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1、第八章 核酸的化学结构,讲授内容,第一节 核酸的化学组成与结构第二节 RNA分子的结构,教学目标,了解主要的嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸的结构。掌握DNA和RNA在组成、结构和功能上的差异。掌握DNA双螺旋模型的要点，以及模型在生物学上的意义。,核酸的概述,核酸是生物体的基本组成物质，是重要的生物大分子，从高等的动、植物到简单的病毒都含有核酸。,核酸的发现,1868年，瑞士的内科医生F.Miescher从脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为“核素”(nuclein，脱氧核糖核蛋白)1889年，Altamann将其纯化，把其中不含蛋白的酸性物质成分称为“核酸”(nucleic aci
2、d),核酸的种类、分布,脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)在真核细胞中DNA主要存在于细胞核内，DNA与组蛋白结合形成染色体少量的DNA存在于核外的线粒体、叶绿体中核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)RNA主要存在于细胞质中，微粒体含量最多，线粒体含少量在细胞核中也含有少量的RNA，集中于核仁病毒只含DNA或RNA，不可能即含DNA又含RNA，所以有的是DNA病毒，有的是RNA病毒。,核酸的生物学功能,核酸最为重要的作用是遗传的作用,在二十世纪的上半叶，人们建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但没有对基因的化学本质作出回答。,细菌
3、的转化试验,1928年英国Frederick Griffith的肺炎双球菌转化试验 Griffith认为“死细菌可能提供了某些特异性的蛋白质原料，使R型细菌能够制造夹膜”。,1944年，Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA他们将S型细菌的DNA提取物与R型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数R型细菌定向转化为S型细菌,1957年，Heinaz Fraenki-Conrat和B.Singre烟草花叶病毒试验,基因必须表现三种基本的功能：遗传功能即基因的复制表型功能即基因的表达进化功能即基因的变异核酸的功能与上述要求相对应自我复制转录、翻译突变,第一节 核酸的化学组成
4、与结构,脱氧核糖核酸(DNA)核酸 核糖核酸(RNA)组蛋白染色体 蛋白质 非组蛋白 少量的类脂与无机物质,27%,6%,66%,一、核酸的化学组成,若将核酸(DNA或RNA)逐步水解，则可生成多种中间产物。,1、碱基,嘧啶碱,嘌呤碱,2、戊糖,3、核 苷,由一个戊糖和一个碱基缩合成戊糖的第1位碳原子与嘧啶碱的第1位氮原子相连接或嘌呤碱第9位氮原子相连接RNA中的核苷称核糖核苷(或称核苷)，包括腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷分别以A、G、C、U表示DNA中的核苷称脱氧核糖核苷，包括脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷分别以dA、dG、dC、dT表示，“d”表示脱氧,核苷结构,5、核苷酸,5-腺苷酸（
5、-AMP）,两种核酸核苷酸的主要区别,糖环上连接磷酸的位置,天然核酸中只发现5连接磷酸的核苷酸,核苷酸的磷酸化,核苷酸分子都只含有一个磷酸基，故统称为核苷一磷酸(NMP)但5核苷酸的磷酸基都可进一步磷酸化形成相应的核苷二磷酸(NDP)和核苷三磷酸(NTP),二、DNA的分子结构,1、DNA分子的大小、形状,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106-1010D。大肠杆菌染色体由400万碱基对(base pair，bp)组成的双螺旋DNA单分子分子质量为2.6106DNA分子的形状DNA有的呈双股(double strand DNA，dsDNA)线型分子，有些为环状，也有
6、少数呈单股(single strand，ssDNA)环状,2、DNA的碱基组成,DNA分子中的碱基主要是由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种碱基组成少量的稀有碱基，如5甲基胞嘧啶（m5C）等DNA的碱基组成符合碱基摩尔比例规律（碱基当量定律）腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即AT鸟嘌呤与胞嘧啶(包括5甲基胞嘧啶)的摩尔数相等，即G C+m5C因此嘌呤碱基的总摩尔数等于嘧啶碱基的总数，即A+G T+C+m5C,DNA的碱基组成的特点,具有种的特异性 没有器官和组织的特异性DNA的碱基组成符合碱基摩尔比例规律年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成,3、DNA的一级
7、结构,概念核酸的一级结构是指在其多核苷酸链中各个核苷酸之间的连接方式、核苷酸的种类数量以及核苷酸的排列顺序意义DNA的遗传信息是由碱基的精确排列顺序决定的，生物的遗传信息就储存于DNA的核苷酸序列中70年代后期，Sanger和Gilbert等分别建立了DNA中核苷酸顺序快速测定法，推动了核酸研究的进展,DNA分子的连接方式,DNA分子是由几千到几干万个脱氧核糖核苷酸线型联贯而成的，没有分枝联接的方式是在核苷酸之间形成3，5磷酸二酯键形成的核苷酸链都具一个5端和一个3端,4、DNA的二级结构,1953年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)根据碱基互补配对的规律以及对DN
8、A分子的X射线衍射研究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型它是上世纪最重大的自然科学成果之一,DNA分子特征,由两条平行的多核苷酸链，以相反的方向，围绕着同一个中心轴，以右手旋转方式构成一个双螺旋形状疏水的嘌呤和嘧啶碱基平面层迭于螺旋的内侧，亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连形成的骨架位于外侧内侧碱基呈平面状，碱基平面与中心轴相垂直。每个平面上有两个碱基(每条各一个)形成碱基对。相邻碱基平面在螺旋轴之间的距离为3.4nm。旋转夹角为36。因此每10对核苷酸绕中心轴旋转一圈，故螺旋的螺距为34nm,DNA分子特征,双螺旋的直径为2nm，沿螺旋的中心轴形成大沟和小沟交替出现两条链被碱基对之
9、间形成的氢键而稳定的维系在一起。在DNA中碱基总是由腺嘌呤与胸腺嘧啶配对(用AT表示)，由鸟嘌呤与胞嘧啶配对(用GC)表示,特森和克里克提出的双螺旋构型称为BDNABDNA是DNA在生理状态下的构型当DNA在高盐浓度下时，则以ADNA形式存在ADNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。ADNA比较短和密。现在还发现，某些DNA序列可以左手螺旋的形式存在，称为ZDNA。,DNA构型之变异,5、DNA的三级结构,DNA的三级结构指双螺旋进一步扭曲,真核生物的染色质DNA，以染色质形式存在于细胞核中,三、DNA的一些性质,DNA微溶于水，呈酸性，加碱促进溶解，但不溶于有机
10、溶剂。由于DNA分子很长，形成溶液后呈现粘稠状，DNA愈长粘稠度愈大。在加入乙醇后可用玻璃棒将粘稠的DNA搅缠起来。DNA的溶液是呈粘稠状，但DNA的双螺旋结构实际上显得僵直具有刚性，经不起剪切力的作用，易断裂成碎片。这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因。溶液状态的DNA易受DNA酶作用而降解。抽干水分的DNA性质却十分稳定。,核酸的变性是指氢键的断裂，DNA的双螺旋结构分开，成为两条单链的DNA分子，即改变了DNA的二级结构，但并不破坏一级结构。如加热、加酸、加碱、改变溶液的pH，加乙醇、丙酮或尿素等有机溶剂或试剂，都可引起变性。变性后的DNA，其生物活性丧失(如细菌DNA的转化活性明显
11、下降)，同时发生一系列理化性质的改变。粘度下降；沉降系数增加；比旋下降；紫外光吸收值升高（增色效应）。,5、变性,解链温度Tm,通常将50的DNA分子发生变性时的温度称为解链温度，一般用“Tm”符号表示。DNA的Tm值一般在70一85之间。,6、光吸收,核酸中的嘌呤、嘧啶都具有共轭的双键，在260nm处对紫外光有一个最大吸收峰DNA变性后，在260nm处的紫外光吸收值升高，称为增色效应由于双螺旋分子碱基相互堆积，加以氢键的吸引而处于双螺旋的内部，使光的吸收受到压抑，其值低于等摩尔的碱基在溶液中的光吸收变性后，氢键断开，碱基堆积破坏、碱基暴露，于是紫外光的吸收就明显升高，约可增加30一40或更高
12、一些,7、复性,DNA的变性是可逆过程，在适当的条件下，变性DNA分开的两条链又重新缔合而恢复成双螺旋结构，这个过程称为复性。如当温度高于Tm约5时，DNA的两条链由于布朗运动而完全分开。如果将此热溶液迅速冷却，则两条链继续保持分开，称为淬火；若将此溶液缓慢冷却（称退火）到适当的低温，则两条链可发生特异性的重新组合而恢复到原来的双螺旋结构。DNA的复性一般只适用于均一的病毒和细菌的DNA，至于哺乳动物细胞中的非均一DNA，很难恢复到原来的结构状态。,8、核酸的分子杂交,不同来源的多核苷酸链间，经变性分离、退火处理后，若有互补的碱基顺序，就能发生杂交形成DNADNA杂合体，或DNARNA杂合体，
13、这一过程称为核酸的分子杂交。如果杂交的一条链是人工特定（已知核苷酸顺序）的DNA或RNA的序列，并经放射性同位素或其它方法标记，称为探针(probe)。利用杂交方法，使“探针”与特定未知的序列发生“退火”形成杂合体，即可达到寻找和鉴定特定序列的目的。,第二节 RNA的分子结构,一、RNA的类型,RNA在各种生物的细胞中，依不同的功能和性质，都含有三类主要的RNA：mRNArRNAtRNA 它们都参与蛋白质的生物合成。近年来也有许多报道认为RNA具有催化活性。,1.mRNA,占细胞中RNA总量的35，分子质量极不均一，一般在0.52 106，一分子的mRNA可被翻译成1种或1组蛋白质，其大小相差
14、很多。是合成蛋白质的模板。传递DNA的遗传信息，决定着每一种蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序，所以细胞内mRNA的种类很多。mRNA是三类RNA中最不稳定的，它代谢活跃、更新迅速。原核生物（如大肠杆菌）mRNA的半衰期只有几分钟，真核细胞中的则寿命较长，可达几小时以上。,2、rRNA,是细胞中含量最多的一类RNA，占细胞中RNA总量的80左右，是构成核糖体的骨架。核糖体（ribosome）或称核蛋白体，是一种亚细胞结构，直径为1020nm的微小颗粒。rRNA约占核糖体的60，其余40为蛋白质。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA，5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体RNA有四类：
15、5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。,3、tRNA,tRNA 约占RNA总量的15，通常以游离的状态存在于细胞质中。它的功能主要是携带活化了的氨基酸，并将其转运到与核糖体结合的mRNA上用以合成蛋白质。细胞内tRNA种类很多，每一种氨基酸都有特异转运它的一种或几种tRNA。,二、RNA的碱基组成,RNA中的碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶不同来源的RNA，碱基组成变化较大还有几十种稀有碱基，其中以各种甲基化的碱基和假尿嘧啶（）尤为丰富,三、一级结构,RNA分子是由几十到几干个核糖核苷酸线型联贯而成的，没有分枝联接的方式是在核苷酸之间形成3，5磷酸二酯键形成的核
16、苷酸链都具一个5端和一个3端,四、二级结构,绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键(图310)但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,tRNA二级结构,tRNA皆由70-90个核苷酸组成，有较多的稀有碱基核苷酸。在三类RNA中它的分子质量最小。3，-末端为-C-C-AOH,用来接受活化的氨基酸。根据碱基排列模式，呈三叶草式（clover leaf）。双链互补区构成三叶草的叶柄，突环好象三片小叶。大致分为五部分 氨基酸臂二氢尿嘧啶环反密码子环额外环TC环,名词术语,核苷（nucleoside）:是由嘌呤或嘧啶碱基通过
17、共价键与戊糖连接组成的化合物。核糖与碱基一般都是由糖的异头碳与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的-N-糖苷键连接的。核苷酸（nucleotide）：核苷的戊糖成分中的羟基磷酸化形成的化合物。,磷酸二酯键（phosphodiester linkage）：一种化学基团，指一分子磷酸与两个醇（羟基）酯化形成的两个酯键。该酯键成了两个醇之间的桥梁。例如一个核苷的3羟基与另一个核苷的5羟基与同一分子磷酸酯化，就形成了一个磷酸二酯键。脱氧核糖核酸（DNA,deoxyribonucleic acid）:含有特殊脱氧核糖核苷酸序列的聚脱氧核苷酸，脱氧核苷酸之间是通过3,5-磷酸二酯键连接的。DNA是遗传信息
18、的载体。核糖核酸（RNA,ribonucleic acid）:通过3,5-磷酸二酯键连接形成的特殊核糖核苷酸序列的聚核糖核苷酸。,核糖体核糖核酸（rRNA,ribosomal robonucleic acid）：作为核糖体组成成分的一类RNA，rRNA是细胞内最丰富的RNA。信使核糖核酸（mRNA,messenger ribonucleic acid）：一类用作蛋白质合成模板的RNA。转移核糖核酸（tRNA,transfer ribonucleic acid）：,碱基对（base pair）：通过碱基之间氢键配对的核酸链中的两个核苷酸，例如A与T或U，以及G与C配对。查格夫法则（Chargaf
19、fs rules）：所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（AT），鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔含量相等（GC），即嘌呤的总含量与嘧啶的总含量相等（AGTC）。DNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织和器官的特异性。另外生长发育阶段、营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。,DNA双螺旋(DNA double helix)：一种核酸的构象，在该构象中，两条反向平行的多核苷酸链围绕彼此缠绕形成一个右手的双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧,磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二酯键相连,形成核酸的骨架。碱基平面与假想的中心轴垂直,糖环平面则与轴平行。两条链皆为右手螺旋。双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为
20、0.34nm，两核苷酸之间的夹角是36，每对螺旋由10对碱基组成，碱基按A-T,G-C配对互补，彼此以氢键相连系。维持DNA双螺旋结构稳定的力主要是碱基堆积力。双螺旋表面有两条宽窄、深浅不一的一个大沟和一个小沟。大沟(major groove)和小沟(minor groove)：绕B-DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称之大沟，窄沟称之小沟。大沟、小沟都是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。,DNA超螺旋（DNA supercoiling）:DNA本身的卷曲，一般是DNA双螺旋的弯曲、欠旋（负超螺旋）或过旋（正超螺旋）的结果。染色质(chromatin)：是存在于真核生物间期细胞
21、核内，易被碱性染料着色的一种无定形物质。染色质中含有作为骨架的完整的双链DNA，以及组蛋白、非组蛋白和少量的RNA。染色体(chromosome)：是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕、折叠、凝缩和精细包装形成的具有固定形态的遗传物质存在形式。简言之，染色体是一个大的单一的双链DNA分子与相关蛋白质组成的复合物，DNA中含有许多基因，贮存和传递遗传信息。,DNA变性(DNA denaturation)：DNA双链解链分离成两条单链的现象。退火（annealing）:即DNA由单链复性变成双链结构的过程。来源相同的DNA单链经退火后完全恢复双链结构，同源DNA之间、DNA和RNA之间退火后形成杂
22、交分子。,融解温度(melting temperature,Tm)：双链DNA融解彻底变成单链DNA的温度范围的中点温度。增色效应（hyperchromic effect）：当双螺旋DNA融解（解链）时，260nm处紫外吸收增加的现象。减色效应（hypochromic effect）：随着核酸复性，紫外吸收降低的现象。,基因（gene）:也称之顺反子（cistron）。泛指被转录的一个DNA片段。在某些情况下，基因常用来指编码一个功能蛋白或RNA分子的DNA片段,思考题,一段双链DNA包含1000个碱基，其组成中G+C占58%，那么在DNA的该区域中胸腺嘧啶残基有多少？两个DNA分子，其长度相等，碱基组成不同，一个含有20%（A+T），另一个含有60%（A+T），哪个分子的Tm较高？,
