生物化学2--核酸化学

教学目标：1.掌握DNA和RNA在化学组分、分子结构和生物功能上的特点。

2.掌握DNA双螺旋结构模型和t-RNA二级结构的要点，了解核酸的三级结构。

3.熟悉核酸的性质（一般性质、DNA热变性、复性与分子杂交）。

4.掌握基因组的概念，原核生物和真核生物基因组的特点。

了解DNA测序的原理。

第一节核酸的化学组成天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。

DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的核和细胞器以及病毒中；RNA分子参与遗传信息表达的一些过程，主要存在于细胞质。

一、核酸的基本组成单位（核酸—部分水解—核苷酸—部分水解—磷酸+核苷—部分水解—戊糖+含氮碱基）核酸是一种多聚核苷酸，用不同的降解法得到其组成单位——核苷酸。

而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。

（一）戊糖DNA含β-D-2-脱氧核糖，RNA含β-D-核糖。

这是核酸分类的依据。

核糖中的C记为1＇……5＇。

（二）碱基（base）核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。

有5种基本的碱基外，还有一些含量甚少的稀有碱基。

DNA 和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。

而嘧啶碱有所不同：RNA 主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。

tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。

（三）核苷是碱基和戊糖生成的糖苷。

通过C1＇- N9或C1＇- N1糖苷键连接，用单字符表示，脱氧核苷则在单字符前加d。

常见的修饰核苷有：次黄苷或肌苷为I、黄嘌呤核苷X、二氢尿嘧啶核苷D、假尿苷Ψ等。

注意符号的意义，如m5dC。

（四）核苷酸是核苷的磷酸酯。

生物体内游离存在的多是5＇- 核苷酸（如pA、pdG等）。

常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。

常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。

AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、F AD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。

A TP 在能量代谢中起重要作用。

核苷酸是两性电解质，有等电点。

核苷酸有互变异构和紫外吸收。

（含氧的碱基有酮式和烯醇式两种互变异构体，在生理pH条件下主要以酮式存在）二、核苷酸的连接方式RNA和DNA链都有方向性，从5＇→3＇。

前一位核苷酸的3＇- OH与下一位核苷酸的5＇位磷酸基之间形成3＇，5＇-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5＇末端和3＇末端。

大分子的主链由相间排列的戊糖和磷酸构成，而碱基可看作主链上的侧链基团，主链上的磷酸基是酸性的，在细胞pH下带负电荷；而碱基有疏水性。

讨论：列表说明DNA和RNA在化学组成、分子结构和生物功能方面的主要特点。

第二节DNA的分子结构一、DNA的一级结构(primary stucture)DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，常被简单认为是碱基序列（base sequence）。

碱基序有严格的方向性和多样性。

一般将5＇- 磷酸端作为多核苷酸链的“头”，写在左侧，如pACUGA（5＇→3＇）。

在DNA一级结构中，有一种回文结构的特殊序列，所谓回文结构即DNA互补链上一段反向重复顺序，正读和反读意义相同，经反折可形成“十字形”结构，在转录成RNA后可形成“发夹”样结构，有调控意义。

→GCTA GTTCA CTC TGAAC AATT →←CGA T CAAGT GAG ACTTG TTAA ←DNA分子很大，最小的病毒DNA约含5000b。

1965年Holley用片段重叠法完成酵母tRNAala 76nt 序列测定；1977年Sanger利用双脱氧法（酶法）测定了φX174单链DNA5386b的全序列。

1990年实施的人类基因组计划（HGP），用15年，投资30亿美元，完成人类单倍体基因组DNA3×109bp全序列的测定。

该计划由美、英、日、法、德、中六国科学家合作，于2003年提前完成，生命科学进入后基因组时代，研究重点从测序转向对基因组功能的研究。

二、DNA的二级结构——双螺旋(double helix)1953年，Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片（DNA有0.34nm和3.4nm两个周期性变化）以及Chargaff等人对DNA的碱基组成的分析（A=T，G=C，A+G=C+T），推测出DNA是由两条相互缠绕的链形成。

Watson-Crick 双螺旋结构模型如下图：1．两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。

一条链为5＇→3＇，另一条为3＇→5＇。

（某些病毒的DNA是单链分子ssDNA）2．碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。

糖基-磷酸基骨架在外侧。

表面有一条大沟和一小沟。

3．螺距为3.4 nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34 nm。

螺旋直径为2 nm。

氢键维持双螺旋的横向稳定。

碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。

4．碱基在一条链上的排列顺序不受限制。

遗传信息由碱基序所携带。

5．DNA构象有多态性。

Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片是相对湿度92%的DNA钠盐所得的衍射图，因此Watson-Crick 双螺旋结构称B-DNA。

细胞内的DNA与它非常相似。

另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。

1979年Rich发现Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm）三、DNA的三级结构DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。

某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。

1．环形DNA可形成超螺旋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会自动形成额外的左手螺旋（正超螺旋），而欠旋形成额外的右手螺旋（负超螺旋）。

一段双螺旋圈数为10的B-DNA连接成环形时，不发生进一步扭曲，称松弛环形DNA（双螺旋的圈数=链绕数，即T=L，超螺旋数W=0；L=T+W），但将这一线形DNA的螺旋先拧松一圈再连接成环时，解链环形DNA存在的扭曲张力，可导致双链环向右手方向扭曲形成负超螺旋（T＝10，L=9，W = -1）。

在生物体内，绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋的形式存在，也就是说，一旦超螺旋解开，则会形成解链环形DNA，有利于DNA复制或转录。

螺旋具有相同的结构，但L值不同的分子称为拓扑异构体。

DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链，拓扑异构体可以相互转变。

W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加，W的负表示减少。

L和T的正负表示螺旋方向，右手为正，左手螺旋为负；L值必定是整数。

2．真核细胞染色体真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，其两端固定也形成超螺旋结构。

DNA被紧密地包装成染色体来自三个水平的折叠：核小体、30nm纤丝和放射环。

核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串的“念珠”状。

组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。

组蛋白有5种，H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。

200 bpDNA的长度约为68nm，被压缩在10nm的核小体中。

压缩比约为7。

30nm纤丝是第二级压缩，每圈含6个核小体，压缩比是6。

30nm螺旋管再缠绕成超螺旋圆筒，压缩比是40。

再进一步形成染色单体，总压缩近一万倍。

典型人体细胞的DNA理论长度应是180 cm，被包装在46个5μm的染色体中。

四、DNA和基因组1．DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。

基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，即全部DNA 或完整的单套遗传物质（配子中的整套基因）。

2．细菌、噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。

最小病毒如SV40的基因组仅有5226b，含5个基因。

大肠杆菌含4.6×106 bp，有3000~4000个基因，DNA完全伸展总长约1.3mm。

原核生物基因组的特点是：结构简炼，绝大部分为蛋白质编码（结构基因）；有转录单元，即功能相关的基因常串联一起，并转录在同一mRNA（多顺反子mRNA）中；有基因重叠现象，即同一段DNA携带两种不同蛋白质的信息。

3．真核生物基因一般分布在若干条染色体上，其特点是：有重复序列（按重复次数分单拷贝序、中度重复序和高度重复序）；有断裂基因（由不编码的内含子和编码的外显子组成）。

酵母基因组有1.35×107bp，含6374个基因。

人类基因组有3×109 bp，含4万个基因。

第三节RNA的分子结构RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。

RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。

RNA的C2＇位羟基是游离的，是一个易发生不良反应的位置，它使RNA的化学性质不如DNA稳定，能较DNA产生更多的修饰组分。

RNA的种类、大小、结构都比DNA多样化，按照功能的不同和结构的特点，RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。

此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞质小RNA（scRNA）等，分别参与mRNA的前体（hnRNA）和rRNA的转运和加工过程。

一、转运RNA（transfer RNA，tRNA）1．分子量最小的RNA，约占总RNA的15%。

主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。

2．1965年Holley等测定了酵母丙氨酸tRNA的一级结构，并提出二级结构模型。

一级结构特点：核苷酸残基数在73~95；含有较多的稀有碱基（如mG、DHU等）；5＇-末端多为pG，3＇- 末端都是-CCA。

3．tRNA的二级结构为“三叶草”形，包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。

各部分的结构都和它的功能有关。

5＇端1~7位与近3＇端67~72位形成的双螺旋区称氨基酸臂，似“叶柄”，3＇端有共同的-CCA-OH 结构，用于连接该RNA转运的氨基酸。