生物化學(xué)第二章核酸化學(xué)

第二章

核酸化學(xué)CHEMISTRYOFNUCLEICACID核酸的概念和重要性

（一）核酸的發(fā)展史

1.1868年，Miescher分離出核素（nuclein）

2.1889年，R.Altmann最先提出來核酸（nucleicacid）名稱。

3.1944年，Avery證實DNA是遺傳物質(zhì)。

4.1953年，Watson和Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不久，提出了中心法則。

5.1981年，我國科學(xué)工作者首先人工合成了Ala-tRNA，處于世界領(lǐng)先地位。

（二）核酸概念

（三）核酸分類和分布

1.核酸的分類根據(jù)化學(xué)組成，分為:

核糖核酸（ribonucleicacid簡寫為：RNA）脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid簡寫為：DNA）

2.核酸分布

DNA：

RNA：

兩類病毒：

DNA病毒（DNAvirus）

RNA病毒（RNAvirus）

（四）核酸的重要性

1.DNA是主要遺傳物質(zhì)，是遺傳信息的載體。證據(jù)有：①細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗②噬菌體侵染細(xì)菌實驗

1952年，Hershey和Chase噬菌體感染實驗。

2.RNA在蛋白質(zhì)生物合成中起重要作用。肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗噬菌體侵染細(xì)菌實驗第一節(jié)核苷酸與核酸的共價結(jié)構(gòu)

核酸的元素組成:C、H、O、N、PP含量比較恒定：

RNA平均8.9%DNA平均9.1%

磷酸核酸→核苷酸→戊糖核苷→堿基一、核苷酸組成核酸的逐級水解過程：

（一）戊糖（pentose）

RNA：β-D-核糖（β-D-ribose）

DNA：β-D-2-脫氧核糖(β-D-2-deoxyribose)RiboseDeoxyribose1′4′5′2′

（二）含氮堿基（氮堿）

1.嘌呤堿（purinePu）為嘌呤的衍生物，兩種：

腺嘌呤（adenineAdeorA）

鳥嘌呤（guanineGuaorG

）N9是成苷位置2.嘧啶堿（pyrimidinePy）胞嘧啶（cytosineCytorC）尿嘧啶（uracilUraorU）（RNA）胸腺嘧啶（thymineThyorT）（DNA）

N1是成苷位置3.稀有堿基（修飾堿基、微量堿基）含量甚少的堿基，多數(shù)為主要堿基的修飾物。tRNA中大約有10%。4.堿基的結(jié)構(gòu)特征（1）酮式烯醇式

（2）含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260nm左右）

（三）核苷（nucleoside）核苷是戊糖和堿基通過糖苷鍵形成的糖苷。

1.核苷有兩類：

核糖核苷（ribonucleoside）

脫氧核糖核苷（deoxyribonucleoside）

AdenosineGuanosineCytidineUridine2.稀有核苷假尿苷(pseudouridine,)

次黃苷（inosine,I）二氫尿嘧啶核苷（dihydrouridine,DHU）

7-甲基鳥苷（7-methylguanosine,

m7G）

假尿苷次黃苷二氫尿嘧啶核苷7-甲基鳥苷O

二、核苷酸（nucleotide）

是核苷的磷酸酯。

OHH腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate

（一）核苷酸的類別

RNA中的核苷酸有4種：

腺嘌呤核糖核苷一磷酸（腺苷一磷酸、腺苷酸）

（adenosinemonophosphateAMP）

鳥嘌呤核糖核苷一磷酸（鳥苷一磷酸、鳥苷酸）

（guanosinemonophosphateGMP）

胞嘧啶核糖核苷一磷酸（胞苷一磷酸、胞苷酸）

（cytidinemonophosphateCMP）

尿嘧啶核糖核苷一磷酸（尿苷一磷酸、尿苷酸）

（uridinemonophosphateUMP）

DNA中的脫氧核苷酸有4種：

腺嘌呤脫氧核糖核苷一磷酸（脫氧腺苷酸）

（deoxyadenosinemonophosphatedAMP）

鳥嘌呤脫氧核糖核苷一磷酸（脫氧鳥苷酸）

（deoxyguanosinemonophosphatedGMP）

胞嘧啶脫氧核糖核苷一磷酸（脫氧胞苷酸）

（deoxycytidinemonophosphatedCMP）

胸腺嘧啶脫氧核糖核苷一磷酸（脫氧胸苷酸）

（deoxythymidinemonophosphatedTMP）

（二）重要的其他核苷酸衍生物

1.多磷酸核苷酸各種核苷一磷酸（NMP）繼續(xù)磷酸化可生成為核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP），例如：

AMP（adenosinemonophosphate）

ADP（adenosinediphosphate）

ATP（adenosinetriphosphate）AMPADPATP2.環(huán)化核苷酸

環(huán)腺苷酸

（cyclicAMPcAMP）

環(huán)鳥苷酸（cyclicGMPcGMP）它們作為細(xì)胞之間傳遞信息的信使。

三、核苷酸的連接方式

實驗證明，DNA和RNA是沒有分支的多核苷酸鏈。

1.連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵

2.確定：3′-末端和5′-末端

3.核酸的一級結(jié)構(gòu)5`-末端磷酸3`-末端羥基3`,5`-磷酸二酯鍵

4.核酸一級結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式：（1）化學(xué)結(jié)構(gòu)式：繁瑣、復(fù)雜。（2）簡寫式

pApCpGpUpCp表示為磷酸基團(tuán)，p在堿基的左側(cè)表示與戊糖的5′-OH結(jié)合，右側(cè)表示與戊糖的3′-OH結(jié)合。讀向：左→右堿基序列：5′

→

3′

TCATGA5′PPPPPPOH3`5′pTpCpApTpGpA-OH3′5′TCATGA3′（3）豎線式第二節(jié)脫氧核糖核酸（DNA）的結(jié)構(gòu)

一、DNA的一級結(jié)構(gòu)

1.定義指脫氧核苷酸在多核苷酸鏈上的排列順序。

2.連接鍵

3′,5′-磷酸二酯鍵

二、DNA的二級結(jié)構(gòu)（一）雙螺旋結(jié)構(gòu)

1950年，R.Franklin和M.Wilkins 對DNA進(jìn)行了X-光衍射研究。M.H.F.WilkinsRosalindFrankin

DNA的Na鹽纖維和DNA晶體的X光衍射圖譜Franklin1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究基礎(chǔ)上，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（ThedoublehelicalmodelofDNAstructure），獲得了諾貝爾獎。J.Watson和F.Crick與DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1.雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)（1）Chargaff規(guī)則①四種堿基：A、G、C、T②A=TC=G③A+G=C+T④DNA的堿基組成有物種的特異性。⑤同一物種不同組織、器官有相同DNA堿基組成，不受生長發(fā)育、營養(yǎng)及環(huán)境影響。DNA來源腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C）大腸桿菌25.424.824.125.71.01小麥27.327.122.822.71.21鼠28.628.421.421.51.33豬：肝29.429.720.520.51.43胸腺30.028.920.420.7脾29.629.220.420.8酵母31.332.918.717.51.079不同生物來源的DNA四種堿基比例關(guān)系

（2）X-光衍射數(shù)據(jù)

Franklin和Wilkins的衍射圖譜。

（3）電位滴定行為磷酸基可被滴定，堿基的可解離基團(tuán)不能被滴定。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點（1）由兩條反向平行的多核苷酸鏈沿同一中心軸右手盤繞。

（2）兩條主鏈骨架：磷酸-戊糖交替而成，位于雙螺旋外側(cè)，側(cè)鏈（堿基）位于雙螺旋內(nèi)側(cè)。

堿基平面與長軸垂直，糖環(huán)平面與長軸平行.

5′5′3′3′TACG

（3）兩條鏈之間存在堿基互補的關(guān)系。即：

A和T配對，中間形成兩個氫鍵；

C和G配對，中間形成三個氫鍵。

（4）螺旋表面有兩個溝槽大溝（majorgroove）小溝（minorgroove）

（5）幾個數(shù)據(jù)：直徑：2nm

一個螺旋：3.4nm

相鄰兩堿基：0.34nm

相鄰兩堿基夾角：36o

每個螺旋：10bp（后精確測定：10.5bp）

（二）DNA雙螺旋穩(wěn)定因素

1.氫鍵

2.堿基積力(basestackingforces)

包括疏水作用和范德華力

3.離子鍵重要因素：堿基堆積力

（三）DNA二級結(jié)構(gòu)其他形式

（1）B-DNA相對濕度92%的鈉鹽，典型的Watson-Crick雙螺旋DNA。（2）A-DNA相對濕度75%鈉鹽，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA雜交分子具有這種結(jié)構(gòu)。（3）Z-DNA1979年Rich等發(fā)現(xiàn)。A-DNAB-DNAZ-DNA（四）DNA結(jié)構(gòu)的多樣性

1.雙鏈環(huán)狀DNA分子（dcDNA）

2.雙鏈線性DNA（dsDNA）分子

三、DNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。①拓?fù)溥B環(huán)數(shù)（linkingnumber）L：一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞次數(shù)。②扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber）T：

B-DNA模型雙螺旋數(shù)。③超螺旋數(shù)（writhingnumber）WL=T+WW=0松弛環(huán)

W<0負(fù)超螺旋（右手扭曲）

W>0正超螺旋（左手扭曲）

四、DNA結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系（一）DNA是遺傳物質(zhì)（二）基因（gene）和基因組（genome）

基因：遺傳學(xué)上將DNA分子中最小的功能單位稱為基因?；蚪M：核內(nèi)（完整單倍體）所有染色體上的基因。第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)特征

RNA主要結(jié)構(gòu)特點：①化學(xué)組成：核糖，主要堿基：A、U、G、C，常有一些稀有堿基。②結(jié)構(gòu)單位：主要4種NMP③連接方式：3′,5′-磷酸二酯鍵④分子形態(tài)：單鏈線形分子，可自身回折，形成局部雙螺旋（A-型，A＝U、G≡C）。

一、tRNA（transferRNA）

1.tRNA概況：含量：約15%

種類：50-60種，真核可達(dá)100多種。分子量：23-28kD，4S。功能：專一攜帶氨基酸。組成：70-90個nt，修飾堿基較多，占10%。假尿嘧啶核苷次黃嘌呤核苷二氫尿嘧啶核苷7-甲基鳥嘌呤

(pseudouridine,)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylgua-nosine,m7G)OHOH15O2.tRNA的二級結(jié)構(gòu)

“三葉草”形狀，酵母tRNAAla

的二級結(jié)構(gòu)DHU環(huán)IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)CCAAla3′5′TψC環(huán)一般可將其分為四臂四環(huán)：3.tRNA的三級結(jié)構(gòu)

倒“L”形

二、mRNA（messengerRNA）

即：信使RNA。

含量：3-5%，MW：500KD，8S。功能：蛋白質(zhì)合成模板（遺傳密碼）。

（三）rRNA（ribosomalRNA）含量：80％功能：與蛋白質(zhì)組成核糖體，是蛋白質(zhì)合成的場所。種類：細(xì)菌：16S、5S、23S

真核生物：18S、5.8S、28S和5S

二級結(jié)構(gòu)：莖環(huán)結(jié)構(gòu)大腸桿菌5SrRNA結(jié)構(gòu)原核生物16SrRNA真核生物18SrRNA第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)

一、一般理化性質(zhì)

1.兩性電解質(zhì)，表現(xiàn)為酸性。

2.RNA：白色的粉末，

DNA：纖維狀固體。

3.線性大分子，極不對稱，粘度高。4.溶解性：微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑，但其鈉鹽易溶于水。

5.RNA對堿敏感，DNA不對堿敏感，所以DNA更穩(wěn)定。

6.鑒別DNA和RNA的反應(yīng)：RNA：D-核糖+濃鹽酸+苔黑酚→綠色DNA：D-2-脫氧核糖+酸+二苯胺→藍(lán)紫色

二、核酸的紫外吸收

1.堿基有共軛雙鍵，紫外線吸收峰240-290nm，最大吸收峰260nm。2.天然核酸比其各核苷酸成分的光吸收值之和少30-40%。1.天然DNA2.變性DNA3.核苷酸總吸收值

三、DNA的變性、復(fù)性（一）DNA的變性（denaturation）

1.變性的概念某些理化因素使核酸分子互補雙鏈之間的氫鍵和堿基堆積力破壞，使雙螺旋變成松散單鏈的過程。2.變性因素加熱：80℃，螺旋→線團(tuán)強酸強堿變性劑（尿素、鹽酸胍、甲醛）

3.變性表征①黏度下降、沉降系數(shù)增加、浮力密度增大、酸堿滴定曲線改變、生物活性喪失。②增色效應(yīng)（hyperchromiceffect）4.熱變性和Tm①熱變性特點：爆發(fā)式的，發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內(nèi)。②Tm：即解鏈溫度或熔解溫度（meltingtemperature），指熱變性過程中，DNA的A260紫外吸收值達(dá)最大吸收值增量一半時的溫度。

Tm一般在82-95℃。③影響Tm值大小因素均一性：高，變性溫度范圍越窄。

G-C含量：與Tm值成正比。經(jīng)驗公式：Tm=69.3+0.41(G+C)%

介質(zhì)離子強度pH：影響堿基的解離。高pH，堿基失去質(zhì)子，影響