生物化学 核酸化学 上

1、第四章第四章 核苷酸和核酸核苷酸和核酸（Nucleotides and Nucleic Acid ）第一节第一节 核酸通论核酸通论一一 核酸的研究历史和重要事件核酸的研究历史和重要事件 1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离核素（从脓细胞的细胞核中分离核素（nuclein）,后称后称为核酸（为核酸（nucleic acid）。）。 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年年Hershey等等的实验表明的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，可进入噬菌体内， 证明证明DNA是遗传物质。是遗传物质。 1953 Watson和和Crick建立

2、了建立了DNA结构的双螺旋模型。结构的双螺旋模型。 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则，提出遗传信息传递的中心法则， 60年代年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。录酶）。核酸的研究历史和重要事件（续）核酸的研究历史和重要事件（续） 70年代年代 建立建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。致生物技术的兴起。 80年代年代 RNA研究出现第二次高潮：研究出现第二次高潮：ribozyme、反义、反义RNA、“RNA世界世界”假说等等。假说等等。 90年代以

3、后年代以后 实施人类基因组计划（实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：新纪元。生命科学进入后基因时代： 功能基因组学（功能基因组学（functional genomics） 蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics） 结构基因组学（结构基因组学（structural genomics） RNA组学（组学（Rnomics）或核糖核酸组学（）或核糖核酸组学（ribonomics）nGriffithGriffith转化现象转化现象：注射注射R R型活菌型活菌注射注射S S型活菌型活菌注射加热杀死的注射加热杀死的S S型菌体型菌体在死亡的小鼠血

4、中发现在死亡的小鼠血中发现S S型细菌。型细菌。推测：加热杀死的推测：加热杀死的S S型菌体内的型菌体内的某种物质某种物质以某种以某种方式进入到活的方式进入到活的R R型菌体内，使型菌体内，使R R型菌转化为型菌转化为S S型菌。型菌。注射加热杀死的注射加热杀死的S S型菌体型菌体和和R R型活菌混合物型活菌混合物AveryAvery等证明使等证明使R R型转化成型转化成S S型的物质是型的物质是DNADNA提取提取S S型细菌的多糖荚膜、蛋白质、型细菌的多糖荚膜、蛋白质、DNADNA，分别与分别与R R型活菌混合培养。型活菌混合培养。多糖荚膜蛋白质DNA未分离出S菌蛋白酶消化的DNA未分离出

5、S菌分离出S菌分离出S菌DNA酶消化的DNA未分离出S菌Oswald Avery （1877-1955）R型细菌：无毒型肺炎球菌型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌型细菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验二、核酸的种类、分布和含量二、核酸的种类、分布和含量 ( (一一) ) 种类种类 DNA(DNA(Deoxyribonucleic acid DNADeoxyribonucleic acid DNA):):脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸RNARNA（Ribonucleic acid RNARibonucleic acid RNA）: :核糖核酸核糖核酸RNARNA主要有下几种

6、：主要有下几种：1 1、核糖体、核糖体RNA RNA (ribosome RNA (ribosome RNA rRNA) ) 细胞中最主要的细胞中最主要的RNARNA，占细胞中总，占细胞中总RNA80%RNA80%左右。左右。 核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体是蛋白质合成的场所。 2 2、转移、转移RNA RNA (transfer RNA tRNA)(transfer RNA tRNA) 是细胞中最小的一种是细胞中最小的一种RNARNA分子，占细胞总分子，占细胞总RNARNA的的15%15%左右。是左右。是结构研究最清楚的一类结构研究最清楚的一类RNARNA。 在蛋白质的生物合成中，在蛋白质

7、的生物合成中，tRNAtRNA起起携带氨基酸携带氨基酸的作用。的作用。 3 3、信使、信使RNA RNA (messenger RNA mRNA)(messenger RNA mRNA) 占细胞总占细胞总RNARNA的的5%5%左右，含量最少，代谢活跃。左右，含量最少，代谢活跃。mRNAmRNA在蛋在蛋白质的生物合成中起白质的生物合成中起模板作用模板作用。 它将它将DNADNA的遗传信息传递给蛋白质。的遗传信息传递给蛋白质。 （二）分布（二）分布（三）含量（三）含量 DNA DNA含量恒定，含量恒定，RNARNA含量与含量与细胞生长状态细胞生长状态有关。有关。三、核酸的功能三、核酸的功能1 1

8、、核酸是生物体遗传变异的物质基础，、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNADNA是大多是大多数生物体的遗传物质。数生物体的遗传物质。2 2、RNARNA主要参与蛋白质的生物合成。主要参与蛋白质的生物合成。RNARNA的功能多样性。主要有：的功能多样性。主要有：参与基因表达和调参与基因表达和调控控、催化作用、遗传信息的加工、持家功能、病毒、催化作用、遗传信息的加工、持家功能、病毒RNARNA是遗传信息的载体。是遗传信息的载体。第二节第二节 碱基、核苷和核苷酸碱基、核苷和核苷酸一、核酸的组成一、核酸的组成(一一)化学元素组成：化学元素组成： C H O N P(9-10%)(二二)分子组成：分子组

9、成： 磷酸磷酸(phosphate) 碱基碱基(base) 核糖核糖(ribose)其组成上有其组成上有两个特点两个特点：一是核酸一般不含元素：一是核酸一般不含元素S，二，二是核酸中是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占元素的含量较多并且恒定，约占911%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量含量来代来代表核酸量。表核酸量。碱基（Bases）嘌呤碱AG碱基（Bases）嘧啶碱TUC碱基的互变异构碱基的互变异构嘌呤和嘧啶碱基都嘌呤和嘧啶碱基都是含氮杂环化合物，是含氮杂环化合物，分子中的分子中的酮基酮基或或氨氨基基均位于杂环上氮均位于杂环上氮原子的邻位

10、，受介原子的邻位，受介质中质中pH的影响，的影响，会发生会发生酮式酮式-烯醇烯醇式互变异构式互变异构，或氨，或氨基基-亚氨基互变异亚氨基互变异构构(c) 稀有碱基（稀有碱基（rare bases）：）：指核酸中含有的一些微量碱基，多是甲基化的衍生物指核酸中含有的一些微量碱基，多是甲基化的衍生物。核酸中的部分稀有碱基核酸中的部分稀有碱基 DNARNA嘌呤嘌呤7-甲基鸟嘌呤（甲基鸟嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m6A） N 6, N 6-二甲基腺嘌呤二甲基腺嘌呤7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 嘧啶嘧啶5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（

11、甲基胞嘧啶（m5C）5-羟甲基胞嘧啶（羟甲基胞嘧啶（hm5C）5-羟甲基胞嘧啶（羟甲基胞嘧啶（hm5C）(DHU)稀有碱基稀有碱基H核糖核糖 (Ribose)(Ribose) 构成构成 RNARNA脱氧核糖脱氧核糖 (Deoxyribose)(Deoxyribose) 构成构成 DNADNA-D-D-核糖核糖-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖（二）戊糖（二）戊糖核苷核苷顺式为主5 -磷酸核苷磷酸核苷酸的基本结构酸的基本结构OO（N = A、G、C、U、T）HH(O)H1 2 NOHCH2HH5 4 3 PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基核苷酸二二 核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能1 携

12、化学能核苷酸携化学能核苷酸2 核酸的组成成分核酸的组成成分3信号物质信号物质 4 含核苷酸的辅酶及辅基含核苷酸的辅酶及辅基 主要有主要有NAD+、NADP+ 、FAD、COA-SH 均含均含AMPVpp两种活性形式，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。AMP第三节第三节 磷酸二酯键和多核苷酸磷酸二酯键和多核苷酸3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键5 -磷酸核苷基本结构磷酸核苷基本结构OO（N = A、G、C、U、T）HH(O)H1 2 NOHCH2HH5 4 3 PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基核苷酸表示方法：结构式、竖线式及字母缩写第三节第三节 碱基的性质

13、和核酸结构碱基的性质和核酸结构1 碱基结构的酮式醇式的转化 2 紫外吸收性质紫外吸收性质3 疏水作用力 碱基堆积力；范德华力；减色效应；增色效应4 碱基间的氢键ATCG第五节第五节 DNA结构结构 一一 DNA一级结构的不均一性一级结构的不均一性（1）重复序列）重复序列反向重复（回文序列）反向重复（回文序列）(inverted repeat , palindrome sequence)较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。转录的终止作用与回文结构有关。镜象重复（镜象重复（mirror repeat)某些情况下可以

14、三股螺旋某些情况下可以三股螺旋DNADNADNA双螺旋结构研究的背景及主要依据双螺旋结构研究的背景及主要依据DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础Chargaff原则原则核酸相关数据的测定核酸相关数据的测定X射线衍射数据射线衍射数据1.电位滴定行为电位滴定行为Erwin Chargaff （19051995）19501950年前后，年前后，Erwin ChargaffErwin Chargaff等人采用纸层析及紫外吸收技术等人采用纸层析及紫外吸收技术测定了多种生物体测定了多种生物体DNA的碱基组成。的碱基组成。 不同来源的不同来源的DNA碱基组成（摩尔碱基组成（摩尔%） DNA来源来源 腺嘌呤

15、腺嘌呤 胸嘧啶胸嘧啶 鸟嘌呤鸟嘌呤 胞嘧啶胞嘧啶 人人 30.4 30.1 19.6 19.9 绵羊绵羊 23.9 28.7 21.1 20.9 公牛公牛 29.0 28.7 21.2 21.2 大鼠大鼠 28.6 28.4 21.4 20.4 母鸡母鸡 28.0 28.4 22.0 21.6 大肠杆菌大肠杆菌 24.7 23.6 25.7 25.7Charggff原则：1.A=T(摩尔数)，G=C,A+G=T+C（嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数）2.不同生物的DNA碱基组成不同3.同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性,且组成不受天营养、条件、环境等因素影响 这预示着碱基互补配对的可能

16、性，即A与T配对，G与C配对。DNA 分子分子X射线衍射照片射线衍射照片 Rosalind Franklin James Watson & & Francis Crick （二）（二）DNA 双螺旋结构要点双螺旋结构要点(Watson 和和 Crick， 1953)1.DNA 由两条反相两条反相平行的脱氧核苷酸链 组成的右手螺旋，外面有一个大沟及小沟。n2.DNA 螺旋直径为 2nm，螺距为 3.4 nm。碱基平面垂直垂直螺 旋轴，相邻碱基平面距离为 0.34 nm， 螺旋一圈包含 10 对碱基3.脱氧核糖-磷酸骨架位于双链的外侧外侧，碱基位于内侧内侧，双链的碱基之间以氢键相结

17、合。碱基互补配对形式：A T； G C碱基环平面与螺旋环垂直，糖环与螺旋轴平行ATCG4.氢键维持 DNA 双链横向横向稳定性，碱基 堆积力维持双链纵向纵向稳定性5.不同生物体核苷酸或碱基排列顺序不同，它们的排列顺序的特异性决定了遗传信息的特异性。图图1-8 DNA双螺旋结构示意图双螺旋结构示意图碱基互补原则：碱基互补原则：腺嘌呤（腺嘌呤（A）总是跟胸腺嘧啶（）总是跟胸腺嘧啶（T）配对，形成两个）配对，形成两个氢键；鸟嘌呤（氢键；鸟嘌呤（G）总是跟胞嘧啶（）总是跟胞嘧啶（C）配对，形成）配对，形成三个氢键三个氢键图图1-9 碱基互补原则碱基互补原则 稳定双螺旋结构的因素稳定双螺旋结构的因素碱基

18、堆积力形成疏水环境（主要因素） 。碱基配对的氢键。GC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离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。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。（三）（三）DNA DNA 结构的多样性结构的多样性A-DNA：右手螺旋：右手螺旋 11 碱基碱基/螺旋螺旋B-DNA：右手螺旋：右手螺旋 10 碱基碱基/螺旋螺旋Z-DNA：左左手螺旋手螺旋 12 碱基碱基/螺旋螺旋 可能参与基因可能参与基因 的表达和调控的表达和调控相对湿度92%钠盐：BDNA相对湿度75%钠盐：ADNA。相对湿度44-46%：

19、CDNA人工合成的聚CG： ZDNA 三股螺旋三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤嘧啶或寡嘌呤T= A : A , CG ： C+T = A : T CG ： G第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对配对当当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复镜像重复时时可以形成三股螺旋（

20、铰链可以形成三股螺旋（铰链DNA，hinged DNA , H-DNA)H-DNA的结构的结构DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。DNA的高级结构的高级结构 1.DNA的超螺旋结构（原核）的超螺旋结构（原核）二级结构为闭环双螺旋；三级结构为超螺旋二级结构为闭环双螺旋；三级结构为超螺旋环状环状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线形DNA直接环化（2）、）、 解链环形解链环形DNA线形DNA拧松后再环化（3）、）、 正超螺

21、旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNA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（缠绕数超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W 2.真核生物细胞中真核生物细胞中DNA的组装的组装核核小小体体60bp缠绕缠绕1.75圈圈约约140160bp真核生物染色体真核生物染色体DNA组装组装不同层次的结构不同层次

22、的结构DNA （2nm）核小体链（核小体链（ 11nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（ 30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（ 1400nm， 每个染色体含每个染色体含10个玫瑰花个玫瑰花200bp）线粒体线粒体DNA 在真核细胞中，在真核细胞中， DNA除了存在于细胞核内，还除了存在于细胞核内，还有少量的有少量的DNA位于细胞的线粒体中，称为线粒位于细胞的线粒体中，称为线粒

23、体体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）。）。mtDNA与细菌的与细菌的DNA相似，也是超螺旋双链环相似，也是超螺旋双链环状分子，裸露而不与组蛋白结合，分散在线粒体状分子，裸露而不与组蛋白结合，分散在线粒体基质的不同区域基质的不同区域第五节第五节 RNA的结构与功能的结构与功能表表1-3 RNA与与DNA的比较的比较RNADNA碱基碱基A、G、C、UA、G、C、T戊糖戊糖-D-核糖核糖-D-2脱氧核糖脱氧核糖碱基含量碱基含量A与与U的含量不一定相同；的含量不一定相同；G与与C的含量也不一定相同的含量也不一定相同 A = TG = C 碱基互补配对碱基互补配对U与与A，G与

24、与CA与与T，G与与C分子大小分子大小不等，从几十不等，从几十至数千个核苷酸至数千个核苷酸 因物种不同而异，因物种不同而异，但较但较RNA大得多大得多 结构结构单链，局部互补配对单链，局部互补配对形成双螺旋形成双螺旋 双链，形成双链，形成双螺旋结构双螺旋结构 功能功能 多样，涉及遗传信息表达多样，涉及遗传信息表达的各个的各个方面方面 携带遗传信息携带遗传信息 表表1-4 真核细胞内真核细胞内RNA的种类及功能的种类及功能种类种类细胞定位细胞定位英文缩写英文缩写分子大小及沉降系数分子大小及沉降系数功能功能信使信使RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核线粒体线粒体mRNAmt mRNA取决于编码蛋白质的大

25、小，取决于编码蛋白质的大小，100010,000个核苷酸个核苷酸940S 蛋白质合成蛋白质合成的模板的模板 转运转运RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核线粒体线粒体tRNAmt tRNA4S，74-95个核苷酸个核苷酸3.24S 转运氨基酸转运氨基酸 核糖体核糖体RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核线粒体线粒体rRNAmt rRNA28S，5400个核苷酸个核苷酸18S，2100个核苷酸个核苷酸5.8S，160个核苷酸个核苷酸5S，120个核苷酸个核苷酸16S，1650个核苷酸个核苷酸12S，1100个核苷酸个核苷酸 与蛋白质共同与蛋白质共同构成核糖体构成核糖体 种类种类细胞定位细胞定位英文缩写英文缩写分

26、子大小及沉降系数分子大小及沉降系数功能功能不均一不均一核核RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核hnRNA成熟成熟mRNA及其及其他他RNA的前体的前体 小核小核RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核snRNA100300个核苷酸个核苷酸 参与参与hnRNA的的剪接、转运剪接、转运 小核仁小核仁RNA胞浆及细胞核胞浆及细胞核snoRNArRNA的加工的加工与修饰与修饰 小胞质小胞质RNA胞浆及胞浆及粗面内质网粗面内质网 scRNA/7SL-RNA 129个核苷酸个核苷酸 信号识别颗粒的信号识别颗粒的组成成分，选择组成成分，选择分泌蛋白分泌蛋白 一、信使一、信使RNA 信使信使RNA（mRNA）的作用就好像一种

27、信）的作用就好像一种信使，将存在于细胞核内的基因的遗传信息转移到使，将存在于细胞核内的基因的遗传信息转移到细胞质中，作为模板指导蛋白质的合成。细胞质中，作为模板指导蛋白质的合成。 真核生物的真核生物的mRNA前身称为不均一核前身称为不均一核RNA（heterogenous nuclear RNA，hnRNA）。）。hnRNA在核内经过一系列的剪接、修饰和加工，在核内经过一系列的剪接、修饰和加工，成为成熟的成为成熟的mRNA并转移到细胞质中。并转移到细胞质中。 DNADNAIPO abc转录转录 翻译翻译 重叠基因重叠基因 (overlapping gene)蛋白蛋白A蛋白蛋白B蛋白蛋白C原核细

28、胞mRNA的结构特点真核生物mRNA的结构真核生物真核生物mRNA的结构特征的结构特征 5-端有一个特殊结构：端有一个特殊结构：7mG-5ppp5-Nm-3-P，称为帽，称为帽子结构。子结构。 3-端有一段长约端有一段长约20250个核苷酸的多聚腺苷酸（个核苷酸的多聚腺苷酸（poly A），称为多聚），称为多聚A尾巴（尾巴（poly A tail） mRNA分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码（genetic code），可以决定多肽链上某一个氨基酸，），可以决定多肽链上某一个氨基酸，又称为三联体密码（又称为三联体密码（triplet code）。）。 二、转运二、转运RNA 转运转运RNA约占细胞中约占细胞中RNA总量的总量的10 % 15%，是分子量最小的一类核酸，由是分子量最小的一类核酸，由7495个核苷酸构成。个核苷酸构成。tRNA的功能是转运氨基酸，按照的功能是转运氨基酸，按照mRNA上的遗传上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成。质的合成。 tRNA的结构特征的结构特征分子中含有分子中含有10 % 20%的稀有碱基的稀有碱基 一级结构中存在一些能局部