四.核酸和核苷酸

第四章核苷酸和核酸第四章核苷酸和核酸重点：核酸的分类和化学组成，DNA和RNA的结构特征及其与功能的关系；核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。核苷酸和核酸第一节核酸的种类分布与功能第二节核酸的化学组成第三节DNA的分子结构第四节RNA的种类与结构第五节核酸的理化性质第六节核酸酶和DNA限制性内切酶第七节核蛋白第一节核酸的种类和分布1869年，Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的酸性化合物，称为核素（nuclein）即核蛋白。1889年，R.Altman从酵母及其它动物细胞中分离得到不含蛋白质的核酸（nucleicacid）,核酸当时指从细胞核中分离出来的酸性物质。1.核酸的种类:核酸按其所含戊糖种类不同分为两大类:a).所含戊糖为脱氧核糖,称为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA);b).所含戊糖为核糖,称为核糖核酸(ribonucleicacid,RNA）.RNA按其功能不同主要分为三类:转移RNA(transferRNA,tRNA,15%),信使RNA(messengerRNA,mRNA,5%),核糖体RNA(ribosomalRNA,rRNA,80%).2.核酸的分布1)脱氧核糖核酸（DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于核质区。2)核糖核酸（RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程。真核细胞的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于线粒体,叶绿体,细胞核中。3.核酸的生物学功能DNA：染色体的主要成分,是只要的遗传物质。染色体中脱氧核苷酸顺序是遗传信息的贮存形式,每种蛋白质的氨基酸顺序和RNA的核苷酸顺序都是由细胞中DNA的核苷酸顺序决定的。遗传的最小功能单位基因就是DNA分子的一个区段。DNA通过复制把全套遗传信息传递给子代，通过转录把某些遗传信息传递给RNA。3.核酸的生物学功能RNA：以DNA为模板转录合成的,在蛋白质生物合成中起重要作用。tRNA携带和转移活化氨基酸的作用;mRNA是蛋白质合成的模板;rRNA与各种蛋白质结合构成核糖体,核糖体是合成蛋白质的细胞器。第二节核酸的化学组成核酸由许多核苷酸按特定的顺序连接成为核酸,核苷酸是核酸的基本结构单位。核苷酸水解产生核苷和磷酸，前者水解产生核糖(或脱氧核糖),含氮碱基（嘌呤或嘧啶）。碱基、戊糖和磷酸是核酸的基本组成成分。核苷酸核酸磷酸含氮碱基(A、T、G、C、U)戊糖（脱氧核糖或核糖）核苷组成DNARNA碱基嘌呤碱腺嘌呤A,鸟嘌呤G腺嘌呤A,鸟嘌呤G嘧啶碱胞嘧啶C,胸腺嘧啶T胞嘧啶C,尿嘧啶U戊糖D-2-脱氧核搪D-核搪磷酸磷酸磷酸核酸的基本化学组成2.1基本碱基结构和命名嘌呤a.嘌呤碱腺嘌呤(6-氨基嘌呤)鸟嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）b.嘧啶碱嘧啶Cytosine(Cyt)包嘧啶（2-氧-4氨基嘧啶）Uracil(Ura)尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶）Thymine(Thy)胸线嘧啶（5-甲基-2，4-二氧嘧啶）2.2戊糖核酸所含戊糖为两大类核糖：DNA:D-2-脱氧核糖RNA:D-核糖并以环状β-呋喃糖形式存在直链型D-核糖β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖2.3磷酸2.4核苷与核苷酸核苷是碱基以C-N糖苷键共价连接到戊糖的1’碳原子上而成的糖苷。糖苷中的戊糖碳原子编号用1’，2’，3’等表示；C1’与嘌呤碱的N9连接，与嘧啶碱的N1连接。核苷胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2DNA中的脱氧核苷2’位是H而不是OH。RNA中的4种主要的核糖核苷（核苷）：腺苷（A）鸟苷(G)胞苷(C)尿苷（U）DNA中的4种主要的脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：脱氧腺苷（dA）脱氧鸟苷(dG)脱氧胞苷(dC)脱氧胸苷（dT）核苷酸：核苷与核酸以酯键形成的核苷磷酸酯称为核苷酸。磷酸酯化在戊糖的5’碳原子上，核苷酸的3种成分按碱基-戊糖-磷酸的次序排列。核酸的主要核苷酸类型：DNA主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成RNA主要由AMP、GMP、CMP、UMP组成PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）2.5细胞内游离核苷酸及其衍生物•多磷酸核苷酸•环核苷酸•辅酶类核苷酸。5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物AMPAdenosinemonophosphateADPAdenosinediphosphateATPAdenosinetriphosphateOPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)3’，5’-环式单磷酸腺苷（鸟苷）几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5核苷酸的生物学功能：1）携能核苷酸：核苷三磷酸被作为能源用于驱动一系列不同的化学反应，ATP使用最为广泛，UTP，GTP，CTP也被用于专门的生化反应中。其中焦磷酸键水解能释放出30kJ/mol的能量。2）作为酶的辅因子结构成分：如腺嘌呤核苷，并不直接参与催化反应，具有增加酶和底物初始复合物的稳定结合能力。3）信号转导：细胞内第二信使常常是核苷酸，较为普遍的是3’，5’-环式单磷酸腺苷（cAMP）。除了植物界，cAMP在所有细胞中都有调节功能。4）核苷三磷酸是DNA和RNA合成的活性前体。2.6磷酸二酯键与多核苷酸核苷酸是核酸的基本结构单位，一个核苷酸的3’-羟基与下一个核苷酸5’位的磷酸基团以3’，5’-磷酸二酯键（C’3-O-P-O-C’5）连接形成多核苷酸链。核酸主链由相间出现的磷酸、核糖残基通过共价键连接构成，各种碱基可看作为主链上的侧链基团。3.1DNA的一级结构概念：DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。5´3´第三节DNA的分子结构1.脱氧核苷酸之间的连接键：3’，5’-磷酸二酯键2.多聚脱氧核苷酸链的连接方向一端为5’：该末端的脱氧核苷酸5’位上的磷酸集团不再与另一个脱氧核苷酸连接；另一端为3’端：该末端的脱氧核苷酸3’位上是羟基，不再连接另一个核苷酸。3.DNA一级结构的表示法5´3´结构式a.结构式b.线条式5´3´ppppOH3´ACTG1´线条式C.字母式5’－ACTGCATAGCTCGA－3’1953年2月28日，Waston和Crick建立了DNA双螺旋结构，并于4月25日，在英国《自然》杂志发表了文章“核酸的分子结构—脱氧核糖核酸的一个结构模型”。3.2DNA的二级结构（DNA双螺旋结构）1.双螺旋提出的依据a.DNA的X-射线衍射图b.DNA的碱基组成分析Chargaff定则：1）不同物种间DNA碱基组成一般是不同的；2）同一物种不同组织的DNA样品有着相同的碱基组成；3)任何一种DNA样品其腺嘌呤残基的数量等于胸腺嘧啶残基的数量，即A=T,G=C，A+G=C+T；4）亲缘相近的生物其DNA的碱基组成相近,不对称比率相近（A+T/G+C相近）。2.双螺旋结构模型的基本特征a.围绕同一中心轴缠绕的反平行双链右手螺旋b.外侧是两条由脱氧核糖-磷酸构成的亲水主链（骨架），内部是配对的疏水碱基。c.双螺旋内部的碱基按规则配对：腺嘌呤（A）必须和胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）必须和胞嘧啶（C）配对(碱基配对原则)。d.双螺旋表面形成两种凹槽,螺旋直径2nm，螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm。e.双螺旋的两条链是互补关系。DNA双螺旋结构提出的意义第一次提出了遗传信息的贮存方式以及DNA的复制机理，以准确的语言回答了DNA是怎样可能成为遗传物质的，大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展,因此获得1962年诺贝尔生理学或医学奖。DNA双螺旋结构模型的建立，标志着人类在揭示生命遗传奥秘方面迈出了具有里程碑意义的一步。氢键：A=T,G=C碱基堆积力：双螺旋中垂直方向的作用力，与碱基π电子云间的吸引力、范德华力、碱基疏水作用等因素有关，是维持双螺旋结构稳定性的主要因素。3.维持DNA双螺旋结构的作用力DNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNA4.DNA双螺旋的不同构象5.与DNA碱基顺序相关的特殊结构1）DNA链弯曲：如连续出现4个以上腺嘌呤；在一些蛋白质和DNA的结合中起重要作用。2）回文顺序：双链DNA中的一段倒置重复序列，碱基顺序在正负链上颠倒重复，该序列链内互补，双链DNA能形成十字架结构，单链DNA或RNA中能形成发卡结构。--TTAGCAC----GTGCTAA----AATCGTG----CACGATT—较长的回文结构较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。3）镜像重复:颠倒重复出现在同一条链上，链内不具互补序列。如：上海自来水来自海上。--TTAGCACCACGATT----AATCGTGGTGCTAA--DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶4）H-DNA:三链DNA,tsDNA:DNA序列具有多嘧啶-多嘌呤，镜像重复的特点。真核细胞染色质中，许多基因的调节区和染色质重组的热点部位存在tsDNA结构，推测可能与基因表达的调控、基因重组或染色体凝聚有关。3.3DNA的三级结构指DNA双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，包括线状DNA形成的扭结、超螺旋和多重螺旋以及环状DNA形成的结、超螺旋和连环等多种类型，主要指双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。环状DNA分子的超螺旋结构（麻花状）线装DNA分子的超螺旋结构（螺旋的螺旋）第四节RNA的分子结构结构特征：1.由4种主要的核糖核苷酸组成（AMP,GMP,CMP,UMP）2.3’,5’-磷酸二酯键连接，分子小，几十到几千个核苷酸3.绝大多数RNA是单链4.可通过单链自身折叠按A与U，C与G配对的原则形成茎环结构（二级结构）OHOHOH5´3´RNA的类别•信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；•转移RNA（transferRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带、活化氨基酸的作用。•核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；1.tRNA的结构a.tRNA的一级结构：指tRNA分子中核苷酸的排列顺序。结构特征：1）由74-93个核苷酸组成，大多为76个核苷酸的单链，沉降系数为4S（沉降系数：单位离心场中沉降分子下沉的速度，单位用s表示，s=1×10-13秒。）2）5’端为pG(有的为pC)3)3’端为-pCCAOH,A与氨基酸可以共价连接4）有十几个位置上的核苷酸为恒定核苷酸5）含有较多的修饰核苷酸b.tRNA的二级结构概念:tRNA单链通过自身折叠形成的三叶草状的茎环结构，称三叶草型结构。基本特征：1）3’端有一段以-CCA为主的单链区；2）约有50％的核苷酸配对，分别形成4个双螺旋区（茎）：氨基酸接收茎、D茎、反密码子茎、T4C茎，50％核苷酸不配对，形成4个环：D环、反密码子环、T4C环、额外环；3）不同tRNA分子在长度上的变化主要发生在三个区域：D环、D茎、额外环酵母tRNAAla的二级结构D环IGC反密码子反密码子环氨基酸接受茎额外环TψC环CCAAla3´5´C.tRNA的三级结构概念：指tRNA的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成的倒