1、第第7 7章章 核酸化學(xué)核酸化學(xué)二、核酸的種類和分布二、核酸的種類和分布 90%90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核分布于胞核90%90%、胞液、胞液10%10%。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表遺傳信息的表達(dá)。某些病毒達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺也可作為遺傳

2、信息的載體。傳信息的載體。染色體是DNA的載體DNADNA可通過復(fù)制遺傳給下一代可通過復(fù)制遺傳給下一代人體23對染色體,分別來自于父母任何一個(gè)多細(xì)胞生物的體細(xì)胞都含有任何一個(gè)多細(xì)胞生物的體細(xì)胞都含有 完全相同的基因組完全相同的基因組DNADNA。 DNA表達(dá)差異表達(dá)差異 mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNA mRNA tRNA rRNAMessenger RNAlTransfer RNARibosome RNARNA的種類、分布、功能的種類、分布、功能除了上述三種除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他

3、種類的小分子他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為非非mRNA小小RNA。核糖體核糖體 RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線粒體線粒體rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL - RNA 核糖體組分核糖體組分成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分的信號識別體的組分RNA信使信使RNARNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNARNARNA核內(nèi)小核內(nèi)小胞漿小胞漿小RNARNA細(xì)胞核和胞液細(xì)胞

4、核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL - RNA 蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的前體的前體的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分的信號識別體的組分核仁小核仁小RNARNA含量含量80510-15三、核酸的生物功能三、核酸的生物功能（一）（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)是主要的遺傳物質(zhì)（二）（二）RNA功能的多樣性功能的多樣性1、參與蛋白質(zhì)的合成、參與蛋白質(zhì)的合成 2、RNA的轉(zhuǎn)錄后加工與修飾的轉(zhuǎn)錄后加工與修飾3、參與基因表達(dá)的調(diào)控、

5、參與基因表達(dá)的調(diào)控4、生物催化作用、生物催化作用1.mRNA信使信使RNA2. rRNA核糖體核糖體RNA3. tRNA 轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA 核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖堿基堿基水水解解（一）（一） 堿基堿基嘌呤堿：腺嘌呤嘌呤堿：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤、鳥嘌呤(G)嘧啶堿：胸腺嘧啶嘧啶堿：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶、胞嘧啶(C)、尿嘧啶尿嘧啶(U)稀有堿基：稀有堿基： 嘌呤環(huán)嘌呤環(huán) 嘧啶環(huán)嘧啶環(huán)（1）嘌呤堿）嘌呤堿（2）嘧啶堿）嘧啶堿尿嘧啶尿嘧啶 U胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T胞嘧啶胞嘧啶 C鳥嘌呤鳥嘌呤 G腺嘌呤腺嘌呤 A （二）核苷：核糖（二）核苷：核糖+ +堿基堿基lDNA含含-D-2-脫

6、氧核糖脫氧核糖lRNA含含-D-核糖核糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2假尿苷，假尿苷，pseudouridine， 磷酸堿基戊糖NNNNNHHNHNHOOOOHOHOHOHCH2POHOOO堿基連接（核苷鍵）堿基連接（核苷鍵）酯酯 鍵鍵（對（對DNA為為H）（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸O-POO-NNNN

7、NH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)ADPATPAMP1 1一般物理性質(zhì)：無色粉末或結(jié)晶；易溶于水，一般物理性質(zhì)：無色粉末或結(jié)晶；易溶于水，具有旋光性；酸溶液中不穩(wěn)定，中性和堿具有旋光性；酸溶液中不穩(wěn)定，中性和堿性溶液中穩(wěn)定性溶液中穩(wěn)定2 2互變異構(gòu)現(xiàn)象互變異構(gòu)現(xiàn)象3 3光的吸收性質(zhì)光的吸收性質(zhì)( (紫外吸收紫外吸收) )4 4兩性電解質(zhì)兩性電解質(zhì) DNADNA一級結(jié)構(gòu)是指一級結(jié)構(gòu)是指DNADNA上的核苷酸排列順序。上的核苷酸排列順序。 ( (核苷酸相當(dāng)于

8、氨基酸、單糖的角色）核苷酸相當(dāng)于氨基酸、單糖的角色）（一）（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)1.定義： DNA的一級結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種脫氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定順序，通過3 ,5 磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連成的直線形或環(huán)形分子。 2. DNA的書寫順序是53。 3.DNA中有4種類型的核苷酸，有n個(gè)核苷酸組成的DNA鏈中可能有的不同序列總數(shù)為4n。3，5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵35HHHHHHH（1 1）核苷酸間以）核苷酸間以3-53-5磷酸二酯鍵相連磷酸二酯鍵相連（2 2）一端稱為）一端稱為5-5-磷酸端（磷酸端（5 5-P-P表示）表示） 一端稱為一端稱為

9、3-3-羥基端（羥基端（3 3-OH-OH表示）表示）（3 3）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時(shí)，）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時(shí)， 需注明方向：需注明方向：5353或是或是35354、DNA一級結(jié)構(gòu)的表示方法結(jié)構(gòu)式/線條式/字母式（1）結(jié)構(gòu)式（堿基用單字母表示）戊糖P53首端首端末端末端PPPPPP （2）線條式（堿基用單字母表示 磷酸基團(tuán)用P表示）（3）字母式（單字母ATGC在式中表示脫氧核苷，省略d） RNA的一級結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定順序，通過3,5磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。 RNA分子中各核苷之間分子中各核苷之

10、間的連接方式（的連接方式（3 -5 磷酸二磷酸二酯 鍵酯 鍵 ） 和 排 列 順 序 叫 做） 和 排 列 順 序 叫 做RNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5 3 RNA與與DNA的差異的差異 DNA RNA糖糖 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖堿基堿基 AGCT AGCU 不含稀有堿基不含稀有堿基 含稀有堿基含稀有堿基 tRNA的功能：的功能： 結(jié)合活化氨基酸（結(jié)合活化氨基酸（ 3 -CCA-OH ），），搬運(yùn)氨基酸到核糖體；搬運(yùn)氨基酸到核糖體； 識別識別mRNA密碼子。密碼子。 參與蛋白質(zhì)的翻譯。參與蛋白質(zhì)的翻譯。2、mRNA一級結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：一級結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）真核細(xì)胞）真核細(xì)胞mRNA

11、5帽子 密碼子 3polyA m7Gppp- AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻譯區(qū) 編碼區(qū) 3非翻譯區(qū)真核生物真核生物mRNA的共價(jià)結(jié)構(gòu)的共價(jià)結(jié)構(gòu)1.帽子結(jié)構(gòu)：帽子結(jié)構(gòu)：由甲基化酶催化可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。可為核糖體提供識別位點(diǎn)，使mRNA很快與核糖體結(jié)合，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合物的形成。識別翻譯起始識別翻譯起始 2.polyA：維持：維持mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)錄后由轉(zhuǎn)錄后由poly(A)聚合酶催化加尾聚合酶催化加尾PolyA是是mRNA由核進(jìn)入胞質(zhì)所必需的形式。由核進(jìn)入胞質(zhì)所必需的形式。polyA與與mRNA半壽期有關(guān)，半壽期有關(guān)， PolyA大大提高大大提高mR

12、NA在胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。在胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。功能功能原核生物原核生物mRNA為多順反子，無修飾堿基。為多順反子，無修飾堿基。多順反子：一條多順反子：一條mRNA鏈上有多個(gè)編碼區(qū)鏈上有多個(gè)編碼區(qū)（2）原核細(xì)胞）原核細(xì)胞mRNA* rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA3、rRNA一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)rRNA的功能的功能 作為核糖體的骨架；作為核糖體的骨架； 催化肽鍵的形成。催化肽鍵的形成。（一）（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的依據(jù)雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的

13、依據(jù) 堿基組成分析堿基組成分析Chargaff 規(guī)則：規(guī)則：A = T G C 嘌呤堿嘌呤堿 = 嘧啶堿嘧啶堿 已知核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)已知核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu) DNA纖維的纖維的X-射線衍射圖譜分析射線衍射圖譜分析 ChargaffDNA堿基堿基 組成具有：組成具有： 生物生物種的特異性種的特異性； 無組織無組織/器官特異性；器官特異性； 不受生長發(fā)育、營養(yǎng)狀況及環(huán)境條件的影響。不受生長發(fā)育、營養(yǎng)狀況及環(huán)境條件的影響。腺嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶鳥嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶胞嘧啶其他組合易相互排斥其他組合易相互排斥如如 G:T（1 1）兩條反向平行的）兩條反向平行的 多核苷酸鏈圍繞多核苷酸鏈圍繞 同一中心軸纏繞，

14、同一中心軸纏繞， 為右手螺旋。為右手螺旋。1 1、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)特征（2 2）堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和核糖在外側(cè)，磷酸和核糖在外側(cè)，通過通過3，5磷酸二酯鍵構(gòu)磷酸二酯鍵構(gòu)成骨架。成骨架。堿基平面與縱軸垂直，堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。糖環(huán)平面與縱軸平行。大溝：寬大溝：寬1.2nm1.2nm，深，深0.85nm0.85nm，小溝：寬小溝：寬0.6nm0.6nm，深，深0.75nm0.75nm。TACG（3）主要參數(shù)）主要參數(shù)雙螺旋的直徑為雙螺旋的直徑為2nm，堿基堆積距離為堿基堆積距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾兩個(gè)核苷酸之間的夾角角36，每圈螺旋含每

15、圈螺旋含10個(gè)核苷個(gè)核苷酸，螺距酸，螺距3.4nm。（4 4）兩條核苷酸鏈依靠堿基間形成的氫鍵而）兩條核苷酸鏈依靠堿基間形成的氫鍵而結(jié)合。結(jié)合。 A AT GT GC C（5 5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。但根據(jù)堿基配對原則，一條核苷酸鏈序列制。但根據(jù)堿基配對原則，一條核苷酸鏈序列可決定另一條互補(bǔ)鏈的序列。可決定另一條互補(bǔ)鏈的序列。雙螺旋的補(bǔ)充：雙螺旋的補(bǔ)充：（1）夾角和堿基對的數(shù)目變化）夾角和堿基對的數(shù)目變化（2）堿基對沿長軸旋轉(zhuǎn)一定的角度）堿基對沿長軸旋轉(zhuǎn)一定的角度堿堿基基對對間間的的氫氫鍵鍵堿基堆積力堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）形成疏

16、水環(huán)境（主要因素） 。堿基配對的堿基配對的氫鍵氫鍵。GCGC含量越多，越穩(wěn)定。含量越多，越穩(wěn)定。磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子之間形成離子鍵離子鍵，中和了磷酸基上的負(fù)電荷，中和了磷酸基上的負(fù)電荷間的斥力，有助于間的斥力，有助于DNADNA穩(wěn)定。穩(wěn)定。堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。活性小分子的攻擊。2 2、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素3、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性 DNADNA的類型的類型類型類型 結(jié)晶狀態(tài)結(jié)晶狀態(tài) 螺

17、距螺距 堿基距離堿基距離 每圈每圈 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) (nm) (nm) (nm) (nm) bpbp數(shù)數(shù) 方向方向A A 相對濕度相對濕度75% 2.8 0.256 11 75% 2.8 0.256 11 右手右手 DNADNA鈉鹽鈉鹽B B 相對濕度相對濕度92%92% 3.4 0.34 10 3.4 0.34 10 右手右手 DNADNA鈉鹽鈉鹽C C 相對濕度相對濕度66% 3.1 0.332 9.3 66% 3.1 0.332 9.3 右手右手 DNADNA鋰鹽鋰鹽Z Z d(GCGCGCd(GCGCGC) 4.44 0.37 12 ) 4.44 0.37 12 左手左手4、三股螺旋、三股螺

18、旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：旋的大溝結(jié)合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)P 490 圖13-11 H-DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) DNA雙螺旋通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象。雙螺旋通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象。 包括：包括： 不同二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用不同二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用 單鏈與二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用單鏈與二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用 DNA的拓?fù)涮卣鞯耐負(fù)涮卣?超螺旋是超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。三級結(jié)構(gòu)的主要形式

19、。（三）（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)環(huán)形環(huán)形DNADNA一條鏈斷裂：開環(huán)分子（一條鏈斷裂：開環(huán)分子（ocDNAocDNA) )兩條鏈斷裂：線型分子兩條鏈斷裂：線型分子 (linear DNA)(linear DNA)1、 環(huán)狀環(huán)狀DNA的三種典型構(gòu)象的三種典型構(gòu)象 （1）、）、 松弛環(huán)形松弛環(huán)形DNA（2）、）、 解鏈環(huán)形解鏈環(huán)形DNA（3）、）、 正超螺旋與負(fù)超螺旋正超螺旋與負(fù)超螺旋DNA松弛環(huán)形松弛環(huán)形正超螺旋正超螺旋解鏈環(huán)形解鏈環(huán)形2、 三種環(huán)形三種環(huán)形DNA的拓?fù)鋵W(xué)特性的拓?fù)鋵W(xué)特性連環(huán)數(shù)連環(huán)數(shù)（linking number , L）DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次

20、數(shù)扭轉(zhuǎn)數(shù)扭轉(zhuǎn)數(shù)（twisting number , T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以T表示超螺旋數(shù)超螺旋數(shù)（纏繞數(shù)（纏繞數(shù) , writhing number , W）L=T+W比連環(huán)差比連環(huán)差（specific linking difference , ）表示表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)=（LL0）/L0 = 每一圈初級螺旋（每一圈初級螺旋（10bp，360）出現(xiàn)超螺旋數(shù)）出現(xiàn)超螺旋數(shù)L0是指松馳環(huán)形是指松馳環(huán)形DNA的的L值值3、 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶改變改變DNA拓?fù)洚悩?gòu)體的拓?fù)洚悩?gòu)體的L值。值。拓?fù)洚悩?gòu)酶酶拓?fù)洚悩?gòu)酶酶

21、I（解旋酶）（解旋酶）能使雙鏈負(fù)超螺旋能使雙鏈負(fù)超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀DNA，每次，每次催化使催化使L值增加值增加1。拓?fù)洚悩?gòu)酶酶拓?fù)洚悩?gòu)酶酶II（促旋酶）（促旋酶）能使松馳環(huán)狀能使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形DNA，每次催化，每次催化使使L減少減少2。 RNA通常是通常是單鏈線形單鏈線形分子分子 自身回折形成局部雙螺旋（自身回折形成局部雙螺旋（二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)） 進(jìn)而折疊（進(jìn)而折疊（三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)） 多數(shù)形成核蛋白復(fù)合物（多數(shù)形成核蛋白復(fù)合物（四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)），）， 如核糖體、拼接體、編輯體等。如核糖體、拼接體、編輯體等。 RNA病毒是具有感染性的病毒是具有感染性的RNA復(fù)合物復(fù)合物四、四、RNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu) RNA的二級結(jié)構(gòu)是短的，不完全螺旋的多核苷酸鏈。（天