核酸化学

第三章核酸化学第一节核酸研究的历史和重要性历史：l1869年瑞士青年科学家F.Miescher首先发现核酸。从外科绷带的脓细胞核中分离到含磷很高的酸性化合物——称为核素。DevelopmentalBiology2005278274-288●后经40-50年的证明核酸的组成——核苷酸单体●19世纪末—20世纪20年代发现：核酸由四种碱基及核糖、磷酸等组成核糖核酸(RNA)根据核糖不同核酸可分为脱氧核糖核酸(DNA)l1944年Avery（美）OswaldTheodoreAvery，(1877～1955）加拿大生物化学家通过细菌转化实验证明DNA是遗传物质——功能。l1953年Watson（美）Crick（英）提出了DNA的双螺旋结构模型。King’sCollegeUniversityofCambridgel1960年Crick提出了中心法则。l1973年初DNA体外重组成功。l2002年人类基因组计划。重要性：核酸是遗传变异的物质基础；多数生物的遗传物质是DNA；少数病毒以RNA作为遗传物质。核酸是蛋白质？根据含戊糖的不同分为：RNA——核糖核酸DNA——脱氧核糖核酸DNA：含脱氧核糖，98%以上存在于细胞核中。在核中与组蛋白结合成核蛋白，形成染色体；少量存在于线粒体、叶绿素、质粒中。RNA：90%存在于细胞质中，10%在核中。第二节核酸的种类、分布和含量信使核糖核酸mRNARNA按功能分为转运核糖核酸tRNA核糖体核糖核酸rRNAl信使核糖核酸mRNA：在核中合成，存在于细胞质中；作为蛋白质合成的模板，是将DNA的遗传信息传递到蛋白质的桥梁。l转运核糖核酸tRNA：在核中合成，存在于细胞质中；作为搬运的工具，携带转运氨基酸到核糖体。l核糖体核糖核酸rRNA：在核仁中合成，存在于细胞质中；与蛋白质结合构成核糖体，作为蛋白质合成场所。第三节、核酸的组成（一）元素组成C、H、O、N、P，个别含SP含量比较恒定，约9～10%，是核酸的特征元素。测核酸含量常用定P法：◆各种核酸含磷量比较接近；◆磷易于测定。1gP≈10.5g核酸（二）化学组成——核酸的基本组成单位是核苷酸两类核酸（DNA，RNA）经不同程度的水解可得到一系列产物，完全水解的三类终产物是：磷酸、戊糖（5C）、碱基。磷酸核酸→核苷酸戊糖（核糖或脱氧核糖）核苷碱基（嘌呤或嘧啶）1．磷酸：RNA、DNA两类核酸均含有。2．戊糖：核糖和脱氧核糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖1‘1‘2‘2‘3‘3‘4‘5‘4‘5‘3．碱基－嘌呤碱和嘧啶碱碱基：是一些含N的杂环化合物，是嘌呤和嘧啶的衍生物，具有碱性。（1）嘧啶碱三种基本嘧啶碱基：嘧啶稀有碱基：核酸中一些含量甚少的碱基，大多是由基本碱基上发生甲基化。（2）嘌呤碱：由一个嘧啶环和一个咪唑环形成的杂稠环。两种基本嘌呤碱基：嘌呤糖苷键4．核苷：由碱基和戊糖脱水缩合而成的糖苷。碱基与糖连接方式：糖苷键（N－糖苷键）嘧啶核苷：C1′－N1：由糖C1′与嘧啶N1相连。嘌呤核苷：C1′－N9：由糖C1′与嘌呤N9相连。根据所含戊糖不同分为↗核糖核苷－核苷↘脱氧核糖核苷－脱氧核苷嘧啶核苷嘌呤核苷碱基环元素编号：1,2,3等；糖环元素编号：1´,2´,3´等。核苷命名：先读碱基名称。如：腺苷，胞苷，尿苷1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)5．核苷酸核苷酸：由核苷与磷酸形成的磷酸酯叫核苷酸。由核苷的戊糖的－OH与磷酸成酯。核糖上有三个自由羟基（2’、3’、5’）可与磷酸成酯，可形成三种形式的核苷酸：2’-核苷酸；3’-核苷酸；5’-核苷酸。举例：脱氧核糖有两个自由羟基（3’、5’）可与磷酸成酯，可形成两种形式的核苷酸：3’-脱氧核苷酸；5’-脱氧核苷酸。举例：生物体内存在的核苷酸多为5’-核苷酸。6．多磷酸核苷酸核苷酸含有不止一个磷酸，为多磷酸核苷酸，在体内具有重要的生理作用。如：参与体内多种物质合成代谢。AMP：腺苷一磷酸ADP：腺苷二磷酸ATP：腺苷三磷酸7．环状核苷酸。如：3’、5’-环状腺苷酸。磷酸与核糖的3’及5’位碳同时以两个酯键相连。作用：环状核苷酸含量很少，但是在体内的代谢中起重要的调节作用。常见的有cAMP，cGMP。8、核酸核苷酸间的连接键是3’，5’-磷酸二酯键，由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧基基团。5’5’3’3’两类核酸（DNA与RNA）的区别:戊糖、碱基差异。戊糖（β－D－核糖）RNA碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）戊糖（β－D－2－脱氧核糖）DNA碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）第四节DNA的结构（deoxyribonucleicacid-DNA）DNA形状：多为双链多为线状无支链。分子量大：106——109一级结构DNA的结构二级结构空间结构三级结构（一）DNA的一级结构1．构成DNA的各种脱氧核苷酸的排列顺序。（1）线条式：竖线表示核糖的碳链；A、T、G、C——碱基；P——磷酸基；P一端与C3，相连，另一端与C5，相连；（2）文字式：P——在碱基左侧表示P与C5’相连；在碱基右侧表示P与C3’相连。（二）DNA的二级结构——DNA的双螺旋结构DNA的双螺旋结构，由Watson，Crick于1953年提出。1．双螺旋结构的模型要点:（1）DNA由两条多核苷酸链围绕同一中心轴向右缠绕成双螺旋，两链彼此平行，走向相反。2.0nm小沟大沟（2）每条链以脱氧核糖和磷酸为骨架(主链），处在双螺旋的外侧；糖与磷酸之间以磷酸二酯键相连；糖环平面基本与螺旋轴平行。2.0nm小沟大沟（3）碱基在双螺旋内侧，碱基环平面与螺旋轴相垂直，两相邻碱基之间的距离为0.34nm——碱基堆积距离。（4）两条链之间通过碱基之间的氢键结合在一起；两链间形成氢键具有一定的碱基配对原则。配对原则：由一条链的嘌呤碱与另一条链的嘧啶碱配对——碱基互补；而且必须A与T配对，形成两条氢键A=T；G与C配对，形成三条氢链G≡C。.配对的碱基彼此称为互补碱基。根据碱基互补原则，当一条多核苷酸链的序列确定后即可推知另一条互补链的序列。NNNNNNNOOHHHC1'C1'ATNNNNNONNNOHHHHHCGC1'C1'CH3（5）螺旋每上升一圈，含十对碱基，上升一圈的距离3.4nm，两相邻核苷酸之间的夹角为36°，螺旋直径为2nm。成对碱基大致在同一平面，碱基与螺旋轴垂直；两相邻碱基之间的距离为0.34nm——碱基堆积距离。上述为B-型DNA的结构，生物体主要为B-DNA。其他结构：A-DNA,；C-DNA；Z-DNA。2.0nm小沟大沟（6）多数天然DNA为双链结构（dsDNA），少数病毒DNA为单链（ssDNA）。2．维持DNA双螺旋结构稳定的作用力（1）互补碱基对之间的H键虽然H键力很小，但许多氢键的集合能量是很大的。（2）碱基堆积力碱基对之间电子云可以在一定程度上相互交盖，形成碱基堆积力。(3)离子键由磷酸基团的负电荷与介质中阳离子之间形成。减少了DNA分子自身的斥力。（三）DNA的三级结构三级结构：指DNA在二级结构的基础上，进一步卷曲或再次螺旋，即为三级结构。DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体人的DNA大分子在染色之中反复折叠盘绕共压缩8000-10000倍第五节DNA与基因组四、DNA与基因组（一）DNA与基因基因：DNA分子中最小的功能单位称为基因。结构基因为RNA或蛋白质编码的基因调节基因并不转录生成RNA的片断，具有调节功能基因组：某种生物体所含的全部基因的总和称为该生物的基因组。（二）原核生物与真核生物基因组特点原核生物：基因组比较简单，通常只有一个DNA分子（一个染色体，且分子比较小）真核生物：基因组比较复杂，一般含有若干个DNA分子（多个染色体）。如：人23对染色体。第六节RNA的结构与功能RNA主要存在于细胞质中，有多种不同功能，多数天然RNA分子为一条单链，一些区域可自身回折，形成局部的双螺旋。碱基组成：四种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）；还有一些稀有碱基，如二氢尿嘧啶，4-硫尿嘧啶等。碱基之间不像DNA那样有严格的组成规律即：A≠U，G≠C；但：A≈U，G≈C。原因：RNA分子为单链不是双螺旋，只有局部回折形成双螺旋。（一）mRNA信使RNA含量：占全部RNA的3-5%。作用：以DNA为模板合成，作为蛋白质合成的模板，mRNA的核苷酸序列，决定相应蛋白质的氨基酸序列。将DNA的遗传信息传向蛋白质的桥梁。特点：代谢活跃，更新快，分子量差异较大。(二)tRNA转运RNA含量：占全部RNA的15%。功能：1．携带并转运AA到核糖体，合成蛋白质；tRNA的AA臂，与AA结合携带AA，每种AA只能由特定的tRNA搬运；2．识别密码——反密码子环上的反密码子能与mRNA上的密码子通过碱基互补配对而识别、结合。特点：每种AA至少有一种特定的tRNA。细胞内一般有50种以上不同的tRNA。真核生物细胞tRNA甚至可多达100多种。结构特点：1．分子量比较小25000道尔顿左右，由70-90个碱基组成，沉降系数4s左右。2．碱基组成有较多的稀有碱基。3．3’-端都为——CpCpA-OH。接合活化的氨基酸（与氨基酸结合）故称为接受末端。4．5’端，大多为pG…或者pC…..。5．二级结构都呈类似的三叶草结构：叶柄：有局部双螺旋构成，A=U，G=C配对。三片小叶：由突环构成。三叶草分为以下几部分：l氨基酸臂：7对碱基对组成，富含G，包括3’和5’两个末端。3’-末端最后三个碱基CCA-OH，接受活化氨基酸。l二氢尿嘧啶环：含两个二氢尿嘧啶。环：由8-12个核苷酸组成。臂：由3-4对碱基对——二氢尿嘧啶臂。l反密码子环环：7个核苷酸组成，环正中三个核苷酸为反密码子。臂：由5对碱基组成。l额外环由3-18个核苷酸组成，环大小变化较大，不同的tRNA具有大小不同的额外环。lTΨC环环：由7个碱基组成，大多tRNA均含T和Ψ。T——胸腺嘧啶核糖核苷Ψ——假尿嘧啶核苷臂：由5对碱基组成。6．三级结构在二级结构基础上，整个分子的扭曲使未配对碱基按碱基配对原则形成氢键，构成三维结构，似一倒“L”形。（二）rRNA含量：占全部RNA的80%左右，存在于核糖体内。作用：（1）与蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质合成场所。核糖体＝rRNA（60%）+蛋白质（40%）（2）在蛋白质合成中起催化作用。核糖体（核蛋白体，核糖核蛋白体）：分布在细胞质内的微小颗粒，直径20—30nm。游离存在（少）；附着在内质网上（多数）。特点：成分稳定代谢不活跃，分子量大106。核糖体为一大一小两个亚基，原核真核不同。（四）RNA的其它功能1981年发现有些RNA具有生物催化剂的功能。核酶：具有催化活性的RNA。第六节核酸的性质（一）一般理化性质1．两性性质核酸含酸性的磷酸基和碱性的碱基（嘌呤，嘧啶）为两性电解质，但是通常表现为酸性。2．DNA、RNA分子量都很大DNA＞RNA。DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。微溶于水，不溶于有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。（二）紫外吸收性质核酸的碱基对240-290nm紫外光有强烈的吸收。最大的吸收峰在260nm。应用：纯度鉴定——定性最大吸收峰：核酸：260nm蛋白质：280nm由OD260/OD280比值可鉴定核酸的纯度。∵纯DNAOD260/OD280为1.8纯RNAOD260/OD280为2.0∴如果核酸中含蛋白质杂质，OD260/OD280↓。（蛋白质λMAX=280nm）；（三）核酸的变性1.核酸变性：受某些理化因素的影响，核酸分子中双螺旋碱基对之间的氢键而破裂，双螺旋解开变成单链的过程。（分子量不变）变性因素：（１）温度升高。（２）有机溶剂。（３）变性剂。（４）4pH10。变性结果：（１）紫外吸收增加-----增色效应：由于核酸变性而引起紫外吸收增加的现象。原因：变性后碱基暴露，光吸收增强。（２）粘度下降。（η↓）原因：分子由双螺旋（具