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第一章 核酸化学 Chapter 1 Chemistry of Nucleic Acid

第一章 核酸化学 Chapter 1 Chemistry of Nucleic Acid. 核酸的化学组成 核酸的结构 核酸的性质 真核生物染色体 DNA 的结构特点. 第一节 核酸的化学组成. 一、核酸的概念 酸性的大分子物质，与碱性蛋白（组蛋白、鱼精蛋白）结合存在于细胞核中。 由许多 核苷酸 排列组成，是遗传的物质基础。 核苷酸 = 磷酸 + 戊糖 + 碱基 （ < 脱氧 > 核糖）（ 嘌呤和嘧啶 ） Nucleotide= + ( Deoxy )Ribose + Base (Purine Pyrimidine).

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第一章 核酸化学 Chapter 1 Chemistry of Nucleic Acid

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  1. 第一章 核酸化学Chapter 1 Chemistry of Nucleic Acid • 核酸的化学组成 • 核酸的结构 • 核酸的性质 • 真核生物染色体DNA的结构特点

  2. 第一节 核酸的化学组成 一、核酸的概念 • 酸性的大分子物质，与碱性蛋白（组蛋白、鱼精蛋白）结合存在于细胞核中。 • 由许多核苷酸排列组成，是遗传的物质基础。 • 核苷酸 = 磷酸 + 戊糖 + 碱基 （<脱氧>核糖）（嘌呤和嘧啶） Nucleotide= + (Deoxy)Ribose + Base (Purine\ Pyrimidine)

  3. 第一节 核酸的化学组成 二、核糖与脱氧核糖 核糖的C2上O脱去成为脱氧核糖。 据此，将核酸分为 DNA（deoxyribonucleic acid）：大部分在核中 RNA（ribonucleic acid ）：核、质均有分布 有三种RNA：tRNA、mRNA、rRNA （15%）（5%）（80%）

  4. 第一节 核酸的化学组成 三、碱基 (base)：嘌呤与嘧啶碱基 共有5种： 嘌呤碱基： Adenine、Guanine 嘧啶碱基： Cytosine、Thymine Uracil (RNA特有) 另有一些稀有碱基，如Inosine (Hypoxanthine) <多见于tRNA的6-氧嘌呤， cf. Adenine 6-氨基嘌呤>

  5. 第一节 核酸的化学组成 四、核苷与核苷酸 (nucleoside & nucleotide) 核苷：核糖（或脱氧核糖） + 碱基 糖环上C1 与碱基N9（嘌呤）或N1（嘧啶）形成糖苷键 核苷酸：核糖（或脱氧核糖） + 碱基+磷酸 (脱氧)核苷酸： 戊糖的C2 、C3 、 C5 位均可接。 生物体内大多是5 -，即接在C5 上。 cf.多核苷酸与多核苷酸。

  6. 第一节 核酸的化学组成 五、环化核苷酸 如：3 , 5-AMP 和 3 , 5-GMP 作为第二信使在细胞内起作用。 六、辅酶类的核苷酸 如：NAD+、NADP+、CoA、FAD均含腺嘌呤核苷酸。

  7. 第二节 核酸的结构 一、核酸的连接方式 • RNA、DNA均无分支 （cf. 多糖） • 主链由戊糖、 组成，以3 ，5 - 二酯键连接。 NB 单独的核苷酸中有无3 ，5 - 二酯键？ e.g. 环化核苷酸 • 开链具有5 - 和3 -端。

  8. 第二节 核酸的结构 二、核酸的一级结构 (Primary Structure) • 即核苷酸的排列方式。 // cf蛋白质的一级结构  DNA的遗传信息是由碱基的精确排列结构决定的。 • 测定方法(Sanger, 1977；Maxam & Gilbert, 1977) ----HGP (Human Genome Project) • 简(缩)写\读方式： 单链：从5 -端到3 -端。线条式、文字式（cf. 蛋白质） 双链：注明两条链的走向。

  9. 第二节 核酸的结构 三、 DNA 的二级结构 (Secondary Structure) • DNA双螺旋结构模型(Double Helix Structure Model of DNA)的主要依据： • Chargaff定则 (碱基配对、等比定律)：A=T、GC；A+G=C+T • X-射线衍射数据 • 电位滴定行为

  10. 氢键 5‘--末端 糖基 碱基 磷酸基 3‘--末端 Double Helix Structure Model of DNA

  11. 第二节 核酸的结构 三、DNA 的二级结构 • DNA双螺旋结构模型要点： • 两条多核苷酸链反向平行，主链为右手螺旋。主链在外侧，碱基在链的内侧。 • 两条链的碱基之间按A=T、GC配对，以氢键相连，碱基对(base pair)平面与纵轴垂直。主链上戊糖与以3 ，5 - 二酯键连接，糖环平面与纵轴平行。 • 双螺旋的直径为2nm，相邻碱基对的距离是0.34nm，夹角为 36°，即每个螺旋含10个核苷酸残基，螺距3.4nm。

  12. 第二节 核酸的结构 三、DNA 的二级结构 • DNA双螺旋结构稳定的因素： • 氢键 • 碱基堆积力：主要的稳定因素 • 离子键：核苷酸带负电荷，与介质中的阳离子结合形成。 • 与组氨酸或多胺结合 Any applications?

  13. 第二节 核酸的结构 三、DNA 的二级结构 • DNA构象的多态性： 双链DNA 右旋 A-DNA：RH 75%，结合Na盐 B-DNA：RH 92%，结合Na盐 C-DNA：RH 66%，结合Li盐 左旋 ：Z-DNA螺旋(在多核苷酸骨架上呈Z-字形分布) 三链DNA：与基因的表达调控有关 第三条链如何排列\配对? • DNA的三级结构

  14. 第二节 核酸的结构 四、 RNA的结构 1. RNA的类型与分布：由DNA复制后转录而来。 1). 细胞质RNA rRNA （80%）：合成蛋白质的场所，分子量大。较稳定。 mRNA（ 5%）：含有DNA的遗传信息，在核糖体翻译为蛋白质。 种类较多。最不稳定。 tRNA （15%）：携带氨基酸，分子量小(4S)。稀有碱基丰富。 其中，rRNA在原核细胞和真核细胞中有所不同： 原核细胞：70S= 30S=16S+Proteins 50S=23S+5S+Proteins 真核细胞：80S= 40S=18S+Proteins 60S=28S+5.8S+5S+Proteins

  15. 第二节 核酸的结构 四、RNA的结构 1.RNA的类型与分布：由DNA复制后转录而来。 2). 细胞核RNA 前体RNA：是迁移的RNA，是细胞质中RNA的前体。其分子量比 成熟的mRNA大得多。 hnRNA：即核不均一RNA，指mRNA的前体，存在于核内。 小分子RNA：非迁移的RNA，分子量小(4-5S)。 通常在核中与染色质结合，形成固定的结构，故称染色质RNA (chRNA)。

  16. 第二节 核酸的结构 四、RNA的结构 2. RNA的碱基组成： • 由U代替DNA中的T。其它同DNA。 • 单链、无分支的多核苷酸链。 • 不存在严格的碱基配对。即RNA长链不是从头到尾的碱基配对，只是局部地方存在碱基配对。 ==>出现链内盘旋、折叠、扭曲等，形成局部的环、突起、颈(茎)环(“发卡\夹”)结构。

  17. 第二节 核酸的结构 四、RNA的结构 3. RNA的一级结构： 以mRNA为例(编码组蛋白的mRNA除外)，有以下特征： • 3 -polyA • 5  - 有帽子结构： (5 ) -mG- 5  ppp 5  -Nm-G • polyA与mRNA从核到质中迁移有关。 polyA随时间延长而变短。帽子结构抗5  -核酸外切酶降解。 • 5  -帽子结构下游有一不编码区，与核糖体结合(蛋白质合成的起始)。3  - 上游也有一不编码区，功能不详。 cf. 原核细胞的核膜不完整，其mRNA的5 -、3 -端无此类结构。

  18. 第二节 核酸的结构 四、RNA的结构 4. RNA的二级结构： 以tRNA为例：“三叶草”形 • 氨基酸臂。所有RNA的3  -末端均为-CCA，氨基酸可挂在A中戊糖的2 -或3  -OH上。==>携带氨基酸的功能。5  -端富有G，使之更加稳定。 • dhU环。Uracil的5,6-双键饱和形成dhU。被氨基酸DNA合成酶识别。dhU臂由3-4对碱基组成。 • 反密码子(anti-codon)环。反密码子由3个碱基组成，与氨基酸的密码子配对，决定携带何种氨基酸。此环常出现次黄嘌呤(I)。有5-7 bp组成反密码子臂与其它部分相连。

  19. 第二节 核酸的结构 四、RNA的结构 4. RNA的二级结构： 以tRNA为例：“三叶草”形 • 额外环。是可变区，可含3-18个碱基。不配对的碱基组成臂。是tRNA分类的指标。 • TC环。7个核苷酸组成，与核糖体结合有关。由5对碱基组成TC臂与其它部分相连。 ：假尿嘧啶核苷酸。尿嘧啶与核糖形成C5-C1糖苷键。 NB tRNA的稀有碱基： 如I、、 mG、T等  tRNA的三级结构：倒“L” 形

  20. 第三节 核酸的性质 一、核苷酸的性质 • 无色、溶于水。 • 由于base具有共轭双键，所以核苷、核苷酸和核酸均有紫外吸收(240-290 nm)，最大吸收值在260 nm处。定量测定？ 二、核酸的性质  一般性质 • DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。 • 均为两性电解质。微溶于水(溶液呈酸性)，不溶于有机溶剂。==>用70-95%乙醇提纯核酸。 • 粘度DNA>RNA。溶解度： RNA易溶于低盐(0.14M NaCl)， DNA易溶于高盐浓度(1M NaCl)。 • 室温下，稀碱能水解RNA，而DNA稳定。稀酸可水解DNA，而浓酸可水解RNA。

  21. 第三节 核酸的性质 二、核酸的性质  颜色反应： • 苔黑(地衣)酚法（5-甲基间苯二酚）----鉴定RNA 生成的绿色化合物在670 nm处有最大吸收值。 • 二苯胺法----鉴定DNA 生成的蓝色物质在595 nm处有最大吸收值。  重要性质： 增色效应和减色效应 双螺旋结构比单个核苷酸的UV吸收低30-40%。 定量测定的依据？

  22. 第三节 核酸的性质 二、核酸的性质  核酸的变性和复性（denature & renature） 1. 变性：核酸的氢键断裂，成为单链无规则线团状。==>增色效应不涉及磷酸二酯键的断裂<称降解>。 (cf蛋白质的变性) 高温、酸、碱和有机溶剂均可使核酸变性。 • Tm值：DNA热变性时，增色效应达50%(即OD值达最大值的一半)时的温度。亦称熔点\熔解温度。熔解是爆发性的过程，熔距仅几度。Tm值一般在70-85C之间。经验公式 • 与Tm值有关的因素：G、C含量；盐溶液浓度；DNA的均一性。

  23. 第三节 核酸的性质 二、核酸的性质  核酸的变性和复性 （续） • 复性：变性的DNA在适当条件下重新缔合成为双螺旋结构的过程。(部分重新结合现象称“退火”。) ==>减色效应 • 与复性有关的因素： 温度下降速度：慢，可以复性，否则不能复性。 DNA片段：越大，复性越慢。 DNA浓度：越大，复性越快。

  24. 第三节 核酸的性质 二、核酸的性质  核酸的变性和复性（续） 3. 分子杂交：变性的DNA在适当条件下可能重新配对形成双螺旋结构，但不一定与原来的DNA片段结合。若与其它DNA(RNA)片段结合，称“DNA(RNA)杂交”。==>应用？ 4. 降解： 3 -5 二酯键断裂，分子量下降。降解后的DNA不能复性。 cf. 变性不影响分子量。

  25. 第四节 真核生物染色体DNA的结构特点 • DNA的重要功能： DNARNAProtein Biological Function 物种遗传——复制 控制性状——转录与翻译 • 基因： DNA分子上一段编码表达多肽链或rRNA或tRNA的核苷酸序列。

  26. 基因 转录 翻译 多肽 折叠 活性蛋白 遗传信息的表达与性状控制

  27. 第四节 真核生物染色体DNA的结构特点 一、重复序列

  28. 第四节 真核生物染色体DNA的结构特点 二、内含子和外显子 (intron & exons) 即断裂基因 (split gene) 外显子——基因中能够编码蛋白质的核苷酸序列。 内含子——基因中不能编码蛋白质的核苷酸序列。 通常，基因都至少有一个内含子，也称插入序列、居间序列。 真核细胞中，除编码组蛋白的基因外，所有编码蛋白质的基因都有内含子和外显子之分。 内含子的作用： • 含有调节信号。 • 将基因分割成交换单位，为基因重组提供条件。

  29. 第四节 真核生物染色体DNA的结构特点 三、回文结构 回文：正反读均有相同意义的句子。（例子？） 回文结构在真核细胞中相当普遍。 5´AATTGTGACAATT 3´ 3´TTAACACTGTTAA 5´ 若变性后复性，会形成发夹或十字结构。 功能：可能与DNA-蛋白质之间的识别有关；翻译时遇到回文结构即终止；水解时，内切酶作用点多在回文结构处。

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