生物化學(xué)：第三章 核酸的化學(xué)

第三章核酸的化學(xué)核酸（nucleicacid）

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。

核酸的分類及分布

90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。

分布于胞核、胞液。

（DNA）

（RNA）脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。

第一節(jié)核酸的分子組成及基本結(jié)構(gòu)一、核酸的化學(xué)組成

1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——堿基：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖：核糖，脫氧核糖——磷酸：嘌呤（purine）

腺嘌呤（A）

鳥嘌呤（G）

堿基嘧啶（pyrimidine）

胞嘧啶（C）

尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖（ribose）（構(gòu)成DNA）脫氧核糖（deoxyribose）核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷的形成堿基和戊糖通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷），且都是β糖苷鍵。1′1“稀有核苷”是由“稀有堿基”所生成的核苷。假尿苷（ψ）β1’,C5-糖苷鍵β1’C5核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+環(huán)化核苷酸5′端3′端3.核苷酸的連接

核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)1、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：

指構(gòu)成DNA的各個(gè)單核苷酸之間連接鍵的性質(zhì)及排列順序（即堿基排列順序）。AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

-pApGpTpGpCpT-OH-3

5

-AGTGCT-3

2、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

——雙螺旋結(jié)構(gòu)ErwinChargaff（1905－1995）

[A]=[T],[C]=[G]；

[A]＋[G]＝[C]＋[T]（嘌呤與嘧啶總數(shù)相等；有種屬特異性；無組織、器官特異性；不受年齡、營(yíng)養(yǎng)、性別及其他環(huán)境影響。研究背景---Chargaff’srule：

模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）

由兩條相互平行但走向相反的DNA鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝相間。堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，以氫鍵互補(bǔ)配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T;G

C）；相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對(duì)堿基。穩(wěn)定因素：堿基堆積力--維持雙鏈縱向穩(wěn)定性；氫鍵--維持雙鏈橫向穩(wěn)定性；離子鍵--磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷和介質(zhì)中的陽離子形成的。

雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對(duì)原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是上個(gè)世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)種類（1）右手螺旋結(jié)構(gòu)：

由于DNA纖維的含水量不同，可分為三種：B-DNA、A-DNA、C-DNA。B-DNA：WastonandCrick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為B-DNA，另外溶液和細(xì)胞中天然狀態(tài)的DNA可能是B-DNA。A-DNA：堿基與中心軸不相垂直，而呈20o傾角。C-DNA：可能存在于染色體與某些病毒的DNA中。

當(dāng)DNA鈉鹽纖維相對(duì)濕度和鹽的種類改變時(shí)，DNA的構(gòu)象發(fā)生改變。

不同DNA纖維的空間結(jié)構(gòu)

類型結(jié)晶狀態(tài)ANa鹽，相對(duì)濕度75%時(shí)結(jié)晶BNa鹽，相對(duì)濕度92%時(shí)結(jié)晶C鋰鹽，相對(duì)濕度66%時(shí)結(jié)晶（2）左手螺旋結(jié)構(gòu)

1979年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Rich從d（GpCpGpCpGpCp）一段脫氧核苷酸鏈X衍射中發(fā)現(xiàn)，糖與磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋稱為Z-DNA螺旋。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性3、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

指在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，雙螺旋進(jìn)一步扭曲或再次螺旋所形成的結(jié)構(gòu)。原核生物：大部分原核生物的DNA是共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋，這種雙螺旋還可以再次螺旋化形成超螺旋。真核生物：DNA和蛋白質(zhì)組裝成染色體，染色體的基本單位是核小體。

DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

正超螺旋（positivesupercoil）盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋（negativesupercoil）盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。超螺旋結(jié)構(gòu)意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的結(jié)構(gòu)

染色體染色質(zhì)纖維核小體組蛋白DNA

DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。（二）RNA的種類和分子結(jié)構(gòu)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)。RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。主要的RNA種類有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。

RNA的種類、分布與功能核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNA核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNA1、mRNA（信使RNA）約占總RNA的3%--5%；mRNA代謝不穩(wěn)定，種類多、分子量差異很大；其功能是蛋白質(zhì)合成的模板。真核細(xì)胞mRNA的特點(diǎn)：

3’－末端有多聚腺嘌呤的結(jié)構(gòu)（polyA）；

5’－末端具有帽子結(jié)構(gòu)（m7GpppN）；一種mRNA只含有一條多肽鏈的信息（單順反子）。hnRNA內(nèi)含子（intron）mRNA*mRNA成熟過程

外顯子（exon）真核生物mRNA5

-端帽子結(jié)構(gòu)5'5'm7GTP2、tRNA（轉(zhuǎn)移RNA）約占總RNA的15%；在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸的作用；每一個(gè)AA都有與其相對(duì)應(yīng)的一種或幾種tRNA；tRNA分子大小相似，一般為73-93個(gè)核苷酸。*

tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

CtRNA的結(jié)構(gòu)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

--三葉草型結(jié)構(gòu)

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)*tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。3、rRNA（核蛋白體RNA）約占全部RNA的80%;是核蛋白體的主要組成部分;核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）

真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA

原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA*rRNA的結(jié)構(gòu)*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。原核生物16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%

第二節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的紫外吸收

堿基含有共軛雙鍵；最大吸收峰260nm左右。各種核酸的紫外吸收二、DNA的變性定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高

粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失

氫鍵和堿基堆積力的破壞，核酸分子高級(jí)結(jié)構(gòu)改變、理化性質(zhì)及生物活性發(fā)生改變，

磷酸二酯鍵不斷裂，故一級(jí)結(jié)構(gòu)不變。實(shí)質(zhì)DNA變性示意圖:DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對(duì)A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。

Tm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度（Tm)。其大小與G+C含量成正比。三、DNA的復(fù)性與分子雜交

DNA復(fù)性：在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火。在DNA變性后的復(fù)性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和R