核酸化学

核酸化学一般概念DNARNA核酸的性质核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。一、核酸的一般概念核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。主要分布于胞质中。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。核糖戊糖核苷或脱氧核苷碱基脱氧核糖嘌呤嘧啶核酸核苷酸磷酸核酸酶水解核苷酶基本结构单位碱基碱基的结构：嘌呤环和嘧啶环的编号嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine)碱基NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine)NHNHOOCH3其它碱基：黄嘌呤、次黄嘌呤修饰碱基（稀有碱基）P150碱基的特征光吸收(260nm)酮式和烯醇式互变异构CNNOOHHCNNOHHO碱基的解离CUTAG3.戊糖OHOH2CHOHHOHOHHHOHOH2CHOHHHOHHHOHOH2CHOHHOCH3OHHHβ-D-核糖异头碳羟基和末端醇羟基是顺式的β-D-2-脱氧核糖β-D-2-O-甲基核糖CH3OHHOD-核糖＋浓HCl＋绿色（苔黑酚法）FeCl3D-2-脱氧核糖＋蓝色（二苯胺法）HNH+苔黑酚法（甲基间苯二酚）二苯胺法4.核苷命名，简写符号核苷：A,G,U,C脱氧核苷：dA,dG,dT,dC结构：糖苷键类型（含N苷）；糖环的编号（加’）；糖环平面与碱基平面的相对位置；嘌呤核苷（1’，9；反式）;嘧啶核苷（1’，1）修饰核苷：T、ψ、D、Gm、m7G等N-糖苷键的特点N-糖苷键对酸不稳定理论上该糖苷键是典型的单键，可以自由转动，事实上由于空间位阻的关系，在天然结构中反式更为合适。修饰核苷（modifiednucleoside）：也称稀有核苷（minornucleoside）修饰核苷包括三种情况:（1）由修饰碱基和糖组成的核苷（2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷（3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷NNNNNHCH3dRN6-Methyl-dA（1）HNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(DorhU)（2）OCH2HHOHHOCH3HHO2'-O-甲基腺苷Ade(Am)NNCH3NH25-Methyl-dCOdR（3）OCH2HHOHHOHHHO(pseudouridine)HNNHOO51'假尿嘧啶核苷(ψ)修饰核苷的简写符号少数修饰核苷用单字符号如D、ψ、I；但大多数修饰核苷是将碱基取代基、取代位置和取代数目写在核苷单字符号的左边，用小写英文字母代表取代基。mN22取代位置核苷取代基的数目取代基取代基用下列小写英文字母表示:甲基m乙酰基ac氨基n甲硫基ms羟基o或h硫基s异戊烯基i羧基c例：HNNORSHNNOROCH2OHs4Uom5U或hm5U例:2’-O-甲基腺苷Am含修饰核糖的核苷即2’-O-甲基核苷的表示方法，在核苷符号的右下方注上一个小写m。核苷的性质互变异构现象紫外吸收：OD260↑两性解离AdeACytCGuaGpKa4.13.634.44.13.31.65.核苷酸2’、3’、5’-（核糖）核苷酸；3’、5’-脱氧（核糖）核苷酸；2’-AMP3’-AMP5’-AMP3’-dAMP5’-dAMP单核苷酸（NMP、dNMP）二核苷酸（NDP、dNDP）三核苷酸（NTP、dNTP）O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)AMPADPATPβγα环核苷酸（cAMP、cGMP）核苷多磷酸核苷酸的性质互变异构现象紫外吸收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+0-16.核酸DNARNA分布细胞核细胞质碱基组分AGCTAGCU核糖组分脱氧核糖核糖检测方法二苯胺法苔黑酚法结构双链单链二、DNA1.一级结构：链的连接方式：3’、5’-磷酸二酯键；5’端、3’端；核苷酸的排列方式：从5’端向3’端书写；线条式、文字式；5′PdAPdCPdGPdTOH3′ACGTA,A·C·G·T·A,一级结构的测定：Holley—重叠法测酵母丙氨酸tRNA一级结构；Sanger—双脱氧法（酶法）；Maxam,Gilbert—化学断裂法；2.二级结构：Chargaff规律：A=T,G=C；有种的特异性，没有组织和器官的特异性；A+C=G+Tx-光衍射分析RosalindFrankinX~rayphotographofDNAwithhighquality(核与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基)1951.King’sLab.LondonUniversityUKM.H.F.Wilkins碱基互补配对：A、T形成两对氢键G、C形成三对氢键P165MolecularStructureofNucleicAcids:AStructureforDeoxyriboseNucleicAcid(Nature,April25,1953.volume171:737-738.)B-DNA:主链：反向平行的双链；右手螺旋；碱基、核糖的位置；大沟、小沟；碱基堆积距、螺距；双螺旋结构（B型）1.DNA是由两条脱氧核糖-磷酸作骨架的双核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘旋2.双螺旋的两条链反向平行3.碱基互补配对，A=T；G=C形成氢键配对4.亲水的糖-磷酸骨架位于外侧，疏水的碱基在内侧，相邻碱基互相平行，碱基平面之间为0.34nm。5.螺旋一周为10碱基对，螺距为3.4nm。稳定DNA双螺旋结构的化学键（1）互补碱基对之间的氢键（2）碱基堆积力（3）磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键DNA的其它二级结构类型：A-DNA;Z-DNA;A型B型Z型外型粗短中细长螺旋方式右手右手左手直径26A20A18A每螺旋的碱基对数111012每碱基对的升距2.6A3.4A3.7A螺距2.533.64.56大沟窄深宽深平坦小沟宽浅窄深较窄、很深存在条件体外脱水生理条件CG序列骨架走行平滑平滑锯齿型A、B、Z型DNA分子的比较A-DNAA-RNA三螺旋DNADNA双链线状双链环状单链线状：动物病毒MVM单链环状：噬菌体φX174真核细胞染色体DNA噬菌体T2，T5，T7，λ，P22E-Coli染色体DNA线粒体DNA叶绿体DNA多瘤病毒DNA，病毒SV40DNA噬菌体λ和φX174的复制型3.DNA的三级结构：环形DNA；超螺旋DNA；超螺旋DNA的性质结构紧密，粘度较低，浮力密度大，沉降速度快。变性4、DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H45.DNA的功能肺炎球菌转化实验；噬菌体转染实验；DNA是主要的遗传物质肺炎球菌转化实验噬菌体感染实验6.DNA的复制半保留复制三、RNA1.RNA的种类：信使RNA(messengerRNA,mRNA)转移RNA(transferRNA,tRNA)核糖体RNA(ribosomalRNA,rRNA)RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA其它类别的RNA（1）病毒RNA（ViralRNA,rRNA）（2）核内RNA（nuclearRNA,nRNA）①不均一核RNA（heterogeneousnuclearRNA,HnRNA）②小分子核RNA（smallnuclearRNA,snRNA）③小分子核仁RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）④染色体RNA（chromosomalRNA,chRNA）（3）线粒体RNA（mitochondrialRNA,mitRNA）（4）叶绿体RNA（chloroplastRNA,chlRNA或ctRNA）2.RNA的结构和功能RNA一级结构的测定：Holley—重叠法测酵母丙氨酸tRNA一级结构；（1）tRNA的一级结构①Mr较小（Mr25000），沉降常数4S。②链长一般在73～93个核苷酸之间。③约20多个位置上的核苷酸是保守的（不变和半不变的）④3′端为CCA；5′端大多数为pG，少数为pC。⑤含有较多的修饰成分。原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%（2）rRNA的一级结构（3）mRNA的一级结构真核生物mRNA的一级结构可用下式表示:5´-帽子5´-非编码区编码区3´-非编码区polyA5´-cap：m7G(5´)pppNmp5´-capcap0:m7G(5´)pppNpcap1:m7G(5´)pppNmpNpcap2:m7G(5´)pppNmpNmpNp帽子结构7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的2’甲基化形成5´-cap结构：m7G(5´)pppNmp大多数真核mRNA的3´末端有一个20-200腺苷酸聚合区，称为多聚A(polyA)尾部结构。2、PolyAtaileIF4ARNA的二级结构tRNA的二级结构（1）aa接受臂（2）二氢尿嘧啶环（3）反密码环（4）额外环（5）TψC环rRNA的二级结构RNA的三级结构tRNA的三级结构RNA的生物功能RNA与蛋白质的生物合成（1）mRNA是蛋白质合成的直接模板遗传密码（geneticcode）密码子（codon）P186遗传密码---mRNA上的碱基排列顺序；密码子---三个相邻的碱基构成一个密码子；（2）tRNA的作用tRNA接受氨基酸、携带氨基酸，把氨基酸转运到核糖体上，然后按照mRNA上的密码顺序装配成多肽或蛋白质。tRNA必须识别相应的氨基酸和识别mRNA上相应的密码子。Eaa+tRNAaatRNA+EtRNA怎样识别mRNA上相应的密码子（3）rRNA的作用参与构成核糖体；提供蛋白质合成场所；特殊作用；rRNAfunction（一）一般性质：分子大小、性状、溶解度。分子大小：DNAMr