核酸的化学组成

关于核酸的化学组成第1页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三一、核酸的一般化学组分DNA、RNA中主要的碱基、核苷和核苷酸

戊糖碱基核苷核苷酸

RNAD-核糖

A腺苷A5’-腺苷酸（AMP）G鸟苷G5’-鸟苷酸（GMP）C胞苷C5’-胞苷酸（CMP）U尿苷U5’-尿苷酸（UMP）DNAD-2-脱氧核糖A脱氧腺苷dA5’-脱氧腺苷酸（dAMP）G脱氧鸟苷dG5’-脱氧鸟苷酸（dGMP）C脱氧胞苷dC5’-脱氧胞苷酸（dCMP）T脱氧胸苷dT5’-脱氧胸苷酸（dTMP）第2页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三1.组成核酸的碱基

腺嘌呤鸟嘌呤

嘌呤Adenineguanine

A

G9NNNN12346587第3页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三1.组成核酸的碱基

尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶

uracilcytosinethymine

NN654321嘧啶UCTH3C2，4-二氧嘧啶2-氧-4-氨基嘧啶5-甲基-2，4-二氧嘧啶第4页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三核酸中除了5类基本的碱基外，还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基。组成核酸的稀有碱基NNNNONNNH2O—CH3Im5CDHU第5页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三碱基的结构特征碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。第6页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三胺式

亚胺式互变异构第7页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三酮式烯醇式互变异构已公认：氢原子在碱基上有固定的位置第8页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三2.戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的戊糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的戊糖则为β-D-核糖。第9页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三糖环的折叠构象

核酸中糖环的折叠形式是一个构象问题。所谓构象是指化合物中可以自由转动的单键上的原子或基团绕单键旋转或随单键扭转时产生的若干种不同的空间排列形式；构象的改变不伴随着共价键的破坏。构型是指共价键化合物分子中各原子在空间的相对排列关系。由于共价键具有方向性，所以每一分子具有一定的几何构型，如乳酸的D和L型、单糖的α和β型。构型的改变涉及共价键的破坏。核酸中的戊糖只有一种构型，即β-D型，但它们的构象却有许多种。第10页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三核酸中戊糖的五元糖环不呈一个平面，其中的C1’-O-C4’这3个原子一般在一个平面上，而C2’和C3’偏离平面0.05～0.06nm，这种偏离就使糖环具有不同的构象。若C2’或C3’偏离平面的方向与C5’同向，则称为内式（endo)构象；若与C5’反向，则称为外式（exo）构象。综合C2’和C3’偏离平面的情况，糖环的折叠形式有两大类：第11页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三（1）信封式糖环的C2’和C3’中只有一个原子偏离平面则称为信封式折叠（Envelope,简写为E）。如C2’-endo（2E),C2’-exo(E2)，C3’-

endo(3E),C3’-exo(E3)。上述几种构象可分别以侧视简图表示：3’2’C5’4’1’ONC2’-endo（2E)2’C5’4’1’ON3’C3’-

endo(3E)C5’4’1’ON2’3’C3’-exo(E3)C5’4’1’ON3’2’C2’-exo(E2)第12页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三（2）扭转式糖环的C2’和C3’都偏离平面而且偏离方向相反称为扭转式折叠（Twist,简写为T）。如C2’-endo-C3’-exo（23T),C2’-exo-C3’-

endo(3T2)。上述几种构象可分别以侧视简图表示：3’2’C5’4’1’ONC2’-endo-C3’-exo（3T)2’3’C5’4’1’ONC2’-exo-C3’-

endo(3T2)2第13页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三3.核苷(nucleoside)核苷由戊糖和碱基缩合而成，嘌呤的N9或嘧啶的N1与戊糖C-1’-OH以C-N糖苷键相连接。dANNNNNH2OHHOHOCH2HHHH9NONOOHOCH2HHHHOHOHU1第14页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三假尿苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）第15页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三4.核苷酸(nucleotide)核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。第16页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三第17页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三核苷酸的衍生物ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)第18页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三

(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)第19页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三（3）环化核苷酸cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP和cGMP的水解能约为43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。第20页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三（1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。（2）在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。（3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）参与细胞中的代谢与调节（cAMP、cGMP）。5．核苷酸的生物学作用第21页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三一、核酸的一般化学组分二、核酸的修饰组分三、核酸及其组分的化学反应四、核酸组分的分离鉴定第一章核酸化学组分的结构和性质第22页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三到目前为止，核酸中发现了近80种特别的组分，它们绝大多数是基本组分的衍生物，即在碱基或核糖的某些位置上附加或取代掉某些基团。把这些特别的组分称为修饰组分（也称稀有组分或附加组分）。二、核酸的修饰组分1948年Hotchkiss在小牛胸腺DNA中检测到5－甲基胞嘧啶脱氧核苷，这使人们认识到，除了基本组分外，核酸中还有一些特别的组分存在。第23页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三1.含有修饰碱基的核苷目前在RNA和DNA中已检测到60多种核苷含有修饰碱基。比较简单的修饰是原有的嘌呤或嘧啶上某个原子被甲基、甲硫基、羟甲基等取代，或经脱氨、加氢等成为修饰组分。如：m5C、S4U、DHU、I、m6A、m7G等。2.含有修饰核糖的核苷目前只发现一种修饰核糖，即核糖2’－OH上的H原子被甲基取代，生成β－D－2’－O-甲基核糖，如：Cm(2’-o-甲基胞苷）。含有修饰核糖的核苷只存在于RNA中，其中有些是碱基和核糖同时被修饰。第24页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三3.含有C-C糖苷键的核苷目前所知只有假尿嘧啶核苷及其衍生物属此。尿嘧啶核苷中糖苷键是N1-C1’,而假尿苷（ψ）中是C5-C1’相连。tRNA中修饰组分种类最多，有60多种。rRNA中的修饰组分有10多种，其中多数是甲基化修饰。原核mRNA分子中至今未发现有修饰组分，真核mRNA中的修饰组分只有几种，主要是在帽子结构中的m7G、m22,7G、m32,2,7G、Nm和分子内部顺序中的m6A、m5C。第25页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三4.DNA的甲基化修饰

甲基化是基因组DNA的一种主要表观遗传修饰形式,是调节基因组功能的重要手段。

DNA的甲基化修饰发生在DNA中一定的碱基顺序上，而且呈180∘旋转对称。如脊椎动物DNA的甲基化多数在5’CpG3’顺序的C上，与它互补的3’GpC5’顺序中的C也是甲基化的。第26页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三各种生物体中DNA甲基化的特征≤90%的位点特征脊椎动物植物大肠杆菌甲基化碱基甲基化顺序甲基化程度甲基化位点的180∘旋转对称性m5dCm5dCm5dC,m6dACGCG,CXG(X=A,C,T)CCA(T)GG,GATC≤90%的位点～100%的位点＋＋＋第27页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三DNA甲基化是表观遗传修饰的一个重要机制，它能从一个DNA序列产生不同模式的基因表达。它对正常发育至关重要，其功能失常可引起癌症和其他异常。现在，研究人员利用高通量亚硫酸氢盐测序与单分子测序相结合的方法，以核苷酸分辨率获得了在胚胎干细胞中和在由它们形成的各种不同的细胞类型中DNA甲基化的一个分布图。该分布图显示了基因组中甲基化随细胞发育（如当胚胎干细胞成熟成为神经细胞时）而变化的特定点。更具普遍意义的是，这种方法对于与发育生物学、癌症和再生医学相关的细胞群的表观遗传分析将会是有价值的。DNA甲基化修饰第28页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三DNA甲基化修饰的作用E.coli中，可以保护DNA免受本身限制性核酸内切酶的切割，而从外界侵入的外源DNA却会被E.coli的限制性核酸内切酶降解，这样就大大减少了无关种类之间的基因转移效率。最近几年研究表明，DNA甲基化在E.coliDNA的错配修复中也有重要作用。在高等生物中，DNA甲基化可能影响蛋白质和DNA的相互作用，从而调节基因的表达和胚胎发育。一些研究结果表明，低甲基化是基因活跃转录的必要条件之一。第29页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三DNA甲基化抑制基因转录的机理用组蛋白Hl与含CCGG序列的甲基化和非甲基化DNA实验后发现：甲基化达到一定程度时会发生从常规的B-DNA向Z-DNA的过渡。由于Z-DNA结构收缩，螺旋加深，使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟而不利于基因转录的起始。DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，影响蛋白质与DNA的相互作用；抑制转录因子与启动区DNA的结合效率。第30页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三用序列相同但甲基化水平不同的DNA为材料，比较其作为RNA聚合酶转录模板的活性，发现甲基的引入不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了其体外转录活性。5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的，基因的5'端和3’端往往富含甲基化位点，而启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。DNA甲基化抑制基因转录的机理第31页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三一、核酸的一般化学组分二、核酸的修饰组分三、核酸及其组分的化学反应四、核酸组分的分离鉴定第一章核酸化学组分的结构和性质第32页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三三、核酸及其组分的化学反应1.水解反应2.β-消除反应3.肼解反应4.与羟胺的反应5.亲电取代反应6.加成反应7.脱氨反应8.与甲基氢氧化汞的反应9.核糖的氧化反应第33页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三（1）化学水解:

N-糖苷键对碱稳定，磷酸二酯键一般也对碱稳定，但RNA分子由于核糖上有2’-羟基，在碱催化下能生成2’-核苷酸和3’-核苷酸。DNA一般不被碱水解。N-糖苷键对酸不稳定，嘌呤比嘧啶的糖苷键不稳定，DNA比RNA的更不稳定。磷酸二酯键对酸也不稳定。DNA中的N-糖苷键比磷酸二酯键更不稳定，一般得到的是游离碱基，而不是脱氧单核苷酸，碱基脱落后变成多聚核糖磷酸，其磷酸二酯键因β-消除反应而断裂。RNA中的磷酸二酯键的酸不稳定性小于嘌呤糖苷键而大于嘧啶糖苷键，所以RNA酸水解的产物一般是嘌呤碱基和嘧啶核苷酸。酸水解DNA时，一般用甲酸、高氯酸或盐酸。高氯酸水解时，部分胸腺嘧啶会分解，用盐酸水解时则腺嘌呤稍有分解。1.水解反应第34页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三水解DNA和RNA生成单核苷酸时，最常用的酶是核酸酶P1（桔青霉5’-磷酸二酯酶）和蛇毒磷酸二酯酶，它们可将DNA和RNA水解成5’-单核苷酸。得到单核苷酸后，如果用磷酸单酯酶或单核苷酸酶进一步水解，就得到相应的核苷。（2）酶水解第35页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三当与磷酸基团相连的β-碳原子上有强烈的吸电子基团存在时，会引起α-碳原子与氧原子之间化学键的断裂，这个反应叫β-消除反应。化学法测定DNA一级结构时，嘌呤碱基发生甲基化反应后，在中性或酸性条件下碱基脱落处的C1’成为醛基形式。2.β-消除反应第36页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三β-消除反应第37页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三3.肼解反应

肼解反应也是化学直读法测定DNA和RNA顺序的重要反应。肼解反应使嘧啶开环，经过一系列中间步骤最后生成糖腙，用哌啶等胺类催化进行β-消除反应，被肼解的核苷酸两边的磷酸二酯键就断裂。控制肼解条件，肼可选择性地只与胞嘧啶反应。第38页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三肼解反应第39页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三羟胺（NH2OH)可与尿嘧啶和胞嘧啶反应，而不与胸腺嘧啶、鸟嘌呤反应，与腺嘌呤的反应速度比胞嘧啶低2个数量级。在pH10和90℃高温条件下，羟胺选择性地只与尿嘧啶反应，而不与胞嘧啶反应。4.与羟胺的反应第40页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三与羟胺的反应第41页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三嘌呤和嘧啶碱基上存在有高的电子云密度，这些部位易受到亲电试剂的攻击，发生取代反应。烷化剂和卤素都是亲电试剂。常用的烷化剂是硫酸二甲酯（CH3）2SO4。5.亲电取代反应第42页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三亲电取代反应第43页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三嘧啶的C5和C6双键可发生加成反应。如尿嘧啶加氢后生成二氢尿嘧啶，一条核酸链中相邻2个嘧啶的C5和C6间也可发生加成，形成二聚体。胸腺嘧啶形成二聚体的反应力最强，尿嘧啶次之，胞嘧啶最小。所以DNA经紫外光照射后常形成TT二聚体，这种DNA酸水解的产物中有TT。鸟嘌呤C6和尿嘧啶、胸腺嘧啶C4的-C=O键可与碳二亚胺（HN=C=NH)发生可逆的加成反应。6.加成反应第44页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三7.脱氨反应

核酸分子中的腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤在pH4.5经亚硝酸作用脱氨分别生成尿嘧啶和黄嘌呤。前两个反应会使DNA发生突变，因为次黄嘌呤和尿嘧啶可以模拟鸟嘌呤和胸腺嘧啶进行碱基配对。第45页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三脱氨反应第46页，讲稿共53页，2023年5月2日，星期三甲基氢氧化汞可与鸟嘌呤、尿嘧啶及胸