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第六章 核酸化学 Nucleic acid

第六章 核酸化学 Nucleic acid. 第一节 概述. 核酸 (nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA （ D eoxyribo n ucleic a cid) 脱氧核糖核酸 RNA （ R ibo n ucleic a cid) 核糖核酸. 一、核酸的发现和研究工作进展. 1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素” 1944 年 Avery 等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构

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第六章 核酸化学 Nucleic acid

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  1. 第六章 核酸化学Nucleic acid

  2. 第一节 概述 核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸

  3. 一、核酸的发现和研究工作进展 • 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 • 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 • 1966年 Nirenberg发现遗传密码 • 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 • 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 • 1985年 Mullis发明PCR 技术 • 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) • 1999年 中国加入人类基因组计划 • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架 • Post-genome era/OMICS era

  4. 二、核酸的分类及分布、功能 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞核、胞液。 (ribonucleic acid, RNA) 参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

  5. 第二节 核酸的分子组成

  6. 一、元素组成 • 主要元素组成： C、H、O、N、P(9~11%) • 与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。 二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide) 核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成

  7. 戊 糖 (pentose)

  8. 1.碱基(base)

  9. 胺式亚胺式互变异构

  10. 酮式烯醇式互变异构

  11. 碱基的结构特征 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。

  12. 2. 核苷 (nucleoside) 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 核糖核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  13. 3. 核苷酸(ribonucleotide) 核苷和磷酸以磷酸酯键连接

  14. 稀有核苷酸 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。

  15. 1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。 2、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷/核苷酸 3、核苷酸的其他形式 • 多磷酸核苷（NDP、NTP) • 环化核苷酸（cAMP、cGMP等） • 辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP） • 活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱等）

  16. ATP • ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 • ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。

  17. cAMP和cGMP • cAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。 • cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4, cAMP和cGMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。

  18. 第三节 核酸的分子结构

  19. 一、一级结构（primary structure） 一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。 1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链 • 信息量：4n • 末端： 5’端、 3’端 • 多核苷酸链的方向： 5’→3’ 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写

  20. DNA双螺旋结构的研究背景 • 碱基组成分析——Chargaff 规则：[A] =[T]；[G] [C] • 碱基的理化数据分析：A-T、G-C以氢键配对较合理 • DNA的X-线衍射图谱分析

  21. 二、DNA的空间结构 1. DNA的二级结构（secondary structure） (1) 碱基组成规则(Chargaff规则) • [A]=[T]，[G]=[C]； [A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等) • 有种属特异性 • 无组织、器官特异性 • 不受年龄、营养、性别及其他环境等影响

  22. (2) DNA双螺旋(double helix model)结构要点 • DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。

  23. 嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。

  24. 螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。 34Å

  25. 维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。

  26. 螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 • 氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。

  27. 其他螺旋形式 • Z-DNA（左手双螺旋） • A-DNA

  28. (3)DNA双螺旋的稳定性 DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响； 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

  29. 天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。 • 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4×106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。 • 黑腹果蝇最大染色体由6.2×107bp组成，长2.1cm • 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长1.7mm

  30. 2.DNA的三级结构 双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等

  31. 10nt/圈为能量最低状态，<10时形成右手（负）超螺旋；>10时形成左手（正）超螺旋。10nt/圈为能量最低状态，<10时形成右手（负）超螺旋；>10时形成左手（正）超螺旋。 连环数 (L)：一条链绕另一条链缠绕次数 扭转数 (T)：DNA双螺旋圈数 超螺旋数 (W)：超螺旋数 L=T+W

  32. 3. DNA在真核生物细胞核内的组装 核小体(nucleosome)： 由DNA和组蛋白构成。 • 组蛋白核心---八聚体H2B ,H2A ,H3 ,H4 • DNA：以左手螺旋缠绕在组蛋白上---1.8圈（146 bp) • H1组蛋白在核小体之间的连接DNA上（54bp）

  33. DNA的存在形式---染色质（体） 5 fold 6 fold 40 fold 7 fold

  34. 4. DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。

  35. 三、RNA的分子结构

  36. 1. RNA的结构特点 RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。 RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为“发夹型”结构。 在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。 tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.

  37. 2. 信使RNA的结构与功能 (1) 真核生物mRNA的结构特点 • 大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。 • 2. 大多数真核mRNA的3´末端在转录后加上一多聚腺苷酸(polyA)结构（20-250nt)。

  38. 帽子结构和多聚A尾的功能 • mRNA核内向胞质的转运 • mRNA的稳定性维系 • 翻译起始的调控

  39. (2)真核生物mRNA成熟过程 hnRNA (heterogeneous nuclear RNA) Eukaryote Polycistronic mRNA Prokaryote

  40. 细胞质 真核细胞 细胞核 内含子 外显子 DNA 原核细胞 DNA 转录 转录 mRNA hnRNA 转录后剪接 转运 翻译 蛋白 mRNA 翻译 蛋白 （3）mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，转录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。

  41. 3. tRNA的结构与功能 (1) tRNA的一级结构特点 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU 3´末端为 - CCA-OH 5´末端大多数为G 具有 TC 次黄嘌呤(I) 假尿嘧啶() 双氢尿嘧啶(DHU)

  42. 3`末端的CCA-OH单链用于连接该tRNA转运的氨基酸 (2) tRNA的二级结构 -----三叶草形 • 氨基酸臂 • DHU环 • 反密码子环： • 额外环 • TΨC环 IV I III 核糖体识别结合位点 识别氨酰-tRNA合成酶 II 与mRNA的三联体密码互补配对，称为反密码子（anticodon）

  43. (2) tRNA的三级结构 -----倒L型

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