生物化学第四章核酸

生物化学第四章核酸第1页，课件共27页，创作于2023年2月

因此，最重要的生物大分子是DNA、RNA和蛋白质，由生物大分子和有关生物分子与无机分子或离子共同构成生物机体不同层次的结构。生物大分子之间以及与其他分子之间的相互作用决定了一切生命活动。所有生物细胞都含有核糖核酸和脱氧核糖核酸。DNA主要集中在细胞核中。线粒体、叶绿素也含有DNA。RNA主要分布在细胞质中。但是对于病毒来说，要么只含DNA，要么只含RNA。还没有发现既含DNA有含RNA的病毒。因此可将病毒分为DNA病毒和RNA病毒。第2页，课件共27页，创作于2023年2月

由于核酸的结构与功能比较复杂，分子很不稳定，在4类生物大分子中，它的研究开始最晚。现代生物化学建立于18世纪下半叶，“蛋白质”一词出现于1838年。“核酸”一词的出现晚半个世纪。然而对它的研究却改变了整个生命科学的面貌，并由此诞生了分子生物学这一当今发展最迅速、最有活力的学科。核酸的生物学作用是在发现核酸以后70多年才被证实的。1944年Avery等完成了著名的肺炎球菌转化试验，证明了使遗传性发生改变的转化因子是DNA。第3页，课件共27页，创作于2023年2月1953年DNA双螺旋结构模型的提出，被认为是20世纪自然科学中的重大突破之一。它揭开了分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的研究奠定了基础。

70年代初建立起来的DNA重组技术是生命科学发展的又一重大突破，基因工程诞生了。基因工程技术又大推动了分子生物学和分子遗传学等学科的发展。第4页，课件共27页，创作于2023年2月第一节核酸的结构核酸（nucleicacid）是一种多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸（nucleotide）。而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。

核酸中的戊糖分两类：D-核糖和D-2-核糖。核酸的分类就是根据所含戊糖的种类不同而分为核糖核酸和脱氧核糖核酸。第5页，课件共27页，创作于2023年2月两类核酸的基本化学组成第6页，课件共27页，创作于2023年2月一、核苷酸碱基核酸中的碱基分为两类:嘌呤碱和嘧啶碱。（1）嘧啶碱核酸中常见的嘧啶碱有三种：胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶。第7页，课件共27页，创作于2023年2月

其中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，但是tRNA中也有少量存在。尿嘧啶只存在于RNA中。植物DNA中，有相当量的5-甲基胞嘧啶。一些大肠杆菌噬菌体DNA中，5-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。（2）嘌呤碱核酸中常见的嘌呤碱有两类：腺嘌呤和鸟嘌呤。第8页，课件共27页，创作于2023年2月

应用x光衍射分析法已证明了各种嘌呤和嘧啶的三维空间结构。嘌呤和嘧啶环很接近平面，但稍有挠折。自然界存在许多重要的嘌呤衍生物。一些生物碱，如茶叶碱（1，3-二甲基黄嘌呤）、可可碱（3，7-二甲基黄呤）、咖啡碱（1，3，7-三甲基黄嘌呤）等都是黄嘌呤（2，6-二羟嘌呤）的衍生物。有些植物激素如玉米素、激动素等也是嘌呤类衍生物。此外，还有些抗生素物质也是嘌呤类衍生物。（3）稀有碱基核酸中还有一些含量很少的碱基，称为稀有碱基，大多是甲基化碱基。第9页，课件共27页，创作于2023年2月2.核苷核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以糖苷键相连接，糖与碱基之间的连键是N-C键，一般称之为N-糖苷键。核苷分为核糖核苷和脱氧核糖核苷，命名时先碱基名称，糖环中的碳原子标号上加“‘”。第10页，课件共27页，创作于2023年2月3.核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。因此核苷酸就是核苷的磷酸酯。核苷酸分成核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。第11页，课件共27页，创作于2023年2月

核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸：2′-核糖核苷酸，3′-核糖核苷酸和5′-核糖核苷酸。脱氧核糖的糖环上只有两个自由羟基，所以只能形成两种核苷酸：3′-脱氧核糖核苷酸和5′-脱氧核糖核苷酸。生物体内游离存在核苷酸多是5′-核苷酸，用碱水解RNA时，可得到2′-与3′-核糖核苷酸的混合物。细胞内有一些游离存在的多磷酸核苷酸，它们是核酸合成的前体、重要的辅酶和能量载体。第12页，课件共27页，创作于2023年2月二、核酸的共价结构核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，无分支结构。核酸的共价结构也就是核酸的一级结构，通常是指核酸的核苷酸序列。核酸中核苷酸的连接方式核酸可被酸、碱和酶水解。核酸水解产生各种寡核苷酸、第13页，课件共27页，创作于2023年2月核苷酸、核苷和碱基。这就说明，核苷酸是核酸的结构单位，核苷和碱基都是由核苷酸水解而来。核酸的酸碱滴定曲线显示，在核酸分子中的磷酸只有一级解离，它的另两个酸基必定与糖环的羟基形成了磷酸二酯键。通过核酸的外切酶，可知RNA以3′，5′-磷酸二酯键连接核苷酸，而DNA的糖为2-脱氧核糖，只能形成3′，5′-磷酸二酯键。第14页，课件共27页，创作于2023年2月核酸的共价结构（一级结构）有几种表示方法。上图是竖线式，用竖线代表戊糖，B为碱基，P为磷酸基，原则上5′端在左侧，3′端在右侧，磷酸二酯键的走向3′→5′。在文字式中，P在核苷之左表示与C5′相连，在右表示与C3′相连，有时P也可省略，仅以字母表示核苷酸的序列。DNA的一级结构

DNA的一级结构就是由数量及其庞大的脱氧核糖核苷酸，通过3′，5′-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。而且它没有支链。第15页，课件共27页，创作于2023年2月第16页，课件共27页，创作于2023年2月DNA的相对分子质量非常大，通常一个染色体就是一个DNA分子，最大的染色体DNA可超过108bp，即大于1011。如此大的分子能够编码的信息量是十分巨大的。为了阐明生物的遗传信息，首先要测定生物基因组的序列，迄今已经测定生物基因组序列的生物数以百计，其中包括病毒、大肠杆菌、果蝇、玉米、水稻和人类的基因组。人类基因组的大小为3.2Gb，其中2.95Gb为常染色质，真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的1.1-1.4%第17页，课件共27页，创作于2023年2月3.RNA的一级结构

RNA也是无分支的线型多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖而是核糖。组成RNA的核苷酸也是以3′，5′-磷酸二酯键彼此连接起来的。第18页，课件共27页，创作于2023年2月三、DNA的高级结构

1953年Watson与Crick提出DNA双螺旋结构模型，主要有三方面的依据：一是已知核酸化学结构和核苷酸键长与键角的数据；二是Chargaff发现的DNA碱基组成规律，显示碱基间的配对关系；三是对DNA纤维进行X射线衍射分析获得的精确结果。DNA双螺旋模型的建立不仅揭示了DNA的二级结构，也开创了生命科学研究的新时期。DNA组成的Chargaff规则

20世纪40年代应用纸层析及紫外分光技术测定各种生物DNA的碱基组成具有生物种的特异性，不同物种的DNA有其独特的碱基组成。第19页，课件共27页，创作于2023年2月不同生物DNA的碱基组成第20页，课件共27页，创作于2023年2月Chargaff首先注意到了DNA碱基组成的某些规律性。1950年他总结出DNA碱基组成的规律，称为Chargaff规则：（1）腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T;（2）鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，即G=C;（3）含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含酮基碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即A+C=G+T;（4）嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。所有DNA中碱基组成必定是A=T,C=G，这一规律暗示A与T，G与C相互配对的可能性，为Watson和Crick提出DNA双螺旋结构提供了重要根据。第21页，课件共27页，创作于2023年2月DNA的二级结构Watson和Crick于1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型。第22页，课件共27页，创作于2023年2月（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。（2）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3′，5′-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向，习惯上以C3’→C5’为正向。两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。（3）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻碱基对之间的距离为0.34nm，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。第23页，课件共27页，创作于2023年2月（4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。根据分子模型的计算，一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相匹配，其直径才正好与双螺旋的直径相吻合。A只能与T相配对,

形成两个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。第24页，课件共27页，创作于2023年2月（5）碱基的一条链上的排列顺序不受任何限制。但是根据碱基配对原则，当一条多核苷酸的序列被确定后，即可决定另一条互补链的序列。这就表明，遗传信息由碱基的序列所携带。

DNA的结构可受环境条件的影响而改变。Watson和Crick所建议的结构代表DNA