生物化学第三章 核酸化学

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1、第 三 章核 酸 化 学l核酸是一类重要的生物大分子，担负着 生命信息的储存与传递。l核酸是现代生物化学、分子生物学的重 要研究领域，是基因工程操作的核心分 子。核酸概述第一节 核酸是遗传物质的载体一、核酸的研究发现史l1868年，F. Miescher从细胞核中分离 得到一种酸性物质，即现在被称为核酸 的物质。1944年，Avery的转换转化实验orand可分离l1952年， Hexshey、Chase T2噬 菌体（捣碎器实验）l1953年，Watson、Crick DNA双螺 旋模型l核酶（Ribozyme）98核中（染色体中）真核 线粒体（mDNA）核外 叶绿体（ctDNA） DNA

2、拟核原核 核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、二、核酸的种类和分布核酸分为两大类：脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA）核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）RNA主要存在于细胞质中l tRNA l rRNA l mRNA l 其它 l RNA病毒：SARS三、分子生物学的中心法则第二节 核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成： C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或 脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核 苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核 苷酸部分水解后除产

3、生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各 种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 - D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。一、戊糖RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose二、碱基二、碱基1. 1. 嘌呤（嘌呤（PurinePurine）1 12 2 3 34 45 56 69 97 78 8l腺嘌呤AdenineA Al鸟嘌呤guanineGG2. 2. 嘧啶（嘧啶（PyrimidinePyrimidine）1 12 23 34 45 56 6尿嘧啶 uracilU U胞嘧啶 cytosineC C胸腺嘧啶 thymin

4、eT T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。三、核苷（三、核苷（nucleosidenucleoside）核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键11 22334455(OH)11 22334455(OH)假尿苷（假尿苷（） 次黄苷（肌苷）I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式 7-甲基鸟苷 m5G5 5OHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine四、核苷酸（nucleotide）核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸HHHHHHH H H五、核苷酸衍生物l1. 继续磷酸化AMP

5、ADPATP2.环化磷酸化l cAMPl cGMP3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)4. 辅酶 NAD、NADP、FMNIMP GMP六、多聚核苷酸（核酸）l多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核 苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的 链状聚合物。5533l 5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表 示） l 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。 多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT

6、ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH 第三节 DNA的结构l l一、一、DNADNA的的一级结构l l脱氧核糖核酸的排列顺序脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示l l连接键：连接键：33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链碱基形成侧链l l多核苷酸链均有多核苷酸链均有5-5-末端和末端和3-3-末端末端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。 2. 基因与基因组基因（gene）：一段

7、有功能的DNA片段，生物细胞中DNA 分子的最小功能单位（交换单位）。蛋白质（mRNA 蛋白质） 产物 tRNA RNA rRNA调节功能：调节基因无产物作用未知结构基因基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗 传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）bp（碱基对）103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小3. 原核生物基因组特点l 重复序列少，多位编码区l 多为操纵子形式组织l 有重叠基因存在4. 真核生物基因组特点l 以

8、染色体存在l 重复序列多 基因组计划人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ）酵母基因组计划 （YGP）大肠杆菌（E.Coli）二、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型l1953年，J. Watson和 F. 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。l在DNA分子中，嘌呤碱 基的总数与嘧啶碱基的 总数相等。DNA双螺旋模型要点B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（AT，GC）碱 基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（b

9、p）A型结构碱基平面倾斜20，螺旋变粗 变短，螺距23nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0 nm小 沟大 沟双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径 （nm）螺距（ nm）每转碱基 对数目碱基对间垂直 距离（nm）碱基对与 水平面倾 角ADNA BDNA ZDNA右 右 左2.0 2.3 1.82.8 3.4 4.511 10 120.255 0.34 0.2720 0 7 双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）DNA的存在形式二、DNA的三级结构lDNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺 旋原核 双链环状DNA（d

10、cDNA）病毒 单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）真核 双链线性DNA（dsDNA）第四节 RNA的结构与功能一、结构特点1. 碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱 基较多，稳定性较差，易水解2. 多为单链结构，少数局部形成螺旋3. 分子较小4. 分类 l mRNA（hnRNA 核不均一RNA） l tRNA l rRNA （snRNA/asRNA） l 少数RNA病毒二、tRNA占RNA总量的15一种氨基酸对应最少一种RNAl分子量25000左右，大约由70 90个核苷酸组成，沉降系数 为4S左右。l分子中含有较多的修饰成分。 l3-末端都具有CpCpAOH

11、的结 构。tRNA的三级结构三、rRNA占RNA总量的80原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s 70s50s16s 5s 、23s40s 80s50s 18s 5s、5.8s、28s四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的35l真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左 右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5 -末 端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA）scRNA （small cytoplasmic RNA）asRNA （antisense RNA）第五节 核酸的性质一、一般的理化性质

12、l 两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）l可用电泳或离子交换（色谱）进行分离l室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解l加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚 绿色D2脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色二、核酸的紫外吸收特性l在核酸分子中，由于嘌呤 碱和嘧啶碱具有共轭双键 体系，因而具有独特的紫 外线吸收光谱，一般在 260nm左右有最大吸收峰， 可以作为核酸及其组份定 性和定量测定的依据。l以A260/A280进行定性、定量lDNA和RNA溶液中加入溴化 乙锭（EB），在紫外下发 出荧光三、核酸的变性、复性与分子杂交1. 变性

13、l稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链 结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。l变性表征生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外 吸收增加（增色效应）l变性因素pH（11.3或5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度加热lDNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。 因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称 熔解温度，用Tm表示。l一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C 的含量有关。lG和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中 G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm- 69.3

14、)X2.442. 热变性和Tm3. 核酸的复性l变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双 螺旋结构的过程称为复性。lDNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性 一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。l将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。 变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度Tm25l复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度 4.分子杂交lDNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单 链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成 的新分子称为杂交DNA分子。l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具 有重要意义。

15、lSouthern 杂交（Southern bolting）lNorthern 杂交（Northern bolting）lWestern 杂交 （Western bolting）四、核酸的序列测定1. 双脱氧链终止法（ Sanger酶法）2. Gilbert化学降解法本 章 小 结l核酸是遗传物质载体的证明和研究历史l核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U ），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子 编号）lDNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基 因及基因组、序列测定）、二级结构（ Watson Crick双螺旋模型、ZDNA）、结构维持的化 学键lRNA结构与功能：碱基组成特点、RNA的种类