核酸的化學09課件

第二章核酸的化學1細胞的分類根據(jù)生物的進化程度，細胞分為兩大類：原核細胞和真核細胞21、原核細胞原核細胞是一類進化程度低，結構最簡單的一類細胞。屬于原核細胞的有細菌和藍藻等。原核細胞的結構原核細胞的特點:原核細胞的外層是細胞壁和細胞膜（質(zhì)膜），內(nèi)部為細胞質(zhì)。細胞質(zhì)的結構非常簡單，沒有明顯的細胞器（由封閉的生物膜包裹的固體質(zhì)粒），只有原始的細胞核（無核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白體等。核糖體中膜體被膜細胞質(zhì)膜鞭毛

單細胞生物，沒有細胞核，細胞中央含有核物質(zhì)，通常呈顆粒狀或網(wǎng)狀主要由細胞膜、細胞質(zhì)、核質(zhì)體等部分構成3一、核酸的研究歷史和重要性1869

Miescher從膿細胞的細胞核中分離出了一種含磷酸的有機物，當時稱為核素,后稱為核酸（nucleicacid）；1944Avery

等通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗證明DNA是遺傳物質(zhì)；1953Watson和Crick提出DNA結構的雙螺旋模型；1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則；70年代建立DNA重組技術；80年代以后分子生物學、分子遺傳學等學科突飛猛進發(fā)展，實施人類基因組計劃（HGP）。5

定義：核酸是由許多核苷酸單元按一定順序連接所組成的多核苷酸。作用：核酸是遺傳變異的物質(zhì)基礎，是遺傳信息的載體分子生物學的中心法則遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，以及遺傳信息從DNA傳遞給DNA的復制過程。二、核酸分類6脫氧核糖核酸(DNA)

核酸分類核糖核酸(RNA)7核糖核酸（RNA）主要參與遺傳信息的傳遞和表達過程，細胞內(nèi)的RNA主要存在于細胞質(zhì)中，少量存在于細胞核中，病毒中RNA是遺傳信息的儲存者。發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用,RNA為單鏈分子。9二、核酸的組成成分10RNA含β－D－核糖DNA含β－D－2－脫氧核糖β

－D－2－O－甲基核糖

1、核糖和脫氧核糖

11腺嘌呤A鳥嘌呤G修飾堿嘌呤2）嘌呤堿

133）堿基的結構特征胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T腺嘌呤A鳥嘌呤G堿基都具有芳香環(huán)的結構特征,嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結構。14堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團可以發(fā)生酮式—烯醇式或胺式—亞胺式互變異構。153、核苷

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵AGCU191′1′脫氧胸苷（dT;T)假尿苷（φ）腺嘌呤Aβ－D－核糖174、核苷酸核苷的核糖上的羥基與磷酸酯化

核苷酸的表示：1）各種核酸苷用英文縮寫表示，如腺苷酸為AMP,鳥苷酸為GMP。脫氧核苷酸則在英文縮寫前加小寫d，如dAMP，dGMP等。2）在核苷符號左側加p表示5′-磷酸酯，pA表示5′-腺苷酸；在核苷符號右側加p表示3′-磷酸酯，Cp表示3′-胞苷酸。AdTdTMPAMP5′-磷酸化5′-磷酸化185、核苷酸衍生物1)、繼續(xù)磷酸化其它單核苷酸可以和腺苷酸一樣膦酸化，產(chǎn)生相應的二或三膦酸化合物。19（6）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′。（5）5′-磷酸端（常用5′-P表示）；3′-羥基端（常用3′-OH表示）；216、多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH核酸的一級結構

22三、DNA的結構1、DNA的一級結構DNA由數(shù)量龐大的4種脫氧核苷酸通過3′，5′-磷酸二酯鍵連接而成的。DNA的一級結構是脫氧核苷酸在分子中的排列順序(序列)。DNA序列測定方法：Sanger雙脫氧鏈終止法和Maxam－GilbertDNA化學降解法。多核苷酸鏈均有5′

-末端和3′

-末端。DNA的堿基順序是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性寓于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′23②關于堿基成對的證據(jù)DNA中的腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的數(shù)目相等，腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)間可以生成兩個氫鍵；鳥嘌呤的數(shù)目(G)和胞嘧啶(C)的數(shù)目相等，鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)之間可以允許生成三個氫鍵。胞嘧啶C胸腺嘧啶T腺嘌呤A鳥嘌呤G25③

電位滴定行為通過電位確定法證明DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基一NH2則不能滴定，它們是用氫鍵連接起來的。胞嘧啶C胸腺嘧啶T腺嘌呤A鳥嘌呤G26(2)

堿基成對規(guī)律

螺旋直徑:2nm堿基在主鏈內(nèi)側29A=T，T=A3031糖平面與螺旋軸基本平行，磷酸基連在糖環(huán)的外側。(3)成對堿基大致處于同一平面，該平面與螺旋軸基本垂直。相鄰堿基對平面間的距離為0.34nm，使堿基平面間的π電子云可在一定程度上互相交蓋，形成堿基堆積力。雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個堿基對，每轉(zhuǎn)的高度(螺距)為3.4nm。DNA分子的大小常用堿基對數(shù)(bP)表示，而單鏈分子的大小則常用堿基數(shù)(b)來表示。2.0nm小溝大溝32(4）大多數(shù)天然DNA屬雙鏈結構DNA，某些病毒如φ174和M13的DNA是單鏈分子DNA。(5)雙鏈DNA分子主鏈上的化學鍵受堿基配對等因素影響旋轉(zhuǎn)受到限制，使DNA分子較剛硬，比較伸展的結構?！┗瘜W鍵亦可在—定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使DNA分子有—定的柔韌性，雙螺旋結構可以發(fā)生一定的變化而形成不同的類型，亦可進一步扭曲成三級結構。2.0nm小溝大溝33B型結構（92%鈉鹽）兩條鏈反向平行，右手螺旋雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對）A型結構（75%鈉鹽）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DNA雙螺旋構象類型34A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短適中細長螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基對距離0.23nm0.34nm0.38nm每圈堿基數(shù)1110.412堿基傾角1901090糖苷鍵構象反式反式C、T反式，G順式大溝很窄很深很寬較深平坦小溝很寬、淺窄、深較窄很深三種DNA雙螺旋構象比較353）雙螺旋穩(wěn)定的力氫鍵堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力）離子鍵等2.0nm小溝大溝364）DNA的雙螺旋結構的意義揭示DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原則，是DNA復制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎，亦是遺傳信息傳遞和表達的分子基礎。該模型的提出是20世紀生命科學的重大突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛速發(fā)展的基石。1962年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了英國的弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）、美國的詹姆斯·沃森（JamesWatson）和具有英國和新西蘭雙重國籍的莫里斯·威爾金斯（MauriceWilkins）2.0nm小溝大溝37在細胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進一步扭曲形成的高級結構，其中，超螺旋是最常見也是研究最多的DNA三級結構。

3、DNA的三級結構38五、RNA的結構與功能

RNA的結構一、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，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNAtRNA

rRNA391、tRNA(轉(zhuǎn)移RNA)約占總RNA的10-15%；在蛋白質(zhì)生物合成中，將相應的氨基酸轉(zhuǎn)運到核糖核蛋白體相應位置；每一個氨基酸至少有一個相應的tRNA，細胞內(nèi)一般有50種以上不同的tRNA

；tRNA分子的大小很相似，鏈長一般在73-78個核苷酸之間。401)tRNA的二級結構分子中含有較多的修飾成分。3'-末端都具有CpCpAOH的結構。A＝U/G≡C鏈長一般在73-78個核苷酸之間3'-端5'-端412）三葉草葉型結構的主要特征氨基酸臂

二氫尿嘧啶區(qū)(D臂,D環(huán))反密碼區(qū)(反密碼臂,反密碼環(huán))TφC區(qū)(TφC臂,TφC環(huán)可變區(qū)1965年Holley等測定的酵母丙氨酸t(yī)RNA一級結構42433）tRNA的三級結構

在tRNA的三葉草形二級結構基礎上，突環(huán)上未配對的堿基因分子結構扭曲而形成配對，形成了tRNA的三級結構，倒L型結構。441、氨基酸臂和TψC臂沿同一軸排列倒L型結構2、反密子臂和D臂沿同一軸排列3、D環(huán)和TψC環(huán)構成倒L的轉(zhuǎn)角，氫鍵和堿基堆積穩(wěn)定轉(zhuǎn)角構象TφC區(qū)(TφC臂,TφC環(huán)氨基酸臂

二氫尿嘧啶區(qū)(D臂,D環(huán))可變區(qū)反密碼區(qū)(反密碼臂,反密碼環(huán))結構特征：452、rRNA(核糖體RNA)約占全部RNA的80%；核糖核蛋白體的主要組成部分（40%蛋白質(zhì)和60%rRNA

）；核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所，參與蛋白質(zhì)的生物合成。rRNA是細胞中含量最多的一類RNA，且分子量比較大，代謝都不活躍，種類僅有幾種，原核生物中主要有5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA三種，真核生物中主要有5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA四種。

463、mRNA(信使RNA)約占總RNA的5%。mRNA堿基順序，直接為蛋白質(zhì)的氨基酸編碼，并決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。不同細胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地（核糖核蛋白體）。47四、核酸的性質(zhì)

核酸的性質(zhì)是由其組成成分和結構決定的。核酸的主要組分：堿基、戊糖和磷酸。核酸的結構特點：相對分子質(zhì)量大，分子中具有共軛雙鍵、氫鍵、糖苷鍵和3′,5′-磷酸二酯鍵，許多活性基團，如羥基、磷酸基、氨基。481）兩性電解質(zhì)：核酸和核苷酸既有磷酸基，又有堿性基團，是兩性電解質(zhì)，因磷酸的酸性強，常表現(xiàn)為酸性。1、一般性質(zhì)2）溶解性：一般都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑。常用乙醇從溶液中沉淀核酸。

核酸、核苷酸、堿基在水中的溶解度依次減小，但核酸的鈉鹽比自由酸易溶于水。

RNA和核苷酸、核苷、堿基的純品都是白色粉末或結晶，DNA為疏松的石棉一樣的纖維狀結晶。

493）水解

4）分析鑒定D－核糖濃鹽酸和苔黑酚(甲基間苯二酚)共熱綠色D－2－脫氧核糖酸和二苯胺共熱藍紫色核酸可被酸、堿或酶水解成為各種組分，用層析、電泳等方法分離，其水解程度因水解條件而異。RNA能在室溫條件下被稀堿水解成核苷酸而DNA對堿較穩(wěn)定。502、核酸的紫外吸收在核酸分子中，嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，具有紫外線吸收光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰，作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。嘌呤嘧啶513、核酸的結構穩(wěn)定性

1）堿基對間的氫鍵

2）堿基堆積

3）環(huán)境中的正離子

524、核酸的變性1)核酸的變性：核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，它的一級結構(堿基順序)保持不變。引起核酸變性的因素：溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等存在均可引起核酸的變性。532）DNA變性分子由具有一定剛性變?yōu)闊o規(guī)則線團，溶液的粘度降低，沉降速度增加；（1）DNA變性后的特征藏在里面的堿基全部暴露出來，核酸的紫外吸收值急劇增加;生物活性喪失。54（2）熱變性和Tm

紫外吸收的增加且達最大增量一半時的溫度值稱熔解溫度(Tm

)。DNA的變性過程是突變性的，在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。一般DNA的Tm值在70-85C之間55（3）影響Tm的因素

①G—C對含量G、C對相對含量愈高、Tm愈高。經(jīng)驗公式為：(G+C)％＝(Tm—69.3)x2.44②溶液的離子強度

離子強度較低的介質(zhì)中，Tm較低。在純水中，DNA在室溫下即可變性。56③溶液的pH

高pH下堿基去質(zhì)子而喪失形成氫鍵的能力，pH大于11.3時，DNA完全變性;pH低于5.0時，DNA易脫嘌呤。對單鏈DNA進行電泳時，常在凝膠中加人NaOH以維持變性狀態(tài)。④變性劑甲酰胺、尿素、甲醛等可破壞氫鍵，妨礙堿基堆積，使Tm下降。對單鏈DNA進行電泳時常使用上述變性劑。575、核酸的復性1）復性的過程變性核酸的互補鏈在適當條件下重新締合成雙螺旋的過程稱復性。

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，稱為“退火”。

較合適的復性溫度Tm－25℃

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。58(1)單鏈片段濃度越高，隨機碰撞的頻率越高，復性速度越快；

2）影響復性速度的因素(2)較大的單鏈片段擴散困難，鏈間錯配頻率高,復性較慢；

(3)片段內(nèi)的重復序列多，則容易形成互補區(qū)，因而復性較快；

(4)維持溶液一定的離子強度，消除磷酸基負電荷造成的斥力，加快復性速度。

596、分子雜交熱變性的DNA單鏈，在復性時并不一定與同源DNA互補鏈形成雙螺旋結構，它可以與在某些區(qū)域有互補序列的異源DNA單鏈形成雙螺旋結構，形成的新分子稱為雜交DNA分子。

60DNA單鏈與互補的RNA鏈之間發(fā)生雜交。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。61人類基因組計劃簡介（HGP）該計劃是美國科學家在1985年率先提出，1990年正式啟動。美、英、德、法、日先后參加了此項工作，1999年我國成為HGP的第六個成員國。

HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的3×109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認識自我。到目前為止，已完成了人類基因組的框架圖，測序的工作已基本完成。

HGP的實施，揭開了生命科學新的一頁，它