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1、第5章 核酸,Nucleic Acid,第一节 概 述,核酸（nucleic acidNA）是一类重要的生物大分子，担负着生命遗传信息的储存与传递。 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。,1868 F. Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）。 1928 Griffith 细菌毒性实验. 1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质。 1952 Hershey, Chase-噬菌体标记实验。 1953 Watson和Crick提出DNA结构的双
2、螺旋模型。 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。 1973 Boyer，Cohen-DNA Cloning(克隆）。 1976 DNA Sequencing(序列分析）。 1990 Human Genome Project（人类基因组计划）。,核酸的研究历史,肺炎球菌（pneumococcus）,1928年细菌学家Griffith 细菌毒性实验,光滑型细胞（有毒）,粗糙型细胞（无毒）,破碎细胞,DNAase降解后的DNA,粗糙型细胞接受光滑型DNA,只有粗糙型,大多数仍为粗糙型,少数光滑型细胞被转化,S,S,R,R,R,+,DNA,1944年Avery细菌转化实验,噬菌体感染实验,
3、1952年美国Hershey 噬菌体感染实验,1868 F. Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）。 1928 Griffith 细菌毒性实验. 1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质。 1952 Hershey, Chase-噬菌体标记实验。 1953 Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型。 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。 1973 Boyer，Cohen-DNA Cloning(克隆）。 1976 DNA Sequencing(序列分析
4、）。 1990 Human Genome Project（人类基因组计划）。,核酸的研究历史,核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异（如肿瘤、遗传病、代谢病等）也密切相关。 核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,5.1 核酸与生命遗传,核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA). 所有生物细胞内均含有这两类物质。,DNA 主要存在细胞核内，在线粒体和植物叶绿素体中也有少量存在，它是遗传信息的真正携带者，兼具有存储和传递遗传信
5、息的双重功能； RNA主要分布于细胞质中，它的主要功能是将DNA的遗传信息翻译和表达成具有各种功能的蛋白质。,5.2 核酸的分类和组成,核酸分为两大类. 脱氧核糖核酸（DNA） Deoxyribonucleic Acid 核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid。,5.2.1 核酸的分类,DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，相对分子质量一般都很大。如人细胞核中的DNA分子至少含九千万个核苷酸。 DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。,脱氧核糖核酸（DNA）,核糖核酸（RNA）,RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，相对分子质量要比DNA小得多。
6、RNA为单链分子。,RNA的类别,根据RNA的功能，可以分为： mRNA（信使RNA） tRNA （转移RNA） rRNA （核糖RNA）,mRNA (信使RNA),约占总RNA的5%。 不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。 它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。,Messenger RNA,tRNA (转移RNA),约占总RNA的10-15%。 它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。 已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。,Transfer RNA,rR
7、NA (核糖体RNA),约占全部RNA的80%， 是核糖核蛋白体的主要组成部分。 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,Ribosome RNA,5.2.2 核酸的组成,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, 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(表5.1)。,表5.1 DNA和RNA的基本化学组成 化学组成 DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤(A) 腺嘌呤(A) 碱基 鸟嘌呤(G) 鸟嘌呤(G) 嘧啶碱 胞嘧啶(C) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U) 戊 糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸
8、 磷酸 磷酸,1核酸的结构单元核苷酸,腺嘌呤（Adenine，A）,（1）组成核酸的碱基,1核苷酸,（1）组成核酸的碱基,鸟嘌呤(Guanine, G),1核苷酸,尿嘧啶(Uracil, U),（1）组成核酸的碱基,1核苷酸,胞嘧啶(Cytosine, C),（1）组成核酸的碱基,1核苷酸,胸腺嘧啶(Thymine, T),（1）组成核酸的碱基,1核苷酸,碱基的结构特征,DNA中存在的碱基：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T); RNA中存在的碱基：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U); 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
9、。 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。,胺式 亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,1核苷酸,碱基的结构特征,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左右）。,1核苷酸,（2）戊糖,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。,1,2,1,2,1核苷酸,（3）核苷 (nucleoside),糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 X-射线分析证明：核苷中的碱基近似地垂直于糖的平面。,1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-
10、磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,1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。,二氢尿嘧啶 （DHU）,修饰碱基的简写符号,( 为1时可以不写 ),取代基用下列小写英文字母表示 :,例：,2核苷酸的衍生物,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：,（1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),2核苷酸的衍生物,（1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),ATP的性质,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-ADP + Pi AMP + PPi -3
11、0.5 KJ/mol,ATP的性质,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也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。,ATP的性质,ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。 ATP + H2O-ADP + Pi + H+,ATP 可以应用酶法和化学法进行合成,(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, A
12、TP 和 GTP 可以相互转换。,（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。,（3）cAMP 和 cGMP,cGMP,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。,3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链； 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,多聚核
13、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5-3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。,方向性,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：,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： 5-PAPCPGPT-3 或5- ACGT-3,
14、5.3 核酸的结构,DNA的结构 一级结构: DNA核苷酸链中脱氧核苷 酸的组成和排列顺序。 二级结构：DNA的两条多聚链间通过 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。,5.3 核酸的结构,5.3.1核酸的一级结构 核酸碱基顺序及其生物学意义 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。如含有8个核苷酸单元的碱基顺序可表示为：5-ACGCTGTA-3.,DNA的一级结构,由dAMP、dGMP、 dCMP、 dTMP核苷酸单体通 过3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,核酸的碱基顺序是核酸
15、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码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。,5.3.2 DNA的双螺旋结构及其生物学意义,1953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。,（1）Chargaff定则 （1950s,E. Chargaff发现）,DNA碱基组成符合： A=T；G=C； A+G=T+C。
16、不对称比率：A+T/G+C； 物种不同，DNA碱基组成不同； 物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比 率越相近似。 .具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,1提出DNA双螺旋结构模型的根据,1DNA双螺旋结构的特点,DNA分子由两条DNA单链组成。 DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的要点,（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53，而另一条链的方向为35。,（2）嘌呤碱
