核酸的化學(xué)課件

第三章

核酸的化學(xué)核膜染色體絲核孔核基質(zhì)纖維組蛋白與非組蛋白DNA(2nmdm)核小體(11nmdm)一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史

1868年，瑞士科學(xué)家F.Miescher從細胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，稱為核素。1889年Altman從酵母和動物組織中制備了核酸（nucleicacid）。1930－40年，Kossel&Levene等確定核酸的的組分：DNA和RNA。20世紀20－40年代末，Griffith（英國）和Avery（美國）的“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化”實驗證明DNA是有機體的遺傳物質(zhì)。1952年，Hershey和Chase利用病毒完成更有說服力的“噬菌體”實驗。1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，20世紀自然科學(xué)最偉大的成就之一。1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，20世紀自然科學(xué)最偉大的成就之一。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史

第一節(jié)核酸的分子的化學(xué)組成核酸核糖核酸(RNA)脫氧核糖核酸(DNA)90%存在細胞質(zhì)中，10%存在細胞核中主要存在細胞核一、核酸種類與生物學(xué)功能1、種類脫氧核糖核酸（DNA)DNA分子含有生物物種的所有遺傳信息，分子量一般都很大；DNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結(jié)構(gòu)大分子，也有少部分呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。真核：細胞核DNA：與組蛋白、非組蛋白形成染色體；細胞器DNA：雙鏈環(huán)形，一般裸露原核：裸露的DNA分子集中于核區(qū)；核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)RNA主要是負責(zé)DNA遺傳信息的翻譯和表達，分子量要比DNA小得，RNA為單鏈分子。根據(jù)RNA的功能，可以分為：snRNA（SmallnuclearRNA）snoRNA（SmallnucleoarRNA）scRNA（SmallcytoplasmicRNA）反義RNA（AntisenseRNA）核酶（Ribozyme）內(nèi)切核酸酶（RNaseP）1、轉(zhuǎn)移RNA（transferRNA,tRNA)2、核糖體RNA（ribosomalRNA,rRNA)3、信使RNA（messengerRNA,mRNA)4、特殊功能的RNA轉(zhuǎn)化:指受體細胞直接攝取供體細胞的遺傳物質(zhì)（DNA片段），將其同源部分進行堿基配對，組合到自己的基因中，從而獲得供體細胞的某些遺傳性狀，這種變異現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。

20世紀20－40年代末，Griffith（英國）和Avery（美國）的“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化”實驗證明DNA是有機體的遺傳物質(zhì)。DNAR型，無莢膜，不致病溫育有莢膜，致病傳代傳代S型，有莢膜，致病有莢膜，致病有莢膜，致病肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗噬菌體T2感染大腸桿菌實驗攪拌破碎器作用離心分離說明噬菌體感染大腸桿菌時僅是DNA進入細菌的細胞，而蛋白質(zhì)外殼沒有進入。（二）RNA功能的多樣性1、控制蛋白質(zhì)的合成2、作用于RNA的轉(zhuǎn)錄后加工與修飾3、參與基因表達與細胞功能的調(diào)控4、生物催化作用5、遺傳信息的加工與進化二、核酸的元素組成組成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比較穩(wěn)定：DNA平均含磷量為9.9%，RNA為9.4%。通過測定P的含量來推算核酸的含量（定磷法）。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。核苷酸核苷磷酸戊糖（一）核苷酸的組成成分堿基RNADNA1、戊糖RNA:核糖DNA:脫氧核糖2.堿基嘌呤堿嘧啶堿腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)1HCHNHCCHCHN23456CNCCCNNNCHHHNH2123456789

嘧啶

嘌呤:DNA特有:RNA特有兩者均有OONCHNCHCCHH胞嘧啶（C）兩者均有尿嘧啶（U）：

RNA特有胸腺嘧啶（T）DNA特有OCHNCCCHNHCH3OOCC

NCHCHNHNH2

嘧啶1HCHNHCCHCHN234563、磷酸：DNA、RNA均有RNA(AMP)DNA(dAMP)HHOOHOHHO兩類核酸的基本化學(xué)組成比較堿基戊糖磷酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)磷酸磷酸C

N

C

HC

C

C

N

NH

CH

NH2

+

9

核苷：由戊糖和堿基以糖苷鍵連接而成

核苷＝戊糖＋堿基C

N

C

HC

C

C

N

NH

CH

NH2

腺苷

糖苷鍵1’1’1’1’9911核苷脫氧腺苷酸dAMP腺苷酸AMP

脫氧鳥苷酸dGMP鳥苷酸GMP

脫氧胞苷酸dCMP胞苷酸CMP

脫氧胸苷酸dTMP尿苷酸UMP

通式：堿基+戊糖+磷酸（三）核苷酸種類

1.核苷酸DNA:dNMPRNA:NMPAMPADPATPAMPADPATP+P+P脫氧二磷酸腺苷酸dADP二磷酸腺苷酸ADP脫氧二磷酸鳥苷酸dGDP二磷酸鳥苷酸GDP脫氧二磷酸胞苷酸dCDP二磷酸胞苷酸CDP脫氧二磷酸胸苷酸dTDP二磷酸尿苷酸UDP

通式：堿基+戊糖+2磷酸2.二磷酸核苷酸DNA:dNDPRNA:NDP脫氧三磷酸腺苷酸dATP三磷酸腺苷酸ATP脫氧三磷酸鳥苷酸dGTP三磷酸鳥苷酸GTP脫氧三磷酸胞苷酸dCTP三磷酸胞苷酸CTP脫氧三磷酸胸苷酸dTTP三磷酸尿苷酸UTP

DNA:dNTPRNA:NTP通式：堿基+戊糖+3磷酸3.三磷酸核苷酸寫出下列核苷酸的中文全稱dTTP、GDP、dCMP寫出下列核苷酸的英文簡寫脫氧二磷酸腺苷酸三磷酸尿苷酸脫氧鳥苷酸練習(xí)1.核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是—。2.核苷酸的主要組成是——、——和——.3.兩類核酸在細胞中的分布不同，DNA主要位于——中，RNA主要位于——中。5.維持蛋白質(zhì)分子一級結(jié)構(gòu)的鍵是——，維持核酸分子一級結(jié)構(gòu)的鍵是——。6.舉出幾個含有核苷酸的輔酶：7.舉出幾個含有核苷酸的高能化合物：8.舉出幾個含有核苷酸的信號分子：9.寫出下列核苷酸的中文全稱dTTP、GDP、dCMP10.寫出下列核苷酸的英文簡寫脫氧二磷酸腺苷酸;三磷酸尿苷酸;脫氧鳥苷酸核苷酸堿基、核糖和磷酸細胞核、細胞質(zhì)HSCoA、NAD+、NADP+、FADATP、GTP、CTP等cAMP，cGMP3’、5’-磷酸二酯鍵肽鍵三、體內(nèi)重要的游離核苷酸核苷酸的衍生物－ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。它的結(jié)構(gòu)如下：~~AMPADPATPAMPADPATP1、腺苷三磷酸(ATP)主要功能：提供能量AMPADPATP能量儲存能量釋放能量儲存能量釋放2、環(huán)苷酸主要功能：細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)過程中的重要信息分子。cAMPcGMPcAMPATP催化蛋白激酶A第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)

核酸的結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)一.核酸的一級結(jié)構(gòu)

定義：由核苷酸按一定的數(shù)目、比例和特定的排列順序，通過3′,5′-磷酸二酯鍵連接而成的多核苷酸長鏈。維系鍵：磷酸二酯鍵形式：多核苷酸長鏈（單鏈）CGA5′3′5’5’3’3’3’,5’磷酸二酯鍵AARNADNA磷酸二酯鍵堿基堿基5’末端3’末端5’3’5’3’OHOHpppppATGCAOH5′3′RNA:5′pUGCCA-OH3′多核苷酸鏈的簡寫式：DNA:5′dpApTpGpCpA-OH3′

或5′dpATGCA-OH3′線條式縮寫字母式縮寫ATGCAUGCCA5′→3′DNA的一級結(jié)構(gòu)中堿基順序即為遺傳信息儲存的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。5′3′TACGT（一）DNA的空間結(jié)構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)二、核酸的空間結(jié)構(gòu)

DNA的結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)：DNA的兩條多聚核苷酸鏈間通過氫鍵形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)：DNA雙鏈進一步折疊卷曲形成的構(gòu)象。（二）DNA的二級結(jié)構(gòu)1953年，Watson和Crick根據(jù)Chargaff規(guī)律和DNANa鹽纖維的X光衍射分析提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測?！顲hargaff規(guī)律1950年：p26

DNA的結(jié)構(gòu)課外作業(yè)：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程？★英國生物物理學(xué)家Astbury(1898～1961)1938年曾通過X射線結(jié)晶衍射圖發(fā)現(xiàn)DNA分子是多聚核苷酸分子的長鏈排列。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程DNANa鹽纖維X光衍射★具有非凡才能的英國女科學(xué)家Franklin（1920～1958）加盟到威爾金斯小組。她憑著獨特的思維，設(shè)計了更能從多方面了解物質(zhì)不同現(xiàn)象的實驗方法，如獲取在不同溫度下的DNA的X射線衍射圖。把這些各種局部的結(jié)構(gòu)形狀匯總，DNA的衍射圖片越來越全面。1952年5月她獲得了一張清晰的DNA的X光衍射照片。弗蘭克林與威爾金斯提出DNA的結(jié)構(gòu)可能是雙螺旋。

1950年，愛爾蘭科學(xué)家Wilkins（1916～）的研究小組保持DNA纖維的濕潤狀態(tài)且測定DNA在較高溫度下的X射線衍射。DNA的X光衍射照片中有明顯的幾組點組成了十字的一橫，提示DNA的整個結(jié)構(gòu)為螺旋形，但證據(jù)并不充分。在1953年2月的討論中，Wilkins出示了Franklin獲得的非常清晰的DNA晶體衍射照片。這張照片突然激發(fā)了沃森頭腦中的思維，DNA鏈只能是雙鏈的才會顯示出這樣漂亮而清晰的圖。1953年2月28日沃森和克里克重新擺弄出了正確的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。1953年4月25日《自然》雜志發(fā)表了沃森與克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)假說的不到1000字短文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程

雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點：①兩條反向平行的多核苷酸鏈,走向分別為5′→3′和3′→5′；右手螺旋；堿基配對原則：Ａ＝Ｔ、Ｇ≡Ｃ；兩鏈為互補鏈,

中間形成氫鍵。5’C

②磷酸與脫氧核糖在外側(cè)，構(gòu)成ＤＮＡ的骨架。

堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)。

(可變)(不變)不變

可變TACGCGTAATGCTAAGTACTCG堿基配對原則:A＝T,G≡C5′3′5′3′???2.0nm小溝大溝5′ACTGTAACGT

磷酸脫氧核糖

堿基（3）維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素：堿基堆積力：主要因素氫鍵靜電排斥力DNA互補雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義：

自身復(fù)制的功能，通過復(fù)制可以合成與其一模一樣的DNA分子

。（4）AG2.0nm小溝大溝

DNA二級結(jié)構(gòu)的多型性

（1）B—DNA：典型的Watson-Crick雙螺旋DNA，右手雙螺旋；（2）A-DNA：右手雙螺旋，外形粗短。RNA分子雙螺旋區(qū)、RNA-DNA雜交分子具有這種結(jié)構(gòu)。（3）Z-DNA：左手螺旋，外形細長。天然B-DNA的局部區(qū)域可以形成Z-DNA。A-、B-、Z-DNA的比較原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)2.DNA的三級結(jié)構(gòu):超螺旋DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝Pr+DNA2(H2A、H2B、H3、H4）組蛋白八聚體（核心）DNA盤繞在外核心顆粒H1核小體串聯(lián)串珠狀結(jié)構(gòu)超螺旋染色體（二）RNA的空間結(jié)構(gòu)RNA雙鏈部分、DNA與RNA

間堿基配對原則：

A＝U,G≡

C存在形式:

單股多核苷酸鏈(主），部分雙鏈（次）5′3′ACGUA1、轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)：蛋白質(zhì)合成時攜帶活化氨基酸

3、核糖體RNA(rRNA):

與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成核糖體,

蛋白質(zhì)合成場所2、信使RNA(mRNA)：蛋白質(zhì)合成中起模板作用分類

RNA的結(jié)構(gòu)（一）

RNA的一級結(jié)構(gòu)AMP、GMP、CMP、UMP通過3’、5’磷酸二酯鍵形成線形多聚體。RNA分子中的一級結(jié)構(gòu)見圖13－3①

組成RNA的戊糖是核糖②RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中常有一些稀有堿基。③

天然RNA分子都是單鏈線形分子，只有部分區(qū)域是A-型雙螺旋結(jié)構(gòu)。（二）tRNA的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)是三葉草形

RNA的結(jié)構(gòu)有較多稀有堿基3’末端為…CCA-OH5’末端大多為pG…或pC…氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)(可變環(huán))TC環(huán)（假尿嘧啶環(huán)）識別mRNA上密碼3’端為-CCA,蛋白質(zhì)合成時連接活化的氨基酸1、tRNA二級結(jié)構(gòu):三葉草形DHU環(huán)TΨ環(huán)N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶(DHU)4-巰尿嘧啶

稀有堿基

tRNA的三級結(jié)構(gòu):倒L形在三葉草型二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，突環(huán)上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對，目前已知的tRNA的三級結(jié)構(gòu)均為倒L型tRNA三級結(jié)構(gòu)－倒L形

tRNA的三級結(jié)構(gòu):倒L形★tRNA的功能：●轉(zhuǎn)運氨基酸●識別密碼子●參與翻譯起始●參與DNA的反轉(zhuǎn)錄●參與基因表達調(diào)控1、tRNA二級結(jié)構(gòu):三葉草形三級結(jié)構(gòu)－倒L形3’端為-CCA,蛋白質(zhì)合成時連接活化的氨基酸密碼環(huán)上有反密碼子識別mRNA上密碼2、mRNA轉(zhuǎn)錄DNA信息，作為蛋白質(zhì)合成的直接模板

mRNA的結(jié)構(gòu)mRNA是在細胞核及線粒體內(nèi)產(chǎn)生，然后進入細胞質(zhì)及核糖體。mRNA約占細胞RNA總量的3~5%，是蛋白質(zhì)合成的模板。原核生物和真核生物mRNA在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別：原核：沒有5’帽子和3’polyA結(jié)構(gòu)。真核：真核細胞mRNA的3‘-末端有一段長達200個核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為”帽結(jié)構(gòu)“。

RNA的結(jié)構(gòu)AA…AA5′加帽3′加尾2、mRNA結(jié)構(gòu)特點：

5′有由7－甲基鳥嘌呤核苷酸三磷酸組成的帽狀結(jié)構(gòu)

3′有由多聚腺苷酸組成的尾部結(jié)構(gòu)AA…AA5′加帽3′加尾帽子結(jié)構(gòu)7－甲基鳥嘌呤核苷酸三磷酸甲基化鳥苷酸經(jīng)焦磷酸與mRNA的5’末端核苷酸相連，形成5’，5’－三磷酸連接。rRNA的結(jié)構(gòu)所有生物的核糖體都是由大小不同的兩個亞基所組成，大小亞基分別由幾種rRNA和數(shù)十種蛋白質(zhì)組成。

RNA的結(jié)構(gòu)

★rRNA的功能：●組成核糖體成分；●催化蛋白質(zhì)肽鍵的形成；●參與tRNA與mRNA的結(jié)合。

核糖體

rRNA+Pr↓大、小亞基

大亞基：tRNA附著部位小亞基：mRNA附著部位80S60S40S小結(jié)DNA:主要的遺傳物質(zhì)，主要存在于細胞核；通過復(fù)制傳遞遺傳信息給子代；通常為雙鏈；含脫氧核糖，T為特有成分。RNA:主要在核內(nèi)合成，主要分布于細胞質(zhì)；遺傳信息表達分子，指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)；通常為單鏈；含核糖，U為特有成分。第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)二、酸堿性：兩性解離，一般呈酸性（在中性溶液中帶負電荷，可用電泳或離子交換法進行分離一、溶解度：微溶于水，不溶于乙醇、乙醚等有機溶劑大分子，粘度高三、核酸的紫外吸收原因：核酸中有嘌呤與嘧啶堿堿基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有強烈的光吸收，λmax=260nm三、

核酸的紫外吸收1、

鑒定純度純DNA的A260/A280應(yīng)大于1.8

純RNA的A260/A280應(yīng)為2.0。若溶液中含有雜蛋白或苯酚，則A260/A280比值明顯降低。2、

含量計算（純樣品）

A260

＝1，相當(dāng)于：50ug/mL雙螺旋DNA

或40ug/mL單鏈DNA（或RNA）或20ug/mL寡核苷酸四、核酸的變性、復(fù)性和雜交概念：加熱、酸堿等條件下，核酸雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂，變成單鏈，不涉及共價鍵斷裂。

方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等（一）變性DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂不涉及磷酸二酯斷裂，一級結(jié)構(gòu)完整變性過程(一)變性四、

核酸的變性、復(fù)性及雜交

(一)變性★變性因素：

四、

核酸的變性、復(fù)性及雜交★變性后的理化性質(zhì)：二級結(jié)構(gòu)改變，雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈無規(guī)線團狀，只涉及次級鍵的破壞,

260nm紫外吸光度值升高；粘度降低；浮力密度升