第四章核酸的化学结构

第四章核酸的化学结构第1页，共56页，2023年，2月20日，星期四核酸的研究历史和重要性核酸发展史1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1944Avery

等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953

Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958

Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）第2页，共56页，2023年，2月20日，星期四

核酸分类和分布核酸的分类脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。第3页，共56页，2023年，2月20日，星期四第一节核酸的化学组成与结构一、核酸的元素组成组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。第4页，共56页，2023年，2月20日，星期四二、核酸的基本组成单位-核苷酸OR核糖第5页，共56页，2023年，2月20日，星期四（一）碱基主要是嘧啶碱和嘌呤碱。1、嘧啶碱嘧啶是含有两个相间氮原子的六元杂环化合物。核酸中的嘧啶碱有三种：胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶。2、嘌呤碱嘌呤是嘧啶环和咪唑环并合而成的。核酸中的嘌呤有两种：腺嘌呤和鸟嘌呤。此外，核酸中还有一些稀有碱基。第6页，共56页，2023年，2月20日，星期四基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第7页，共56页，2023年，2月20日，星期四（二）戊糖

组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。有些RNA中还含有少量的β-D-2-甲基核糖。第8页，共56页，2023年，2月20日，星期四核糖和脱氧核糖第9页，共56页，2023年，2月20日，星期四（三）核苷（nucleoside）1’1’1’1’9911核苷：核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱缩合而成糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键（β糖苷键）。HHHH-CH3腺嘌呤脱氧核苷鸟嘌呤脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷第10页，共56页，2023年，2月20日，星期四核苷的种类RNA中的核苷：A（腺嘌呤核苷）G（鸟嘌呤核苷）C（胞嘧啶核苷）U（尿嘧啶核苷）DNA中的脱氧核苷：dA（腺嘌呤脱氧核苷）dG（鸟嘌呤脱氧核苷）dC（胞嘧啶脱氧核苷）dT（胸腺嘧啶脱氧核苷）第11页，共56页，2023年，2月20日，星期四几种稀有核苷假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH5第12页，共56页，2023年，2月20日，星期四腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine

monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）H(四)核苷酸nucleotide核苷酸：核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸。磷酸与核苷5’位-OH脱水形成磷酸酯键第13页，共56页，2023年，2月20日，星期四

5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U

5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第14页，共56页，2023年，2月20日，星期四环腺嘌呤核苷酸cAMP

cGMP环式核苷酸第15页，共56页，2023年，2月20日，星期四核苷酸的其他衍生物第16页，共56页，2023年，2月20日，星期四

三、DNA的分子结构

（一）DNA分子的大小与形状

天然存在的DNA分子最大的特点是很长，分子质量很大，一般在106-1010。（二）DNA的碱基组成

DNA分子中的碱基主要是A、G、C、T四种碱基组成。第17页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA的碱基组成特点（Chargaff定律）：1、同一生物体中，DNA分子中A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶（包括5-甲基胞嘧啶）的摩尔数相等，即G=C+m5C;因此A+G=T+C+mC,这个碱基摩尔比例规律称为DNA碱基当量定律。2、没有器官和组织的特异性；3、具有种的特异性（不对称比率A+T/G+C的相近程度表示种间亲缘关系的远近）；4、年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成（维持物种的稳定性）。第18页，共56页，2023年，2月20日，星期四（三）、DNA的一级结构5´3´

概念：DNA多核苷酸链中脱氧核苷酸的组成、连接方式和排列顺序。脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端5´3´第19页，共56页，2023年，2月20日，星期四5533核酸分子中核苷酸之间的3-5磷酸二酯键第20页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´

p

p

p

pOH3´ACTG1´线条式5´

PACTGCATAGCTCGAOH

3´字母式第21页，共56页，2023年，2月20日，星期四（四）DNA的二级结构5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对（双螺旋结构模型）第22页，共56页，2023年，2月20日，星期四1、DNA的双螺旋模型特征

（1）两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。（2）磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基对形成氢键，按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）（3）螺旋直径2nm，沿螺旋的中心轴形成大沟和小沟交替出现。（4）相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm。DNA双螺旋结构特征、稳定因素及意义第23页，共56页，2023年，2月20日，星期四

氢键碱基堆集力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2、DNA的双螺旋结构稳定因素

第24页，共56页，2023年，2月20日，星期四3、DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。第25页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA双螺旋的多态性A-DNAZ-DNAB-DNA第26页，共56页，2023年，2月20日，星期四（五）DNA的三级结构

在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.（一）超螺旋超螺旋是环状或线状DNA共有的特征,也是DNA三级结构的一种普遍形式.（二）核蛋白体（染色体chromosome）第27页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA超螺旋结构的形成

第28页，共56页，2023年，2月20日，星期四核小体盘绕及染色质示意图染色质的基本结构单位是核小体。第29页，共56页，2023年，2月20日，星期四组蛋白与DNA的结合真核生物中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，称核小体第30页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA的念珠状结构人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm第31页，共56页，2023年，2月20日，星期四四、DNA的一些性质

（一）溶解性DNA微溶于，水呈酸性，加碱促进溶解，不溶于有机溶剂。（二）黏稠性DNA分子很长，形成溶液后呈现黏稠状。（三）易脆性僵直具有刚性（四）稳定状态抽干水分状态稳定（五）两性电解质（六）DNA紫外吸收光谱（260nm）核酸组成中的嘌呤、嘧啶碱都具有共轭双键，因此对紫外光有强烈的吸收。第32页，共56页，2023年，2月20日，星期四DNA的紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123作为核酸及其组份定性和定量测定的依据；以OD260/OD280进行核酸样品纯度的检验。第33页，共56页，2023年，2月20日，星期四现有纯化的小牛胸腺DNA和牛血清白蛋白溶液各一瓶。请简要写出根据核酸与蛋白质紫外线吸收的特性区分上述两种物质的实验原理。(2011年考题10分)第34页，共56页，2023年，2月20日，星期四（七）核酸的变性、复性和杂交变性（加热）探针杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却退火）

变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。

复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。

用于杂交的异源DNA或RNA序列，其核苷酸序列是人工特定的、已知的，经放射性标记的一条链。第35页，共56页，2023年，2月20日，星期四加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对能够引起核酸变性的因素有：温度升高；酸碱度改变、pH（>11.3或<5.0）；有机溶剂如甲醛和尿素、甲酰胺等；低离子强度。DNA的变性过程第36页，共56页，2023年，2月20日，星期四Tm：熔解温度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)

DNA的热变性发生在一个很窄的温度范围内，通常将50%的DNA分子发生变性时的温度称为该DNA的熔解温度（解链温度），用Tm表示，一般在70-850C之间。

Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。此外与溶液的性质有关.某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123第37页，共56页，2023年，2月20日，星期四

不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）.制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。（八）核酸的分子杂交第38页，共56页，2023年，2月20日，星期四第二节

RNA的分子结构（一）、RNA的类型根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。1、信使RNA（messengerRNA,mRNA

）占细胞RNA总量的3%-5%，mRNA是蛋白质合成的模板。2、核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA)占细胞中RNA总量的80%左右，是细胞中核糖体的组成成分，是蛋白质合成的场所。3、转移RNA（transforRNA，tRNA)占细胞中RNA总量的15%，它的功能主要是携带活化了的氨基酸，并将其转运到与核糖体结合的mRNA上用以合成蛋白质。第39页，共56页，2023年，2月20日，星期四(二)RNA的碱基组成

碱基组成：A、G、C、U（A＝U/G≡C）；

稀有碱基较多

多为单链结构

分子较小。假尿嘧啶第40页，共56页，2023年，2月20日，星期四(三)、RNA的一级结构

RNA分子中各核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构。第41页，共56页，2023年，2月20日，星期四

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构

RNA与DNA一级结构的差异

DNA

RNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基第42页，共56页，2023年，2月20日，星期四（四）RNA的高级结构

RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。

RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。第43页，共56页，2023年，2月20日，星期四

在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。

tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.第44页，共56页，2023年，2月20日，星期四1、tRNA的结构二级结构特征：单链三叶草形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型第45页，共56页，2023年，2月20日，星期四2、rRNA的分子结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低

与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5SRNA的二级结构第46页，共56页，2023年，2月20日，星期四3、mRNA的分子结构mRNA分子也是呈单链状态，大部分有突环形二级结构。（1）原核生物mRNA特征：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列（2）真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）第47页，共56页，2023年，2月20日，星期四原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序1)5‘端无帽状结构2)3‘端不含polyA结构3)一般为多顺反子结构，即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质的生物合成，4)mRNA代谢很快，代谢半衰期一般以秒计，很少达到10min以上。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期四真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p1)5‘端有甲基化的帽，3'端有长约200核苷酸的polyA尾巴；2)一般为单顺反子结构，即一个mRNA中只含有一条多肽链信息，能指导一个蛋白质的生物合成；3）mRNA代谢很慢，代谢半衰期长。

第49页，共56页，2023年，2月20日，星期四

5′－帽子结构作用：

•

保护作用，抗核酸外切酶水解•

与蛋白质合成起始有关•

维持结构，协助核糖体与mRNA结合3′－polyA作用：

•

保护作用，抗核酸外切酶水解•

与mRNA半寿期有关•

与mRNA转移有关第50页，共56页，2023年，2月20日，星期四第六节DNA研究进展

一、人类基因组计划简介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技术简介（DNAchip）第51页，共56页，2023年，2月20日，星期四HGP的概况

该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为HGP的第六个成员国。

HGP旨在阐明人类基因组DNA所具有的3×109核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序