核酸化學(xué)

核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機(jī)體不可缺少的組成部分。核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對(duì)于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長(zhǎng)發(fā)育，細(xì)胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。因此，核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。核酸重要性核酸的發(fā)現(xiàn)1868年，F(xiàn).Miescher從膿細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)----核素（脫氧核糖核蛋白）。1889年，Altman對(duì)核素進(jìn)行了純化，把不含蛋白質(zhì)的核素稱為核酸（nucleicacid）。1944年，Avery通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)首次證實(shí)核酸是攜帶遺傳信息的物質(zhì)。1953年，WatsonandCrick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，為現(xiàn)代分子生物學(xué)與分子遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)。本章簡(jiǎn)要講解核酸的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、及分離純化的主要方法1.1核酸的種類與分布核酸分為兩大類，即：脫氧核糖核酸（DNA）---DeoxyribonucleicAcid

核糖核酸（RNA）---RibonucleicAcid。單鏈雙鏈脫氧核糖核酸（DNA）

主要細(xì)胞核，線粒體、葉綠體少量

類核（原核細(xì)胞）

tRNA：10-15%核糖核酸（RNA）mRNA：5-10%

細(xì)胞質(zhì)

rRNA：75-80%1.2核酸作用簡(jiǎn)介DNA:含有生物物種的所有遺傳信息，分子量一般都很大。DNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結(jié)構(gòu)大分子，也有少部分呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。mRNA:信使RNA，蛋白質(zhì)合成中起決定氨基酸順序的模板作用tRNA:轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，蛋白質(zhì)合成中起攜帶活化氨基酸的作用rRNA：核糖體RNA，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體，是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器。RNA作用簡(jiǎn)介1.3核酸的化學(xué)組成核酸

3`，5`-磷酸二酯鍵

核苷酸

磷酸酯鍵核苷磷酸

糖苷鍵堿基

脫氧核糖（核糖）1.3.1堿基種類-嘌呤123456798腺嘌呤鳥嘌呤91.3.1堿基種類-嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶12345611堿基都具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結(jié)構(gòu)。嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260nm左右）。DNA含胸腺嘧啶，RNA含尿嘧啶1.3.2戊糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。1421.3.3核苷糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵19111.3.4核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯。作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分別是5′-磷酸-脫氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。55各種核苷酸的縮寫符號(hào)核苷酸鏈核酸中也存在一些含量極少的稀有堿基。核苷酸還可以進(jìn)一步磷酸化形成核苷二磷酸和核苷三磷酸，其第二個(gè)及第三個(gè)磷酸鍵是高能磷酸鍵，在能量轉(zhuǎn)換中起重要作用備注核苷酸還可以發(fā)生環(huán)化。cAMP(3’,5’-環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作為細(xì)胞之間傳遞信息的信使cAMP

和cGMP

的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵備注2.DNA的分子結(jié)構(gòu)2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)2.4DNA的存在形式2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA分子中四種脫氧核糖核酸的排列順序，即四種脫氧核糖核酸通過3’，5’—磷酸二酯鍵連接起來的直線性或環(huán)形多聚體多聚核苷酸特點(diǎn)通過3’，5’—磷酸二酯鍵連接起來的C5′帶有一個(gè)自由磷酸基，稱為5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3′帶有自由的羥基，稱為3′-羥基端（常用3′-OH表示）。多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。核苷酸鏈寫法由于構(gòu)成核苷酸單元的戊糖和磷酸基是相同的，體現(xiàn)核苷酸差別的實(shí)際上只是它所帶的堿基，所以多聚核苷酸鏈結(jié)構(gòu)也可表示為：DNA分子中的四種堿基含量比例、排列順序是決定DNA分子結(jié)構(gòu)和功能的重要因素，因此在討論有關(guān)核酸問題時(shí)，一般只關(guān)心其中堿基的種類和順序，所以上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′

或5′ACGCTGTA3′-----最常用2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Watson和Crick1953年

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2.2.1DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向?yàn)?′→3′，而另一條鏈的方向?yàn)?′→5′。（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基對(duì)平面成90°角。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈）高度為3.4nm。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（4）兩條DNA鏈相互結(jié)合以及形成雙螺旋的力是鏈間的堿基對(duì)所形成的氫鍵。堿基的相互結(jié)合具有嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結(jié)合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結(jié)合，這種配對(duì)關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基間氫鍵堿基間氫鍵2.2.2DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理?xiàng)l件下是很穩(wěn)定的。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵；2.雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿基層層堆積，形成了一個(gè)強(qiáng)大的疏水區(qū)-堿基堆積力，消除了介質(zhì)中水分子對(duì)堿基之間氫鍵的影響；3.介質(zhì)中的陽(yáng)離子（如Na+、K+和Mg2+）可與磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷形成離子鍵，降低了DNA鏈之間的排斥力、范德華引力等2.2.3DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性右手螺旋

B-DNA:相對(duì)濕度92%,鈉鹽(天然狀態(tài))A-DNA:相對(duì)濕度75%,鈉鹽

C-DNA相對(duì)濕度66%,鋰鹽左手螺旋:Z-DNAA,B,Z型DNA構(gòu)象的比較A,B,Z型DNA構(gòu)象的比較當(dāng)雙螺旋的鏈進(jìn)一步扭曲時(shí)，再次形成螺旋結(jié)構(gòu)，稱為DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)----超螺旋結(jié)構(gòu)正超螺旋----擰緊狀態(tài)負(fù)超螺旋----擰松狀態(tài)2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)2.4DNA的存在形式真核細(xì)胞中，線狀DNA分子與組蛋白結(jié)合形成核小體組蛋白：分子量11-21KD,富含賴氨酸和精氨酸的堿性蛋白，分為H1,H2A,H2B,H3,H4核小體：是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)元，有一段大約200個(gè)堿基對(duì)的雙螺旋DNA和五種組蛋白組成。核小體結(jié)構(gòu)核小體核心：由長(zhǎng)146bp的一段雙螺旋DNA以左手超螺旋的方式纏繞在核心顆粒表面繞核心顆粒1.75圈，組成核小體核心。核心顆粒：組蛋白八聚體（H2A，H2B，H3，H4各兩分子）連接區(qū)DNA：連接核小體核心的DNA染色體的形成3.RNA的分子結(jié)構(gòu)RNA是腺苷酸、鳥苷酸、胞嘧啶、尿嘧啶通過3’5’--磷酸二酯鍵連接而成的多核苷酸長(zhǎng)鏈，這些核苷酸在RNA分子中的排列順序即為RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA基本以單鏈存在，在某些區(qū)段由于互相靠近，并且含有互補(bǔ)堿基，因而能形成氫鍵，另一部分則成環(huán)狀，叫“發(fā)夾”或“莖環(huán)”結(jié)構(gòu)。----二級(jí)結(jié)構(gòu)3.1tRNA的結(jié)構(gòu)----一級(jí)結(jié)構(gòu)分子量較小，由73~~89個(gè)核苷酸組成含有較多的稀有堿基，對(duì)tRNA的穩(wěn)定有重要意義。3.多核苷酸鏈的3’-末端的最后3個(gè)核苷酸殘基都是CCA-OH，用來攜帶活化氨基酸。tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)為四莖四環(huán)的三葉草形氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼子環(huán)TC環(huán)額外環(huán)3.1tRNA的結(jié)構(gòu)----二級(jí)結(jié)構(gòu)目前已知的tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)均為倒L型3.1tRNA的結(jié)構(gòu)----三級(jí)結(jié)構(gòu)rRNA呈單鏈存在，也有局部雙螺旋和發(fā)夾結(jié)構(gòu),rRNA

與蛋白質(zhì)一起組成核糖體，作為蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所3.2rRNA的結(jié)構(gòu)原核70S真核80S大亞基50S(23S,5S)32種蛋白質(zhì)60S(28S,5S,5.8S)小亞基30S(16S)21種蛋白質(zhì)40S(18S)30種蛋白質(zhì)真核、原核的核糖體比較3.3mRNA的分子結(jié)構(gòu)mRNA是以DNA為模板合成的，攜帶著DNA的遺傳信息，因此稱為信使RNA。mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板，決定著蛋白質(zhì)中氨基酸的順序，原核與真核細(xì)胞的mRNA在結(jié)構(gòu)上的差異：原核細(xì)胞mRNA是多順反子，真核細(xì)胞mRNA為單順反子。絕大多數(shù)真核細(xì)胞的mRNA的3’-末端有一段polyA，5’-末端有以“帽子”結(jié)構(gòu)“帽子”結(jié)構(gòu)可能與蛋白質(zhì)合成的正確起始作用及協(xié)同核糖體與mRNA相結(jié)合有關(guān)，3’-末端的polyA可能有抗核酸外切酶的作用原核生物mRNA分子中一般沒有修飾成分，而真核生物mRNA一般都有修飾成分帽子結(jié)構(gòu)PolyA

位點(diǎn)4.核酸的理化性質(zhì)—物理溶解度：DNA,RNA均微溶于水，不溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。2.酸堿解：DNA抗堿性比RNA強(qiáng)，二者均不耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。3.沉降特性：RNA>環(huán)形DNA>蛋白質(zhì)

RNA---蔗糖梯度超離心

DNA---氯化銫梯度超離心4.粘度：線性〉無規(guī)則線團(tuán)〉球形5.紫外吸收：嘌呤堿與嘧啶堿有共軛雙鍵，因此有紫外吸收，最大值在260nm左右4.核酸的理化性質(zhì)—物理核酸的變性（denaturation):

指核酸的雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂成單鏈，并不涉及共價(jià)鍵的斷裂。

核酸的降解

指多核苷酸骨架上共價(jià)鍵的斷裂(3’,5’—磷酸二酯鍵)

RNA有局部的雙螺旋，因此也可變性4.核酸的理化性質(zhì)—變性變性的特點(diǎn)：1.增色效應(yīng)：與天然DNA相比，變性DNA因其雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，使堿基充分暴露，因此紫外吸收增加，這種現(xiàn)象叫….2.粘度下降3.浮力升高4.失去部分或全部活力4.核酸的理化性質(zhì)—變性熔點(diǎn)/熔解溫度（meltingtemperture)

通常把增色效應(yīng)達(dá)到一半時(shí)的溫度或DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是去一半時(shí)的溫度稱為該DNA的……，用Tm表示與Tm相關(guān)的