第二章核酸化学总结

第二章核酸化学生命=核酸+蛋白质第一节概述核酸(nucleicacid)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。DNA（Deoxyribonucleicacid)脱氧核糖核酸RNA（Ribonucleicacid)核糖核酸1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架一、核酸的发现和研究工作进展二、核酸的分类及分布、功能(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸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。分布于胞核、胞液。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。一、元素组成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，占9-11%。二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成戊糖核糖脱氧核糖OOHHOHHOHCH2HOHH12345??/////54321HHOCH2HHOHOHHHO?///////碱基NNHNN234567891嘌呤(purine)19875432NNHNN6NH2?198765432NNHNNH2N?O腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A)鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G)嘧啶(pyrimidine)NN123456654321NNHNH2??O胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)?123456OHNH2?NN酮式烯醇式O??654321NNHCH3??O?NNH123456OO?尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶）Uracil(U)胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）Thymine(T)在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶只出现在DNA分子中，尿嘧啶则只出现于RNA分子中。嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸两类核酸分子的组成比较嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强的吸收。核苷=核糖+碱基19875432NNN6NH2?/////??54321HOCH2HHOHOHHONH碱基和核糖通过糖苷键连成核苷。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1‘以糖苷键相连。腺嘌呤核苷（腺苷）O?NNH2?123456///////?OHHNHOHCH2HOHH12345胞嘧啶脱氧核苷（脱氧脱苷）胺式亚胺式互变异构酮式烯醇式互变异构修饰核苷/稀有核苷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19875432NNN6NH2?/////??54321HOCH2HHOHOHHONH几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5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一段RNA的序列为：TCAIGUΨGm1om5CC,请你写出有多少稀有碱基，有多少稀有核苷？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AMPADPATPATP的性质ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。ATP也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。2.环化磷酸化cAMPcGMP3.辅酶NAD、NADP、FAD、HSCoAFADNAD、NADPHSCoAend第二节核酸的分子结构一、一级结构（primarystructure）一级结构是指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。1、核苷酸的连接方式：3,5磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链信息量：4n末端：5端、3端多核苷酸链的方向：5ˊ端→3ˊ端(由左至右)3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写碱基组成分析——Chargaff规则：[A]=[T]；[G][C]碱基的理化数据分析：A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析DNA双螺旋结构的研究背景二、DNA的空间结构（一）DNA的二级结构（secondarystructure）1、碱基组成规则(Chargaff规则)[A]=[T]，[G]=[C]；[A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等)有种属特异性无组织、器官特异性不受年龄、营养、性别及其他环境等影响DNA分子由两条DNA单链组成。DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。DNA双螺旋结构的特点doublehelixmodelDNA双螺旋结构的要点（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′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。（2）嘌呤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。（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（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4nm。（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与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。（5）螺旋表面形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。（6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。（二）二级结构：双螺旋结构模型(doublehelixmodel)1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴（3）右手双螺旋：螺距为3.4nm，直径为2.0nm，10bp/圈（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定3、其他螺旋形式Z-DNA（左手双螺旋）A-DNADNAdoublehelix类型helixtypebp/turnrotation/bpverticalrise/bphelicaldA11+34.72.56A23AB10+34.03.38A19AC9.33+38.63.32A19AZ12-30.05.71A18ADNA双螺旋的稳定性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，碱基堆积力。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；介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。DNA二级结构的不均一性1、反向重复序列（回文序列）DNA序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同，即对称轴一侧的片段旋转180°后，与另一侧片段对称重复2、富含AT的序列高等生物中，A+T与C+G的含量差不多相等，但在它们的染色体的某一区域，AT含量可能很高。在很多有重要调节功能（不是蛋白质编码区）的DNA区段都富含AT碱基对。富含AT对。这对于复制和转录的起始十分重要，DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4×106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。黑腹果蝇最大染色体由6.2×107bp组成，长2.1cm多瘤病毒的DNA由5100bp组成，长1.7mm（二）DNA的三级结构双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等大多数原核生物：1）共价封闭的环状双螺旋分子2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化正超螺旋(positivesupercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反2.环形DNA的拓扑学特性以260bp组成的线形B-DNA为例，螺旋数260/10.4=25。①连环数（L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示。松驰环：L=25解链环：L=23超螺旋：L=23②缠绕数（T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示松驰环:T=25解链环:T=23超螺旋:T=25③超螺旋周数（扭曲数W）松驰环:W=0解链环:W=0超螺旋:W=-2L=T+W环形DNA的拓扑学特性④比连环差（λ表示DNA的超螺旋程度λ=（L—L0）/L0L0是指松驰环形DNA的L值天然DNA的超螺旋密度一般为-0.03~-0.09，平均每100bp上有3-9个负超螺旋。负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起，很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等需要将两条链分开才能进行的反应。（三）DNA在真核生物细胞核内的组装核小体(nucleosome)：由DNA和组蛋白构成。DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白上组蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4H1组蛋白在核小体之间DNA的存在形式真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（1400nm，每个染色体含10个玫瑰花200bp）（三）DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、RNA的分子结构RNA的结构特点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。这种结构称为“发夹型”结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA