第三章核酸化學(xué)NucleicAcids第一節(jié)核酸概述第二節(jié)核酸的分子組成第三節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第五節(jié)核酸酶(nucleases)第一節(jié)概述核酸(nucleicacid)

以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。

DNA（Deoxyribonucleicacid)脫氧核糖核酸

RNA（Ribonucleicacid)核糖核酸二、核酸的分類及分布、功能(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第二節(jié)核酸的分子組成P223一、元素組成主要元素組成：C、H、O、N、P(9~11%)與蛋白質(zhì)比較，核酸一般不含S，而P的含量較為穩(wěn)定，占9-11%。

二、基本構(gòu)成單位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由戊糖、磷酸和堿基三部分構(gòu)成戊糖D-核糖(D-ribose)D-2-脫氧核糖(D-2-deoxyribose)堿基DNARNA嘌呤堿（purinebases）腺嘌呤（adenine）鳥嘌呤（guanine）腺嘌呤（adenine）鳥嘌呤（guanine）嘧啶堿（pyrimidinebases）胞嘧啶（cytosine）胸腺嘧啶（thymine）胞嘧啶（cytosine）尿嘧啶（uracil）戊糖（pentose）D-2-脫氧核糖(D-2-deoxyribose)D-核糖(D-ribose)酸（acid）磷酸（phosphoricacid）磷酸（phosphoricacid）表1兩類核酸的基本化學(xué)組成核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷和磷酸以磷酸酯鍵連接核苷酸的代號一般以核苷號加“MP”形成，如5′—AMP。常見核苷酸多為5′—核苷酸，通常不寫出酯化位置（5′略去）。如5′—AMP寫成AMP。3′,5′-磷酸二酯鍵AMPADPATP胞內(nèi)ATPcAMP+PPi磷酸二酯酶5′-AMP腺苷酸環(huán)化酶（AC）稀有核苷酸修飾成分核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。第三節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)一、一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）P227一級結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。核苷酸的排列順序代表了遺傳信息。1、核苷酸的連接方式：3,5磷酸二酯鍵2、核酸的基本結(jié)構(gòu)形式：多核苷酸鏈末端：5

端、3端多核苷酸鏈的方向：5ˊ端→3ˊ端(由左至右)3、表示方法：結(jié)構(gòu)式、線條式、文字縮寫DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子中兩條DNA單鏈之間基團(tuán)相互識別和作用的結(jié)果。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的最基本形式。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)doublehelixmodelDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成;右手雙螺旋結(jié)構(gòu);兩條鏈方向相反，5′端→3′端;3′端→5′端。（4）維持兩條DNA鏈相互結(jié)合的力是鏈間堿基對形成的氫鍵。堿基結(jié)合具有嚴(yán)格的配對規(guī)律:A與T結(jié)合，G與C結(jié)合，這種配對關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A=T，G≡CA+G=T+C（5）螺旋表面形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。（6）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。（4）表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎(chǔ)

（5）維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量：氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定2、其他螺旋形式

Z-DNA（左手雙螺旋）

A-DNA2、其他螺旋形式

Z-DNA（左手雙螺旋）

A-DNADNA雙螺旋的穩(wěn)定性DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理?xiàng)l件下很穩(wěn)定。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵，堿基堆積力。雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的疏水區(qū)，消除了介質(zhì)中水分子對堿基之間氫鍵的影響；介質(zhì)中的陽離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷，降低了DNA鏈之間的排斥力等。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長，分子質(zhì)量很大，一般在106～1010。大腸桿菌染色體由400萬堿基對(basepair，bp)組成的雙螺旋DNA單分子。其長度為1.4×106nm，相當(dāng)于1.4mm，而直徑為20nm，相當(dāng)原子的大小。黑腹果蠅最大染色體由6.2×107bp組成，長2.1cm多瘤病毒的DNA由5100bp組成

，長1.7mm

1、雙螺旋DNA分子在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲折疊形成的特定構(gòu)象。2、環(huán)形雙鏈DNA分子可以進(jìn)一步扭曲成超螺旋結(jié)構(gòu)，首尾可共價連接成環(huán)狀，分為負(fù)超螺旋、正超螺旋。（二）DNA的三級結(jié)構(gòu)---超螺旋結(jié)構(gòu)P234

當(dāng)將處于松弛狀態(tài)的雙螺旋向左捻動時（即沿右手螺旋相反方向捻動），等于解旋（所謂的“卸勁”）。處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對于它的松弛狀態(tài)是一種沒有達(dá)到原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的狀態(tài)，所以稱之欠旋。反之稱為過旋。由于DNA分子的兩端被固定，過旋和欠旋都會給雙螺旋DNA分子增加了額外的應(yīng)力。當(dāng)將線性過旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個環(huán)時，都會自動形成額外的超螺旋（supercoils）來抵消過旋或欠旋造成的應(yīng)力，目的是維持構(gòu)象。過旋DNA會自動形成額外左手螺旋，這樣的超螺旋稱之正超螺旋（positivesupercoils）；而欠旋形成額外右手螺旋，稱之負(fù)超螺旋（negativesupercoils）。按照細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分布，生命有機(jī)體可大致劃分為：原核生物（Prokaryotes）真核生物（Eukaryotes）☆原核生物（Prokaryotes）遺傳物質(zhì)－－類核或擬核習(xí)慣上也稱為染色體類核或擬核DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝（視頻）P236☆真核生物（Eukaryotes）遺傳物質(zhì)集中存在于核膜包圍的細(xì)胞核中,并與特殊的蛋白質(zhì)結(jié)合為核蛋白－－染色體真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的區(qū)別：

原核細(xì)胞真核細(xì)胞核膜無核膜，故無成形的細(xì)胞核有核膜核仁無有染色質(zhì)只有裸露的DNA，無染色質(zhì)有染色質(zhì)細(xì)胞壁由粘多糖構(gòu)成由纖維素構(gòu)成細(xì)胞器沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、葉綠體細(xì)胞器較多真核細(xì)胞染色體的組成1、蛋白質(zhì)染色體蛋白主要分為組蛋白和非組蛋白兩類。

真核細(xì)胞的染色體中，DNA與組蛋白的質(zhì)量比約為1：1。DNA、組蛋白和非組蛋白及部分RNA（尚未完成轉(zhuǎn)錄而仍與模板DNA相連接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）組成了染色體。

組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，分為H1、H2A、H2B、H3及H4五種，與DNA共同組成核小體。2、核小體（Nuclearsome）染色體結(jié)構(gòu)的第一個層次，構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位

＃146bpDNA＋組蛋白八聚體→核小體的核心顆粒直徑約10nm（1）、核小體的組成組蛋白八聚體146bp的核心DNA146bp的核心DNA在組蛋白八聚體上盤繞1.8圈Mononucleosomestypicallyhave~200bpDNA.End-trimmingreducesthelengthofDNAfirstto~165bp,andthengeneratescoreparticleswith146bp.＃微球菌酶處理所得核小體DNA長度的變化Chromatosome166bp,2superhelicalturnHistoneH1*組蛋白H1把核小體“封鎖”起來其中，166bp核小體DAN的堆積比為1056nm線性長度→5.6nm螺線管連接DNA<10to>100bp平均55bpNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bp2、染色體結(jié)構(gòu)的形成

（1）首先若干個核小體形成念珠狀結(jié)構(gòu)

The10nmfiberisacontinuousstrongofnucleosomes.每個核小體單位包括：200bp左右的DNA、一個組蛋白八聚體、一分子H1

高度有序

左手螺旋

每圈包括六個核小體30nmfiber(直徑30nm)Solenoid(螺線管）（2）30nm纖絲的構(gòu)成－－

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二層次a、組成Nuclearmatrix(核基質(zhì)),proteincomplex30nmfiber300nmb、體內(nèi)存在狀態(tài)從DNA到染色體的過程Compactionratio=8000三、RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成單鏈突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對情況不象DNA中嚴(yán)格。G除了可以和C配對外，也可以和U配對。G-U配對形成的氫鍵較弱。不同類型的RNA,其二級結(jié)構(gòu)有明顯的差異。tRNA中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分。mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA

外顯子(exon)*真核生物mRNA成熟過程（視頻）：（一）mRNA的結(jié)構(gòu)特征mRNA一般呈單鏈，分子大小不一。可以自身回折成一般RNA的二級結(jié)構(gòu)，如發(fā)夾式。真核生物細(xì)胞中mRNA的特征結(jié)構(gòu)P2291、5′—帽子結(jié)構(gòu)：7—甲基鳥苷（m7G）以5′—5′焦磷酸鍵連接于mRNA的5′端；鄰近的核糖2′—OH同時—CH3化形成帽子。5′-cap的功能(1)防止mRNA被核酸酶降解。可以保護(hù)mRNA5′端不被5′核糖核酸酶等水解，從而提高mRNA的穩(wěn)定性。(2)有助于核糖體對mRNA的識別和結(jié)合，使翻譯得以正確開始。2、3′-PolyA尾：在3′端有一段約20—200個腺苷酸組成的多聚腺苷酸。P229polyA的功能：(1)保護(hù)mRNA，免受核酸外切酶的作用。(2)與翻譯有關(guān)，沒有polyA翻譯活性降低。(3)與mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)。（二）tRNA的結(jié)構(gòu)與功能*

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10~20%稀有堿基，如DHU、、I3′末端為-CCA-OH5′末端大多數(shù)為鳥嘧啶G或C

具有TC環(huán)雙氫尿嘧啶(DHU)假尿嘧啶()次黃嘌呤(I)*tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形P239

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)反密碼環(huán)：反密碼環(huán)中部的三個堿基可以與mRNA的三聯(lián)體密碼形成堿基互補(bǔ)配對，解讀遺傳密碼，稱為反密碼子（anticodon）。*tRNA的功能：活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。二氫尿嘧啶環(huán)（DHU）：識別氨酰-tRNA合成酶TΨC環(huán)：識別核蛋白體(核糖體)氨基酸臂：3`末端的CCA-OH用于連接氨基酸。

三級結(jié)構(gòu):“倒L”型維持tRNA的作用力：（１）氫鍵和堿基的上下堆積，以及疏水性等使得倒“L”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。（２）除了堿基對的氫鍵外，還有非尋常的氫鍵：不互補(bǔ)的堿基間G—G、A—A、A—C等的氫鍵；核糖磷酸骨架與堿基骨架之間的氫鍵。存在于核糖體中，占其重量的2/3，與蛋白質(zhì)結(jié)合。單鏈，有螺旋區(qū)，發(fā)夾形結(jié)構(gòu)，構(gòu)象不穩(wěn)定。核糖體由大小兩個亞基組成，均含有rRNA。原核生物:30S（16srRNA）、50S（5s、23srRNA）；真核生物:40S（18srRNA）、60S（5s、5.8s、28srRNA）主要功能：是形成核糖體，作為蛋白質(zhì)合成的場所。

（三）rRNA的結(jié)構(gòu)與功能大腸桿菌E.Coli16srRNA的結(jié)構(gòu)核糖體上蛋白質(zhì)合成過程中mRNA、tRNA的作用，及肽鏈的延伸示意圖。mRNAtRNA核糖體（四）其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs),或非編碼蛋白質(zhì)的RNA(non-codingRNA,ncRNA)。種類：核內(nèi)小RNA；核仁小RNA；胞質(zhì)小RNA；催化性小RNA；小片段干涉RNA功能：參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。ncRNA在在基因表達(dá)以及應(yīng)激信號傳導(dǎo)等方面起著重要的調(diào)節(jié)作用。因此，有人也將其稱為調(diào)節(jié)RNA（regulatoryRNA）。第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、一般性質(zhì)（一）兩性性質(zhì)P245由于核酸、核苷酸中含有堿基和磷酸基，而呈兩性電離，是兩性電解質(zhì)。磷酸基比堿基更易解離，故核酸表現(xiàn)為酸性。（二）核酸的水解

1、堿水解：室溫，稀堿下，RNA可水解為核苷酸；DNA不能水解。2、酸水解：稀酸長時間或高溫或強(qiáng)酸處理核酸，可促使核酸發(fā)生糖苷鍵、二酯鍵水解。3、酶水解：核酸酶、核苷酸酶等。（三）沉降特性P253由于溶液中的核酸在離心場中可下沉，因而可用超離心法純化核酸，沉降速度有差異：RNA>環(huán)形DNA>線形DAN>PRO或?qū)⒉煌瑯?gòu)象的核酸分離，也可測沉降系數(shù)和分子量。

二、核酸的紫外吸收性質(zhì)P249最大吸收峰在260nm判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0三、核酸的變性與復(fù)性P250（一）核酸的變性1、核酸的變性的概念指核酸的雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂，變成單鏈，并不涉及共價鍵的斷裂，分子量不變，一級結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。2、變性因素：加熱、酸堿度改變、有機(jī)溶劑、酰胺、尿素等。3、變性表現(xiàn)：雙螺旋解體，形成無規(guī)則線團(tuán)，粘度下降，浮力密度升高；部分或全部失去生物活性；OD260增高。DNA分子的變性增色效應(yīng)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。4、解鏈溫度Tm通常把DNA的變性達(dá)到50%，即增色效應(yīng)達(dá)到一半時的溫度稱為該DNA的“熔點(diǎn)”或“解鏈溫度”，以Tm表示，或以T1/2表示，意為DNA失去一半雙螺旋時的溫度。核酸分子中一般以GC堿基對較AT堿基對穩(wěn)定，故富含GC堿基對的DNA的Tm值相對高，因此測定Tm值可以粗略推算堿基對的含量。影響Tm值的因素(1)溶液的性質(zhì)(2)DNA的性質(zhì)和組成大腸桿菌DNA在不同濃度KCl溶液下的熔融溫度曲線（二）DNA的復(fù)性DNA復(fù)性(renaturation)的定義:在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annea