第3章 核酸的化學(xué)

第三章核酸的化學(xué)1核酸的化學(xué)組成2核酸的結(jié)構(gòu)3核酸的理化性質(zhì)4核酸類物質(zhì)的制備核酸的化學(xué)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

掌握核酸的定義、分類、分布以及生物學(xué)功能，DNA、RNA分子組成的異同點(diǎn)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)，tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。熟悉核酸的紫外吸收、變性、復(fù)性及分子雜交。了解核酸的分離純化、含量測(cè)定等方法。【重點(diǎn)難點(diǎn)】

核酸的分類、功能及分子組成；DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；tRNA的三葉草型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1868年，F(xiàn).Miescher從膿細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。1953年，Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1944年，O.Avery等通過轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)核酸是遺傳物質(zhì)。重要事件1952年，A.D.Hershey和M.ChaseT2噬菌體實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成

核酸（Nucleicacid）是一類廣泛存在于各種生物體內(nèi)的重要生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲(chǔ)存與傳遞?！z傳信息的儲(chǔ)存和傳遞DeoxyribonucleicAcid——信息的傳遞和轉(zhuǎn)錄，直接參與蛋白質(zhì)合成RibonucleicAcid核酸分為：脫氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）分布情況細(xì)胞核內(nèi)：98％（染色體中）真核細(xì)胞核外：線粒體（mDNA）、葉綠體（ctDNA）DNA擬核原核擬核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒（HBV、皰疹病毒等）

細(xì)胞質(zhì)中：90%tRNArRNAmRNA其它RNA病毒：RNA病毒（SARS、HIV、TMV、流感病毒）一、元素組成基本元素：C、H、O、N、P等

兩個(gè)特點(diǎn)：①一般不含S元素。②P含量較多且比較恒定（9%～10%）。常用定磷法進(jìn)行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）二、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位——核苷酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解堿基RNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥嘌呤G腺嘌呤ADNA堿基稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、7-甲基鳥嘌呤、6-甲基腺嘌呤等嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶等均為基本堿基的化學(xué)修飾型。戊糖DNARNA

核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。

核酸中的磷酸參與形成3’，5’-磷酸二酯鍵，使核苷酸連接成多核苷酸鏈。磷酸核苷酸的形成過程核苷

戊糖與嘌呤或嘧啶堿以C-N糖苷鍵連接而形成的糖苷就稱為核苷（nucleoside）。通常是戊糖的C1’與嘌呤堿的N9或嘧啶堿的N1相連。核苷酸

核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵相連接分別構(gòu)成核苷酸（NMP）（nucleotide）或脫氧核苷酸（dNMP）。通常是戊糖的C5’-OH與磷酸基團(tuán)相連。核苷酸的形成過程磷酸堿基戊糖OHOHOHONNH2NOOO-P-OCMP1.繼續(xù)磷酸化三、核苷酸的衍生物CDPOO-P-OCTPOO-P-OHOHOHONNH2NOOO-P-OdCMPdCDPOO-P-OOO-P-OdCTPAMPADPATPATP是生物體內(nèi)能量的通用貨幣。2.環(huán)化磷酸化

被稱為第二信使，有放大激素的作用，在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用。3.輔酶類衍生物輔酶Ⅰ（NAD+）輔酶Ⅱ（NADP+）FMNFAD輔酶A(CoA-SH)腺嘌呤核苷酸＋尼克酰胺核苷酸黃素單核苷酸＋腺嘌呤核苷酸3’－腺苷酸＋5’－焦磷酸＋氨基乙硫醇＋泛酸參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝參與生物氧化過程第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)

一個(gè)核苷酸分子的C3’-OH與另一個(gè)核苷酸分子的5’-磷酸基團(tuán)脫水縮合形成的磷酸二酯鍵稱為3’,5’-磷酸二酯鍵。5’5’3’3’+①5’-磷酸端（常用5’-P表示）；3’-羥基端（常用3’-OH表示）②多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5’→3’或是3’→5’。

多核苷酸鏈?zhǔn)菐资畟€(gè)以上的核苷酸分子通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。

磷酸與戊糖C5’相連，稱為5’-磷酸末端（5’-端）。戊糖C3’上連有羥基，稱為3’-磷酸末端（3’-端）。核苷酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法結(jié)構(gòu)式P-P-PC

S

P

GSP

ASP

TSP

TSOH5

3

pGpCpTpApG-C-T-ApGCTA線條式字母式

核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指在多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。由于各種核酸由戊糖－磷酸連成的長(zhǎng)鏈骨架相同，堿基排列順序不同，因而可將堿基的排列順序稱為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)。二、核酸的空間結(jié)構(gòu)(一)、DNA分子的空間結(jié)構(gòu)(二)、RNA分子的空間結(jié)構(gòu)1、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Chargaff法則①對(duì)于所有DNA分子，A=T，G=C，A+G=T+C。②不同種屬的4個(gè)堿基組成和排列順序有差異，但同一種屬不同組織的堿基組成無(wú)差異，即堿基組成沒有組織和器官的特異性。(一)、DNA分子的空間結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)①DNA分子由兩條反向平行的互補(bǔ)多核苷酸鏈圍繞一個(gè)假想的中心軸形成右手螺旋結(jié)構(gòu)。一條鏈的走向?yàn)?’→3’，另一條為3’→5’。兩條鏈上的堿基之間以氫鍵相連，形成堿基對(duì)。堿基互補(bǔ)配對(duì)，A=T，G≡C。H-bondPyrimidinesNNH2NOCNNOOHUNNOOHCH3TH-bondPurinesH2NNNNNAHGNNNH2NON腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶

DNA雙鏈依靠A-T、G-C的配對(duì)關(guān)系互相結(jié)合。②雙鏈結(jié)構(gòu)中，脫氧核糖-磷酸形成骨架位于螺旋外側(cè)，而堿基堆積于內(nèi)側(cè)。堿基平面與中心軸垂直，糖環(huán)平面幾乎與堿基平面成直角。③DNA雙螺旋為右手螺旋。雙螺旋的平均直徑為2nm，每個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm。螺旋每旋轉(zhuǎn)一周包含10對(duì)堿基，螺距為3.4nm。相鄰核苷酸的夾角為36°，并形成大溝和小溝。

雙螺旋中的大溝對(duì)于DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)的相互識(shí)別很重要，在溝內(nèi)可以辨認(rèn)堿基的順序。模擬DNA雙螺旋（藍(lán)色）大溝中結(jié)合著肽（紅色）④DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素

．堿基堆積力（主要因素）是雙螺旋中垂直方向的作用力

︰氫鍵

為雙螺旋中水平方向的作用力∴離子鍵

磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子或陽(yáng)離子化合物之間所形成的鹽鍵。①

A-DNA螺旋：DNA在75%相對(duì)濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。②

B-DNA螺旋：DNA在92%相對(duì)濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。標(biāo)準(zhǔn)的右手雙螺旋，細(xì)胞正常狀態(tài)下DNA存在的構(gòu)型。③

Z-DNA螺旋：左手螺旋，這種螺旋可能在基因表達(dá)的調(diào)控中起作用。DNA雙螺旋的類型類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)間垂直距離（nm）堿基對(duì)與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7oB-DNA&Z-DNA2、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)定義：DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的更高層次的空間結(jié)構(gòu)，也就是比雙螺旋更為復(fù)雜的構(gòu)象。DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要是指雙螺旋進(jìn)一步螺旋形成的超螺旋（麻花狀）。原核生物及真核生物細(xì)胞器環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)質(zhì)粒染色體局部解鏈松弛環(huán)形負(fù)超螺旋松弛環(huán)形負(fù)超螺旋固定負(fù)超螺旋自然界通常為負(fù)超螺旋。環(huán)狀DNA右旋

超螺旋真核細(xì)胞染色體的DNA串珠狀（線形）三級(jí)結(jié)構(gòu)核小體形成核小體真核細(xì)胞染色體的DNA串珠狀（線形）三級(jí)結(jié)構(gòu)2、RNA分子的空間結(jié)構(gòu)①堿基組成為A、G、C、U（A＝U，G≡C）。稀有堿基或修飾堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解。②多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)單鏈回折局部形成螺旋。③分子較小。RNA核糖體RNArRNA（ribosomeRNA）信使RNAmRNA（messengerRNA）轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNA（transferRNA）RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP），按一定順序通過3′,5′-磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是短的、不完全螺旋的多核苷酸鏈。（天然RNA并非都是雙螺旋結(jié)構(gòu)，而是單鏈線形分子，只有局部區(qū)域?yàn)殡p螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋區(qū)約占RNA分子的50%。）RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是在莖環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲折疊而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

這種由單鏈自身折疊形成的結(jié)構(gòu)稱為莖環(huán)結(jié)構(gòu)。莖環(huán)結(jié)構(gòu)是各種RNA共同的二級(jí)結(jié)構(gòu)特征。約占細(xì)胞總RNA的80%。是核糖核蛋白體的主要組成部分。核糖核蛋白體=RNA＋蛋白質(zhì)，形成大小兩個(gè)亞基。核糖體是蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所。rRNA核糖體核糖核酸原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s

70s50s16s5s、23s40s

80s60s18s5s、5.8s、28srRNA的分子結(jié)構(gòu)基本上都是由部分雙螺旋與部分突環(huán)相間排列而成。mRNA信使核糖核酸約占細(xì)胞總RNA的3%～5%

。真核mRNA由核不均一RNA（hnRNA）剪切而來。在核糖體中作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

種類多，分子量大小極不均一，平均分子量約50萬(wàn)，核苷酸殘基數(shù)目從幾百到上萬(wàn)。

5’端“帽子結(jié)構(gòu)”：真核生物mRNA，5’端為7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸，與蛋白質(zhì)生物合成的起始有關(guān)。

3’端“尾巴結(jié)構(gòu)”：絕大多數(shù)真核生物mRNA，3’端為最長(zhǎng)達(dá)200個(gè)的多聚腺苷酸片段（polyA）。

真核生物mRNA一般為單順反子（即為編碼一條多肽鏈的mRNA）。polyA的功能：1、與mRNA從細(xì)