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1、第五章 核酸的化学第一节 核酸的组成与结构核酸nucleic acid： 含有磷酸基团的重要生物大分子。 凡具生命的地方有核酸的存在一、核酸的生物功能组成： 核糖核酸（RNA）：存在于细胞质细胞核 mRNA、tRNA、rRNA（真核hnRNA、SnRNA） 脱氧核糖核酸（DNA)：主要分布于细胞核中 DNA真核以核蛋白形式存在（一）核酸是遗传变异的物质基础 遗传与变异是最重要、最本质的生命现象 遗传保证物种的相对稳定性 变异才使得物种进化和生物发展有可能。 基因：含有合成一个功能性生物分子所需信息的一个特定的DNA片段。 所以，核酸是遗传变异的物质基础。（二）核酸与生物遗传信息的传递 遗传信息

2、储存在DNA分子上，生物性状则通过蛋白质的生物功能表现出来。蛋白质结构由DNA决定。（三）核酸与医学 疾病研究；疾病治疗； 分子生物学技术在医学应用二、核酸的基本结构单位单核苷酸 核酸 由单核苷酸组成的多核苷酸（polynucleotide）链 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 碱基（嘌呤、嘧啶） 戊糖 碱基（base） 嘌呤（purine，Pu） 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 嘧啶（pyrimidine，Py） 胞嘧啶C胸腺嘧啶T仅存于DNA尿嘧啶U仅存于RNADNA或RNA中均存在 （一）核苷和核苷酸1.碱基 酮基或氨基位于杂环上N位的邻位上,易形成异构体 (pH影响)稀有碱基 1-甲基A（或G)，次黄嘌呤

3、（I），二氢尿嘧啶，假尿嘧啶等假尿嘧啶次黄嘌呤（I）2.核糖和脱氧核糖 均为D核糖 DNA含D脱氧核糖；RNA含D核糖 （少数RNA含-D-2-o-甲基核糖) 戊糖和碱基缩合而成的糖苷 nucleoside连接方式： 戊糖的C1 与嘧啶的N1 或嘌呤的N9相连接 N-C键N-糖苷键（均为糖苷键）3.核苷RNA：（核苷）碱基核糖 腺嘌呤核苷A; 鸟嘌呤核苷G； 尿嘧啶核苷U (假尿嘧啶，核糖与环C5连接）DNA：（脱氧核苷）碱基脱氧核糖 dA; dT; dG; dC 4.核苷酸： 核苷中的戊糖羟基磷酸化nucleotide（二）环化核苷酸 3,5-环腺苷酸（3,5-cyclic adenylic

4、 acid）简称cAMP 3,5-环鸟苷酸（3,5-cyclic guanylic acid）简称cGMP。 参与信号传导，为第二信使（三）辅酶类核苷酸1.辅酶I（CoI,NAD)和辅酶II（CoII,NADP) 辅酶I（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） 辅酶II（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） 2.黄素腺嘌呤二核苷酸FAD 核黄素磷酸磷酸D-核糖腺嘌呤3.辅酶A（CoA，CoA-SH）腺嘌呤 氨基乙硫醇D-核糖磷酸 泛酸 磷酸 磷酸 泛酸为水溶性维生素；氨基乙硫醇中SH为重要功能基团。 三、核酸的分子结构（一）DNA的分子结构1.DNA的一级结构 多核苷酸链中碱基的数目及排列顺序 连接键：3,5-磷酸二酯

5、键 连接方式： 一个核苷酸的脱氧核糖C5的磷酸基与相邻的核苷酸的脱氧核糖C3的OH缩合形成酯键。 多核苷酸书写：5磷酸在左，3羟基在右 pApCpTpG- pA-C-T-G 或pACTG 读向：从左到右，表示碱基序列从5到3。 不同的DNA的核苷酸数目和排列顺序不同。 人类DNA一级结构测序工作已完成。2.真核细胞染色质DNA与原核生物DNA的一级结构特点 DNA （分子大）、组蛋白、非组蛋白、RNA组成。真核细胞染色体特点： （1）重复顺序：其DNA具有重复排列的核苷酸序列 重复的程度分：高度重复序列（106-7）； 中度重复序列（102-4）； 单拷贝（往往为一个Pr的结构基因）。 （2）

6、间隔序列与插入序列（内含子与外显子） DNA中编码蛋白质或RNA的序列外显子exon 编码序列之间存在一些非编码区内含子intron （3）回文结构：真核细胞DNA中存在特殊的序列。 碱基排列在两条DNA链中顺读与倒读意义一样，（轴转180两部分可完全相同）的结构 TAGCTATAGCTA ATCGATATCGAT 原核生物DNA特点（1）基因重叠：即在同一DNA序列中常常包括不同的基因区，重叠在一起的基因编码组序不同，而翻译出不同蛋白质。 病毒中典型 K基因的起始密码 TGATGB基因的终止密码 A基因的ASP密码（2）DNA序列每转录出的一段mRNA，常包含多个顺反子（表达多个功能相关的蛋

7、白质）（3）结构基因是连续的（即：无内含子存在）3.DNA的二级结构（1）Watson-Crick模型（双螺旋结构）（1953） 要点： 1）DNA分子由两条多核苷酸链构成，反向平行（一条3到5；另一条5到3）。为双螺旋结构，右手螺旋。螺旋形成一大沟一小沟。 2）磷酸基与脱氧核糖在外侧，彼此以磷酸二酯键连接，形成DNA骨架；内侧为碱基;糖环平面与碱基平面相互垂直； 3）双螺旋直径为2nm。每隔0.34nm有一个核苷酸。10对核苷酸/圈螺旋，高度为3.4nm。 4）两条链碱基间以氢键连接， A:T（两个氢键），C:G（三个氢键）碱基互补。 5）双螺旋表面由大小沟，对DNA与蛋白质识别重要。 互补

8、碱基间的氢键； 碱基堆积力（最重要）：由于杂环碱基间的 电子之间相互作用所引起。DNA内部形成疏水核心有利于碱基间氢键形成； 磷酸基负电荷与介质正电荷之间形成离子键。DNA双螺旋结构的稳定因素：天然DNA构象在不同湿度、盐浓度中，DNA结晶X线衍射数据不一样。 M.Wilkin等将DNA二级结构分为A.B.C型。 天然DNA为B型。5端3端5端3端 双螺旋，左旋。主链中磷原子连接线呈锯齿状，好似Z字形。螺旋直径1.8nm，螺距4.5nm， 12对碱基/螺旋，整个分子比较细长，无大小沟。 为人工合成的DNA实验结果。 现认为ZDNA为天然DNA的一种构象，可能与基因表达调控等有关。（2）左手螺旋

9、DNA: Z-DNA（1979)4.DNA的三级结构 在双螺旋基础上进一步盘绕扭曲构成。 超螺旋为其中一种形式，环状DNA为此构型可压缩成很小体积。（大肠杆菌DNA） 真核细胞中DNA结构与结合的蛋白质有关 双链DNA蛋白质串珠状核小体螺旋筒染色体纤维染色体单体23对染色单体 （胞核） （200um)5.染色质与染色体6.基因与基因组 一条染色体上有很多基因 真核生物一个染色体由两条染色单体配对存在； 体细胞二倍体细胞中每一个基因是成对存在的，每一对基因分别为来自双亲的染色体同一位置（locus），即等位基因（allele）。 一个群体中，每个基因座上有两个以上等位基因 复等位基因 当一个生物

10、体带有一对完全相同的等位基因时，该生物体就该基因而言是纯合的（纯种）； 如果一对等位基因不相同，则该生物体是杂合的（杂种）。 等位基因之间存在相互作用，当一个等位基因决定生物性状的作用强于另一等位基因并使生物只表现出其自身的性状时，就出现显隐性关系，作用强的是显性，作用被掩盖不表现的为隐性。 完全显性： 显性完全掩盖隐性不完全显性： 两者相互作用而出现介于两者的中间性状。生物体基因组由整套染色体组成基因组DNA分类：1.基因序列和非基因序列2.编码序列和非编码序列3.单一序列和重复序列基因组学genomics： 研究生物体基因和基因组的结构组成，稳定性及功能的学科 包括结构基因组学和功能基因组

11、学 细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNA rRNAmt rRNA核蛋白体组成成分信使RNA mRNAmt mRNA蛋白质合成模板转运RNA tRNA mt tRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前体核内小RNA snRNA 参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修饰胞质小RNAscRNA 蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分动物细胞内主要的RNA种类及功能 （二）RNA的种类和分子结构1.RNA的类型 （1）rRNA 核蛋白体RNA ribosomal RNA rRNA为总RNA的80%，代谢稳定，分子量最大的RNA，存在于核蛋白体中。 核蛋

12、白体为蛋白质合成场所，由大小亚基组成，亚基含有各种rRNA和蛋白质。（ 3）mRNA 信使RNA messenger RNA 含量少，占35%，代谢不稳定，为合成蛋白质的模板。 （2）tRNA 转运RNA transfer RNA 最小的一类RNA，由几十个碱基组成。占总RNA 15%其它类型RNA（hnRNA、SnRNA、ChRNA） snmRNA参与了基因表达的调控非mRNA小RNA （snmRNAs）包括： 核内小RNA-snRNA； 核仁小RNA-snoRNA 胞质小RNA-scRNA；催化小RNA （ 核酶） 小片段干扰RNARNA组学: 对这类小分子RNA的种类、结构和功能研究、不

13、同时空状态下表达谱变化已经之间的关系的研究。补充（4）小的干涉RNA（siRNA）和微小RNA（miRNA）1）siRNA：2122个单核苷酸长度的双链RNA 人工合成，体内经Dicer切割形成 小分子RNA可以促使与其互补的mRNA被核酸酶切割降解，而有效的定向抑制靶基因的表达。 -RNA干涉（interfence）2）miRNA： 含1925单核苷酸的单链RNA，存在于真核生物中，不编码蛋白质； 其通过与靶mRNA3-UTR碱基配对的方式来执行对靶mRNA的转录翻译抑制的功能 2.RNA的结构特征（1）RNA的基本组成单位是： AMP、GMP、CMP、UMP 并含有稀有碱基（2）多核苷酸链

14、：由几十个至数千个NMP以磷酸二酯键连接而成。（3）RNA主要是单链结构，局部双链（发夹结构） 以A-U;C-G配对。 （4）稳定性差，亦被碱水解 3.参与Pr生物合成的RNA结构（1）tRNA结构 1）一级结构：70个左右核苷酸组成，较多稀有碱基 2）二级结构：三叶草式结构； 3端CCAOH（AA臂）； DHU环； 反密码环； 额外环； TC环 3）三级结构：倒“L”型2.mRNA结构（1）分子量大小不一（2）3末端有200个左右碱基的polyA尾（3）5端有7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸的帽子（真核）（4) mRNA分子中有编码区和非编码区（5）每分子mRNA可同时结合几十个核糖体 (多核糖体）

15、 原核生物mRNA结构特点（1) 一般多为多顺反子结构：即一个单链mRNA分子可作为多种多肽和蛋白质合成的模板（2）mRNA的转录与翻译是耦合的。（3）mRNA分子中包含有先导区、翻译区和非翻译区，即在两个多顺反子之间有不参加翻译的插入顺序。真核生物mRNA的结构特点：（1)mRNA3末端有polyA尾，5端有m7GPPPNP帽子结构（2）一般为单顺反子（一个mRNA分子只为一种多肽编码）（3）转录（核中）与翻译（胞质）分开进行7-甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷与mRNA所有其他核苷酸呈相反方向3.rRNA的结构分子大小不一， 如前述多个局部存在茎环结构（局部配对造成）真核细胞的rRNA与蛋白质结合存在

16、与核糖体的大小亚基中。5SRNA与tRNA结构类似其他RNA及病毒RNA尾部分螺旋及部分突环相间排列。第二节 核酸的理化性质一、分子大小 DNA来源 分子量 长度 碱基对数目 构象 E.Coli 2.2109 1.3mm 3106 环状双链流感嗜血杆菌 8108 300um 1.2106 双链支原体H39 4108 150um 6105 双链人13号染色体 6.41010 3.2cm 9.6107 线状双链 二、核酸的溶解度与粘度 核酸为极性化合物，微溶于水，钠盐易溶一些。不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。 粘度大，RNA粘度较DNA小三、核酸的酸碱性质 核酸中磷酸基pK值低，所以核酸作为多元

17、酸，具较强酸性。 碱基的解离与环境pH有关，DNA在pH4.011.0最稳定。四、核酸的紫外吸收 嘌呤、嘧啶具有强烈的紫外吸收，所以核酸有紫外吸收，260nm处最大吸收值。可进行核酸定量测定。增色效应：核酸变性时，紫外吸收增加的现象减色效应：核酸复性时，紫外吸收减少的现象 与碱基在核酸结构中暴露情况有关。 也可用定磷法测定核酸的克分子消光系数五、核酸的变性、复性和杂交（一）变性 理化因素使核酸分子的空间结构改变，引起核酸理化性质、生物学功能改变的现象 变性时核酸双链解开，但一级结构未破坏。理化因素： 加热、过高过低的pH，有机溶剂、酰胺、尿素等 热变性：加热引起DNA的变性。其过程为“跃变”过

18、程 加热DNA双螺旋 无规线团 恢复室温 变性可使粘度降低，紫外吸收增加。Tm值：吸光值260nm达最高1/2时的温度。 DNA的Tm值一般在7085C之间 Tm值高低与CG含量有关，含量越多，Tm值越高。 经验公式： （G+C)%=（Tm-69.3)2.44 Tm值受离子强度影响，离子强度高，核酸的Tm值高，反之则低。（二）复性renaturation 变性的DNA在适当条件下，可使两条彼此分开的链重新由氢键连接而形成双链的过程。（三）核酸的杂交hybridization 将来源不同的DNA经热变性，冷却，使其复性，在复性时，异源DNA之间在某些区域有相同的序列会形成杂交DNA分子。 RNA与DNA分子亦会形成杂交分子。 DNA杂交方法Southern印迹法 RNA杂交方法Northern blotting 蛋白质杂交方法Western blotting第三节 核酸的分