第七章核酸及核酸代谢

第七章核酸的生物化学Chapter7BiochemistryofNucleicAcid第一节核酸的结构与功能Section1StructureandFunctionofNucleicAcid染色体非组蛋白What’snucleicacid?核酸的发现：1869年瑞士米歇尔核酸的定义：生物体内一类含有磷酸基团的重要生物大分子（酸性物质），是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体，在蛋白质的生物合成中起重要的作用。细胞质细胞细胞核核酸DNA若干基因组蛋白核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)RNA主要参与遗传信息的表达;脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)DNA是遗传信息的载体;核酸的分类：RNA和DNA都是以单核苷酸(nucleotide)为基本单位所组成的多核苷酸长链。1.1TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid1.1核酸的化学组成及一级结构核酸的水解产物：核酸核苷酸磷酸核苷戊糖含氮碱核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱1.嘧啶碱(pyrimidine)：一、核苷酸中的碱基组成尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶Uracil，UCytosine，CThymine，T312456NNONNOHHNNOHNH2NNOOHHCH32.嘌呤碱(purine)：312456789腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)NNNNHNH2NNNNHNNNNHNH2OH二、戊糖与核苷1．戊糖(pentose)：1´（构成RNA）-D-核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH-D-脱氧核糖(deoxyribose)2´3´4´5´OHOCHOHOHOH22．核苷(nucleoside)：核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1′-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。腺苷(AR)脱氧胞苷(dCR)β1,N9-糖苷键β1,N1-糖苷键β1β1N9N1OH碱基和核糖的缩合物，以N-糖苷键相连；成苷位置：核糖C-1与嘧啶N-1；核糖C-1与嘌呤N-9。核苷：腺苷A，鸟苷G，胞苷C，尿苷U；脱氧核苷：脱氧腺苷dA,脱氧鸟苷dG,脱氧胞苷dC,脱氧胸苷dT；2．核苷(nucleoside)：“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷（ψ）1,C5-糖苷键1C5三、核苷酸的结构与命名核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括:核糖核苷酸:5-AMP,5-GMP,5-CMP,5-UMP脱氧核糖核苷酸:5-dAMP,5-dGMP,5-dCMP,5-dTMP与磷酸基缩合的位置：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）5-核苷酸的分子结构5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。环核苷酸的分子结构环一磷酸腺苷环一磷酸鸟苷核苷酸的命名及缩写符号脱氧碱基磷酸基数目磷酸dAMPGDTTCU细胞内游离核苷酸及其衍生物1、含高能磷酸键的ATP类化合物；ATP是能量的直接供体；（脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料；ATP、GTP、CTP、TTP、UTP；ADP、GDP、CDP、TDP、UDP；参加合成代谢；UTP--糖类合成、GTP--蛋白质合成、CTP--脂类合成2、环状核苷酸（cAMP、cGMP）第二信使，影响多种酶的活性四、核苷酸的性质一般物理性质；互变异构现象；紫外吸收，260nm；核苷酸的两性解离和等电点；互变异构现象CNNOOHHCNNOHHOuracil酮式uracil烯醇式NNHNH2ONHNHNHO氨基态胞嘧啶亚氨基态胞嘧啶NHNHOONNOHOH酮式尿嘧啶稀醇式尿嘧啶碱基的紫外吸收最大吸收峰在260nm附近胞嘧啶核苷酸的解离OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMPpKa2=4.5--OCH2HHOHHOHHONNONH2POOOCMPpKa3=6.4----pI=CMPpKa1+pKa22=0.8+4.52=2.65OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMPpKa1=0.80H+-±OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHHOCMP+H+核苷酸的两性解离和等电点4种核苷酸的解离曲线可在pH2.0～5.0之间分离各种核苷酸pH3.5时各核苷酸所带电荷核苷酸磷酸基电荷碱基的电荷净电荷AMP-1+0.54-0.46GMP-1+0.05-0.95CMP-1+0.84-0.16UMP-1+0-1（四）细胞内游离核苷酸及其衍生物1、含高能磷酸键的ATP类化合物；ATP是能量的直接供体；（脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料；ATP、GTP、CTP、TTP、UTP；ADP、GDP、CDP、TDP、UDP；参加合成代谢；UTP--糖类合成、GTP--蛋白质合成、CTP--脂类合成2、环状核苷酸（cAMP、cGMP）五、核酸的一级结构一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。3',5'-磷酸二酯键的形成多核苷酸链核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。核酸是的方向性：多核苷酸链的两端，一端称为5-端，另一端称为3-端。5′端3′端CGA多核苷酸链简写方法书写方向规定为：5-端→3-端。5′端3′端CGADNA分子：由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式(3,5-磷酸二酯键)。RNA分子：由AMP，GMP，CMP，UMP组成。RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。核酸的一级结构DNA的一级结构：5-AGTCCATG-3AGTCCATG3-TCAGGTAC-5RNA的一级结构：5-AGUCCAUG-3AGUCCAUG核酸一级结构的表示方法水解方式：酶法、碱法和酸法（1）碱水解RNA2-核苷酸+3-核苷酸DNADNA变性但不被水解（2）酸水解DNA无嘌呤的DNA分子（pH4）DNA（RNA）碱基+戊糖+磷酸（强酸高温）核酸的水解作用（3）核酸酶的水解作用核酸酶---水解核酸磷酸二酯键的酶种类根据底物不同分三类：脱氧核糖核酸酶（DNase）核糖核酸酶（RNase）核酸酶（Nuclease）根据核酸酶对底物作用特点分核酸内切酶、核酸外切酶核酸的水解作用1.2DNA的空间结构与功能1.2DimensionalStructureandFunctionofDNA一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。JamesWatson(L)andFrancisCrick(R),andthemodeltheybuiltofthestructureofDNA（一）对DNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家1.OswaldAvery(1877-1955)MicrobiologistAveryledtheteamthatshowedthatDNAistheunitofinheritance.OneNobellaureatehascalledthediscoverythehistoricalplatformofmodernDNAresearch,andhisworkinspiredWatsonandCricktoseekDNA'sstructure.——Nature,20032.ErwinChargaff(1905-2002)ChargaffdiscoveredthepairingrulesofDNAletters,noticingthatAmatchestoTandCtoG.Helatercriticizedmolecularbiology,thedisciplinehehelpedinvent,asthepracticeofbiochemistrywithoutalicence,andoncedescribedFrancisCrickaslookinglikeafadedracingtout.——Nature,2003Chargaff研究小组的贡献1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了分析研究，发现：①DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；②相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；③DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。3.LinusPauling(1901-1994)Thetitanoftwentieth-centurychemistry.Paulingledthewayinworkingoutthestructureofbigbiologicalmolecules,andWatsonandCricksawhimastheirmaincompetitor.Inearly1953,workingwithoutthebenefitofX-raypictures,hepublishedapapersuggestingthatDNAwasatriplehelix.——Nature,20034.RosalindFranklin(1920-1958)Franklin,trainedasachemist,wasexpertindeducingthestructureofmoleculesbyfiringX-raysthroughthem.HerimagesofDNA-disclosedwithoutherknowledge-putWatsonandCrickonthetracktowardstherightstructure.Shewentontodopioneeringworkonthestructuresofviruses.——Nature,20035.MauriceWilkins(1916-)LikeCrick,NewZealand-bornWilkinstrainedasaphysicist,andwasinvolvedwiththeManhattanprojecttobuildthenuclearbomb.WilkinsworkedonX-raycrystallographyofDNAwithFranklinatKing'sCollegeLondon,althoughtheirrelationshipwasstrained.HehelpedtoverifyWatsonandCrick'smodel,andsharedthe1962Nobelwiththem.——Nature,20031953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。Fig.516.JamesWatson(1928-)WatsonwenttouniversityinChicagoaged15,andteamedupwithCrickinCambridgeinlate1951.Aftersolvingthedoublehelix,hewentontoworkonvirusesandRNA,anothergeneticinformationcarrier.Healsohelpedlaunchthehumangenomeproject,andispresidentofColdSpringHarborLaborat