第7章核酸化学

1、第第7 7章章 核酸化学核酸化学二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核分布于胞核90%90%、胞液、胞液10%10%。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传

2、信息的载体。传信息的载体。染色体是DNA的载体DNADNA可通过复制遗传给下一代可通过复制遗传给下一代人体23对染色体,分别来自于父母任何一个多细胞生物的体细胞都含有任何一个多细胞生物的体细胞都含有 完全相同的基因组完全相同的基因组DNADNA。 DNA表达差异表达差异 mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNAMessenger RNAlTransfer RNARibosome RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其外，细胞的不同部位存在的许多其他

3、种类的小分子他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA。核糖体核糖体 RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL - RNA 核糖体组分核糖体组分成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分RNA信使信使RNARNA转运转运RNARNARNA核内小核内小胞浆小胞浆小RNARNA细胞核和胞液细胞

4、核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL - RNA 蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸的前体的前体的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNARNA含量含量80510-15三、核酸的生物功能三、核酸的生物功能（一）（一）DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质（二）（二）RNA功能的多样性功能的多样性1、参与蛋白质的合成、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰的转录后加工与修饰3、参与基因表达的调控、

5、参与基因表达的调控4、生物催化作用、生物催化作用1.mRNA信使信使RNA2. rRNA核糖体核糖体RNA3. tRNA 转运转运RNA 核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解（一）（一） 碱基碱基嘌呤碱：腺嘌呤嘌呤碱：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤、鸟嘌呤(G)嘧啶碱：胸腺嘧啶嘧啶碱：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶、胞嘧啶(C)、尿嘧啶尿嘧啶(U)稀有碱基：稀有碱基： 嘌呤环嘌呤环 嘧啶环嘧啶环（1）嘌呤碱）嘌呤碱（2）嘧啶碱）嘧啶碱尿嘧啶尿嘧啶 U胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T胞嘧啶胞嘧啶 C鸟嘌呤鸟嘌呤 G腺嘌呤腺嘌呤 A （二）核苷：核糖（二）核苷：核糖+ +碱基碱基lDNA含含-D-2-脱

6、氧核糖脱氧核糖lRNA含含-D-核糖核糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2假尿苷，假尿苷，pseudouridine， 磷酸碱基戊糖NNNNNHHNHNHOOOOHOHOHOHCH2POHOOO碱基连接（核苷键）碱基连接（核苷键）酯酯 键键（对（对DNA为为H）（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸O-POO-NNNN

7、NH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)ADPATPAMP1 1一般物理性质：无色粉末或结晶；易溶于水，一般物理性质：无色粉末或结晶；易溶于水，具有旋光性；酸溶液中不稳定，中性和碱具有旋光性；酸溶液中不稳定，中性和碱性溶液中稳定性溶液中稳定2 2互变异构现象互变异构现象3 3光的吸收性质光的吸收性质( (紫外吸收紫外吸收) )4 4两性电解质两性电解质 DNADNA一级结构是指一级结构是指DNADNA上的核苷酸排列顺序。上的核苷酸排列顺序。 ( (核苷酸相当于

8、氨基酸、单糖的角色）核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）（一）（一）DNA的一级结构的一级结构1.定义： DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3 ,5 磷酸二酯键磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。 2. DNA的书写顺序是53。 3.DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键35HHHHHHH（1 1）核苷酸间以）核苷酸间以3-53-5磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连（2 2）一端称为）一端称为5-5-磷酸端（磷酸端（5 5-P-P表示）表示） 一端称为一端称为

9、3-3-羟基端（羟基端（3 3-OH-OH表示）表示）（3 3）多聚核苷酸链具有方向性，表示时，）多聚核苷酸链具有方向性，表示时， 需注明方向：需注明方向：5353或是或是35354、DNA一级结构的表示方法结构式/线条式/字母式（1）结构式（碱基用单字母表示）戊糖P53首端首端末端末端PPPPPP （2）线条式（碱基用单字母表示 磷酸基团用P表示）（3）字母式（单字母ATGC在式中表示脱氧核苷，省略d） RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。 RNA分子中各核苷之间分子中各核苷之

10、间的连接方式（的连接方式（3 -5 磷酸二磷酸二酯 键酯 键 ） 和 排 列 顺 序 叫 做） 和 排 列 顺 序 叫 做RNA的一级结构的一级结构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 tRNA的功能：的功能： 结合活化氨基酸（结合活化氨基酸（ 3 -CCA-OH ），），搬运氨基酸到核糖体；搬运氨基酸到核糖体； 识别识别mRNA密码子。密码子。 参与蛋白质的翻译。参与蛋白质的翻译。2、mRNA一级结构的特点：一级结构的特点：（1）真核细胞）真核细胞mRNA

11、5帽子 密码子 3polyA m7Gppp- AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻译区 编码区 3非翻译区真核生物真核生物mRNA的共价结构的共价结构1.帽子结构：帽子结构：由甲基化酶催化可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。可为核糖体提供识别位点，使mRNA很快与核糖体结合，促进蛋白质合成起始复合物的形成。识别翻译起始识别翻译起始 2.polyA：维持：维持mRNA的稳定性的稳定性转录后由转录后由poly(A)聚合酶催化加尾聚合酶催化加尾PolyA是是mRNA由核进入胞质所必需的形式。由核进入胞质所必需的形式。polyA与与mRNA半寿期有关，半寿期有关， PolyA大大提高大大提高mR

12、NA在胞质中的稳定性。在胞质中的稳定性。功能功能原核生物原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。为多顺反子，无修饰碱基。多顺反子：一条多顺反子：一条mRNA链上有多个编码区链上有多个编码区（2）原核细胞）原核细胞mRNA* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA3、rRNA一级结构特点一级结构特点rRNA的功能的功能 作为核糖体的骨架；作为核糖体的骨架； 催化肽键的形成。催化肽键的形成。（一）（一）DNA双螺旋结构提出的依据双螺旋结构提出的

13、依据 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = T G C 嘌呤碱嘌呤碱 = 嘧啶碱嘧啶碱 已知核酸的化学结构已知核酸的化学结构 DNA纤维的纤维的X-射线衍射图谱分析射线衍射图谱分析 ChargaffDNA碱基碱基 组成具有：组成具有： 生物生物种的特异性种的特异性； 无组织无组织/器官特异性；器官特异性； 不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。腺嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶其他组合易相互排斥其他组合易相互排斥如如 G:T（1 1）两条反向平行的）两条反向平行的 多核苷酸链围绕多核苷酸链围绕 同一中心轴缠绕，

14、同一中心轴缠绕， 为右手螺旋。为右手螺旋。1 1、结构特征、结构特征（2 2）碱基位于双螺旋的内侧，碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧，磷酸和核糖在外侧，通过通过3，5磷酸二酯键构磷酸二酯键构成骨架。成骨架。碱基平面与纵轴垂直，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。糖环平面与纵轴平行。大沟：宽大沟：宽1.2nm1.2nm，深，深0.85nm0.85nm，小沟：宽小沟：宽0.6nm0.6nm，深，深0.75nm0.75nm。TACG（3）主要参数）主要参数双螺旋的直径为双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹两个核苷酸之间的夹角角36，每圈螺旋含每

15、圈螺旋含10个核苷个核苷酸，螺距酸，螺距3.4nm。（4 4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。结合。 A AT GT GC C（5 5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。可决定另一条互补链的序列。双螺旋的补充：双螺旋的补充：（1）夹角和碱基对的数目变化）夹角和碱基对的数目变化（2）碱基对沿长轴旋转一定的角度）碱基对沿长轴旋转一定的角度碱碱基基对对间间的的氢氢键键碱基堆积力碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）形成疏

16、水环境（主要因素） 。碱基配对的碱基配对的氢键氢键。GCGC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子之间形成离子键离子键，中和了磷酸基上的负电荷，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于间的斥力，有助于DNADNA稳定。稳定。碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。活性小分子的攻击。2 2、稳定双螺旋结构的因素、稳定双螺旋结构的因素3、DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 DNADNA的类型的类型类型类型 结晶状态结晶状态 螺

17、距螺距 碱基距离碱基距离 每圈每圈 旋转旋转 (nm) (nm) (nm) (nm) bpbp数数 方向方向A A 相对湿度相对湿度75% 2.8 0.256 11 75% 2.8 0.256 11 右手右手 DNADNA钠盐钠盐B B 相对湿度相对湿度92%92% 3.4 0.34 10 3.4 0.34 10 右手右手 DNADNA钠盐钠盐C C 相对湿度相对湿度66% 3.1 0.332 9.3 66% 3.1 0.332 9.3 右手右手 DNADNA锂盐锂盐Z Z d(GCGCGCd(GCGCGC) 4.44 0.37 12 ) 4.44 0.37 12 左手左手4、三股螺旋、三股螺

18、旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：旋的大沟结合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)P 490 图13-11 H-DNA的结构的结构 DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。 包括：包括： 不同二级结构单元间的相互作用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单链与二级结构单元间的相互作用 DNA的拓扑特征的拓扑特征 超螺旋是超螺旋是DNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式

19、。（三）（三）DNA的三级结构的三级结构环形环形DNADNA一条链断裂：开环分子（一条链断裂：开环分子（ocDNAocDNA) )两条链断裂：线型分子两条链断裂：线型分子 (linear DNA)(linear DNA)1、 环状环状DNA的三种典型构象的三种典型构象 （1）、）、 松弛环形松弛环形DNA（2）、）、 解链环形解链环形DNA（3）、）、 正超螺旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNA松弛环形松弛环形正超螺旋正超螺旋解链环形解链环形2、 三种环形三种环形DNA的拓扑学特性的拓扑学特性连环数连环数（linking number , L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次

20、数扭转数扭转数（twisting number , T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示超螺旋数超螺旋数（缠绕数（缠绕数 , writhing number , W）L=T+W比连环差比连环差（specific linking difference , ）表示表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)=（LL0）/L0 = 每一圈初级螺旋（每一圈初级螺旋（10bp，360）出现超螺旋数）出现超螺旋数L0是指松驰环形是指松驰环形DNA的的L值值3、 拓扑异构酶拓扑异构酶改变改变DNA拓扑异构体的拓扑异构体的L值。值。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶

21、I（解旋酶）（解旋酶）能使双链负超螺旋能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状转变成松驰形环状DNA，每次，每次催化使催化使L值增加值增加1。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶II（促旋酶）（促旋酶）能使松驰环状能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形转变成负超螺旋形DNA，每次催化，每次催化使使L减少减少2。 RNA通常是通常是单链线形单链线形分子分子 自身回折形成局部双螺旋（自身回折形成局部双螺旋（二级结构二级结构） 进而折叠（进而折叠（三级结构三级结构） 多数形成核蛋白复合物（多数形成核蛋白复合物（四级结构四级结构），）， 如核糖体、拼接体、编辑体等。如核糖体、拼接体、编辑体等。 RNA病毒是具有感染性的病毒是具有感染性的RNA复合物复合物四、四、RNA的高级结构的高级结构 RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（天