生物化学：第三章 核酸的化学.ppt

第三章第三章 核酸的化学核酸的化学核核 酸酸（（nucleic acid）） 是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息物大分子，携带和传递遗传信息l 核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等如线粒体，叶绿体，质粒等 分布于胞核、胞液分布于胞核、胞液 （（DNA）） （（RNA））脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型参与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的表达遗传信息的表达某些病毒某些病毒RNARNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体 第一节第一节核酸的分子组成及基本结构核酸的分子组成及基本结构一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 1. 元素组成元素组成C、、H、、O、、N、、P（（9~10%））2. 2. 分子组成分子组成—— 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱碱基：嘌呤碱，嘧啶碱—— 戊糖：核糖，脱氧核糖戊糖：核糖，脱氧核糖—— 磷酸：磷酸：嘌呤嘌呤（（purine）） 腺嘌呤（腺嘌呤（A）） 鸟嘌呤（鸟嘌呤（G））l 碱碱 基基嘧嘧啶啶（（pyrimidine）） 胞嘧啶（胞嘧啶（C）） 尿嘧啶尿嘧啶（（U））胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T））l戊戊 糖糖（构成（构成RNA））1´2´3´4´5´核糖（核糖（riboseribose））（构成（构成DNA））脱氧核糖（脱氧核糖（deoxyribose））核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR二、核苷酸的结构二、核苷酸的结构1. 1. 核苷的形成核苷的形成碱碱基基和和戊戊糖糖通通过过糖糖苷苷键键连连接接形形成成核核苷苷（（脱脱氧氧核核苷苷）），，且且都都是是β糖糖苷键。

苷键1´1““稀有核苷稀有核苷””是由是由““稀有碱基稀有碱基””所生成的核苷所生成的核苷假尿苷（假尿苷（ψ））β1’,C5-糖苷键糖苷键β1’C5核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 2. 核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名核苷核苷（（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷磷酸酯键酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷连接形成核苷酸（脱氧核苷酸） 体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物l含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、、NADP+、、CoA-SH、、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，，NDP，，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: cAMP，，cGMPAMPAMPADPADPATPATPcAMPcAMPNADP+NAD+环化核苷酸环化核苷酸5´端端3´端端3. 3. 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。

核酸CGA三、核酸的分子结构三、核酸的分子结构（一）（一）DNA的分子结构的分子结构1、、DNA的一级结构：的一级结构： 指指构构成成DNADNA的的各各个个单单核核苷苷酸酸之之间间连连接接键键的的性性质质及及排排列列顺顺序序（（即即碱碱基基排排列列顺顺序）A G P5  P T PG PC PT P OH 3  书书写写方方法法5  -pApGpTpGpCpT-OH- 3  5 -A G T G C T - 3  2、、 DNA的二级结构的二级结构 ——双螺旋结构双螺旋结构Erwin Chargaff （（1905－－1995）） ü[A]=[T], [C]=[G]；； [A]＋＋[G]＝＝[C]＋＋[T]（（嘌嘌呤呤与与嘧啶总数相等；嘧啶总数相等；ü有种属特异性；有种属特异性；ü无组织、器官特异性；无组织、器官特异性；ü不不受受年年龄龄、、营营养养、、性性别别及及其其他环境影响他环境影响l研究背景研究背景---Chargaff ’s rule：：l 模型要点模型要点（（Watson, Crick, 1953）） ü由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的DNA链链组组成成，，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架，，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。

螺螺旋旋直直径径为为2nm，，形形成成大大沟沟及小沟相间及小沟相间ü碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内侧侧，，以以氢氢键键互互补补配配对对（（互互补补配配对对形形式式：：A=T; G C）；）；ü相相 邻邻 碱碱 基基 平平 面面 距距 离离0.34nm，，螺螺旋旋一一圈圈螺螺距距3.4nm，一圈，一圈10对碱基ü稳定因素：稳定因素：•碱碱基基堆堆积积力力----维维持持双双链链纵纵向稳定性；向稳定性；•氢氢键键----维维持持双双链链横横向向稳稳定定性；性；•离离子子键键----磷磷酸酸基基团团上上的的负负电电荷荷和和介介质质中中的的阳阳离离子子形形成的成的l 双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，，这这是是DNA复复制制、、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，，亦亦是是遗遗传传信息传递和表达的分子基础信息传递和表达的分子基础 该该模模型型的的提提出出是是上上个个世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生命科学飞速发展的基石。

生命科学飞速发展的基石l DNA双螺旋结构种类双螺旋结构种类（（1 1）右手螺旋结构：）右手螺旋结构：　　　　由由于于DNA纤纤维维的的含含水水量量不不同同，，可可分分为为三三种种：：B-DNA、、A-DNA、、C-DNAlB-DNA：：Waston and Crick提提出出的的DNA双双螺螺旋旋结结构构为为B-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的，另外溶液和细胞中天然状态的DNA可能是可能是B-DNAlA-DNA：：碱基与中心轴不相垂直，而呈碱基与中心轴不相垂直，而呈20º倾角lC-DNA：：可能存在于染色体与某些病毒的可能存在于染色体与某些病毒的DNA中 当当当当DNADNA钠盐纤维钠盐纤维钠盐纤维钠盐纤维相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度和和和和盐的种类盐的种类盐的种类盐的种类改变时，改变时，改变时，改变时， DNADNA的构象发生改变的构象发生改变的构象发生改变的构象发生改变 　　不同不同DNA纤维的空间结构纤维的空间结构 类型类型结晶状态结晶状态ANa盐，相对湿度盐，相对湿度75%时结晶时结晶BNa盐，相对湿度盐，相对湿度92%时结晶时结晶C锂盐，相对湿度锂盐，相对湿度66%时结晶时结晶（（2 2）左手螺旋结构）左手螺旋结构　　　　 1979年年 ，， 美美 国国 麻麻 省省 理理 工工 学学 院院 Rich从从d（（GpCpGpCpGpCp））一一段段脱脱氧氧核核苷苷酸酸链链X衍衍射射中中发发现现，，糖糖与与磷磷酸酸的的走走向向是是曲曲折折的的，，又又把把左左手手螺螺旋旋称称为为Z-DNA螺旋。

　螺旋　　　 DNA双双螺螺旋旋结结构构的的多多样样性性3、、DNA的三级结构的三级结构　　 指指在在二二级级结结构构的的基基础础上上，，双双螺螺旋旋进进一一步步扭扭曲曲或再次螺旋所形成的结构或再次螺旋所形成的结构l原原核核生生物物：：大大部部分分原原核核生生物物的的DNADNA是是共共价价封封闭闭的的环环状状双双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋l真真核核生生物物：：DNADNA和和蛋蛋白白质质组组装装成成染染色色体体，，染染色色体体的的基基本本单位是单位是核小体l DNA的超螺旋结构的超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构 正超螺旋（正超螺旋（positive supercoil））盘绕方向与方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同负超螺旋（负超螺旋（negative supercoil））盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 超螺旋结构超螺旋结构意义意义DNA超超螺螺旋旋结结构构体体或或局局部部的的拓拓扑扑学学变变化化及及其其调调控控对对于于DNA复复制制和和RNA转转录录过过程程具具有有关键作用。

关键作用 lDNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真真核核生生物物染染色色体体由由DNADNA和和蛋蛋白白质质构构成成，，其其基基本本单单位是位是 核小体核小体(nucleosome)(nucleosome)核小体的组成核小体的组成DNA：：约约200bp 组蛋白：组蛋白： H1H2A，，H2BH3H4核小体的结构核小体的结构 　染色体染色质纤维纤维核小体组蛋白DNAl DNA的功能的功能DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，，也是个体生命活动的信息基础也是个体生命活动的信息基础基基因因从从结结构构上上定定义义，，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能 （二）RNA的种类和分子结构种类和分子结构RNA通通常常以以单单链链形形式式存存在在，，但但也也可可形形成成局局部部的的双螺旋结构双螺旋结构RNA分分子子的的种种类类较较多多，，分分子子大大小小变变化化较较大大，，功功能多样化。

能多样化主主要要的的RNA种种类类有有rRNA、、mRNA、、tRNA、、HnRNA、、SnRNA、、SnoRNA、、ScRNA等 RNA的种类、分布与功能的种类、分布与功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA1、、mRNA （信使（信使RNA））约占总约占总RNA的的3%--5%；；mRNA代谢不稳定，种类多、分子量差异很大；代谢不稳定，种类多、分子量差异很大；其功能是蛋白质合成的模板。

其功能是蛋白质合成的模板真核细胞真核细胞mRNA的特点：的特点：l 3’－末端有多聚腺嘌呤的结构（－末端有多聚腺嘌呤的结构（polyA）；）；l 5’－末端具有帽子结构（－末端具有帽子结构（m7GpppN）；）；l 一一种种mRNA只只含含有有一一条条多多肽肽链链的的信信息息（（单单顺顺反子）hnRNA 内含子内含子（（intron））mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子（（exon））真核生物真核生物mRNA 5 -端帽子结构端帽子结构5'5'm7GTP2、、tRNA （转移（转移RNA））约占总约占总RNA的的15%；；在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用；在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用；每一个每一个AA都有与其相对应的一种或几种都有与其相对应的一种或几种tRNA；；tRNA分子大小相似，一般为分子大小相似，一般为73-93个核苷酸个核苷酸* tRNA的一级结构特点的一级结构特点Ø 含含 10~20% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHUØ 3´末端为末端为 — CCA-OHØ 5´末端大多数为末端大多数为GØ 具有具有 T C l tRNA的结构的结构•tRNA的二级结构的二级结构 --三叶草型结构三叶草型结构Ø 氨基酸臂氨基酸臂Ø DHU环环Ø 反密码环反密码环Ø 额外环额外环Ø TΨC环环* tRNA的三级结构的三级结构—— 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活活化化、、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，，参参与与蛋蛋白质的翻译。

白质的翻译3、、rRNA（核蛋白体（核蛋白体RNA））约占全部约占全部RNA的的80%;是核蛋白体的主要组成部分是核蛋白体的主要组成部分;核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体是蛋白质合成的场所* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数） 真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA 原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA* rRNA的结构的结构* rRNA的功能的功能参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所合成的场所原核生物原核生物16S rRNA的二级结构的二级结构核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35% 第二节第二节 核酸的理化性质核酸的理化性质一、核酸的紫外吸收一、核酸的紫外吸收 碱基含有共轭双键；碱基含有共轭双键；最大吸收峰最大吸收峰260nm左右左右。

各种核酸的紫外吸收各种核酸的紫外吸收二、二、DNA的变性的变性定义定义：：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程成两条单链的过程方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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、丙酮等酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失• 氢键和碱基堆积力的破坏，氢键和碱基堆积力的破坏，• 核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性发生改变，发生改变，• 磷酸二酯键不断裂，故一级结构不变磷酸二酯键不断裂，故一级结构不变实质实质DNA变性示意图变性示意图:DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱Ø增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象增高的现象热变性热变性Ø解解链链曲曲线线：：如如果果在在连连续续加加热热DNA的的过过程程中中以以温温度度对对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线值作图，所得的曲线称为解链曲线。

Ø Tm：：变变性性是是在在一一个个相相当当窄窄的的温温度度范范围围内内完完成成，，在在这这一一范范围围内内，，紫紫外外光光吸吸收收值值达达到到最最大大值值的的50%时时的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度度，，又又称称融融解解温温度度（（Tm)其其大大小小与与G+C含量成正比含量成正比三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 lDNA复性：复性：在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为为退火退火 在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，，在在适适宜宜的的条条件件（（温温度度及及离离子子强强度度））下下，，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂杂化化双链双链。

这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成这种现象称为这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交核酸分子杂交核酸分子杂交 l核酸分子杂交的应用：核酸分子杂交的应用：ü研究研究DNADNA分子中某一种基因的位置；分子中某一种基因的位置；ü定两种核酸分子间的序列相似性；定两种核酸分子间的序列相似性；ü检测某些专一序列在待检样品中存在与否；检测某些专一序列在待检样品中存在与否；ü是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 1．DNA分子是由分子是由______、、______、、______、、______四种四种______所组成 RNA分子是由分子是由______、、______、、______、、______四种四种______组成2．稀有碱基主要在下列哪类核酸中发现？．稀有碱基主要在下列哪类核酸中发现？A．．rRNA B．．mRNA C．．tRNAD．核仁．核仁DNA E．线粒体．线粒体DNA3．．DNA分子中的碱基配对主要依赖：分子中的碱基配对主要依赖： A．二硫键．二硫键 B．盐键．盐键 C．疏水键．疏水键 D．氢键．氢键 E．范德华力．范德华力4．某一．某一DNA片段，其中一股的碱基序列片段，其中一股的碱基序列为为5’-AACGTT-3’，另一股应为，另一股应为 A．．5’-TTGCAA-3’ B．．5’-AACGTT-3’ C．．5’-UUGCAA-3’ D．．5’-AACGUU-3’ E．．5’-ACGATT-3’。