核苷酸和核酸

第二章核苷酸和核酸引言一、核酸的发现：核酸是瑞士科学家 F.Miesher于１８６８年在研究细胞核化学组成成分时发现的，他把从细胞中分离出来的酸性的含磷的物质称为核酸。

二、如何证明核酸是遗传物质的载体？１.１９４４年O.T.Avery的细菌转化实验是获得DNA携带遗传信息的第一个证明。

噬菌体捣碎的实验——第二２.１９５２年Alfred D.和Hershey等人建立的T2个证据。

**证明噬菌体复制的物质是DNA而不是蛋白质外壳3.1953年 Watson和Crick的DNA双螺旋模型的发现，更进一步揭示了DNA作为遗传物质储存和信息传递的化学机制。

4.核酶的发现，一些核酸本身具有酶催化的活性。

三、核酸的种类和分布1. 分类：根据分子中所含戊糖的种类分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。

2. 分布：DNA: 真核:98%核中（染色体中）核外:线立体（mDNA）叶绿体（ctDNA）原核:拟核核外:质粒病毒：DNA病毒RNA：以细胞质中存在为主，细胞核中也有：tRNA（转移RNA）RRNA(核糖体RNA)MRNA(信使RNA)RNA病毒：SARS第一节核酸的基本化学组成前言已经讲过蛋白质，核酸是生物体中另一种重要的大分子，两者合起来称为生物体内最重要的两大分子。

蛋白质的完全水解产物——各种氨基酸的混合物不完全水解产物——各种大小不等的肽段和氨基酸混合物核酸的完全水解产物——嘌呤和嘧啶碱、戊糖和磷酸混合物不完全水解产物——核苷和核苷酸因此aa是蛋白质的基本组成单位，核苷酸是核酸的组成单位，核酸就是多聚核苷酸。

一、核酸的化学组成 1.元素组成：C H O N P，蛋白质元素组成：还有其他元素。

2.分子组成：——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)DNA的碱基组成：A G C T；RNA的碱基组成：A G C U二、核苷酸的结构1. 戊糖组成核酸的戊糖有两种。

DNA 所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA 所含的2. 碱基腺嘌呤(adenine, A)嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)鸟嘌呤(guanine, G)尿嘧啶(uracil, U)NNNHNNH 2NNHNHNNH 2ONHONNHNH 2ONN NHN123456789胞嘧啶(cytosine, C) 胸腺嘧啶(thymine, T)表示方法：m5G 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基，大部分是上述碱基的甲基化产物。

3.核苷(ribonucleoside)的结构碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。

核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR 稀有核苷：假尿苷（ ），次黄苷（肌苷，I ），黄嘌呤核苷（X ），二氢尿嘧啶核苷（D ），4.什么是核苷酸？什么是环核苷酸？是核苷的磷酸酯，一个核苷酸由含氮的杂环嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖和磷酸组成。

具有磷酸有环酯结构的核苷酸，如3’，5’-环式腺苷酸、2’，3’-环式腺嘌 呤单核苷酸等。

核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMPNNH132456NH NHOOCH 3O H N N NH 2OP O OOHOH ON NNH 2O三、核苷酸的生物学功能1.核苷酸是核酸的基本组成单位2.是生物体各种生物化学成分代谢转换过程的能量货币，如前面讲的ADP,ATP 中的磷酸酯键的水解能释放出大量的能量，供机体代谢需要。

3.核苷酸是多种酶的辅助因子的组成成分。

4.一些核苷酸是细胞通讯的媒介，是第二信使，如cAMP,ppGpp 。

第二节 磷酸二酯键和多核苷酸一、什么是磷酸二酯键？也就是一个核苷酸的磷酸基与另一个核苷酸戊糖上的醇羟基脱水形成酯键，在核酸中即戊糖上的3’醇羟基与5’磷酸基之间脱水形成3’，5’-磷酸二酯键。

二、什么是核酸或称多聚核苷酸？是通过一个核苷酸的3’醇羟基与另一个核苷酸的5’磷酸基形成3’，5’-磷酸二酯键相连而成的链状生物大分子聚合物。

三、多聚核苷酸的结构特征：1 主链是相间出现的磷酸戊糖残基通过共价键连接；2 各种碱基排在主链外侧；3 磷酸二酯键在主链中取向相同从5’——>3’；4 线性结构有3’和5’末端，即在3’位置上缺乏核苷酸残基，5’末端即在5’位置上缺乏核苷酸残基。

3’端有游离的羟基，5’端有游离的磷酸基。

四、核酸的表示方法： 1.磷酸基团用p 表示;2.戊糖用垂直竖线表示，五个C 从上到下依次为1’——>5’；3.方向为5’——>3’；简写法：pA-C-G-TOH,pApCpGpT 或pACGTA G P5' P T P G P C PTP OH 3'五、碱基的性质影响核酸结构1.大部分键具有共轭双键性质，因此有紫外吸收特性，最大吸收在260nm；（1）摩尔磷消光系数：指含磷为１摩尔浓度的核酸溶液在２６０nm的吸光值。

核酸分子太大，易断，不易得到大分子，因此用该方法来求核酸中核苷酸的量，磷量与核苷酸残基量相等，因此用磷的量来表示，摩尔浓度相等。

（p）260=A260/CL吸光度）（C为磷中摩尔浓度，L为比色杯直径cm,A260（2）摩尔消光系数：指1摩尔浓度核酸溶液，在一定pH条件下某一波长的吸光值。

2.碱基有疏水性，产生的碱基间的疏水堆积作用是稳定核酸空间结构的重要力；3.碱基上的氮原子，羰基和环外氨基，形成氢键，维持DNA双螺旋的力；4.碱基的性质影响核苷酸的解离程度：在pH3.5溶液中，UMP——>GMP——>CMP ——>AMP第三节 DNA的结构与功能一、DNA的一级结构脱氧核糖核酸的排列顺序，可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键，磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。

生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。

二、Chargaff定则：○1不同物种间DNA碱基组成一般是不同的；○2同一物种不同组织的DNA样品的碱基组成相同；○3一个物种的DNA碱基组成不会因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变；○4任何一种DNA样品中，A的量=T的量，G的量=C的量，因此A+G=C=T ；A+G+C+T=100%。

例如G+C含量为40%，则G=20%、C=20%、A=30%。

T=30%三、DNA双螺旋结构模型1.模型建于1953年，由J.Watson和F.Crick建立，并获得Nobel奖。

2.模型建立的依据：a.已有的核酸化学结构知识；b.E.Chargaff发现的碱基配对规律；c.M.wilkins和R.Franklin的DNA 的X射线衍射结果。

3.双螺旋模型的重要特征：（以下为B型结构特征）○1两条链反向平行，围绕同一中心轴缠绕，均为右手螺旋；○2碱基位于螺旋内侧，磷酸和戊糖在外侧，彼此通过3’，5’-磷酸二酯键相连接，碱基平面与轴垂直，糖环平面与轴平行，由于碱基配对，形成一大沟和一小沟○3螺旋每旋转一周有10.5个核苷酸组成，每圈螺距为3.4nm,相邻碱基之间的距离为0.34nm，每两个核苷酸之间的夹角为36度，平均的螺旋直径为2nm；○4两条链依靠碱基之间的氢建连在一起，A=T,G C；○5碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但要遵循碱基配对原则（互补）。

4.维持DNA双螺旋结构稳定的作用力DNA双螺旋结构是十分稳定的，原因是以下三种力的作用，特别是第二种力。

○1两条多核苷酸链间的互补碱基之间的氢建；○2碱基对疏水的芳香环堆积所产生的疏水作用力以及堆积的碱基之间形成的盐建。

5.DNA螺旋结构的其他形状DNA的结构是受环境因素影响的,由于相对含水量不同而产生不同类型结构,主要有：A型：右手螺旋，相对密度为75%时制备的DNA钠盐纤维，称为A型DNA。

B型：右手螺旋，相对密度为92%时制备的DNA 钠盐纤维，称为B型DNA。

Z 型：左手螺旋。

其区别见表2-2B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10.5个碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。

Z型结构左手螺旋，只有小沟四、与DNA碱基顺序相关的特殊结构1.回文结构：就象一个单词，一个词组或一个句子，它们从正方向阅读和反方向阅读，其含义都一样，这个名词被用于描述碱基顺序颠倒重复，因而具有2倍对称的DNA 段落，这样的顺序具有链内互补的碱基顺序，有形成发卡结构和十字架结构能力。

第二种概念：指在一个假想的轴的两侧，某碱基顺着同一极性阅读，两条链的碱基序列是一样的，这种结构呈现双重旋转对称，在每条链内可以形成发卡结构或十字架结构，（在单链内的互补顺序形成发卡结构，双链DNA内能形成十字结构）。

例如：2.镜像重复：如果颠倒重复发生在同一条链上，则这种顺序叫镜像重复,在同一条链内不具有链内互补顺序，因而不能形成发卡结构和十字架结构。

例如 TTAGCAC CACGATTAATCGTG GTGCTAA3.H-DNA：它的DNA顺序具有多嘧啶-多嘌呤的特点，并具有镜像重复，这种结构在形成分子内三股螺旋时胞嘧啶需发生H+化过程，故称为H-DNA。

例如见书p975.Hoogsteen位置和Hoogsteen配对：参与Watson-Crick碱基配对的核苷酸碱基还能形成一批额外的氢建，特别是在大沟里的功能基团，如一个质子化的C能和G C碱基对中的G配对，T和 A=T中的A配对，这些参与在三链DNA 中形成氢键的位点叫Hoogsteen位置。

这种非Watson-Crick碱基配对叫Hoogsteen配对，在DNA重组转录等的起始和调控上起重要作用。

DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。

它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。

基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。

DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。

该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。

第四节 RNA的种类和结构一、碱基组成：AUCG(U——>T)二、结构特征和主要功能（一）RNA的总的结构特点○1碱基组成为AUCG,(A=U,G C)稀有碱基较多；○2稳定性较差，易水解；○3多为单链结构，少数局部形成螺旋；○4分子较小。