第二章 核酸的化学

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1、121868年，瑞士科学家米歇尔（年，瑞士科学家米歇尔（F.Miescher,医生医生)从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从细胞核中分离出一种含磷很多的酸性化合物，称其为核素（从细胞核中分离出一种含磷很多的酸性化合物，称其为核素（nuclein），核素实际上就），核素实际上就是我们现在所指的核蛋白。是我们现在所指的核蛋白。分子组成：分子组成：核蛋白核蛋白蛋白质蛋白质 核酸核酸 单核苷酸单核苷酸 磷酸磷酸 核苷核苷 核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖 嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶水解水解核酸是核糖或脱氧核糖与瞟呤或嘧啶碱间形成核苷，核苷间以磷酸连接而成的多个核核酸是核糖或

2、脱氧核糖与瞟呤或嘧啶碱间形成核苷，核苷间以磷酸连接而成的多个核苷酸组成的一类生物大分子。苷酸组成的一类生物大分子。故核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体，故核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体，呈酸性，因最初从细胞核中发现，故称核酸。呈酸性，因最初从细胞核中发现，故称核酸。核酸的概念核酸的概念3核酸的重要性：对生物遗传和蛋白质生物合成；对肿核酸的重要性：对生物遗传和蛋白质生物合成；对肿瘤的发病机瘤的发病机 制（病理）和治疗，所有病毒都是核蛋白制（病理）和治疗，所有病毒都是核蛋白 ribonucleic acid message,transfer,ribosomaldeoxy-rib

3、onucleic acid4元素元素：C、H、O、N、P分子分子：5-D-核糖 -D-2-脱氧核糖核酸的结构之核酸的结构之环的下方基团在链的右侧，上方左侧；环的下方基团在链的右侧，上方左侧；D型指与型指与1C最远的不对称最远的不对称C的羟基为的羟基为D构型；构型；指半缩醛羟基与指半缩醛羟基与4C羟基在糖环异侧；羟基在糖环异侧；a a和和 不是对映体，不是对映体，D、L才是对映体。才是对映体。6碱碱 基基AGCUT关于碱基：关于碱基：1、瞟呤碱和嘧啶碱有酮式、瞟呤碱和嘧啶碱有酮式和烯醇式互变异构和烯醇式互变异构,且处于且处于平衡，表示时两种均可。平衡，表示时两种均可。2、两类核酸含主要碱基、两类

4、核酸含主要碱基4个即两个瞟呤碱和两个嘧个即两个瞟呤碱和两个嘧啶碱，所含瞟呤碱相同啶碱，所含瞟呤碱相同（腺瞟呤（腺瞟呤A和鸟瞟呤和鸟瞟呤G),所所含嘧啶碱不同含嘧啶碱不同,DNA所含为所含为胞嘧啶胞嘧啶C和胸腺嘧啶和胸腺嘧啶T,RNA所含为胞嘧啶所含为胞嘧啶C和尿嘧啶和尿嘧啶U，故故DNA和和RNA组成上有两组成上有两点区别点区别:核糖和碱基。核糖和碱基。3、有些核酸中含有除这五、有些核酸中含有除这五个碱基外的其它修饰碱基，个碱基外的其它修饰碱基，修饰碱基一般含量很少，修饰碱基一般含量很少，故称稀有碱基。故称稀有碱基。核酸的结构之核酸的结构之7核酸初步水解得核苷酸核酸初步水解得核苷酸,核苷酸用核

5、苷酸酶水解核苷酸用核苷酸酶水解,得磷酸和核苷得磷酸和核苷,核苷酸是核酸的组成单位核苷酸是核酸的组成单位,而核苷而核苷和磷酸是组成核苷酸的基本物质和磷酸是组成核苷酸的基本物质.再用核苷酶或酸水解得核糖磷酸酯和碱基再用核苷酶或酸水解得核糖磷酸酯和碱基,故碱基与糖环相连故碱基与糖环相连.糖苷键为糖苷键为C-N键，瞟呤碱的键，瞟呤碱的9位、嘧啶碱的位、嘧啶碱的1位（位位（位阻），核苷用碱基第一字母表示，脱氧核苷阻），核苷用碱基第一字母表示，脱氧核苷+d表示表示核酸的结构之核酸的结构之核核 苷苷 （糖苷）（糖苷）8核核 苷苷 酸酸磷酸和糖环连接，有机合成实验表明磷酸可与糖环上所有羟基成酯键磷酸和糖环连接

6、，有机合成实验表明磷酸可与糖环上所有羟基成酯键但分析表明自然界中核苷酸多为但分析表明自然界中核苷酸多为5 核苷酸。核苷酸。核酸的结构之核酸的结构之9（AMP）Adenosine monophosphate10edensi:n三磷酸腺苷三磷酸腺苷11脱氧鸟苷三磷酸脱氧鸟苷三磷酸12核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式核酸的一级结构核酸的一级结构OB2OB1PPOH12345核苷酸连接成核酸。以核苷酸连接成核酸。以3位羟位羟基与磷酸成酯键形成多核苷基与磷酸成酯键形成多核苷酸链，具有极其规整排列和明酸链，具有极其规整排列和明确走向一级结构确走向一级结构核酸的结构之核酸的结构之13脱氧核苷酸的排列顺序 核

7、酸中的可变成分（碱基）的排列顺序一级结构的表示方法 线条式/字母式/结构式 pdApdCpdGpdT pdA-dC-dG-TDNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。三、三、14pA-U-G-CpdG-dC-dA-dT(T)15含氮碱基含氮碱基碱基对碱基对糖磷酸骨架糖磷酸骨架163.模型认为两条链上的碱基均在主链内侧，按碱基配对原则（模型认为两条链上的碱基均在主链内侧，按碱基配对原则（A-T、C-G），之所以这样），之所以这样配对系配对系1）.A-T间两对氢键，间两对氢键，G-C间三对氢

8、键；间三对氢键；2）.分子相对大的瞟呤碱与小的嘧啶碱配对分子相对大的瞟呤碱与小的嘧啶碱配对与与DNA空间尺寸吻合，形成整个分子长度内空间尺寸吻合，形成整个分子长度内2nm（20A）的螺旋直径。）的螺旋直径。17DNA的双螺旋结构4.糖环平面位于链骨架内且与螺旋轴糖环平面位于链骨架内且与螺旋轴平行，磷酸酯键链在糖环外侧（亲平行，磷酸酯键链在糖环外侧（亲水）。每对成对碱基处于与螺旋轴水）。每对成对碱基处于与螺旋轴基本垂直的同一平面内，相邻碱基基本垂直的同一平面内，相邻碱基对平面间距为对平面间距为0.34nm，这种平行及，这种平行及合适合适 的间距使相邻碱基平面间的的间距使相邻碱基平面间的p p电子

9、云在一定程度上互相交盖，形电子云在一定程度上互相交盖，形成所谓的碱基堆积力，堆积的结果成所谓的碱基堆积力，堆积的结果使双螺旋每旋转一圈有使双螺旋每旋转一圈有10对碱基对对碱基对每转的高度（螺矩高度）为每转的高度（螺矩高度）为3.4nm（蛋白质螺矩（蛋白质螺矩0.54nm，每，每3.6氨基酸氨基酸为一圈，氨基酸间距为一圈，氨基酸间距0.15nm）。）。18多数的多数的DNA为双螺旋的线形分子，有些为双螺旋的线形分子，有些DNA如病毒如病毒DNA、细胞器内的、细胞器内的DNA会形成环状构象会形成环状构象超螺旋有右手超螺旋和左手超螺旋，前者称负超螺旋后者为正超螺旋超螺旋有右手超螺旋和左手超螺旋，前者

10、称负超螺旋后者为正超螺旋3.DNA的三级结构的三级结构线形或环状的线形或环状的DNA双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：更高层次的空间构象。包括：线状线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的纽结、超形成的纽结、超螺旋和连环等。螺旋和连环等。19线状DNA形成的超螺旋超螺旋的形成可能是由于超螺旋的形成可能是由于DNA结构因某种分子力学上的关系扭曲而导致。例如：人体结构因某种分子力学上的关系扭曲而导致。例如：人体染色质染色质DNA先缠绕组蛋白形成所谓的核粒（核小体），许多

11、核粒由先缠绕组蛋白形成所谓的核粒（核小体），许多核粒由DNA链连接成佛珠，链连接成佛珠，佛珠还可以进一步盘绕压缩成更高层次，佛珠还可以进一步盘绕压缩成更高层次，DNA大分子可被压缩近一万次。大分子可被压缩近一万次。2021信使信使mRNA（5%）：单链，将遗传）：单链，将遗传信息传递到蛋白质的合成基地；信息传递到蛋白质的合成基地；转移转移tRNA（10-15%）：将氨基酸运）：将氨基酸运送到核糖体的特定部位；送到核糖体的特定部位；核糖体核糖体rRNA（80%）：单链螺旋，）：单链螺旋，不稳定，功用不清。不稳定，功用不清。22RNA的的一级结构一级结构是由数量不一的四种核糖核苷酸是由数量不一的四

12、种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过）按一定顺序，通过3-5 磷酸二酯键连成的线形分子磷酸二酯键连成的线形分子,表示方法与表示方法与DNA相同。相同。RNA的的二级结构二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。研究表明大多数研究表明大多数RNA为单链，在许多区域自身发生回折，在回折部分形为单链，在许多区域自身发生回折，在回折部分形成区域双螺旋，在螺旋内能够配对的碱基按照碱基配对原则（成区域双螺旋，在螺旋内能够配对的碱基按照碱基配对原则（A-U、G-C）成对，不能配对的区域则形成环状突起。）成对，不能配对的区域则形成环状突起。RNA的的三级

13、结构三级结构是在茎（线形部分）、环（回折部分）是在茎（线形部分）、环（回折部分）结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。、RNA的结构23tRNA的一级结构的一级结构 由由7493个（多为个（多为76个）核苷酸组成单链个）核苷酸组成单链；具有不变的（恒定的）核苷酸具有不变的（恒定的）核苷酸:U8、G18、G19；含较多的修饰核苷酸含较多的修饰核苷酸。tRNA的二级结构的二级结构三叶草结构三叶草结构 具有四臂四环具有四臂四环,3 端为端为CCAOH 序列序列,5 端为端为PG tRNA的三级结构的三级结构倒倒L形结构形结构24tRNA的三叶草结构18,19

14、81.两端环绕，形成四臂四环两端环绕，形成四臂四环2.3端共同的端共同的CCA-OH，氨基酸臂，氨基酸臂3.二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（D）环和臂）环和臂4.反密码子环和臂（反密码子环和臂（anticodon）5.可变环（碱基个数多变）可变环（碱基个数多变）6.T 环和臂环和臂鸟鸟尿尿7bp25tRNA的三级结构的三级结构(Kim,S.H.et,al.Science,vol.,185.p.435,1974)氨基酸臂和氨基酸臂和TC臂臂D臂和反密码子臂臂和反密码子臂TC环环反密码子环反密码子环转角转角着陆着陆携带携带D+AntiA+TD环环26tRNA的三级结构特点的三级结构特点(倒倒“L”结构结构

15、)L端是端是3端端CCA，另一端为反密码子，两端之间距离，另一端为反密码子，两端之间距离7nm。分子中的碱基对间有维持三级结构的氢键，碱基对中除分子中的碱基对间有维持三级结构的氢键，碱基对中除 按按Watson-Crick标准配对外，还有其他非标准配对。标准配对外，还有其他非标准配对。tRNA三级结构分子中，对称性结构占分子的三级结构分子中，对称性结构占分子的40。tRNA的倒的倒“L”结构为一切结构为一切tRNA所共有，但有些所共有，但有些tRNA的的 精细结构存在差异，如拐角大小、精细结构存在差异，如拐角大小、CCA末端伸展度、肽链末端伸展度、肽链 折叠松紧、反密码子构象等。折叠松紧、反密

16、码子构象等。27（）（）mRNA的结构（单链）的结构（单链）1、“帽子帽子”指指7-甲基鸟苷以不寻常的甲基鸟苷以不寻常的5，5三磷酸连接到三磷酸连接到mRNA的的5 端并在第一或第二个核苷酸核端并在第一或第二个核苷酸核糖的糖的2上羟甲基化，表示为上羟甲基化，表示为m7G5ppp5NmP。帽子结构对翻译活性很重要。帽子结构对翻译活性很重要。2、3原核生物没有或只有少于原核生物没有或只有少于10个多聚腺苷酸链，而真核生物细胞个多聚腺苷酸链，而真核生物细胞mRNA有大约有大约200多个，这种多个，这种poly A与与mRNA顺利通过核膜进入胞浆相关联，亦与顺利通过核膜进入胞浆相关联，亦与mRNA从细

17、胞核转移到核糖体的过程相关联。从细胞核转移到核糖体的过程相关联。28rRNA是核糖体的组成成分（约是核糖体的组成成分（约60）,核核糖体种类和大小用糖体种类和大小用S表示。表示。30S（亚基）（亚基）16S原核生物原核生物 70S 23S 50S 5S 40S 18S真核生物真核生物 80S 28S 60S 5.8S 5S(3)rRNA的结构的结构（大肠杆菌）（大肠杆菌）29rRNA的二级结构rRNA链内约有一半核苷酸形成碱基配对，配对部分形成螺旋，未配对部分形成突环，链内约有一半核苷酸形成碱基配对，配对部分形成螺旋，未配对部分形成突环，另外链内长距离的碱基互补使相隔较远的部分配对，形成复杂的

18、多环多臂构象。另外链内长距离的碱基互补使相隔较远的部分配对，形成复杂的多环多臂构象。30、DNA与基因与基因遗传特性由遗传特性由DNA中的核苷酸顺序决定，通过复制传给子代。中的核苷酸顺序决定，通过复制传给子代。DNA 通过转录通过转录 产生相应的产生相应的mRNA，由，由tRNA翻译成相应氨翻译成相应氨基酸用于蛋白质合成；基酸用于蛋白质合成；基因：基因：DNA分子中最小的功能单位，以三个一组的三联体形分子中最小的功能单位，以三个一组的三联体形式表达式表达(遗传密码子遗传密码子)。结构基因：为结构基因：为RNA或蛋白质编码的基因；或蛋白质编码的基因；调节基因：不转录生成调节基因：不转录生成RNA

19、片段；片段；基因组：某生物体所含全部基因。基因组：某生物体所含全部基因。以核蛋白存在的核酸以核蛋白存在的核酸,是基本遗传物质是基本遗传物质,或遗传的分子基础或遗传的分子基础,在蛋白质的生物合成上占有在蛋白质的生物合成上占有重要地位因而在个体生长繁殖遗传变异和转化等一些列生命现象种起决定作用。重要地位因而在个体生长繁殖遗传变异和转化等一些列生命现象种起决定作用。核核 酸酸 的的 遗遗 传传 学学 功功 能能31AAG AAA GUU AUU UUC UUU GAG UAU AGUDNAmRNA蛋蛋白白质质转录转录翻译翻译遗传信息的转录和翻译遗传信息的转录和翻译TTCTTTCAA TAAAAG A

20、AA CTCATATCA赖赖赖赖缬缬异亮异亮苯丙苯丙 苯丙苯丙谷谷酪酪丝丝32大部分为结构基因，每个基因在大部分为结构基因，每个基因在 DNA分子中只出现一至几次；分子中只出现一至几次；功能相关的基因常串联在一起，功能相关的基因常串联在一起，转录在同一转录在同一mRNA分子中；分子中；有基因重叠现象。有基因重叠现象。、原核生物基因组的特点、原核生物基因组的特点33有重复序列：有重复序列：单拷贝序列单拷贝序列 中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列有断裂基因有断裂基因、真核生物基因组的特点、真核生物基因组的特点34.一般理化性质一般理化性质DNA为白色纤维状固体；为白色纤维状固体；R

21、NA为白色粉末状固体为白色粉末状固体均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在70%乙醇中乙醇中形成沉淀；形成沉淀；粘度粘度 DNA粘度粘度很大很大 RNA粘度粘度小得多小得多旋光性旋光性 均很强均很强六、核酸的理化性质六、核酸的理化性质35密度：密度：沉降速度：沉降速度：密度及沉降特性密度及沉降特性363738概念：双螺旋区氢键断裂，空间结构概念：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团。破坏，形成单链无规则线团。变性后呈现增色效应、粘度下降、密变性后呈现增色效应、粘度下降、密度升高、生物学功能全部或部分丧失。度升高、生物学功能全部或部分丧失。将紫外吸收的增加

22、量达到最大量一半将紫外吸收的增加量达到最大量一半时的温度，称熔解温度（时的温度，称熔解温度（Tm）。）。.核酸的变性核酸的变性39 G-C对含量对含量（G+C）%=（Tm-69.3）2.44 溶液的离子强度溶液的离子强度 离子强度降低，离子强度降低，Tm下降，在纯水中下降，在纯水中DNA室温下可变性室温下可变性 pH pH升高，去质子无法形成氢键，升高，去质子无法形成氢键，pH11.3，DNA完全变性完全变性 变性剂变性剂 甲酰胺、尿素、甲醛破坏氢键，妨碍碱基堆积，甲酰胺、尿素、甲醛破坏氢键，妨碍碱基堆积，使使Tm下降。下降。影响热变性的因素：影响热变性的因素：40DNA 的变性和复性41影响

23、因素：影响因素：单链片段浓度越高，复性速度越快；单链片段浓度越高，复性速度越快；片段小易复性；片段小易复性；片段内重复序列多，复性快；片段内重复序列多，复性快；热变性后迅速降温不能复性，缓慢降温热变性后迅速降温不能复性，缓慢降温 并维持在并维持在Tm-25度左右最易复性度左右最易复性(退火退火);维持一定的离子浓度，复性加快。维持一定的离子浓度，复性加快。、核酸的复性、核酸的复性变性核酸的互补链在适当条件下重新缔变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。合成双螺旋的过程。42 来源不同的具有互补碱基序列的多核来源不同的具有互补碱基序列的多核苷酸片段在溶液中冷却时，可再形成双螺苷酸片段在溶液中冷却时，可再形成双螺旋结构。旋结构。、核酸的杂交、核酸的杂交43核酸的分子杂交