生物化学：第一章 核酸化学

1、第第 一一 章章 核核 酸酸 化化 学学 核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可 缺少的组成部分。缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，核酸是生命遗传信息的携带者和传递者， 它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特 性的保持，生长发育，细胞分化等起着重性的保持，生长发育，细胞分化等起着重 要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗 传病、代谢病等也密切相关。传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸是现代生物化学、分子生物学因此，核酸是现代生物化学、分子生物学 的重要基础之一。的重要基础

2、之一。 核酸重要性核酸重要性 核酸的发现核酸的发现 18681868年，年，F. F. MiescherMiescher从脓细胞核中分从脓细胞核中分 离得到一种酸性物质离得到一种酸性物质-核素（脱氧核核素（脱氧核 糖核蛋白）。糖核蛋白）。 18891889年，年， AltmanAltman对核素进行了纯化，对核素进行了纯化， 把不含蛋白质的核素称为核酸把不含蛋白质的核素称为核酸 （nucleic acidnucleic acid）。）。 19441944年，年，AveryAvery通过肺炎球菌转化试验通过肺炎球菌转化试验 首次证实核酸是携带遗传信息的物质。首次证实核酸是携带遗传信息的物质。 1

3、9531953年，年， Watson and Crick Watson and Crick 提出提出DNA DNA 双螺旋结构模型，为现代分子生物学与双螺旋结构模型，为现代分子生物学与 分子遗传学奠定了基础。分子遗传学奠定了基础。 本章简要讲解核酸的化学组成、本章简要讲解核酸的化学组成、 结构、理化性质、及分离纯化结构、理化性质、及分离纯化 的主要方法的主要方法 核酸分为两大类：核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA） Deoxyribonucleic Acid Deoxyribonucleic Acid 核糖核酸（核糖核酸（RNARNA） Ribonucleic Acid

4、 Ribonucleic Acid。 1.1 1.1 核酸的种类与分布核酸的种类与分布 单单 链链 双双 链链 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA） 主要主要细胞核细胞核，线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体少量少量 类核类核（原核细胞）（原核细胞） tRNAtRNA ：10-15% 10-15% 核糖核酸（核糖核酸（RNARNA） mRNA mRNA ：5-10%5-10% 细胞质细胞质 rRNArRNA ：75-80%75-80% 1.2 1.2 核酸作用简介核酸作用简介 DNA:DNA:含有生物物种含有生物物种 的所有遗传信息，的所有遗传信息， 分子量一般都很大。分子量一般都很大。 DNA

5、DNA为双链分子，其为双链分子，其 中大多数是链状结中大多数是链状结 构大分子，也有少构大分子，也有少 部分呈环状结构。部分呈环状结构。 mRNAmRNA: :信使信使RNARNA，蛋白质合成蛋白质合成 中起决定氨基酸顺序的模板中起决定氨基酸顺序的模板 作用作用 tRNAtRNA: : 转运转运RNARNA，蛋白质合成蛋白质合成 中起携带活化氨基酸的作用中起携带活化氨基酸的作用 rRNArRNA：核糖体核糖体RNARNA，与蛋白质与蛋白质 结合形成核糖体，是合成蛋结合形成核糖体，是合成蛋 白质的细胞器。白质的细胞器。 RNA 作 用 简 介 1.3 1.3 核酸的化学组成核酸的化学组成 核酸核

6、酸 33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键 核苷酸核苷酸 磷酸酯键磷酸酯键 核苷核苷 磷酸磷酸 糖苷键糖苷键 碱基碱基 脱氧核糖（核糖脱氧核糖（核糖） 1.3.1 1.3.1 碱基种类碱基种类- -嘌呤嘌呤 N N N H N NH2 1 2 3 4 5 6 7 9 8 腺嘌呤腺嘌呤 NH N N H N O NH 2 鸟嘌呤鸟嘌呤 9 1.3.1 1.3.1 碱基种类碱基种类- -嘧啶嘧啶 N N H NH2 O NH N H O O NH N H O O 胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶 1 2 3 4 5 6 11 碱基都具有芳香环的碱基都具有芳香环的 结构特征。嘌呤环和结构特征。嘌

7、呤环和 嘧啶环均呈平面或接嘧啶环均呈平面或接 近于平面的结构。近于平面的结构。 嘌呤碱和嘧啶碱分子嘌呤碱和嘧啶碱分子 中都含有共轭双键体中都含有共轭双键体 系，在紫外区有吸收系，在紫外区有吸收 （260 260 nmnm左右）。左右）。 DNADNA含胸腺嘧啶，含胸腺嘧啶，RNARNA 含尿嘧啶含尿嘧啶 1.3.2 1.3.2 戊糖戊糖 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖；RNARNA所含的糖则为所含的糖则为- D-D-核糖核糖。 O H H OH H OH OH H HOCH2 HOCH2 O H H OH H H

8、 OH H D-核糖D-2-脱氧核糖 14 2 1.3.3 1.3.3 核苷核苷 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键 胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷 N N OH HO N N NH2 HO N N OH H2N N N N N N N NH2 O H H OH H OH H HOCH2 HOCH2 O H H OH H OH H O H H OH H OH H HOCH2 O H H OH H OH H HOCH2 1 9 1 1 1.3.4 1.3.4 核苷酸核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNADNA或或

9、RNARNA 结构单元的核苷酸分别是结构单元的核苷酸分别是5-5-磷酸磷酸- -脱氧脱氧 核糖核苷和核糖核苷和5-5-磷酸磷酸- -核糖核苷。核糖核苷。 O B OH OH OH2CP OH HO O B=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶 核糖核苷酸 OH2CP OH HO O O B OH 脱氧核糖核苷酸 55 各各 种种 核核 苷苷 酸酸 的的 缩缩 写写 符符 号号 核核 苷苷 酸酸 链链 核酸中也存在一些核酸中也存在一些 含量极少的稀有碱含量极少的稀有碱 基。基。 核苷酸还可以进一核苷酸还可以进一 步磷酸化形成核苷步磷酸化形成核苷 二磷酸和核苷三磷二磷酸和核苷三磷 酸，其第二个

10、及第酸，其第二个及第 三个磷酸键是高能三个磷酸键是高能 磷酸键，在能量转磷酸键，在能量转 换中起重要作用换中起重要作用 O - P O O - N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O - P O O - O - P O O - 三磷酸腺苷 (ATP) 核苷酸还可以发生环化。核苷酸还可以发生环化。 cAMP(3,5- cAMP(3,5- 环腺嘌环腺嘌 呤核苷一磷酸呤核苷一磷酸) )和和 cGMPcGMP( 3,5-( 3,5-环鸟嘌环鸟嘌 呤核苷一磷酸呤核苷一磷酸) )的主要的主要 功能是作为细胞之间传功能是作为细胞之间传 递信息的信使递信息的信使 cAMPcAMP

11、和和 cGMPcGMP 的的环状环状 磷酯键磷酯键是一个高能键是一个高能键 2. 2. DNADNA的分子结构的分子结构 2.1 2.1 DNADNA的一级结构的一级结构 2.2 2.2 DNADNA的二级结构的二级结构 2.3 2.3 DNADNA的三级结构的三级结构 2.4 2.4 DNADNA的存在形式的存在形式 2.1 2.1 DNADNA的一级结构的一级结构 DNADNA的一级结构是指的一级结构是指 DNADNA分子中四种脱氧分子中四种脱氧 核糖核酸的排列顺序，核糖核酸的排列顺序， 即四种脱氧核糖核酸即四种脱氧核糖核酸 通过通过33，55磷酸磷酸 二酯键连接起来的直二酯键连接起来的直

12、 线性或环形多聚体线性或环形多聚体 多聚核苷酸特点多聚核苷酸特点 通过通过33，55磷酸二酯键连接起来的磷酸二酯键连接起来的 C C5 5带有一个自由磷酸基，称为带有一个自由磷酸基，称为5-5-磷酸磷酸 端（常用端（常用5-5-P P表示）；表示）； 另一端另一端C C3 3带有自由的羟基，称为带有自由的羟基，称为3-3-羟羟 基端（常用基端（常用3-3-OHOH表示）。表示）。 多聚核苷酸链具有多聚核苷酸链具有方向性方向性，当表示一个多，当表示一个多 聚核苷酸链时，必须注明它的方向是聚核苷酸链时，必须注明它的方向是 5353或是或是3535。 核苷酸链写法核苷酸链写法 由于构成核苷酸单元的戊

13、糖和磷酸基是相同由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同 的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的 碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为： P P 5 33 5 PP 5 3 P 5 3 ACGT DNADNA分子中的四种碱基含量比例、排列顺序分子中的四种碱基含量比例、排列顺序 是决定是决定DNADNA分子结构和功能的重要因素，因分子结构和功能的重要因素，因 此在讨论有关核酸问题时，一般只关心其此在讨论有关核酸问题时，一般只关心其 中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一 步简化为：步简化为

14、： 5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或5 ACGCTGTA 3-最常用最常用 2.2 2.2 DNADNA的二级结构的二级结构 WatsonWatson和和Crick Crick 1953 1953年年 DNADNA的双螺旋结的双螺旋结 构模型构模型 2.2.1 DNA2.2.1 DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 （1 1）DNADNA分子由分子由两条两条多聚脱氧核糖核苷酸链组多聚脱氧核糖核苷酸链组 成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手右手 双螺旋结构双螺旋结构。螺旋中的。螺旋中的两条链方向相反两条链方向相反，即其，即其 中一条链的方向为中一条

15、链的方向为5353，而另一条链的方，而另一条链的方 向为向为3535。 （2 2）嘌呤碱和嘧啶嘌呤碱和嘧啶 碱基位于螺旋的内碱基位于螺旋的内 侧侧，磷酸和脱氧核磷酸和脱氧核 糖基位于螺旋外侧糖基位于螺旋外侧。 碱基对平面与螺旋碱基对平面与螺旋 轴垂直，糖基环平轴垂直，糖基环平 面与碱基对平面成面与碱基对平面成 9090角。角。 DNADNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 （3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的 直径约为直径约为2 2 nmnm，每每 条链相邻两个碱基条链相邻两个碱基 平面之间的距离为平面之间的距离为 0.34 0.34 nmnm，每每1010个核个核 苷酸形成一个螺旋，苷酸形成一个

16、螺旋， 其螺矩（即螺旋旋其螺矩（即螺旋旋 转一圈）高度为转一圈）高度为3.4 3.4 nmnm。 DNADNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 （4 4）两条两条DNADNA链相互结合以及形链相互结合以及形 成双螺旋的力是链间的碱基对所成双螺旋的力是链间的碱基对所 形成的氢键。形成的氢键。碱基的相互结合具碱基的相互结合具 有严格的配对规律，即腺嘌呤有严格的配对规律，即腺嘌呤 （A A）与胸腺嘧啶（与胸腺嘧啶（T T）结合，鸟结合，鸟 嘌呤（嘌呤（G G）与胞嘧啶（与胞嘧啶（C C）结合，结合， 这种配对关系，称为这种配对关系，称为碱基互补碱基互补。 A A和和T T之间形成两个氢键，之间形成两个氢

17、键，G G与与C C之之 间形成三个氢键。间形成三个氢键。 在在DNADNA分子中，嘌呤碱基的总数分子中，嘌呤碱基的总数 与嘧啶碱基的总数相等。与嘧啶碱基的总数相等。 DNADNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 碱基间氢键碱基间氢键 碱基间氢键碱基间氢键 2.2.2 2.2.2 DNADNA双螺旋结构稳定因素双螺旋结构稳定因素 DNADNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。 维持这种稳定性的因素包括：维持这种稳定性的因素包括： 1.1.两条两条DNADNA链之间形成的链之间形成的氢键氢键； 2. 2. 双螺旋结构内部碱基层层堆积，形成了一双螺旋结构内部碱基层层堆

18、积，形成了一 个强大的疏水区个强大的疏水区- -碱基堆积力碱基堆积力，消除了介质，消除了介质 中水分子对碱基之间氢键的影响；中水分子对碱基之间氢键的影响； 3.3.介质中的阳离子（如介质中的阳离子（如NaNa+ +、K K+ +和和MgMg2+ 2+） ）可与磷可与磷 酸基团上的负电荷形成酸基团上的负电荷形成离子键离子键，降低了，降低了DNADNA 链之间的排斥力、范德华引力等链之间的排斥力、范德华引力等 2.2.3 DNADNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性 右手螺旋右手螺旋 B-DNA:相对湿度相对湿度92%,钠盐钠盐(天然状态天然状态) A-DNA:相对湿度相对湿度75%,钠盐钠盐

19、 C-DNA相对湿度相对湿度66%,锂盐锂盐 左手螺旋左手螺旋: Z-DNA A,B,ZA,B,Z型型DNADNA构象的比较构象的比较 当双螺旋的链进一步扭曲时，再次形成当双螺旋的链进一步扭曲时，再次形成 螺旋结构，称为螺旋结构，称为DNADNA的三级结构的三级结构-超螺超螺 旋结构旋结构 正超螺旋正超螺旋- -拧紧状态拧紧状态 负超螺旋负超螺旋-拧松状态拧松状态 2.3 2.3 DNADNA的三级结构的三级结构 2.4 2.4 DNADNA的存在形式的存在形式 真核细胞中，线状真核细胞中，线状DNADNA分子与分子与组蛋白组蛋白结合形结合形 成成核小体核小体 组蛋白：组蛋白：分子量分子量11

20、-2111-21KD,KD,富含赖氨酸和精富含赖氨酸和精 氨酸的碱性蛋白，分为氨酸的碱性蛋白，分为H H1 1,H,H2 2A,HA,H2 2B,HB,H3 3,H,H4 4 核小体：核小体：是真核生物染色体的基本结构元，是真核生物染色体的基本结构元， 有一段大约有一段大约200200个碱基对的双螺旋个碱基对的双螺旋DNADNA和五和五 种组蛋白组成。种组蛋白组成。 核小体结构核小体结构 核小体核心核小体核心：由长：由长146146bpbp的一段双螺旋的一段双螺旋 DNADNA以左手超螺旋的方式缠绕在以左手超螺旋的方式缠绕在核心颗粒核心颗粒 表面绕核心颗粒表面绕核心颗粒1.751.75圈，组成

21、核小体核圈，组成核小体核 心。心。 核心颗粒核心颗粒：组蛋白八聚体（：组蛋白八聚体（H H2 2A A，H H2 2B B，H H3 3， H H4 4各两分子）各两分子） 连接区连接区DNADNA：连接核小体核心的连接核小体核心的DNADNA 3. 3. RNARNA的分子结构的分子结构 RNARNA是腺苷酸、鸟苷酸、胞嘧啶、尿嘧啶是腺苷酸、鸟苷酸、胞嘧啶、尿嘧啶 通过通过35-35-磷酸二酯键连接而成的多磷酸二酯键连接而成的多 核苷酸长链，这些核苷酸在核苷酸长链，这些核苷酸在RNARNA分子中的分子中的 排列顺序即为排列顺序即为RNARNA的一级结构。的一级结构。 RNARNA基本以单链存

22、在，在某些区段由于互基本以单链存在，在某些区段由于互 相靠近，并且含有互补碱基，因而能形相靠近，并且含有互补碱基，因而能形 成氢键，另一部分则成环状，叫成氢键，另一部分则成环状，叫“发夹发夹” 或或“茎环茎环”结构。结构。-二级结构二级结构 3.1 3.1 tRNAtRNA的结构的结构-一级结构一级结构 1.1.分子量较小，由分子量较小，由7373 89 89个核苷酸组成个核苷酸组成 2.2.含有较多的稀有碱基，对含有较多的稀有碱基，对tRNAtRNA的稳的稳 定有重要意义。定有重要意义。 3. 3. 多核苷酸链的多核苷酸链的3-3-末端的最后末端的最后3 3个核个核 苷酸残基都是苷酸残基都是

23、CCA-OHCCA-OH，用来携带活用来携带活 化氨基酸。化氨基酸。 tRNAtRNA的二级结构的二级结构 为四茎四环的为四茎四环的三三 叶草形叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环 反密码子环反密码子环 T T C C环环 额外环额外环 3.1 3.1 tRNAtRNA的结构的结构-二级结构二级结构 目前已知的目前已知的tRNAtRNA的三级结构均为的三级结构均为倒倒L L型型 3.1 3.1 tRNAtRNA的结构的结构-三级结构三级结构 rRNArRNA呈单链呈单链 存在，也有存在，也有 局部局部双螺旋双螺旋 和和发夹结发夹结 构构, ,rRNArRNA 与与 蛋白质一起蛋白

24、质一起 组成核糖体，组成核糖体， 作为作为蛋白质蛋白质 合成场所合成场所 3.2 3.2 rRNArRNA的结构的结构 原核原核 70S真核真核 80S 大亚基大亚基50S(23S,5S) 32种蛋白质种蛋白质 60S(28S,5S,5.8 S) 小亚基小亚基30S(16S) 21种蛋白质种蛋白质 40S(18S) 30种蛋白质种蛋白质 真核、原核的核糖体比较真核、原核的核糖体比较 3.3 3.3 mRNAmRNA的分子结构的分子结构 mRNAmRNA是以是以DNADNA为模板合成的，携带着为模板合成的，携带着 DNADNA的遗传信息，因此称为信使的遗传信息，因此称为信使RNARNA。 mRN

25、AmRNA是蛋白质合成的模板，决定着蛋是蛋白质合成的模板，决定着蛋 白质中氨基酸的顺序，白质中氨基酸的顺序， 原核与真核细胞的原核与真核细胞的mRNAmRNA在结构上的差异：在结构上的差异： 1.1.原核细胞原核细胞mRNAmRNA是多顺反子，真核细胞是多顺反子，真核细胞mRNAmRNA为为 单顺反子。单顺反子。 2.2.绝大多数真核细胞的绝大多数真核细胞的mRNAmRNA的的3-3-末端有一段末端有一段 polyApolyA，5-5-末端有以末端有以“帽子帽子”结构结构 3.3.“帽子帽子”结构可能与蛋白质合成的正确起始结构可能与蛋白质合成的正确起始 作用及协同核糖体与作用及协同核糖体与mR

26、NAmRNA相结合有关，相结合有关， 3- 3- 末端的末端的polyApolyA可能有抗核酸外切酶的作用可能有抗核酸外切酶的作用 4.4.原核生物原核生物mRNAmRNA分子中一般没有修饰成分，而分子中一般没有修饰成分，而 真核生物真核生物mRNAmRNA一般都有修饰成分一般都有修饰成分 帽子结构帽子结构 PolyAPolyA 位点位点 4.4.核酸的理化性质核酸的理化性质 1.1.溶解度溶解度：DNA,RNADNA,RNA均微溶于水，不溶均微溶于水，不溶 于乙醇、乙醚等有机溶剂。于乙醇、乙醚等有机溶剂。 2.2.酸碱解酸碱解：DNA DNA 抗碱性比抗碱性比RNA RNA 强，二者强，二者 均不耐强酸、强碱。均不耐强酸、强碱。 3.3.沉降特性沉降特性：RNARNA环形环形DNADNA蛋白质蛋白质 4.4.粘度粘度：线性无规：线性无规 则线团球形则线团球形 5.5.紫外吸收紫外吸收：嘌呤碱：嘌呤碱 与嘧啶碱有共轭双与嘧啶碱有共轭双 键，因此有紫外吸键，因此有紫外吸 收，最大值在收，最大值在 260260nmnm左右左右 4.4.核酸的理化性质核酸的理化性质 核酸的变性核酸的变性（denaturationdenaturation):): 指核酸的双螺旋区的氢键断裂成指核酸的双螺旋区的氢键断裂成