第二章 核酸的化学 华南师范大学生命科学学院 06级生物工程6班 何艳明

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1 第二章 核酸的化学 华南师范大学生命科学学院 06级生物工程6班 何艳明 20062502623
生物化学 第二章 核酸的化学 华南师范大学生命科学学院 06级生物工程6班 何艳明

2 一.核酸 核酸(nuclei acid)通过磷酸在不同核苷的3位或5位上结合起来的大分子,是控制生物遗传和支配蛋白质合成的模型 ,是最根本的生命的物质基础 . 根据所含戊糖不同,核酸可分为两大类: 含脱氧核糖的称脱氧核糖核酸(DNA); 含核糖的称核糖核酸(RNA) 除少数病毒以RNA为遗传物质外,多数生物体的遗传吾知是DNA. DNA(或RNA病毒中的RNA)结构的差别,决定不同生物体所含蛋白质的种类和数量的差别,因而表现出不同的形态结构和代谢类型

3 核酸连续水解的降解产物

4 (一)嘌呤碱和嘧啶碱 两类核酸所含的主要碱基都是四种 1.DNA和RNA所含的嘌呤碱完全相同,即腺嘌呤和鸟嘌呤
腺嘌呤 (Ade) 鸟嘌呤(Gua) 2.RNA主要含胞嘧啶和尿嘧啶 DNA大多数含胞嘧啶和胸腺嘧啶(5-甲基尿嘧啶) 嘧啶 胞嘧啶(Cyt) 胸腺嘧啶 (Thy) 尿嘧啶 (Ura)

5 核糖与脱氧核糖 含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体,在生理pH条件下主要 以酮形式存在.尿嘧啶的互变异构作用如下: 酮式 烯醇式
酮式 烯醇式 核糖与脱氧核糖 RNA含D-核糖,某些含小量D-2-O甲基核糖; DNA含D-2-脱氧核糖;核酸分子中 的戊糖都是β-D- 型. 5-脱氧-D-核糖

6 核苷是由碱基(嘌呤碱或嘧啶碱)通过糖苷键与戊糖(核糖或脱氧核糖)
(二)核苷酸与核苷 核苷是由碱基(嘌呤碱或嘧啶碱)通过糖苷键与戊糖(核糖或脱氧核糖) 缩合而成的糖苷. 糖的第一碳原子(C’1)通常与嘌呤碱的第9氮原子的第1氮原子相连(C1’-N1). tRNA中存在少量5-核糖尿嘧啶,其C’1与尿嘧啶第5个碳原子相连(C1’-N5),称假尿苷. 为了区分碱基杂环中的原子标号,戊糖中标号改为1’.2’3’….. 核苷用单字符号A,G,C,U表示,脱氧核苷则在单字符号前加d.

7 核苷酸是核苷的磷酸酯.是构成核酸大分子的基本单位.生物体内的
游离核苷多为5’-核苷酸. (核苷-5’-磷酸) (脱氧核苷-5’-磷酸) 通常被称为核苷一磷酸或核苷酸 用酶水解DNA或RAN,除了得到5’-核苷酸外,还可以得到5’-核苷酸.通常在核苷符号左侧加p表示5’-核苷酸(如pA为5’-腺苷酸),右侧加p表示5’-核苷酸(如Cp为3’-胞苷酸) 核苷酸英文缩写:腺苷酸为AMP,鸟苷酸为GMP.脱氧核苷则在前面加d

8 核苷酸的连接方式: 核苷酸间的连接键是3’,5’-磷酸二酯键,大分子主链由戊糖和磷酸构成,碱基有 次序地连接在其主链上的侧链上.主链上的磷酸是酸性的,在细胞的pH条件下带 负电荷. RNA和DNA链都有特殊的方向性,每条线型核酸链都有一个5’-末端和一个3’-末端. 各核苷酸残基沿多核苷酸链排列 的顺序称为核酸的一级结构,另外 也可以用碱基序列表示. RNA多核苷酸链的化学式

9 二.DNA的结构 (一)DNA是由数目庞大的4种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接而成的,
反向平行双链, 以5’端开始,3’ 端结束.遵循碱 基配对原则.

10 (二)DNA的二级结构---双螺旋结构 1.DNA分子是由两条反向平行多核苷链构成的,其中 两条链都是右手螺旋. 2.两条链上的碱基均在主链内侧, 按照碱基互补原 则两两配对,A与T, G与C配对. 双螺旋DNA分子整个长度的直径相同,螺旋直径为2nm. 碱基的互补配对

11 3.成对碱基大致处于同一平面,该平面与螺旋轴基本垂直.糖环平面与螺旋轴基本平行,磷酸基连在糖环外侧.
每转的高 度(螺距) 4.大多数天然DNA属双链结构(ds), 但某些病毒是单链. 5.由于受碱基配对等因素影响,DNA分 子比较刚硬呈比较伸展的结构. 但一些化学键亦可在一定范围内旋转,使 DNA分子有一定的柔韧性,可进一步扭曲成 三级结构 螺旋半径 相邻碱基对平面的距离

12 DNA双螺旋的构象类型 依据相对湿度92%的DNA钠盐得到的X射线衍射图提出的双螺旋结构称B-DNA 它与细胞内的DNA非常相似
依据相对湿度75%的DNA钠盐得到的X射线衍射图提出的双螺旋结构称A-DNA 碱基平面倾斜了20°,螺距和每一转 的碱基对数目都与B-DNA不同,而与RNA分子中的双螺旋区及DNA-RNA杂交分子在溶液中的构象很相近. 主链呈锯齿形左向盘绕(左手螺旋),命名为Z-DNA. 直径约1.8nm,螺距4.5nm,螺旋的每一转含12个碱基对;整个分子比较细长而伸展.碱基对偏离中心轴并靠近螺旋外侧,螺旋表面只有大沟没有小沟.

13 (三)DNA双螺旋进一步扭曲即构成三级结构.
双链DNA多数为线形分子,但某些DNA为双链环状DNA(dcDNA). 拧松两周再连接成环状,解链部分形成突环 解链环形DNA 负超荷螺旋 突环形成双螺旋时, 双链环向右手方向扭曲,形成右手超螺旋,又称超负螺旋 松弛环形 一段双螺旋数为25的B-DNA,在25周螺旋均已形成并连接成环时,双链不发生进一步扭曲

14 三.DNA和基因组 基因（Gene,Mendelian factor）是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，也称为遗传因子，是DNA分子中最小的功能单位。它通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。 结构基因:为RNA或蛋白质编码 调节基因:只有调节功能,而并不转录生成RNA的片断 某生物体所含全部基因称该生物体的基因组. 原核生物基因组主要特点: 1.除调节序列和信号序列外,DNA大部分是为蛋白质编码的结构基因,每个基 因在DNA分子中只出现一次或几次; 2.功能相同的基因常串联在一起,并转录在同一mRNA分子中; 3.有基因重叠现象

15 真核生物基因组的主要特点: 1.有重复序列: a.单拷贝序列(在整个DNA分子中只出现一次或少数几次,占人体细胞中DNA 的一半,为大多数蛋白质的基因) b.中度重复序列(重复几十到几千次,占30%-40%) c.高度重序列(重复几百万次,多为小于10bp的短序列,多数不编码蛋白质或RNA) 2.有断裂基因 原核生物与真核生物的基因间的一个基本不同点. 基因中不编码的居间序列称为内含子,而编码的片段则称做外显子.那孩子的存在 使真核生物基因成为不连续基因或断裂基因.

16 四.RNA RNA分子是含短的不完全的螺旋区多核苷酸,大多数为单链. RNA类型: 信使RNA (mRNA):指导蛋白质合成
核糖体RNA (rRNA)核糖体中的RNA 转移RNA (tRNA):将氨基酸转运到核糖体特定部位用于蛋白质合成 核内不均一RNA (hnRNA) 核内小RNA (snRNA) 反义RNA (asRNA) 其他功能:催化作用 在DNA复制,转录,翻译中有一定的调控 作用,与细胞内或细胞间一些物质的运输 和定位有关. tRNA三级结构

17 tRNA 三叶草形结构主要特征 tRNA的核苷酸序列(三叶草叶形) 二级结构 1.tRNA一般由四环四臂组成
2.氨基酸臂:5’端1-7位与近3’端的67-72位形成的7bp反平行双链 氨基酸接收臂 D臂 TψC臂 TψC环 D环:环上有二氢尿嘧啶(D) 可变环 反密子臂 反密码子环 反密码子 tRNA的核苷酸序列(三叶草叶形) 二级结构

18 rRNA mRNA和hnRNA snRNA和asRNA 核糖体由约40%的蛋白质和60%的rRNA组成rRNA占细胞RNA总量的80%.
原核生物mRNA的转录和翻译都在同一空间进行,两个过程常常紧密偶连同时发生.真核生物hnRNA是mRNA的前期物质. tT snRNA和asRNA 1.*snRNA存在广泛但含量不高,主要存在与细胞核中. *5’端有帽子结构,含U的多称U-RNA;5’端无帽子结构的按沉降系数或电泳迁移律排列. *均与蛋白质连在一起,以核糖核酸蛋白(RNP)的形式存在.U-RNP在hnRNA及rRNA的加工中有重要作用;其他在控制细胞分裂和分化,协助细胞内物质运输,构成染色质等 方面有重要作用. 2.asRNA在翻译水平抑制基因表达,抑制DNA的复制和转录.

19 五.核酸的性质 (一)一般理化性质: *既有磷酸基,又有碱性基团,为两性电解质, 通常显酸性.
RNA为白色粉末;DNA为白色纤维状固体,分子极不对称,长度比远远大于直径,故溶液粘度极高(RNA溶液年度要小得多); *RNA能在室温条件下被稀碱水解成核苷酸,而DNA对碱较稳定,故常用此性质测定RNA的碱基组成或除去溶液中的RNA杂质; *以下颜色反应可区别DNA和RNA或作为两者定量测量的基础: D-核糖 + 浓盐酸 + 苔黑酚(甲基间苯二酚) 加热 绿色 D-2-脱氧核糖 + 酸河二苯胺 加热 蓝紫色

20 (二)核酸的紫外吸收性质 嘌呤和嘧啶环的共轭体系强烈吸收260~290nm波段紫外光,最高吸收峰接近 260nm. 作用: 1.由于蛋白质在这一光区仅有很弱的吸收,因此可用这一性质测定它在细胞和组 织中的分布; 2.测定嘌呤与嘧啶衍生物在纯溶液中的含量及他们在色谱与电泳谱上的位置. (三)核酸的结构稳定性 1.碱基对间的氢健:不能同时打开许多氢健,局部打开的氢健游回复原有状态保持 分子构象不变的趋势. 2.碱基堆积:相连碱基平面间的距离使平面上下分布的π电子云相互作用,环境中水 疏水的碱基产生作用力都促使螺旋内的碱基堆积形成有规律的疏水核心; 这在维护核酸空间结构起主要作用 3.环境中的正离子 DNA双螺旋和RNA的螺旋区外侧带负电荷的磷酸基在不与正离子结合的状态下有 静电斥力.

21 (四)核酸的变性 双螺旋区氢健断裂,空间结构破坏,形成单链无规则线团状态的过程成为核 酸的变性(只涉及次级键的变化). 磷酸二酯键的断裂成核酸降解. 判断核酸的变性程度依据:260nm紫外吸收值明显增加(增色效应),粘度下降, 浮力密度升高,生物学功能部分或全部丧失. 促成变性发生的因素:破坏氢健,妨碍碱基堆积作用和增加磷酸基静电斥力

22 1.热变性和Tm 加热DNA与稀盐酸,达到一定程度后,260nm的吸光度骤然增加,表明两链开始 分开;当变化趋于平坦时,说明两链完全分开. 紫外吸收的增加量达到最大增加量的一般时的温度值称为溶解温度(Tm). Cot1/2=k 2.影响Tm的因素 (1)G-C对含量: G-C对相对含量愈高,Tm愈高,经验公式(G+C)%=(Tm-69.3)×22.4 (2)溶液的离子强度: 离子强度越低的介质中,Tm值越低.纯水中,DNA室温下就可变性 (3)溶液的pH值: pH大于11.3时,DNA完全变性.低于5.0时,DNA易脱嘌呤. (4)变性剂: 甲酰胺,尿素,甲醛等可破坏氢健,使Tm值下降

23 (五)核酸的复性 1.复性:变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程. 因复性时需要缓慢冷却,故又称退火 复性时温度不宜过低,Tm-25℃ 是较适合的复性温度. 2.影响复性速度的因素 单链片段浓度越高,随机碰撞的频率越高,复性速度越快. (2) 较大的单链片段扩散困难, 链间错配频率高,复性较慢. (3) 片段内的重复序列多,则容易形成互补区,因而复性较快. (4) 维持溶液一定的离子强度,消除磷酸基负电荷造成的斥力,可加快复性速度. 在退火情况下,不同来源的DNA互补区形成双链,或DNA单链和RNA链的互 补区形成DNA-RNA杂交双链的过程称分子杂交.

24 (六).核酸的序列测定 酶法