第二章核酸化学

第二章核酸化学2013-2014

核酸的化学组成主要内容

核酸的结构与功能

核酸的理化性质

思考题12342学习目标掌握：核酸的化学组成、分类及各类核酸的功能；核酸一级结构及其主要的化学键，成熟的mRNA一级结构的特点；DNA右手螺旋结构要点及碱基配对规律，tRNA二级结构的特点；核酸的主要理化性质。熟悉：核酸高级结构特点；核酸提取、分离和纯化的方法。了解：碱基、戊糖结构，DNA三级结构。3第一节核酸的化学组成核酸是以核苷酸为基本单位的生物信息大分子，有两类，即核糖核苷酸(RNA)和脱氧核糖核苷酸（DNA）。DNA存在于细胞核、线粒体及植物叶绿体中，贮存了细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。RNA在细胞质中较多，分为：信使RNA(mRNA)；转运RNA(tRNA)；核糖体RNA(rRNA)。4一、核酸的化学组成核酸的主要组成元素：C、H、O、N、P各类核酸分子中P含量恒定，平均9%-10%，可通过测定样本中P含量来推算核酸的含量。二、核酸的分子组成核酸的基本组成单位是核苷酸。（一）核苷酸的组成水解核苷酸可得到三类组分：磷酸、戊糖和含氮碱基。51.戊糖参与核糖组分的戊糖共有两种形式：β-D-核糖和β-D-2’-脱氧核糖，两者的区别仅在于C-2’原子所连接的基团。图核酸中核糖、脱氧核糖的结构62.碱基核苷酸分子中的碱基是含氮的杂环化合物，有嘧啶碱和嘌呤碱。常见的嘌呤碱主要有腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。嘧啶碱主要有：胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA均含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，尿嘧啶是RNA特有的，胸腺嘧啶只存在于DNA分子中。7碱基RNADNA

嘧啶环

嘌呤环尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A83.磷酸核苷酸的磷酸通常连接在戊糖的C-2’、C-3’或C-5’位；连接在脱氧核糖的C-3’或C-5’位。（二）核苷酸的结构1.核苷碱基与核糖或脱氧核糖以糖苷键结合构成核苷或脱氧核苷，嘧啶碱以N-1、嘌呤碱以N-9位与戊糖中的C-1’位形成N-C糖苷键。92.核苷酸核苷和脱氧核苷C-5’原子上的羟基可与磷酸相连，脱水后生成酯键。10H2OH2O碱基磷酸戊糖核苷键酯键11八种核苷酸如下表所示

M-单(D-二、T－三）；P-磷酸RNA的名称为某（单、二、三）苷酸，DNA在某（单、二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷—磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷—磷酸（脱氧腺苷酸）。12A腺苷碱基戊糖核苷腺嘌呤核苷P一磷酸（AMP）P～腺苷二磷酸（ADP）P～腺苷三磷酸（ATP）O磷酸核苷酸3.二磷酸或三磷酸核苷

13三、核苷酸的衍生物在体内，ATP和GTP可以在环化酶作用下，核糖C-5’-磷酸与C-3’-羟基之间脱去1分子水形成3’，5’-环腺苷酸（cAMP）和3’，5’-环鸟苷酸（cGMP）.3’，5’-环腺苷酸（cAMP）3’，5’-环鸟苷酸（cGMP）14第二节核酸的结构与功能一、磷酸二酯键与多核苷酸链单核苷酸彼此间通过3’,5’-磷酸二酯键连接成多聚核苷酸链。核酸主链两端分别用5’-末端和3’-末端表示，方向规定为5’→3’。多聚核苷酸是通过核苷酸的5′-磷酸基与另一分子核苷酸的C3′-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。15脱H2O酯键相连3`，5`-磷酸二酯键首尾3`5`16核酸分子巨大，结构式书写不便。常用简化式表示核苷酸链。在字母式表示法中，一般5’端在左侧，3’端在右侧。5’

pA-Pc-pG-pT-pA-OH3’或5’ACGTA3’17二、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构DNA分子中脱氧核糖核苷酸残基的排列顺序成为DNA的一级结构。核苷酸间的差异体现在碱基差异，DNA的一级结构常用碱基排列顺序表示。DNA分子大小用碱基数目或碱基对数表示，通常把长度小于50个核苷酸的核苷酸链称为寡核苷酸，更长的称为多聚核苷酸，通称核酸。18（二）DNA的二级结构1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。19其他组合易相互排斥例如G:T腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶因此，DNA的双股系藉着A:T和G:C的配对关系互相结合。20Chargaff定则/碱基等比定律：嘌呤总数等于嘧啶总数A+G=C+T；6位上含氨基的碱基=6位上含羰基的碱基；

A+C=G+T腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相同A=T；胞嘧啶和鸟嘌呤的摩尔数相同C=G；DNA分子的碱基组成具有种属特异性，而不具有组织器官特异性。212）DNA双螺旋结构特点1.反向，平行，右手螺旋，大沟，小沟2.链间碱基配对相连3.每10个碱基对上升一周4.疏水碱基位于内部5.相邻碱基平面互相平行，垂直于螺旋轴5`3`5`3`小沟大沟22DNA，双螺旋，正反向，互补链。A对T，GC连，配对时，靠氢键，十碱基，转一圈，螺距34点中间。碱基力和氢键，维持螺旋结构坚。（AT2，GC3是指之间二个氢键GC间三个.螺距34点中间即3.4）

23（三）DNA的三级结构DNA的三级结构是指在二级结构的基础上双螺旋进一步扭曲或盘绕和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。1.DNA的超螺旋结构

许多原核生物和真核生物的线粒体DNA在共价闭合环状双螺旋的基础上形成的超螺旋结构。盘绕方向与DNA的双螺旋方向相同的为正超螺旋，反之，则为负超螺旋。正超螺旋使双螺旋结构更加紧密，负超螺旋使DNA容易解链，利于DNA的复制、转录。自然界主要以负超螺旋的结构存在。24线粒体中含有环状DNA叶绿体中含有环状DNA细菌等原核生物质粒染色体252.真核生物DNA分子的三级结构真核细胞处于分裂间期时，DNA呈不定型的、随机地分散在整个核中，被称为染色质；细胞分裂时，染色质凝集，并组装成高度有序的染色体。DNA和组蛋白包裹起来构成的核小体是染色质的基本组成单位。核小体是DNA在核内形成致密结构的一级折叠。26（四）DNA是遗传的物质基础DNA分子中特定的碱基序列可以决定不同蛋白质的氨基酸顺序。将能够决定蛋白质多肽链或RNA所必需的全部碱基序列称为基因（gene）。二、RNA的分子结构无论是原核生物还是真核生物都有三类RNA，即信使RNA(messengerRNA)、转运RNA(transferRNA)、核糖体RNA(ribosomalRNA).27(一)信使RNA能够将细胞核DNA分子中的遗传信息带到细胞质核糖体上以指导蛋白质合成的特殊分子RNA，称为mRNA.各种mRNA没有共同的二级结构。mRNA在细胞内含量少，占细胞总RNA的5%，种类多，不同蛋白质多肽链均有相应的mRNA.其寿命在所有RNA中最短。28（二）转运RNA1.tRNA的一级结构分子量25,000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3'-末端都具CpCpAOH的结构。292.tRNA的二级结构

呈“三叶草”形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为“四臂四环”30四臂四环结构：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TC区和可变区。除氨基酸接受区每个区均含有一个突环和一个臂。31(1)氨基酸接受区

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为核苷。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

(2)反密码区

与氨基酸接受区相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码32(3)二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶。(4)TC区

该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有TC。(5)可变区位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大。33tRNA的三叶草型二级结构123反密码子环反密码子载运氨基酸臂稀有碱基343.tRNA的三级结构在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型。（三）核糖体RNA约占全部RNA的80%是核糖核蛋白体（Pr合成的场所）的主要组成部分，RNA占60%，蛋白质占40%rRNA的功能与蛋白质生物合成相关353637第三节核酸的理化性质一、核酸的一般性质核酸都是极性化合物，微溶于水，不溶于有机溶剂。天然DNA的黏度极大，RNA黏度要比DNA小。DNA溶液加热可使螺旋松散呈无规则线团，随之黏度下降，以此作为DNA变性的指标。二、核酸的两性电解质性质核酸分子中含有酸性基团（磷酸基）和碱性基团（氨基），也具有两性电解质性质。DNA等电点为4～4.5；RNA等电点为2～2.5。38三、核酸的紫外吸收性质具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。39（四）核酸的变性、复性与杂交1.核酸的变性某些理化因素破坏了氢键和碱基堆积力，使核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性发生改变。不涉及磷酸二酯键断裂，一级结构不变变性因素：温度、酸碱、甲醛和尿素等核酸变性后的特点：1）增色效应：单链紫外吸收比双链高40%，变性可使紫外吸收值增高，称为增色效应。2）黏度下降和生物学功能丧失402.DNA的复性变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链重新缔合成双链——复性，也称退火。DNA复性的程度、速率与复性条件有关将热变性DNA骤然冷却时，不可能复性；将变性DNA缓慢冷却（退火），可以复性。DNA复性后其紫外吸收值又降低，称为减色效应。41DNA变性42DNA复性433.分子杂交热变性的DNA单链，在复性时：与同源DNA互补链形成双螺旋结构；与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。

DNA单链与互补RNA链间也可发生杂交分子杂交可发生在DNA-DNA、DAN-RNA和RNA-RNA44加温缓慢降温加温缓慢降温（变性）（复性）（分子杂交）45第四节核酸的分离纯化与鉴定一、核酸的提取破碎细胞，去除与核算结合的蛋白质以及多糖、脂类等生物大分子，去除其他不需要的核酸分子；沉淀核酸，去除盐类、有机溶剂等杂质；纯化核酸。二、核酸的分离与纯化1.离心法2.层析法3.电泳法46三、核酸的测定1.紫外吸收法核酸及其组分对紫外线的吸光率与其浓度成正比核酸在260nm处有最大的吸收峰蛋白质和酚在260nm处也可吸收紫外光，所以此法对核酸样品的纯度具有较高的要求。2.定磷法核酸中含有磷酸基，且含量比较稳定，约