生物化學-核酸化學課件

核酸化學核酸與蛋白質(zhì)是最重要的生物大分子。核酸有兩類：脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）。核酸是現(xiàn)代生物化學、分子生物學的重要研究領域，是基因工程操作的核心分子。第一節(jié)

核酸概述一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史

1868年，F(xiàn).Miescher從細胞核中分離得到一種富含磷的酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為脫氧核糖核蛋白的物質(zhì)。

1889年，Altman等從酵母和動物的細胞核中制備了不含蛋白質(zhì)的核酸，首次使用“核酸”一詞命名。98％細胞核內(nèi)（染色體中）真核細胞線粒體核外葉綠體DNA擬核原核細胞核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的種類和分布

核酸按其所含糖的不同分為兩大類：脫氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）RNA主要存在于細胞質(zhì)中，少量存在于細胞核中；

轉移RNA（transferRNA,tRNA）

占細胞總RNA的10～15％;

核糖體RNA（ribosomeRNA,rRNA）

占細胞總RNA的80％;

信使RNA（messengerRNA,mRNA）占細胞總RNA的5％;

其它具特殊功能的RNA;RNA病毒;植物病毒基因組大多是RNA三、核酸的生物學功能

DNA是主要的遺傳物質(zhì)，是遺傳信息的載體、負責遺傳信息的儲存與發(fā)布，并通過復制將遺傳信息傳給子代。RNA功能的多樣性：1、參與蛋白質(zhì)的生物合成2、RNA的轉錄后加工與修飾3、參與基因表達與細胞功能的調(diào)節(jié)4、生物催化作用5、遺傳信息的加工與進化第二節(jié)核酸的結構元素組成：CHONP

核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)戊糖(pentose)堿基(base)核酸由核苷酸組成，核苷酸又由堿基、戊糖與磷酸組成；二、堿基1.嘌呤堿123456978腺嘌呤AdenineA鳥嘌呤guanineG嘌呤兩類核酸中的嘌呤堿基完全相同；2.嘧啶堿123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT嘧啶胞嘧啶為兩類核酸所共有，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶只存在于RNA中；三、核苷（nucleoside）核苷：戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵，核酸分子中為β－糖苷鍵。1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)為與堿基分子中的原子標號相區(qū)別，糖的碳原子編號加上’。假尿嘧啶核苷（ψ）二氫尿嘧啶核苷等；5OHAdenosineGuanosineCytidineUridine常見核苷：稀有核苷：四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸：核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化

核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸HHHHHHHHH2.環(huán)化磷酸化3‘，5’-環(huán)腺苷酸（cAMP）3‘，5’-環(huán)鳥苷酸（

cGMP）3.肌苷酸及鳥苷酸(強力味精)4.輔酶NAD、NADP、FMNIMP

GMP六、多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通過一個核苷酸的C3’-OH與另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH第三節(jié)DNA的結構一、DNA的一級結構脫氧核苷酸的排列順序；可用堿基排列順序表示連接鍵：磷酸與戊糖順序相連形成主鏈骨架堿基形成側鏈多核苷酸鏈的方向性；DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。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。二、DNA的二級結構DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎上，提出了著名的DNA雙螺旋結構模型。DNA雙螺旋構象的多態(tài)性除B型結構外，還有：A型結構堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結構左手螺旋，只有小溝穩(wěn)定雙螺旋結構的力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(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，減少雙鏈間的靜電斥力④堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。

二、DNA的三級結構細胞中，由于DNA與其他分子的相互作用，使雙螺旋進一步扭曲和折疊形成的構象超螺旋是DNA三級結構的主要形式，有正超螺旋和負超螺旋之分；天然環(huán)狀DNA一般都以負超螺旋構象存在；負超螺旋正超螺旋第四節(jié)RNA的結構與功能一、結構特點堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結構，可發(fā)生分子自身回旋，互補堿基區(qū)形成局部螺旋結構，不能配對堿基區(qū)形成突環(huán)；分子較小(相對于DNA而言)分類mRNAtRNA

rRNA其他具特殊功能的RNA少數(shù)RNA病毒二、tRNA三葉草形二級結構模型；堿基配對構成雙螺旋區(qū)叫臂，不配對部分叫環(huán)，tRNA一般具四臂四環(huán)結構；氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TψC環(huán)（假尿嘧啶環(huán)）堿基組成中含有較多的稀有核苷酸；倒L形的三級結構tRNA的三級結構tRNA的功能：●轉運氨基酸●識別密碼子●參與翻譯起始●參與DNA的反轉錄●參與基因表達調(diào)控三、rRNA占RNA總量的80％，是構成核糖體的骨架；原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28srRNA的功能：●組成核糖體●催化肽鍵合成●參與tRNA與mRNA的結合大腸桿菌5SrRNA的結構四、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板，占細胞總RNA的3％～5％；真核細胞mRNA的結構有明顯特征，3‘-末端有一段長達200個核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結構”，5’-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結構”。甲基鳥苷5’，5’-三磷酸尾結構：

●

轉錄后由poly(A)聚合酶催化加尾●PolyA是mRNA由核進入胞質(zhì)所必需的形式?！駊olyA與mRNA半壽期有關，PolyA大大提高mRNA在胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。

●由甲基化酶催化形成；●可抵抗5’核酸外切酶降解mRNA；●可為核糖體提供識別位點，使mRNA很快與核糖體結合，促進蛋白質(zhì)合成起始復合物的形成；帽結構：第五節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)兩性解離/一般呈酸性（在中性溶液中帶負電荷），DNA的pI為4～4.5，RNA的pI為2～2.5。提純的DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，微溶于水，不溶于有機溶劑；能被乙醇或異丙醇沉淀。DNA分子由于直徑小而長度大，溶液粘度高；RNA分子粘度較??；核酸變性后粘度降低。室溫條件下，DNA在堿中變性，但不水解，RNA水解；核酸分子在緩沖液中帶有電荷，可利用電泳進行分離；二、核酸的紫外吸收特性嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，核酸（包括堿基、核苷、核苷酸）具有獨特的紫外線吸收（240－290nm強吸收）光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰以A260/A280進行定性、定量DNA的減色效應DNA和RNA溶液中加入溴乙錠（EB），在紫外光下發(fā)出紅橙色熒光；三、核酸的變性、復性與分子雜交1.變性穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結構破壞，變成單鏈結構的過程。核酸的的一級結構(堿基順序)保持不變。變性表征生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應）變性因素

pH（>11.3或<5.0）變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）低離子強度加熱DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。通常將紫外吸收達最大量（完全變性）一半（雙螺旋結構失去一半）時的溫度稱熔點或熔解溫度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關。G和C的含量高，Tm值高。測定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通過經(jīng)驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442.熱變性和Tm3.核酸的復性變性核酸的互補鏈在適當?shù)臈l件下，重新締合成為雙螺旋結構的過程稱為復性。DNA復性后，一系列性質(zhì)將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復，具有減色效應。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復性。變性的DNA緩慢冷卻時可復性，因此又稱為“退火”。

復性影響因素片段濃度/片段大小/片段復雜性（重復序列數(shù)目）/溶液離子強度4.分子雜交DNA單鏈與在某些區(qū)域有互補序列的異源DNA單鏈或RNA鏈形成雙螺旋結構的過程。這樣形成的新分子稱為雜交DNA分子。核酸的雜交在分子生物學和遺傳學的研究中具有重要意義。Southern印跡法（Southernbolting）Northern印跡法（Northernbolting）Western