第三章 核酸化学

1、o1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” o1889年年R.Altman从动植物细胞中分离出不含蛋白质的核从动植物细胞中分离出不含蛋白质的核素素核酸。核酸。o1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1. 1.核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展 真核生物 原核生物 细胞核（98%）拟核 线粒体mDNA （少量） 质粒DNA（plasmid） 叶绿体ctDNA （少量）等 病毒DNA 细胞质（90%） 细胞质 核仁（少量） 病毒RNA 2. 2.核酸的种类和分布核酸的种类和分布脱氧核糖核酸核糖核酸功能：携带遗

2、传信息，决定细胞和个体的基因型功能：携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)(genotype)。功能：参与细胞内功能：参与细胞内DNADNA遗传信息的表达。某些病毒遗传信息的表达。某些病毒RNARNA也可作也可作为遗传信息的载体。为遗传信息的载体。 核酸核酸是由几十个甚至几千万个是由几十个甚至几千万个核苷酸核苷酸聚合而成的聚合而成的具有一具有一定空间结构定空间结构的的生物大分子生物大分子。 基本元素：基本元素：C C、H H、O O、N N、P P ；其中其中P P 的含量比较稳定，占的含量比较稳定，占9%-10%9%-10%，通过测定，通过测定P P 的含的含量来推算核酸的

3、含量（量来推算核酸的含量（定磷法定磷法）。）。一、核酸的元素组成一、核酸的元素组成二、核酸的基本构成单位：核苷酸二、核酸的基本构成单位：核苷酸(nucleotide)(nucleotide)核苷酸由核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成三部分构成 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-脱氧核脱氧核糖；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（1 1） 嘌呤（嘌呤（PurinePurine）NHNNNNHNNNNH2NH

4、NNHNH2NO123456789嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(G)NNNHNNH2ONHNHOONHNHOOH3C123456嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶(C)尿嘧啶尿嘧啶(U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 （DHU）NNCH3NH25 - M e t h y l- d COdR3.3.核苷核苷 核苷：核苷：戊糖戊糖上的羟基和上的羟基和碱基碱基上的氢脱水缩合后所形成上的氢脱水缩合后所形成的化合物。的化合物。

5、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NNNNNH2HOCH2OOHHHHOHH1912345HOCH2OOHHHHOHHNNNH2O12345糖苷：指糖类与醇类脱水生成的产物。糖苷：指糖类与醇类脱水生成的产物。核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖戊糖+ +碱基碱基+ +磷酸磷酸HHHHHHH H H4.4.核苷酸（核苷酸（nucleotidenucleotide）三、核苷酸的衍生物三、核苷酸的衍生物1.1.多磷酸核苷（多磷酸核苷（NDPNDP、NTP)NTP)2.2.环化核苷酸（环化核苷酸（cAMPcAMP、cGMPcGMP等）等）3.3.辅酶或辅基（辅酶或

6、辅基（NADNAD、NADPNADP、FADFAD、CoACoA等，均含有等，均含有AMPAMP）1. 1. 多磷酸核苷多磷酸核苷ATPGTPCTPUTPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -OOPOO- -OPO- - -OO一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）高能磷酸基团：高能磷酸基团：在在ATPATP分分子中的子中的3 3个依次连接的磷个依次连接的磷酸基团中，末端两个磷酸基团中，末端两个磷酸基团称为高能磷酸基酸基团称为高能磷酸基团。团。高能磷酸化合物：高能磷酸化合物：含有含有高能磷酸基团的化合物。高能磷酸基团的化合物。ATPAMP:ATPAMP:

7、供能方式供能方式AMPATPAMPATP：储存能量：储存能量ATPATP能量货币能量货币 由太阳能提供能量合成ATP 的过程，称为光合磷酸化（植物光合作用的一个重要组成部分）。 由储能物质氧化分解提供化学能合成ATP 的过程，称为氧化磷酸化（动物体内生物氧化的重要组成部分）。 光合磷酸化和氧化磷酸化是生物体将光能和化学能转变成生物能（ATP）的最基本的反应形式。ATP-ADP 循环是自然界生物赖以生存的基础。图5-1 ATP-ADP循环的意义 ATP （三磷酸腺苷）：ATP 是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。ATP 分子结构的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP 水解时，可以释放

8、出大量自由能，可以作为推动生物体内各种需能反应的能量来源。ATP 是生物休内最重要的能量转换中间体。ADP 和磷酸在外界能量作用下，可以重新合成ATP 。 ATP 和GTP2.2.环化核苷酸环化核苷酸 cAMP cGMPcAMPcAMP和和cGMPcGMP的主要功能是作为细胞的第二信使。的主要功能是作为细胞的第二信使。12345NNNNNH2CH2OOHHHHOHOPOOH912345NNNHNOCH2OOHHHHOHOPOOHH2N9cAMP 和cGMP o 生物细胞中存在着两种重要的环状核苷酸：cAMP ( 3 , 5 -环腺苷酸）和cGMP (3 , 5 -环鸟苷酸）。o cAMP 和c

9、GMP 的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使，参与代谢调节过程。o cAMP还参与大肠杆菌中DNA转录的调控， cAMP及其衍生物在治疗心绞痛及心肌梗死方面有一定疗效。 3.3.辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸-辅酶，NAD+ 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-辅酶，NADP+ 黄素单核苷酸（FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD) 辅酶A 辅酶类核苷酸不参与核酸的构成，而在生物氧化过程中参与氢和某些化学基团的传递。一、一、DNADNA的碱基组成的碱基组成 DNA是由两条脱氧多核苷酸链组成的具有复杂三维结构的大分子化合物，是遗传信息的载体。组成DNA的碱基：A,G,C,T4种脱氧核苷

10、酸：dAMP dGMP dCMP dTMP在同一生物体内，A=T,G=C推导出 A+G=T+C;A+C=T+Gp 不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组成。p DNA的碱基组成无组织或器官特异性。p 生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与遗传特性有关，不受年龄、生长状况与环境等影响。一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。又称碱基排列顺序顺序。又称碱基排列顺序二级结构：两条两条DNA多聚核苷酸链间通过氢多聚核苷酸链间通过氢键，反向、平行、互补形成的双螺旋结构。键，反向、平行、互补形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的双链进一步折叠卷曲形

11、成的构象。构象。更高级结构：DNA和组蛋白构成染色体结构和组蛋白构成染色体结构 二、DNA的分子结构DNA 的一级结构 连接方式：连接方式：3 3 -5-5 磷酸磷酸二酯键二酯键 碱基排列顺序，不同的碱基排列顺序，不同的DNADNA分子具有不同的核苷分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。不同的遗传信息。方向：方向： 5 5 33 。 一级结构的表示方法：一级结构的表示方法：结构式，线条式，字母式结构式，线条式，字母式DNA一级结构的表示法3 结构式结构式5 3 p p p pOH3 ACTG1 线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式（常

12、用）字母式（常用）AGCTCGATACGTCA方向不同，不同的序列方向不同，不同的序列2.DNA2.DNA的二级结构的二级结构qWatson Watson 和和 Crick Crick 于于19531953年提出了年提出了DNA DNA 双螺旋结构模型，说明双螺旋结构模型，说明了了DNA DNA 的二级结构。（即的二级结构。（即B B型型DNADNA） DNADNA碱基组成符合：碱基组成符合： A=TA=T；G=CG=C； A+G=T+CA+G=T+C。 不对称比率：不对称比率：A+T/G+CA+T/G+C； 物种不同，物种不同，DNADNA碱基组成不同；碱基组成不同； 物种亲缘愈接近，碱基组

13、成也愈接近，该比率越相近似。物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似。 具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况 环境的改变不影响环境的改变不影响DNADNA的碱基组成。的碱基组成。提出提出DNADNA双螺旋结构模型的根据双螺旋结构模型的根据 DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链( (简称简称DNADNA单链单链) )组成。两组成。两条链沿着同一根假象的中心轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。条链沿着同一根假象的中心轴平行盘绕，形成右

14、手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为55端端33端，而另一条链的方向为端，而另一条链的方向为33端端55端。端。（2 2）由脱氧核糖和磷酸构）由脱氧核糖和磷酸构成双螺旋的骨架，碱成双螺旋的骨架，碱基位于螺旋的内侧，基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平于螺旋外侧。碱基平面与戊糖环平面互相面与戊糖环平面互相垂直，碱基对平面彼垂直，碱基对平面彼此平行。此平行。（3 3）螺旋横截面的直径约）螺旋横截面的直径约为为2nm2nm，每条链相邻两个碱，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为基平面之间的距离为0.3

15、4 0.34 nmnm，每，每1010个核苷酸形成一个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为转一圈的高度）为3.4 nm3.4 nm。（4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相互结合的力是链链相互结合的力是链间碱基对形成的间碱基对形成的氢键氢键。碱基结合具有严。碱基结合具有严格的配对规律格的配对规律: :A A与与T T结合，结合，G G与与C C结合结合，这种配对关系，称为碱基互补。这种配对关系，称为碱基互补。A A和和T T之之间形成两个氢键，间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢之间形成三个氢键。键。 在在DNADNA分子中，嘌呤碱基的总数

16、与嘧分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。啶碱基的总数相等。（5 5）螺旋表面形成大沟）螺旋表面形成大沟(major (major groove)groove)及小沟及小沟(minor groove)(minor groove)，彼，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别是蛋白质识别DNADNA碱基序列的基础。碱基序列的基础。（6 6）氢键）氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性，碱碱基堆积力基堆积力维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性。2.0 nm小小沟沟大大沟沟DNADNA的双螺旋结构稳定因素的双螺旋结构稳定因素 氢键氢键 碱基堆积力碱基堆积

17、力 : :分子中碱基的堆积可以使碱基之间缔合，形成分子中碱基的堆积可以使碱基之间缔合，形成了碱基堆积力。（主要作用力）了碱基堆积力。（主要作用力） 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中3.DNA3.DNA的三级结构的三级结构-超螺旋超螺旋1.超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象。2.正超螺旋（变紧，过旋）和负超螺旋（变松，欠旋）。3.人类4646条染色体的DNADNA总长可达1.7m1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm200nm。螺螺旋旋和和超超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋4.染色质与染色

18、体o 真核生物中DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心的短轴绕1.75圈，形成左手超螺旋，称核小体。o 染色质的基本结构单位是核小体。o 串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单体。核小体核小体(nucleosome)(nucleosome)： 由由DNADNA和组蛋白构成。和组蛋白构成。DNADNA：以负超螺旋缠绕在：以负超螺旋缠绕在组蛋白上组蛋白上组蛋白核心：组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4H2B ,H2A ,H3 ,H4H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间第三节RNARNA的分子的组成和结构的分子的组成和结构（一）（一）RNARNA的特点及分

19、类的特点及分类结构特点：结构特点：1. 1. 碱基组成：碱基组成：A A、G G、C C、U U （A-U/G-CA-U/G-C）；）；2. 2. 稀有碱基稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；较多，稳定性较差，易水解；3. 3. 多为多为单链单链结构，少数结构，少数局部形成螺旋局部形成螺旋（发夹结构）；（发夹结构）；4. 4. 分子较小分子较小。分类：分类：1. 1. 信使信使RNARNA（mRNAmRNA）2. 2. 转运转运RNA RNA （tRNAtRNA）3. 3. 核糖体核糖体RNA RNA （rRNArRNA）一、一、RNARNA分子的组成及种类分子的组成及种类1.1.信使信使RNA

20、 RNA （Messenger RNAMessenger RNA）(1)(1)约占总约占总RNARNA的的3%-5%3%-5%，含量最少，种类最多。，含量最少，种类最多。(2)(2)成熟成熟mRNAmRNA不含内含子，不含内含子，hnRNAhnRNA含有。含有。(3)mRNA(3)mRNA从从DNADNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白 质的氨基酸顺序。质的氨基酸顺序。2.2.转运转运RNARNA（Transfer RNATransfer RNA）(1)(1)约占总约占总RNARNA的的10-15%10-15%，分子最小。，分子最小。

21、(2)(2)它在蛋白质生物合成中起翻译它在蛋白质生物合成中起翻译mRNAmRNA信息，并将相应的氨基信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体，参与蛋白质体的合成。酸转运到核糖体，参与蛋白质体的合成。(3)(3)已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNAtRNA。tRNAtRNA的结构特点的结构特点n 含含 101020% 20% 稀有碱基稀有碱基；n 3 3 末端为末端为 - CCA-OH- CCA-OH；n 5 5 末端大多数为末端大多数为G G；n 由由70709090个核苷酸组成；个核苷酸组成；3.3.核糖体核糖体RNARNA（Ribosome RNARiboso

22、me RNA） (1)(1)约占全部约占全部RNARNA的的80%80%，含，含量最多。量最多。(2)(2)与多种蛋白质结合成核与多种蛋白质结合成核糖体，后者是合成蛋白糖体，后者是合成蛋白质的场所。质的场所。二、二、RNARNA的一级结构的一级结构 RNARNA分子中各核苷之间的连接方分子中各核苷之间的连接方式（式（3 3 -5-5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和排列顺序）和排列顺序叫做叫做RNARNA的一级结构的一级结构OHOHOH5 3 RNA RNA的多核苷酸链可以在某些部分发生自身弯曲折叠，形成局部双的多核苷酸链可以在某些部分发生自身弯曲折叠，形成局部双螺旋区，此为螺旋区，此为“发夹结构发夹

23、结构”。 RNA RNA大多数由多个核苷酸构成单链分子，只有少数病毒的大多数由多个核苷酸构成单链分子，只有少数病毒的RNARNA具有具有类似类似DNADNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。配对原则：配对原则：A=U G=CA=U G=C稳定原则：至少有稳定原则：至少有4-64-6个碱基对个碱基对三、三、RNARNA的二级结构的二级结构* * tRNA tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHUDHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TCTC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环1.tRNA1.tRNA的结构的结构 氨基酸臂（接受茎） ：七对碱基，末端为CCA ，能接受活化

24、的氨基酸； 二氢尿嘧啶环（DHU环 或D环）：812个核苷酸，因具两个二氢尿嘧啶而得名。与分类有关，通过二氢尿嘧啶臂（D茎）与其它相连； 反密码环 ：7个核苷酸，中部为反密码子，与mRNA密码子配对。通过反密码茎与其它相连； 额外环 ：318个核苷酸，是tRNA分类的依据。 TC环 ：7个核苷酸，可能与在核糖体处落下有关。通过TC臂与其它相连。2.mRNA2.mRNA的结构的结构 大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一个末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同甲基鸟苷，同时 第 一 个 核 苷 酸 的时 第 一 个 核 苷 酸 的 C 2也 是 甲 基 化 ， 形 成 帽 子

25、结 构 ：也 是 甲 基 化 ， 形 成 帽 子 结 构 ：m7GpppNm-。 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾。尾。mRNAmRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNAmRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A A尾的功能尾的功能一、物理性质一、物理性质1. DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇乙醇来沉淀DNA ；DNA溶液黏度大于RNA 。2. DNA难溶于0.14mol/L0.14mol/L的NaCl

26、溶液，可溶于1 12 mol/L2 mol/L的NaCl溶液，RNA则相反，可据此分离二者。3. 加热条件下 D核糖浓盐酸苔黑酚 绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色鉴定鉴定DNA、RNA二、核酸的水解二、核酸的水解o核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。oDNADNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。室温条件下，对酸或碱的耐受程度有很大差别。室温条件下，DNADNA在在碱中变性，但不水解，碱中变性，但不水解，RNARNA水解。水解。o在细胞内核酸分子受在细胞内核酸分子受DNADNA酶作用。酶作用。三、两性解离三、两性解离

27、o核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离；发生两性解离；o核酸相当于多元酸，核酸相当于多元酸，pHpH大于大于4 4时，呈阴离子状态；时，呈阴离子状态；o等电点：都小于等电点：都小于3.53.5，且，且 UMP UMP GMP GMP AMP AMP CMP CMP四、紫外吸收四、紫外吸收o在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系，在在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系，在260 260 nmnm有吸收；有吸收；o可以作为区别蛋白质和对核酸及其组份定性和定量测定的依可以作为区别蛋白质和对核酸及其组

28、份定性和定量测定的依据，进行核酸纯度鉴定，也可作为核酸变性和复性的指标。据，进行核酸纯度鉴定，也可作为核酸变性和复性的指标。五、五、DNADNA的变性、复性与分子杂交的变性、复性与分子杂交（一）（一）DNA的变性的变性1. 概念概念2. 变性条件变性条件3. 变性的特征变性的特征1. 概念 在变性因素作用下，核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。2.DNA的变性的条件条件能够引起核酸变性的因素有：（1）温度升高；（2）酸碱度改变、 pH（11.3或5.0）；（3）有机溶剂如甲醛和尿素、甲酰胺等；（4）低离子强度。3.DNA变性的特征特征o变性核酸将失去其部分或全部的变性核

29、酸将失去其部分或全部的生物活性生物活性。o变性变性改变了改变了DNADNA的二级结构的二级结构。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的的断裂，所以它的一级结构一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变保持不变。oDNADNA的变性过程是的变性过程是突变性突变性的，它在很窄的温度区间内完成。的，它在很窄的温度区间内完成。 DNADNA解链温度解链温度o紫外吸收值明显增加紫外吸收值明显增加，即增色效应。，即增色效应。o粘度降低粘度降低，沉降系数增加。，沉降系数增加。解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。 Tm：紫外光

30、吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。影响影响TmTm值的因素值的因素 DNA DNA的均一性的均一性：均一均一DNADNA（如病毒）的（如病毒）的TmTm值范围较小；值范围较小； DNA DNA中中G-CG-C对的含量对的含量 ：分子中分子中G G和和C C的含量的含量越高，越不易变性，越高，越不易变性，T Tm m值越高。值越高。可通过经验公式计算：可通过经验公式计算： （G+C)%=(Tm-69.3) G+C)%=(Tm-69.3) 2.442.44 盐离子强度盐离子强度 ： T Tm m值随溶液盐浓度增加而增大；值随溶液盐浓度增加而增大；一般一般DNA的的Tm值在值在70-85 C之间，之间， Tm值较低，易变性，不易保存值较低，易变性，不易保存增色效应与减色效应增色效应与减色效应 天然天然DNADNA分子在热变性条件下，双螺旋结构破坏，碱基暴露，分子在热变性条件下，双螺旋结构破坏，碱基暴露，在紫外光在紫外光260