核酸化學(xué)

核酸化學(xué)研究史（1）1869年Miescher,博士論文工作中測定淋巴細(xì)胞蛋白質(zhì)組成時(shí),發(fā)現(xiàn)了不溶于稀酸和鹽溶液的沉淀物,并在所有細(xì)胞的核里都找到了此物質(zhì),故命名“核素(Nuclein)"1879年Kossel經(jīng)過10年的努力,搞清楚核質(zhì)中有四種不同的組成部分:A,T,C和G；核酸研究史1核酸化學(xué)研究史（2）1889年Altman建議將“核質(zhì)”改名為“核酸”,因?yàn)橐呀?jīng)認(rèn)識(shí)到“核質(zhì)”乃“核酸”與蛋白質(zhì)的復(fù)合體。1930年Levene發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞的核酸含有一種特殊的核糖－－脫氧核糖,得出了一個(gè)錯(cuò)誤概念:植物核酸含核糖,動(dòng)物核酸含脫氧核糖。這個(gè)錯(cuò)誤概念一直延續(xù)到1938年，這時(shí)方清楚RNA和DNA的區(qū)別。Levene還提出了核酸的“磷酸－核糖(堿基)－磷酸"的骨架結(jié)構(gòu),解決了DNA分子的線性問題,還在1935年提出"四核苷酸",認(rèn)為這四種堿基的含量是一樣的。核酸研究史2核酸化學(xué)研究史（3）1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用紙層析法仔細(xì)分析了DNA的組成成分,得知[A]=[T],[G]=[C],[A+G]=[C+T]1953年Watson,Crick根據(jù)DNA的X射線圖譜的研究結(jié)果,提出了DNA的雙螺旋模型(Doublehelix)。幾星期后提出了半保留式復(fù)制模型。1957年Meselsnhe&Stahl用密度梯度超離心法,證實(shí)半保留復(fù)制假說。核酸研究史3第一節(jié)核酸組成核酸的定義核酸是體內(nèi)重要的大分子物質(zhì)，由于最初從細(xì)胞核分離出來，又具有酸性，故稱為“核酸”。核酸的分類脫氧核糖核酸（DNA）:是遺傳信息的載體，與生物的繁殖、遺傳及變異有密切的關(guān)系。

核糖核酸（RNA）:RNA的功能主要是參與體內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成過程。mRNA:占全部RNA的5%，可以作為合成蛋白質(zhì)的直接模板。tRNA：占全部RNA的16%，在蛋白質(zhì)合成中起轉(zhuǎn)運(yùn)AA的功能。rRNA：占全部RNA的80%，是構(gòu)成核糖體的成分，原核細(xì)胞中有5S、16S、28S三種，真核細(xì)胞中有5S、5.8S、18S、28S四種?；蜣D(zhuǎn)錄翻譯多肽折疊活性蛋白核酸的分布

DNA主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，線粒體內(nèi)也含有少量DNA；

RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和線粒體內(nèi)；對(duì)于病毒來說，只能含有RNA或DNA中的一種，據(jù)此可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩類。

組成核酸的主要元素有C、H、O、N、P等，其中P的含量大約占總量的9%～10%

。

磷在各種核酸中的含量比較接近和恒定，DNA的平均含磷量為9.9%，RNA的平均含磷量為9.4%。因此，只要測出生物樣品中核酸的含磷量，就可以計(jì)算出該樣品的核酸含量，這是定磷法的理論基礎(chǔ)。

核酸的元素組成一、核苷酸是核酸的元件分子

RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。

核苷酸是由戊糖、含氮堿和磷酸三類成分構(gòu)成的。核苷酸的基本結(jié)構(gòu)核酸核苷酸磷酸核苷戊糖含氮堿核糖脫氧核糖嘌呤堿嘧啶堿核酸的水解過程1.戊糖核糖脫氧核糖圖5-2戊糖的結(jié)構(gòu)式

2.含氮堿基312456789

腺嘌呤(A)

鳥嘌呤(G)NNNNHNH2NNNNHNNNNHNH2OH

嘌呤堿：

尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）312456NNONNOHHNNOHNH2NNOOHHCH3

嘧啶堿：幾種稀有核苷酸假尿苷（

）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH53.核苷：二者的連接是C-N鍵，稱N-糖苷鍵。核苷的命名核苷的名稱都來自它們所含有的堿基名稱。如腺嘌呤核苷(adenosine)，脫氧腺嘌呤核苷(deoxyadenosine)。腺嘌呤核苷、鳥嘌呤核苷(guanosine)、胞嘧啶核苷(cytidine)和尿嘧啶核苷(uridine)分別簡稱為腺苷、鳥苷、胞苷和尿苷。胸腺嘧啶很少出現(xiàn)在核糖核苷中，所以脫氧胸腺嘧啶核苷，常簡稱為胸苷，也稱為脫氧胸苷。用表示堿基的單字母也可以用來表示核苷。以d表示脫氧。如dA、dG、dC和dT4.核苷酸核苷酸

是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩大類。磷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脫氧核苷）分子中戊糖環(huán)上的羥基與磷酸上的氫通過脫水生成磷酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）核苷酸與脫氧核苷酸的種類核苷酸包括：腺苷酸（AMP）、鳥苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）和尿苷酸（UMP）四種，是構(gòu)成RNA的基本單位；脫氧核苷酸包括：脫氧腺苷酸（dAMP）、脫氧鳥苷酸（dGMP）、脫氧胞苷酸（dCMP）和脫氧胸苷酸（dTMP）四種，是構(gòu)成DNA的基本單位。核苷含有3個(gè)可以被磷酸酯化的羥基(2′、3′和5′)，而脫氧核苷含有2個(gè)這樣的羥基(3′和5′)。由于與磷酸基縮合的位置不同可分別生成2

-核苷酸、3

-核苷酸和5

-核苷酸。最常見的核苷酸是5

-核苷酸（5

常被省略）。腺苷酸核苷酸可以含有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)磷酸基團(tuán)，分別稱為核苷一磷酸(NMP)、核苷二磷酸(NDP)及核苷三磷酸(NTP)。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

圖5-6ATP結(jié)構(gòu)示意圖1.許多核苷酸是高能分子：腺苷三磷酸（ATP）ATP是生物體中重要的化合物。ATP結(jié)構(gòu)中磷酸與磷酸之間的聯(lián)結(jié)鍵水解斷裂時(shí)產(chǎn)生大量的能，叫高能磷酸鍵，習(xí)慣用“～”表示高能鍵。凡含有高能磷酸鍵的化合物稱為高能磷酸化合物。二、核苷酸生物功能

多磷酸核苷：ATP含兩個(gè)高能磷酸鍵，AMP分子中所含的磷酸鍵不是高能磷酸鍵，所以它是普通磷酸化合物。普通磷酸化合物水解時(shí)只能釋放8.4KJ/mol能量，而高能磷酸鍵水解時(shí)可釋放30.7KJ/mol能量。ATP依次水解可分別產(chǎn)生腺苷二磷酸（ADP）、腺苷一磷酸（AMP），即：

ATP→ADP+Pi；ATP→AMP+PPi；ADP→AMP+Pi

ATP在生物體或細(xì)胞的能量代謝中起著極為重要的傳遞作用。ATP分解為ADP或AMP時(shí)釋放出大量的能量，這是生物體主要的供能方式，ATP是機(jī)體生理活動(dòng)、生化反應(yīng)所需能量的重要來源。反之，AMP磷酸化生成ADP、ADP繼續(xù)磷酸化生成ATP時(shí)則儲(chǔ)存能量，這是生物體暫時(shí)貯存能量的一種方式。2.核苷酸是許多酶的輔因子的成分

NAD+

（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，CoⅠ）

NADP+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，CoⅡ）

FMN（黃素單核苷酸）

FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）3.核苷酸作為信號(hào)分子核糖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)通過其發(fā)揮生理作用。葡萄糖只有與UDP、ADP、GDP等核苷酸結(jié)合為UDPG、ADPG、GDPG等活性形式，才能進(jìn)一步合成為蔗糖、寡糖和多糖。4.糖基載體第二節(jié)DNA結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu):為直線形多聚核苷酸，相對(duì)分子質(zhì)量的差別極大.高級(jí)結(jié)構(gòu):包括二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)等.一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)多核苷酸鏈中各種單核苷酸的排列順序，稱核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)；單核苷酸之間的的連接鍵是3

,5

-磷酸二酯鍵。1．核苷酸之間通過3′，5′-磷酸二酯鍵連接聚合酶催化細(xì)胞中的RNA和DNA的合成。RNA以ATP、GTP、CTP和UTP為底物；而DNA以dATP、dGTP、dCTP和dTTP為底物。通過催化一個(gè)核苷酸的核糖或脫氧核糖第5′位的磷酸，與另一個(gè)核苷酸的第3′位的羥基之間脫水縮合形成3′，5′-磷酸二酯鍵，并釋放出無機(jī)焦磷酸。多個(gè)核苷酸以3′，5′-磷酸二酯鍵連接成線形大分子，即多核苷酸鏈。3',5'-磷酸二酯鍵的形成1）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-T5’2.DNA的方向性與DNA的書寫方式2）寫法一種是線條式縮寫法：用豎直線表示戊糖；斜線表示3′，5′-磷酸二酯鍵，一端與戊糖的3′相連，另一端與下一個(gè)戊糖的5′相連；p表示磷酸殘基；A、U、G、C、T表示各堿基。圖5-10線條式縮寫示意圖另一種是文字縮寫法，即磷酸用p表示，腺苷一磷酸表示為pA，而脫氧腺苷一磷酸表示為pdA，其它的類似。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：

5

-AGTCCATG-3

AGTCCATG3-TCAGGTAC-5TCAGGTACRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：

5

-AGUCCAUG-3

AGUCCAUG

核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法二、DNA的空間結(jié)構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)是指多核苷酸鏈與多核苷酸鏈之間以及多核苷酸鏈內(nèi)通過氫鍵及堿基堆積力，在空間形成的螺旋、卷曲和折疊的構(gòu)象。DNA的空間結(jié)構(gòu)包括DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)和DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)。1.DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)—雙螺旋結(jié)構(gòu)模型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。雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立的依據(jù)Watson-Crick的DNA雙螺旋2.0nm結(jié)構(gòu)特征DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）DNA分子是由兩條互相平行、但走向相反（一條鏈為3＇→5＇，另一條鏈為5＇→3＇）的脫氧多核苷酸鏈組成，兩條鏈以右手螺旋方式平行地圍繞同一個(gè)軸盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。(2)雙螺旋分子中糖分子與縱軸平行，與堿基平面垂直磷酸基與脫氧核糖在外側(cè)，彼此之間通過磷酸二酯鍵相連接，形成DNA的骨架

堿基互補(bǔ)配對(duì)

TAGC（3）堿基之間通過氫鍵配對(duì)，Ａ與Ｔ配對(duì)，Ｇ與Ｃ配對(duì)，Ｇ＼Ｃ之間通過三個(gè)氫鍵連接，Ａ＼Ｔ對(duì)通過兩個(gè)氫鍵連接.這種堿基之間互相匹配的情形稱為堿基互補(bǔ)。因此，當(dāng)一條核苷酸鏈的堿基序列確定以后，即可推知另一條互補(bǔ)核苷酸鏈的堿基序列（4）雙螺旋的直徑為2nm。順軸方向，每隔0.34nm有一個(gè)核苷酸，兩個(gè)核苷酸間的夾角為36

，因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10個(gè)核苷酸，每隔3.4nm重復(fù)出現(xiàn)同一結(jié)構(gòu)。

(5)鏈之間的螺旋形凹槽，一條較淺，寬度為0.6nm，深度為0.75nm；另一條較深，寬度為1.2nm，深度為0.85nm。維持雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的力一是互補(bǔ)堿基對(duì)之間的氫鍵

主要的力，是堿基堆集力.堿基堆集力是由于芳香族堿基的

電子之間相互作用而引起的，DNA分子中堿基層層堆集，在DNA分子內(nèi)部形成了一個(gè)疏水核心，核心內(nèi)幾乎沒有游離的水分子，所以使互補(bǔ)的堿基之間形成氫鍵。

三是磷酸殘基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子之間形成的離子鍵。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)。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DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。在生物體內(nèi)DNA在雙螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤曲成緊密的空間結(jié)構(gòu)稱為DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)許多病毒DNA、細(xì)菌質(zhì)粒DNA和真核生物的線粒體DNA以及葉綠體DNA，多是由雙螺旋結(jié)構(gòu)的首尾兩端接成環(huán)狀（開環(huán)型）。雙螺旋進(jìn)一步發(fā)生扭曲形成超螺旋結(jié)構(gòu)（雙股閉鏈環(huán)狀）。超螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可將長鏈壓縮在一較小體內(nèi)；密度大；凝膠電泳中移動(dòng)速度快。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)，再盤繞壓縮成高層次的結(jié)構(gòu)———

染色體。細(xì)胞內(nèi)的DNA主要以超螺旋形式存在。DNA的包裝第三節(jié)RNA結(jié)構(gòu)RNA的結(jié)構(gòu)3、單鏈狀，但許多區(qū)域可自身進(jìn)行堿基配對(duì)，形成回折1.RNA分子比DNA分子小得多，一般含幾十至幾千個(gè)核苷酸2.堿基配對(duì)規(guī)則：A-U，G-C，不能配對(duì)區(qū)域形成突起。核苷酸之間的連結(jié)方式：3',5'-磷酸二酯鍵單鏈RNA多核苷酸鏈通過折疊形成特定高級(jí)結(jié)構(gòu)單鏈、雙螺旋、突起、內(nèi)環(huán)發(fā)夾結(jié)構(gòu)1、分子較小，為直線型多核苷酸鏈，一般由70-90個(gè)氨基酸組成，種類多2、基本單位主要是CMPGMPAMP和UMP四種核苷酸,含較多稀有堿基3、磷酸二酯鍵，5’端向3’端延伸，不像DNA那樣具有嚴(yán)格的A=T，G=C的規(guī)律4、3’端都為CCA，用以接受氨基酸，叫葉柄；5’端都為pG或pC，分子中有保守序列tRNA結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)：在RNA分子的多核苷酸鏈中也能形成與DNA相類似的螺旋區(qū)，這是由單鏈自身回折，使鏈內(nèi)可配對(duì)的堿基（A-U,G－G）相遇形成氫鍵（A－U堿基對(duì)），使該部分扭轉(zhuǎn)形成螺旋。二級(jí)結(jié)構(gòu)為三葉草。tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)為倒L型mRNA分子

RNA的分子結(jié)構(gòu)含量少