核酸化学课件

核酸化学

核酸化学研究史（1）1869年Miescher,博士论文工作中测定淋巴细胞蛋白质组成时,发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物,并在所有细胞的核里都找到了此物质,故命名“核素(Nuclein)"1879年Kossel经过10年的努力,搞清楚核质中有四种不同的组成部分:A,T,C和G；核酸研究史1核酸化学研究史（2）1889年Altman建议将“核质”改名为“核酸”,因为已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。1930年Levene发现动物细胞的核酸含有一种特殊的核糖－－脱氧核糖,得出了一个错误概念:植物核酸含核糖,动物核酸含脱氧核糖。这个错误概念一直延续到1938年，这时方清楚RNA和DNA的区别。Levene还提出了核酸的“磷酸－核糖(碱基)－磷酸"的骨架结构,解决了DNA分子的线性问题,还在1935年提出"四核苷酸",认为这四种碱基的含量是一样的。核酸研究史2核酸化学研究史（3）1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分析了DNA的组成成分,得知[A]=[T],[G]=[C],[A+G]=[C+T]1953年Watson,Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果,提出了DNA的双螺旋模型(Doublehelix)。几星期后提出了半保留式复制模型。1957年Meselsnhe&Stahl用密度梯度超离心法,证实半保留复制假说。核酸研究史3第一节核酸组成核酸的定义核酸是体内重要的大分子物质，由于最初从细胞核分离出来，又具有酸性，故称为“核酸”。核酸的分类脱氧核糖核酸（DNA）:是遗传信息的载体，与生物的繁殖、遗传及变异有密切的关系。

核糖核酸（RNA）:RNA的功能主要是参与体内蛋白质生物合成过程。mRNA:占全部RNA的5%，可以作为合成蛋白质的直接模板。tRNA：占全部RNA的16%，在蛋白质合成中起转运AA的功能。rRNA：占全部RNA的80%，是构成核糖体的成分，原核细胞中有5S、16S、28S三种，真核细胞中有5S、5.8S、18S、28S四种。基因转录翻译多肽折叠活性蛋白核酸的分布

DNA主要存在于细胞核内，线粒体内也含有少量DNA；

RNA主要分布在细胞质、细胞核和线粒体内；对于病毒来说，只能含有RNA或DNA中的一种，据此可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两类。

组成核酸的主要元素有C、H、O、N、P等，其中P的含量大约占总量的9%～10%

。

磷在各种核酸中的含量比较接近和恒定，DNA的平均含磷量为9.9%，RNA的平均含磷量为9.4%。因此，只要测出生物样品中核酸的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量，这是定磷法的理论基础。

核酸的元素组成一、核苷酸是核酸的元件分子

RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。

核苷酸是由戊糖、含氮碱和磷酸三类成分构成的。核苷酸的基本结构核酸核苷酸磷酸核苷戊糖含氮碱核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱核酸的水解过程1.戊糖核糖脱氧核糖图5-2戊糖的结构式

2.含氮碱基312456789

腺嘌呤(A)

鸟嘌呤(G)NNNNHNH2NNNNHNNNNHNH2OH

嘌呤碱：

尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）312456NNONNOHHNNOHNH2NNOOHHCH3

嘧啶碱：几种稀有核苷酸假尿苷（

）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH53.核苷：二者的连接是C-N键，称N-糖苷键。核苷的命名核苷的名称都来自它们所含有的碱基名称。如腺嘌呤核苷(adenosine)，脱氧腺嘌呤核苷(deoxyadenosine)。腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷(guanosine)、胞嘧啶核苷(cytidine)和尿嘧啶核苷(uridine)分别简称为腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。胸腺嘧啶很少出现在核糖核苷中，所以脱氧胸腺嘧啶核苷，常简称为胸苷，也称为脱氧胸苷。用表示碱基的单字母也可以用来表示核苷。以d表示脱氧。如dA、dG、dC和dT4.核苷酸核苷酸

是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。磷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）分子中戊糖环上的羟基与磷酸上的氢通过脱水生成磷酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）核苷酸与脱氧核苷酸的种类核苷酸包括：腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）和尿苷酸（UMP）四种，是构成RNA的基本单位；脱氧核苷酸包括：脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧鸟苷酸（dGMP）、脱氧胞苷酸（dCMP）和脱氧胸苷酸（dTMP）四种，是构成DNA的基本单位。核苷含有3个可以被磷酸酯化的羟基(2′、3′和5′)，而脱氧核苷含有2个这样的羟基(3′和5′)。由于与磷酸基缩合的位置不同可分别生成2

-核苷酸、3

-核苷酸和5

-核苷酸。最常见的核苷酸是5

-核苷酸（5

常被省略）。腺苷酸核苷酸可以含有一个、两个或三个磷酸基团，分别称为核苷一磷酸(NMP)、核苷二磷酸(NDP)及核苷三磷酸(NTP)。表示：与一个磷酸结合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合——DP：如：ADP与三个磷酸结合——TP：如：ATP

图5-6ATP结构示意图1.许多核苷酸是高能分子：腺苷三磷酸（ATP）ATP是生物体中重要的化合物。ATP结构中磷酸与磷酸之间的联结键水解断裂时产生大量的能，叫高能磷酸键，习惯用“～”表示高能键。凡含有高能磷酸键的化合物称为高能磷酸化合物。二、核苷酸生物功能

多磷酸核苷：ATP含两个高能磷酸键，AMP分子中所含的磷酸键不是高能磷酸键，所以它是普通磷酸化合物。普通磷酸化合物水解时只能释放8.4KJ/mol能量，而高能磷酸键水解时可释放30.7KJ/mol能量。ATP依次水解可分别产生腺苷二磷酸（ADP）、腺苷一磷酸（AMP），即：

ATP→ADP+Pi；ATP→AMP+PPi；ADP→AMP+Pi

ATP在生物体或细胞的能量代谢中起着极为重要的传递作用。ATP分解为ADP或AMP时释放出大量的能量，这是生物体主要的供能方式，ATP是机体生理活动、生化反应所需能量的重要来源。反之，AMP磷酸化生成ADP、ADP继续磷酸化生成ATP时则储存能量，这是生物体暂时贮存能量的一种方式。2.核苷酸是许多酶的辅因子的成分

NAD+

（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，CoⅠ）

NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，CoⅡ）

FMN（黄素单核苷酸）

FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）3.核苷酸作为信号分子核糖3’-,5’-成环。

cAMP、cGMP

功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。葡萄糖只有与UDP、ADP、GDP等核苷酸结合为UDPG、ADPG、GDPG等活性形式，才能进一步合成为蔗糖、寡糖和多糖。4.糖基载体第二节DNA结构一级结构:为直线形多聚核苷酸，相对分子质量的差别极大.高级结构:包括二级结构和三级结构等.一、DNA的一级结构多核苷酸链中各种单核苷酸的排列顺序，称核酸的一级结构；单核苷酸之间的的连接键是3

,5

-磷酸二酯键。1．核苷酸之间通过3′，5′-磷酸二酯键连接聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。RNA以ATP、GTP、CTP和UTP为底物；而DNA以dATP、dGTP、dCTP和dTTP为底物。通过催化一个核苷酸的核糖或脱氧核糖第5′位的磷酸，与另一个核苷酸的第3′位的羟基之间脱水缩合形成3′，5′-磷酸二酯键，并释放出无机焦磷酸。多个核苷酸以3′，5′-磷酸二酯键连接成线形大分子，即多核苷酸链。3',5'-磷酸二酯键的形成1）读向：

碱基序列从左到右表示5’

——3’，由3’-,5’磷酸二酯键连接。若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：

5’A-T-G-C-C-T-G-A3’

3’T-A-C-G-G-A-C-T5’2.DNA的方向性与DNA的书写方式2）写法一种是线条式缩写法：用竖直线表示戊糖；斜线表示3′，5′-磷酸二酯键，一端与戊糖的3′相连，另一端与下一个戊糖的5′相连；p表示磷酸残基；A、U、G、C、T表示各碱基。图5-10线条式缩写示意图另一种是文字缩写法，即磷酸用p表示，腺苷一磷酸表示为pA，而脱氧腺苷一磷酸表示为pdA，其它的类似。DNA的一级结构：

5

-AGTCCATG-3

AGTCCATG3-TCAGGTAC-5TCAGGTACRNA的一级结构：

5

-AGUCCAUG-3

AGUCCAUG

核酸一级结构的表示方法二、DNA的空间结构DNA的空间结构是指多核苷酸链与多核苷酸链之间以及多核苷酸链内通过氢键及碱基堆积力，在空间形成的螺旋、卷曲和折叠的构象。DNA的空间结构包括DNA的二级结构和DNA的超螺旋结构。1.DNA的二级结构—双螺旋结构模型1）根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则：A=T，G=C2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。双螺旋结构模型建立的依据Watson-Crick的DNA双螺旋2.0nm结构特征DNA二级结构的特点（1）DNA分子是由两条互相平行、但走向相反（一条链为3＇→5＇，另一条链为5＇→3＇）的脱氧多核苷酸链组成，两条链以右手螺旋方式平行地围绕同一个轴盘旋成双螺旋结构。(2)双螺旋分子中糖分子与纵轴平行，与碱基平面垂直磷酸基与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键相连接，形成DNA的骨架

碱基互补配对

TAGC（3）碱基之间通过氢键配对，Ａ与Ｔ配对，Ｇ与Ｃ配对，Ｇ＼Ｃ之间通过三个氢键连接，Ａ＼Ｔ对通过两个氢键连接.这种碱基之间互相匹配的情形称为碱基互补。因此，当一条核苷酸链的碱基序列确定以后，即可推知另一条互补核苷酸链的碱基序列（4）双螺旋的直径为2nm。顺轴方向，每隔0.34nm有一个核苷酸，两个核苷酸间的夹角为36

，因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每隔3.4nm重复出现同一结构。

(5)链之间的螺旋形凹槽，一条较浅，宽度为0.6nm，深度为0.75nm；另一条较深，宽度为1.2nm，深度为0.85nm。维持双螺旋结构稳定性的力一是互补碱基对之间的氢键

主要的力，是碱基堆集力.碱基堆集力是由于芳香族碱基的

电子之间相互作用而引起的，DNA分子中碱基层层堆集，在DNA分子内部形成了一个疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，所以使互补的碱基之间形成氢键。

三是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。天然DNA有双链DNA（dsDNA），有的病毒为单链DNA（ssDNA）在dsDNA中：线形分子（大多数）

环状分子（dcDNA）：质粒、线粒体、叶绿体、病毒、细菌DNA的超螺旋结构超螺旋是DNA三级结构的主要形式。在生物体内DNA在双螺旋二级结构基础上进一步盘曲成紧密的空间结构称为DNA的超螺旋结构。DNA超螺旋结构许多病毒DNA、细菌质粒DNA和真核生物的线粒体DNA以及叶绿体DNA，多是由双螺旋结构的首尾两端接成环状（开环型）。双螺旋进一步发生扭曲形成超螺旋结构（双股闭链环状）。超螺旋结构特点可将长链压缩在一较小体内；密度大；凝胶电泳中移动速度快。核小体中的

扭曲方式在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构———

染色体。细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在。DNA的包装第三节RNA结构RNA的结构3、单链状，但许多区域可自身进行碱基配对，形成回折1.RNA分子比DNA分子小得多，一般含几十至几千个核苷酸2.碱基配对规则：A-U，G-C，不能配对区域形成突起。核苷酸之间的连结方式：3',5'-磷酸二酯键单链RNA多核苷酸链通过折叠形成特定高级结构单链、双螺旋、突起、内环发夹结构1、分子较小，为直线型多核苷酸链，一般由70-90个氨基酸组成，种类多2、基本单位主要是CMPGMPAMP和UMP四种核苷酸,含较多稀有碱基3、磷酸二酯键，5’端向3’端延伸，不像DNA那样具有严格的A=T，G=C的规律4、3’端都为CCA，用以接受氨基酸，叫叶柄；5’端都为pG或pC，分子中有保守序列tRNA结构一级结构tRNA二级结构：在RNA分子的多核苷酸链中也能形成与DNA相类似的螺旋区，这是由单链自身回折，使链内可配对的碱基（A-U,G－G）相遇形成氢键（A－U碱基对），使该部分扭转形成螺旋。二级结构为三叶草。tRNA三级结构为倒L型mRNA分子

RNA的分子结构含量少