第五章 核酸

（pKa4）
6.2
-
6.1
9.5
6.3
-
等电点 （pI）
2.35 1.55 2.65
UMP
1.0
-
6.4
9.5
-
返回
细胞中游离的核苷酸及其衍生物
• (1)AMP \ADP\ATP
OH
OH
OH
细胞中游离的核苷酸及其衍生物
• （2）环化核苷酸 • 如：cAMP---第二信使
NH2 N
N
N
N
O
CH2
O
平面的结构。 2、碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式（keto）－烯
醇式（enol）的互变异构。 酮式是碱基存在的主要形式，不同的互变异构体形
成氢键的能力和方向有明显的差别。碱基的互变异构与 介质和条件有关，其中影响最大的是pH和温度。 3、当DNA复制时，如果碱基发生互变异构作用，就可能引 起突变。
返回
核糖核酸（RNA）的结构
• 核酸类物质RNA的重要功能
RNA种类和含量 mRNA（5%） tRNA（15%） rRNA（80%） SnRNA M1RNA 端粒酶RNA 引物RNA TsRNA
功能 将信息从基因传递到蛋白质 携带活化氨基酸参与蛋白质生物合成 蛋白质合成场所 mRNA前体剪接加工 RNase P的催化单体 端粒合成的模板 起始DNA复制 蛋白质分泌复合物中的一部分
tRNA二、三级结构
• 氨基酸臂（amino acid arm）：其3′端为CCA-OH结 构，用来连接活化的氨基酸；
1944年Avery重做1928 年Griffith的细菌转化实 验，证明DNA是遗传物质。
1952年 Hershey & Chase的噬菌 体感染实验进 一步证明DNA 是遗传物质。
1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分 析了DNA的组成成分, 得知[A]=[T], [G]=[C], [A+G]=[C+T]
类核结构中（原核）
核糖核酸 RNA
细胞质中
三.核酸的主要功能
DNA是遗传信息的载体 RNA 在蛋白质的合成中起重要作用
一、核酸研究简史
1869年 Miescher博士 论文工作中测 定淋巴细胞蛋 白质组成时, 发现了不溶于 稀酸和盐溶液 的沉淀物, 并 在所有细胞的 核里都找到了 此物质, 故命 名核质 (Nuclein)。
1879年Kossel经过10年的努力, 搞清楚核 质中有四种不同的组成部分: A,T, C和G。
1889年Altman建议将核质改名为“核 酸”, 并且已经认识到“核质” 乃“核酸” 与蛋白质的复合体。
1909年Levene发现酵母的 核酸含有核糖。
1930年Levene发现动物细 胞的核酸含有一种特殊的核糖 即脱氧核糖, 得出了一个错误 概念: 植物核酸含核糖,动物 核酸含脱氧核糖。这个错误概 念一直延续到1938年，这时方 清楚RNA和DNA的区别。Levene 还提出了核酸的“磷酸-核糖 (碱基)-磷酸”的骨架结构, 解决了DNA分子的线性问题, 还在1935年提出“四核苷酸” 学说, 认为这四种核苷酸的聚 合体是构成核酸的基本单位。
上海市精品课程系列
生物化学
第五章 核 酸
华东理工大学生物化学精品课程组
第五章 核酸化学
核酸的种类和生物功能
核酸分子的基本元件
核酸的物理化学性质
脱氧核糖核酸（DNA)的结构
核酸研究技术
核糖核酸（RNA)的结构
核酸类物质的制备和应用
核酸的种类和生物功能
一.核酸的发现 二.核酸的种类和分布 脱氧核糖核酸 DNA 细胞核的染色体中（真核）
核苷酸的两性解离
• 核苷酸分子中既
含有酸性基团 （磷酸基）也含 有碱性基团（氨
第一 核苷酸 磷酸基
（pKa1）
基），因而核苷 酸也具有两性性 AMP 0.9
质。
pI pKa1 pKa2 GMP 0.7
2
CMP
0.8
含氮环 的亚氨基 （pKa2）
3.7
2.4
4.5
第二 磷酸基 （pKa3）
烯醇式 羟基
• 碱基堆积力（base stacking force）嘌呤与嘧啶形状 扁平，倾向于形成平面平行分子的延续堆积；另外嘌呤 和嘧啶呈疏水性，位于双螺旋结构的内侧，大量碱基层 层堆积，而两个相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺 旋结构内部形成一个强大的疏水作用区，与介质中的水 分子隔开；综合这两个因素所形成的碱基堆积力能量非 常大。
1953年Watson, Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果, 提 出了DNA的双螺旋模型(Double helix)。几星期后提出了半保留 式复制模型。
1957年Meselson Stahl用密度梯度超离心法, 证实半保留 复制假说。
1958年Kornberg得到高纯度的DNA polymerase, 这种酶需 要一个模板DNA。
1928年Griffith的细菌转化实验
(二) RNA功能的多样性 1.某些病毒的遗传物质; 2.控制蛋白质的合成; 3.遗传信息的加工; 4.基因表达和细胞功能的调控; 5.催化功能; 6.在细胞分化和个体发育中发挥重要作 用; 7.在生命起源中可能有重要作用。
核酸分子的基本元件
碱基
戊糖
β-D-呋喃核糖
• 成熟的tRNA分子5′末端是一个被磷酸化的羧基， 通常为pG；3′末端序列为CtRNA分子含多种稀有碱基或修饰碱基，在所有 RNA分子中修饰程度最高。tRNA中的碱基修饰增 加了其结构多样性，对于其功能的多样性具有重 要意义
tRNA二、三级结构
Watson-Crick的DNA双螺旋
Chargaff法则 ：
A--T
G--C 在DNA分子中嘌呤碱基的总数于嘧啶 碱基的总数相等
大沟（major groove）和小沟（minor groove）。每个碱基都会有一部分在 此区域“暴露”出来，以便与其他的生物分子相互接触与识别。
维持DNA结构的作用力
4400 500 5700 4000
2500 1750
二级结构
要点 （1）两条链反向平行，绕同一轴相互缠 绕成右手螺旋； （2）磷酸和戊糖交替处于螺旋外围，碱 基处于内部，形成碱基对； (3) 双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离 为0.34nm； （4）一条链的核苷酸序列可以决定另一 条互补链的核苷酸序列。
1960年Cairns拍摄了复制中的细菌DNA的电镜照片。 1970年发现第一个DNA限制性内切酶。 1972年建立DNA重组技术。 1978年建立DNA的双脱氧测序法。 1990年开始实施人类基因组计划。 2003年人类基因组计划宣告完成测序任务。
二、核酸的生物功能
(一) DNA是主要的遗传物质
• 其次，大量存在于DNA分子中的其他次级键在维持双螺 旋结构的稳定性上也起到一定作用。这些次级键包括： 互补碱基对之间的氢键；磷酸基团上的负电荷与介质中 的阳离子（如Na+、K+、Mg2+）之间形成的离子键；范德 华力等。
DNA的多种双螺旋构象类型
• 尽管碱基堆积力和 氢键很好地稳定了 DNA双螺旋结构，但 DNA在其双螺旋纵轴 上仍保留有一定的 活动度，可产生一 定的弯曲度。某些 特定的DNA序列甚至 可以自发地弯曲。
RNA最近研究
• 核酶（ribozyme） • 小RNA分子----在2001-2003连续三年被美国《科
学》杂志评为年度科学十大突破之一。 ➢ 核仁小RNA分子(small nucleolar RNA，snoRNA)：
对其他RNA分子进行加工修饰 ➢ 微小RNA分子(microRNA，miRNA)：结合到目标
H
H
H
H
OH
OP
O
OH
（3）辅酶类核苷酸
NH2 O
N+
O O
H
H
H OH
H OH
O
P
O-
N
O
N
OPO O
O-
H
H
H OH
H OX
NH2 N
N
H3C H3C
O-
H2C O
P
O
CH OH O HC OH CH OH
H2C
N
N
O
OPO O
N
CH2 H
N O
H
H OH
H OH
NH2 N
N
NH N
O
FAD:核黄素腺嘌呤二核苷酸
生理pH下，核酸是多聚阴离子化合物 。
基因组（genome）
• 所谓基因组（genome），是指生物体全部的遗 传物质。基因组序列是生物体执行各种生命活 动的“源代码” 。
• 人类的基因组大小为3.2×109bp，分布在24条 染色体上（即22条常染色体和XY两条性染色 体），其中编码蛋白质的外显子序列只占1.5％ 左右，基因总数可能在2.5～4万。
DNA的三级结构
双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋更高 层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋 和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等
核小体的电镜照片
平均每200bp的DNA绕核 小体左旋1.75转，因此 真核生物的DNA分子为 正超螺旋
• 染色体DNA的 包装过程
紫外吸收
• 由于碱基具有共轭双键，所以碱基、核苷 和核苷酸均具有强烈紫外吸收特性（波长 240~290nm，最大吸收值在260nm附近）， 不同核苷酸的紫外吸收特性不同。因此可 以用紫外分光光度计鉴定碱基、核苷酸和 核酸，并能定量地测定。
核苷酸的互变异构作用
1、所有的碱基都具有芳香环的结构特征。 X衍射分析证明，嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于
β-D-2-脱氧呋喃核糖