第七章核酸

Chapter9核酸的结构NNNHNNH2一、核酸的发展简史（一）核酸的发现（二）著名的肺炎球菌转化试验（三）噬菌体转化试验（四）核酸的早期研究和DNA双螺旋结构模型的建立二、核酸的种类和分布（一）核酸的分类（二）核酸的分布三、核酸的功能（一）DNA的生物学功能（二）RNA的生物学功能四、核酸的组成（一）核酸的元素组成（二）核酸的基本结构单位——核苷酸（三）多聚核苷酸五、核酸的结构（重点、难点）（一）DNA的一级结构（二）DNA的二级结构（三）DNA的三级结构（四）RNA的结构六、核酸的水解（一）核酸的酸水解（二）核酸的碱水解（三）核酸的酶水解七、核酸的理化性质（一）核酸的一般物理性质（二）核酸的沉降特性（三）核酸的紫外吸收（重点）八、核酸的变性、复性和分子杂交（重点）（一）核酸的变性（二）核酸的复性（三）核酸的杂交四、核酸的组成（一）核酸的元素组成（二）核酸的基本结构单位——核苷（三）多聚核苷酸（一）核酸的元素组成平均含磷量：DNA9.9%RNA9.4%（二）核酸的基本结构单位——核苷酸核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，组成成份略有不同。DNA的结构（二）核酸的基本结构单位——核苷酸1、组成核酸的碱基2、戊糖(pentose)3、核苷nucleoside4、核苷酸nucleotide5、修饰成分6、核苷酸的衍生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核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)戊糖(pentose)碱基(base)1、组成核酸的碱基腺嘌呤adenine鸟嘌呤guanine胞嘧啶cytosine尿嘧啶uracil胸腺嘧啶thymine（1）组成核酸的碱基——嘌呤312456789腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)NNNNHNH2NNNNHNNNNHNH2OH嘌呤腺嘌呤adenine312456789腺嘌呤(adenine,A)NNNNHNH2NNNNH嘌呤鸟嘌呤guanine嘌呤312456789鸟嘌呤(guanine,G)NNNNHNNNNHNH2OH（2）组成核酸的碱基——嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶Uracil，UCytosine，CThymine，T312456NNONNOHHNNOHNH2NNOOHHCH3嘧啶胞嘧啶cytosine胞嘧啶(Cytosine，C)312456NNNNOHNH2嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOO嘧啶胸腺嘧啶thymineNHNHOO嘧啶RNA：D-核糖，A、G、C、U碱基DNA：D-2-脱氧核糖，A、G、C、T碱基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发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）组成核酸的碱基的结构特征2、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´OHOCHOHOHOH23、核苷nucleoside糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH24、核苷酸nucleotide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3种腺苷酸的结构式5‘3‘2‘2种脱氧腺苷酸的结构式5‘3‘★嘧啶碱：C1—N1，嘌呤碱：C1—N9。★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β-型★碱基平面与核糖平面互相垂直DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMPRNA：AMP、GMP、CMP、UMP5、修饰成分核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基种类很多，多是碱基甲基化的产物。假尿苷（ψ）1,C5-糖苷键1C56、核苷酸的衍生物ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)cAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ATP最显著特点：含两个高能磷酸键，水解可释放大量自由能。ATP是生物体内最重要能量转换中间体。其水解释放出来能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。（2）GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP类似的结构,也是一种高能化合物。GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下,ATP和GTP可以相互转换。ATPGTP（3）cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP和cGMP的水解能约为43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。cAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)细胞内的游离核苷酸及其衍生物①核苷5’-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。②环核苷酸3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物ppGpppppGppppApp④核苷酸衍生物HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。（三）多聚核苷酸多聚核苷酸是通过核苷酸的5’-磷酸基与另一分子核苷酸的C3’-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。5’3’脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)原核：裸露的DNA分子集中于核区真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体细胞器DNA：双链环形，一般裸露多聚核苷酸的特点两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键称为3,5-磷酸二酯键。其一端C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5’-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3’-OH表示）。多聚核苷酸链具有方向性，表示时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。5′端3′端CGA在多聚核苷酸（DNA或RNA）链中，构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：多聚核苷酸的特点PP5'3'3'5'PP5'3'P5'3'ACGTADNA的一级结构B线条式表示法C文字表示法方向性在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′或5′ACGCTGTA3′五、核酸的结构（一）核酸的一级结构（二）DNA的二级结构（三）DNA的三级结构（四）RNA的结构核酸的结构一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。由四种不同的核苷酸单元按特定顺序组合而成的线性结构聚合物，具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。DNA的一级结构：5-AGTCCATG-3AGTCCATG3-TCAGGTAC-5RNA的一级结构：5-AGUCCAUG-3AGUCCAUG（一）核酸的一级结构DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。而mRNA(信息RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。（一）核酸的一级结构1953年，Watson和Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。（二）DNA的二级结构1953年，Watson和Crick根据Chargaff规律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。a.所有生物的DNA中，A=T，G=C且A+G=C+T。b.DNA的碱基组成具有种的特异性。c.DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。★Chargaff规律1950年（二）DNA的二级结构1．DNA双螺旋结构的特点2．DNA双螺旋结构的稳定性★DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析FranklinWatson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持★每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm1．DNA双螺旋结构的特点（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′。★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’（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。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。1．DNA双螺旋结构的特点★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋内侧。（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，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm。1．DNA双螺旋结构的特点★每圈螺旋10.4nt，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm★大沟：宽1.2nm，深0.85nm★小沟：宽0.6nm，深0.75nm（4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即A-T结合，G-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之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。1．DNA双螺旋结构的特点★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持2．DNA双螺旋结构的稳定性DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键；疏水作用力：双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳