第五章核酸化学

第五章核酸化学NucleicAcid第一节概述

一、染色体、基因和DNA二、核酸的化学组成

一、染色体、基因和DNA

1．染色体和基因―遗传的基本单位染色体是细胞核内能被碱性染料着色的物质的螺旋集缩体，由核酸、组蛋白、非组蛋白等组成。染色体是遗传信息的载体，是细胞中主宰遗传的结构。基因存在于染色体上，基因在遗传中具有完整性和独立性，随染色体的分离、配对而进行独立的分配。一、染色体、基因和DNA

2．核酸―遗传信息的载体

基因是核酸的一些组成部分或结构区域，即基因存在于核酸分子上，所以核酸是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体。生物体的遗传、变异、生长发育、细胞分化等都与核酸密切相关。

20世纪40年代末，Avery的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：DNA无荚膜，不致病温育有荚膜，致病传代传代有荚膜，致病有荚膜，致病有荚膜，致病二、核酸的化学组成核酸核苷酸核苷磷酸嘌呤碱或嘧啶碱（碱基）核糖或脱氧核糖（戊糖）二、核酸的化学组成1．分类―核酸分为RNA和DNA

根据水解产物中糖类的不同，核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA

）。

RNA又分为mRNA（信使RNA）、tRNA

（转运RNA）和rRNA

（核糖体RNA）等。2．核酸中的糖―核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脱氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)3．含氮碱基―嘌呤和嘧啶衍生物

嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)3．含氮碱基―嘌呤和嘧啶衍生物

4．核苷酸―核酸的基本结构单位

(1)碱基与戊糖的连接碱基与戊糖连接形成核苷，其连接键是由戊糖的半缩醛羟基缩合而成的糖苷键，称N-苷键。核苷酸=核苷+磷酸=戊糖+碱基+磷酸(2)核苷酸的种类

核苷的戊糖羟基与磷酸之间脱水以酯键相连，即形成核苷酸。单核苷酸分子中的磷酸主要连接在C-5′位上，称为5′-核苷酸。

表

构成DNA及RNA的碱基、核苷和常见核苷酸碱基核苷核苷酸DNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷脱氧胸苷脱氧腺苷酸(dAMP)、dADP、dATP脱氧鸟苷酸(dGMP）、dGDP、dGTP脱氧胞苷酸(dCMP)、dCDP、dCTP脱氧胸苷酸(dTMP)、dTDP、dTTPRNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)腺苷鸟苷胞苷尿苷腺苷酸(AMP)、ADP、ATP鸟苷酸(GMP）、GDP、GTP胞苷酸(CMP)、CDP、CTP尿苷酸(UMP)、UDP、UTP图不同类型的核苷酸OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷PO--O—O‖胸苷-5′-磷酸AMPOPO--O—O‖~ADPATPP

O--O—O‖~

5．核苷酸的衍生物

(1)ATP和GTP

①ATP

是含有两个高能磷酸键。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。

②GTP也是一种高能化合物。GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。。

(2)cAMP

和cGMP

cAMP

和cGMP是环状核苷酸，主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。

6．核苷酸的重要作用①核苷酸是合成DNA和RNA的前体；②生成活泼的代谢物；UDPG、SAM等；

③ATP是生物体内生物能生成、储藏、转运的中心，是最普遍、最重要的能量形式；④参与物质代谢、磷酸化反应；⑤信号转导的第二信使：cAMP、cGMP；⑥GTP是生物大分子移位反应的主要动力来源。第二节核酸的结构

一、核酸的一级结构二、核酸的高级结构

1．磷酸二酯键―核苷酸间的基本连接键核酸是由许多核苷酸连接形成的聚合物。无论是DNA或RNA，核苷酸数量的多少，核苷酸之间都是通过3′,5′-磷酸二酯键连接而成，即前一个核苷酸的C-3′羟基与下一个核苷酸的C-5′磷酸之间脱水形成酯键。OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA核苷酸的连接方式

2．一级结构―核苷酸的排列顺序核酸的一级结构是多核苷酸链中的核苷酸排列顺序。或者说是四种碱基的排列顺序。

强调：①核苷酸的连接具有严格的方向性。3′,5′-磷酸二酯键；②两个末端：5′末端和3′末端；阅读方向：5′→3′；③核酸生物学活性的部分是碱基的排列顺序；④磷酸和核糖构成核酸的骨架，不参与遗传信息的贮存和表达。二、核酸的高级结构1.DNA的二级结构―双螺旋结构模型2.tRNA

二级结构―三叶草结构模型3.DNA三级结构―超螺旋(1)双螺旋结构的主要依据

①X光衍射数据：X光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链。②关于碱基成对的证据：Chargaff等发现DNA中嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等，③电位滴定证明：A-T、G-C以氢键配对较合理。二、核酸的高级结构1.DNA的二级结构―双螺旋结构模型1953年，Watson

和Crick

提出。

(2)DNA双螺旋结构模型的特征①主链：两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一“中心轴”相互缠绕，形成双螺旋，碱基对位于双螺旋的内侧，糖和磷酸位于螺旋的外侧；两条链均为右手螺旋。二、核酸的高级结构1.DNA的二级结构―双螺旋结构模型②碱基配对：两条核苷酸链依靠碱基之间形成的氢键而结合在一起。碱基中A与T、G与C配对，这种配对关系，称为碱基互补配对规则，所以A+G=T+C。TAGC碱基互补配对A与T配对G与C配对③碱基参数：双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间的高度为0.34nm，每圈螺旋含有10个核苷酸，螺距为3.4nm。④螺旋表面：在双螺旋的表面形成两条螺旋形凹沟，一条较深称为大沟，一条较浅称为小沟。(3)DNA双螺旋结构的稳定因素①氢键：两条链间碱基的相互作用，A与T间有两个氢键，G与C间有三个氢键。②碱基堆积力：是一条链上相邻两个平行碱基环间的相互作用，是维持DNA双螺旋稳定的主要因素。③离子键：能减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋的稳定。二、核酸的高级结构1.DNA的二级结构―双螺旋结构模型(4)DNA双螺旋的结构类型根据对天然及合成核酸的X射线衍射分析分类，主要取决于制备DNA晶体时的相对湿度、盐的种类及盐浓度。A-DNA螺旋：右手螺旋，但是螺体较宽而短。B-DNA螺旋：标准的

Watson,Crick双螺旋。C-DNA螺旋：可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：DNA中A、T序列交替的区域。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。2.tRNA

二级结构―

三叶草结构模型

tRNA的二级结构都呈”三叶草”形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸臂、反密码环、二氢尿嘧啶环、TC环和额外环（可变区）。UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键反密码3.DNA三级结构―超螺旋

DNA的三级结构是指双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。1、线状：如真核细胞中，+组蛋白→染色体2、环状：原核细胞中及线粒体、叶绿体中第三节核酸的性质及纯度测定

一、核酸的溶解性二、核酸的解离三、紫外吸收四、变性与复性五、核酸的含量与纯度测定六、核酸碱基序列的测定一、核酸的溶解性

1．溶解性:―碱基、核苷酸和核酸具有不同的溶解性

DNA和RNA都是极性化合物，一般都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。一、核酸的溶解性2.0.14摩尔法

DNA和RNA核酸蛋白在水中的溶解度受盐浓度的影响不同。DNA蛋白在0.14mol/L的NaCI

溶液中溶解度最低。RNA蛋白在5mol/L以上的NaCI

溶液溶解度最低。因此，在核酸分离提取时，常用不同浓度的NaCI

溶液条件来分别提取DNA蛋白和RNA蛋白，然后用蛋白质变性剂去除蛋白质，即得纯的DNA或RNA。此法就称为0.14摩尔法。二、核酸的解离1．多价解离―体内DNA呈多阴离子态由于DNA分子内碱基通过形成氢键而配对，使可解离的碱基减少，相对增强磷酸基的解离，因而可把DNA看成是酸性较强的多元酸。2．带电性―核酸和核苷酸可用离子交换分离由于核酸、核苷酸是两性电解质，在一定pH条件下各解离基团的解离情况各不相同，使核酸、核苷酸带一定种类和数量的电荷，因而可用离子交换法对核酸、核苷酸进行分离。三、紫外吸收1．紫外吸收―由碱基的共轭体系决定

核酸分子的碱基都含有共轭双键，具有吸收紫外线特征，测定时，一般选用260nm波长。2．定量测定―核酸和核苷酸测定的基本方法用下式求出核苷酸百分含量：

式中，M为核苷酸相对分子质量；ε260为在260nm处的吸收系数；C为样品浓度，mg/mL

；A260为样品在260nm波长下的吸光度值.四、变性与复性1.DNA变性―DNA生物功能实现所必需

DNA受到某些理化因素的影响，分子中的氢键、碱基堆积力等被破坏，双螺旋结构解体，分子由双链为单链的过程称为变性。变性的实质是双螺旋结构被破坏，但DNA的一级结构未变。

在DNA加热变性过程中，以A260对温度作图，可得到一条S形熔解曲线。在熔解曲线中，当A260达到最大值一半时，所对应的温度称为熔解温度（Tm）。

图5-7DNA熔解曲线DNA中G-C含量与Tm的关系计算公式：四、变性与复性2.DNA复性―核酸研究中的常用手段

DNA的变性是可逆的，解除变性条件、满足一定条件后，解开的两条DNA互补链又可以重新恢复形成双螺旋结构，并恢复有关的性质和生理功能的过程称为DNA复性。对热变性的DNA溶液，缓慢冷却（又称为退火），双螺旋结构又能重新形成。五、核酸的含量与纯度测定1．定磷法、定糖法―测定核酸含量

(1)定磷法：由于核酸含有磷酸基，且纯的核酸含磷元素的量为9.5％左右，故可通过测定磷的量来测定核酸含量。

(2)定糖法：核酸分子含有核糖或脱氧核糖，这两种糖具有特殊的呈色反应，据此可进行核酸的定量测定。即RNA可与苔黑酚反应呈绿色，DNA可与二苯胺反应呈蓝色。五、核酸的含量与纯度测定

2．凝胶电泳―DNA纯度鉴定（1）紫外吸收法：测核酸纯度通常利用测定260nm处和280nm处吸光度比值来确定。纯DNA的A260／A280为1.8

，若大于此值，表示有RNA

污染；若小于此值，则有蛋白质或酚等的污染。纯RNA的A260／A280为2.0

。如果>2.2，说明RNA有降解，<2.2说明还有蛋白质或酚类物质。五、核酸的含量与纯度测定

2．凝胶电泳―DNA纯度鉴定

(2)凝胶电泳法：是目前分离纯化和鉴定核酸特别是DNA的标准方法。用低浓度的嗅化乙锭（EB）染色，就可直接在紫外灯下观察、鉴定和分析DNA，并进而制备、测定DNA。

在凝胶电泳中，如果DNA样品含有RNA，在电泳过程中会呈现出非单一的谱带；如果DNA样品很纯，电泳后只呈现出一条谱带。

DNA谱带

RNA谱带六、核酸碱基序列的测定

1、DNA碱基序列测定的基本步骤①DNA片段的制备：PCR技术扩增DNA片段。②DNA碱基序列测定：扩增得到的DNA片段，即可用于碱基序列的测定。目前广泛采用的测序方法主要有两种：化学降解法和Sanger法。2.RNA碱基序列测定方法应用逆转录法，以待测的RNA链为模板，在逆转录酶催化下，合成DNA，然后测定DNA的碱基序列，再得出RNA的碱基序列。第四节核酸的生物功能

一、DNA的复制与生物遗传信息的储存二、RNA是生物遗传信息表达的媒介三、生物遗传变异的化学本质四、核酸的催化性质

一、DNA的复制与生物遗传信息的储存

DNA复制是保持生物种群遗传性状稳定性的基本分子机制。二、RNA是生物遗传信息表达的媒介生物的遗传信息以DNA形式储存在细胞中，但最终以蛋白质的形式表现出来。DNA通过转录作用，将其所携带的遗传信息（基因）传递给mRNA，在三种RNA(mRNA、tRNA

和rRNA

）的共同作用下，完成蛋白质的合成（翻译）。二、RNA是生物遗传信息表达的媒介转录反转录翻译蛋白质

1、基因的转录：指以DNA为模板合成与其碱基序列互补的mRNA的过程。

2.tRNA

和rRNA

的功能（1）tRNA

的功能：将mRNA携带的遗传密码翻译成氨基酸信息，并将相应的氨基酸活化后，带到核糖体上进行蛋白质合成。

（2）rRNA

的功能：蛋白质生物合成的基地。3．核酸与蛋白质的生物合成关系三、生物遗传变异的化学本质―DNA结构变化

DNA结构的改变将导致相应蛋白质氨基酸序列的变化，从而导致生物特征或性状发生变异。