第5章核酸的化学

1、核酸的化学l1868年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸l1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质l1953年 J. D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA 双螺旋结构模型 l1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则l1970s 建立DNA重组技术l1980s后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP核酸化学的发展过程上页 下页 章首 核酸(nucleic acid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成。 种类： DNA （脱氧核糖核酸） RNA（核糖核酸）

2、 “四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性,不大可能有重要的生理功能。1928年，英国 S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙n 著名的肺炎球菌实验 l结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌l这种生物分子或遗传物质是什么呢？n 著名的肺炎球菌实验 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年 结论：DNA是生命的遗传物质 D

3、NA：主要在细胞核中，是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体. RNA：主要在细胞质中，此外在线粒体、细胞核核仁； 核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。戊糖 碱基磷酸 核苷核苷酸核酸 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶l核酸中的碱基分两类：核酸中的碱基分两类：1、嘧啶碱、嘧啶碱(p

4、yrimidine)：是嘧啶的衍生物。是嘧啶的衍生物。NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤 guanine（G） 一些修饰碱基，因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基，多在tRNA中。 核苷：核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。 糖苷键糖苷键： 二者的连接是C-N键，称N-糖苷键。OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNN

5、HHHH9腺嘌呤腺 苷OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）核苷：A、G、 C 、U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT修饰核苷： 如5-甲基 胞嘧啶：m5dC。1、种类：、种类：1）按酯化位点：）按酯化位点：可可在核糖的在核糖的2- , 3-, 5-；2）按核糖类型：）按核糖类型： 核苷酸、核苷酸、 脱氧核苷酸脱氧核苷酸核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。l与一个磷酸结合MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMPl与二个磷酸结合DP：如：ADPl与三个磷酸结合TP：

6、如：ATP O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATP环核苷酸： 核糖3-, 5- 成环。 cAMP、 cGMP 功能： 第二信使 第二信使：通常把激素称为第一信使，激素与靶位受体结合后，生成某些物质，这些物质是联系激素引起生物学效应的重要物质，称为第二信使。例如：cAMP、cGMP等。 lcAMPcGMP酶的辅助因子的结构成分酶的辅助因子的结构成分 NADNAD、NADPNADP、FMNFMNIMP GMP1、 3-, 5磷酸二酯键磷酸二酯键将将核苷酸连接成核酸大核苷酸连接成核酸大分子。分子。OHO-O OCH2 TO

7、=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA 多核苷酸链多核苷酸链中各核苷酸中各核苷酸残基的排列残基的排列顺序称顺序称。OHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA 碱基序列碱基序列从左到右表示从左到右表示5 3，由，由3-, 5磷酸二酯键连接。磷酸二酯键连接。 若两链反向平行，则需注明每条链的若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：走向。如：

8、5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5（一）DNA 的一级结构： 由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3-, 5磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。1、双螺旋结构模型建立的依据：1）根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则：A=T，G=C2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。3）电位滴定证明。1）形成： 两条链反向平行； 右手螺旋。 A、核糖-磷酸以3-, 5磷酸二酯键连接成 骨架； 碱基在内；B、大沟、小沟。A、直径：2nm ； B、碱基距离：0.34nm；C、一周10个核苷酸； D、螺距：3.4nm 。上页 下页 章首 节首B B型

9、结构型结构 两条链反向平行，右手螺两条链反向平行，右手螺旋旋 碱基在内（碱基在内（A AT T，GCGC）碱基平面垂直于螺旋轴碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一戊糖在外，双螺旋每转一周为周为1010碱基对（碱基对（bpbp）A A型结构型结构 碱基平面倾斜碱基平面倾斜2020，螺旋变，螺旋变粗变短，螺距粗变短，螺距2 23nm3nm。Z Z型结构型结构 左手螺旋，只有小沟左手螺旋，只有小沟l螺旋类型每圈螺旋中的碱基对数每个碱基旋转的角(度)每个碱基对的垂直高度(nm)螺距(nm)螺旋直径(nm)A11+ 32.70.2560.82.3B10+ 36.00.3383.42.0Z12-3

10、0.00.3714.51.8B-DNA与A-DNAB-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态 下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交 替；有m5dC ；与基因表达调控有关；此外，还发现有C、D、E等型。DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。 天然DNA有双链DNA（dsDNA）， 有的病毒为单链DNA（ssDNA） 在dsDNA中： 线形分子（大多数） 环状分子（dcDNA）：质粒、 线粒体、叶绿体、病毒、 细菌特点特点：l可将长链压缩可将长链压缩在一较小体内；在一较小体内；l密度大；密度大；l凝胶电泳中移凝

11、胶电泳中移动速度快。动速度快。l在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。l许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构 染色体。1、DNA一级结构的特点 基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列 （DNA或RNA）是遗传物质的最小 功能单位。若干bp 多个基因 pr+DNA 染色体染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA含有大量基因片段，是生命的遗传物质。弄清几个概念弄清几个概念 基因基因:基因是基因是DNA片段的核苷酸序列，片段的核苷酸序列，DNA分子中最小分子中最小的功能单位。的功能单位。转录：转录：DNA分子中的遗传信息转移

12、到分子中的遗传信息转移到RNA分子中过程。分子中过程。翻译翻译:把以把以mRNA为模板合成蛋白质的过程。为模板合成蛋白质的过程。结构基因结构基因:为为RNA或蛋白质编码的基因或蛋白质编码的基因.调节基因调节基因:只有调节作用只有调节作用,并不能转录生成并不能转录生成RNA的片段的片段.基因组基因组:某生物体所含的全部基因称该生物体的。某生物体所含的全部基因称该生物体的。l 基因在同一染色体上。 A、除调节序列和信号序列外，多为结构 基因；B、功能相关的基因常连在一起，并转录在 同一mRNA中； 一般基因分布在若干染色体上。 A、有重复序列；B、有断裂基因：即有内含子。 内含子（intron)：

13、DNA分子中不编码的序列。 外显子(exons)：DNA分子中可表达的序列。半保留复制保证了亲代性状传到子代，保证了亲代与子代的相似性。变异是生物进化的基础。变异的发生：1）DNA复制时出错；2）理化因素等引起碱基变化或缺失，使DNA碱基序列改变，从而发生性状变异。（一）RNA的结构组成：4种核苷酸，有稀有碱基；连接：同DNA形成：一般以DNA为模板合成，有例外。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。三种： 信使RNA（messenger RNA,mRNA) 核糖体RNA (ribosomel RNA,rRNA) 转运RNA (transfer RNA,tRNA)核内小RNA（snRNA）:

14、参与核糖体的组成。不均一RNA（hnRNA）： mRNA的前体。反义RNA（asRNA）： 可与mRNA部分或全部序列互补；抑 制DNA复制、转录；抑制mRNA翻译。约占全部RNA的15%；由70-90个核苷酸组成许多种类；沉降系数4S。一级结构多已清楚，含较多稀有碱基；二级结构为三叶草 有：aa臂、 二氢嘧啶环、 反密码环、 可变环、 T 环P198主要特征主要特征：1.四臂四环；四臂四环；2.氨基酸臂氨基酸臂3端有端有CCAOH的共有结构；的共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶环上有二氢尿嘧啶（D）；）；4.反密码环上的反密码反密码环上的反密码子与子与mRNA相互作用；相互作用；5.可变环上的

15、核苷酸数可变环上的核苷酸数目可以变动；目可以变动；6.TC环含有环含有T和和；7.含有修饰碱基和不变含有修饰碱基和不变核苷酸。核苷酸。A、在pr合成中转运aa；B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。1）合成：）合成： 以以DNA为模板为模板(核内核内) 合成合成 hnRNA（含内含子和外显子）（含内含子和外显子） 加工加工 成熟的成熟的mRNA 入细胞质入细胞质 蛋白质合成蛋白质合成3末端有末端有polyA结构结构：与：与mRNA从核入质有从核入质有关。关。 5末端有帽子结构末端有帽子结构：G被甲基化，此可能与被甲基化，此可能与pro合成的起始有关。合成的起始有关。 1

16、)占RNA总量的80%，是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能： pr合成的部位.3）结构：分大、小亚基 一、二级结构多已确定，但功能不清。l原核细胞：70S核糖体；l真核细胞：80S核糖体；1983年在四年在四膜虫中发现膜虫中发现RNA有催有催化功能化功能1）在DNA复制、转录、翻译中起重要调控 作用；2）有催化作用；3）可作为遗传物质（如逆转录病毒）。（一）一般理化性质1、两性电解质：2、溶解性：微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。0.14摩尔法:分离DNA蛋白和RNA蛋白的方法DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/L

17、的NaCl溶液中溶解度较大.3、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。4、水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比 RNA对稀碱稳定。1）核糖与浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热呈绿色，在 670nm处可测RNA；2）2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色， 在595nm处可测DNA。 二种反应可作定性试验，定量试验灵敏度低、准确性差，但快、简便。 碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。l应用：1、不同核苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。 1 OD相当于：50g/ml DNA 40g/ml RNA 2、确定所提取的核酸是否纯品。 1）DN

18、A： OD260/OD280 1.8 纯品 2）RNA： OD260/OD280 2.0 纯品 在纯化DNA 时,通常用A260/A280=1.8- 2.0 作为纯度标准,若大于此值,表示有RNA 污染;若小于此值,则有pro 或酚污染.1、碱基堆积力碱基堆积力：双螺旋内部碱基形成的疏：双螺旋内部碱基形成的疏 水区；水区；2、碱基间的氢键碱基间的氢键：3、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键1、变性的概念变性的概念1）现象现象：双螺旋：双螺旋DNA和具双螺旋区的和具双螺旋区的RNA氢键氢键 断裂，空间结构被破坏，形成单链无规断裂，空间结构被破坏，形成单链无规 则线

19、团状的过程。则线团状的过程。2）结果结果：A、增色效应：增色效应： 260nm紫外吸收增加；紫外吸收增加； B、粘度下降；、粘度下降； C、生物学性能部分或全部丧失生物学性能部分或全部丧失。3）引起变性的因素引起变性的因素： 温度、温度、pH、尿素、甲醛等。、尿素、甲醛等。Tm：在热变性中，紫外在热变性中，紫外吸收增加的中点值所吸收增加的中点值所对应的温度，称该对应的温度，称该DNA的熔解温度的熔解温度（melting temperature,Tm);又称又称热解链温度热解链温度。(G+C)%=(Tm -69.3)*2.441）G-C含量：含量：Tm与与G-C含量成正比。含量成正比。2）介质中的离子强）介质中的离子强度：度：离子强度低，离子强度低，Tm低，在纯水中低，在纯水中, DNA 在室温下即可在室温下即可变性。变性。3）溶液的）溶液的pH .4) 变性剂变性剂概念概念：变性：变性DNA在适当条件下（在适当条件下（缓慢降温缓慢降温），可），可 使两条彼此分开的链使两条彼此分开的链重新缔合重新缔合成双螺旋结成双螺旋结 构的过程。构的过程。