第三章 生物化学核酸

第三章核酸

NuclearAcid——生物遗传的物质基础与信息载体核酸的发现：

1868年，瑞士青年科学家F.Miescher引言：核酸概述从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离得到一种含磷较高的酸性物质，称之为核素（nuclein）核素实质是一种核糖核蛋白1944年,OswaldAvery,ColinMacleod和MaclynMcCarty发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA(deoxyribonucleicacid,脱氧核糖核酸)，可使另一种无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为有夹膜，具有致病性的肺炎球菌，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；核酸的研究历史：

1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品并引入“核酸”这一名词。

20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。

1943年，E.Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1：1，由此推理出碱基配对的理论。

1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明遗传物质即为DNA。

1953年，Watson-Crick建立了DNA的双螺旋结构模型。

遗传密码的阐明、内切核酸酶的发现、核酸的合成与分析技术、基因重组技术等的建立形成了分子生物学的基本完整体系。

核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。引言：核酸概述克隆羊-dolly第一节核酸的种类、分布与功能一、核酸的种类与分布（一）核酸的种类（RNA、DNA、）

核糖核酸（ribonucleicacid-RNA）:转移RNA(transferRNA-tRNA)、信使RNA(messengerRNA-mRNA)、核糖体RNA（ribosomalRNA-rRNA）

小分子细胞核RNA（snRNA）、染色质RNA（chRNA）、反义RNA（antisenseRNA）、双链RNA（dsRNA）、细胞质小RNA（scRNA）、具有催化活性的RNA（ribozyme）、各种病毒RNA功能：三者共同参与遗传信息的表达。

脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid-DNA）功能：遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。真核生物原核生物

DNA细胞核（95%）线粒体、叶绿体（5%）核质区（拟核）

RNA细胞质（75%）线粒体、叶绿体（15%）细胞核（10%）细胞质（二）核酸的分布二、核酸的生物学功能

（一）DNA是主要的遗传物质1928年，英国科学家Griffith发现肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒性是由细胞表面中的多糖所决定的。二、核酸的生物学功能（一）DNA是主要的遗传物质1944年，O.T.Avery（美）肺炎链球菌的转化实验,首次证明DNA是细菌遗传性状的转化因子。十年后证明DNA是遗传物质SRS+RS菌体的DNA+RS转化作用：感受态的微生物或离体培养的细胞获得外源DNA并产生新的形状特征。（一）DNA是主要的遗传物质1952年，美国冷泉港Hershey-Chase噬菌体浸染细菌的实验。（二）RNA生物学功能RNA的功能：1.参与蛋白质的合成rRNA(75-80%)tRNA(10-15%)mRNA(2-5%)2.遗传物质3.具有生物催化剂功能第二节：核酸的化学组成一、核酸的元素组成

基本元素：CHONP

核酸的元素组成有两个特点：1.一般不含S。2.P含量较多，并且恒定（9%-10%）。因此，实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）二核酸的分子组成核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成所以，核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基1．核苷酸（1）组成核酸的碱基

腺嘌呤

鸟嘌呤嘌呤Adenineguanine

A

G9NNNN123465871．核苷酸（1）组成核酸的碱基

尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶uracilcytosinethymine

NN654321嘧啶UCTH3CDNA的碱基组成：AGCTRNA的碱基组成：AGCU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。1．核苷酸组成核酸的稀有碱基NNNNONNNH2O—CH3Im5Chm5CDHU1．核苷酸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。胺式

亚胺式互变异构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1．核苷酸（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。1．核苷酸（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假尿苷

胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）1．核苷酸（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。2．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)

(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)（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。（4）辅酶核苷酸

NAD+NADP+FMNFADCoA（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）。3．核苷酸的生物学作用4．多聚核苷酸多聚核苷酸是通过核苷酸的5’-磷酸基与另一分子核苷酸的C3’-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。NNNNNH2OHOCH2HHHHO—P—O—OOHNNNNNH2

OH

HOCH2HHHH

-O—P=OO多聚核苷酸的特点在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为3′—5′磷酸二酯键。多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3′-OH表示）。多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构1.定义：指DNA分子中多个脱氧核苷酸的排列顺序。即数目庞大的四种碱基的排列顺序。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。2.DNA的碱基组成（Chargaff定则）：（1）在所有的DNA中，A=T，G=C即A+G=T+C（2）DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成，但没有组织和器官的特异性。3.DNA一级结构的表示方法：第三节：核酸的分子结构3.DNA一级结构的表示方法：（1）结构式表示法：（2）线条式表示法：（3）字母式表示法：书与文献中DNA测序的生物学意义DNA是遗传信息的储存者和发布者，遗传信息是由碱基序列体现的，碱基序列略有改变，即可引起遗传信息的显著改变。所以DNA测序是研究DNA功能的基础，非常重要。DNA测序的实验方法（20世纪70年代三大进展促进了DNA的测序工作——限制性核酸内切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离法；DNA的克隆技术）酶法和化学法（Sanger和Gilbert法）4.DNA一级结构的研究方法：DNA的化学法测序片段5’-32P-GCATGCAT-3’待测DNA片段，经特异性切割后：GG+ACC+T3’TACGTACG5’G+A切割后：32P-GC32P-GCAT32P-GCATGC32PG切割后：32P32P-GCATC切割后：32P-G32P-GCATGC+T切割后：32P-G32P-GCA32P-GCATG

32P-GCATGCA（二）DNA的二级结构1.定义：

DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA纤维和DNA结晶的X-衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中碱基的物化数据测定，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。2．DNA双螺旋结构的特点（二）DNA的二级结构（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，螺旋结构上有大沟和小沟。（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3′-5′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。2.DNA双螺旋结构的要点（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm。2.DNA双螺旋结构的要点2.DNA双螺旋结构的要点（4）双螺旋内部的碱基按规则配对，碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。双螺旋的两条链是互补关系。3.DNA双螺旋结构提出的生物学意义第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。4．DNA双螺旋的稳定因素DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。维持这种稳定性的主要因素包括：两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力；另外，存在于DNA分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。5．DNA二级结构的几种构象几种DNA螺旋结构的参数类

型

碱基倾角

碱基间距（nm）

每圈碱基数

螺

距(nm)螺旋直径（nm）

B-DNA

A-DNAZ-DNA

0-1

19-20

9

0.34

0.23

0.38

10

11

123.32-3.4

2.46-2.53

4.56

2.0-2.37

2.55

1.8-1.84C-DNAD-DNAtsDNA

A-DNAB-DNA：在相对湿度为92%时的DNA钠盐。接近DNA在细胞中的构象。A-DNA：在相对湿度为75%以下时的DNA纤维。Z-DNA：左手螺旋（A.Rich的工作）.ts-DNA：三股螺旋(在分子内或分子间形成,分子内形成时需要低pH下胞嘧啶质子化,故称H-DNA)（三）DNA的三级结构一、定义：DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。二、环状DNA的拓扑学特征：

松弛形解链环形负超螺旋1.链环数（linkingnumber）

链环数指在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示。2.扭转数（缠绕数：twistingnumber）

扭转数是指DNA分子中Watson-Crick的螺旋数，以T表示。3.超螺旋数（writhingnumber）以W表示。所以：L=T+W请看上页的例子。DNA分子具有相同的结构，但L值不同，所以称它们为拓扑异构体。拓扑异构酶能够催化它们之间的转换。DNA负超螺旋易于解链，在DNA复制、重组和转录等过程中都需要两条链解开，所以负超螺旋利于这些功能的实施。解链环形L=23T=23W=0松弛环形L=25T=25W=0负超螺旋L=23T25W=-24.比连环差比连环差以表示。用它表示DNA的超螺旋程度。

=（L-L0）/L0

L0表示松弛环形DNA的L值，如在上述超螺旋中，L=23，L0=25所以=-0.08

可以视为DNA的超螺旋密度。天然DNA的超螺旋密度一般在-0.03到-0.09。负号表示超螺旋周为左手螺旋。

（一）RNA一级结构的特点RNA一级结构研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。组成RNA的核苷酸也是以3′-5′磷酸二酯键连接。其中1.tRNA一级结构具有以下特点：分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3′-末端都具有CpCpAOH的结构。5′端多为pG,也有pC。二、RNA的分子结构tRNA概述约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-93个核苷酸之间。2.mRNA约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质，指导蛋白质的合成。mRNA一级结构的特点真核：单顺反子、5’-末端有“帽子”、3’-末端有polyA片段和非编码区和非编码区原核：多顺反子5’-末端无“帽子”、3’-末端无polyA片段（病毒除外）有非编码区有非编码区顺反子：mRNA上具有翻译功能的核苷酸顺序。polyA片段：指20-250个多聚腺苷酸。“帽子”结构：5’-末端的G被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上甲基化的核苷酸以5’、5’-磷酸二酯键相连。极大多数真核细胞mRNA在3‘-末端有一段长约200核苷酸的polyA。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的mRNA一般无polyA，但某些病毒mBNA也有3’-polyA,polyA可能有多方面功能,与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成的RNA其polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。mRNA5’-末端的“帽子”结构

m7G5’ppp5’Np(O型)m7G5’ppp5’NmpNp(I型)m7G5’ppp5’NmpNmpNp(II型)

可能功能：抗核酸酶的水解；与蛋白质合成起始有关；作为mRNA与核糖体40S亚基结合的信号。3.rRNA(核糖体RNA)约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与mRNA、tRNA作用，催化肽键的形成。rRNA动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。与tRNA不同，rRNA的甲基化多发生在核糖上。真核生物的rRNA中修饰核苷比原核生物多。(二)RNA的高级结构特点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（类似A-DNA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”结构或茎环结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中