《第2章核酸》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章核酸（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chapter 2 核 酸 化 学,Nucleic Acid,Chapter 2 核 酸 化 学,一、核酸的基本结构,核 酸,核苷酸,磷 酸,核 苷,戊 糖,含氮碱,（一）核酸的元素组成 平均含磷量：DNA 9.9% ; RNA 9.4%,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成, 而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。,一、核酸的基本结构,DNA的结构,Chapter 2 核 酸 化 学,（1）组成核酸的碱基,腺嘌呤Adenine,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,一、核酸
2、的基本结构,鸟嘌呤guanine,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（1）组成核酸的碱基,胞嘧啶cytosine,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（1）组成核酸的碱基,尿嘧啶uracil,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（1）组成核酸的碱基,胸腺嘧啶thymine,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（1）组成核酸的碱基,碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。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。嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左
3、右）,组成核酸的碱基的结构特征,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（2）戊糖(pentose),一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（3）核苷 nucleoside,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（4）核苷酸 nucleotide,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（5）修饰成分,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,一、核
4、酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（6）核苷酸的衍生物,1、 ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),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。,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（6）核苷酸的衍生物,2、GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。
5、,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（6）核苷酸的衍生物,3、cAMP 和 cGMP,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。在 pH 7.4 条件下, cAMP 和 cGMP 的水解能约为43.9 kj /mol，比 ATP 水解能高得多。,一、核酸的基本结构,（二）核酸的基本结构单位核苷酸,（三）多聚核苷酸,多聚核苷酸是通过核苷酸的5-磷酸基与另一分子核苷酸的C3-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA
6、链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,一、核酸的基本结构,多聚核苷酸的特点,在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为3,5-磷酸二酯键。多聚核苷酸链一端的C5带有一个自由磷酸基，称为5-磷酸端（常用5-P表示）；另一端C3带有自由的羟基，称为3-羟基端（常用3-OH表示）。多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,一、核酸的基本结构,（三）多聚核苷酸,在多聚核苷酸（DNA或RNA）链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：,多聚核苷酸的特点,A DNA的一
7、级结构B 线条式表示法C 文字表示法,方向性,在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或5 ACGCTGTA 3,一、核酸的基本结构,（三）多聚核苷酸,二、核酸的空间结构,（一）核酸的一级结构多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。而mRNA(信息RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编
8、码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。,DNA的一级结构： 5-AGTCCATG-3 AGTCCATG 3-TCAGGTAC-5RNA的一级结构： 5-AGUCCAUG-3 AGUCCAUG,Chapter 2 核 酸 化 学,（二）DNA的二级结构,1953年，Watson和Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,二、核酸的结构,Chapter 2 核 酸 化 学,（二）DNA的二级结构,1DNA双螺旋结构的特点,（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
9、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53，而另一条链的方向为35。,二、核酸的结构,（二）DNA的二级结构,1DNA双螺旋结构的特点,（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,二、核酸的结构,（二）DNA的二级结构,1DNA双螺旋结构的特点,（3）螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为3.4 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为34 nm。,二、核酸的结构,（二）DNA的二级结构,1DNA双螺旋结构的特点,（
10、4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（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。,二、核酸的结构,（二）DNA的二级结构,2DNA双螺旋结构的稳定性,DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键；疏水作用力：由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸
11、基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力、范德华引力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。,二、核酸的结构,DNA的存在形式,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。,DNA的存在形式,核小体、染色质与染色体,二、核酸的结构,RNA,RNA的种类、分布与功能,Chapter 2 核 酸 化 学,（三）RNA的二级结构,RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称
12、为“发夹型”结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.,二、核酸的结构,Chapter 2 核 酸 化 学,二、核酸的结构,（三）RNA的二级结构,1、mRNA的结构与功能,mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA。,内含子(intron)编码序列,外显子(exon)编码序列,大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的5-端的7-甲基鸟苷三磷酸（
13、m7GTP）帽子结构和3-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。,二、核酸的结构,（三）RNA的二级结构,1、mRNA的结构与功能,真核生物mRNA 5-端帽子结构,真核生物mRNA 3-端的polyA结构,2、tRNA的二级结构 tRNA的二级结构都呈” 三叶草” 形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五臂四环：包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TC区和可变区。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。,二、核酸的结构,（三）RNA的二级结构,tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。tRNA是保守性最强的RNA。tRNA是单链
14、核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。,二、核酸的结构,（三）RNA的二级结构,(1)氨基酸接受区包含有tRNA的3-末端和5-末端， 3-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为核苷。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。(2)反密码区与氨基酸接受区相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码,1、tRNA的二级结构,3)二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶。(4) TC区 该区与二氢尿嘧啶区相对， 假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tBNA
15、在此环中都含有TC 。(5)可变区位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大。,2、tRNA的二级结构,DHU臂,辨认并结合氨基酰tRNA合成酶,氨基酸臂,携带氨基酸,反密码臂,识别mRNA上的密码,可变臂,TC臂,识别并结合核蛋白体,3、tRNA的三级结构,在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型,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。,4、 rRNA的结构与功能,在原核生物中，rRNA有三种：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA参
16、与构成核蛋白体的小亚基，而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。在真核生物中，rRNA有四种：5S，5.8S，18S，28S。其中，18S的rRNA参与构成核蛋白体小亚基，其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。,4、 rRNA的结构与功能,大肠杆菌16S rRNA的二级结构,The end,三、核酸的变性、复性及分子杂交,(一) 核酸的变性(denaturation)核酸的变性:维系核酸三维结构的碱基堆积力和氢键如果受到某些理化因素的破坏，其三维结构就要改变，从而引起理化性质及生物学功能的改变，这种现象称为核酸的变性。 变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,
