生物化学课件：第二章核酸化学

1、第第二二章章核核 酸酸 化化 学学核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不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，生物物种遗传特性的保持，仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。学的重要基础之一。核酸重

2、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。19531953年，年， Watson

3、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1.11.1核酸的种类与分布核酸的种类与分布核酸分为两大类，即：核酸分为两大类，即： 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）- Ribonuclei

4、c Acid Ribonucleic Acid。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） tRNA tRNA ：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。DNADNA为双链分子，其为双链分子，其中大多数是链状结中大多

5、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

6、 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NNNHNNH2123456798腺嘌呤腺嘌呤NHNNHNONH2鸟嘌呤鸟嘌呤91.3.1 1.3.1 碱基种类碱基种类- -嘧啶嘧啶NNHNH2ONHNHOONHNHOO胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶12345611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

7、 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。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖1421.3.3 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NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHO

8、HHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH219111.3.4 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。OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH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

9、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-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)备注备注核苷酸还可以发生环化。核苷酸还可以发生环化。cAMPcAMP(3,5- (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

10、功能是作为细胞之间传递信息的信使递信息的信使cAMP cAMP 和和 cGMP cGMP 的的环状环状磷酯键磷酯键是一个高能键是一个高能键备注备注2. 2. DNADNA的分子结构的分子结构“ChargaffChargaff 定则定则”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“Chargaff Chargaff 定则定则”1.1.一种生物的所有体细胞的一种生物的所有体细胞的DNADNA的碱基组成是相同的，的碱基组成是相同的，这个碱基组成可作为该

11、物种的特征这个碱基组成可作为该物种的特征2. 2. 不同生物碱基组成有很大差别，可用不同生物碱基组成有很大差别，可用“不对称比不对称比率率”-(”-(A+T)/(G+C)A+T)/(G+C)表示表示3. 3. 亲缘关系相近的生物，其碱基组成相似，即不对称亲缘关系相近的生物，其碱基组成相似，即不对称比率相近似比率相近似4. 4. 同一种生物内，同一种生物内，DNADNA分子中分子中A=T,G=CA=T,G=C5. 5. 同种生物的同种生物的DNADNA分子中分子中A+T=G+CA+T=G+C2.1 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

12、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

13、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：PP5335PP53P53ACGTDNADNA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

14、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： 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

15、。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，

16、每每1010个核个核苷酸形成一个螺旋，苷酸形成一个螺旋，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

17、形成两个氢键，之间形成两个氢键，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，形成了双螺旋结构内部碱基

18、层层堆积，形成了一个强大的疏水区一个强大的疏水区- -碱基堆积力碱基堆积力，消除了，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质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+）可与可与磷酸基团上的负电荷形成磷酸基团上的负电荷形成离子键离子键，降低，降低了了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 C-DNA

19、相对湿度相对湿度66%,锂盐锂盐左手螺旋左手螺旋: Z-DNAA,B,ZA,B,Z型型DNADNA构象的比较构象的比较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

20、白：分子量分子量11-2111-21KD,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的一段双螺的一段双螺旋旋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核心颗粒心颗粒表面绕核心颗粒表面绕核心颗粒1.751.75圈，

21、组圈，组成核小体核心。成核小体核心。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染染色色体体的的形形成成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

22、以单链存在，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73738989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CCA-OHC

23、CA-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, ,rRNA rRNA 与与蛋白质一起蛋白质一起组成核糖体，组成核糖体，作为作为蛋白质蛋白

24、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,5.8S)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。mRNAmRNA是蛋白质合成的模板，决定着是蛋白质合成的模板，决定着蛋白质中氨基酸的顺序

25、，蛋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为单顺反子。为单顺反子。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-末端有一末端有一段段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结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协同核糖体与始作用及协同核糖体与mRNAmRNA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

26、作可能有抗核酸外切酶的作用用4.4.原核生物原核生物mRNAmRNA分子中一般没有修饰成分，分子中一般没有修饰成分，而真核生物而真核生物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PolyA PolyA 位点位点4.4.核酸的理化性质核酸的理化性质物理物理1.1.溶解度溶解度：DNA,RNADNA,RNA均微溶于水，不溶于均微溶于水，不溶于 乙醇、乙醚等有机溶剂。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，二者均强，二者均 不耐强酸、强碱。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

27、质 RNA-RNA-蔗糖梯度超离心蔗糖梯度超离心 DNA-DNA-氯化铯梯度超离心氯化铯梯度超离心4.4.粘度粘度： 线性线性无规则线团球形无规则线团球形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物理物理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 单链，并不涉及共价键的断裂。单链，并不涉及共价键的断裂。 核酸的降解核酸的降解 指多核苷酸骨架上共价键的断裂指多核苷酸骨架上共价键的断裂 (3,5 (3,5磷酸二酯键磷酸二酯键) ) RNARNA有局部的双螺旋，因此也可变性有局部的双螺旋，因此也可变性4.4.核酸的理化性质核酸的理化性质变性变性变性的特点：变性的特点： 1. 1. 增色效应增色效应：与天然：与天然DNADNA相比，变性相比，变性DNADNA因其双螺旋结构被破坏，使碱基充分暴露，因其双螺旋结构被破坏，使碱基充分暴露，因此紫外吸收