第四章 核酸化学(09,10)

第四章核酸化学环境与生物工程系易丽娟认识核酸在生命科学上的重要性弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。学习要求第四章的知识网络目录第一节核酸的概念、分类和功能

第二节核酸的组成和分子结构

第三节DNA的结构

第五节核酸的性质及分离、分析

第六节核酸的应用★★第四节RNA的结构

★第一节核酸的概念、分类和功能一、核酸的发现二、核酸概念和分类1868年，F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸1889年，Altman等从酵母和动物的细胞核中制备出不含蛋白质的核酸，这是首次使用核酸这一词。1944年，O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋结构模型核酸的发现和研究简史1968年Nirenberg发现遗传密码。1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。1985年Mullis发明PCR技术。1990年美国启动人类基因组计划(HGP)。1994年中国人类基因组计划启动。2000年人类基因组计划。第一节核酸的概念、分类和功能核酸（nucleicacid）是生物体内含有磷酸基团的重要生物大分子，主要作用是信息的储存和传递。核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)以及核糖核酸(RNA)两类，DNA所含核苷酸分子数比RNA大得多。RNA分为三个类型，即核糖体RNA(rRNA)、信使RNA(mRNA)和转移RNA(tRNA)，它们都参与蛋白质合成。DNA是遗传的物质基础，负责遗传信息的贮存和发布，遗传基因就是DNA链上的若干核苷酸所组成的片段。RNA负责遗传信息的表达，直接参与蛋白质生物合成，转录DNA所发布的遗传信息，并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、发育、繁殖和遗传得以继续进行。核酸的功能核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解核蛋白蛋白质第二节核酸的组成和分子结构

组成元素（C,H,O,N,P）一、戊糖三、核苷二、碱基四、核苷酸第二节核酸的组成和分子结构

五、核酸组成核酸的戊糖有两种

组成DNA

组成RNA一、戊糖二、碱基1.嘧啶碱基2.嘌呤碱基3.稀有碱基4.碱基的性质核酸中的碱基分两类：（1）嘧啶碱：胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）（2）嘌呤碱：腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）二、碱基尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶CDNA特有RNA特有1.嘧啶碱基鸟嘌呤G腺嘌呤A2.嘌呤碱基3.稀有碱基核酸中的部分稀有碱基DNARNA嘌呤7-甲基鸟嘌呤N6-甲基腺嘌呤N6-甲基腺嘌呤N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鸟嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶5-羟甲基胞嘧啶假尿嘧啶二氢尿嘧啶3.稀有碱基假尿苷（

）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH52’-O-甲基腺苷(Am)4.碱基的性质酮式－烯醇式互变异构氨基－亚氨基互变异构具有吸收紫外光的性质，最大吸收波长在260nm左右碱基的紫外吸收光谱随pH的改变而改变化学性质比较稳定嘌呤碱基还可以被银盐沉淀三、核苷1.核苷的结构2.核苷的书写核苷是一种糖苷，由戌糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以糖苷键相连接。糖的第一位上的碳原子（C1）与嘧啶碱的第一位上的氮原子（N1）或嘌呤碱的第九位上的氮原子（N9）相连，所以糖与碱基间的连键是N-C键，一般称之为N-糖苷键。1.核苷的结构糖与碱基之间以C-N糖苷键连接11191.核苷的结构1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)嘧啶核苷嘌呤核苷2.核苷的书写核苷可用单字符号A（腺嘌呤核苷，简称腺苷）、G（鸟苷）、C（胞苷）、U（尿苷）表示。脱氧核苷则在单字符号前面加一个小写的d，如dA（腺嘌呤脱氧核糖核苷，简称脱氧腺苷）、dG（脱氧鸟苷）、dC（脱氧胞苷）、dT（脱氧胸苷）。稀有碱基（或称为修饰碱基）与戊糖通过糖苷键结合生成的核苷称为稀有核苷（或称为修饰核苷）。1．核苷酸的种类2．核苷酸的结构与命名3．多磷酸核苷及其衍生物4．环核苷酸5．核苷酸的性质四、核苷酸核苷中的戌糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸作为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。1．核苷酸的种类1．核苷酸的种类核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键2．核苷酸的结构与命名M-单(D-二；T－三）；P-磷酸RNA的名称为某（单、二、三）磷酸核苷酸，DNA在某（单、二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷－磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷－磷酸（脱氧腺苷酸）。八种核苷酸的表示2．核苷酸的结构与命名参与核酸生物合成的直接原料不是一磷酸核苷酸，而是三磷酸核苷酸，如ATP（三磷酸腺苷酸）。ATP上的磷酸残基用α、β、γ来编号。ATP含有两个高能磷酸酯键（～P），其水解时释放出的能量为7.3千卡/克分子（普通磷酸酯键为2千卡/克分子）。ATP在细胞能量代谢中起着及其重要的作用。3．多磷酸核苷及其衍生物1.继续磷酸化AMPADPATP3．多磷酸核苷及其衍生物环化磷酸化：cAMP和cGMP在细胞的代谢调节中有重要作用，称为第二信使cAMPcGMP3．多磷酸核苷及其衍生物3、含核苷酸的生物活性物质：

NAD+、NADP+、CoASH、FAD等3．多磷酸核苷及其衍生物4．核苷酸的性质碱基可以发生酮式和烯醇式的互变异构，体内以酮式为主。核苷酸在240～290nm具有强烈的光吸收，最大吸收波长在260nm左右。核苷酸是两性电解质，在不同的pH条件下，其解离程度不同，在某一pH值时，对外不表现出电性，该pH值称为其等电点。核苷酸在日常生活中也有重要用途，如在食品行业中作为鲜味剂，称为呈味核苷酸。一般物理性质：1、核酸的结构2、核酸的降解五、核酸脱H2O脂键相连3`，5`-磷酸二酯键首尾3`5`5｀3｀1、核酸的结构2、核酸的降解（1）碱水解（2）酸水解（3）酶水解（1）碱水解RNA用0.3mol/L的NaOH在37℃条件下处理16～18h可被完全降解，得到2’-核苷酸和3’-核苷酸。同样的条件下DNA十分稳定，不被降解。利用此性质可以进行DNA和RNA的鉴别和分离。（1）碱水解RNA水解产物中会含有2’-核苷酸？（2）酸水解在不同的酸浓度下，核酸的水解产物不同。嘌呤的糖苷键比嘧啶的糖苷键对酸更不稳定。脱氧核糖的糖苷键比核糖的糖苷键更易被酸水解。（3）酶水解按照核酸酶作用底物:分为核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶按照核酸酶对底物作用方式:分为核酸外切酶和核酸内切酶按照核酸酶所作用化学键:分为磷酸二酯酶和磷酸单酯酶（3）酶水解核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶。核酸外切酶和核酸内切酶。磷酸二酯酶和磷酸单酯酶。一、DNA的一级结构三、DNA的三级结构二、DNA的二级结构四、核酸序列的研究方法第三节DNA的结构

五、DNA基因组一、DNA的一级结构双链线性分子:细胞核内的DNA、有些动物病毒。环状双链DNA:原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA、有些动物病毒。各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序叫核酸的一级结构。连接键：3，5一磷酸二酯键连接起来的直线形或环形分子。DNA没有侧链。一、DNA的一级结构DNA线条缩写:戊糖5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPPAGCTGCOH3`-OH核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与核酸结构的生物语言。碱基一、DNA的一级结构

DNA字母简写:

5`

…

P

A

P

G

P

C

P

T

P

GP

C-OH

…3`或5`

…

AGCTGC

…3`一、DNA的一级结构公认的为1953年watson和crick提出的DNA双螺旋结构模型。二、DNA的二级结构二、DNA的二级结构1．实验证据2．B-DNA双螺旋结构模型的要点3．双螺旋结构的稳定性4．DNA双螺旋的不同类型5．三螺旋DNA和四螺旋DNA1．实验证据（1）20世纪40年代末，Avery证实了遗传物质是DNA（2）20世纪50年代初，Chargaff规则：①无组织特异性；②不随生物体的年龄、营养状态或环境变化而改变；③A=T，G=C；④不同生物来源的DNA碱基组成不同。（3）1952年，Wilkins和Franklin等人研究DNA的X光衍射图谱，说明DNA分子可能含有螺旋结构。（4）1952年，Gulland和Jordan，说明DNA分子中的碱基间会形成氢键。

（5）1953年，Watson和Crick，DNA双螺旋结构模型。（1）两条多核苷酸链组成反向平行（p5’-糖3’-p的结构与p3’-糖5’-p的结构相对）两条链的糖－磷酸主链都是右手螺旋，有一共同螺旋轴2．B-DNA双螺旋结构模型的要点（2）两条链上的碱基互补配对：A-T，C-G或T-A，G-CA与T之间为二个氢键，C与G之间为三个氢键2．B-DNA双螺旋结构模型的要点2．B-DNA双螺旋结构模型的要点双螺旋的螺距为3.4nm，螺旋的直径为2nm，相邻碱基对平面间的距离是0.34nm。双螺旋的每一转有10对核苷酸，相邻核苷酸之间的夹角为36°。

（3）螺旋表面有一条大沟和一条小沟大沟小沟2．B-DNA双螺旋结构模型的要点（4）2．B-DNA双螺旋结构模型的要点（5）碱基平面与双螺旋的中心轴垂直，糖环平面与中心轴平行。2．B-DNA双螺旋结构模型的要点（6）双螺旋结构横向靠氢键稳定，纵向靠碱基堆积力维系稳定。2．B-DNA双螺旋结构模型的要点（7）一个链的碱基顺序确定后，则另一条链必有相对应的碱基顺序。碱基互补原则具有极重要意义，DNA复制、转录、反转录等过程的分子基础都是碱基互补配对。（1）氢键；（2）离子键及范德华力；（3）碱基堆积力；3．双螺旋结构的稳定性（1）氢键：两条链间碱基的相互作用，A与T之间为二条氢键，C与G之间为三条氢键。氢键作用力很弱，但DNA分子中存在大量氢键，因此氢键为一重要稳定因素；（2）离子键及范德华力：DNA分子中磷酸基团在生理条件下解离，使DNA成为一种多阴离子，这有利于它与带正电荷的其它阳离子基团发生静电作用，这样减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋的稳定；（3）碱基堆积力：目前普遍认为堆积碱基间的疏水作用是稳定DNA结构的更重要的因素。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的小分子隔开，有利于互补碱基之间氢键的形成；3．双螺旋结构的稳定性4．DNA双螺旋的不同类型B型DNA（B－DNA）:在相对湿度为92%时，所得到的DNA钠盐纤维；A型DNA（A－DNA）:在相对湿度低于75%时，获得的DNA钠盐纤维；此外还有Z－DNA等；4．DNA双螺旋的不同类型5．三螺旋DNA和四螺旋DNA双螺旋DNA可以与单链DNA分子结合形成三螺旋DNA；人工合成的单链DNA序列（T/A）mGn（m＝1～4，n＝1～8）中的4个鸟嘌呤可以通过Hoogsteen氢键配对形成分子内或分子间的四螺旋DNA；5．三螺旋DNA和四螺旋DNA当研究某些小病毒、线粒体、叶绿体及某些细菌中分离出来降解的DNA时，发现它们的双螺旋二级结构还可进一步紧缩成闭链环状或开链环状以及麻花状等，这是DNA形成的三级结构。松弛形解链环形负超螺旋三、DNA的三级结构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。超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象;正超螺旋（盘绕方向与DNA双螺旋方同相同

）和负超螺旋（盘绕方向与DNA双螺旋方同相反

）;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;三、DNA的三级结构原核生物DNA的高级结构真核生物DNA的存在形式--核小体真核生物中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。染色质的基本结构单位是核小体。串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单体。一、RNA的一级结构二、RNA的高级结构第四节RNA的结构

RNA的一级结构指的是多核苷酸链中核糖核苷酸的排列顺序，即多核苷酸链中碱基的排列顺序。RNA是无分支的线形结构。一、RNA的一级结构RNA的二级结构基本上是单股分子，其二级结构比DNA简单的多，但也存在少数碱基配对区域即双螺环结构。二、RNA的高级结构（1）占总RNA的15％（2）一种氨基酸对应最少一种RNA（3）分子中含有较多修饰成分（4）3‘-末端都具有CCAOH结构（5）半数碱基可经过自身回折，形成局部双螺旋“茎”结构，其间是单链形成的“环”。绝大多数tRNA经过这样的折叠形成4个茎和4个环组成的特征性三叶草形二级结构。1、tRNA占总RNA的80％2、rRNA原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s5sRNA的二级结构占总RNA的3％～5％3、mRNA和hnRNA真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“。hnRNA内含子mRNA外显子3、mRNA和hnRNA真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”PolyA

3´

m7G-5´ppp-N-3´pRNA的三级结构在tRNA二级结构中未配对的某些并不互补的碱基参与了三级结构中特殊的氢键作用，tRNA链中的核糖-磷酸骨架与某些碱基甚至其他的骨架之间也能产生作用。

第五节核酸的性质及分离、分析

一、核酸的理化性质二、核酸的分离三、核酸的分析四、核酸测序