5.核酸化学

第四章核酸化学核酸的概述•1869年瑞士外科医生Miescher从细胞核中分离出核素。•1889年Altman制备了核酸制品，命名为核酸。•1930~40年，Kossel和Levene等确定核酸的组分后，明确核酸的类别：核酸脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）•1944年，Avery的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：orand可分离•除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。•不同有机体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。•RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。•1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型。核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。98％核中（染色体）真核线粒体（mtDNA）核外质粒（plasmid）叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒核酸的种类和分布核酸分为两大类：脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）mRNA(5%)真核tRNA(10-15%)rRNA（80%）SnRNA(核内）sRNASnoRNA(核仁）RNAmRNAScRNA(胞内)原核tRNArRNA病毒：RNA病毒第一节核酸的组成成分核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP(9%-9.9%)嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸水解核酸核苷酸核苷磷酸嘌呤碱或嘧啶碱（碱基）核糖或脱氧核糖（戊糖）大分子基本结构单位基本组成成分一、糖组分(戊糖)OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-核糖（存在于RNA中）β-D-2-脱氧核糖（存在于DNA中）O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定嘧啶胞嘧啶Cytosine（Cyt）尿嘧啶uracil（Ura）胸腺嘧啶thymine（Thy）（一）嘧啶碱—是嘧啶的衍生物123456NNHNH2ONHNHOONHNHOOCH3二、碱基——嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤腺嘌呤adenine（Ade）鸟嘌呤guanine（Gua）（二）嘌呤碱—是嘌呤的衍生物NNNHNNH2NHNNHNONH2123456978碱基的结构特征碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。NNOHHOHNNOOHNNNH2OHHHNNONH尿嘧啶烯醇式酮式氨基态亚氨基态胞嘧啶三、核苷（nucleoside）•核苷戊糖+碱基•糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)核糖核苷胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2腺苷（A）鸟苷（G）胞苷（C）尿苷（U）胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2脱氧核糖核苷呢？—有几种？是哪几种？跟以下结构有何区别？区别：1、核糖要变成脱氧核糖；2、U被T代替。种类：同样是4种，但它们是dA、dG、dC、dTHHHHCH3脱氧胸苷脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸四、核苷酸定义、连接方式、种类、衍生物多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。聚合酶核酸的一级结构是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键连接的核苷酸序列。DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向进行的，没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向读写。磷酸二酯键核苷酸的衍生物ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。ATP的结构：1、ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的结构。PO--OO‖OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHH9腺嘌呤腺苷NH2O—PO-—O‖~O—PO--—O‖~ADPATPAMP腺苷-5′-磷酸ATP的性质：ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。ATP也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。结构：cGMPcAMP2.环化核苷酸cAMP和cGMP1、核糖体RNA（rRNA）占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S+50S）16S、5S、23S80S（40S+60S）18S、5S、5.8S、28S第二节RNA的结构一、RNA的类别及分布2、转移RNA（tRNA）tRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。tRNA分子量为4S，1965年Holley测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型。3、信息RNA（mRNA）mRNA约占细胞RNA总量的3~5%，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的RNA。第二节RNA的结构二、RNA一级结构的慨念（和蛋白质比较学习，即把蛋白质的一级结构拷过来就行了）——组成蛋白质的氨基酸的连接方式及其排列顺序。先看RNA的连接方式：RNA核苷酸OHO-OO—CH2UO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHAUGpGpUpAOHpG-U-ApGUA？键连接方式是——3/、5/—磷酸二酯键形成的化合物叫核苷酸的缩合物：二核苷酸（某某碱基二核苷酸）多核苷酸链排列顺序是——核苷酸的数量、比例和排列次序5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OH第二节RNA的结构RNA一级结构研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。其中tRNA分子具有以下特点：分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3‘-末端都具有CpCpAOH的结构。三、RNA一级结构的特点1.大多数真核细胞mRNA在3`-末端有一段长约200个残基的多聚腺苷酸（PolyA）2.真核细胞mRNA的5`-末端有一极为特殊的帽子结构，称为“帽子（Cap）”：m7GpppNmAA….AA~200APolyA3`-端5`-端帽子结构非编码区非编码区编码区mRNA一级结构的特点：第二节RNA的结构RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分四、RNA的高级结构——RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。主要特征：1.一臂四环：氨基酸臂：3′端有CCAOH的共有结构；反密码环：环上的反密码子与mRNA相互作用；D环：其上有二氢尿嘧啶（D），与识别酶有关；TψC环：含有T和ψ，与识别核糖体有关；可变环：其上的核苷酸数目可以变动；2.含有修饰碱基和不变核苷酸，修饰碱基约为10%。（一）tRNA的二级结构在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型（二）tRNA的三级结构第三节DNA的结构一、DNA的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列（basesequence)。通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。pAGTOHP第三节DNA的结构二、DNA的双螺旋结构1953年，Watson和Crick提出。1951年Franklin和Wilkins利用X-射线衍射方法分析了DNA的晶体，得到了DNAX-射线衍射图。从衍射图推测出DNA的结构是一个螺旋结构，螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性，第一个周期出现在0.34nm，第二个周期出现在3.4nm。这对于确定DNA的结构是至关重要的线索。DNA晶体X-射线衍射图〈一〉双螺旋结构的主要依据（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。（2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后来Pauling和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。（3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，螺旋结构上有大沟和小沟。注：在这些沟内，碱基对的边缘是暴露给溶剂的，所以能够与特定的碱基对相互作用的分子可以通过这些沟去识别碱基对，而不必将螺旋破坏。这对于可以与DNA结合并“读出”特殊序列的蛋白质是特别重要的。〈二〉双螺旋结构模型要点（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3′-5′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。2.DNA双螺旋结构的要点（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，相邻核苷酸的夹角为36。沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm。（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm。（4）双螺旋内部的碱基按规则配对，碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C