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第 四 章 核酸的化学. 第一节 核酸通论 第二节 核酸的结构 第三节 核酸的理化性质 第四节 核酸的研究方法. 第一节 核酸通论.
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第四章 核酸的化学 • 第一节 核酸通论 • 第二节 核酸的结构 • 第三节 核酸的理化性质 • 第四节 核酸的研究方法
第一节 核酸通论 核酸的研究历史：1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品， 并引入“核酸”这一名词。20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。1943年，E .Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1：1，由此推理出碱基配对的理论。1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明遗传物质即为DNA。1953年，Watson-Crick建立了DNA的双螺旋结构模型。遗传密码的阐明、内切核酸酶的发现、核酸的合成与分析技术、基因重组技术等的建立形成了分子生物学的基本完整体系。
核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。核酸与蛋白质一样，是一切生物有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，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。
核酸的种类、分布与功能 一、核酸的种类与分布 （一）核酸的种类（ RNA、DNA、） 核糖核酸（RNA）:转移RNA(tRNA) 、信使RNA(mRNA)、核糖体RNA（rRNA） 小分子细胞核RNA（snRNA）、细胞质小RNA（scRNA）、反义RNA（antisense RNA）、具有催化活性的RNA（ribozyme）、各种病毒RNA 脱氧核糖核酸（DNA）
二、核酸的生物学功能（一）DNA是主要的遗传物质二、核酸的生物学功能（一）DNA是主要的遗传物质 S R S+R S菌体的DNA + R S 1944年，O.T.Avery（美） 肺炎链球菌的转化实验,首次 证明DNA是细菌遗传性状的转化 因子。 十年后证明DNA是遗传物质 转化作用：感受态的微生物或离体培养的细胞获得外源DNA并产生新的形状特征。
无荚膜，不致病 有荚膜，致病 有荚膜，致病 有荚膜，致病 传代 传代 Avery 的“肺炎双球菌转化”实验 DNA 温育 有荚膜，致病
1952年， Hershey-Chase 噬菌体浸染细菌的实验。
（二）RNA生物学功能 RNA的功能： 1.参与蛋白质的合成 2.遗传物质 3.具有生物催化剂功能
第二节 核酸的结构 组成核酸的基本成分 磷酸P 核酸 单核苷酸 戊糖R 核苷 含氮碱B 水解 水解 水解 B-R-P B-R
一、 核酸的化学组成 核酸的水解产物：
(一)碱基 1. 嘧啶碱： 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶
2. 嘌呤碱： 腺嘌呤 鸟嘌呤
（二）戊糖与核苷 1．戊糖： β-D-核糖 β-D-2-脱氧核糖
2．核苷： • 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 • 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1’ β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为β，N糖苷键。
N1 N9 β1’ β1’ 腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR) β1’,N9-糖苷键 β1’,N1-糖苷键
“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。 假尿苷（ψ） β1’,C5-糖苷键 C5 β1’
（三）核苷酸的结构与命名 • 核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。 • 由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。最常见者为5’-核苷酸（5’常被省略）。
5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。
环核苷酸的分子结构 环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷
二、 核酸的一级结构 • 一分子的核苷酸的3’-位羟基与另一分子核苷酸的5’-位磷酸基通过脱水可形成3’,5’-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。
多核苷酸链： • 核酸就是由许多核苷酸单位通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 • 核酸具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5’-端，另一端称为3’-端。
DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。 • RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四种核糖核苷酸组成。RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。
核酸一级结构的表示方法 5’-AGTCCATG-3’ AGTCCATG GTACCTGA 5’-AGUCCAUG-3’ AGUCCAUG GUACCUGA
A C T G C T P P P P P P 5 ´ OH 3´ 5 ´pApCpTpGpCpT-OH3´ 5´ A C T G C T 3 ´ DNA的书写方式举例
核酸长链的骨架：糖-磷酸 不同核酸之间的差别：碱基排列顺序 核酸的一级结构：核苷酸在核酸长链 上的排列顺序。也称为核苷酸序 列或碱基序列。 A、T、C、G、U即可代表碱基，也 可代表核酸中的核苷酸。
三、DNA的空间结构与功能 （一）DNA的二级结构——双螺旋结构模型 • DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。
DNA双螺旋结构模型的要点： • 目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。
DNA双螺旋的构象类型 （常见） B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似。 A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似。其碱基平面倾斜20°，大沟深。 Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，大沟平坦，只有小沟。
B型双螺旋DNA的结构特点： 1. 为右手反平行双螺旋； 2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧； 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键，G与C为三个氢键）； 4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力； 5. 螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm ，每10个核苷酸形成一个螺旋。
（二）DNA的超螺旋结构 1.原核生物DNA的三级结构： • 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。
2.真核生物中的核小体结构： • 在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。
连接DNA 组蛋白核心 组蛋白H1 连接DNA 核小体
（三）DNA的功能 • DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。 • DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。一个生物体的全部DNA序列称为基因组（genome）。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1×103bp，大肠杆菌为5.7×106bp，人为3×109bp。
四、RNA的结构与功能 • RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。 • RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。
（一）mRNA的结构与功能 • mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。 • mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA。 • 大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。
mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板。mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板。 • mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden）
