第二章核酸化學(xué)

第二章核酸化學(xué)2013-2014

核酸的化學(xué)組成主要內(nèi)容

核酸的結(jié)構(gòu)與功能

核酸的理化性質(zhì)

思考題12342學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握：核酸的化學(xué)組成、分類及各類核酸的功能；核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)及其主要的化學(xué)鍵，成熟的mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；DNA右手螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)及堿基配對(duì)規(guī)律，tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；核酸的主要理化性質(zhì)。熟悉：核酸高級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；核酸提取、分離和純化的方法。了解：堿基、戊糖結(jié)構(gòu)，DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)。3第一節(jié)核酸的化學(xué)組成核酸是以核苷酸為基本單位的生物信息大分子，有兩類，即核糖核苷酸(RNA)和脫氧核糖核苷酸（DNA）。DNA存在于細(xì)胞核、線粒體及植物葉綠體中，貯存了細(xì)胞所有的遺傳信息，是物種保持進(jìn)化和世代繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)。RNA在細(xì)胞質(zhì)中較多，分為：信使RNA(mRNA)；轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)；核糖體RNA(rRNA)。4一、核酸的化學(xué)組成核酸的主要組成元素：C、H、O、N、P各類核酸分子中P含量恒定，平均9%-10%，可通過(guò)測(cè)定樣本中P含量來(lái)推算核酸的含量。二、核酸的分子組成核酸的基本組成單位是核苷酸。（一）核苷酸的組成水解核苷酸可得到三類組分：磷酸、戊糖和含氮堿基。51.戊糖參與核糖組分的戊糖共有兩種形式：β-D-核糖和β-D-2’-脫氧核糖，兩者的區(qū)別僅在于C-2’原子所連接的基團(tuán)。圖核酸中核糖、脫氧核糖的結(jié)構(gòu)62.堿基核苷酸分子中的堿基是含氮的雜環(huán)化合物，有嘧啶堿和嘌呤堿。常見(jiàn)的嘌呤堿主要有腺嘌呤（adenine，A）、鳥(niǎo)嘌呤（guanine，G）。嘧啶堿主要有：胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA均含有腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶，尿嘧啶是RNA特有的，胸腺嘧啶只存在于DNA分子中。7堿基RNADNA

嘧啶環(huán)

嘌呤環(huán)尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥(niǎo)嘌呤G腺嘌呤A83.磷酸核苷酸的磷酸通常連接在戊糖的C-2’、C-3’或C-5’位；連接在脫氧核糖的C-3’或C-5’位。（二）核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷堿基與核糖或脫氧核糖以糖苷鍵結(jié)合構(gòu)成核苷或脫氧核苷，嘧啶堿以N-1、嘌呤堿以N-9位與戊糖中的C-1’位形成N-C糖苷鍵。92.核苷酸核苷和脫氧核苷C-5’原子上的羥基可與磷酸相連，脫水后生成酯鍵。10H2OH2O堿基磷酸戊糖核苷鍵酯鍵11八種核苷酸如下表所示

M-單(D-二、T－三）；P-磷酸RNA的名稱為某（單、二、三）苷酸，DNA在某（單、二、三）前加脫氧兩字。如AMP稱腺苷—磷酸(或腺苷酸），dAMP稱為脫氧腺苷—磷酸（脫氧腺苷酸）。12A腺苷堿基戊糖核苷腺嘌呤核苷P一磷酸（AMP）P～腺苷二磷酸（ADP）P～腺苷三磷酸（ATP）O磷酸核苷酸3.二磷酸或三磷酸核苷

13三、核苷酸的衍生物在體內(nèi)，ATP和GTP可以在環(huán)化酶作用下，核糖C-5’-磷酸與C-3’-羥基之間脫去1分子水形成3’，5’-環(huán)腺苷酸（cAMP）和3’，5’-環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）.3’，5’-環(huán)腺苷酸（cAMP）3’，5’-環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）14第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)與功能一、磷酸二酯鍵與多核苷酸鏈單核苷酸彼此間通過(guò)3’,5’-磷酸二酯鍵連接成多聚核苷酸鏈。核酸主鏈兩端分別用5’-末端和3’-末端表示，方向規(guī)定為5’→3’。多聚核苷酸是通過(guò)核苷酸的5′-磷酸基與另一分子核苷酸的C3′-OH形成磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。15脫H2O酯鍵相連3`，5`-磷酸二酯鍵首尾3`5`16核酸分子巨大，結(jié)構(gòu)式書(shū)寫(xiě)不便。常用簡(jiǎn)化式表示核苷酸鏈。在字母式表示法中，一般5’端在左側(cè)，3’端在右側(cè)。5’

pA-Pc-pG-pT-pA-OH3’或5’ACGTA3’17二、DNA的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA分子中脫氧核糖核苷酸殘基的排列順序成為DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。核苷酸間的差異體現(xiàn)在堿基差異，DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)常用堿基排列順序表示。DNA分子大小用堿基數(shù)目或堿基對(duì)數(shù)表示，通常把長(zhǎng)度小于50個(gè)核苷酸的核苷酸鏈稱為寡核苷酸，更長(zhǎng)的稱為多聚核苷酸，通稱核酸。18（二）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。19其他組合易相互排斥例如G:T腺嘌呤胸腺嘧啶鳥(niǎo)嘌呤胞嘧啶因此，DNA的雙股系藉著A:T和G:C的配對(duì)關(guān)系互相結(jié)合。20Chargaff定則/堿基等比定律：嘌呤總數(shù)等于嘧啶總數(shù)A+G=C+T；6位上含氨基的堿基=6位上含羰基的堿基；

A+C=G+T腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相同A=T；胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤的摩爾數(shù)相同C=G；DNA分子的堿基組成具有種屬特異性，而不具有組織器官特異性。212）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.反向，平行，右手螺旋，大溝，小溝2.鏈間堿基配對(duì)相連3.每10個(gè)堿基對(duì)上升一周4.疏水堿基位于內(nèi)部5.相鄰堿基平面互相平行，垂直于螺旋軸5`3`5`3`小溝大溝22DNA，雙螺旋，正反向，互補(bǔ)鏈。A對(duì)T，GC連，配對(duì)時(shí)，靠氫鍵，十堿基，轉(zhuǎn)一圈，螺距34點(diǎn)中間。堿基力和氫鍵，維持螺旋結(jié)構(gòu)堅(jiān)。（AT2，GC3是指之間二個(gè)氫鍵GC間三個(gè).螺距34點(diǎn)中間即3.4）

23（三）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上雙螺旋進(jìn)一步扭曲或盤(pán)繞和折疊所形成的特定構(gòu)象，包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣鳌?.DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)

許多原核生物和真核生物的線粒體DNA在共價(jià)閉合環(huán)狀雙螺旋的基礎(chǔ)上形成的超螺旋結(jié)構(gòu)。盤(pán)繞方向與DNA的雙螺旋方向相同的為正超螺旋，反之，則為負(fù)超螺旋。正超螺旋使雙螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密，負(fù)超螺旋使DNA容易解鏈，利于DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄。自然界主要以負(fù)超螺旋的結(jié)構(gòu)存在。24線粒體中含有環(huán)狀DNA葉綠體中含有環(huán)狀DNA細(xì)菌等原核生物質(zhì)粒染色體252.真核生物DNA分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞處于分裂間期時(shí)，DNA呈不定型的、隨機(jī)地分散在整個(gè)核中，被稱為染色質(zhì)；細(xì)胞分裂時(shí)，染色質(zhì)凝集，并組裝成高度有序的染色體。DNA和組蛋白包裹起來(lái)構(gòu)成的核小體是染色質(zhì)的基本組成單位。核小體是DNA在核內(nèi)形成致密結(jié)構(gòu)的一級(jí)折疊。26（四）DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)DNA分子中特定的堿基序列可以決定不同蛋白質(zhì)的氨基酸順序。將能夠決定蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部堿基序列稱為基因（gene）。二、RNA的分子結(jié)構(gòu)無(wú)論是原核生物還是真核生物都有三類RNA，即信使RNA(messengerRNA)、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA)、核糖體RNA(ribosomalRNA).27(一)信使RNA能夠?qū)⒓?xì)胞核DNA分子中的遺傳信息帶到細(xì)胞質(zhì)核糖體上以指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的特殊分子RNA，稱為mRNA.各種mRNA沒(méi)有共同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。mRNA在細(xì)胞內(nèi)含量少，占細(xì)胞總RNA的5%，種類多，不同蛋白質(zhì)多肽鏈均有相應(yīng)的mRNA.其壽命在所有RNA中最短。28（二）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA1.tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)分子量25,000左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3'-末端都具CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。292.tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

呈“三葉草”形狀，在結(jié)構(gòu)上具有某些共同之處，一般可將其分為“四臂四環(huán)”30四臂四環(huán)結(jié)構(gòu)：氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TC區(qū)和可變區(qū)。除氨基酸接受區(qū)每個(gè)區(qū)均含有一個(gè)突環(huán)和一個(gè)臂。31(1)氨基酸接受區(qū)

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3個(gè)核苷酸殘基都是CCA，A為核苷。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸的作用。

(2)反密碼區(qū)

與氨基酸接受區(qū)相對(duì)的一般含有7個(gè)核苷酸殘基的區(qū)域，其中正中的3個(gè)核苷酸殘基稱為反密碼32(3)二氫尿嘧啶區(qū)該區(qū)含有二氫尿嘧啶。(4)TC區(qū)

該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對(duì)，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TC)由7個(gè)核苷酸組成，通過(guò)由5對(duì)堿基組成的雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA的其余部分相連。除個(gè)別例外，幾乎所有tRNA在此環(huán)中都含有TC。(5)可變區(qū)位于反密碼區(qū)與TC區(qū)之間，不同的tRNA該區(qū)變化較大。33tRNA的三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)123反密碼子環(huán)反密碼子載運(yùn)氨基酸臂稀有堿基343.tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)在三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，突環(huán)上未配對(duì)的堿基由于整個(gè)分子的扭曲而配成對(duì)，目前已知的tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)均為倒L型。（三）核糖體RNA約占全部RNA的80%是核糖核蛋白體（Pr合成的場(chǎng)所）的主要組成部分，RNA占60%，蛋白質(zhì)占40%rRNA的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)353637第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的一般性質(zhì)核酸都是極性化合物，微溶于水，不溶于有機(jī)溶劑。天然DNA的黏度極大，RNA黏度要比DNA小。DNA溶液加熱可使螺旋松散呈無(wú)規(guī)則線團(tuán)，隨之黏度下降，以此作為DNA變性的指標(biāo)。二、核酸的兩性電解質(zhì)性質(zhì)核酸分子中含有酸性基團(tuán)（磷酸基）和堿性基團(tuán)（氨基），也具有兩性電解質(zhì)性質(zhì)。DNA等電點(diǎn)為4～4.5；RNA等電點(diǎn)為2～2.5。38三、核酸的紫外吸收性質(zhì)具有獨(dú)特的紫外線吸收光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測(cè)定的依據(jù)。39（四）核酸的變性、復(fù)性與雜交1.核酸的變性某些理化因素破壞了氫鍵和堿基堆積力，使核酸分子高級(jí)結(jié)構(gòu)改變、理化性質(zhì)及生物活性發(fā)生改變。不涉及磷酸二酯鍵斷裂，一級(jí)結(jié)構(gòu)不變變性因素：溫度、酸堿、甲醛和尿素等核酸變性后的特點(diǎn)：1）增色效應(yīng)：?jiǎn)捂溩贤馕毡入p鏈高40%，變性可使紫外吸收值增高，稱為增色效應(yīng)。2）黏度下降和生物學(xué)功能喪失402.DNA的復(fù)性變性DNA在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩條彼此分開(kāi)的單鏈重新締合成雙鏈——復(fù)性，也稱退火。DNA復(fù)性的程度、速率與復(fù)性條件有關(guān)將熱變性DNA驟然冷卻時(shí)，不可能復(fù)性；將變性DNA緩慢冷卻（退火），可以復(fù)性。DNA復(fù)性后其紫外吸收值又降低，稱為減色效應(yīng)。41DNA變性42DNA復(fù)性433.分子雜交熱變性的DNA單鏈，在復(fù)性時(shí)：與同源DNA互補(bǔ)鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)；與在某些區(qū)域有互補(bǔ)序列的異源DNA單鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。這樣形成的新分子稱為雜交DNA分子。

DNA單鏈與互補(bǔ)RNA鏈間也可發(fā)生雜交分子雜交可發(fā)生在DNA-DNA、DAN-RNA和RNA-RNA44加溫緩慢降溫加溫緩慢降溫（變性）（復(fù)性）（分子雜交）45第四節(jié)核酸的分離純化與鑒定一、核酸的提取破碎細(xì)胞，去除與核算結(jié)合的蛋白質(zhì)以及多糖、脂類等生物大分子，去除其他不需要的核酸分子；沉淀核酸，去除鹽類、有機(jī)溶劑等雜質(zhì)；純化核酸。二、核酸的分離與純化1.離心法2.層析法3.電泳法46三、核酸的測(cè)定1.紫外吸收法核酸及其組分對(duì)紫外線的吸光率與其濃度成正比核酸在260nm處有最大的吸收峰蛋白質(zhì)和酚在260nm處也可吸收紫外光，所以此法對(duì)核酸樣品的純度具有較高的要求。2.定磷法核酸中含有磷酸基，且含量比較穩(wěn)定，約