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1、第4章 核 酸Nucleic Acids核酸（nucleic acid）是一类重要的生物大分子，是生物遗传的物质基础。依据其化学组成, 核酸分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）.4.1 概 述核糖核酸（ribonucleic acid, RNA），主要分布在细胞质中，参与遗传信息的表达，包括mRNA、tRNA和rRNA。脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA），主要存在于细胞核内，是遗传信息的储存和携带者，是遗传的物质基础。核酸的分布1868年 Miescher从脓细胞中提取
2、“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1958年Meselson和Stahl证明DNA以半保留方式复制1968年 Nirenberg发现遗传密码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) 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架核酸的发现和研究工作进展 4.2 核苷酸与核酸的共价结构核酸的分子组成核苷酸由戊糖、磷酸和碱基三部分构成。嘌呤(purine) 1 碱 基嘧啶(pyrimidine)酮式（内酰胺）烯醇式
3、（内酰亚胺）2 戊糖DNA中戊糖的为-D-2-脱氧核糖 (deoxyribose)RNA中的戊糖的为-D-核糖 (ribose)3.核苷（nucleoside）核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键嘧啶核苷和嘌呤核苷的化学结构核苷酸是由核苷和磷酸脱水缩合而成的，是核苷的磷酸酯。核苷的5-OH磷酸化，自然界的核苷酸多为核苷-5-磷酸。核苷单磷酸（NMP）是指核苷的单磷酸酯。核苷单磷酸可以通过一次成酐反应形成核苷二磷酸（NDP）。核苷二磷酸再通过一次成酐反应生成核苷三磷酸（NTP）。4. 核苷酸 nucleotide常见的核糖核苷酸的化学结构将直接与戊糖5-羟基相连的磷酸定为磷
4、酸根，其余两个磷酸根从里到外依次被称为磷酸根和磷酸根。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。环腺苷酸和环鸟苷酸的化学结构cAMP(3,5-环化腺苷酸)和cGMP(3,5-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4, cAMP和cGMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。5. 磷酸二酯键和多聚核苷酸链核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接每条核苷酸链具有5-磷酸末端和3羟基末
5、端的极性链的延伸方向53碱基紫外吸收特性核苷酸的紫外吸收4.3 DNA的结构Primary StructureSequence Secondary StructureDouble Helix Tertiary StructureFolding Conformation4.3.1 一级结构 Primary Structure书写方法：5 3 5-pApCpTpG-3或5ACTG3 一级结构是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。1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链CAAGTGACGCGCCCACCGAGCAGAAAGAAC
6、ACCCCCATGACAGCACCCTGGAACGACCCCCCGCCCGTCGCCGAACGCGTCGACGCCCTGTGCAGGAGCTGAGCCTCGAGGAGAAGGCCGGTAGCTGGCAGCTACTGGCTGCGCCCGACCCGGAGGAGGCCACGGGCGGCGCGGCCCCCATGGAGTCCGCCTTGCCGACGACCGCTCGACCTTCGAGGCCGCGATGCGCACGGTCTCGGCCACATCACCCGGGCCTTCGGCAGCGCCCGATCTCGGCCGCGACGGGGTGGAGCACCTGCGCACCCTGCAGCGCCAGGTCGTGGAGACCTC
7、CCGGCTCGGGATCCCGGCCChargaff 规律（ 1950年）a. DNA中，嘌呤碱基（A和G）等于嘧啶碱基（C和T），即A+G= C+Tb. A=T，G=C 。DNA分子碱基组成规律只要知道任何一种碱基的含量，可以推算出该DNA分子碱基之间的比例关系。通常要用“GC”值，即G+C的百分含量表示。通过分析不同来源的DNA碱基组成后发现DNA碱基组成具有种属特异性，但没有组织或器官特异性。4.3.2 二级结构 Secondary Structure1953年，Watson和Crick根据Chargaff规律和DNA钠盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。一、 DNA双螺
8、旋结构模型要点 （1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。（Watson, Crick, 1953）（2）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对（A=T; GC） 。磷酸与脱氧核糖在双螺旋的外侧（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，DNA的每轮螺旋的轴距为3.6nm，因此双螺旋DNA的每轮螺旋包含10.5个碱基对。（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严
9、格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。碱基堆积力(疏水作用力和范德华力），形成疏水环境碱基配对的氢键，GC含量越多，越稳定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。二、稳定双螺旋结构的因素三、DNA二级结构的多型性1. B-DNA相对湿度92%时制备的DNA钠盐纤维的构象；典型的Watson-Crick双螺旋DNA右手双股螺旋A、B、Z-DNA2. A-DNA相对湿度为75%时制备的DNA钠盐纤维
10、的构象右手双螺旋，外形粗短RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构相对缺水的溶剂或某些生理状态下可能观察到A-DNA。3. Z-DNA左手双螺旋DNADNA骨架呈锯齿状天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA嘧啶碱基与嘌呤碱基交替出现，特别是C和G，易形成Z-DNA三种DNA双螺旋构象比较四、 DNA三股螺旋和四股螺旋DNA三链结构常出现在DNA复制、重组、转录的起始位点或调节位点。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。三股螺旋分为嘌呤型（嘌呤-嘌呤-嘧啶）与嘧啶型（嘧啶-嘌呤-嘧啶）。主体双螺旋中的碱基是按Watson-Cr
11、ick氢键方式连接，另一条链形成的氢键称为Hoogsteen氢键。 DNA三股螺旋DNA三股螺旋四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ) 均有形成四股螺旋DNA的可能 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5 Poly (G), 4 (dG)，条件合适，在体外能形成四股螺旋；染色体端粒高度重复的 DNA序列着丝点附近的高度重复序列 五、DNA结构的多样性真核生物染色体DNA是线形双螺旋结构某些病毒、噬菌体、细菌染色体、细菌质粒DNA以及真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA都是环状的双螺旋DNA。某些病毒DN
12、A有单股环状和双股环状两种不同形式。4.3.3 DNA的高级结构1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构 （正超螺旋和负超螺旋）螺旋和超螺旋电话线螺旋ik超螺旋 超螺旋结构DNA 导致左手超螺旋正超螺旋：线形DNA双链（右手螺旋）一端固定， 另一端向缠紧的方向旋转几圈，再将两端连接起来，会产生一个左旋的超螺旋（ DNA双链间），以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫正超螺旋。导致右手超螺旋负超螺旋：线形DNA双链（右手螺旋）一端固定，另一端向松弛的方向旋转几圈，再将两端连接起来，会产生一个右旋的超螺旋（ DNA双链间）
13、以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫负超螺旋。超螺旋的特点双螺旋DNA拧紧则导致正超螺旋， 而双螺旋DNA的松开导致负超螺旋。超螺旋发生的规律L 双链DNA的交叉数 (Linking number)T 初级螺旋数 （Twisting number）W 超螺旋数 （Writhing number） 拓扑异构酶I（拧紧） 能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每一次作用可使L值增加1拓扑异构酶II（拧松） 能使正超螺旋转变成松驰DNA 每次催化使L减少2拓扑异构酶一类能调节DNA分子超螺旋类型和水平的酶。4.3.4 DNA在真核生物细胞核内的组装生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复
14、合物，以核蛋白的形式存在。原核生物基因组主要通过与碱性蛋白结合并形成突环而组装成拟核。真核生物的染色体更复杂，具有不同的组装结构。真核生物染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)， 由DNA和组蛋白构成。DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白上组蛋白核心：由H2B ,H2A ,H3 ,H4各2分子组成，是一个八聚体H1组蛋白在核小体之间核小体 串联 纤丝 螺旋圈 染色体4.3.5 DNA结构与功能的关系（一）DNA是遗传物质（二）基因是DNA分子上的一段序列 基因是DNA上的一段编码某种多肽链或RNA的序列。（三）DNA双螺旋结构提供了遗传信息传递的基础（四）基因指导蛋白质合成4.4 DNA序列分析测定DNA核苷酸序列的基本原则：首先要获得高纯度的、均一完整的DNA或DNA的某个（或某几个）基因片段；用DNA限制性内切酶降解，以获得一套大小不同的片段，并确定这些片段在原来大分子中的前后顺序；测定每个片段的核苷酸序列。4.4.1 DNA限制性内切酶（一）DNA的限制与修饰限制性核酸内切酶(restriction endonuclease, RE)是识别DNA的特异序列, 并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类内切酶。DNA限制性内
