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第二章核酸的化学核酸的组成成分DNA的二级结构DNA和基因组RNA的结构和功能核酸的性质核酸的序列测定核酸的一级结构DNA的高级结构核酸的概念和重要性1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。1889年，Altman制备了核酸（nucleicacid）。1930~40年，Kossel&Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。1944年，Avery等通过细菌转化试验证明DNA是遗传物质，核酸的重要性的得到了公认。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，推动了分子生物学的迅猛发展。(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸95%分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。90%分布于细胞质，其余分布于细胞核。携带遗传信息（以基因的形式），决定细胞和个体的基因型(genotype)，最终决定个体不同的形态结构。从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的生物合成。一些小分子RNA有重要的调节功能和催化功能。核酸的分布与功能3.1核酸的组成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose（戊糖amylsugar）主要元素组成：C、H、O、N、P(9~11%)。与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定。（一）戊糖：核糖和脱氧核糖β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖（二）含氮碱：嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤（purine）NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）NNHHHH嘧啶（pyrimidine）123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式在核酸中存在少量经过化学修饰的碱基，由于含量很少，称为微量碱基或稀有碱基。OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤核苷（三）核苷（nucleoside）OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）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NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2AdenosineGuanosineCytidineUridine取代核苷的表示方式取代基团用英文小写字母表示，碱基取代基团的符号写在核苷单字符的左下角，核糖取代基团的符号写在核苷单字符的右下角，取代基团的位置写在取代基团符号的右上角，数字写在右下角。7-甲基鸟苷m7G5-甲基脱氧胞苷m5dC核苷的表示方法核糖核苷：A,G,U,C脱氧核苷：dA,dG,dT,dC修饰核苷的表示符号假尿苷（ψ）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D（四）核苷酸（nucleotide）核苷酸=核苷+磷酸=戊糖+碱基+磷酸核苷酸的表示方法:AMP、GMP、dCMP、dTMPpA、Cp各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”，生物系统化学能的储藏和利用。UTP——参加糖的互相转化与合成。CTP——参加磷脂的合成。GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成。AMP是一些辅酶的结构成分，如NAD+、NADP+、FAD激素的第二信使——cAMPcAMP•cAMP(3’,5’-环化腺苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。•cAMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4，cAMP和cGMP的水解能约为43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。3.2核酸的一级结构（primarystructure）碱基序列（basesequence)即为DNA的一级结构。通常碱基序列由DNA链的5→3方向写。n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。一级结构-----核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。2、核苷酸的连接方式：3,5磷酸二酯键1、核酸的基本结构单位：核苷酸末端：5端（常用5-P）、3端（3-OH）多核苷酸链具有方向性：5端→3端(由左至右)3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写核苷酸的连接方式多核苷酸长链：一个核苷酸的3-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。pGpCp↓CpApGpC↓pCpA3.3DNA的二级结构（doublehelixmodel）1.双螺旋结构模型的实验依据（1）X射线衍射数据不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。（2）关于碱基成对的证据碱基组成规则（Chargaff规则）[A]=[T]，[G]=[C]；[A]+[G]=[T]+[C][A]=[T]；[G][C]（3）电位滴定行为电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。2.DNA双螺旋结构模型要点1.两条多核苷酸链反向平行，两条糖-磷酸主链围绕同一中心轴成右手螺旋。螺旋表面形成大沟(majorgroove)与小沟(minorgroove)。2.碱基处于螺旋的内侧，遵循碱基互补原则：[A]=[T]；[G][C]。đ=2nm。3.成对碱基大致处于同一平面，与螺旋轴垂直；糖环平面与螺旋轴平行，磷酸基位于糖环的外侧；螺距：10bp(basepair)—3.4nm—0.34nm（碱基堆积力）。4.多数DNA属双链结构DNA（dsDNA），某些病毒的DNA是单链DNA（ssDNA）。5.主链化学键受碱基配对因素的影响旋转受到限制，呈较伸展的结构，但也有一定柔韧性，形成不同的构象类型。3.DNA二级结构的其他类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：44~46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6°。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°。DNAdoublehelix类型helixtypebp/turnDverticalrise/bpdirectionA112.30.255右B102.00.34右Z121.80.37左3.4DNA的高级结构（tertiarystructure）一段双螺旋在螺旋均已形成的情况下，双链环不发生进一步扭曲，称松弛环形DNA。若将线形DNA的螺旋先拧松两周再连接成环时，解链部分形成突环称解链环型DNA。DNA双螺旋进一步扭曲成超螺旋构成三级结构。1.环状DNA的超螺旋结构超螺旋：由于某种原因，双链环状DNA（dcDNA）分子中产生了额外的张力，从而进一步扭曲形成双螺旋的再螺旋。扭曲张力使突环有形成双螺旋的趋势。两条链之间的扭曲引起双链环向右手方向的扭曲，使之形成右手超螺旋，又称负超螺旋(negativesupercoil)。螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式：L=T+W2.真核生物染色体的结构DNA以负超螺旋缠绕在组蛋白上，形成核粒(核小体)，核粒由DNA链连在一起形成念珠状结构。组蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4。H1组蛋白在核小体之间。组蛋白与DNA的结合DNA的存在形式染色体包装------多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm一级包装二级包装三级包装四级包装3.5DNA与基因组DNATranscriptionRNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因（gene）：一段有功能的DNA片段，DNA分子中最小的功能单位。结构基因：为RNA或蛋白质编码的基因。调节基因：只有调节功能，而并不转录生成RNA的片断。（一）DNA与基因的概念基因组（genome）：某生物体所含全部遗传物质的总和。（二）病毒和细菌基因组的特点1.DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2.功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中。3.有基因重叠现象。（三）真核生物基因组的特点1.有重复序列单拷贝序列：在整个DNA中出现频率低，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列：在DNA中可重复几十次到几千次。tRNA、rRNA高度重复序列：可重复几百万次2.有断裂基因（splitgene）：基因中存在内含子。mRNA1872bp内含子（intron)：基因中不编码的序列。ABCDEG7700bpF外显子（exons）：基因中编码的序列。。transcription•RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。•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，则形成单链突环。3.6RNA的结构与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。mRNA（messengerRNA）:指导蛋白质合成。rRNA（ribosoalRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）。tRNA（transferRNA）：将AA转运到核糖体的特定部位用于Pro合成。（一）tRNAtRNA约占RNA总量的15%，由核内形成并迅速加工后进入细胞质。功能：转运AA到核糖体mRNA的相应位置，用于合成蛋白质。1965年Holley测定AlatRNA一级结构，提出tRNA的三叶草二级结构模型。氨基酸臂可变环主要特征：1.由四臂四环组成；2.氨基酸臂：3′端有CCAOH的共同结构，接受活化的AA；3.D环和D臂：含有D；4.反密码子环和反密码子臂：反密码子环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TψC环：识别核蛋白体（核糖体）7.含有修饰碱基和不变核苷酸。tRNA的二级结构——三叶草形（cloverleafpattern）NHNHOOHHHH二氢尿嘧啶(DHU)假尿嘧苷()次黄嘌呤(I)反密码子（anticodon）：反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子。I常出现于反密码子中。tRNA的三级结构——倒“L”型分子的右上端是氨基酸臂，下端是反密码子环。D环和TψC环的未配对碱基在空间形成新的氢键配对关系，位于L的转角处。氨基酸臂和TψC臂同轴排列，形成连续双螺旋；反密码子臂和D臂沿同轴排列。（二）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）16S5S