1、第五章 核酸,Nucleic acid,概述 一、核酸的定義：,核酸是生物體內(nèi)一類含有磷酸基團(tuán) 的生物大分子,核酸的化學(xué)組成：除含有碳、氫、氧、氮外，含磷高是核酸元素組成的特點(diǎn),二.核酸的種類 所用生物細(xì)胞都含有這兩類核酸,核酸,核糖核酸: RNA ribonucleic acid,脫氧核糖核酸:DNA deoxyribonucleic acid,（1）信使RNA （mRNA） （2）核糖體RNA（rRNA） （3）轉(zhuǎn)移RNA （tRNA）,三、核酸的作用： 生物信息的儲(chǔ)存和傳遞 四、核酸的分布： DNA主要分布在染色體中，少部分在 核外； RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)中,五、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡(jiǎn)史,

2、Friedrich Miescher是一位年輕的瑞士醫(yī)生，1869年在德國(guó)生理化學(xué)家Felix Hoppe-Seyler的實(shí)驗(yàn)室工作，當(dāng)時(shí)主要研究細(xì)胞核的化學(xué)成分。他從外科醫(yī)院收集了一些廢棄的外科繃帶，洗下膿細(xì)胞，然后用鹽酸處理，獲得的細(xì)胞核用于研究核的化學(xué)成分。當(dāng)用酸繼續(xù)處理時(shí)有白色沉淀出現(xiàn)，沉淀中含碳、氫、氧、氮和高濃度的磷。先命名為核素，后發(fā)現(xiàn)它有很強(qiáng)的酸性，改稱核酸。后來(lái)被證明是脫氧核糖核酸（DNA）。之后不久 Hoppe-Seyler從酵母中分離出一種類似的物質(zhì)，即核糖核酸（RNA）。,核酸是一種多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸。細(xì)胞內(nèi)各種游離的核苷酸和核苷酸衍生物都具有重要的生

3、理功能。,第一節(jié) 核苷酸與核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu),一、核苷酸由堿基、戊糖和磷酸組成,核 糖 脫氧核糖,(一）構(gòu)成核苷酸的糖,(二) 組成核苷酸的含氮堿：嘌呤和嘧啶,1、嘧啶堿：,植物DNA中有相當(dāng)量的5-甲基胞嘧啶，一些 E.coli phage中有5-羥甲基胞嘧啶替代了胞嘧啶。,尿嘧啶（U),胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,2,1,3,4,5,6,2、嘌呤堿：,X-射線衍射分析法證明嘌呤和嘧啶環(huán) 很接近平面。,鳥(niǎo)嘌呤（G）,腺嘌呤（A）,1,2,3,5,4,6,7,8,9,3、稀有堿基： 含量甚少，大多數(shù)都是甲基化堿基。tRNA中含量較多，可達(dá)10。目前已知稀有堿基和核苷達(dá)近百種。,堿基與核糖之間的連

4、鍵多為型N-糖苷鍵。 如：嘌呤核苷或嘌呤脫氧核苷以戊糖的 C1與嘌呤的N9相連。 嘧啶核苷或嘧啶脫氧核苷以戊糖的 C1與嘧啶的N1相連。 X衍射法已證明：核苷中的堿基與糖環(huán)平面互相垂直。,（三）核苷 堿基與戊糖以糖苷鍵連接形成核苷,核苷的命名：堿基名核苷 糖環(huán)中的碳原子標(biāo)號(hào)右上角加“” 堿基中的碳原子標(biāo)號(hào)右上角不加“”,RNA中含有某些修飾和異構(gòu)化的核苷（堿基、核糖被修飾）。核糖的修飾主要是甲基化。 如：尿嘧啶核苷（ C1N1）在異構(gòu)化酶的作用下生成假尿嘧啶核苷（C1-C5)。,1. 嘧啶堿和戊糖的連接,尿嘧啶核苷,假尿嘧啶核苷,2. 嘌呤堿和戊糖的連接,（四）核苷酸：核苷中戊糖上的羥基與磷酸

5、成酯而形成，本質(zhì)是磷酸酯。,5,組成DNA的堿基,二、DNA、RNA中的核苷酸,(一)、核酸中的核苷酸類別,組成RNA的堿基,DNA、RNA組成的異同,組成DNA、RNA的核苷酸,如：2/3/5-核糖核苷酸 3/5-脫氧核糖核苷酸 生物體內(nèi)游離存在核苷酸多是5-（脫氧）核糖核苷酸。 細(xì)胞內(nèi)有一些游離存在的多磷酸核苷酸（如： 5-NDP, 5-NTP），它們是核酸合成的前體、重要的輔酶和能量載體。 環(huán)化核苷酸（如：cAMP/cGMP）往往是細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)分子和信號(hào)分子。,(二)、細(xì)胞內(nèi)游離的核苷酸及其衍生物,*,cAMP,三、核苷酸的紫外吸收特性,由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵，所以堿基、核苷、

6、核苷酸、核酸都在240290nm范圍內(nèi)有特征吸收。組分結(jié)構(gòu)不同，紫外吸收也就不同。如max AMP257nm、GMP為256nm、CMP為280nm、UMP為262nm。通常測(cè)定對(duì)核酸及核苷酸選用260nm波長(zhǎng)。,核苷酸在240290nm的紫外波段有一強(qiáng)烈的吸收峰,不同核苷酸有不同的吸收特性， Amax在260nm附近。,利用各種核苷酸的紫外吸收標(biāo)準(zhǔn)吸光度比值和摩爾吸收系數(shù)（如：260），可以通過(guò)紫外分光光度計(jì)對(duì)核苷酸樣品進(jìn)行定性或定量測(cè)定。 P163 表5-2 表5-3,摩爾吸收系數(shù)： 1 摩爾濃度的核苷酸溶液在某一波長(zhǎng)的吸光度,四.核苷酸的解離性質(zhì),1、堿基的解離 嘌呤、嘧啶雜環(huán)中的氮以及

7、各取代基具 有結(jié)合和釋放質(zhì)子的能力,所以這些物 質(zhì)既有堿性解離又有酸性解離的性質(zhì)。,pK1=4.6,pK2=12.5,H+,H+,2、核苷酸的解離 由于磷酸基的存在,使核苷酸具有較強(qiáng)的酸性。 磷酸基的解離對(duì)整個(gè)核苷酸解離后所帶的凈 電荷量影響顯著.,由于核苷酸是兩性電解質(zhì)，在不同pH的溶液中解離程度不同，在一定條件下可形成兼性離子,pH,pH,解離度,解離度,核苷酸的等電點(diǎn),pH,尿苷酸堿基堿性極弱，實(shí)際測(cè)不出含氮環(huán)的解離曲線， 故不能形成兼性離子。,對(duì)于含A、G、C的核苷酸而言，PI=1/2（PK1+ PK2) 當(dāng)環(huán)境PH PI時(shí)， 核苷酸- 核苷酸的解離與核苷酸的分離： 利用核苷酸及其衍生

8、物在一定PH條件下具有不同的解離特性，應(yīng)用離子交換柱層析和電泳等方法進(jìn)行分離。,五、磷酸二酯鍵與多聚核苷酸鏈 （一）核酸中核苷酸的連接方式 1、核酸在酸、堿、酶的作用下水解成寡核苷酸、核 苷酸、核苷和堿基。核苷酸是結(jié)構(gòu)單位。 2、核酸的酸堿滴定曲線顯示，核酸分子中的磷酸基 只有一級(jí)解離，因?yàn)榈诙姿峄c糖環(huán)的羥基形 成了磷酸二酯鍵。 糖環(huán)的哪個(gè)羥基：2/3/5 ？ 3、蛇毒磷酸二酯酶水解產(chǎn)物是5-核苷酸,牛脾磷 酸二酯酶水解產(chǎn)物是3-核苷酸 DNA、RNA均以3，5-磷酸二酯鍵相連。,DNA的滴定曲線,酸堿滴定可用于確定參與酸堿反應(yīng)的基團(tuán)的性質(zhì),多聚核苷酸,牛脾磷酸二酯酶,蛇毒磷酸二酯酶,（二

9、）核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu) 核苷酸以3，5-磷酸二酯鍵彼此相連形成核酸，核苷酸的排列順序稱為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu),核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)由于3，5-磷酸二酯鍵 的存在而具有方向性，即53,核酸共價(jià)結(jié)構(gòu)的幾種表示方法,（1）豎線式：豎線戊糖 B 堿基 P 磷酸基,（2）文字式：字母代表核苷或核苷酸 P在核苷之左表示與C5相連 P在核苷之右表示與C3 相連 如： pApCpTpG 書寫順序?yàn)橛坞x5磷酸端在左， 游離3磷酸端(或羥基)在右。 磷酸二酯鍵的位置是3 5 ,一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu),通過(guò)3，5- 磷酸二酯鍵連接起來(lái)的無(wú)分支的直線型或環(huán)型多聚體。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),磷酸二酯鍵,二. DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu) DNA鏈在一

10、級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上折疊或盤繞而形成高級(jí)結(jié)構(gòu),（一）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) -Watson-crick雙螺旋結(jié)構(gòu),a 腺嘌呤與胸腺嘧啶摩爾數(shù)相等，A=T 即 A與T配對(duì)；,1.DNA堿基組成特征： Chargaff規(guī)則-堿基配對(duì)規(guī)率,b 鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶摩爾數(shù)相等，G=C 即 G與C配對(duì)； 則：A/T=G/C=1,c 含氨基的堿基（腺嘌呤和胞嘧啶）總數(shù)等于 含酮基的堿基（鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶）總數(shù)， 即 A+C=G+T； d 嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù), 即 A+G=C+T,堿基互補(bǔ)配對(duì)形成氫鍵,1953年，Waston和Crick提出,DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,2.Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu),互為右手螺

11、旋的兩條鏈,其磷酸二酯鍵的方向相反,即一條為 5 3 另一條為 3 5,(1) 兩條反向平行的多核 苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞,兩條鏈均為右手螺旋。,（2）嘌呤與嘧啶位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。磷酸與核糖在外側(cè)，彼此通過(guò)3,5-磷酸二酯鍵連接起來(lái)，形成DNA分子的骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)的平面與縱軸平行，多核苷酸的方向取決于核苷酸間磷酸二酯鍵的走向。習(xí)慣上以 C3 C5為正向。,堿基對(duì)位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與糖在外側(cè)；堿基平面與中心軸垂直，糖環(huán)的平面與中心軸平行,螺旋表面：由于配對(duì)堿基不能充滿雙螺旋的全部空間，而且堿基占據(jù)的空間不對(duì)稱，因而在螺旋表面形成兩條寬度不同的螺形凹槽，稱為大溝和小溝。溝

12、槽的堿基暴露，易與蛋白質(zhì)作用。,兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。,（3）雙螺旋的平均直徑為2nm(20)，兩個(gè)相鄰的堿基對(duì)之間相距的距離，即堿基堆積距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾角為36度。X衍射分析每一轉(zhuǎn)的高度(螺旋)3.6nm(36) 。因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10.5個(gè)核苷酸。,（4）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相系而結(jié)合在一起。A與T配對(duì)，形成兩個(gè)氫鍵； G與C配對(duì)，形成三個(gè)氫鍵。 G與C之間的連接更穩(wěn)定。,（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，當(dāng)一條多核苷酸鏈的序列被確定后，即可決定另一條互補(bǔ)鏈的序列。,DNA鈉鹽在較高濕度

13、下92制得的B-型DNA纖維的結(jié)構(gòu)。 DNA結(jié)構(gòu)可受環(huán)境條件的影響而改變。能以多種不同的構(gòu)象存在，A/B/C/D/E/Z Z為左手螺旋型。,A型：在相對(duì)濕度為75以下所獲得的DNA纖維構(gòu)象經(jīng)X射線衍射分析：螺旋比較粗短，堿基傾角大一些，大溝的深度明顯超過(guò)小溝。,Z型：天然DNA局部有左手雙螺旋結(jié)構(gòu)。Z型細(xì)長(zhǎng),大溝平坦，核苷酸構(gòu)象順?lè)聪嚅g使磷酸和糖骨架呈Z字形。,a）氫鍵 兩條鏈中堿基的相互作用，A與T、G與C，由于其數(shù)量多，是穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要因素 b）堿基堆積力 指一條鏈上相臨兩個(gè)平行堿基環(huán)間的相互作用,這是來(lái)自芳香環(huán)堿基電子之間的相互作用是維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。堿基堆積還使雙螺旋內(nèi)部形成疏水核心,有利于堿基間氫鍵的形成 c）離子鍵 DNA分子中磷酸基團(tuán)在生理?xiàng)l件下解離,使DNA 呈多陰離子,與帶正電荷的組蛋白或介質(zhì)中的陽(yáng)離子之間形成靜電作用,以減少雙鏈間的靜電排斥,有利于雙螺旋的穩(wěn)定,6.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素：,（二）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu),DNA分子（雙螺旋