第二章-核酸化學

第二章核酸化學本章主要內容核酸的化學組成核酸的分子結構核酸的理化性質

核酸（Nucleicacids）——19世紀60年代，由Miescher發(fā)現(xiàn)。1889年Altmann將其純化，證明核酸是含磷的酸性生物大分子。20世紀40年代，Avery確定核酸是遺傳信息的載體，普遍存在于生命有機體中。脫氧核糖核酸，DNA（DeoxyribonucleicAcid），在原核細胞是核質的成分，在真核細胞DNA與蛋白質結合形成染色體，少量存在于線粒體。一個生命有機體的每個體細胞（除生殖細胞外）都含有相同質和量的DNA，包含了它的全部遺傳信息。核糖核酸，RNA（RibonucleicAcid）主要存在于胞液內，真核細胞的核仁和線粒體也含有少量RNA。RNA的量是變動的。主要有信使RNA（mRNA），轉運RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）。病毒或者是DNA病毒或者是RNA病毒。第一節(jié)核酸的化學組成

一、概念

核酸（DNA或RNA）是核蛋白的組分之一，是許多核苷酸單位按一定順序連接組成的多聚核苷酸，呈酸性。

二、分類與分布

根據(jù)組成不同，核酸可分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。98%的DNA存在于細胞核中，2%存在于線粒體，90%的RNA分布在胞液，10%存在于細胞核。

三、核酸的化學組成

核酸有C、H、O、N、P等元素組成。其中磷的含量為9%～10%。核酸分子中磷的含量比較穩(wěn)定，故可通過測定磷的含量來估算核酸的含量。核酸，DNA或RNA，經(jīng)核酸酶水解生成單核苷酸。單核苷酸是組成核酸的基本單位。核苷酸進一步分解生成堿基、核糖（或脫氧核糖）和磷酸。核酸低聚核苷酸單核苷酸磷酸核苷堿基核糖核酸的水解過程（一）核酸的結構組成單位

DNARNA嘌呤堿腺嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤鳥嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶戊糖D-2′-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸DNA分子和RNA分子中化學組成的差別總結（二）兩類核酸的組成成分1.堿基(base)核酸中的嘧啶堿基核酸中的嘌呤堿基其他的稀有堿基（三）結構2.核糖(ribose)DNA含脫氧核糖RNA含核糖3.核苷(nucleoside)核苷（上）與脫氧核苷（下）4.核苷酸(nucleotide)核糖核苷酸（上）與脫氧核糖核苷酸（下）堿基RNADNA腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）腺苷酸（AMP）鳥苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）尿苷酸（UMP）脫氧腺苷酸（dAMP）脫氧鳥苷酸（dGMP）脫氧胞苷酸（dCMP）脫氧胸苷酸（dTMP）DNA和RNA核苷酸組成及其縮寫符號腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）（四）多磷酸核苷酸

5′-核苷酸的磷酸基都可進一步磷酸化形成相應的核苷二磷酸和核苷三磷酸。二磷酸核苷和三磷酸核苷廣泛存在于細胞內，參與許多重要的代謝過程。3′，5′-環(huán)狀腺苷酸（cAMP）（五）環(huán)狀核苷酸第二節(jié)核酸的分子結構

DNA片段

RNA片段

注意核苷酸之間的連接方式是3’，5’-磷酸二酯鍵一、DNA的一級結構DNA分子的大小天然存在的DNA分子最顯著的特點是很長，分子質量很大，一般在106-1010。DNA的堿基組成有如下特點：

具有種的特異性。沒有器官和組織的特異性。在同一種DNA中，A=T、G=C，即A+G=T+C，即嘌呤堿基的總摩爾數(shù)與嘧啶堿基的總摩爾數(shù)相等——堿基當量定律又稱Chargaff原則。

年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基組成。二、DNA的空間結構WatsonandCrick雙螺旋結構模型1.DNA的二級結構

DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。兩條鏈方向相反。堿基位于螺旋的內側，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側。

螺旋的直徑約為2nm，一圈螺旋包含10對堿基，其高度為3.4nm。堿基平面之間的垂直距離0.34nm。在DNA分子中，根據(jù)Chargaff原則，堿基之間具有嚴格的互補配對規(guī)律，A和T之間形成兩對氫鍵，G與C之間形成三對氫鍵A與T之間2對氫鍵G與C之間3對氫鍵Watson和Crick所提出的模型稱為B-DNA。

不同構型的DNAB型是最穩(wěn)定的構型1957年發(fā)現(xiàn)在基因的調控區(qū)或染色質的重組部位有DNA的三螺旋結構2DNA的三級結構

指DNA雙螺旋通過彎曲和扭轉所形成的特定構象,即DNA的三級結構B是松弛型的閉合環(huán)C是由于纏繞不足形成的負超螺旋A是線性的DNA分子真核生物內，DNA以致密形式存在于細胞核的染色體中。染色體的基本單位是核小體(nucleosome)核小體：由DNA和組蛋白共同構成。核心組蛋白：4種組蛋白(H2A,H2B,H3,H4)形成的8聚體DNA：以負超螺旋纏繞在核心組蛋白上H1在核小體之間起連接作用染色體的基本單位是核小體(nucleosome)核小體的串珠狀結構

三、RNA的結構與功能mRNA：占細胞中RNA總量的3%-5%，分子量大小不一，不穩(wěn)定，代謝活躍，更新迅速，是合成蛋白質的模板。rRNA：細胞中含量最多的RNA，核糖體的組成成分。tRNA：約占細胞中RNA總量的15%。約由75-90個核苷酸組成。蛋白質合成中攜帶活化的氨基酸RNA的堿基組成：A、G、C、U,含少量的稀有堿基

RNA分子的類型：mRNA、rRNA、tRNA

（一）RNA的分類（二）RNA的分子結構1.mRNA的結構特點

mRNA的3'-末端有一段多聚腺苷酸的“尾”結構，5'-末端有一個7-甲基鳥嘌呤核苷的“帽”結構。mRNA5'-末端的帽結構2.tRNA的結構特點

在RNA的二級結構中，對tRNA的二級結構研究得比較清楚。tRNA的二級結構都呈三葉草形結構。三葉草形結構由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環(huán)、反密碼環(huán)、附加叉和TψC環(huán)等五部分組成。

tRNA在二級結構的基礎上進一步折疊形成倒“L”型的三級結構。3.rRNA的結構特點

由兩個大小不同的亞基組成，是蛋白質生物合成的場所。

大腸桿菌5SrRNA的二級結構（一）溶解性

溶于偏堿的溶劑中，可以為乙醇沉淀，容易受機械作用力而斷裂。（二）黏性

DNA溶液有高度的黏性。第三節(jié)核酸的理化性質一、基本性質（三）

沉降特性

核酸分子在引力場中能下沉的特性。可用超離心法純化核酸、測分子量、分級分離等。（四）紫外吸收嘌呤和嘧啶在260nm有特異的吸收峰,這個性質用于核酸的分析1.變性DNA雙螺旋的有序結構受各種理化因子，如熱、酸堿、變性劑、有機溶劑以及稀釋的作用，轉變?yōu)闊o規(guī)則的線團結構。變性的特征增色效應,黏度和比旋下降，沉降系數(shù)增加，生物學活性喪失二、核酸的變性、復性與分子雜交DNA解鏈曲線增色效應(hyperchromiceffect)

核酸分子加熱變性時，其在260nm處的紫外吸收急劇增加的現(xiàn)象。Tm值：當紫外吸收變化達到最大變化的半數(shù)值時，此時所對應的溫度稱為熔解溫度（Tm）、變性溫度或中點解鏈溫度。影響Tm值的因素1.溶液的性質2.DNA中堿基組成的影響大腸桿菌DNA在不同濃度KCl溶液下的熔融溫度曲線

2.復性復性：變性DNA分開的兩股鏈在適當條件下重新生成雙鏈結構的過程退火（annealing）:熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻復性的過程。3.分子雜交

當兩條不同來源的DNA（或RNA）鏈或DNA鏈與RNA鏈之間存在互補的堿基序列時，在一定條件下可以通過互相配對形成雙螺旋分子，這種分子稱為雜交分子。形成雜交分子的過程稱為分子雜交（molecularhybridization）。