简明生物化学原理 课件 第4章 核酸

第4章核酸

NucleicAcid简明生物化学原理本章主要内容核酸的种类与化学组成DNA的结构与功能（重点）RNA的结构与功能（重点）核酸的理化性质（重点）第一节核酸的发现和研究简史（一）核酸的发现1868年瑞士科学家Miescher核素（酸性）1889年Altmann制备了不含蛋白质的核酸（二）核酸的早期研究核素的功能染色质与核素核酸中的碱基四核苷酸假说核酸的高度特异性DNA是遗传物质（三）DNA双螺旋结构模型的建立1953年，Watson和Crick主要依据：已知核酸的结构知识ChargaffDNAX射线衍射结果Wilkins和Franklin（四）生物技术的兴起DNA重组技术：切割技术、分子克隆和快速测序。发展了分子水平、细胞水平和个体水平的各种生物技术和生物工程。逆转录酶(20世纪70年代)RNA的研究：核酶、反义RNA、同源异形体蛋白质、mRNA序列可以编辑、核糖体移码。(20世纪80年代)（五）人类基因组计划开辟了生命科学新纪元

实施人类基因组计划（HGP），开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：功能基因组学：指详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式。蛋白质组学：细胞内基因组表达的所有蛋白质结构基因组学：是一门用结构生物学方法研究整个生物体、整个细胞或整个基因组中所有的蛋白质和相关蛋白质复合物的三维结构的学科。RNA组学：就是从基因组水平研究细胞中非编码RNA结构与功能的一门新的科学第二节核酸的种类、分布和功能（一）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）：遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。

98％核中（染色体）

真核线粒体（mtDNA）核外

叶绿体（ctDNA）

拟核DNA

原核核外：质粒（plasmid）

病毒：DNA病毒（双链、单链、环状、线状）DNA的类型（二）核糖核酸(RNA)核蛋白体信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAhnRNAsnRNAsnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAscRNA/7SL-RNA核仁小RNA（三）核酸的功能1.DNA是主要的遗传物质2.RNA功能的多样性

参与蛋白质的合成：rRNA、tRNA、mRNA

RNA的转录后加工与修饰：snRNA,snoRNA

参与基因表达的调控：小调节RNA

生物催化作用：核酶

参与遗传信息的加工与进化：RNA编辑——mRNA

也可作为遗传信息载体：RNA病毒

核酸的元素组成：C、H、O、N、P（RNA9.4%或DNA9.9%）

核酸核苷酸磷酸戊糖碱基水解基本结构单位核糖脱氧核糖嘌呤AG嘧啶CTUbase(pentose)(nucleicacids)(nucleoside)(phosphate)核苷第三节

核酸的结构一、碱基(1).嘧啶碱：尿嘧啶U胞嘧啶C胸腺嘧啶T

(2).嘌呤碱：腺嘌呤A鸟嘌呤G

base

嘧啶：顺时针嘌呤：逆时针+顺时针碱基碱基结构特征具有芳香环的结构特征，近似平面结构。嘌呤环的疏水性远大于嘧啶。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。一般以酮式（或胺式）存在。都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）稀有碱基碱基和核苷酸的紫外吸收光谱：260nm碱基的同分异构形式核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。受介质中pH值的影响+H++H+T、G：酮式-烯醇式互变A、C：胺式—亚胺式互变稀有碱基（修饰碱基）修饰主要是甲基化，RNA中以tRNA含修饰碱基最多DNARNA嘌呤m7G：7-甲基鸟嘌呤N6，N6-2m6A：N6，N6-二甲基腺嘌呤N6-m6A：N6-甲基腺嘌呤N6-m6A：N6-甲基腺嘌呤m7G：7-甲基鸟嘌呤嘧啶m5C：5-甲基胞嘧啶DHU：二氢尿嘧啶hm5C：5-羟甲基胞嘧啶T：胸腺嘧啶核酸中部分稀有碱基

稀有碱基（修饰碱基）二、戊糖-核糖或脱氧核糖为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上撇“′

”，而碱基中原子的标号不加撇。

三、核苷核糖+碱基

核苷与脱氧核苷1、基本核苷：

碱基和核糖（脱氧核糖）通过C-N糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。★嘧啶碱：C’1—N1，嘌呤碱：C’1—N9。★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β-型★碱基平面与核糖平面互相垂直主要核苷有八种：dAdTdCdG

AUCG核苷键的顺式和反式

嘧啶糖苷键通常是反式的，而嘌呤糖苷酸键既可成顺式的也可成反式的。而在Z－DNA中，嘌呤碱是顺式的。糖苷键通对碱稳定，易被酸水解2、核酸中的稀有核苷稀有碱基+正常的糖正常碱基+修饰糖或其它糖正常碱基+正常糖，但是非正常的糖苷糖如：假尿嘧啶核苷次黄(嘌呤核)苷假尿嘧啶核苷

7-甲基鸟苷4-硫代尿苷假尿嘧啶核苷C5β1’β1’N1H(ψ)

四、核苷酸核苷键酯键（对DNA为H）1`2`3`4`5`碱基连接（核苷键）21345

核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化，生物体内多数核苷酸的磷酸基团位于核糖的第5位碳原子上。构成DNA、RNA的核苷酸5’-核苷酸1、核苷酸结构(2´-AMP)(3´-AMP)(5´-AMP)①核苷5’-多磷酸化合物：

ATP、GTP、CTP、

②环核苷酸：

3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP

③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物：ppGpppppGppppApp④核苷酸衍生物

HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物核苷酸的功能①作为核酸的原料（三磷酸水平）。

②为需能反应提供能量。UTP参与多糖合成（UDPG)，GTP参与蛋白质合成，CTP参与磷脂合成，ATP参与多种反应。③用于信号传递。如cAMP、cGMP是第二信使。cAMP大肠杆菌乳糖操纵子中激活CAP蛋白④参与构成辅酶。NAD(P)、FAD、CoA等都含有AMP。⑤参与代谢调控。如鸟苷四磷酸等可抑制rRNA的合成。ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。ATP通用的能量货币GTP驱动蛋白质合成CTP驱动磷脂合成UTP驱动糖原合成五、多聚核苷酸50个以下，寡核苷酸50个以上，多聚核苷酸通过核苷酸5

磷酸基团与另一分子核苷酸的C3-OH以3

-5

磷酸二酯键形成的链状聚合物，分DNA与RNA。牛脾磷酸二酯酶：5

外切核酸5′端3′端CGA蛇毒磷酸二酯酶：3

外切核酸一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的

双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象（超螺旋）。第四节DNA的结构与功能一、DNA的一级结构1.一级结构定义：指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。核苷酸的连接方式：3

-5

磷酸二酯键

和蛋白质不同，DNA的生物学功能直接与一级结构有关，不由高级结构决定2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链信息量：4n末端：5

端、3

端多核苷酸链的方向：5‘-P→3’-OH3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写多核苷酸链的方向：

5‘-P→3’-OH

核酸的方向3’,5’-磷酸二酯键核酸长链书写方式结构式竖线式文字式1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型的根据

（1）核酸化学性质与核苷酸键长键角数据

（2）Chargaff定则（3）DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。

二、DNA的二级结构二级结构的含义：两条单链DNA通过碱基互补配对的原则形成的双螺旋结构。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"FrancisHarryComptonCrick

JamesDeweyWatson

MauriceHughFrederickWilkins

DNA双螺旋结构的阐明是20世纪生命科学里程碑式的工作右手螺旋，反向平行；碱基在内，磷酸和糖基在外；碱基环与糖基环垂直；碱基环与轴垂直；糖环与轴平行；直径2nm,相邻碱基0.34nm，螺距3.4nm；1圈10bp碱基互补或配对（A-T；G-C）DNA双螺旋有大沟和小沟的存在1.DNA的二级结构—双螺旋结构A+G=T+C“Waston-Crick”配对①碱基堆积力

(疏水相互作用及范德华力）碱基堆积力的化学本质主要是范德华力碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③离子键：磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。2.稳定双螺旋结构的因素3.DNA二级结构的多型性

DNA二级结构的多态性：在多核苷酸链中，脱氧核糖的五元环能折叠成多种构象，此外，分子还可绕C－N糖苷键以及3′-5′磷酸二酯键旋转一定的角度，这就使具有同样碱基配对的DNA双螺旋可以采取另一些构象，DNA构象上这种差异称为多态性。Watson和Crick所描述的DNA双螺旋构象现在称为B型DNA，另外还有A型和Z型等构象类型的DNA。在一定条件下B－DNA可转变为A－DNA或Z－DNA。引起DNA双链构象改变有以下因素（1）核苷酸顺序（2）碱基组成（3）盐的种类（4）相对湿度

DNA的三种二级结构A-DNA:

DNA纤维的相对湿度为75%外形粗短

反平行双链右手螺旋，但螺距短、直径较大。RNA上的双链区及RNA-DNA杂交双链具与A-DNA相似的结构。B-DNA:

DNA纤维的相对湿度为92%Watson-Crick用于分析的材料就是B-DNA结构；DNA分子一般在生理条件下即以B-DNA的形式存在。

提高盐浓度B型可以转换成A-DNAZ-DNA:研究d(CGCGCG)寡聚核苷酸结晶的X-ray衍射图时发现了第三种DNA结构——左手DNA螺旋

。在这种结构中，主链成锯齿状左向盘绕，故称Z-DNA。A-DNA：右手螺旋B-DNA：右手螺旋Z-DNA：左手螺旋DNA二级结构的多型性比较A型B型Z型外型粗短中细长螺旋方式右手右手左手直径26A20A18A每螺旋的碱基对数1110.512每碱基对的升距2.6A3.4A3.7A螺距2.533.544.56糖苷键构型反式反式嘧啶反式，嘌呤顺式大沟窄深宽深平坦小沟宽浅窄深较窄、很深轴心与碱基对的关系不穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱基对三、DNA的三级结构定义：DNA的三级结构是指DNA分子在二级结构的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象。

包括不同二级结构单元间的相互作用、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三级结构的主要形式。环状DNA的三种典型构象（1）松弛环形DNA：线形DNA直接环化（2）解链环形DNA：线形DNA拧松后再环化（3）正超螺旋与负超螺旋DNA正超螺旋：过旋，上劲（加右旋，产生左旋超螺旋）负超螺旋：欠旋，卸劲（加左旋，产生右旋超螺旋）正超螺旋与负超螺旋正超螺旋负超螺旋DNA超螺旋的生物学意义1.超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要；

超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平，多余的能量可能使DNA双股链分开或局部熔解。这对DNA分子复制和转录等的启动很重要。

细胞内DNA主要采取负超螺旋形式：负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起，很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等。2.超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间。3.增加了DNA的稳定性一、

RNA的一级结构NMP通过3’、5’磷酸二酯键形成的线形多聚体。①

组成RNA的戊糖是核糖②

RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中有一些稀有碱基③

天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分区域是A-型双螺旋结构。

RNA中的螺旋为A型螺旋，DNA中的螺旋为B型螺旋。第五节

RNA的结构与功能二、

tRNA(transferRNA)的结构1、tRNA的一级结构★70-90b，分子量在25kd左右，沉降系数4S左右（分子量三种主要RNA中最小）★有较多稀有碱基（DHU、T、、mG和mA等）

★3’末端为…CCA-OH★5’末端大多为pG…或pC…占总RNA的15％,细胞中大约50多种G除了可以和C配对外，也可以和U配对

稀有碱基和作用Alanine-tRNA1、反密码子

3`端邻近部位稀有碱基出现的频率高，对于维持反密码环的稳定性,密码子和反密码子之间的配对很重要

2、有利于氨基酸和受体臂的正确连接2、tRNA二级结构：三叶草形四环：二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环、额外环、T

C环四臂：氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码臂、T

C臂

RNA二级结构概念

RNA自身回折产生局部双螺旋（茎环结构），即RNA二级结构。额外环（可变环）（1）tRNA二级结构由四臂、四环组成。已配对的片断称为臂，未配对的片断称为环。（2）叶柄是氨基酸臂。其上含有CCA-OH3’，此结构是接受氨基酸的位置。（3）氨基酸臂对面是反密码子环。在它的中部含有三个相邻碱基组成的反密码子，可与mRNA上的密码子相互识别。（4）左环是二氢尿嘧啶环（D环），它与氨基酰-tRNA合成酶的结合有关。（5）右环是假尿嘧啶环（TψC环），它与核糖体的结合有关。TψC环中GTψC与核糖体中5SrRNA相应区段有碱基互补关系;

（6）在反密码子与假尿嘧啶环之间的是可变环，它的大小决定着tRNA分子大小。tRNA的二级结构为三叶草结构

3、tRNA的三级结构——倒L形TΨC和D环

位于“L”两臂的交界处，

利于“L”结构的稳定“L”结构中碱基堆积力大使其拓扑结构趋于稳定反密码子：

位于“L”结构末端堆积力小自由度大使碱基配对摇摆tRNA三级结构之中的氢键配对4、tRNA的功能（1）转运氨基酸（2）识别密码子（3）参与翻译起（4）参与DNA的反转录（引物）（5）参与基因表达调控种类最多，含量最少，最不稳定原核：多顺反子，多个编码区真核：单顺反子，单个编码区三、mRNA(messengerRNA)的结构顺反子：遗传学上将编码一个多肽的遗传单位称顺反子单顺反子多单顺反子1、真核mRNA的结构与蛋白质合成的正确起始有关。避免mRNA被核酸酶降解，增强其稳定性的。真核生物mRNA5

-端帽子结构与功能5'5'm7GTPmRNA翻译起始的必要结构，核糖体识别信号增加mRNA的稳定性，保护mRNA真核生物mRNA3

-端的polyA结构与功能与mRNA从细胞核到细胞质的运输有关；与mRNA的半衰期有关，新生mRNA的poly(A)较长20～250个

四、rRNA(ribosomalRNA)的结构rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。核糖体组成一、核酸的一般性质酸碱性：pH>4时为多阴离子。pH4~11DNA稳定粘度：双螺旋DNA粘度极大，RNA粘度较小。

DNA变性时粘度降低。溶解度：微溶于水，不溶于乙醇等有机溶剂。紫外吸收：波长260nm有最大吸收峰；旋光性：均很强浮力密度：高G+C的DNA其浮力密度较高

RNA>双链DNA；单链DNA>双链DNA超螺旋>环状DNA>开环、线状DNA沉降速度：RNA>环状DNA>开环、线状DNA第六节核酸的物理化学性质二、核酸的水解专一水解核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶（nuclease)1．核酸酶的分类(1)按底物专一性分核糖核酸酶(RNase)：作用于RNA

脱氧核糖核酸酶(DNase)：作用于DNA。

(2)按对底物作用的方式核酸内切酶、核酸外切酶（有3-核酸外切酶和5-核酸外切酶）

限制性内切酶（三）、酶水解

限制性核酸内切酶（Restrictionendonucleases）

一类能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列，并由此切割DNA双链结构的核酸内切酶。它们主要是从原核生物中分离纯化出来的。识别位点：能够识别由4～8个核苷酸组成的特定的核苷酸序列；切割位点的一个共同特点是，它们具有双重旋转对称的结构形式，即这些核苷酸对的顺序是呈回文结构。限制性核酸内切酶限制性内切酶已成为基因工程最重要的工具酶。三、

核酸的紫外吸收

由于核酸分子所含的碱基中都有共轭双键，故具有特殊的紫外吸收光谱，吸收高峰在260nm处，且核酸在230nm处有一低谷。(P)=A/cL(P)：摩尔磷消光系数DNA:6,600；RNA:7,700~7,800核酸的(P)值较所含核苷酸单体低单链多核苷酸的(P)比双螺旋链高

增色效应：DNA变性后对260nm紫外光收增加的现象。30-40%DNA分子中碱基间电子的相互作用是紫外吸收的结构基础，但双螺旋结构有序堆积的碱基又“束缚”了这种作用。变性DNA的双链解开，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故产生增色效应。减色效应：DNA复性后，

(P)值降低的现象。五、核酸的变性、复性及杂交(一)、DNA的变性(denaturation)1.定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。2.方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等3.变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性DNA的变性是爆发式的（1）定义：DNA的双螺旋结构失去一半时对应的温度。变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。DNA的Tm一般在82-95℃之间DNA的变性是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。4、DNA的熔解温度（Tm）（2）影响DNA熔解温度Tm值的因素DNA均一性：均一性高，变性的温度范围越窄，据此可分析DNA的均一性。人工合成Polyd(A-T)、Polyd(G-C)等均质DNA，熔解过程发生在一个较小的温度范围之内。影响DNA熔解温度Tm值的因素②G-C含量：G-C含量与Tm值成正比。

测定Tm，可推知G-C含量。G-C%=（Tm-69.3）×2.44Page457影响DNA熔解温度Tm值的因素③介质中离子强度：

离子强度高，Tm高，变性温度范围较窄离子强度低，Tm值低，变性温度范围较宽

DNA制剂通常保存在0.1mol/LNaCl溶液中。

Tm值大小还与核酸分子的长度有关，核酸分子越长，Tm值越大。1.DNA复性(renaturation)的定义

在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。2.DNA复性后的理化性质变化减色效应:DNA复性时，其溶液OD260降低(二)、DNA的复性粘度上升浮力密度升高