量為14kJ/mol，第一個磷酸與第二個磷酸間及第二個與第三個磷酸間的連接是高能磷酸鍵，能量為30kJ/mol。⑶酶的輔助因子：例如NAD+（輔酶Ⅰ，NADP+）⑷生物合成：例如GTP參加糖的轉(zhuǎn)化、CTP參加磷脂合成⑸傳遞信號：例如cAMP⑹調(diào)控代謝：ATP/AMP+ADP+ATP比例（能荷）五、核苷酸之間的連接⒈化學(xué)鍵：3’,5’-磷酸二酯鍵多核苷酸鏈就是核苷酸間通過3’,5’-磷酸二酯鍵形成的。即一個核苷酸的3’羥基與另一個核苷酸5’磷酸脫水形成3’,5’-磷酸二酯鍵。兩個核苷酸通過3＇，5＇-磷酸二酯鍵形成的聚合物叫二核苷酸；由2個以上、十個及以下核苷酸通過3‘，5’-磷酸二酯鍵形成的稱寡核苷酸；十個以上則稱多核苷酸。多核苷酸無分枝，又叫多核苷酸鏈。多核苷酸鏈中的核苷酸分別失去羥基和氫，稱核苷酸殘基。⒉核苷酸鏈的表示用簡寫式表示，方向是從5＇到3＇P—磷酸基團(tuán)；大寫單字母表示堿基；P在左側(cè)表示磷酸與糖環(huán)5’羥基結(jié)合，右側(cè)表示磷酸基團(tuán)與糖環(huán)的3＇羥基結(jié)合。例如pApCpApGpT也可省去式中的P，用連字符代替。例如pA-C-G-T也可以用豎式表示B代表堿基，豎線代表戊糖碳鏈，P代表磷酸基。與P相連的斜線表示3',5’-磷酸二酯鍵

六.核苷酸的性質(zhì)

⒈一般性狀無色粉末或結(jié)晶易溶解于水，不溶解于有機(jī)溶劑具有旋光性在酸性溶液中不穩(wěn)定，易分解破壞在中性或弱堿性溶液中穩(wěn)定⒉紫外吸收堿基有共軛雙鍵，具有紫外吸收，所以堿基、核苷、核苷酸在240—290nm有強(qiáng)烈吸收，測定基礎(chǔ)。定量；用260nm測定，公式：核苷酸（%）=（A260/E260×C）×M×100E260為所測核苷酸的摩爾消光系數(shù)，C為樣品濃度（mg/mL），M為其分子量。定性分析：不同核苷酸的紫外吸收峰值不同，可以選定兩個波長之比，用作鑒別不同核苷酸的指標(biāo)。常用的為250/260；280/260；290/260。例如5’-AMP，250/260pH2時0.85；7.0時0.80；280/260pH2時0.22；7.0時0.15⒊核苷酸的互變異構(gòu)作用（略）與堿基一樣，核苷酸能發(fā)生烯醇化轉(zhuǎn)化，在溶液中，酮式與烯醇式兩種互變異構(gòu)體常同時存在，并處于一定的平衡。在體內(nèi)，核苷酸則以酮式結(jié)構(gòu)為主參與形成核酸。

⒊核苷酸的解離（略）堿基、核苷的解離主要源于環(huán)上氨基，而核苷酸還應(yīng)加上磷酸基。核苷酸中，堿基部分的pK’值與核苷相似，額外的兩個解離常數(shù)是由磷酸殘基引起的。他們分別是pK’1和pK’２在多核苷酸鏈中，除末端磷酸殘基外，鏈中的磷酸殘基只有一個解離常數(shù)，其pK’1=1.5。等電點(diǎn)由于核苷酸含有磷酸殘基和含氮堿基，為兩性電解質(zhì)，在一定酸度下可成為兼性離子，其解離曲線見后在AMP，GMP、CMP中，pK’1值是第一磷酸基-PO3H2的解離，pK’2是含氮環(huán)=N+H的解離，pK’3則是第二磷酸基-PO3H的解離。在第一磷酸基和含氮環(huán)解離曲線的交叉處，帶負(fù)電荷的磷酸基與帶正電荷的含氮環(huán)數(shù)目正好相等，此時的酸度即為此核苷酸的等電點(diǎn)。等電點(diǎn)計算與蛋白質(zhì)相同。尿嘧啶核苷酸的堿基堿性極弱，實際上測不出其解離曲線，因而它不能形成兼性離子。糖環(huán)與堿基距離小，由于靜電場作用，促使堿基解離。七.核苷酸類物質(zhì)的制備與應(yīng)用

⒈核苷酸類物質(zhì)的制備酸、堿或特異酶降解核酸得到各種堿基、核苷和核苷酸。核酸對酸不穩(wěn)定，用稀酸水解可以直接得到堿基。脫氧核糖核酸的N-糖苷鍵最容易被酸水解，在常溫下用稀酸處理DNA，即可得到腺嘌呤和鳥嘌呤。DNA在pH1.6、37℃、對水透析，可獲得無嘌呤酸（酸水解糖苷鍵）；DNA在pH2.8、100℃1小時，獲得上述產(chǎn)物；≥98%甲酸、175℃2h，完全水解DNA和RNA，獲得堿基；用三氟乙酸、155℃60min完全水解DNA；用三氟乙酸、155℃80min完全水解RNA；水解RNA產(chǎn)生胞嘧啶和尿嘧啶，需較高溫度和濃酸；堿水解RNA產(chǎn)生2’-和3’-核苷酸的混合物，進(jìn)一步水解則產(chǎn)生核苷。在常溫下用0.3～1.0mol/LNaOH降解RNA，要經(jīng)過一個2’,3’-環(huán)式核苷酸的中間階段，而后生成2’-和3’-核苷酸的混合物。DNA無2’-羥基，故無此反應(yīng)而抗堿水解。這一特性在分離DNA和RNA時得到應(yīng)用。制備5’-核苷酸，最常用的方法是酶水解。最常用的是從桔青霉中提取的磷酸二酯酶，要制備3’核苷酸，則用牛脾磷酸二酯酶。⒉核苷酸類物質(zhì)的分離（略）最常用的有三種⑴紙層析:特別適用于分離小量樣品⑵紙電泳:用于分離少量核苷酸⑶離子交換層析:適宜制備較大量的堿基、核苷及核苷酸⑷薄層層析:適用于微量快速分離。⒊核苷酸類物質(zhì)的應(yīng)用⑴分子生物學(xué)試劑⑵助鮮劑：肌苷酸和鳥苷酸是強(qiáng)力助鮮劑，與谷氨酸鈉混合后可增鮮近100倍。⑶藥物ATP，GTP改善機(jī)體代謝；核苷類藥物，治療肝病。5’-核苷酸促進(jìn)骨髓機(jī)能，升高白血球；輸液，促進(jìn)康復(fù)；5-氟尿嘧啶，6-巰基嘌呤、胞嘧啶阿拉伯糖核苷等核苷酸類似物有抗癌作用；多聚肌苷酸、多聚胞苷酸是干擾素的誘導(dǎo)劑，有抗病毒的作用。第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)一.DNA的一級結(jié)構(gòu)⒈定義：DNA分子中核苷酸的連接方式和排列順序。⒉化學(xué)鍵及形態(tài)：DNA是由數(shù)量巨大的4種脫氧核糖核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵聚合成的線形或環(huán)形分子。真核生物的DNA呈線狀，細(xì)菌、病毒等原核生物為環(huán)形。5′3′結(jié)構(gòu)式DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′ACTGCATAGCTCGA3′字母式DNA分子量巨大，最小的DNA分子也包含上千堿基對，相對分子量在106以上。⒊DNA一級結(jié)構(gòu)分析分析DNA中核苷酸種類及排列順序。特異性限制性內(nèi)切酶和極高分辨率的聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用；使該分析已經(jīng)成為分子生物學(xué)的常規(guī)檢測方法。近年出現(xiàn)的熒光標(biāo)記全自動測序儀的應(yīng)用，使DNA順序的分析更加迅速、準(zhǔn)確。二、NDA的二級結(jié)構(gòu)定義：指脫氧核糖核酸的立體空間結(jié)構(gòu)，即Watson和Crike建立的雙螺旋模型。1.雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)

⑴X-射線衍射結(jié)果不同來源的DNA纖維具有相似的X-射線衍射圖譜，即0.34和3.4nm兩個重要的周期性變化；說明DNA可能有相同的分子模型；現(xiàn)已證實，DNA是含有兩條或兩條以上具有螺旋結(jié)構(gòu)的多核苷酸鏈；⑵堿基配對證據(jù)Chargaff等人證明；DNA中A=T；G=C，A+G=C+T，后來又證明A、T之間可以形成兩個氫鍵，C、G之間可以形成三個氫鍵；⑶電位滴定法證明；DNA的磷酸基可以滴定，而其堿基中的可解離基團(tuán)則不能滴定，說明它們已經(jīng)成鍵（氫鍵）。小溝大溝5`3`5`3`2.雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)

⑴分子由兩條反向平行的多核苷酸鏈構(gòu)成；

⑵兩條右手螺旋的多核苷酸鏈環(huán)繞同一中心軸盤旋；

⑶磷酸-核糖主鏈在外，堿基在內(nèi)，堿基平面相互平行疊加，與中心軸垂直，兩堿基平面距離0.34nm；⑷螺旋一圈需要10個堿基，螺距為3.4nm；

⑸兩條相對的堿基按A—T，C—G規(guī)律形成氫鍵；⑹糖環(huán)平面與螺旋軸平行，相鄰堿基平面的π電子云互相交蓋，形成堿基堆積力。⑺DNA分子部分化學(xué)鍵可在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可形成幾種構(gòu)象，也可進(jìn)一步折疊成三級結(jié)構(gòu)。

6

4

1

3

6

4

2

2

1

3

穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的作用力

氫鍵堿基堆集力（疏水結(jié)合）磷酸基上負(fù)電荷與組蛋白或正離子成鹽⒊DNA雙螺旋的不同構(gòu)象DNA雙螺旋模型是相對濕度為92%的DNA分子，稱為B-DNA，間期的DNA；現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有多種DNA構(gòu)象，如A、C、D、E等A型DNA是相對濕度為75%的DNA右手雙螺旋，具有與B型DNA共同的基本特征，其差異為；A型DNA更緊密，堿基之間間距為0.256nm，每圈螺旋有11個堿基對，螺距為2.8nm，堿基平面傾斜了20°，其脫氧核糖的某些原子的位置也不同，A型是3’-H在內(nèi)；B型是2’-H在內(nèi)。該DNA與RNA分子中的雙螺旋區(qū)以及DNA-RNA雜交分子在溶液中的構(gòu)象很近，可能是轉(zhuǎn)錄時的DNA。Z型DNA人工合成的左手螺旋DNA小片段，主要的特征是：糖-磷酸主鏈呈之字型螺旋直徑1.8nm，堿基平面的距離是0.37nm，每圈螺旋12個堿基對，螺距4.5nm小溝含有較多負(fù)電荷一些陽離子如Na+，K+，Ca2+，Mg2+促進(jìn)該構(gòu)型形成推測與基因調(diào)控有關(guān)三種DNA雙螺旋構(gòu)象比較ABZA-DNAZ-DNAB-DNA外型粗短適中細(xì)長螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基夾角32.7034.6060.00每圈堿基數(shù)1110.412堿基傾角1901090糖苷鍵構(gòu)象反式反式C、T反式，G順式三.DNA的三級結(jié)構(gòu)雙螺旋DNA鏈進(jìn)一步扭曲盤旋，形成超螺旋。1.原核生物DNA的三級結(jié)構(gòu)大部分原核生物的染色體為雙鏈環(huán)狀DNA，在體內(nèi),環(huán)狀DNA進(jìn)一步扭曲成超螺旋。固定負(fù)超螺旋環(huán)狀DNA右旋DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成正超螺旋（左手螺旋）負(fù)超螺旋（右手螺旋）正超螺旋是雙鏈結(jié)構(gòu)更加緊密，負(fù)螺旋結(jié)構(gòu)則相反細(xì)胞內(nèi)自然的雙鏈環(huán)狀DNA都以負(fù)超螺旋形式存在松弛狀的DNA和超螺旋DNA可以互相轉(zhuǎn)變，需要一種拓?fù)洚悩?gòu)酶的催化DNA復(fù)制2.真核生物細(xì)胞核中DNA的三級結(jié)構(gòu)

1974年，電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)；間期細(xì)胞核內(nèi)有串珠狀結(jié)構(gòu)，它就是作為染色體基本結(jié)構(gòu)單位的核小體。核小體的核心是由四種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各兩分子構(gòu)成的扁球體。DNA在球體上盤繞約2周，相當(dāng)于140個bp在相鄰的兩個核小體之間，有約60個bp的DNA連接，稱為連接線連接線上結(jié)合有一個組蛋白H1核小體由5種組蛋白近200個bp長的DNA螺旋構(gòu)成，長10nm，與200個bp的長度（0.34×200=68nm）相比較，壓縮了7倍。核小體3.真核生物細(xì)胞核中的DNA的高級結(jié)構(gòu)

人類細(xì)胞核平均直徑5μm，人DNA約3×109堿基，存在于22+1染色體中。按每個染色體含1.5×108bp計算，應(yīng)有7.5×105個核小體，其伸展長度約為7mm，細(xì)胞核不能容納。X-衍射確定核小體直徑約為11nm，在有關(guān)核蛋白協(xié)同下，組成以6個核小體為一周、直徑30nm的緊密結(jié)構(gòu)，即光學(xué)顯微鏡下的染色質(zhì)纖維。此時，人類基因組已經(jīng)壓縮到1mm的長度。DNA（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花結(jié)）染色體（1400nm，每個染色體含10個螺旋圈）真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)據(jù)估計，人的DNA在染色質(zhì)中共被壓縮8000～10000倍。第四節(jié)DNA和基因組

一.DNA與基因生物的遺傳特征由DNA中特定核苷酸順序決定，遺傳性狀通過親代DNA復(fù)制，減數(shù)分裂傳遞到子代。轉(zhuǎn)錄；DNA通過堿基配對，合成與其核苷酸順序相對應(yīng)RNA的過程。翻譯：轉(zhuǎn)錄生成的RNA包含有合成蛋白質(zhì)的信息，在mRNA指導(dǎo)下合成蛋白質(zhì)的過程。rRNA和tRNA：rRNA：核糖體RNA，負(fù)責(zé)組裝成合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器；tRNA：轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，負(fù)責(zé)在合成蛋白質(zhì)中運(yùn)輸氨基酸。基因：遺傳學(xué)上將DNA分子中最小的功能單位稱作基因；結(jié)構(gòu)基因：為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因;調(diào)節(jié)基因：DNA中有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄功能、但不生成RNA的片段；基因組：某種生物體所含的全部基因。二.原核生物基因組的特點(diǎn)

DNA分子較小，通常只有1個染色體，主要特點(diǎn)有：⒈低重復(fù)：大部分片段為單拷貝的結(jié)構(gòu)基因，僅調(diào)節(jié)序列和信號序列有極少的重復(fù);⒉共線：功能相關(guān)的基因常串聯(lián)一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA分子中;⒊重疊：即一個DNA片段上有多個基因三.真核生物基因組的特點(diǎn)

基因組分布在多條染色體上，主要特點(diǎn)是；⒈重復(fù)序列真核生物DNA分子中多次出現(xiàn)的序列，稱重復(fù)序列。根據(jù)重復(fù)次數(shù)的多少分為：⑴單拷貝序列占DNA的50%左右，在DNA分子中只出現(xiàn)一次或幾次。一般來說，結(jié)構(gòu)基因多為此類。⑵中度重復(fù)序列占細(xì)胞DNA分子總數(shù)的30—40%，出現(xiàn)幾十次到幾千次。編碼rRNA和tRNA的基因以及某些蛋白質(zhì)基因?qū)儆诖祟?。⑶高度重?fù)序列重復(fù)幾千次以上，最高可達(dá)到數(shù)百萬次。但堿基數(shù)一般小于10。位于異染色體上，多數(shù)不編碼，可能與基因調(diào)節(jié)有關(guān);該序列要么富含A=T，要么富含G=C，其密度明顯與DNA片段有差異，靠近離心管口或管底，被稱為衛(wèi)星DNA。⒉斷裂基因真核生物大多數(shù)基因都含有居間序列（即結(jié)構(gòu)基因片段中不編碼氨基酸的部分），稱為內(nèi)含子；編碼的DNA的片段稱為外顯子。由于內(nèi)含子的存在，將編碼的外顯子分割開，因此，真核生物的基因又稱斷裂基因或不連續(xù)基因。內(nèi)含子的功能仍不清楚，可能與組合新基因有關(guān)。也可能與調(diào)節(jié)有關(guān)。如卵清蛋白基因含7個內(nèi)含子，將該基因分成8段。第五節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA與DNA在成分上的區(qū)別是DNA含脫氧核糖和胸腺嘧啶，而RNA含核糖和和尿嘧啶在結(jié)構(gòu)上，除一部分RNA病毒外，RNA都是單鏈的，雙螺旋只是局部的單鏈回折形成。生物體內(nèi)都含有mRNA、tRNA、rRNA，還有snRNA（小分子）、asRNA（反義RNA）、hnRNA等（不均勻）等。在體內(nèi)，它們的功能各不相同。

一.tRNAtRNA占RNA的10-15%，50-100種/生物。分子較小，由約70-90個核苷酸殘基組成，平均沉降系數(shù)為4S。1965年完成對酵母丙氨酸t(yī)RNA的測序，提出tRNA的三葉草模型，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)tRNA均為三葉草型。氨基酸臂TψC環(huán)可變環(huán)IGC反密碼環(huán)反密碼子DHU環(huán)酵母tRNAAla的二級結(jié)構(gòu)tRNA二級結(jié)構(gòu)的主要特征：⑴四環(huán)（未配對區(qū)域）四臂（A=U、C=G配對）⑵氨基酸臂：攜帶氨基酸殘基，3＇端上有共同的-CCA-OH結(jié)構(gòu)⑶10—25位形成3—4bp的臂和8—14b的環(huán)，含有二氫尿嘧啶（D），又稱D環(huán)，相應(yīng)的臂稱D臂。⑷第27—43位有5bp的反密碼子臂和7b的反密碼子環(huán)，其中34—36是與mRNA相互作用的反密碼子。⑸第44—48位為可變環(huán)，80%的tRNA由4—5b組成，20%由13—21b組成。⑹第49—65位為5bp的TψC臂，和7b的TψC環(huán)⑺tRNA中含有修飾堿基，也有不變核苷酸序列。tRNA的三級結(jié)構(gòu)二、mRNA⒈原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5′3′順反子順反子順反子先導(dǎo)區(qū)插入順序插入順序末端順序先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列⒉真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）5′

“帽子”PolyA

3′

順反子AAAAAAA-OHm7G-5′ppp-N-3′p7-甲基鳥核苷三磷酸（m7GpppAGpNp）。mNRA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap）。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。mRNA的帽結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉RNA5’末端，以保護(hù)mRNA免受5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定。三、rRNA的分子結(jié)構(gòu)(略）特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5sRNA的二級結(jié)構(gòu)第六節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般理化性質(zhì)有堿性基團(tuán)和磷酸基，呈酸性，是兩性電解質(zhì)DNA為白色纖維狀固體；RNA為白色粉末，微溶于水，不溶于常見有機(jī)溶劑，例如乙醇；DNA是線形分子，分子量極大，其溶液粘度極高；可被酸、堿和酶水解，產(chǎn)生小分子的核苷酸、核苷和磷酸；常用核酸水解酶有核糖核酸酶類，例如牛胰核糖核酸酶（E.C.2.7.7.16），又稱RNaseⅠ，分子量13700，最適pH7.0-8.2，作用位點(diǎn)為嘧啶核苷-3‘-磷酸與其它核苷酸之間的連鍵，產(chǎn)物為3’-核苷酸。牛胰脫氧核糖核酸酶（E.C.3.1.4.5)，又稱DNaseⅠ，該酶切斷雙鏈DNA或單鏈DNA，生成以5‘-磷酸為末端的寡聚核苷酸，平均長度為4個核苷酸，最適pH7-8限制性內(nèi)切酶發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌中、主要降解外源DNA的脫氧核糖核酸，該酶的作用有很嚴(yán)格的堿基序列專一性二、核酸的變性、復(fù)性和雜交核酸變性：核酸雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂形成單鏈的現(xiàn)象。核酸降解：指多核苷酸鏈的3‘，5’-磷酸二酯鍵斷裂。酸、堿、尿素、甲醛及加熱等均可引起核酸的變性DNA的熱變性在基因工程中非常有用，其過程是：將DNA的稀鹽溶液加熱到80-100℃時，氫鍵斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)即解體，兩條鏈分開，形成無規(guī)則線團(tuán)DNA變成無規(guī)則線團(tuán)，其理化性質(zhì)發(fā)生一系列變化；260nm區(qū)紫外吸收值升高；粘度降低；浮力密度變化；酸堿滴定曲線改變等。DNA的熱變性特點(diǎn)是爆發(fā)式的，即發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內(nèi)，是一個相變的過程；Tm：使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時的溫度稱該DNA的熔點(diǎn)或溶解溫度。DNA的Tm值與下列因素有關(guān)：DNA的均一性：即組成DNA的堿基同一性，均一性高的DNA的Tm值窄；均一性低則Tm值寬，Tm是衡量DNA均一性的指標(biāo)。G+C含量：G+C含量越高，Tm值越高。按照公式XG+C=（Tm-69.3）×2.44計算介質(zhì)的離子強(qiáng)度：離子強(qiáng)度較低，DNA的Tm較低，但是溶解溫度的范圍較寬，反之亦然。RNA的變性也有螺旋線團(tuán)之間的轉(zhuǎn)變。但是RNA只有局部雙