核酸的化学课件

核酸的化学

第一节核酸与生命遗传中心法则：1961年Temin等人发现了反转录酶（1970年才得到承认），以及随后的RNA复制酶的发现，实验室中DNA的翻译，1971年Crick将中心法则作了修改。

DAN

RNA

Protein第二节核酸的分类和组成一、核酸（Nucleicacids）的分类DNARNA：（一切生物细胞中都含有的三种主要RNA）

mRNA（信使RNA）：约占全部RNA的5%

tRNA（转运RNA）：约占15%

rRNA（核糖体RNA）：约占80%。

二、核酸的组成

组成核酸的基本结构单元：核苷酸nucleotide（一）戊糖

DNA：β—D—2—脱氧核糖

RNA：β—D—核糖，（少量）β-D-2-O-甲基核糖（二）Base：嘌呤碱、嘧啶碱

DNA：Ade、Gua、Cyt、ThyRNA：Ade、Gua、Cyt、Ura

稀有碱基：（三）核苷

1、定义：核苷是核糖或脱氧核糖的半缩醛羟基与嘌呤碱或嘧啶碱上的氮原子的氢脱水形成的糖苷。

2、连接键：糖的第1碳原子（C1/）通常与嘌呤碱第9氮原子或嘧啶碱的第1氮原子相连。

Base与戊糖之间的连接键是N-C键，称N-糖苷键，因戊糖都是β构型，所以称β-N-糖苷键。3、核苷的表示方式：核苷：A、G、C、U

脱氧核苷：dA、dG、dC、dT4、常见的修饰核苷：（常出现在tRNA中）次黄苷或肌苷（inosine）I

黄嘌呤核苷（xanthosine）X

二氢尿嘧啶核苷（dihydrouridine）D*假尿嘧啶核苷（pseudouridine）Ψ：糖与碱基之间的连接与正常不同。

C1/—C5。5、核苷取代基团的符号如：5-甲基脱氧胞苷m5dC7-甲基鸟苷m7GNm：N代表任意核苷，m在字母右侧表示核糖被甲基化。（四）、核苷酸1、定义：核苷酸是核苷的磷酸酯（在核糖上）。2、（核糖）核苷酸：

2/-、3/-和5/-核苷酸。脱氧核苷酸：

3/-和5/-脱氧核苷酸。如：pA表示5/-腺苷酸

Cp表示3/-胞苷酸

Gp2/为2/-鸟苷酸（五）核苷酸的衍生物

1、ATP和GTP

体内RNA合成的直接原料：核苷三磷酸（NTP）。包括ATP、CTP、GTP、UTP。体内DNA合成的直接原料：脱氧核苷三磷酸（dNTP）包括dATP、dCTP、dGTP和dTTP。

ATP2、cAMP和cGMP3、辅酶中包含AMP的有：辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ、辅酶A、FAD。4、核苷多磷酸和寡核苷多磷酸类对代谢的调控。如ppGpp、pppGpp三、核苷酸的连接方式

1、连接键：构成核酸大分子的基本单位是核苷酸。核苷酸间的连接键是3/

，5/-磷酸二酯键。由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧链基团。2、多核苷酸链的方向性：5/至3/

为正向。5/

端至3/

端。表示方式：化学结构式：如教材64页的图2-5。文字式：pApCpGpU、

省略式：pA-C-G-U第三节核酸的结构

一、DNA的结构

DNA的4种主要结构单体：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP；通过3/，5/-磷酸二酯键连接而成。（一）DNA的一级结构：指数量庞大的4种脱氧核苷酸在DNA分子中的排列顺序（序列）。

（二）DNA的二级结构：双螺旋结构模型

1、双螺旋结构模型的主要依据：

①X射线衍射数据

②关于碱基成对的证据（Chargaff碱基比定律）

③电位滴定行为DNA结构示意图Chargaff碱基比定律

Chargaff等在50年代应用纸层析及紫外分光光度计对各种生物DNA的碱基组成进行了定量测定，发现：（1）所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等，即G=C。因此，嘌呤的总含量与嘧啶的总含量相等，即A+G=C+T。（2）DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的DNA具有自己独特的碱基组成。但DNA的碱基组成没有组织和器官的特异性。生长发育阶段、营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。

Chargaff碱基比定律主要是用来描述双螺旋DNA的碱基组成的。2、双螺旋结构模型的要点：（1）基本特征（Watson和Crick于1953年提出：B-DNA）

①DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成。一条链的5/-末端与另一条链的3/-末端相对。两条链的糖-磷酸主链都是右手螺旋，有一共同螺旋轴，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。

②两条链上的碱基均在主链内侧，一条链上的A一定与另一条链的T配对，G一定与C配对。碱基之间的配对关系称碱基互补。

③成对碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直。糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧。相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，双螺旋每转一周有10个碱基对，每转的高度（螺距）为3.4nm。

（2）双螺旋结构的稳定因素：

①氢键：-NH2，-NH-（带正电性）

-CO-，=N-（带负电性）

A与T形成两对氢键，G与C形成三对氢键。

②疏水键或疏水作用：碱基的芳香杂环

③离子键（盐键）：磷酸负离子和溶液中的正离子。（3）DNA双螺旋的构象类型：

B-DNA：相对湿度92%的DNA钠盐

A-DNA：相对湿度75%的DNA钠盐。A-DNA的碱基平面倾斜了20°。

Z-DNA：Rich的模型。在CGCGCG序列可能出现此种结构。

思考题：简述B型DNA和Z型DNA的结构特点及两者之间的关系。

B型DNA和Z型DNA的结构特点及两者之间的关系

B型DNA的结构特点：①两条多核苷酸链反向平行绕成一个右手螺旋。②碱基位于双螺旋内侧，与纵轴垂直，糖磷酸骨架位于外侧与纵轴平行。③分子表面有大沟和小沟。④双螺旋的平均直径为2nm，每10对碱基旋绕一周，每周螺距为3.4nm。⑤氢键与碱基堆积力为维持其结构的主要作用力。Z型DNA的结构特点：①两条多核苷酸链反向平行绕成一个左手螺旋。②碱基对在分子轴外侧，并构成了分子的凸面。③糖磷酸骨架链的走向呈“Z”字型。④分子表面只有小沟。⑤DNA双螺旋体细长。两者之间的关系：B型、Z型DNA为DNA的两种结构形式，都是反向平行的双螺旋结构，B型DNA与Z型DNA之间可以互相转变。B型A型Z型（三）DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲即构成三级结构。也即DNA超螺旋（DNAsuperhelix）。双链环状DNA（dcDNA）易进一步扭曲成超螺旋。负超螺旋：是右手超螺旋，原核细胞中的DNA超螺旋即是。正超螺旋：是左手超螺旋，真核细胞中的DNA与组蛋白形成的核小体以正螺旋结构存在。（四）DNA和基因组1、基因：遗传学将DNA分子中最小的功能单位称为基因。2、原核生物基因组的特点：

①单拷贝序列。

②功能相关的基因常串联在一起，并转录在同一mRNA分子中。

③有基因重叠现象。3、真核生物基因组的特点：

①内含子（intron）：基因中不编码的居间序列。

②外显子（exons）：基因中编码的片段。

③断裂基因（splitgene）：内含子的存在使真核生物基因成为不连续基因。二、RNA的结构RNA的分类：①mRNA②rRNA③tRNA④hnRNA（核内不均一RNA）：成熟mRNA的前体。⑤snRNA（核内小RNA）：参与hnRNA的剪接、转运。(促进mRNA的成熟)RNA的分类(续)：⑥asRNA（反义RNA）：一种与mRNA互补的RNA分子。⑦scRNA/7SL-RNA（小胞浆RNA）：蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分。⑧SnoRNA（小核仁RNA）：参与rRNA的加工和修饰

tRNA二级结构通式（一）tRNA1、RNA的一级结构：RNA的4种主要结构单体为AMP、GMP、CMP、UMP2、tRNA的二级和三级结构（1）tRNA的三叶草型二级结构（分子中由A-U、G-C碱基对构成的双螺旋区称臂，不能配对的部分称环，tRNA一般由四环四臂组成。）

①氨基酸臂，3′端有共同的-CCA-OH结构，羟基可与该tRNA所能携带的氨基酸形成共价键。②二氢尿嘧啶（D）环，相应的臂称D臂。③反密码子臂和反密码子环，其中34～36位是与mRNA相互作用的反密码子（次黄嘌呤I常出现在反密码子中，34为上）。④可变环。⑤TΨC环中含GTΨC核苷酸，TΨC臂。（2）tRNA的三级结构：呈倒L型。①结构特点：氨基酸臂与TΨC臂形成一个连续的双螺旋区，构成字母L下面的一横；二氢尿嘧啶（D）臂与反密码臂及反密码环共同构成字母L的一竖。②意义：tRNA的倒L结构与核糖体上的空穴相符，TΨC环中GTΨC与核糖体中5StRNA相应区段有碱基互补关系，L型分子表面化学基团排列的维妙变化，与一些酶和蛋白质与tRNA分子的相互识别有关。（二）rRNA原核生物核糖体70S

rRNA：16S，5S，23S真核生物核糖体80SrRNA：18S，5S，5.8S，28S（三）mRNA1、原核生物的mRNA：多顺反子mRNA（操纵子），即一条mRNA链上有多个编码区，5/-端和3/-端各有一段非翻译区。2、真核生物的mRNA：单顺反子mRNA，即mRNA链上只有一个编码区，而且5/-端有帽子结构，3/-端还有Poly（A）尾巴。真核生物的mRNA

非编码区编码区非编码区

Cap————οοοοο————（A）nAAAOH5/-端3/

poly（A）*帽子结构（capstructure）：真核生物mRNA的5/-端有一段特殊的结构，称为帽子结构。它是由甲基化鸟苷酸经焦磷酸与mRNA的5/-端核苷酸相连，形成5/，5/-三磷酸连接。通常有三种类型：m7G5’ppp5’Np，即O型m7G5’ppp5’NmpNp，即Ⅰ型m7G5’ppp5’NmpNmpNp，即Ⅱ型第四节核酸的理化性质

（一）一般理化性质（重点：颜色反应）1、核酸和核苷酸既有磷酸基，又有碱性基团，所以都是两性电解质,2、①苔黑酚法：D-核糖与浓酸盐和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热产生绿色；

②二苯胺法：D-2-脱氧核糖与酸和二苯胺一同加热产生蓝紫色。（二）紫外吸收性质（不吸收可见光）

1、核酸的嘌呤和嘧啶环其共轭体系强烈吸收260～290nm波段紫外光，最高吸收峰接近260nm。2、核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的吸收值之和少30%～40%（减色效应）。这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。增色效应：核酸变性，即双螺旋结构遭到破坏，光吸收值增大。（三）核酸的变性1、核酸变性：指双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程，变性只涉及次级键的变化。2、热变性和T