核 酸 化 学 与 核 苷 酸 代 谢概 述 核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺 少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它 不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的 保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作 用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代 谢病等也密切相关。 因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和 医学的重要基础之一。 核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的 大分子化合物，是遗传的物质基础。第六节 核酸酶本章要讲述的主要内容 第一节 核酸的化学组成第二节 核酸的一级结构第三节 DNA的空间结构与功能第五节 核酸的理化性质及其应用第四节 RNA的空间结构与功能第一节 核酸的化学组成脱氧核糖核酸(deoxyribonucliec acid DNA), 磷酸(phosphate)一. 核酸的种类二.核酸的化学组成 碱基(base) 戊糖(pentose)核糖核酸（ribonucliec acid, RNA)核酸核苷酸核酸酶核 酸 的 种 类 脱氧核糖核酸(DNA)核糖核酸（RNA)两类核酸的基本化学组成比较DNA RNA嘌呤碱 腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤 (A)（Purine bases ） 鸟嘌呤 (G) 鸟嘌呤 (G)碱基 (Base) 嘧啶碱 胞嘧啶 (C) 胞嘧啶(C)（Pyrimidine bases） 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶 (U)戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 (Pentose)酸 磷酸 磷酸 (Acid)C NCCC NNNCH HHNH2嘌呤碱1234567 8 9C NCHCC CNN HCHNH2C NCCC CNN HCHOH2N腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)626H C HNHCCHCHNNH2OCC HNCH CH N H OONC HNCH CCHHOOC HNCCCH N HCH3胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）123456核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）核酸核苷酸核苷磷酸戊糖碱基核 酸 的 组 成核酸酶水解由戊糖和碱基以糖苷键连接而成核 苷脱氧核糖核糖嘌呤碱基嘧啶碱基C NCHCC CNN HCHNH2+C NCHCC CNN HCHNH2腺苷9C NCHCC CNN HCHNH2+C NCHCC CNN HCHNH2脱氧腺苷91由核苷的戊 糖羟基被磷 酸酯化而成5 核苷酸的命名含一个磷酸基团：核苷一磷酸（NMP）含两个磷酸基团：核苷二磷酸（NDP）含三个磷酸基团：核苷三磷酸（NTP）N 代表各种碱基的名称环化核苷酸：cNMPO第二节 DNA的结构与功能一、DNA的结构二、DNA的生物学功能1. DNA的一级结构 2. DNA的二级结构 3. DNA的三级结构携带并传递遗传信息四种脱氧核糖核苷酸 通过3、5 -磷酸二酯 键彼此连接而形成的 直线形或环线形分子.DNA分子中核苷 酸的排列顺序.核苷酸链的书写方法双螺旋结构即DNA分子的空间结构1.Chargaff 碱基组成规律2.DNA晶体的X-射线图谱研究 各原子之间的键长、键角一、 DNA分子模型建立由James Watson和Francis Crick提出(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等. A=T鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等. G=C嘌呤总数=嘧啶总数 A+G=C+T(2) DNA的组成具有种的特异性(3) DNA的碱基组成没有组织的特异性, 且较为稳定,不随年龄、营养状态、环境改变的影响Chargaff 碱基组成规律分子双螺旋结构模型要点1. 由两条反向平 行的脱氧多核苷酸（两 条链的走向为53 和35），围绕一 中心轴（假想轴）构成 右手双螺旋结构。彼此间以磷酸二酯键相 连，构成的骨架 。2. 碱基在双螺旋内侧。双链中相对的碱基按 和通过 氢键配对连接，形成 互补.磷酸基与脱氧核糖在外侧 ，5C35C35C糖环平面与中心 轴平行。3. 碱基平面与中心 轴垂直，各相邻平面部分重叠。3.4nm4.双螺旋的直径为2nm沿轴向，每个碱基平面 的距离为0.34nm每圈螺旋含有10对 核苷酸，其轴向距 为3.4nm, (3) 离子键5.维持DNA双螺旋稳定的作用力(1) 互补碱基间的氢键(2) 使碱基平面堆积的平面间范德华力,又称碱基堆积力二、DNA结构的多样性A-DNA：右手螺旋B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋 生理条件下DNA最稳定的结构形式Z-DNA：左手螺旋DNA 的 三 级 结 构原核生物真核生物没有典型的细胞核结构 ，真核生物的三级结构是由分 子与组蛋白(histine)和非组蛋白(nonhistine protein,NHP)结合组成。被认为是原核生物的三级结构被认为是真核生物的三级结构超螺旋结构核小体结构DNA 超 螺 旋结 构H2A、H2B、H3和H4各两分子 组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白 双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75 圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒核心颗粒和 连接区DNA及附着在连接区DNA 上的 组蛋白H1构成核小体一个个核小体连接成串珠状结构染色单体折叠折叠第三节 RNA的结构和功能 一、 RNA的类型1. 核蛋白体RNA(ribosomal RNA, rRNA)3. 转运RNA (transfer RNA, tRNA)2. 信使RNA (messenger RNA, mRNA)4. 不均一核RNA(HnRNA)二、 RNA的结构与功能5.小核RNA(SnRNA)mRNA的结构与功能一 、 mRNA的结构特点(1) 3末端有多聚腺嘌呤的结构(polyA)(2) 5末端具有帽子结构(m7GpppNm)(3) 一种 mRNA只含有一条多肽链的信息由HnRNA经过剪接而成半衰期最短，几分钟到数小时二 、 mRNA的功能蛋白质合成的直接模板把核内DNA的碱基顺序（遗传信息 ），按照碱基互补的原则，抄袭并转 送至胞质，在蛋白质合成中用以翻译 成蛋白质中氨基酸的排列顺序。tRNA 的结构与功能1. 分子量最小一类RNA,占RNA总量10-25%2. 分子中含有10%-20%的稀有碱基一、tRNA的结构特点如假尿嘧啶（）, 二氢尿嘧啶（DHU）, 甲基化碱基（mG,mA)等3. 3末端有CCA-OH, 是携带氨基酸的部位4. 具有识别密码子功能的反密码子5. 二级结构为三叶草形, 有三个环状结构 （DHU环、T 环、反密码环）三级结构为“倒L”形二、tRNA的功能在蛋白质的合成过程中作为各种氨 基酸的载体并将其转呈给mRNAtRNA的三级结构rRNA的结构与功能一、 rRNA的结构特点1. 含量最丰富,约占总RNA的80%以上2. 与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA与蛋白质既可分离,又可结合3. 核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基 呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过 mRNA 二、 rRNA的功能是细胞内蛋白质合成的场所其他小分子RNA小核RNA（SnRNA) 、小核仁RNA(SnoRNA) 、小胞质RNA（scRNA/7SL-RNA) 功能：参与HnRNA和rRNA 的转运和加工原核生物核糖体的亚基组成原核生物核蛋白体真核生物核蛋白体核 酶某些RNA分子本身具有自我催 化能力，可以完成rRNA的剪接 。这些RNA称为核酶（ ribozyme)意义：扩充了酶的范围，使之 不再局限于蛋白质。第四节 核酸的理化性质一、 核酸的粘度二、核酸的紫外吸收特性三、核酸的变性、复性及其分子杂交一 、 核 酸 的 粘 度* 分子量越大粘度也越大分子比分子小，粘度也就小* 生物分子的空间结构也影响粘度。线形分子 无规线团分子 球形分子二、核酸的紫外吸收特性嘌呤碱和嘧啶碱 有共轭双键，都 能强烈吸收紫外 光，最大吸收波 长为260nm蛋白质对紫外 光的最大吸收 波长是280nm紫外分光光度法检测核酸的纯度通过测定波长在260nm和280nm处吸光度的 比值(A260A280)来估计核酸样品的纯度DNA溶液： A260A280=1.8 RNA溶液：A260A280= 2.0方法：在波长260nm紫外线下，吸光度为1.00时，紫外分光光度法估计核酸的浓度取5l双链DNA样品,加水稀释至1ml。以1ml 纯水作为参照测定波长在260nm处的吸光度值 (260),假如测得稀释样品的260值为0.500，相当于50g/ml的双链DNA, 40g/ml的单链DNA或RNA, 20g/ml的单链寡核苷酸问题1那么原液中DNA的浓度是？g/ml三、核酸的变性、复性及其分子杂交(一) 变性(二) 复性(三) 分子杂交(一) 核 酸 的 变 性 1. 概念核酸分子的双螺旋结构解开，氢键断裂 （不涉及共价键的断裂），使双链分离 ，这种现象称为核酸的变性 2. 引起核酸变性的因素如乙醇、丙酮、尿素、酰胺等加热 、介质中的pH过酸或过碱、有机溶剂、3. 核酸的变性与降解的区别降解 其过程是不可逆的 。是指多核苷酸链中的磷酸二酯键断裂 ，使分子量降低 ，不发生分子量的变化 。一般是可逆的，变性4. 蛋白质和核酸的变性两者均不涉及共价键的断裂 一级结构不破坏 粘度下降，生物活性丧失分子的热变性双螺旋结构即遭 破坏，氢键断裂，双链 分离。将的稀盐溶液加 热至8095(或以上) 数分钟，d. 丧失生物活性a. 260nm处的紫外吸收值升高b. 粘度下降c. 浮力、密度升高（增色效应）变 性 DNA 的 特 点DNA解链曲线拐点所对应的温度 ，代表变性50 时温度，称为解链温 度，通常称为融解温 度。用符号 Tm 表示7085之间“”形曲线Tm值的大小主要与下列因素有关中对的含量碱基对的比例越高，Tm值越高pH和离子强度不变,根据百分含量 ，则可计算样品的Tm值Tm69.3 + 0.41*()Tm4*(G+C)+2*(A+T), (小于20bp)介质中的离子强度离子强度低Tm值低变性温度范围较宽离子强度大Tm值高变性温度范围较窄的变性双链的RNA分子RNA-DNA 杂化分子可变 性中性pH条件下，三者Tm值大小为：双链RNA分子RNA-DNA 杂化分子DNA分子(二) 核酸的复性DNA热变性后的复性,常常称为退火 。变性的DNA或RNA在去除变性因素 并处于适当的条件下， 又可重新结合成为双螺旋结构 这一过程称为复性。1.概念彼此分离的双链2. 复性过程两种情况（1）两条完全分开的单链通过随机碰撞形成互补短片段的双螺旋。（2）尚未配对的碱基很快地 “对齐”。迅速形成双链直至双螺旋结构。复性后分子性质 一系列的理化性质随即恢复d. 生物活性部分恢复a. 260nm处的紫外吸收值下降b. 粘度上升c. 浮力、密度降低（减色效应）(三) 核酸分子杂交在一定条件下（适宜的温度、pH及离子强度 ），可按碱基互补原则复性形成双链，此过 程称为核酸分子杂交。1.概念 具有一定同源性的两条核酸单链 ，变性复性不完全同源核酸单链分子杂交突环2.可发生杂交的核酸分子(1)两条同源的DNA链(2)两条同源的RNA链 (3)一条DNA链一