第三章核酸

NuclearAcid——生物遺傳的物質基礎與信息載體核酸的發現：

1868年，瑞士青年科學家F.Miescher引言：核酸概述從外科繃帶上膿細胞的細胞核中分離得到一種含磷較高的酸性物質，稱之為核素（nuclein）核素實質是一種核糖核蛋白1944年,OswaldAvery,ColinMacleod和MaclynMcCarty發現，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生改變，轉變為有夾膜，具有致病性的肺炎球菌，且轉化率與DNA純度呈正相關，若將DNA預先用DNA酶降解，轉化就不發生。該項實驗徹底糾正了蛋白質攜帶遺傳信息這一錯誤認識，確立了核酸是遺傳物質的重要地位；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20年代測定了核酸的化學組成，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的理論。

1944年，Avery的肺炎雙球菌轉化實驗，證明遺傳物質即為DNA。

1953年，Watson-Crick建立了DNA的雙螺旋結構模型。

遺傳密碼的闡明、內切核酸酶的發現、核酸的合成與分析技術、基因重組技術等的建立形成了分子生物學的基本完整體系。

核酸與蛋白質一樣，是一切生物有機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，它不僅對于生命的延續，生物物種遺傳特性的保持，生長發育，細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。因此，核酸的研究是現代生物化學、分子生物學和醫學的重要基礎之一。引言：核酸概述克隆羊-dolly第一節核酸的種類、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）:轉移RNA(transferRNA-tRNA)、信使RNA(messengerRNA-mRNA)、核糖體RNA（ribosomalRNA-rRNA）

小分子細胞核RNA（snRNA）、染色質RNA（chRNA）、反義RNA（antisenseRNA）、雙鏈RNA（dsRNA）、細胞質小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。

脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid-DNA）功能：遺傳信息的載體，負責遺傳信息的貯存和發布。真核生物原核生物

DNA細胞核（95%）線粒體、葉綠體（5%）核質區（擬核）

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

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

基本元素：CHONP

核酸的元素組成有兩個特點：1.一般不含S。2.P含量較多，并且恒定（9%-10%）。因此，實驗室中用定磷法進行核酸的定量分析。（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，它的基本結構單元是核苷酸。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．核苷酸堿基的結構特征堿基都具有芳香環的結構特征。嘌呤環和嘧啶環均呈平面或接近于平面的結構。堿基的芳香環與環外基團可以發生酮式—烯醇式或胺式—亞胺式互變異構。胺式

亞胺式互變異構酮式烯醇式互變異構已公認：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結構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是生物體內分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結構如下：（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）環化核苷酸cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-環腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-環鳥嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作為細胞之間傳遞信息的信使。cAMP和cGMP的環狀磷酯鍵是一個高能鍵。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、蛋白質的合成、糖與磷脂的合成。（2）在能量轉化中起重要作用，ATP是生物體內能量的通用貨幣。（3）是構成多種輔酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）參與細胞中的代謝與調節（cAMP、cGMP）。3．核苷酸的生物學作用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多聚核苷酸的特點在多聚核苷酸中，兩個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，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。一、DNA的分子結構（一）DNA的一級結構1.定義：指DNA分子中多個脫氧核苷酸的排列順序。即數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萬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具有自己獨特的堿基組成，但沒有組織和器官的特異性。3.DNA一級結構的表示方法：第三節：核酸的分子結構3.DNA一級結構的表示方法：（1）結構式表示法：（2）線條式表示法：（3）字母式表示法：書與文獻中DNA測序的生物學意義DNA是遺傳信息的儲存者和發布者，遺傳信息是由堿基序列體現的，堿基序列略有改變，即可引起遺傳信息的顯著改變。所以DNA測序是研究DNA功能的基礎，非常重要。DNA測序的實驗方法（20世紀70年代三大進展促進了DNA的測序工作——限制性核酸內切酶的發現；改進多核苷酸片段的電泳分離法；DNA的克隆技術）酶法和化學法（Sanger和Gilbert法）4.DNA一級結構的研究方法：DNA的化學法測序片段5’-32P-GCATGCAT-3’待測DNA片段，經特異性切割后：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的二級結構1.定義：

DNA的二級結構指DNA的雙螺旋結構。1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎上，根據DNA纖維和DNA結晶的X-衍射圖譜分析及DNA堿基組成的定量分析以及DNA中堿基的物化數據測定，提出了著名的DNA雙螺旋結構模型，并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。2．DNA雙螺旋結構的特點（二）DNA的二級結構（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為5′→3′，而另一條鏈的方向為3′→5′，螺旋結構上有大溝和小溝。（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內側，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側，彼此以3′-5′磷酸二酯鍵連接，形成DNA分子的骨架。堿基環平面與螺旋軸垂直，糖基環平面與堿基環平面成90°角。2.DNA雙螺旋結構的要點（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉一圈）高度為3.4nm。2.DNA雙螺旋結構的要點2.DNA雙螺旋結構的要點（4）雙螺旋內部的堿基按規則配對，堿基的相互結合具有嚴格的配對規律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結合，這種配對關系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。雙螺旋的兩條鏈是互補關系。3.DNA雙螺旋結構提出的生物學意義第一次闡述了遺傳信息的儲存方式及DNA復制的機理，以準確的語言回答了DNA是如何成為遺傳物質的。大大推動了分子生物學和分子遺傳學的發展，被譽為20世紀最偉大的發現之一。4．DNA雙螺旋的穩定因素DNA雙螺旋結構在生理條件下是很穩定的。維持這種穩定性的主要因素包括：兩條DNA鏈之間堿基配對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構的穩定性上也起一定的作用。即磷酸基團上的負電荷與介質中的陽離子間形成的離子鍵及范德華力。改變介質條件和環境溫度，將影響雙螺旋的穩定性。5．DNA二級結構的幾種構象幾種DNA螺旋結構的參數類

型

堿基傾角

堿基間距（nm）

每圈堿基數

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：在相對濕度為92%時的DNA鈉鹽。接近DNA在細胞中的構象。A-DNA：在相對濕度為75%以下時的DNA纖維。Z-DNA：左手螺旋（A.Rich的工作）.ts-DNA：三股螺旋(在分子內或分子間形成,分子內形成時需要低pH下胞嘧啶質子化,故稱H-DNA)（三）DNA的三級結構一、定義：DNA的三級結構指DNA分子（雙螺旋）通過扭曲和折疊所形成的特定構象。包括不同二級結構單元間、單鏈與二級結構單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征。超螺旋是DNA三級結構的一種類型。超螺旋即DNA雙螺旋的螺旋。二、環狀DNA的拓撲學特征：

松弛形解鏈環形負超螺旋1.鏈環數（linkingnumber）

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

扭轉數是指DNA分子中Watson-Crick的螺旋數，以T表示。3.超螺旋數（writhingnumber）以W表示。所以：L=T+W請看上頁的例子。DNA分子具有相同的結構，但L值不同，所以稱它們為拓撲異構體。拓撲異構酶能夠催化它們之間的轉換。DNA負超螺旋易于解鏈，在DNA復制、重組和轉錄等過程中都需要兩條鏈解開，所以負超螺旋利于這些功能的實施。解鏈環形L=23T=23W=0松弛環形L=25T=25W=0負超螺旋L=23T25W=-24.比連環差比連環差以表示。用它表示DNA的超螺旋程度。

=（L-L0）/L0

L0表示松弛環形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。負號表示超螺旋周為左手螺旋。

（一）RNA一級結構的特點RNA一級結構研究最多的是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一級結構具有以下特點：分子量25000左右，大約由70－90個核苷酸組成，沉降系數為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3′-末端都具有CpCpAOH的結構。5′端多為pG,也有pC。二、RNA的分子結構tRNA概述約占總RNA的10-15%。它在蛋白質生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應的氨基酸轉運到核糖核蛋白體的作用。已知每一個氨基酸至少有一個相應的tRNA。tRNA分子的大小很相似，鏈長一般在73-93個核苷酸之間。2.mRNA約占總RNA的5%。不同細胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質，指導蛋白質的合成。mRNA一級結構的特點真核：單順反子、5’-末端有“帽子”、3’-末端有polyA片段和非編碼區和非編碼區原核：多順反子5’-末端無“帽子”、3’-末端無polyA片段（病毒除外）有非編碼區有非編碼區順反子：mRNA上具有翻譯功能的核苷酸順序。polyA片段：指20-250個多聚腺苷酸。“帽子”結構：5’-末端的G被甲基化，通過焦磷酸與另一個發生了核糖上甲基化的核苷酸以5’、5’-磷酸二酯鍵相連。極大多數真核細胞mRNA在3‘-末端有一段長約200核苷酸的polyA。polyA是在轉錄后經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從細胞核到細胞質的轉移有關；與mRNA的半壽期有關，新合成的RNA其polyA鏈較長，而衰老的mRNA，polyA鏈縮短。mRNA5’-末端的“帽子”結構

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；與蛋白質合成起始有關；作為mRNA與核糖體40S亞基結合的信號。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的功能與蛋白質生物合成相關，可分別與mRNA、tRNA作用，催化肽鍵的形成。rRNA動物細胞核糖體rRNA有四類：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。許多rRNA的一級結構及由一級結構推導出來的二級結構都已闡明，但是對許多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的高級結構特點RNA是單鏈分子，因此，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數量比例關系，即分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶堿基的總數。RNA分子中，部分區域也能形成雙螺旋結構（類似A-DNA雙螺旋結構），不能形成雙螺旋的部分，則形成突環。這種結構可以形象地稱為“發夾型”結構或莖環結構。在RNA的雙螺旋結構中，堿基的配對情況不象DNA中