第3章 核酸化學(xué)

第三章核酸的化學(xué)本章內(nèi)容核苷酸DNARNA核酸的性質(zhì)概念核酸(nucleicacid)是由堿基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸組成的高分子物質(zhì)，是生物體的基本組成。種類：

DNA（脫氧核糖核酸）RNA（核糖核酸）分布：

DNA：主要在細(xì)胞核中，是染色體的主要成分。此外在線粒體、葉綠體、

質(zhì)粒及細(xì)胞膜上.RNA：細(xì)胞核——核仁；

細(xì)胞質(zhì)——核糖體及上清液中。第一節(jié)核苷酸核酸是一種線形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸(nucleotide)。戊糖堿基磷酸核苷核苷酸核酸

核苷酸的基

本結(jié)構(gòu)一、核酸中的戊糖D-核糖（D-ribose）D-脫氧核糖（D-deoxyribose）核酸據(jù)此分類：脫氧核糖——DNA；核糖——RNA；核酸中的戊糖均為β-D-型二、堿基尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)核酸中的堿基分兩類：1、嘧啶堿(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。2、嘌呤堿(purine)：由嘌呤衍生而來(lái)。3、稀有堿基：一些修飾堿基，因含量甚少而稱之為稀有堿基。大多為甲基化堿基，多在tRNA中。三、核苷(nucleoside)

核苷：戊糖與堿基縮合而成，并以糖苷鍵相連接。糖苷鍵：

二者的連接是C-N鍵，稱N-糖苷鍵。核苷的表示：核苷：A、G、C、U脫氧核苷：dA,dG,dC,dT修飾核苷：如5-甲基胞嘧啶：m5dC。四、核苷酸(nucleotide，nt)1、種類：1）按酯化位點(diǎn)：可在核糖的2’-,3’-,5’-；2）按核糖類型：核苷酸、脫氧核苷酸核苷中戊糖的羥基被磷酸酯化，即為核苷酸。2、結(jié)構(gòu)：3、表示：與一個(gè)磷酸結(jié)合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP與二個(gè)磷酸結(jié)合——DP：如：ADP與三個(gè)磷酸結(jié)合——TP：如：ATP

4、特殊核苷酸：1）環(huán)核苷酸：

核糖3’-,5’-成環(huán)。

cAMP、cGMP

功能：第二信使，激素、一些藥物、神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)其發(fā)揮生理作用。2）核苷多磷酸和寡核苷多磷酸：

如：pppAppp（枯草桿菌）A5’ppppA5’（哺乳動(dòng)物）對(duì)代謝起調(diào)控作用。五、核苷酸的連接方式

3′-5′磷酸二酯鍵將核苷酸連接成核酸大分子。一、核苷酸1、核苷酸的連接方式3′

—5′磷酸二酯鍵2、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)多核苷酸鏈中各核苷酸殘基的排列順序稱~。1）一級(jí)結(jié)構(gòu)表示方法如下：A：磷酸（P）的位置

在左：表示與5′-OH結(jié)合；在右：與3′-OH結(jié)合如：pApCpTpGB：箭頭表示核酸酶的水解部位：

pApCpTpG，即C的3′-OH游離。C：一般將堿基縮寫(xiě)用連字符連起表示，如：A-C-G-U2）讀向

堿基序列從左到右表示5′-3′

，由3′-5′磷酸二酯鍵連接。若兩鏈反向平行，則需注明每條鏈的走向。如：

5′

A-T-G-C-C-T-G-A3′

3′T-A-C-G-G-A-C-T5′第二節(jié)DNA天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長(zhǎng)，如黑腹果蠅最長(zhǎng)的DNA分子長(zhǎng)2.1cm，而最長(zhǎng)的蛋白質(zhì)分子長(zhǎng)度只有3μm；分子質(zhì)量很大，一般在106~1010,而蛋白質(zhì)的分子量一般為104~106。指在DNA鏈中各個(gè)核苷酸之間的連接方式、核苷酸的種類數(shù)量以及核苷酸的排列順序。一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的堿基組成1、A、T、G和C，還含有少量稀有堿基（m5C、hm5C）；2、堿基當(dāng)量定律（Chargaff定律）——A/T≈1，G/C≈1；3、堿基組成的特點(diǎn)：有種的特異性；無(wú)組織器官特異性；A+T=G+C+m5C+hm5C;年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA堿基組成。核苷酸排列順序重復(fù)序列…ATCC…ATCC…鏡像重復(fù)序列…ATCC…CCTA…回文結(jié)構(gòu)…ATCC…GGAT……TAGG…CCTA…頸環(huán)結(jié)構(gòu)…ATCC…GGAT…

或…ATCC…GGAT……TAGG…CCTA…（一）雙螺旋結(jié)構(gòu)1、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立的依據(jù)：1）根據(jù)DNA堿基組成的定量分析提出chargaff堿基配對(duì)原則：A=T，G=C2）根據(jù)對(duì)DNA纖維和晶體的x-衍射分析。3）電位滴定證明。二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Watson-Crick的DNA雙螺旋2.0nm結(jié)構(gòu)特征DNA中的四種堿基及它們間的氫鍵胞嘧啶胸腺嘧啶鳥(niǎo)嘌啉腺嘌啉TCAG雙螺旋中的堿基對(duì)（basepair,bp)2、雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(Watson-Crick模型）1）形成：兩條鏈反向平行；右手螺旋。

2）結(jié)構(gòu)A：核糖-磷酸以3′-5′磷酸二酯鍵連接成骨架；堿基在內(nèi)；B：大溝、小溝。3）尺寸A、直徑：2nm；B、堿基距離：0.34nm；C、螺距：3.4nm；D、一周10個(gè)核苷酸。4）雙螺旋的穩(wěn)定性A、依靠堿基堆積力B、氫鍵C、離子鍵D、范德華力B-DNAA-DNAZ-DNA（二）DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)多態(tài)性A-DNAB-DNAZ-DNA類型螺旋方向螺旋直徑螺距(nm)每轉(zhuǎn)堿基堿基對(duì)間堿基對(duì)與(nm)對(duì)數(shù)目直距離(nｍ）水平面傾角Ａ右２．３２．８１１０．２５５２０°Ｂ右２．０３．４１００．３４０°Ｚ左１．８４．５１２０．３７７°B-DNA與A-DNA幾種DNA鈉鹽的特點(diǎn)：B-DNA：生理狀態(tài)下多為此種；92%相對(duì)濕度A-DNA：右手螺旋；75%相對(duì)濕度；生理狀態(tài)下多見(jiàn)dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交替；有m5dC；與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)；此外，還發(fā)現(xiàn)有C、D、E等型。H-DNA:三條鏈局部螺旋天然DNA有雙鏈DNA（dsDNA），有的病毒為單鏈DNA（ssDNA）在dsDNA中：線形分子（大多數(shù)）環(huán)狀分子（dcDNA）：質(zhì)粒、線粒體、葉綠體、病毒、細(xì)菌三、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲即成三級(jí)結(jié)構(gòu)。1、超螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：可將長(zhǎng)鏈壓縮在一較小體內(nèi)；密度大；凝膠電泳中移動(dòng)速度快。正超螺旋和負(fù)超螺旋DNA雙螺旋為右旋螺旋。細(xì)胞中的環(huán)狀DNA一般呈負(fù)超螺旋，即右旋螺旋不足導(dǎo)致部分堿基不形成配對(duì)，分子通過(guò)整體拓?fù)鋵W(xué)上的右旋來(lái)補(bǔ)足右旋螺旋的不足，在數(shù)學(xué)上呈1：1，即分子整體右旋一圈來(lái)補(bǔ)雙螺旋上的一圈不足。

正超螺旋為雙螺旋旋轉(zhuǎn)過(guò)度，通過(guò)分子整體的左旋來(lái)解去過(guò)度的螺旋。正超螺旋

左旋負(fù)超螺旋

右旋2、核小體中的

扭曲方式在真核細(xì)胞染色質(zhì)中，DNA雙螺旋分子盤(pán)繞在組蛋白上形成核小體。許多核小體由DNA連成念珠狀結(jié)構(gòu)，再盤(pán)繞壓縮成高層次的結(jié)構(gòu)———染色體。四、DNA的功能1、DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)基因：是含特定遺傳信息的核苷酸序列

（DNA或RNA）是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。若干bp多個(gè)基因pr+DNA染色體1）原核生物基因組

基因在同一染色體上。

A、除調(diào)節(jié)序列和信號(hào)序列外，多為結(jié)構(gòu)基因；B、功能相關(guān)的基因常連在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中；C、基因有重疊；

同一核苷酸順序中包含多種生物信息。2）真核生物基因組

一般基因分布在若干染色體上。

A、有重復(fù)序列；B、有斷裂基因，即有內(nèi)含子。

內(nèi)含子（intron)：DNA分子中不編碼的序列。

外顯子(exons)：DNA分子中可表達(dá)的序列。啟動(dòng)子內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄終止子真核生物的基因結(jié)構(gòu)內(nèi)含子與外顯子2、DNA是遺傳信息的載體半保留復(fù)制保證了親代性狀傳到子代，保證了親代與子代的相似性。3、DNA是變異的物質(zhì)基礎(chǔ)變異是生物進(jìn)化的基礎(chǔ)。變異的發(fā)生：1）DNA復(fù)制時(shí)出錯(cuò)；2）理化因素等引起堿基變化或缺失，使DNA堿基序列改變，從而發(fā)生性狀變異。第三節(jié)RNA一、RNA的結(jié)構(gòu)組成：4種核苷酸（A、U、G和C），有稀有堿基。連接：3′-5′磷酸二酯鍵。形成：一般以DNA為模板合成，有例外。結(jié)構(gòu)：?jiǎn)捂溇€形分子，局部區(qū)域有雙螺旋。二、RNA的類型主要有三種：

信使RNA（messengerRNA,mRNA)

核糖體RNA(ribosomelRNA,rRNA)

轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,tRNA)此外，在真核細(xì)胞中還有少量其他種類的RNA：核內(nèi)小RNA（snRNA）:參與成熟mRNA的生成。不均一RNA（hnRNA）：mRNA的前體。反義RNA（asRNA）：可與mRNA部分或全部序列互補(bǔ)；抑制DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄；抑制mRNA翻譯。1、tRNA約占全部RNA的15%；由70-90個(gè)核苷酸組成；種類較多，200種左右；沉降系數(shù)4S。1）tRNA結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)多已清楚，含較多稀有堿基。二級(jí)結(jié)構(gòu)為三葉草結(jié)構(gòu)（四環(huán)四臂結(jié)構(gòu)）有：aa臂、TΨC

環(huán)、TΨC臂、可變環(huán)、反密碼子環(huán)、反密碼子臂、二氫嘧啶（D）環(huán)、二氫嘧啶（D）臂。tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)為倒L型A：在pr.合成中轉(zhuǎn)運(yùn)aa；B：在pr.合成的起始、DNA反轉(zhuǎn)錄合成及其它代謝調(diào)節(jié)中起作用。2）tRNA功能：2、mRNA和hnRNA1）合成：以DNA為模板(核內(nèi))合成hnRNA（含內(nèi)含子和外顯子）加工成熟的mRNA入細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成切除內(nèi)含子2)mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：3′末端有polyA結(jié)構(gòu)：與mRNA從核入質(zhì)有關(guān)，與mRNA半壽期有關(guān)。5′末端有帽子結(jié)構(gòu)：G被甲基化，此可能與pro合成的起始有關(guān)。3)功能：是蛋白質(zhì)合成的模板mRNAtRNA核糖體3、rRNA1)占RNA總量的80%，是構(gòu)成核糖體的骨架。2)核糖體功能：

pr合成的部位.3）結(jié)構(gòu)：分大、小亞基一、二級(jí)結(jié)構(gòu)多已確定，但功能不清。原核細(xì)胞：70S核糖體；真核細(xì)胞：80S核糖體；4、RNA的功能1）在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中起重要調(diào)控作用；

a.遺傳密碼的中間擔(dān)體(mRNA)b.mRNA剪接等加工的活性成份(snRNA)c.核糖體的骨架結(jié)構(gòu)及與mRNA的識(shí)別(rRNA))2）有催化作用；3）可作為遺傳物質(zhì)（如逆d.活化氨基酸的擔(dān)體(tRNA轉(zhuǎn)錄病毒）。第四節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般理化性質(zhì)1、外觀：DNA為白色纖維狀固體；RNA為白色粉末狀固體。2、兩性電解質(zhì)：3、溶解性：微溶于水，不溶于一般有機(jī)試劑（乙醇沉淀核酸），鈉鹽易溶于水。4、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。5、水解性：可被酸、堿或酶水解，DNA比RNA對(duì)稀堿穩(wěn)定。5、顏色反應(yīng)：1）核糖與濃鹽酸和苔酚藍(lán)共熱呈綠色，在670nm處可測(cè)RNA；2）2-脫氧核糖與酸和二苯胺共熱呈藍(lán)紫色，在595nm處可測(cè)DNA。二種反應(yīng)可作定性試驗(yàn)，定量試驗(yàn)靈敏度低、準(zhǔn)確性差，但快、簡(jiǎn)便。二、紫外吸收性質(zhì)

堿基具共軛雙鍵強(qiáng)烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。應(yīng)用：1、不同核苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行定性、定量測(cè)定。1

OD相當(dāng)于：50μg/mlDNA40μg/mlRNA20μg/mlNt(核苷酸）2、確定所提取的核酸是否純品。

1）DNA：≈1.8純品