第五章核酸的化學(xué)

第五章

核酸的化學(xué)王偉章博士/副教授生物化學(xué)與分子生物學(xué)系wei-zhangwang@主要內(nèi)容第一節(jié)

核酸的組成與結(jié)構(gòu)第二節(jié)

核酸的理化性質(zhì)第三節(jié)

核酸的分離與含量測(cè)定一、核酸的生物功能天然的核酸分為兩大類(lèi)：脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)：主要存在于細(xì)胞核和線粒體。核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)：主要分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。一、核酸的生物功能（一）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（三）核酸與醫(yī)藥二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷或脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖【RNA】【DNA】【核酸的基本單位】DNA和RNA的基本化學(xué)組成DNARNA嘌呤堿(purinebases)腺嘌呤(adenine，A)腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤(guanine，G)鳥(niǎo)嘌呤嘧啶堿(pyrimidinebases)胞嘧啶(cytosine，C)胞嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶(uracil,U)戊糖(pentose)D-2-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸（二）核苷和核苷酸1.堿基堿基嘌呤嘧啶核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷或脫氧核苷磷酸戊糖核糖脫氧核糖二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位嘌呤堿基嘌呤（purine，Pu）腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)NNNHNNH2NNHNHNNH2ONNNHN123456789嘧啶堿基嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOONNH132456NHNHOOCH3NNHNH2O稀有堿基（一）核苷和核苷酸2.核糖和脫氧核糖堿基嘌呤嘧啶核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷或脫氧核苷磷酸戊糖核糖脫氧核糖二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位戊糖（pentose）（構(gòu)成RNA）β-D-核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）β-D-2-脫氧核糖(deoxyribose)12345OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH（一）核苷和核苷酸3.核苷核酸(DNA和RNA)核苷酸磷酸嘌呤嘧啶核苷或脫氧核苷堿基戊糖核糖脫氧核糖二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位核苷(nucleoside)HOCH2OOHOHOHNNNNHNH2HOCH2OOHOHNNNNNH2H2O腺嘌呤核苷【腺苷,A】1’919【腺嘌呤】【核糖】核苷：嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過(guò)β-N-糖苷鍵相連形成核苷(nucleoside)。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵NN1N2OOHOHHHHCH2OHH1'2'HO腺苷胞苷核苷(nucleoside)脫氧核苷(deoxynucleoside)【胞嘧啶】【2-脫氧核糖】HOCH2OOHHOH1NNHNH2O1H2O胞嘧啶脫氧核苷【脫氧胞苷,dC】NNNH2OHOCH2OOHH1’1脫氧核苷：嘌呤N-9

或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過(guò)β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxynucleoside)。NNNN9NH2OHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵NN1N2OHOHHHHCH2OHH1'2'HO脫氧腺苷脫氧胞苷脫氧核苷(deoxynucleoside)（一）核苷和核苷酸3.核苷酸核苷酸核苷或脫氧核苷磷酸核酸(DNA和RNA)堿基嘌呤嘧啶戊糖核糖脫氧核糖二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO腺苷酸AMPOHPO-HOONNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OH+酯鍵H2O腺苷核苷酸(ribonucleotide)

核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonu-cleotide)。默認(rèn)情況下核苷酸均為5'-核苷酸。糖苷鍵酯鍵OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOONNNH2ONNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO腺苷酸(AMP)胞苷酸(CMP)核苷酸(nucleotide)核苷酸結(jié)構(gòu)示意圖：磷酸酯鍵糖苷鍵核糖或脫氧核糖5'1'堿基1或9核苷核苷酸核苷酸的衍生物

多磷酸核苷酸核苷酸的命名AMPadenosinemonophosphate

一磷酸腺苷或腺苷一磷酸簡(jiǎn)稱(chēng)：腺苷酸ADPadenosinediphosphate

二磷酸腺苷或腺苷二磷酸ATPadenosinetriphosphate

三磷酸腺苷或腺苷三磷酸核苷酸的命名dAMPdeoxyadenosinemonophosphate

脫氧一磷酸腺苷或脫氧腺苷一磷酸簡(jiǎn)稱(chēng)：脫氧腺苷酸dADPdeoxyadenosinediphosphate

脫氧二磷酸腺苷或脫氧腺苷二磷酸dATPdeoxyadenosinetriphosphate

脫氧三磷酸腺苷或脫氧腺苷三磷酸習(xí)慣上把核苷酸的通式書(shū)寫(xiě)為：

NMP、NDP、NTP或者dNMP、dNDP、dNTP（N代表任意一個(gè)堿基的符號(hào)）RNA的基本結(jié)構(gòu)單位 DNA的基本結(jié)構(gòu)單位腺嘌呤核苷酸(adenosinemonophosphate，

AMP)腺嘌呤脫氧核苷酸(deoxyadenosinemonophosphate，

dAMP)鳥(niǎo)嘌呤核苷酸(guanosinemonophosphate，

GMP)鳥(niǎo)嘌呤脫氧核苷酸(deoxyguanosinemonophosphate，

dGMP)胞嘧啶核苷酸(cytidinemonophosphate，

CMP)胞嘧啶脫氧苷酸(deoxycytidinemonophosphate，

dCMP)尿嘧啶核苷酸(uridinemonophosphate，

UMP)胸腺嘧啶脫氧核苷酸(deoxythymidinemonophosphate，

dTMP)RNA和DNA的基本結(jié)構(gòu)單位（二）環(huán)化核苷酸二、核酸的分子組成與基本結(jié)構(gòu)單位cAMP、cGMP是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)1．DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

指構(gòu)成核酸的各個(gè)單核苷酸之間連接鍵的性質(zhì)以及組成中單核苷酸的數(shù)目和排列順序（堿基排列順序）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)

三、核酸的分子結(jié)構(gòu)OCH2OOHOHN1-OPO-OPPiOHOHOCH2OOOHN1-OPO-OOCH2ON2-OPO3'5'5'3'3'-磷酸酯鍵5'-磷酸酯鍵OCH2OOHOHN2OPO-OOPO-OO-OPO-NMPNTP核苷酸的連接方式5′-末端3',5'-磷酸二酯鍵核苷酸的鏈接方式為：3',5'-磷酸二酯鍵核酸鏈的方向是5→3交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成核酸鏈的骨架

(backbone)堿基順序可以代表核苷酸的排列順序3′-末端3',5'-磷酸二酯鍵5’-AMP-TMP-GMP-3’（ATG）ATCGATCGPOH5’3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’

pATCGATCG-OH

3’ATCGATCGPRN3’2’5’1’核苷酸簡(jiǎn)式核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)及其書(shū)寫(xiě)方法（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)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)：真核生物（1）重復(fù)順序：高度重復(fù)順序，中度重復(fù)順序和單一順序。（2）間隔順序與插入順序：基因與基因間的非編碼序列稱(chēng)為間隔順序，基因內(nèi)的非編碼序列稱(chēng)為插入順序。（3）回文結(jié)構(gòu)三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)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)：原核生物（1）具有基因重疊（2）mRNA是多順?lè)醋樱?）DNA順序不含有插入或間隔序列三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（1）DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的Watson-Crick模型三、核酸的分子結(jié)構(gòu)1953年Watson&Crick提出DNA雙螺旋學(xué)說(shuō)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)圖（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：三、核酸的分子結(jié)構(gòu)兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個(gè)螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：三、核酸的分子結(jié)構(gòu)脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：三、核酸的分子結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)小溝（minorgroove）和一個(gè)大溝（majorgroove）。小溝大溝（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：堿基配對(duì)關(guān)系稱(chēng)為堿基互補(bǔ)（AT、GC）

三、核酸的分子結(jié)構(gòu)腺嘌呤（A）鳥(niǎo)嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈CAGTTCGTCAAG（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定三種作用力：堿基堆積力，氫鍵和離子鍵。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（動(dòng)畫(huà)）類(lèi)型結(jié)晶狀態(tài)螺距(nm)堆積距離(nm)每圈螺旋堿基對(duì)數(shù)堿基夾角A75％相對(duì)濕度，鈉鹽2.80.2561132.7°B92％相對(duì)濕度，鈉鹽3.40.341036°C66％相對(duì)濕度，鋰鹽3.10.3329.338°DNA的類(lèi)型(右手螺旋)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（3）左手螺旋DNA（Z-DNA）三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)3．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（4）三鏈DNA（H-DNA）三、核酸的分子結(jié)構(gòu)W-C配對(duì)Hoogsteen配對(duì)三鏈DNA（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)4．DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

在DNA雙螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，雙螺旋的扭曲或再次螺旋構(gòu)成DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)：盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋(negativesupercoil)：盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)5．染色質(zhì)與染色體染色質(zhì)(chromatin)：具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的DNA和組蛋白緊密結(jié)合所形成的結(jié)構(gòu)。染色體(chromosome)：有絲分裂期，染色質(zhì)發(fā)生凝集而形成的凝聚物。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)真核DNA的組裝雙鏈DNA核小體染色質(zhì)纖維空管染色質(zhì)纖維染色體組蛋白真核DNA的組裝（動(dòng)畫(huà)）（一）DNA的分子結(jié)構(gòu)6．基因與基因組基因（gene）：染色體上占有一定空間的特定DNA片段。基因組學(xué)(genome)：研究生物體基因和基因組的結(jié)構(gòu)組成，穩(wěn)定性及功能的一門(mén)學(xué)科，包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（1）核糖體RNA(rRNA)：核糖體RNA是細(xì)胞中主要的一類(lèi)RNA，rRNA占細(xì)胞中全部RNA的80％左右，是一類(lèi)代謝穩(wěn)定、分子量最大的RNA，存在于核糖體內(nèi)。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)核糖體的組成S（Svedberg）：沉降

單位，1S=10-13秒（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（2）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）：tRNA是細(xì)胞中一類(lèi)最小的RNA，tRNA一般由73~93個(gè)核苷酸構(gòu)成，分子量23000~28000。在蛋白質(zhì)生物合成中tRNA起攜帶氨基酸的作用。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)tRNA（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（3）信使RNA（mRNA）：mRNA在細(xì)胞中含量很少，占RNA總量的3％~5％,是合成蛋白質(zhì)的模板。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（4）干擾小RNA和微小RNA：干擾小RNA（SiRNA）

：由雙鏈RNA（dsRNA）經(jīng)特異RNA酶Ⅲ家族的Dicer核酸酶切割形成的19~21個(gè)堿基左右的雙鏈小RNA。RNA干擾（RNAi）：由dsRNA誘導(dǎo)的基因沉默效應(yīng)。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)RNAi的作用機(jī)制（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（4）干擾小RNA和微小RNA：微小RNA（microRNA）的特點(diǎn)：含19~25個(gè)單核苷酸的單鏈RNA。不編碼任何蛋白。具有保守性、時(shí)序性和組織特異性。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)1．RNA的類(lèi)型（4）干擾小RNA和微小RNA：RNA干擾技術(shù)在藥物研究中的應(yīng)用：腫瘤病毒感染顯性致病基因引起的遺傳性疾病…..三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)2．RNA的結(jié)構(gòu)特征（1）RNA的基本組成單位是AMP、GMP、CMP及UMP，也含有較多種類(lèi)的稀有堿基核苷酸。（2）每分子RNA中約含有幾十個(gè)至數(shù)千個(gè)NMP，與DNA相似，彼此通過(guò)3′，5′-磷酸二酯鍵連接而成多核苷酸鏈。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)2．RNA的結(jié)構(gòu)特征（3）RNA主要是單鏈結(jié)構(gòu)，但局部區(qū)域可卷曲形成雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)。（4）RNA易被堿水解，使5′-磷酸酯鍵斷開(kāi)，形成3′-磷酸酯鍵的單核苷酸。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)3．參與蛋白質(zhì)生物合成的三類(lèi)RNA的結(jié)構(gòu)（1）tRNA的結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)：皆由70~90個(gè)核苷酸組成，有較多的稀有堿基核苷酸，3′-末端為-C-C-AOH。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)3．參與蛋白質(zhì)生物合成的三類(lèi)RNA的結(jié)構(gòu)（1）tRNA的結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)：三葉草式氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)和TφC環(huán)三、核酸的分子結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)3．參與蛋白質(zhì)生物合成的三類(lèi)RNA的結(jié)構(gòu)（1）tRNA的結(jié)構(gòu)：三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒L形三、核酸的分子結(jié)構(gòu)氨基酰tRNA合成酶tRNA反密碼子氨基酸氨基酸臂（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)3．參與蛋白質(zhì)生物合成的三類(lèi)RNA的結(jié)構(gòu)（2）mRNA的結(jié)構(gòu)-真核生物真核mRNA的5′末端有帽子結(jié)構(gòu)（7-甲基鳥(niǎo)嘌呤核苷三磷酸）。絕大多數(shù)真核細(xì)胞mRNA在3′末端有多聚腺苷酸(polyA)。三、核酸的分子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm7-甲基鳥(niǎo)嘌呤5’-5’三磷酸真核生物5’帽子結(jié)構(gòu)真核生物mRNA的帽結(jié)構(gòu)及加帽過(guò)程轉(zhuǎn)錄DNA去除γ磷酸基團(tuán)5’-5’三磷酸形成G7位上甲基化在G后的第一或第二個(gè)核苷酸的C-2’上的甲基化hnRNA帽子結(jié)構(gòu)真核生物3’多聚腺苷酸成熟的mRNA的結(jié)構(gòu)開(kāi)放閱讀框（ORF）起始密碼子終止密碼子PPP53蛋白質(zhì)真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)原核生物mRNA的結(jié)構(gòu)（二）RNA的種類(lèi)和分子結(jié)構(gòu)3．參與蛋白質(zhì)生物合成的三類(lèi)RNA的結(jié)構(gòu)（3）rRNA結(jié)構(gòu)三、核酸的分子結(jié)構(gòu)最普遍的二級(jí)結(jié)構(gòu)：發(fā)夾結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容第一節(jié)

核酸的組成與結(jié)構(gòu)第二節(jié)

核酸的理化性質(zhì)第三節(jié)

核酸的分離與含量測(cè)定真核細(xì)胞染色體中的DNA：果蠅巨染色體分子量約為8×1010。大腸桿菌染色體DNA：分子量約2×109。噬菌體T2DNA：分子量約為1×108。RNA分子比DNA短得多：其分子量只達(dá)（2.3×11）×104。一、核酸的分子大小1.溶解度RNA和DNA都微溶于水，而不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。RNA和DNA的鈉鹽比自由酸易溶于水。2.黏度DNA溶液黏度極大。RNA的黏度比DNA黏度小。二、核酸的溶解度與黏度核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。三、核酸的酸堿性核酸在波長(zhǎng)260nm

處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。DNA的增色效應(yīng)：變性的DNA在260nm處的紫外吸收值顯著增加。DNA的減色效應(yīng)：在一定條件下，變性核酸可以復(fù)性，紫外吸收值回復(fù)至原來(lái)水平。四、核酸的紫外吸收DNA的增色效應(yīng)和減色效應(yīng)（一）變性某些理化因素（加熱、過(guò)高過(guò)低的pH、有機(jī)溶劑、酰胺和尿素等）破壞氫鍵和堿基堆積力，使核酸分子的空間結(jié)構(gòu)改變，從而引起核酸理化性質(zhì)和生物學(xué)功能改變的現(xiàn)象。變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂，并不涉及核苷酸間共價(jià)鍵的斷裂。五、核酸的變性、復(fù)性和雜交DNA的變性過(guò)程高溫等極端條件雙鏈DNA局部解鏈DNA大部分解鏈DNA單鏈DNADNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度相對(duì)于A260值作圖，所得的曲線稱(chēng)為解鏈曲線。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)：解鏈過(guò)程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。解鏈溫度與核酸鏈堿基