第5章核酸的化學(xué)

第五章核酸的化學(xué)

本章主要內(nèi)容

核苷酸

DNA

RNA

核酸的性質(zhì)

1868年F.Miescher首先從傷員繃帶的膿細胞中分離得到稱為“核素”的核酸1944年O.N.Avery通過轉(zhuǎn)化實驗證實DNA是主要的遺傳物質(zhì)1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則1970s建立DNA重組技術(shù)1980s后分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進發(fā)展，提出并完成HGP核酸化學(xué)的發(fā)展過程上頁

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章首

一、概述

概念

核酸(nucleicacid)是由堿基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸組成的高分子物質(zhì)，是生物體的基本組成。種類：

DNA（脫氧核糖核酸）

RNA（核糖核酸）“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,不大可能有重要的生理功能。1928年，英國S型肺炎球菌：有莢膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：沒有莢膜，菌落表面粗糙

著名的肺炎球菌實驗

結(jié)果說明？結(jié)果說明：加熱殺死的S型肺炎球菌中一定有某種特殊的生物分子或遺傳物質(zhì)，可以使無害的R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為有害的S型肺炎球菌這種生物分子或遺傳物質(zhì)是什么呢？

著名的肺炎球菌實驗

紐約洛克非勒研究所Avery從加熱殺死的S型肺炎球菌將蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類分離出來，分別加入到無害的R型肺炎球菌中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，惟獨只有核酸可以使無害的R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為有害的S型肺炎球菌。1944年結(jié)論：DNA是生命的遺傳物質(zhì)分布：

DNA：主要在細胞核中，是染色體的主要成分。此外在線粒體、葉綠體.

RNA：主要在細胞質(zhì)中，此外在線粒體、細胞核——核仁；二、核酸的組成成分

核酸是一種線形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸(nucleotide)。戊糖堿基磷酸核苷核苷酸核酸

核苷酸的基

本結(jié)構(gòu)

組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。(一)、核酸中的戊糖RiboseDeoxyribose從兩類核酸的水解產(chǎn)物可看到它們組成的差別?（二）堿基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶核酸中的堿基分兩類：1、嘧啶堿(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）2、嘌呤堿(purine)：由嘌呤衍生而來。NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鳥嘌呤guanine（G）3、稀有堿基：

一些修飾堿基，因含量甚少而稱之。大多為甲基化堿基，多在tRNA中。（三）核苷：

(nucleoside)

核苷：戊糖與堿基縮合而成，并以糖苷鍵相連接。糖苷鍵：

二者的連接是C-N鍵，稱N-糖苷鍵。OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）核苷的表示：核苷：A、G、C、U脫氧核苷：dA,dG,dC,dT修飾核苷：如5-甲基胞嘧啶：m5dC。（四）核苷酸(nucleotide，nt)1、種類：1）按酯化位點：可在核糖的2’-,3’-,5’-；2）按核糖類型：

核苷酸、脫氧核苷酸核苷中戊糖的羥基被磷酸酯化，即為核苷酸。2、結(jié)構(gòu)：3、表示：與一個磷酸結(jié)合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP與二個磷酸結(jié)合——DP：如：ADP與三個磷酸結(jié)合——TP：如：ATP

核苷酸AMPADPATP4、特殊核苷酸：環(huán)核苷酸：

核糖3’-,5’-成環(huán)。

cAMP、cGMP

功能：第二信使第二信使：通常把激素稱為第一信使，激素與靶位受體結(jié)合后，生成某些物質(zhì)，這些物質(zhì)是聯(lián)系激素引起生物學(xué)效應(yīng)的重要物質(zhì)，稱為第二信使。例如：cAMP、cGMP等。核苷酸cAMPcGMP肌苷酸及鳥苷酸(強力味精)酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分

NAD、NADP、FMNIMP

GMP（五）核苷酸的連接方式1、3’-,5’磷酸二酯鍵將核苷酸連接成核酸大分子。一、核苷酸OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA2、核酸的一級結(jié)構(gòu)：

多核苷酸鏈中各核苷酸殘基的排列順序稱~。OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA1）一級結(jié)構(gòu)表示方法如上：2）讀向：

堿基序列從左到右表示5’——3’，由3’-,5’磷酸二酯鍵連接。若兩鏈反向平行，則需注明每條鏈的走向。如：

5’A-T-G-C-C-T-G-A3’

3’T-A-C-G-G-A-C-T5’核苷酸三、DNA（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)：由數(shù)量龐大的4種脫氧核苷酸通過3’-,5’磷酸二酯鍵連接成的直線形或環(huán)形多聚體。（二）DNA的雙螺旋二級結(jié)構(gòu)1、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立的依據(jù)：1）根據(jù)DNA堿基組成的定量分析提出chargaff堿基配對原則：A=T，G=C2）根據(jù)對DNA纖維和晶體的x-衍射分析。3）電位滴定證明。DNA雙螺旋中的堿基對（basepair,bp)2,雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點:(Watson-Crick模型）1）形成：兩條鏈反向平行；右手螺旋。DNA2）結(jié)構(gòu)：A、核糖-磷酸以3’-,5’磷酸二酯鍵連接成骨架；堿基在內(nèi)；B、大溝、小溝。DNA3）尺寸：DNAA、直徑：2nm；B、堿基距離：0.34nm；C、一周10個核苷酸；D、螺距：3.4nm。4）雙螺旋的穩(wěn)定性：A、依靠堿基堆積力B、氫鍵C、離子鍵3.DNA的二級結(jié)構(gòu)類型上頁

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章首

節(jié)首B型結(jié)構(gòu)兩條鏈反向平行，右手螺旋堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對（bp）A型結(jié)構(gòu)堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝幾種DNA螺旋主要構(gòu)象參數(shù)

螺旋類型每圈螺旋中的堿基對數(shù)每個堿基旋轉(zhuǎn)的角(度)每個堿基對的垂直高度(nm)螺距(nm)螺旋直徑(nm)A11+32.70.2560.82.3B10+36.00.3383.42.0Z12-30.00.3714.51.8B-DNA與A-DNA幾種DNA鈉鹽的特點：B-DNA：生理狀態(tài)下多為此種；92%相對濕度A-DNA：右手螺旋；75%相對濕度；生理狀態(tài)下多見dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交替；有m5dC

；與基因表達調(diào)控有關(guān)；此外，還發(fā)現(xiàn)有C、D、E等型。

DNA分子間三股螺旋結(jié)構(gòu)模型

(三）DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋進一步扭曲即成三級結(jié)構(gòu)。天然DNA有雙鏈DNA（dsDNA），有的病毒為單鏈DNA（ssDNA）在dsDNA中：

線形分子（大多數(shù)）

環(huán)狀分子（dcDNA）：質(zhì)粒、線粒體、葉綠體、病毒、細菌DNA1、超螺旋結(jié)構(gòu)特點：可將長鏈壓縮在一較小體內(nèi)；密度大；凝膠電泳中移動速度快。DNA2、核小體中的

扭曲方式在真核細胞染色質(zhì)中，DNA雙螺旋分子盤繞在組蛋白上形成核小體。許多核小體由DNA連成念珠狀結(jié)構(gòu)，再盤繞壓縮成高層次的結(jié)構(gòu)———染色體。DNA（四）DNA的功能1、DNA一級結(jié)構(gòu)的特點基因：是含特定遺傳信息的核苷酸序列

（DNA或RNA）是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。若干bp多個基因pr+DNA染色體染色質(zhì)是核中由DNA和蛋白質(zhì)組成并可被蘇木精等染料染色的物質(zhì)，染色質(zhì)DNA含有大量基因片段，是生命的遺傳物質(zhì)。DNA弄清幾個概念

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。轉(zhuǎn)錄：DNA分子中的遺傳信息轉(zhuǎn)移到RNA分子中過程。翻譯:把以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過程。結(jié)構(gòu)基因:為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因.調(diào)節(jié)基因:只有調(diào)節(jié)作用,并不能轉(zhuǎn)錄生成RNA的片段.基因組:某生物體所含的全部基因稱該生物體的。1）原核生物基因組：

基因在同一染色體上。

A、除調(diào)節(jié)序列和信號序列外，多為結(jié)構(gòu)基因；B、功能相關(guān)的基因常連在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中；DNAC、基因有重疊；

同一核苷酸順序中包含多種生物信息。2）真核生物基因組：

一般基因分布在若干染色體上。

A、有重復(fù)序列；B、有斷裂基因：即有內(nèi)含子。

內(nèi)含子（intron)：DNA分子中不編碼的序列。

外顯子(exons)：DNA分子中可表達的序列。DNA內(nèi)含子與外顯子2、DNA是遺傳信息的載體半保留復(fù)制保證了親代性狀傳到子代，保證了親代與子代的相似性。DNA3、DNA是變異的物質(zhì)基礎(chǔ)變異是生物進化的基礎(chǔ)。變異的發(fā)生：1）DNA復(fù)制時出錯；2）理化因素等引起堿基變化或缺失，使DNA堿基序列改變，從而發(fā)生性狀變異。DNA四、RNA（一）RNA的結(jié)構(gòu)組成：4種核苷酸，有稀有堿基；連接：同DNA形成：一般以DNA為模板合成，有例外。結(jié)構(gòu)：單鏈線形分子，局部區(qū)域有雙螺旋。（二）RNA的類型三種：

信使RNA（messengerRNA,mRNA)

核糖體RNA(ribosomelRNA,rRNA)

轉(zhuǎn)運RNA(transferRNA,tRNA)RNA此外，在真核細胞中還有少量：核內(nèi)小RNA（snRNA）:

參與核糖體的組成。不均一RNA（hnRNA）：

mRNA的前體。反義RNA（asRNA）：可與mRNA部分或全部序列互補；抑制DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄；抑制mRNA翻譯。1、tRNA約占全部RNA的15%；由70-90個核苷酸組成許多種類；沉降系數(shù)4S。RNA1）tRNA結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu)多已清楚，含較多稀有堿基；二級結(jié)構(gòu)為三葉草有：aa臂、二氫嘧啶環(huán)、

反密碼環(huán)、可變環(huán)、

TΨ環(huán)P198RNA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.TψC環(huán)含有T和ψ；7.含有修飾堿基和不變核苷酸。tRNA三級結(jié)構(gòu)為倒L型A、在pr合成中轉(zhuǎn)運aa；B、在pr合成的起始、DNA反轉(zhuǎn)錄合成及其它代謝調(diào)節(jié)中起作用。2）tRNA功能：2、mRNA和hnRNA1）合成：以DNA為模板(核內(nèi))

合成

hnRNA（含內(nèi)含子和外顯子）加工成熟的mRNA

入細胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成RNA合成mRNA切除內(nèi)含子2)mRNA結(jié)構(gòu)特點：3‘末端有polyA結(jié)構(gòu)：與mRNA從核入質(zhì)有關(guān)。5‘末端有帽子結(jié)構(gòu)：G被甲基化，此可能與pro合成的起始有關(guān)。3)功能：是蛋白質(zhì)合成的模板3、rRNA1)占RNA總量的80%，是構(gòu)成核糖體的骨架。2)核糖體功能：

pr合成的部位.3）結(jié)構(gòu)：分大、小亞基一、二級結(jié)構(gòu)多已確定，但功能不清。RNA原核細胞：70S核糖體；真核細胞：80S核糖體；核糖體RNA自我剪切1983年在四膜蟲中發(fā)現(xiàn)RNA有催化功能4、RNA的功能1）在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中起重要調(diào)控作用；2）有催化作用；3）可作為遺傳物質(zhì)（如逆轉(zhuǎn)錄病毒）。RNA五、核酸的性質(zhì)（一）一般理化性質(zhì)1、兩性電解質(zhì)：2、溶解性：微溶于水，不溶于一般有機試劑（乙醇沉淀核酸），鈉鹽易溶于水。0.14摩爾法:分離DNA蛋白和RNA蛋白的方法DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度較大.3、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。4、水解性：可被酸、堿或酶水解，DNA比

RNA對稀堿穩(wěn)定。核酸的性質(zhì)5、顏色反應(yīng)：1）核糖與濃鹽酸和苔黑酚(甲基間苯二酚)共熱呈綠色，在670nm處可測RNA；2）2-脫氧核糖與酸和二苯胺共熱呈藍紫色，在595nm處可測DNA。二種反應(yīng)可作定性試驗，定量試驗靈敏度低、準(zhǔn)確性差，但快、簡便。核酸的性質(zhì)（二）紫外吸收性質(zhì)

堿基具共軛雙鍵強烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。應(yīng)用：1、不同核苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度計進行定性、定量測定。

1OD相當(dāng)于：50μg/mlDNA40μg/mlRNA

核酸的性質(zhì)2、確定所提取的核酸是否純品。

1）DNA：

OD260/OD280≈1.8純品

2）RNA：

OD260/OD280≈2.0純品在純化DNA

時,通常用A260/A280=1.8-2.0作為純度標(biāo)準(zhǔn),若大于此值,表示有RNA污染;若小于此值,則有pro或酚污染.核酸的性質(zhì)（三）核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性1、堿基堆積力：雙螺旋內(nèi)部堿基形成的疏水區(qū)；2、堿基間的氫鍵：3、磷酸基與介質(zhì)中陽離子形成的離子鍵核酸的性質(zhì)（四）核酸的變性1、變性的概念1）現(xiàn)象：雙螺旋DNA和具雙螺旋區(qū)的RNA氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)被破壞，形成單鏈無規(guī)則線團狀的過程。核酸的性質(zhì)2）結(jié)果：A、增色效應(yīng)：

260nm紫外吸收增加；

B、粘度下降；

C、生物學(xué)性能部分或全部喪失。3）引起變性的因素：溫度、pH、尿素、甲醛等。核酸的性質(zhì)2、熱變性與TmTm：在熱變性中，紫外吸收增加的中點值所對應(yīng)的溫度，稱該DNA的熔解溫度（meltingtemperature,Tm);又稱熱解鏈溫度。(G+C)%=(Tm-69.3)*2.44核酸的性質(zhì)3、影響Tm的因素：1）G-C含量：Tm與G-C含量成正比。2）介質(zhì)中的離子強度：離子強度低，Tm低，在純水中,DNA

在室溫下即可變性。3）溶液的pH.4)變性劑核酸的性質(zhì)（五）核酸的復(fù)性概念：變性DNA在適當(dāng)條件下（緩慢降溫），可使兩條彼此分開的鏈重新締合成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。復(fù)性后，許多物化性質(zhì)可得到恢復(fù)，生物學(xué)活性部分恢復(fù)。影響因素：溫度、DNA片段大小、DNA濃度、堿基重復(fù)序列多少、離子濃度。核酸的性質(zhì)DNA變性與復(fù)性六、分子