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1、第五章 核酸,Nucleic acid,概述 一、核酸的定义：,核酸是生物体内一类含有磷酸基团 的生物大分子,核酸的化学组成：除含有碳、氢、氧、氮外，含磷高是核酸元素组成的特点,二.核酸的种类 所用生物细胞都含有这两类核酸,核酸,核糖核酸: RNA ribonucleic acid,脱氧核糖核酸:DNA deoxyribonucleic acid,（1）信使RNA （mRNA） （2）核糖体RNA（rRNA） （3）转移RNA （tRNA）,三、核酸的作用： 生物信息的储存和传递 四、核酸的分布： DNA主要分布在染色体中，少部分在 核外； RNA主要分布在细胞质中,五、核酸的发现和研究简史,
2、Friedrich Miescher是一位年轻的瑞士医生，1869年在德国生理化学家Felix Hoppe-Seyler的实验室工作，当时主要研究细胞核的化学成分。他从外科医院收集了一些废弃的外科绷带，洗下脓细胞，然后用盐酸处理，获得的细胞核用于研究核的化学成分。当用酸继续处理时有白色沉淀出现，沉淀中含碳、氢、氧、氮和高浓度的磷。先命名为核素，后发现它有很强的酸性，改称核酸。后来被证明是脱氧核糖核酸（DNA）。之后不久 Hoppe-Seyler从酵母中分离出一种类似的物质，即核糖核酸（RNA）。,核酸是一种多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。细胞内各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物都具有重要的生
3、理功能。,第一节 核苷酸与核酸的共价结构,一、核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成,核 糖 脱氧核糖,(一）构成核苷酸的糖,(二) 组成核苷酸的含氮碱：嘌呤和嘧啶,1、嘧啶碱：,植物DNA中有相当量的5-甲基胞嘧啶，一些 E.coli phage中有5-羟甲基胞嘧啶替代了胞嘧啶。,尿嘧啶（U),胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,2,1,3,4,5,6,2、嘌呤碱：,X-射线衍射分析法证明嘌呤和嘧啶环 很接近平面。,鸟嘌呤（G）,腺嘌呤（A）,1,2,3,5,4,6,7,8,9,3、稀有碱基： 含量甚少，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含量较多，可达10。目前已知稀有碱基和核苷达近百种。,碱基与核糖之间的连
4、键多为型N-糖苷键。 如：嘌呤核苷或嘌呤脱氧核苷以戊糖的 C1与嘌呤的N9相连。 嘧啶核苷或嘧啶脱氧核苷以戊糖的 C1与嘧啶的N1相连。 X衍射法已证明：核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。,（三）核苷 碱基与戊糖以糖苷键连接形成核苷,核苷的命名：碱基名核苷 糖环中的碳原子标号右上角加“” 碱基中的碳原子标号右上角不加“”,RNA中含有某些修饰和异构化的核苷（碱基、核糖被修饰）。核糖的修饰主要是甲基化。 如：尿嘧啶核苷（ C1N1）在异构化酶的作用下生成假尿嘧啶核苷（C1-C5)。,1. 嘧啶碱和戊糖的连接,尿嘧啶核苷,假尿嘧啶核苷,2. 嘌呤碱和戊糖的连接,（四）核苷酸： 核苷中戊糖上的羟基与磷
5、酸成酯而形成，本质是磷酸酯。,5,组成DNA的碱基,二、DNA、RNA中的核苷酸,(一)、核酸中的核苷酸类别,组成RNA的碱基,DNA、RNA组成的异同,组成DNA、RNA的核苷酸,如：2/3/5-核糖核苷酸 3/5-脱氧核糖核苷酸 生物体内游离存在核苷酸多是5-（脱氧）核糖核苷酸。 细胞内有一些游离存在的多磷酸核苷酸（如： 5-NDP, 5-NTP），它们是核酸合成的前体、重要的辅酶和能量载体。 环化核苷酸（如：cAMP/cGMP）往往是细胞功能的调节分子和信号分子。,(二)、细胞内游离的核苷酸及其衍生物,*,cAMP,三、核苷酸的紫外吸收特性,由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，所以碱基、核苷
6、、核苷酸、核酸都在240290nm范围内有特征吸收。组分结构不同，紫外吸收也就不同。如max AMP257nm、GMP为256nm、CMP为280nm、UMP为262nm。通常测定对核酸及核苷酸选用260nm波长。,核苷酸在240290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰,不同核苷酸有不同的吸收特性， Amax在260nm附近。,利用各种核苷酸的紫外吸收标准吸光度比值和摩尔吸收系数（如：260），可以通过紫外分光光度计对核苷酸样品进行定性或定量测定。 P163 表5-2 表5-3,摩尔吸收系数： 1 摩尔浓度的核苷酸溶液在某一波长的吸光度,四.核苷酸的解离性质,1、碱基的解离 嘌呤、嘧啶杂环中的氮以
7、及各取代基具 有结合和释放质子的能力,所以这些物 质既有碱性解离又有酸性解离的性质。,pK1=4.6,pK2=12.5,H+,H+,2、核苷酸的解离 由于磷酸基的存在,使核苷酸具有较强的酸性。 磷酸基的解离对整个核苷酸解离后所带的净 电荷量影响显著.,由于核苷酸是两性电解质，在不同pH的溶液中解离程度不同，在一定条件下可形成兼性离子,pH,pH,解离度,解离度,核苷酸的等电点,pH,尿苷酸碱基碱性极弱，实际测不出含氮环的解离曲线， 故不能形成兼性离子。,对于含A、G、C的核苷酸而言，PI=1/2（PK1+ PK2) 当环境PH PI时， 核苷酸- 核苷酸的解离与核苷酸的分离： 利用核苷酸及其衍
8、生物在一定PH条件下具有不同的解离特性，应用离子交换柱层析和电泳等方法进行分离。,五、磷酸二酯键与多聚核苷酸链 （一）核酸中核苷酸的连接方式 1、核酸在酸、碱、酶的作用下水解成寡核苷酸、核 苷酸、核苷和碱基。核苷酸是结构单位。 2、核酸的酸碱滴定曲线显示，核酸分子中的磷酸基 只有一级解离，因为第二磷酸基与糖环的羟基形 成了磷酸二酯键。 糖环的哪个羟基：2/3/5 ？ 3、蛇毒磷酸二酯酶水解产物是5-核苷酸,牛脾磷 酸二酯酶水解产物是3-核苷酸 DNA、RNA均以3，5-磷酸二酯键相连。,DNA的滴定曲线,酸碱滴定可用于确定参与酸碱反应的基团的性质,多聚核苷酸,牛脾磷酸二酯酶,蛇毒磷酸二酯酶,（
9、二）核酸的一级结构 核苷酸以3，5-磷酸二酯键彼此相连形成核酸，核苷酸的排列顺序称为核酸的一级结构,核酸的一级结构由于3，5-磷酸二酯键 的存在而具有方向性，即53,核酸共价结构的几种表示方法,（1）竖线式：竖线戊糖 B 碱基 P 磷酸基,（2）文字式：字母代表核苷或核苷酸 P在核苷之左表示与C5相连 P在核苷之右表示与C3 相连 如： pApCpTpG 书写顺序为游离5磷酸端在左， 游离3磷酸端(或羟基)在右。 磷酸二酯键的位置是3 5 ,一、DNA的一级结构,通过3，5- 磷酸二酯键连接起来的无分支的直线型或环型多聚体。,第二节 DNA的结构,磷酸二酯键,二. DNA的高级结构 DNA链在
10、一级结构的基础上折叠或盘绕而形成高级结构,（一）DNA的二级结构 - Watson-crick双螺旋结构,a 腺嘌呤与胸腺嘧啶摩尔数相等，A=T 即 A与T配对；,1.DNA碱基组成特征： Chargaff规则-碱基配对规率,b 鸟嘌呤与胞嘧啶摩尔数相等，G=C 即 G与C配对； 则：A/T=G/C=1,c 含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于 含酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数， 即 A+C=G+T； d 嘌呤的总数等于嘧啶的总数, 即 A+G=C+T,碱基互补配对形成氢键,1953年，Waston和Crick提出,DNA分子双螺旋结构模型,2.Watson-Crick双螺旋结构,互为右
11、手螺旋的两条链,其磷酸二酯键的方向相反,即一条为 5 3 另一条为 3 5,(1) 两条反向平行的多核 苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕,两条链均为右手螺旋。,（2）嘌呤与嘧啶位于双螺旋的内侧。磷酸与核糖在外侧，彼此通过3,5-磷酸二酯键连接起来，形成DNA分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面与纵轴平行，多核苷酸的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向。习惯上以 C3 C5为正向。,碱基对位于双螺旋的内侧，磷酸与糖在外侧； 碱基平面与中心轴垂直，糖环的平面与中心轴平行,螺旋表面：由于配对碱基不能充满双螺旋的全部空间，而且碱基占据的空间不对称，因而在螺旋表面形成两条宽度不同的螺形凹槽，称为大沟和小
12、沟。沟槽的碱基暴露，易与蛋白质作用。,两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。,（3）双螺旋的平均直径为2nm(20)，两个相邻的碱基对之间相距的距离，即碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36度。X衍射分析每一转的高度(螺旋)3.6nm(36) 。因此，沿中心轴每旋转一周有10.5个核苷酸。,（4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相系而结合在一起。A与T配对，形成两个氢键； G与C配对，形成三个氢键。 G与C之间的连接更稳定。,（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。根据碱基互补配对原则，当一条多核苷酸链的序列被确定后，即可决定另一条互补链的序列。,DNA钠盐在较
13、高湿度下92制得的B-型DNA纤维的结构。 DNA结构可受环境条件的影响而改变。能以多种不同的构象存在，A/B/C/D/E/Z Z为左手螺旋型。,A型：在相对湿度为75以下所获得的DNA纤维构象经X射线衍射分析：螺旋比较粗短，碱基倾角大一些，大沟的深度明显超过小沟。,Z型：天然DNA局部有左手双螺旋结构。Z型细长,大沟平坦，核苷酸构象顺反相间使磷酸和糖骨架呈Z字形。,a）氢键 两条链中碱基的相互作用，A与T、G与C，由于其 数量多，是稳定DNA双螺旋结构的重要因素 b）碱基堆积力 指一条链上相临两个平行碱基环间的相 互作用,这是来自芳香环碱基电子之间的相互作用 是维持DNA双螺旋结构稳定的主要
14、因素。碱基堆积还 使双螺旋内部形成疏水核心,有利于碱基间氢键的形成 c）离子键 DNA分子中磷酸基团在生理条件下解离,使DNA 呈多阴离子,与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子 之间形成静电作用,以减少双链间的静电排斥,有利于 双螺旋的稳定,6.DNA双螺旋结构的稳定因素：,（二）DNA的超螺旋结构,DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。,超螺旋（双螺旋的螺旋）是DNA三级结构的一种形式 松弛态状态被破坏，分子内部产生额外张力,为抵消这种张力,DNA分子本身扭曲,形成超螺旋结构。 20世纪60年代，J.Vinograd 对环状DNA分子的拓扑结构进行了研究，提出DNA的拓扑学公式。,L=T+W L: 连环数 T: 盘绕数 W: 超螺旋数,