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第二章 核酸化学. Nucleic Acids. 绍兴文理学院元培学院生命科学系. 第一节 核酸概述 第二节 核酸的分子组成 第三节 核酸的分子结构 第四节 核酸的理化性质 第五节 核酸酶 (nucleases). 第一节 概 述. 核酸 (nucleic acid) 以 核苷酸 为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA （ D eoxyribo n ucleic a cid) 脱氧核糖核酸 RNA （ R ibo n ucleic a cid) 核糖核酸. 一、核酸的发现和研究工作进展.

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  1. 第二章 核酸化学 Nucleic Acids 绍兴文理学院元培学院生命科学系

  2. 第一节 核酸概述 • 第二节 核酸的分子组成 • 第三节 核酸的分子结构 • 第四节 核酸的理化性质 • 第五节 核酸酶(nucleases)

  3. 第一节 概 述 核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸

  4. 一、核酸的发现和研究工作进展 • 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 • 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 • 1968年 Nirenberg发现遗传密码 • 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 • 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 • 1985年 Mullis发明PCR 技术 • 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) • 1994年 中国人类基因组计划启动 • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

  5. 二、核酸的分类及分布、功能 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞核、胞液。 (ribonucleic acid, RNA) 参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

  6. 第二节 核酸的分子组成

  7. 一、元素组成 • 主要元素组成： C、H、O、N、P(9~11%) • 与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。 二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide) 核苷酸由戊糖、磷酸和碱基三部分构成

  8. 戊 糖 D-核糖(D-ribose) D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose )

  9. 碱 基

  10. 碱基的结构特征 • 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。

  11. 表 1 两类核酸的基本化学组成

  12. 核苷 nucleoside • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 核糖核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  13. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名 核苷和磷酸以磷酸酯键连接

  14. 3′,5′-磷酸二酯键

  15. 稀有核苷酸 修饰成分 • 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。

  16. 缩写代号的表示方法 （1）核苷的碱基上的H被其它基团取代的表示方法： 将碱基取代基、取代位置和取代基数目写在核苷单字 代号（A、 T、 G、C、U）的左边，用小写英文字母代表 取代基。 取代基用下列小写英文字母表示 : 如：m62A表示腺苷嘌呤环上的第6位有两个甲基取代基，即 N6，N6-二甲基腺苷，右上角的数字为取代基在核苷分子碱基环上的位置，由下角的数字为取代基的数目。

  17. 例：

  18. （2）核苷的糖分子中—OH基的H被其它基团取代后的产物的表示方法（2）核苷的糖分子中—OH基的H被其它基团取代后的产物的表示方法 在其核苷单字代号的右边加上代表取代基的小写字母代号。 如：Am表示腺苷的第2位上OH基的H被甲基所取代。

  19. Ribose Deoxyribose 2、核糖分子中除了C1位—OH成苷外，还有C2、C3和C5位三个自由羟基，可以分别生成相应位的核苷酸。 脱氧核糖分子中除了C1位—OH成苷外，则只有C3和C5位两个自由羟基，能分别生成相应位核苷酸。

  20. 2’，3’，5’一核糖核苷酸 (2´-AMP) (3´-AMP) (5´-AMP)

  21. 脱氧（核糖）核苷酸（deoxyribonucleotide）： 3’，5’一脱氧核糖核苷酸 Deoxyadenosine 3’- monphosphate (3’- dAMP) Deoxyadenosine 5’- monphosphate (5’- dAMP)

  22. 3、 核苷酸的名称 某苷—（酯化位）—磷酸 或 （酯化位）—某苷酸 如：腺苷- （5′）-磷酸 或 （5′）—腺苷酸 4、 核苷酸的代号 一般以核苷号加“MP”形成 ，如5′—AMP。常见核苷酸多为5′—核苷酸，通常不写出酯化位置（5′略去）。如5′ —AMP写成AMP。 DNA和RNA分别有四种基本核苷酸。

  23. 四、细胞内的其他核苷酸及核苷酸衍生物 1、多磷酸核苷酸 ADP、ATP、GDP、GTP等。 ATP的重要生理功能： ① 参与能量代谢。 ② 各种三磷酸核苷酸参与DNA 、RAN的生物合成（作原料）； ③ 参与其它合成。如UTP参加糖转化、合成，CTP参与嘌呤、蛋白质的合成； ④ 作辅酶的结构成分。如NAD＋、 NADP＋。

  24. AMP ADP ATP

  25. 胞内 腺苷酸环化酶 （AC） ATP cAMP + PPi 磷酸二酯酶 5´-AMP

  26. 3、其他核苷酸 主要起调节作用，如 ： ppGpp：鸟苷—5′—二磷酸—3′—二磷酸 pppGpp：鸟苷—5′—三磷酸—3′—二磷酸 A5′pppp5″A（Ap4A）：二腺苷—5′，5″—p′，p4四磷酸

  27. 第三节 核酸的分子结构

  28. 一、一级结构（primary structure） • 一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。 1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链 • 信息量：4n • 末端： 5端、 3端 • 多核苷酸链的方向： 5ˊ端→3ˊ端(由左至右) 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写

  29. 二、DNA的空间结构 （一）DNA的二级结构（secondary structure） 生物体DNA是由两条走向相反的双链互相盘绕而成的右旋螺旋式结构,这种双螺旋结构就是DAN的二级结构 1、碱基组成规则(Chargaff规则) • [A]=[T]，[G]=[C]； [A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等) • 有种属特异性 • 无组织、器官特异性 • 不受年龄、营养、性别及其他环境等影响

  30. DNA双螺旋结构的特点 double helix model • DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 • 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。

  31. DNA双螺旋结构的要点 （1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成;右手双螺旋结构;两条链方向相反，5′端→3′端;3′端→5′端。

  32. （2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。

  33. （3）螺旋横截面的直径约2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩为3.4 nm。

  34. （4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。 A=T，G≡C A+G=T+C

  35. （5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 （6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。

  36. 二级结构： 双螺旋结构模型(double helix model) 1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA) （1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧 （2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴 （3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈

  37. （4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础 （5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定 2、其他螺旋形式 • Z-DNA（左手双螺旋） • A-DNA

  38. DNA双螺旋的稳定性 • DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 • 维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。 • 双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响； • 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。 • 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

  39. 天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。 • 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4×106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。 • 黑腹果蝇最大染色体由6.2×107bp组成，长2.1cm • 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长1.7mm

  40. （二）DNA的三级结构---超螺旋结构 1 、双螺旋DNA分子在二级结构基础上进一步扭曲 折叠形成的特定构象。 2 、环形双链DNA分子可以进一步扭曲成超螺旋结 构，首尾可共价连接成环状，分为负超螺旋、正超 螺旋。

  41. 当将处于松弛状态的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。反之称为过旋。由于DNA分子的两端被固定，过旋和欠旋都会给双螺旋DNA分子增加了额外的应力。当将处于松弛状态的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。反之称为过旋。由于DNA分子的两端被固定，过旋和欠旋都会给双螺旋DNA分子增加了额外的应力。

  42. 当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋（supercoils）来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，这样的超螺旋称之正超螺旋（positive supercoils）；而欠旋形成额外右手螺旋，称之负超螺旋（negative supercoils）。

  43. （三）DNA在真核生物细胞核内的组装（视频） 染色体基本单位： 核小体(nucleosome)： 由DNA和组蛋白构成。 • 组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4 • DNA：以左手螺旋缠绕在组蛋白上 • H1组蛋白结合于连接DNA上

  44. 三、RNA的分子结构

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