生物化學(xué)藥核酸的化學(xué).jsp

1、第五章 核酸的化學(xué)第一節(jié) 核酸的組成與結(jié)構(gòu)核酸nucleic acid： 含有磷酸基團(tuán)的重要生物大分子。 凡具生命的地方有核酸的存在一、核酸的生物功能組成： 核糖核酸（RNA）：存在于細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核 mRNA、tRNA、rRNA（真核hnRNA、SnRNA） 脫氧核糖核酸（DNA)：主要分布于細(xì)胞核中 DNA真核以核蛋白形式存在（一）核酸是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 遺傳與變異是最重要、最本質(zhì)的生命現(xiàn)象 遺傳保證物種的相對(duì)穩(wěn)定性 變異才使得物種進(jìn)化和生物發(fā)展有可能。 基因：含有合成一個(gè)功能性生物分子所需信息的一個(gè)特定的DNA片段。 所以，核酸是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。（二）核酸與生物遺傳信息的傳遞 遺傳信息

2、儲(chǔ)存在DNA分子上，生物性狀則通過(guò)蛋白質(zhì)的生物功能表現(xiàn)出來(lái)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由DNA決定。（三）核酸與醫(yī)學(xué) 疾病研究；疾病治療； 分子生物學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用二、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位單核苷酸 核酸 由單核苷酸組成的多核苷酸（polynucleotide）鏈 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 堿基（嘌呤、嘧啶） 戊糖 堿基（base） 嘌呤（purine，Pu） 腺嘌呤A 鳥(niǎo)嘌呤G 嘧啶（pyrimidine，Py） 胞嘧啶C胸腺嘧啶T僅存于DNA尿嘧啶U僅存于RNADNA或RNA中均存在 （一）核苷和核苷酸1.堿基 酮基或氨基位于雜環(huán)上N位的鄰位上,易形成異構(gòu)體 (pH影響)稀有堿基 1-甲基A（或G)，次黃嘌呤

3、（I），二氫尿嘧啶，假尿嘧啶等假尿嘧啶次黃嘌呤（I）2.核糖和脫氧核糖 均為D核糖 DNA含D脫氧核糖；RNA含D核糖 （少數(shù)RNA含-D-2-o-甲基核糖) 戊糖和堿基縮合而成的糖苷 nucleoside連接方式： 戊糖的C1 與嘧啶的N1 或嘌呤的N9相連接 N-C鍵N-糖苷鍵（均為糖苷鍵）3.核苷RNA：（核苷）堿基核糖 腺嘌呤核苷A; 鳥(niǎo)嘌呤核苷G； 尿嘧啶核苷U (假尿嘧啶，核糖與環(huán)C5連接）DNA：（脫氧核苷）堿基脫氧核糖 dA; dT; dG; dC 4.核苷酸： 核苷中的戊糖羥基磷酸化nucleotide（二）環(huán)化核苷酸 3,5-環(huán)腺苷酸（3,5-cyclic adenylic

4、 acid）簡(jiǎn)稱cAMP 3,5-環(huán)鳥(niǎo)苷酸（3,5-cyclic guanylic acid）簡(jiǎn)稱cGMP。 參與信號(hào)傳導(dǎo)，為第二信使（三）輔酶類核苷酸1.輔酶I（CoI,NAD)和輔酶II（CoII,NADP) 輔酶I（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸） 輔酶II（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） 2.黃素腺嘌呤二核苷酸FAD 核黃素磷酸磷酸D-核糖腺嘌呤3.輔酶A（CoA，CoA-SH）腺嘌呤 氨基乙硫醇D-核糖磷酸 泛酸 磷酸 磷酸 泛酸為水溶性維生素；氨基乙硫醇中SH為重要功能基團(tuán)。 三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)1.DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu) 多核苷酸鏈中堿基的數(shù)目及排列順序 連接鍵：3,5-磷酸二酯

5、鍵 連接方式： 一個(gè)核苷酸的脫氧核糖C5的磷酸基與相鄰的核苷酸的脫氧核糖C3的OH縮合形成酯鍵。 多核苷酸書(shū)寫：5磷酸在左，3羥基在右 pApCpTpG- pA-C-T-G 或pACTG 讀向：從左到右，表示堿基序列從5到3。 不同的DNA的核苷酸數(shù)目和排列順序不同。 人類DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)序工作已完成。2.真核細(xì)胞染色質(zhì)DNA與原核生物DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) DNA （分子大）、組蛋白、非組蛋白、RNA組成。真核細(xì)胞染色體特點(diǎn)： （1）重復(fù)順序：其DNA具有重復(fù)排列的核苷酸序列 重復(fù)的程度分：高度重復(fù)序列（106-7）； 中度重復(fù)序列（102-4）； 單拷貝（往往為一個(gè)Pr的結(jié)構(gòu)基因）。 （2）

6、間隔序列與插入序列（內(nèi)含子與外顯子） DNA中編碼蛋白質(zhì)或RNA的序列外顯子exon 編碼序列之間存在一些非編碼區(qū)內(nèi)含子intron （3）回文結(jié)構(gòu)：真核細(xì)胞DNA中存在特殊的序列。 堿基排列在兩條DNA鏈中順讀與倒讀意義一樣，（軸轉(zhuǎn)180兩部分可完全相同）的結(jié)構(gòu) TAGCTATAGCTA ATCGATATCGAT 原核生物DNA特點(diǎn)（1）基因重疊：即在同一DNA序列中常常包括不同的基因區(qū)，重疊在一起的基因編碼組序不同，而翻譯出不同蛋白質(zhì)。 病毒中典型 K基因的起始密碼 TGATGB基因的終止密碼 A基因的ASP密碼（2）DNA序列每轉(zhuǎn)錄出的一段mRNA，常包含多個(gè)順?lè)醋樱ū磉_(dá)多個(gè)功能相關(guān)的蛋

7、白質(zhì)）（3）結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的（即：無(wú)內(nèi)含子存在）3.DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（1）Watson-Crick模型（雙螺旋結(jié)構(gòu)）（1953） 要點(diǎn)： 1）DNA分子由兩條多核苷酸鏈構(gòu)成，反向平行（一條3到5；另一條5到3）。為雙螺旋結(jié)構(gòu)，右手螺旋。螺旋形成一大溝一小溝。 2）磷酸基與脫氧核糖在外側(cè)，彼此以磷酸二酯鍵連接，形成DNA骨架；內(nèi)側(cè)為堿基;糖環(huán)平面與堿基平面相互垂直； 3）雙螺旋直徑為2nm。每隔0.34nm有一個(gè)核苷酸。10對(duì)核苷酸/圈螺旋，高度為3.4nm。 4）兩條鏈堿基間以氫鍵連接， A:T（兩個(gè)氫鍵），C:G（三個(gè)氫鍵）堿基互補(bǔ)。 5）雙螺旋表面由大小溝，對(duì)DNA與蛋白質(zhì)識(shí)別重要。 互補(bǔ)

8、堿基間的氫鍵； 堿基堆積力（最重要）：由于雜環(huán)堿基間的 電子之間相互作用所引起。DNA內(nèi)部形成疏水核心有利于堿基間氫鍵形成； 磷酸基負(fù)電荷與介質(zhì)正電荷之間形成離子鍵。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素：天然DNA構(gòu)象在不同濕度、鹽濃度中，DNA結(jié)晶X線衍射數(shù)據(jù)不一樣。 M.Wilkin等將DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)分為A.B.C型。 天然DNA為B型。5端3端5端3端 雙螺旋，左旋。主鏈中磷原子連接線呈鋸齒狀，好似Z字形。螺旋直徑1.8nm，螺距4.5nm， 12對(duì)堿基/螺旋，整個(gè)分子比較細(xì)長(zhǎng)，無(wú)大小溝。 為人工合成的DNA實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 現(xiàn)認(rèn)為ZDNA為天然DNA的一種構(gòu)象，可能與基因表達(dá)調(diào)控等有關(guān)。（2）左手螺旋

9、DNA: Z-DNA（1979)4.DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 在雙螺旋基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤繞扭曲構(gòu)成。 超螺旋為其中一種形式，環(huán)狀DNA為此構(gòu)型可壓縮成很小體積。（大腸桿菌DNA） 真核細(xì)胞中DNA結(jié)構(gòu)與結(jié)合的蛋白質(zhì)有關(guān) 雙鏈DNA蛋白質(zhì)串珠狀核小體螺旋筒染色體纖維染色體單體23對(duì)染色單體 （胞核） （200um)5.染色質(zhì)與染色體6.基因與基因組 一條染色體上有很多基因 真核生物一個(gè)染色體由兩條染色單體配對(duì)存在； 體細(xì)胞二倍體細(xì)胞中每一個(gè)基因是成對(duì)存在的，每一對(duì)基因分別為來(lái)自雙親的染色體同一位置（locus），即等位基因（allele）。 一個(gè)群體中，每個(gè)基因座上有兩個(gè)以上等位基因 復(fù)等位基因 當(dāng)一個(gè)生物

10、體帶有一對(duì)完全相同的等位基因時(shí)，該生物體就該基因而言是純合的（純種）； 如果一對(duì)等位基因不相同，則該生物體是雜合的（雜種）。 等位基因之間存在相互作用，當(dāng)一個(gè)等位基因決定生物性狀的作用強(qiáng)于另一等位基因并使生物只表現(xiàn)出其自身的性狀時(shí)，就出現(xiàn)顯隱性關(guān)系，作用強(qiáng)的是顯性，作用被掩蓋不表現(xiàn)的為隱性。 完全顯性： 顯性完全掩蓋隱性不完全顯性： 兩者相互作用而出現(xiàn)介于兩者的中間性狀。生物體基因組由整套染色體組成基因組DNA分類：1.基因序列和非基因序列2.編碼序列和非編碼序列3.單一序列和重復(fù)序列基因組學(xué)genomics： 研究生物體基因和基因組的結(jié)構(gòu)組成，穩(wěn)定性及功能的學(xué)科 包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組

11、學(xué) 細(xì)胞核和胞液線粒體功能核蛋白體RNA rRNAmt rRNA核蛋白體組成成分信使RNA mRNAmt mRNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)RNA tRNA mt tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前體核內(nèi)小RNA snRNA 參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修飾胞質(zhì)小RNAscRNA 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組成成分動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要的RNA種類及功能 （二）RNA的種類和分子結(jié)構(gòu)1.RNA的類型 （1）rRNA 核蛋白體RNA ribosomal RNA rRNA為總RNA的80%，代謝穩(wěn)定，分子量最大的RNA，存在于核蛋白體中。 核蛋

12、白體為蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所，由大小亞基組成，亞基含有各種rRNA和蛋白質(zhì)。（ 3）mRNA 信使RNA messenger RNA 含量少，占35%，代謝不穩(wěn)定，為合成蛋白質(zhì)的模板。 （2）tRNA 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA transfer RNA 最小的一類RNA，由幾十個(gè)堿基組成。占總RNA 15%其它類型RNA（hnRNA、SnRNA、ChRNA） snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控非mRNA小RNA （snmRNAs）包括： 核內(nèi)小RNA-snRNA； 核仁小RNA-snoRNA 胞質(zhì)小RNA-scRNA；催化小RNA （ 核酶） 小片段干擾RNARNA組學(xué): 對(duì)這類小分子RNA的種類、結(jié)構(gòu)和功能研究、不

13、同時(shí)空狀態(tài)下表達(dá)譜變化已經(jīng)之間的關(guān)系的研究。補(bǔ)充（4）小的干涉RNA（siRNA）和微小RNA（miRNA）1）siRNA：2122個(gè)單核苷酸長(zhǎng)度的雙鏈RNA 人工合成，體內(nèi)經(jīng)Dicer切割形成 小分子RNA可以促使與其互補(bǔ)的mRNA被核酸酶切割降解，而有效的定向抑制靶基因的表達(dá)。 -RNA干涉（interfence）2）miRNA： 含1925單核苷酸的單鏈RNA，存在于真核生物中，不編碼蛋白質(zhì)； 其通過(guò)與靶mRNA3-UTR堿基配對(duì)的方式來(lái)執(zhí)行對(duì)靶mRNA的轉(zhuǎn)錄翻譯抑制的功能 2.RNA的結(jié)構(gòu)特征（1）RNA的基本組成單位是： AMP、GMP、CMP、UMP 并含有稀有堿基（2）多核苷酸鏈

14、：由幾十個(gè)至數(shù)千個(gè)NMP以磷酸二酯鍵連接而成。（3）RNA主要是單鏈結(jié)構(gòu)，局部雙鏈（發(fā)夾結(jié)構(gòu)） 以A-U;C-G配對(duì)。 （4）穩(wěn)定性差，亦被堿水解 3.參與Pr生物合成的RNA結(jié)構(gòu)（1）tRNA結(jié)構(gòu) 1）一級(jí)結(jié)構(gòu)：70個(gè)左右核苷酸組成，較多稀有堿基 2）二級(jí)結(jié)構(gòu)：三葉草式結(jié)構(gòu)； 3端CCAOH（AA臂）； DHU環(huán)； 反密碼環(huán)； 額外環(huán)； TC環(huán) 3）三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒“L”型2.mRNA結(jié)構(gòu)（1）分子量大小不一（2）3末端有200個(gè)左右堿基的polyA尾（3）5端有7-甲基鳥(niǎo)嘌呤核苷三磷酸的帽子（真核）（4) mRNA分子中有編碼區(qū)和非編碼區(qū)（5）每分子mRNA可同時(shí)結(jié)合幾十個(gè)核糖體 (多核糖體）

15、 原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1) 一般多為多順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu)：即一個(gè)單鏈mRNA分子可作為多種多肽和蛋白質(zhì)合成的模板（2）mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯是耦合的。（3）mRNA分子中包含有先導(dǎo)區(qū)、翻譯區(qū)和非翻譯區(qū)，即在兩個(gè)多順?lè)醋又g有不參加翻譯的插入順序。真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1)mRNA3末端有polyA尾，5端有m7GPPPNP帽子結(jié)構(gòu)（2）一般為單順?lè)醋樱ㄒ粋€(gè)mRNA分子只為一種多肽編碼）（3）轉(zhuǎn)錄（核中）與翻譯（胞質(zhì)）分開(kāi)進(jìn)行7-甲基鳥(niǎo)嘌呤三磷酸鳥(niǎo)苷與mRNA所有其他核苷酸呈相反方向3.rRNA的結(jié)構(gòu)分子大小不一， 如前述多個(gè)局部存在莖環(huán)結(jié)構(gòu)（局部配對(duì)造成）真核細(xì)胞的rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合存在

16、與核糖體的大小亞基中。5SRNA與tRNA結(jié)構(gòu)類似其他RNA及病毒RNA尾部分螺旋及部分突環(huán)相間排列。第二節(jié) 核酸的理化性質(zhì)一、分子大小 DNA來(lái)源 分子量 長(zhǎng)度 堿基對(duì)數(shù)目 構(gòu)象 E.Coli 2.2109 1.3mm 3106 環(huán)狀雙鏈流感嗜血桿菌 8108 300um 1.2106 雙鏈支原體H39 4108 150um 6105 雙鏈人13號(hào)染色體 6.41010 3.2cm 9.6107 線狀雙鏈 二、核酸的溶解度與粘度 核酸為極性化合物，微溶于水，鈉鹽易溶一些。不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。 粘度大，RNA粘度較DNA小三、核酸的酸堿性質(zhì) 核酸中磷酸基pK值低，所以核酸作為多元

17、酸，具較強(qiáng)酸性。 堿基的解離與環(huán)境pH有關(guān)，DNA在pH4.011.0最穩(wěn)定。四、核酸的紫外吸收 嘌呤、嘧啶具有強(qiáng)烈的紫外吸收，所以核酸有紫外吸收，260nm處最大吸收值。可進(jìn)行核酸定量測(cè)定。增色效應(yīng)：核酸變性時(shí)，紫外吸收增加的現(xiàn)象減色效應(yīng)：核酸復(fù)性時(shí)，紫外吸收減少的現(xiàn)象 與堿基在核酸結(jié)構(gòu)中暴露情況有關(guān)。 也可用定磷法測(cè)定核酸的克分子消光系數(shù)五、核酸的變性、復(fù)性和雜交（一）變性 理化因素使核酸分子的空間結(jié)構(gòu)改變，引起核酸理化性質(zhì)、生物學(xué)功能改變的現(xiàn)象 變性時(shí)核酸雙鏈解開(kāi)，但一級(jí)結(jié)構(gòu)未破壞。理化因素： 加熱、過(guò)高過(guò)低的pH，有機(jī)溶劑、酰胺、尿素等 熱變性：加熱引起DNA的變性。其過(guò)程為“躍變”過(guò)

18、程 加熱DNA雙螺旋 無(wú)規(guī)線團(tuán) 恢復(fù)室溫 變性可使粘度降低，紫外吸收增加。Tm值：吸光值260nm達(dá)最高1/2時(shí)的溫度。 DNA的Tm值一般在7085C之間 Tm值高低與CG含量有關(guān)，含量越多，Tm值越高。 經(jīng)驗(yàn)公式： （G+C)%=（Tm-69.3)2.44 Tm值受離子強(qiáng)度影響，離子強(qiáng)度高，核酸的Tm值高，反之則低。（二）復(fù)性renaturation 變性的DNA在適當(dāng)條件下，可使兩條彼此分開(kāi)的鏈重新由氫鍵連接而形成雙鏈的過(guò)程。（三）核酸的雜交hybridization 將來(lái)源不同的DNA經(jīng)熱變性，冷卻，使其復(fù)性，在復(fù)性時(shí)，異源DNA之間在某些區(qū)域有相同的序列會(huì)形成雜交DNA分子。 RNA與DNA分子亦會(huì)形成雜交分子。 DNA雜交方法Southern印跡法 RNA雜交方法Northern blotting 蛋白質(zhì)雜交方法Western blotting第三節(jié) 核酸的分