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1、核酸化学研究史：1869年 Miescher,研究细胞核化学成分时发现的这种含磷很丰富的酸性物质。故命名“核质(Nuclein)”,第四章 核酸,1879年 Kossel经过10年的努力,搞清楚核质中有四种不同的组成部分:A,T,C 和 G；1889年 Altman建议将“核质”改名为“核酸”,因为已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。,一、概念核酸(nucleic acid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成，其结构单元分子为核苷酸。,第一节 核酸的分类与组成,二、种类及分布1、种类 脱氧核糖核酸（DNA）核糖体RNA(rRNA)核糖核酸（RNA）
2、转运RNA(tRNA)信使RNA(mRNA),2、分布,DNA：主要在细胞核中，是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体、质粒上。RNA：细胞核核仁；细胞质核糖体及上清液中。,三、核酸的组成,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸的基本结构,（一）核酸中的戊糖,D-核糖（D-ribose）D-脱氧核糖（D-deoxyribose）核酸据此分类：脱氧核糖DNA；核糖RNA；核酸中的戊糖均为-D-型,（二）碱基,核酸中的碱基分两类：1、嘧啶碱基(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。,2、嘌呤碱(purine)：由嘌呤
3、衍生而来。,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胞嘧啶,胸腺嘧啶,3、稀有碱基,一些修饰碱基，因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基，多在tRNA中。,（三）核苷(nucleoside),1、连接方式核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖苷键：二者的连接是C-N键，称C-N 糖苷键。,2、核苷的命名、符号 核苷名称由相应的碱基名和戊糖名加苷而产生 全名为“某碱基核糖核苷”或“某碱基脱氧核 糖核苷”简化为“某苷”或“脱氧某苷”。如腺苷、脱氧腺苷。核苷符号依据相应碱基而来，对于脱氧核苷则在碱基代号前加“d”。,A G C U,dA dG dC dT,DNA、RNA分别有四种核苷,（四）核苷酸(nucleo
4、tide，nt),1、种类：1）按酯化位点：可在核糖的2-,3-,5-；2）按核糖类型：核苷酸、脱氧核苷酸,1、概念核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。,2，3，5一核糖核苷酸,(2-AMP),(3-AMP),(5-AMP),Deoxyadenosine 3-monphosphate(3-dAMP),Deoxyadenosine 5-monphosphate(5-dAMP),3，5-脱氧核苷酸（deoxyribonucleotide）,2、结构,3、表示,与一个磷酸结合MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合DP：如：ADP与三个磷酸结合TP：如：
5、,4、特殊核苷酸,1）环核苷酸：核糖3-,5-成环。cAMP、cGMP 功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,2）其他核苷酸 主要起调节作用，如：ppGpp：鸟苷5二磷酸3二磷酸,（五）多聚核苷酸（核酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-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。,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTG
6、CGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,（六）RNA和DNA组成,A G C U,A G C T,D-核糖,D-2-脱氧核糖,磷酸,磷酸,胞质,胞核,第二节 核酸的性质,一、一般理化性质（一）两性电解质：由于核酸、核苷酸中含有碱基和磷酸基，而呈两性电离，是两性电解质。磷酸基比碱基更易解离，故核酸表现为酸性。,（二）核酸的水解1、碱水解：室温，稀碱下，RNA可水解为核苷酸；DNA不能水解。2、酸水解：稀酸长时间或高温或强酸处理核酸，可促使核酸发生糖苷键、二酯键水解。3、酶水解：核酸酶、核苷酸酶等，详细见“核酸代谢”。,（三）沉降特性 由于溶液中的核酸在离心场中可下
7、沉，因而可用超离心法纯化核酸，沉降速度有差异：RNA环形DNA线形DANPRO或将不同构象的核酸分离，也可测沉降系数和分子量。RNA：蔗糖梯度超离心 DNA：氯化铯梯度超离心（四）粘度 DNA粘度比RNA大。当受热或其他因素，由螺旋变为无规则时，粘度下降，可作变性指标。,（五）颜色反应：,1）核糖与浓盐酸和苔酚蓝共热呈绿色，在 670nm处可测RNA；2）2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色，在595nm处可测DNA。二种反应可作定性试验，定量试验灵敏度低、准确性差，但快、简便。,二、紫外吸收性质,碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。应用：1、不同核
8、苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。1 OD相当于：50g/ml DNA 40g/ml RNA 20g/ml Nt(核苷酸）,2、确定所提取的核酸是否纯品。1）DNA：1.8 纯品 OD260/OD290 1.8 RNA 污染 1.8 pro 污染 2）RNA：OD260/OD290 2.0 纯品,3、紫外可使相邻T T间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体，引起基因突变。,A=TC=GT=AT=A,紫外,A=TC=GT AT A,三、核酸结构的稳定性,1、碱基堆积力：双螺旋内部碱基形成的疏 水区；2、碱基间的氢键：3、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键4、范德华力。,四、核酸的变
9、性,1、变性的概念 在某些理化因素作用下（温度、酸碱、有机溶剂、尿素等），核酸分子互补双链之间氢键断裂，使双螺旋结构松散变成单链的过程。,1）结果：A、增色效应：260nm紫外吸收增加；B、粘度下降、浮力密度上升；C、生物学性能部分或全部丧失。2）引起变性的因素：温度、pH、尿素、甲醛等。,2、热变性与Tm,Tm：在热变性中，紫外吸收增加的中点值所对应的温度，称该DNA的熔解温度（melting temperature,Tm);又称热解链温度。,3、影响Tm的因素,1）DNA的均一性；2）G-C含量：Tm与G-C含量成正比。3）介质中的离子强度：离子强度低，Tm低，熔解温度范围窄。,DNA分子
10、的Tm与GC含量的关系,盐浓度对DNA变性的影响,五、核酸的复性,概念：变性DNA在适当条件下（缓慢降温），可使两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结 构的过程。复性后，许多物化性质可得 到恢复，生物学活性部分恢复。影响因素：温度、DNA片段大小、DNA浓度、碱基重复序列多少、离子浓度。,DNA变性与复性,六、分子杂交 不同来源的核酸经变性和复性的过程，其中一些不同的核苷酸单链由于存在局部碱基互补片段，而在复性时形成杂化双链，此过程称分子杂交。,加热,退火,七、核酸序列测定原理：碱基配对；聚合酶可催化在试管内合成与模板互补的 DNA新链；双脱氧核苷酸无3-OH，合成到此终止；可电泳分离随机得到的大
11、小不等的片段。,DNA序列测定,末端终止法：待测单链DNA 模板 引物 四种dNTP(其中一种用32P/35S标记)终止剂(ddNTP)DNA聚合酶 Sanger发明：两次获得诺贝尔奖 分别得到ddA ddT ddG ddC结尾的片段,测序过程:1.模板与引物杂交2.引物的延长和合成阻断四个试管分别加入 DNA聚合酶 dNTP 标记底物终止剂不同 ddA ddG ddC ddT四个试管中所有产物是一系列长度只差一个核苷酸的聚合链3.电泳 ACGT次序 高压电泳4.放射自显影得到直读图象,核酸序列测定,49,核酸的连接方式,5磷酸基末端,3羟基末端,3,5-磷酸二酯键,第三节 核酸的结构与生物功
12、能,一、核酸的一级结构,多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序称。,1）一级结构表示方法如下：,A、磷酸（P）的位置 在左：表示与5-OH结合；在右：与3-OH结合 如：pApCpTpGB、箭头表示核酸酶的水解部位：pApCpTpG，即C的3-OH游离。C、一般将碱基缩写用连字符连起表示，如：A-C-G-U,2）读向：,碱基序列从左到右表示5 3，由3-,5磷酸二酯键连接。若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3T-A-C-G-G-A-C-T 5,1、分子碱基组成特征（）嘌呤碱基等于嘧啶碱基，即（）腺嘌呤与胸腺嘧啶等量存在，鸟嘌呤与胞嘧啶等量存在，即这一特
13、点对于双螺旋结构模型的提出具有重要意义。,二、DNA的双螺旋二级结构,双螺旋结构模型建立的依据：1）根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则：A=T，G=C2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。,Watson-Crick的DNA双螺旋,2.0 nm,结构特征,2、双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型）,1）形成 两条链反向平行；以相同的旋转绕同一个公共轴形成右手螺旋。,碱基按互补配对原则进行配对，A与T配对，之间形成两个氢键，C与G配对，之间形成三个氢键。,DNA中的四种碱基及它们间的氢键,胞嘧啶,胸腺嘧啶,鸟嘌啉,腺嘌啉,T,C,A,G,2）结构,A、核糖
14、-磷酸以3-,5磷酸二酯键连接成骨架位于双螺旋的外侧；碱基位于链的内部；B、大沟、小沟。,大沟,小沟,3）尺寸,A、螺旋直径：2nm；B、碱基距离：0.34nm；C、螺距：3.nm；D、一周10.个核苷酸。,4）双螺旋的稳定性,A、氢键（横向）B、碱基对疏水的芳香环堆积所产生的疏水中作用力（纵向）C、离子键,DNA右双螺旋结构模型要点总结（Watson,Crick,1953）,1、右双螺旋，反向平行,2、碱基在内，主链在外,3、碱基互补，AT，GC,4、螺旋一圈，十对碱基,5、结构稳定，副键维系,6、大沟小沟，调节关键,A-DNA is favored when DNA is dehydrat
15、ed.Major and minor grooves are similar in width.,B-DNA is the conformation normally found inside cells.,Z-DNA is favored in certain G/C-rich sequences.No grooves left handed helix,染色体,在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构 染色体。,DNA是遗传信息的载体,半保留复制 保证了亲代性状传到子代，保证了亲代与子代 的相似性。,三、RNA
16、,（一）RNA的结构组成：4种核苷酸，有稀有碱基；连接：同DNA形成：一般以DNA为模板合成，有例外（病毒）。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。,（二）RNA的类型,三种：信使RNA（messenger RNA,mRNA)核糖体RNA(ribosomel RNA,rRNA)转运RNA(transfer RNA,tRNA),此外，在真核细胞中还有少量：,核内小RNA（snRNA）:参与核糖体的组成。不均一RNA（hnRNA）：mRNA的前体。反义RNA（asRNA）：可与mRNA部分或全部序列互补；抑 制DNA复制、转录；抑制mRNA翻译。,m7Gppp AUG GUG UAA AAA An
17、,5,3,5 帽子结构 密码子 3 多聚A尾,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5 有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“。,、mRNA,mRNA一般呈单链，分子大小不一。可以自身 回折成一般RNA的二级结构，如发夹式。,“帽子结构”的作用：防止mRNA被降解 蛋白质生物合成时被起始因子识别的标志“Poly A的作用”：引导mRNA由胞核转移到胞质,功能：蛋白质生物合成的膜板，mRNA分子中每三个相邻的碱基代表1个氨基酸密码子,mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基
18、酸排列顺序。,、tRNA,约占全部RNA的15%；由70-90个核苷酸组成许多种类。,功能：多肽链合成中选择性转运氨基酸,*tRNA的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,*tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,tRNA二级结构特点（四环四臂）氨基酸臂（接受茎）：七对碱基，末端为CCA，能接受活化的氨基酸；二氢尿嘧啶环（DHU环 或D环）：812个核苷酸，因具两个二氢尿嘧啶而得名。与分类有关，通过二氢
19、尿嘧啶臂（D茎）与其它相连；,tRNA结构,tRNA结构,反密码环：7个核苷酸，中部为反密码子，与mRNA密码子配对。通过反密码茎与其它相连；额外环：318个核苷酸，是tRNA分类的依据。TC环：7个核苷酸，可能与在核糖体处落下有关。通过TC臂与其它相连。,tRNA结构,3、rRNA,1)占RNA总量的80%，是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能：pr合成的部位.3）结构：分大、小亚基 一、二级结构多已确定，但功能不清。,蛋白质的生物合成，即翻译，以mRNA为模板形成蛋白质的过程，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。
20、,四、核酸的生物学功能（蛋白质合成）,遗传密码表,目 录,(一)肽链合成起始 指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物,1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA在小亚基定位结合；3.起始氨基酰-tRNA的结合；4.核蛋白体大亚基结合。,1.核蛋白体大小亚基分离,核糖体是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的，是蛋白质合成的工厂。,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨酰基位(aminoacyl site),P位：肽酰基位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),IF-3,IF
21、-1,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,氨酰-tRNA合成酶,氨基酸+tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3-IF1复合物,30S mRNA GTP-fMet tRNA-IF2-IF1复合物,70S起始复合物,mRNA+30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,（二）肽链合成延长,指根据mRNA密码序列的指导，次序添加
22、氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle),包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation),1、进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,2、成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,3、转位,延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,（三）肽链合成的终止,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,e,肽链合成的延长因子,终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF),一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转肽酶变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能:,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,
