生物化學核酸化學上

第四章核苷酸和核酸

（NucleotidesandNucleicAcid）第一節(jié)核酸通論一核酸的研究歷史和重要事件1869

Miescher從膿細胞的細胞核中分離核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）。

1944

Avery

等成功進行肺炎球菌轉化試驗；1952年Hershey等的實驗表明32P-DNA可進入噬菌體內，證明DNA是遺傳物質。

1953Watson和Crick建立了DNA結構的雙螺旋模型。

1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則，

60年代RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學說，遺傳密碼，逆轉錄酶）。核酸的研究歷史和重要事件（續(xù)）

70年代建立DNA重組技術，改變了分子生物學的面貌，并導致生物技術的興起。

80年代RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。

90年代以后實施人類基因組計劃（HGP）,開辟了生命科學新紀元。生命科學進入后基因時代：功能基因組學（functionalgenomics）

蛋白質組學（proteomics）

結構基因組學（structuralgenomics）

RNA組學（Rnomics）或核糖核酸組學（ribonomics）Griffith轉化現(xiàn)象：注射R型活菌注射S型活菌注射加熱殺死的S型菌體在死亡的小鼠血中發(fā)現(xiàn)S型細菌。推測：加熱殺死的S型菌體內的某種物質以某種方式進入到活的R型菌體內，使R型菌轉化為S型菌。注射加熱殺死的S型菌體和R型活菌混合物Avery等證明使R型轉化成S型的物質是DNA提取S型細菌的多糖莢膜、蛋白質、DNA，分別與R型活菌混合培養(yǎng)。多糖莢膜蛋白質DNA未分離出S菌蛋白酶消化的DNA未分離出S菌分離出S菌分離出S菌DNA酶消化的DNA未分離出S菌OswaldAvery（1877-1955）R型細菌：無毒型肺炎球菌S型細菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌轉化實驗二、核酸的種類、分布和含量

(一)種類

DNA(DeoxyribonucleicacidDNA):脫氧核糖核酸RNA（RibonucleicacidRNA）:核糖核酸RNA主要有下幾種：1、核糖體RNA(ribosomeRNArRNA)

細胞中最主要的RNA，占細胞中總RNA80%左右。核糖體是蛋白質合成的場所。2、轉移RNA(transferRNAtRNA)

是細胞中最小的一種RNA分子，占細胞總RNA的15%左右。是結構研究最清楚的一類RNA。在蛋白質的生物合成中，tRNA起攜帶氨基酸的作用。

3、信使RNA(messengerRNAmRNA)

占細胞總RNA的5%左右，含量最少，代謝活躍。mRNA在蛋白質的生物合成中起模板作用。它將DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質。（二）分布（三）含量

DNA含量恒定，RNA含量與細胞生長狀態(tài)有關。三、核酸的功能1、核酸是生物體遺傳變異的物質基礎，DNA是大多數生物體的遺傳物質。2、RNA主要參與蛋白質的生物合成。

RNA的功能多樣性。主要有：參與基因表達和調控、催化作用、遺傳信息的加工、持家功能、病毒RNA是遺傳信息的載體。第二節(jié)堿基、核苷和核苷酸一、核酸的組成(一)化學元素組成：

CHONP(9-10%)(二)分子組成：磷酸(phosphate)

堿基(base)

核糖(ribose)

其組成上有兩個特點：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。因此，核酸定量測定的經典方法，是以測定P含量來代表核酸量。堿基（Bases）嘌呤堿AG堿基（Bases）嘧啶堿TUC堿基的互變異構嘌呤和嘧啶堿基都是含氮雜環(huán)化合物，分子中的酮基或氨基均位于雜環(huán)上氮原子的鄰位，受介質中pH的影響，會發(fā)生酮式-烯醇式互變異構，或氨基-亞氨基互變異構(c)稀有堿基（rarebases）：指核酸中含有的一些微量堿基，多是甲基化的衍生物。核酸中的部分稀有堿基DNARNA嘌呤7-甲基鳥嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鳥嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）(DHU)稀有堿基H核糖(Ribose)

構成RNA脫氧核糖(Deoxyribose)

構成DNAβ-D-核糖β-D-2-脫氧核糖??????????（二）戊糖核苷順式為主5′-磷酸核苷

酸的基本結構OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖磷酸堿基核苷酸二核苷酸的生物學功能1攜化學能核苷酸2核酸的組成成分～～3信號物質

4含核苷酸的輔酶及輔基主要有NAD+、NADP+

、FAD、COA-SH

均含AMP

Vpp兩種活性形式，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。AMP第三節(jié)磷酸二酯鍵和多核苷酸3’，5’-磷酸二酯鍵

5′-磷酸核苷基本結構OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖磷酸堿基核苷酸表示方法：結構式、豎線式及字母縮寫第三節(jié)堿基的性質和核酸結構1堿基結構的酮式醇式的轉化2紫外吸收性質3疏水作用力堿基堆積力；范德華力；減色效應；增色效應4堿基間的氫鍵ATCG第五節(jié)DNA結構一DNA一級結構的不均一性（1）重復序列★反向重復（回文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)較長的回文結構，可形成莖環(huán)結構(發(fā)夾結構)或十字形結構較短的回文序列，可作為一種特別信號，如限制性核酸內切酶的識別位點。轉錄的終止作用與回文結構有關?！镧R象重復（mirrorrepeat)某些情況下可以三股螺旋DNADNA雙螺旋結構研究的背景及主要依據DNA是遺傳的物質基礎Chargaff原則核酸相關數據的測定X射線衍射數據電位滴定行為ErwinChargaff

（1905－1995）1950年前后，ErwinChargaff等人采用紙層析及紫外吸收技術測定了多種生物體DNA的堿基組成。

不同來源的DNA堿基組成（摩爾%）

DNA來源腺嘌呤胸嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶人30.430.119.619.9

綿羊23.928.721.120.9

公牛29.028.721.221.2

大鼠28.628.421.420.4

母雞28.028.422.021.6

大腸桿菌24.723.625.725.7Charggff原則：1.A=T(摩爾數)，G=C,A+G=T+C（嘌呤堿的摩爾數=嘧啶堿的摩爾數）2.不同生物的DNA堿基組成不同3.同一生物體的DNA堿基組成沒有組織器官特異性,且組成不受天營養(yǎng)、條件、環(huán)境等因素影響這預示著堿基互補配對的可能性，即A與T配對，G與C配對。DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

JamesWatson&FrancisCrick（二）DNA雙螺旋結構要點(Watson和Crick，1953)1.DNA由兩條反相平行的脫氧核苷酸鏈組成的右手螺旋，外面有一個大溝及小溝。2.DNA螺旋直徑為

2nm，螺距為3.4nm。堿基平面垂直螺旋軸，相鄰堿基平面距離為0.34nm，螺旋一圈包含10對堿基3.脫氧核糖-磷酸骨架位于雙鏈的外側，堿基位于內側，雙鏈的堿基之間以氫鍵相結合。堿基互補配對形式：AT；GC堿基環(huán)平面與螺旋環(huán)垂直，糖環(huán)與螺旋軸平行ATCG4.氫鍵維持DNA雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性5.不同生物體核苷酸或堿基排列順序不同，它們的排列順序的特異性決定了遺傳信息的特異性。圖1-8DNA雙螺旋結構示意圖堿基互補原則：腺嘌呤（A）總是跟胸腺嘧啶（T）配對，形成兩個氫鍵；鳥嘌呤（G）總是跟胞嘧啶（C）配對，形成三個氫鍵圖1-9堿基互補原則穩(wěn)定雙螺旋結構的因素①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負電荷與介質中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。④堿基處于雙螺旋內部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。（三）DNA結構的多樣性A-DNA：右手螺旋

11堿基/螺旋B-DNA：右手螺旋

10堿基/螺旋Z-DNA：左手螺旋

12堿基/螺旋可能參與基因的表達和調控相對濕度92%鈉鹽：B—DNA相對濕度75%鈉鹽：A—DNA。相對濕度44-46%：C—DNA人工合成的聚CG：Z—DNA

三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)★第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G★第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按Hoogsteen配對★當DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）構成鏡像重復時可以形成三股螺旋（鉸鏈DNA，hingedDNA,H-DNA)H-DNA的結構★DNA三股螺旋結構常出現(xiàn)在DNA復制、轉錄、重組的起始位點或調節(jié)位點，如啟動子區(qū)。第三股鏈的存在可能使一些調控蛋白或RNA聚合酶等難以與該區(qū)段結合，從而阻遏有關遺傳信息的表達。DNA的高級結構

1.DNA的超螺旋結構（原核）二級結構為閉環(huán)雙螺旋；三級結構為超螺旋環(huán)狀DNA的三種典型構象（1）、

松弛環(huán)形DNA線形DNA直接環(huán)化（2）、

解鏈環(huán)形DNA線形DNA擰松后再環(huán)化（3）、

正超螺旋與負超螺旋DNA①連環(huán)數（linkingnumber,L）DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數②扭轉數（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數目，以T表示③超螺旋數（纏繞數,writhingnumber,W）連環(huán)數（L）纏繞數（T）扭曲數W松馳環(huán)25250解鏈環(huán)23230超螺旋2325-2L=T+W

2.真核生物細胞中DNA的組裝核小體60bp纏繞1.75圈約140~160bp真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構

DNA（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（1400nm，

每個染色體含10個玫瑰花200bp）線粒體DNA

在真核細胞中，DNA除了存在于細胞核內，還有少量的DNA位于細胞的線粒體中，稱為線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）。mtDNA與細菌的DNA相似，也是超螺旋雙鏈環(huán)狀分子，裸露而不與組蛋白結合，分散在線粒體基質的不同區(qū)域第五節(jié)RNA的結構與功能表1-3RNA與DNA的比較RNADNA堿基A、G、C、UA、G、C、T戊糖β-D-核糖β-D-2脫氧核糖堿基含量A與U的含量不一定相同；G與C的含量也不一定相同

A=TG=C堿基互補配對U與A，G與CA與T，G與C分子大小不等，從幾十至數千個核苷酸

因物種不同而異，但較RNA大得多

結構單鏈，局部互補配對形成雙螺旋

雙鏈，形成雙螺旋結構

功能

多樣，涉及遺傳信息表達的各個方面

攜帶遺傳信息

表1-4真核細胞內RNA的種類及功能種類細胞定位英文縮寫分子大小及沉降系數功能信使RNA胞漿及細胞核線粒體mRNAmtmRNA取決于編碼蛋白質的大小，1000~10,000個核苷酸9~40S蛋白質合成的模板

轉運RNA胞漿及細胞核線粒體tRNAmt

tRNA4S，74-95個核苷酸3.2~4S轉運氨基酸

核糖體RNA胞漿及細胞核線粒體rRNAmt

rRNA28S，5400個核苷酸18S，2100個核苷酸5.8S，160個核苷酸5S，120個核苷酸16S，1650個核苷酸12S，1100個核苷酸

與蛋白質共同構成核糖體

種類細胞定位英文縮寫分子大小及沉降系數功能不均一核RNA胞漿及細胞核hnRNA成熟mRNA及其他RNA的前體

小核RNA胞漿及細胞核snRNA100~300個核苷酸

參與hnRNA的剪接、轉運

小核仁RNA胞漿及細胞核snoRNArRNA的加工與修飾

小胞質RNA胞漿及粗面內質網

scRNA/7SL-RNA129個核苷酸

信號識別顆粒的組成成分，選擇分泌蛋白

（續(xù)表）表1-4真核細胞內RNA的種類及功能一、信使RNA信使RNA（mRNA）的作用就好像一種信使，將存在于細胞核內的基因的遺傳信息轉移到細胞質中，作為模板指導蛋白質的合成。真核生物的mRNA前身稱為不均一核RNA（heterogenousnuclearRNA，hnRNA）。hnRNA在核內經過一系列的剪接、修飾和加工，成為成熟的mRNA并轉移到細胞質中。DNADNAIPOabc轉錄

翻譯重疊基因(overlappinggene)蛋白A蛋白B蛋白C原核細胞mRNA的結構特點真核生物mRNA的結構真核生物mRNA的結構特征5'-端有一個特殊結構：7mG-5'ppp5'-Nm-3'-P，稱為帽子結構。3'-端有一段長約20~250個核苷酸的多聚腺苷酸（polyA），稱為多聚A尾巴（polyAtail）mRNA分子上的每三個核苷酸為一組，構成遺傳密碼（geneticcode），可以決定多肽鏈上某一個氨基酸，又稱為三聯(lián)體密碼（tripletcode）。二、轉運RNA轉運RNA約占細胞中RNA總量的10%~15%，是分子量最小的一類核酸，由74~95個核苷酸構成