第三章核酸

NuclearAcid——生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)與信息載體核酸的發(fā)現(xiàn)：

1868年，瑞士青年科學(xué)家F.Miescher引言：核酸概述從外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離得到一種含磷較高的酸性物質(zhì)，稱之為核素（nuclein）核素實(shí)質(zhì)是一種核糖核蛋白1944年,OswaldAvery,ColinMacleod和MaclynMcCarty發(fā)現(xiàn)，一種有夾膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA(deoxyribonucleicacid,脫氧核糖核酸)，可使另一種無夾膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遺傳性狀發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)橛袏A膜，具有致病性的肺炎球菌，且轉(zhuǎn)化率與DNA純度呈正相關(guān)，若將DNA預(yù)先用DNA酶降解，轉(zhuǎn)化就不發(fā)生。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)徹底糾正了蛋白質(zhì)攜帶遺傳信息這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，確立了核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位；核酸的研究歷史：

1889年，Altmann首先制備了不含蛋白的核酸制品并引入“核酸”這一名詞。

20世紀(jì)20年代測(cè)定了核酸的化學(xué)組成，并將核酸分為DNA和RNA。

1943年，E.Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1：1，由此推理出堿基配對(duì)的理論。

1944年，Avery的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明遺傳物質(zhì)即為DNA。

1953年，Watson-Crick建立了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

遺傳密碼的闡明、內(nèi)切核酸酶的發(fā)現(xiàn)、核酸的合成與分析技術(shù)、基因重組技術(shù)等的建立形成了分子生物學(xué)的基本完整體系。

核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物有機(jī)體不可缺少的組成部分。核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對(duì)于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長(zhǎng)發(fā)育，細(xì)胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。因此，核酸的研究是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。引言：核酸概述克隆羊-dolly第一節(jié)核酸的種類、分布與功能一、核酸的種類與分布（一）核酸的種類（RNA、DNA、）

核糖核酸（ribonucleicacid-RNA）:轉(zhuǎn)移RNA(transferRNA-tRNA)、信使RNA(messengerRNA-mRNA)、核糖體RNA（ribosomalRNA-rRNA）

小分子細(xì)胞核RNA（snRNA）、染色質(zhì)RNA（chRNA）、反義RNA（antisenseRNA）、雙鏈RNA（dsRNA）、細(xì)胞質(zhì)小RNA（scRNA）、具有催化活性的RNA（ribozyme）、各種病毒RNA功能：三者共同參與遺傳信息的表達(dá)。

脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid-DNA）功能：遺傳信息的載體，負(fù)責(zé)遺傳信息的貯存和發(fā)布。真核生物原核生物

DNA細(xì)胞核（95%）線粒體、葉綠體（5%）核質(zhì)區(qū)（擬核）

RNA細(xì)胞質(zhì)（75%）線粒體、葉綠體（15%）細(xì)胞核（10%）細(xì)胞質(zhì)（二）核酸的分布二、核酸的生物學(xué)功能

（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)1928年，英國(guó)科學(xué)家Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。細(xì)菌的毒性是由細(xì)胞表面中的多糖所決定的。二、核酸的生物學(xué)功能（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)1944年，O.T.Avery（美）肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),首次證明DNA是細(xì)菌遺傳性狀的轉(zhuǎn)化因子。十年后證明DNA是遺傳物質(zhì)SRS+RS菌體的DNA+RS轉(zhuǎn)化作用：感受態(tài)的微生物或離體培養(yǎng)的細(xì)胞獲得外源DNA并產(chǎn)生新的形狀特征。（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)1952年，美國(guó)冷泉港Hershey-Chase噬菌體浸染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。（二）RNA生物學(xué)功能RNA的功能：1.參與蛋白質(zhì)的合成rRNA(75-80%)tRNA(10-15%)mRNA(2-5%)2.遺傳物質(zhì)3.具有生物催化劑功能第二節(jié)：核酸的化學(xué)組成一、核酸的元素組成

基本元素：CHONP

核酸的元素組成有兩個(gè)特點(diǎn)：1.一般不含S。2.P含量較多，并且恒定（9%-10%）。因此，實(shí)驗(yàn)室中用定磷法進(jìn)行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）二核酸的分子組成核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸組成,而核苷則由戊糖和堿基形成所以，核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基1．核苷酸（1）組成核酸的堿基

腺嘌呤

鳥嘌呤嘌呤Adenineguanine

A

G9NNNN123465871．核苷酸（1）組成核酸的堿基

尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶uracilcytosinethymine

NN654321嘧啶UCTH3CDNA的堿基組成：AGCTRNA的堿基組成：AGCU核酸中除了5類基本的堿基外，還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基。1．核苷酸組成核酸的稀有堿基NNNNONNNH2O—CH3Im5Chm5CDHU1．核苷酸堿基的結(jié)構(gòu)特征堿基都具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結(jié)構(gòu)。堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團(tuán)可以發(fā)生酮式—烯醇式或胺式—亞胺式互變異構(gòu)。胺式

亞胺式互變異構(gòu)酮式烯醇式互變異構(gòu)已公認(rèn)：氫原子在堿基上有固定的位置1．核苷酸（2）戊糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的戊糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的戊糖則為β-D-核糖。1．核苷酸（3）核苷nucleoside核苷由戊糖和堿基縮合而成，嘌呤的N9或嘧啶的N1與戊糖C-1’-OH以C-N糖苷鍵相連接。dANNNNNH2OHHOHOCH2HHHH9NONOOHOCH2HHHHOHOHU1假尿苷

胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）1．核苷酸（4）核苷酸nucleotide核苷酸是核苷的磷酸酯。作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分別是5′-磷酸-脫氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。2．核苷酸的衍生物ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結(jié)構(gòu)如下：（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)

(2)GTP(鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)（3）環(huán)化核苷酸cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作為細(xì)胞之間傳遞信息的信使。cAMP和cGMP的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵。在pH7.4條件下,cAMP和cGMP的水解能約為43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。（4）輔酶核苷酸

NAD+NADP+FMNFADCoA（1）參與DNA、RNA的合成、蛋白質(zhì)的合成、糖與磷脂的合成。（2）在能量轉(zhuǎn)化中起重要作用，ATP是生物體內(nèi)能量的通用貨幣。（3）是構(gòu)成多種輔酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）參與細(xì)胞中的代謝與調(diào)節(jié)（cAMP、cGMP）。3．核苷酸的生物學(xué)作用4．多聚核苷酸多聚核苷酸是通過核苷酸的5’-磷酸基與另一分子核苷酸的C3’-OH形成磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。由脫氧核糖核苷酸聚合而成的稱為DNA鏈；由核糖核苷酸聚合而成的則稱為RNA鏈。NNNNNH2OHOCH2HHHHO—P—O—OOHNNNNNH2

OH

HOCH2HHHH

-O—P=OO多聚核苷酸的特點(diǎn)在多聚核苷酸中，兩個(gè)核苷酸之間形成的磷酸二酯鍵通常稱為3′—5′磷酸二酯鍵。多聚核苷酸鏈一端的C5′帶有一個(gè)自由磷酸基，稱為5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3’帶有自由的羥基，稱為3′-羥基端（常用3′-OH表示）。多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。一、DNA的分子結(jié)構(gòu)（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)1.定義：指DNA分子中多個(gè)脫氧核苷酸的排列順序。即數(shù)目龐大的四種堿基的排列順序。DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲(chǔ)的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種脫氧核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。2.DNA的堿基組成（Chargaff定則）：（1）在所有的DNA中，A=T，G=C即A+G=T+C（2）DNA的堿基組成具有種的特異性，即不同生物物種的DNA具有自己獨(dú)特的堿基組成，但沒有組織和器官的特異性。3.DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法：第三節(jié)：核酸的分子結(jié)構(gòu)3.DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法：（1）結(jié)構(gòu)式表示法：（2）線條式表示法：（3）字母式表示法：書與文獻(xiàn)中DNA測(cè)序的生物學(xué)意義DNA是遺傳信息的儲(chǔ)存者和發(fā)布者，遺傳信息是由堿基序列體現(xiàn)的，堿基序列略有改變，即可引起遺傳信息的顯著改變。所以DNA測(cè)序是研究DNA功能的基礎(chǔ)，非常重要。DNA測(cè)序的實(shí)驗(yàn)方法（20世紀(jì)70年代三大進(jìn)展促進(jìn)了DNA的測(cè)序工作——限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)；改進(jìn)多核苷酸片段的電泳分離法；DNA的克隆技術(shù)）酶法和化學(xué)法（Sanger和Gilbert法）4.DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的研究方法：DNA的化學(xué)法測(cè)序片段5’-32P-GCATGCAT-3’待測(cè)DNA片段，經(jīng)特異性切割后：GG+ACC+T3’TACGTACG5’G+A切割后：32P-GC32P-GCAT32P-GCATGC32PG切割后：32P32P-GCATC切割后：32P-G32P-GCATGC+T切割后：32P-G32P-GCA32P-GCATG

32P-GCATGCA（二）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1.定義：

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)指DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA纖維和DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜分析及DNA堿基組成的定量分析以及DNA中堿基的物化數(shù)據(jù)測(cè)定，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。2．DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（二）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡(jiǎn)稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向?yàn)?′→3′，而另一條鏈的方向?yàn)?′→5′，螺旋結(jié)構(gòu)上有大溝和小溝。（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)，彼此以3′-5′磷酸二酯鍵連接，形成DNA分子的骨架。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90°角。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈）高度為3.4nm。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（4）雙螺旋內(nèi)部的堿基按規(guī)則配對(duì)，堿基的相互結(jié)合具有嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結(jié)合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結(jié)合，這種配對(duì)關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)腔パa(bǔ)關(guān)系。3.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的生物學(xué)意義第一次闡述了遺傳信息的儲(chǔ)存方式及DNA復(fù)制的機(jī)理，以準(zhǔn)確的語言回答了DNA是如何成為遺傳物質(zhì)的。大大推動(dòng)了分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。4．DNA雙螺旋的穩(wěn)定因素DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理?xiàng)l件下是很穩(wěn)定的。維持這種穩(wěn)定性的主要因素包括：兩條DNA鏈之間堿基配對(duì)形成的氫鍵和堿基堆積力；另外，存在于DNA分子中的一些弱鍵在維持雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上也起一定的作用。即磷酸基團(tuán)上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子間形成的離子鍵及范德華力。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。5．DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的幾種構(gòu)象幾種DNA螺旋結(jié)構(gòu)的參數(shù)類

型

堿基傾角

堿基間距（nm）

每圈堿基數(shù)

螺

距(nm)螺旋直徑（nm）

B-DNA

A-DNAZ-DNA

0-1

19-20

9

0.34

0.23

0.38

10

11

123.32-3.4

2.46-2.53

4.56

2.0-2.37

2.55

1.8-1.84C-DNAD-DNAtsDNA

A-DNAB-DNA：在相對(duì)濕度為92%時(shí)的DNA鈉鹽。接近DNA在細(xì)胞中的構(gòu)象。A-DNA：在相對(duì)濕度為75%以下時(shí)的DNA纖維。Z-DNA：左手螺旋（A.Rich的工作）.ts-DNA：三股螺旋(在分子內(nèi)或分子間形成,分子內(nèi)形成時(shí)需要低pH下胞嘧啶質(zhì)子化,故稱H-DNA)（三）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)一、定義：DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)指DNA分子（雙螺旋）通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象。包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間、單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣鳌３菪荄NA三級(jí)結(jié)構(gòu)的一種類型。超螺旋即DNA雙螺旋的螺旋。二、環(huán)狀DNA的拓?fù)鋵W(xué)特征：

松弛形解鏈環(huán)形負(fù)超螺旋1.鏈環(huán)數(shù)（linkingnumber）

鏈環(huán)數(shù)指在雙螺旋DNA中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)，以L表示。2.扭轉(zhuǎn)數(shù)（纏繞數(shù)：twistingnumber）

扭轉(zhuǎn)數(shù)是指DNA分子中Watson-Crick的螺旋數(shù)，以T表示。3.超螺旋數(shù)（writhingnumber）以W表示。所以：L=T+W請(qǐng)看上頁的例子。DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu)，但L值不同，所以稱它們?yōu)橥負(fù)洚悩?gòu)體。拓?fù)洚悩?gòu)酶能夠催化它們之間的轉(zhuǎn)換。DNA負(fù)超螺旋易于解鏈，在DNA復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄等過程中都需要兩條鏈解開，所以負(fù)超螺旋利于這些功能的實(shí)施。解鏈環(huán)形L=23T=23W=0松弛環(huán)形L=25T=25W=0負(fù)超螺旋L=23T25W=-24.比連環(huán)差比連環(huán)差以表示。用它表示DNA的超螺旋程度。

=（L-L0）/L0

L0表示松弛環(huán)形DNA的L值，如在上述超螺旋中，L=23，L0=25所以=-0.08

可以視為DNA的超螺旋密度。天然DNA的超螺旋密度一般在-0.03到-0.09。負(fù)號(hào)表示超螺旋周為左手螺旋。

（一）RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。組成RNA的核苷酸也是以3′-5′磷酸二酯鍵連接。其中1.tRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：分子量25000左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3′-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。5′端多為pG,也有pC。二、RNA的分子結(jié)構(gòu)tRNA概述約占總RNA的10-15%。它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖核蛋白體的作用。已知每一個(gè)氨基酸至少有一個(gè)相應(yīng)的tRNA。tRNA分子的大小很相似，鏈長(zhǎng)一般在73-93個(gè)核苷酸之間。2.mRNA約占總RNA的5%。不同細(xì)胞的mRNA的鏈長(zhǎng)和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)真核：?jiǎn)雾樂醋印?’-末端有“帽子”、3’-末端有polyA片段和非編碼區(qū)和非編碼區(qū)原核：多順反子5’-末端無“帽子”、3’-末端無polyA片段（病毒除外）有非編碼區(qū)有非編碼區(qū)順反子：mRNA上具有翻譯功能的核苷酸順序。polyA片段：指20-250個(gè)多聚腺苷酸。“帽子”結(jié)構(gòu)：5’-末端的G被甲基化，通過焦磷酸與另一個(gè)發(fā)生了核糖上甲基化的核苷酸以5’、5’-磷酸二酯鍵相連。極大多數(shù)真核細(xì)胞mRNA在3‘-末端有一段長(zhǎng)約200核苷酸的polyA。polyA是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的mRNA一般無polyA，但某些病毒mBNA也有3’-polyA,polyA可能有多方面功能,與mRNA從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移有關(guān)；與mRNA的半壽期有關(guān)，新合成的RNA其polyA鏈較長(zhǎng)，而衰老的mRNA，polyA鏈縮短。mRNA5’-末端的“帽子”結(jié)構(gòu)

m7G5’ppp5’Np(O型)m7G5’ppp5’NmpNp(I型)m7G5’ppp5’NmpNmpNp(II型)

可能功能：抗核酸酶的水解；與蛋白質(zhì)合成起始有關(guān)；作為mRNA與核糖體40S亞基結(jié)合的信號(hào)。3.rRNA(核糖體RNA)約占全部RNA的80%，是核糖核蛋白體的主要組成部分。rRNA的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)，可分別與mRNA、tRNA作用，催化肽鍵的形成。rRNA動(dòng)物細(xì)胞核糖體rRNA有四類：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。許多rRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)及由一級(jí)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出來的二級(jí)結(jié)構(gòu)都已闡明，但是對(duì)許多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。與tRNA不同，rRNA的甲基化多發(fā)生在核糖上。真核生物的rRNA中修飾核苷比原核生物多。(二)RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RNA是單鏈分子，因此，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關(guān)系，即分子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)（類似A-DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)），不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)可以形象地稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)或莖環(huán)結(jié)構(gòu)。在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對(duì)情況不象DNA中