醫(yī)化第十三章核酸化學(xué)

1、第 十二 章核酸化學(xué)核酸化學(xué)核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。分子，攜帶和傳遞遺傳信息。二、核酸的分類及分布二、核酸的分類及分布 98% 98%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外核外如線粒體。如線粒體。主要存在于主要存在于胞胞質(zhì)，核內(nèi)只含少質(zhì)，核內(nèi)只含少量量。(deoxyribonucleic acid, (deoxyribonucleic acid, DNA)DNA)(ribonucleic acid, RNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫

2、氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型的基因型(genotype)(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞內(nèi)DNADNA遺傳信息的表達(dá)。遺傳信息的表達(dá)。某些病毒某些病毒RNARNA也可作為遺傳信息也可作為遺傳信息的載體。的載體。第一節(jié)第一節(jié)核酸的分子組成核酸的分子組成The Chemical Component and Structure of Nucleic Acid核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷糖糖戊戊堿基堿基核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核酸的基本組成單位核酸的基本組成單位一、核苷酸的組成一、核苷酸的組成 1. 1.

3、元素組成元素組成C C、H H、O O、N N、P P（9 910%10%）2. 2. 分子組成分子組成 含氮堿基含氮堿基(base)(base)：嘌呤堿和嘧啶堿：嘌呤堿和嘧啶堿 戊糖戊糖(ribose)(ribose)：核糖和脫氧核糖：核糖和脫氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)(phosphate)（一）戊（一）戊 糖糖（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)HHHHHHHHH嘌呤嘌呤(purine) NNNHN1234567896-氨基嘌呤氨基嘌呤2-氨基氨

4、基-6-氧嘌呤氧嘌呤（二）堿（二）堿 基基腺嘌呤腺嘌呤( (A) )鳥嘌呤鳥嘌呤( (G) NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine) 2-氧氧 -4-氨基嘧啶氨基嘧啶NNHNH2O2 2，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶NHNHOO5-5-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶NHNHOOCH3尿嘧啶尿嘧啶( (U U) )胸腺嘧啶胸腺嘧啶( (T T) )胞嘧啶胞嘧啶( (C C) )RNARNA和和DNADNA組成組成A G C UA G C TD-核糖核糖D-2-脫氧核糖脫氧核糖磷酸磷酸磷酸磷酸胞質(zhì)胞質(zhì)胞核胞核主要堿基主要堿基戊糖戊糖磷酸磷酸部位部位RNADNA核苷：核苷：AR, GR, UR, CRA

5、R, GR, UR, CR脫氧核苷：脫氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCRdAR, dGR, dTR, dCR二、核苷酸的結(jié)構(gòu)二、核苷酸的結(jié)構(gòu)1. 1. 核苷和脫氧核苷（核苷和脫氧核苷（堿基堿基+ +戊糖戊糖）堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)N-N-糖糖苷鍵苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。連接形成核苷（脫氧核苷）。1 119 91POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMPdAMP, dGMP, dTMP, dCMP

6、 2. 2. 核苷酸和脫氧核苷酸（核苷酸和脫氧核苷酸（核苷核苷 + + 磷酸磷酸）核苷核苷（脫氧核苷）和磷酸以脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵磷酸酯鍵連接連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）一磷酸。形成核苷酸（脫氧核苷酸）一磷酸。 u 磷酸通常連在戊糖的磷酸通常連在戊糖的第第5 5位碳原子位碳原子上上 含核苷酸的生物活性物質(zhì)：含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NADNAD+ +、NADPNADP+ +、CoA-SHCoA-SH、FAD FAD 等都含有等都含有 AMPAMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMPNMP，NDPNDP，NTPNTPl 環(huán)化核苷酸環(huán)化核苷酸: cAMP: cAMP，cGMPcGMPNOC

7、H2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADPNADP+ +NADNAD+ +第二節(jié)第二節(jié) 核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）（一） 核苷酸的連接核苷酸的連接 一、一、 3，5-磷酸二酯鍵和多聚核苷酸鏈磷酸二酯鍵和多聚核苷酸鏈l單核苷酸之間的連接鍵：?jiǎn)魏塑账嶂g的連接鍵：3 , 5 - -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 l核酸鏈的二個(gè)游離末端核酸鏈的二個(gè)游離末端: : 5 磷酸基末端磷酸基末端 3 羥基末端羥基末端l書寫方向：書寫方向： 5 3 5

8、端端3 端端CGA3 3 , 5, 5 - -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵A G P5 P T PG PC PT P OH 3 書寫方法書寫方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 錄錄（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)55端端3端端CGA二、二、DNA 的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)由由dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP、dTMPdTMP四種四種脫氧核苷酸通過(guò)脫氧核苷酸通過(guò)33，5-5-磷酸二磷酸二酯鍵酯鍵按一定順序排列而成的按一定順序排列而成的多聚多聚脫氧核苷酸鏈脫氧核苷酸鏈。即：即：DNADNA分子中脫氧核苷酸殘基的分子中脫氧核苷酸殘基的排列順序，也稱為

9、堿基序列排列順序，也稱為堿基序列（二）（二） DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson目目 錄錄1 1、DNA的堿基組成規(guī)律的堿基組成規(guī)律 Chargaff 規(guī)則規(guī)則u 不同物種的不同物種的DNADNA堿基組成不同堿基組成不同u 同一生物體的不同組織的同一生物體的不同組織的DNA的堿基的堿基 組成相同組成相同u A=T，G=C，因此，因此A+G=T+C2 2、 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）目目 錄錄l反向平行，互補(bǔ)雙鏈反向平行，互補(bǔ)雙鏈，右

10、手螺旋，右手螺旋，l堿基在螺旋內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖堿基在螺旋內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖的骨架在外側(cè)的骨架在外側(cè)lA=TA=T，GCGC配對(duì)配對(duì)l直徑直徑2nm2nm，螺距，螺距3.4nm3.4nm，1010堿基對(duì)堿基對(duì)/ /圈、螺旋表面存在一個(gè)大溝和一個(gè)圈、螺旋表面存在一個(gè)大溝和一個(gè)小溝小溝l穩(wěn)定雙螺旋：氫鍵（橫向）穩(wěn)定雙螺旋：氫鍵（橫向） 堿基堆砌力（縱向）堿基堆砌力（縱向）超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu) DNADNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)(positive supercoil)盤繞方向與盤繞方向與DNADN

11、A雙螺旋方同相同雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil)盤繞方向與盤繞方向與DNADNA雙螺旋方向相反雙螺旋方向相反 （三）（三）DNADNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)n 原核生物原核生物DNADNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu)nDNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是其基本單位是 核小體核小體(nucleosome)。核小體的組成核小體的組成DNA：約約200bp 組蛋白（組蛋白（histone,H）: H1 H2A，H2B H3 H4 真核生

12、物：真核生物： DNA分子多層次分子多層次壓縮包裝壓縮包裝三、三、RNA的種類和分子結(jié)構(gòu)的種類和分子結(jié)構(gòu) 四種四種核糖核苷酸核糖核苷酸通過(guò)通過(guò)3，5 - -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接而成的多聚連接而成的多聚核糖核苷酸鏈核糖核苷酸鏈 RNARNA一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu) 分子分子小小，結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，常以，常以單鏈單鏈存在，可含有存在，可含有局部雙鏈，局部雙鏈，整個(gè)分子沒有堿基互補(bǔ)等比關(guān)系。整個(gè)分子沒有堿基互補(bǔ)等比關(guān)系。 主要分為三類：主要分為三類： mRNA、tRNA、rRNARNARNA的種類、分布、功能的種類、分布、功能核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA

13、核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNA核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和

14、胞液細(xì)胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNA（一（一 ）信使）信使RNAu 線形單鏈分子線形單鏈分子u 含量少（占總含量少（占總RNA的的5% 左右）、壽命短、種類多左右）、壽命短、種類多u 作為蛋白質(zhì)生物合成的

15、直接模板作為蛋白質(zhì)生物合成的直接模板umRNA上存在上存在遺傳密碼遺傳密碼NN+NNOOCH3CH2O P O P OP O CH2BOOOPCH3OO CH2CH3OOOBOOOOOOmRNA的的5 帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)m7GpppNm5 5 NH2* * 真核生物真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1. 5 5 末端有一個(gè)末端有一個(gè)帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)： 7-7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤- -鳥苷三磷酸（鳥苷三磷酸（m7GpppN）2. 32. 3 末端有一個(gè)末端有一個(gè)多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚結(jié)構(gòu)，稱為多聚A A尾。尾。 “帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)” 和和Poly A的作用：的作用

16、： mRNA穩(wěn)定性的維系穩(wěn)定性的維系 引導(dǎo)引導(dǎo)mRNA由胞核轉(zhuǎn)移到胞質(zhì)由胞核轉(zhuǎn)移到胞質(zhì) 蛋白質(zhì)生物合成時(shí)被起始因子識(shí)別蛋白質(zhì)生物合成時(shí)被起始因子識(shí)別u遺傳密碼遺傳密碼mRNAmRNA分子上從分子上從5 5 至至3 3 方向，每方向，每3 3個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸為一組，決定為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸，稱為肽鏈上某一個(gè)氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼(triplet coden)。m7Gppp AUG GUG ACA UAA AAA An5 3 5 5 帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu) 密碼子密碼子 3 3 多聚多聚A A尾尾纈氨酸纈氨酸ValVal蘇氨酸蘇氨酸ThrThr* tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

17、單鏈分子單鏈分子含含 1020% 稀有堿基稀有堿基雙氫尿嘧啶（雙氫尿嘧啶（DHU) 假尿嘧啶（假尿嘧啶（ ） 3 末端為末端為 CCA-OH 5 末端大多數(shù)為末端大多數(shù)為G（二）轉(zhuǎn)運(yùn)（二）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能n 功能：功能：選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸和識(shí)別選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸和識(shí)別mRNAmRNA密碼子密碼子n 占細(xì)胞占細(xì)胞RNARNA總量的總量的10%10%15% 15% n 一般由一般由74-9574-95個(gè)核苷酸組成個(gè)核苷酸組成 氨基酸接受臂：氨基酸接受臂：3/3/末端為末端為-CCA-OH，連接，連接氨基酸氨基酸 DHU環(huán)及其臂環(huán)及其臂 反密碼環(huán)反密碼環(huán)及其臂及其臂 （與（與mRNA的

18、密碼子互補(bǔ)配對(duì)）的密碼子互補(bǔ)配對(duì)）TC環(huán)及其臂環(huán)及其臂額外環(huán)額外環(huán) （tRNA分類的依據(jù)）分類的依據(jù)）氨基酸接受氨基酸接受臂臂* * tRNA tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 三葉草形三葉草形額外環(huán)額外環(huán)* * tRNA tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒倒L L形形* * t tRNARNA的功能的功能選擇性搬運(yùn)氨基選擇性搬運(yùn)氨基酸 到 核 糖 體 、 識(shí) 別酸 到 核 糖 體 、 識(shí) 別mRNAmRNA密碼子。密碼子。 含量最多（占總含量最多（占總RNA 的的80%以上）以上） 單鏈單鏈 含大量莖環(huán)結(jié)構(gòu)含大量莖環(huán)結(jié)構(gòu)（三）核蛋白體（三）核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能* rRNA的功能的

19、功能與與多種蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)成核糖體多種蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)成核糖體，作為，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。70S80S50S30S60S40S31 proteins23S RNA 2940個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸5S RNA 120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸21 proteins16S RNA 1542個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸49 proteins28S RNA 47184718個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸5.8S RNA 160160個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸5S RNA 120120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸33 proteins18S RNA 18741874個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸原核原核真核真核大亞基大亞基小亞基小亞基大亞基大亞基小亞基小

20、亞基* rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 質(zhì)質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 三三 節(jié)節(jié)目目 錄錄一、核酸的酸堿性質(zhì)一、核酸的酸堿性質(zhì) 具有較強(qiáng)酸性，具有較強(qiáng)酸性，pIpI較低較低二、核酸的紫外吸收二、核酸的紫外吸收 u 嘌呤、嘧啶環(huán)中均含有嘌呤、嘧啶環(huán)中均含有共軛雙鍵共軛雙鍵，對(duì)，對(duì)260nm260nm紫外紫外波長(zhǎng)波長(zhǎng)具有強(qiáng)烈吸收作用具有強(qiáng)烈吸收作用u 應(yīng)用于核酸定性定量分析應(yīng)用于核酸定性定量分析1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相當(dāng)于相當(dāng)于5

21、0 g/ml雙鏈雙鏈DNA40g/ml單鏈單鏈DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度判斷核酸樣品的純度DNA純品純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品純品: OD260/OD280 = 2.0OD260的應(yīng)用的應(yīng)用目目 錄錄三、三、DNA的變性的變性(denaturation)定義定義：在某些理化因素作用下，核酸雙鏈互補(bǔ)堿在某些理化因素作用下，核酸雙鏈互補(bǔ)堿基對(duì)之間氫鍵斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)松散，變基對(duì)之間氫鍵斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)松散，變成單鏈的現(xiàn)象。成單鏈的現(xiàn)象。方法：方法：過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、 酰胺以及某

22、些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。目目 錄錄DNADNA變性的本質(zhì)變性的本質(zhì) 雙鏈間氫鍵的斷裂雙鏈間氫鍵的斷裂DNA的紫外吸收光譜的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。增高的現(xiàn)象。目目 錄錄變性后其它理化性質(zhì)變化：變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高（增色效應(yīng)）、粘度下降、生物活性喪失等增高（增色效應(yīng)）、粘度下降、生物活性喪失等解鏈曲線：解鏈曲線： 在 連 續(xù) 加 熱在 連 續(xù) 加 熱 D N AD N A 的 過(guò) 程 中 以 溫 度 對(duì)的 過(guò) 程 中 以 溫 度 對(duì) A 2 6 0（absorbance，A，A260代表溶液在代表溶液在260nm處的吸光率）處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目目 錄錄n解鏈曲線和解鏈溫度解鏈曲線和解鏈溫度解鏈溫度解鏈溫度： DNA變性解鏈達(dá)變性解鏈達(dá)50%（紫外光吸收值達(dá)到