生物化学第三章核酸

1、核酸的发现:1868 瑞士F.Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）.核素实质是一种核糖核蛋白。核酸生命物质的主要组分，控制着生物的生长、发育、繁殖、遗传等重要的生命活动,是生命遗传信息的携带者和传递者。1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953 Watson和和Crick提出DNA结构的双螺旋模型它不仅阐明了DNA分子的结构特征，而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的DNA复制过程中遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入分子水平奠定了基础，成

2、为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代 建立DNA重组技术80年代 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，另有核酶的发现90年代以后 实施人类基因组计划（HGP）,生命科学进入一个新时代21世纪初RNA组学诞生，并得到迅速发展，非编码RNA研究已成为热点。按所含糖类不同，分为：脱氧核糖核酸（DNA）：遗传物质，遗传信息的载体，负责遗传信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传递给子代。核糖核酸（RNA）： RNA的功能多样性。主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNA是遗传信息的载体负责遗传信息的表达，种种 类

3、类分分 布布功功 能能DNA原核生物：核质区真核生物：95%在细胞核、5%在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质真核生物：75%在细胞质15%在线粒体和叶绿体10%在细胞核 携带、转移氨基酸mRNA肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分其中其中P的含量的含量在核酸中相对恒定。在在核酸中相对恒定。在DNA中为中为9.9%，在，在RNA中为中为9.4% 。这可用于测定核酸的。这可用于测定核酸的含量含量定磷法定磷法。2. 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate

4、)1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%） 戊糖戊糖 嘌呤嘌呤 核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基嘧啶嘧啶 核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 核苷核苷结构组成 核核 苷苷 酸酸 RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸鸟苷酸GMP胞苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸d AMP脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸d GMP脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸d CMP脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸d TMP生物体内存在的核苷酸，多生物体内存在的核苷酸，多是是5 5核苷酸。核苷酸。Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribo

5、se (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)Uracil (U)Thymine (T)修饰碱基修饰碱基腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphateOH鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷

6、酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HPPPPPPPP鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）假尿苷（假尿苷（ ）二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm

7、26AHH5u多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPu环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPu含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMP 5 -NMP 5 -NDP 5 -NTPN=A、G、C、U 5 -dNMP 5 -dNDP 5 -dNTP N=A、G、C、T AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成 RNA和DNA合成的直接原料。在体内

8、能量代谢中的作用： ATP能量“货币” UTP参加糖的互相转化与合成 CTP参加磷脂的合成 GTP参加蛋白质和嘌呤的合成另外:CDPG参与磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG参与糖原、淀粉、纤维素、果胶等合成；第二信使cAMP、cGMP，微生物细胞内，还有cUMP、cCMP、cIMP，但功能不明。 l辅酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的组成成分，参加细胞内的氧化还原反应和酰基转移反应；l医疗中，ATP作为能源药物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。环化核苷酸环化核苷酸cAMP、cGMP：被：被称为第二信称为第二信使，有

9、放大使，有放大激素的作用激素的作用IMP GMPIMP GMP1. DNA 的一级结构的一级结构2. DNA的二级结构的二级结构3. DNA的三级结构的三级结构4. DNA与基因组与基因组1. DNA一级结构一级结构 DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。55端端3端端CGA5 3 5 3 p p p pOH3 ACTG1 线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式字母式结构式结构式 DNADNA一级结构一级结构5 3

10、 OHOHOH5 3 RNARNA RNA与与DNA一级结构一级结构的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基DNADNA DNA的双螺旋结构的双螺旋结构(Watson-Crick模型）模型） DNA双螺旋结构特征、稳定因素及意义双螺旋结构特征、稳定因素及意义 DNA双螺旋的多态性双螺旋的多态性DNA的其它二级结构的其它二级结构 （DNA回文结构、发卡、十字架、三链结构等）回文结构、发卡、十字架、三链结构等）2. DNA二级结构二级结构5 3 5 3 5 3 5 3 磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基T-A碱基

11、对碱基对C-G碱基对碱基对Chargaff Chargaff 规则规则u任何一种生物中各碱基相对比例相同任何一种生物中各碱基相对比例相同 即：即：A=T，G=C；u不同生物的不同生物的DNA,其碱基组成不同；其碱基组成不同；u同一个体不同器官、组织的同一个体不同器官、组织的DNA,其碱基其碱基组成相同。组成相同。 a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。 b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律）。 c. 螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每

12、隔10个碱基对（base pair, bp）重复一次，间隔（螺距）为3.4nm。 d.螺旋表面不平滑，有大沟和小沟。u氢键氢键维持双链横向稳维持双链横向稳定性，定性，碱基堆积力碱基堆积力维维持双链纵向稳定性。持双链纵向稳定性。u磷酸基上负电荷被胞磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中内组蛋白或正离子中和和 该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。 所谓DNA二级结构的多态性，是指DN

13、A不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明DNA的结构是动态的，而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。l(1) B-DNA螺旋：标准的 Watson, Crick双螺旋，细胞正常状态下DNA存在的构型。l(2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。l(3) C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。l(4) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。DNA双螺旋的不同构型双螺旋的不同构型回文序列回文序列发夹式结构发夹式结构十字形结构

14、十字形结构中心区域中心区域DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对DNA分子内分子内的三链结构的三链结构 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶 在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构. 实例：超螺旋 核蛋白体（ 染色体chromosome）超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。正超螺旋正超螺旋(positive su

15、percoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 染色体包装的多级螺旋模型染色体包装的多级螺旋模型压缩倍数压缩倍数 7 6 40 5 （8400） DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装 染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的，组蛋白有五种。H2A,H2B,H3,H4 各两分子构成

16、一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140bp ，称为核小体的核心颗粒(core particle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为连接部，组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约800010000倍.核小体结构如图所示核小体结构如图所示: :真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白： H

17、1H2A，H2BH3H44 DNA4 DNA与基因组与基因组DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因pDNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗传信息的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。，并作为基因复制和转录的模板。p基因从结构上定义基因从结构上定义, 是指是指DNA分子中的特定区段分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 结构基因结构基因调节基因调节基因基因组基因组DNADNA与基因与基因l基因即一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分

18、子的最小功能单位（交换单位）。l一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组；l基因组计划：o人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ）o酵母基因组计划酵母基因组计划 （YGP）o大肠杆菌（大肠杆菌（E.Coli）真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点A. 重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列：在DNA中可重复几十次到几 千次。高度重复序列：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，称为卫星D

19、NA（satellite DNA）富含富含A-T富含富含G-C主体主体DNAB. 有断裂基因mRNA1 872bp内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。transcription原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点A. DNA大部分为结构基因，每个基因出现频 率低。B. 功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。C.有基因重叠现象。ABCDEFG1 RNA的一级结构的一级结构 2 tRNA 的分子结构的分子结构3 rRNA的分子结构的分子结构4 mR

20、NA的分子结构的分子结构 RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯 键 ） 和 排 列 顺 序 叫 做RNA的一级结构OHOHOH5 3 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基1 RNA的一级结构的一级结构 转运转运RNA,即即tRNA，它的一端可以共价连接一个，它的一端可以共价连接一个氨基酸，在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作氨基酸，在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用。用。* tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3

21、末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 二级结构特征： 单链三叶草叶形 四臂四环 三级结构 特征： 在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型X光晶体衍射解出的 tRNA 立体结构核糖体核糖体RNA即即rRNA，是细胞内含量最多的，是细胞内含量最多的RNA,约约占占RNA总量的总量的80%以上，是蛋白质合成机器以上，是蛋白质合成机器核糖核糖体的组成成分。体的组成成分。在在rRNArRNA分子中，研究最多的是分子中，研究最多的是5SrRNA5SrRNA和和16SrRNA16SrRNA。大肠杆菌。大肠杆菌中的中的5SrRNA5SrRNA的的5 5 - -端常出现

22、端常出现pppUpppU，3 3 - -端为端为UOH UOH ；第；第43-43-4747位的核苷酸顺序为位的核苷酸顺序为CGAACCGAAC（真核细胞此序列则出现在（真核细胞此序列则出现在5.8SrRNA5.8SrRNA），这是），这是rRNArRNA与与tRNAtRNA相互识别、相互作用的部位；相互识别、相互作用的部位；原核细胞原核细胞16SrRNA16SrRNA的的3 3 - -端总存在序列端总存在序列ACCUCCUACCUCCU，这是，这是mRNAmRNA的识别位点。的识别位点。 特征： 单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5 5SRNASRNA的二级结构

23、的二级结构信使信使RNA即即mRNA，为单链结构，约占，为单链结构，约占RNA问题的问题的5-10%，在合成时转录模板，在合成时转录模板DNA所携带的遗传信息所携带的遗传信息。mRNAmRNA相对分子质量不均一，代谢活跃，这给一级结构的研究相对分子质量不均一，代谢活跃，这给一级结构的研究带来一定困难。真核细胞带来一定困难。真核细胞mRNAmRNA与原核与原核mRNAmRNA比较，在结构上具比较，在结构上具有明显的区别。真核细胞有明显的区别。真核细胞mRNAmRNA的的3 3 - -末端有一段可长达末端有一段可长达200200个左右的聚腺苷酸（个左右的聚腺苷酸（poly Apoly A），称为）

24、，称为“尾尾”结构；结构；5 5 - -末末端有一个甲基化的鸟苷酸端有一个甲基化的鸟苷酸, ,称为称为“帽帽”结构，表示结构，表示m7Gp5p5pXpmYm7Gp5p5pXpmY，其中，其中X X、Y Y为任意碱基。这种为任意碱基。这种“尾尾”和和“帽帽”的结构在的结构在mRNAmRNA功能表现中具有重要作用功能表现中具有重要作用。原核生物原核生物mRNA特征特征： 先导区先导区+翻译区（多顺反子）翻译区（多顺反子）+末端序列末端序列真核生物真核生物mRNA特征特征： “帽子帽子”（m7G-5 ppp5 -N-3 p）+单顺反单顺反 子子+“尾巴尾巴”（Poly A）原核细胞原核细胞mRNAm

25、RNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p真核生物mRNA的一级结构可用下式表示 :5-帽子 5-非密码区 密码区3-非密码区 polyA 5-cap：m7G(5)pppNmp 5-cap cap0: m7G(5)pppNp cap1: m7G(5)pppNmpNp cap2: m7G(5)pppNmpNmpNp 5 -cap的功能的功能 (1) 防止防止mRNA

26、被核酸酶降解。被核酸酶降解。(2) 为为mRNA翻译活性所必需。翻译活性所必需。(3) 与蛋白质合成的正确起始有关。与蛋白质合成的正确起始有关。3 -polyA : polyA的残基数的残基数20200个，或更多。个，或更多。polyA的功能的功能 保护保护mRNA，免受核酸外切酶的作用。，免受核酸外切酶的作用。与翻译有关，没有与翻译有关，没有polyA翻译活性降低。翻译活性降低。与与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。从细胞核转移到细胞质有关。 1 核酸的物理性质核酸的物理性质 2 核酸的紫外吸收特性（核酸的紫外吸收特性（max=260nm） 3 核酸的变性、复性和分子杂交核酸的变性、复性和分

27、子杂交 4 核酸的溶链温度（核酸的溶链温度（Tm） 5 核酸的水解核酸的水解性状：RNA及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色的粉末或结晶；DNA则为疏松的石棉一样的纤维状固体。粘性：核酸的水溶液粘度很大，粘度DNA大于RNA。核酸变性后，粘度下降。溶解性：RNA和DNA都是极性的化合物，一般说来，这些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。它们的钠盐易溶于水。 DNA和RNA在生物细胞内都与蛋白质结合成核蛋白。物理性质物理性质天然天然DNA变性变性DNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30-40%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应），但