1、第十二章第十二章 核酸化学核酸化学n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 核酸的水解和组成核酸的水解和组成n第三节第三节 体内某些重要核苷酸体内某些重要核苷酸n第四节第四节 核酸的结构核酸的结构n第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质 第一节第一节 概述概述n研究史：研究史：n1869 J.F.Miescher nucleinn1889 Altmann nucleic acid n1909 W.Johannsen genen1910 T.H.Morgan role of the chromosome in heredityn1941 G.W.Beadle,E.L.Tetum one gen
2、e one enzymen1944 O.Avery diplococcus pneumoniae transformn1953 J.Watson F.Crick DNA double helixn1966 R.W.Holley et al interpretation of the genetic code n1991 USA the Human Genome Projectn1997 L.Wilmut et.al Dolly sheepn2001 USA,UK,France,Germany,Japan and China Human Genome Mappingn2002 Jun Yu et
3、 al Draft Sequence of the Rice Genome James Watson(left)and Francis CrickFrancis Harry Compton Crick Great Britain Institute of Molecular Biology Cambridge,Great Britain 1916-James Dewey Watson USA Harvard University Cambridge,MA,USA 1928-Maurice Hugh Frederick Wilkins Great Britain University of Lo
4、ndon London,Great Britain 1916-for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962Robert W.Holley USA Cornell University Ithaca,NY,USA 1922-1993Har Gobind Khorana USA
5、 University of Wisconsin Madison,WI,USA 1922-Marshall W.Nirenberg USA National Institutes of Health Bethesda,MD,USA 1927-The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis 人类基因组计划人类基因组计划Human Genome ProjectHuman Genome Pr
6、ojectn年月：被誉为生命科学年月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划阿波罗登月计划”的的HGPHGP启动。启动。n年月：美国科学家年月：美国科学家克里格克里格 文特文特创建的塞莱拉遗传公司，目创建的塞莱拉遗传公司，目标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因组图谱，与标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际国际HGPHGP展开竞争。展开竞争。n年月日：国际年月日：国际HGPHGP联合研究小组宣布，他们完整地破译联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第对染色体的遗传密码。出人体第对染色体的遗传密码。n年月日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发年月日：当时的美国总统克林顿和英国首相
7、布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家都能自由地使用这些成果。都能自由地使用这些成果。n年月：国际年月：国际HGPHGP完成时间预计从原定的年月提前完成时间预计从原定的年月提前至年月。至年月。n年月日：科学家公布人类基因组年月日：科学家公布人类基因组“工作框架图工作框架图”。n年年2 2月：国际月：国际HGP(HGP(美、英、日、德、法和中国美、英、日、德、法和中国)的科学家和美的科学家和美国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在1515
8、日出日出版的版的NatureNature和和1616日的日的ScienceScience公布。公布。青山衬托之下，是一片金灿灿青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。的中国水稻梯田。20022002年年4 4月月5 5日以中国梯田为封面的日以中国梯田为封面的 ScienceScience杂志以杂志以1414页篇幅率先发页篇幅率先发表了一个重大成果表了一个重大成果中国人独中国人独立完成的论文立完成的论文水稻（籼稻）水稻（籼稻）基因组的工作框架序列基因组的工作框架序列，显，显示对中国科学家成就充分肯定。示对中国科学家成就充分肯定。COVER Photograph of the Honghe Ha
9、ni rice terraces in Yunnan Province,China.In this issue,two separate research groups report draft sequences of two strains of rice-japonica and indica.In addition,the Editorial,News Focus,Letters,and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the worlds population.Image:Liwen Ma a
10、nd Baoxing Qiu,Beijing Genomics Institute一、核酸的分类一、核酸的分类*脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）核糖体核糖体RNA 核糖核酸（核糖核酸（RNA）转运转运RNA 信使信使RNA二、核酸的生物功能二、核酸的生物功能*脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）：遗传信息的载体）：遗传信息的载体 核糖体核糖体RNA：蛋白质合成场所：蛋白质合成场所 核糖核酸（核糖核酸（RNA）转运转运RNA：转运氨基酸：转运氨基酸 信使信使RNA：转录遗传信息，：转录遗传信息，指导蛋白质合成指导蛋白质合成第二节第二节 核酸的水解与组成核酸的水解与组成一、核酸的水解产物一、核
11、酸的水解产物*B-R-P）B-R）OOHOHOHHHHHOCH2H12345OOHHOHHHHHHOCH212345核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖戊糖：戊糖：碱基（碱基（base)：腺嘌呤腺嘌呤 (adenine,A)A)鸟嘌呤鸟嘌呤 (guanine,G)胞嘧啶胞嘧啶 (cytosine,C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶尿嘧啶 (uracil,U)嘌呤嘌呤(purine)嘧啶嘧啶(pyrimidine)NHNNN123456789NNNHNONH2NNNNNH2嘌呤嘌呤 腺嘌呤（腺嘌呤（A A）（6-6-氨基嘌呤）氨基嘌呤）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）（2-2-氨基氨基-6-6-氧嘌
12、呤）氧嘌呤）NN123456嘧啶嘧啶NNHNH2ONHNHOOCH3NHNHOO 胞嘧啶（胞嘧啶（C C）（2-2-氧氧 4-4-氨基嘧啶）氨基嘧啶）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）（5-5-甲基尿嘧啶）甲基尿嘧啶）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）（2 2，4-4-二氧嘧啶）二氧嘧啶）两类核酸的基本成分两类核酸的基本成分*RNADNA磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸戊糖戊糖D-核糖核糖D-2-脱氧核糖脱氧核糖嘌呤碱嘌呤碱 腺腺(A)、鸟、鸟(G)腺腺(A)、鸟、鸟(G)嘧啶碱嘧啶碱 胞胞(C)、尿尿(U)胞胞(C)、胸腺胸腺(T)二、核酸的组成二、核酸的组成 核苷、核苷酸核苷、核苷酸1.1.核苷核苷n核苷核苷 =
13、碱基碱基 +戊糖戊糖n连接方式：糖苷键嘌呤环上的连接方式：糖苷键嘌呤环上的N-9N-9或嘧或嘧啶环上的啶环上的N-1N-1与糖的与糖的C-1C-1以糖苷键相以糖苷键相连。连。NNNNOOHOHNH2HOCH2腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷 （腺苷）（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）（脱氧胞苷）1 9NNNH2OHOHOHOCH21 1n核苷酸核苷酸 =核苷核苷 +磷酸磷酸n连接方式：磷酸酯键连接方式：磷酸酯键 糖环上所有游离羟基（核糖的糖环上所有游离羟基（核糖的C-2C-2、C-3C-3、C-5C-5 及脱氧核糖的及脱氧核糖的C-3C-3、C-5C-5 ）均能与磷酸发）均能与磷酸发生酯化结
14、合。生物体内多数核苷酸是生酯化结合。生物体内多数核苷酸是5 5-核苷核苷酸，即糖环上的酸，即糖环上的C-5C-5 与磷酸酯化。与磷酸酯化。2.2.核苷酸核苷酸NNNNOOHOHNH2OCH2OOOPNNNH2OHOHOOCH2POOO腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸 （腺苷酸）（腺苷酸）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）（脱氧胞苷酸）第三节第三节 体内某些重要核苷酸体内某些重要核苷酸n能量物质：能量物质：ATPATP等；等；n酶辅助因子：酶辅助因子：NADNAD+、NADP NADP+和和FAD FAD 等；等；n信号传导：信号传导：环腺苷酸（环腺苷酸（cyclic AMP,cyclic
15、AMP,cAMPcAMP）,环鸟苷酸（环鸟苷酸（cyclic GMP,cGMPcyclic GMP,cGMP）;n重要代谢中间物：重要代谢中间物：PAPSPAPS、SAMSAM、UDPGUDPG、UDPGAUDPGA、CDP-CDP-胆碱（乙醇胺）等胆碱（乙醇胺）等NNNNOOHOHNH2OCH2OOOPPOPOOOOO AMPADPATP*CH2OPOHOONNNNOOHNH23 5 3 ,5 -cAMP第四节第四节 核酸的结构核酸的结构n核酸分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺核酸分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序称核酸的一级结构。序称核酸的一级结构。n连接键：连接键：3 3,5,
16、5 -磷酸二酯键磷酸二酯键,即第一个核苷酸糖即第一个核苷酸糖环上原来游离的环上原来游离的C-3C-3 羟基与第二个核苷酸羟基与第二个核苷酸C-5C-5 磷磷酸组成酸组成3 3 ，5 5 磷酸二酯键。磷酸二酯键。n二个游离末端二个游离末端:5:5 末端末端(游离磷酸基游离磷酸基),),3 3 末端末端(游离羟基游离羟基)n书写规则书写规则:方向方向 5 5 3 3,从繁到简有多种表示方从繁到简有多种表示方法。法。OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1-5 4 2 1 OHHHHCH2OPOOO
17、OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 33，55磷磷 酸二酯键酸二酯键55末端的末端的磷酸基团磷酸基团33末端的末端的 羟基羟基GAA核苷酸链核苷酸链（一级结构）（一级结构）TTOH5 pGpCpApTpT-OH 3 5 G C A T T 3 OH5 3 PPPPP G C A T T G C A T T一、一、DNA的结构的结构 1.DNA的一级结构的一级结构*由由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四四种脱氧核苷酸通过种脱氧核苷酸通过3，5-磷酸二酯键按一磷酸二酯键按一定顺序排列而成的高分子化合物。定顺序排列而成的高分子化合物。2.DNA的二级结构的二级结构 双螺旋模型双螺旋
18、模型*研究背景：研究背景：（1）Chargaff 规则（规则（20世纪世纪4050年代）年代）n不同物种的不同物种的DNA碱基组成不同；碱基组成不同；n同一生物体的不同组织的同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同；的碱基组成相同；nA=T，G=C，A+G=T+C（2）Wilkins 和和Franklin的高质量的的高质量的X-衍射图衍射图（3）Watson 和和Crick提出双螺旋模型（提出双螺旋模型（1953）3.4nm0.34nm 2nmMajor GrooveMinor grooveDNADNA双螺旋模型的基本内容双螺旋模型的基本内容n反向平行、互补双链反向平行、互补双链 脱氧核糖和
19、磷酸骨架位于双链外侧，走向相脱氧核糖和磷酸骨架位于双链外侧，走向相反（反（5 5 3 3、3 3 5 5）；）；碱基配对，碱基配对，A-TA-T，G-CG-Cn右手螺旋，并有大沟和小沟右手螺旋，并有大沟和小沟 螺旋直径螺旋直径2nm 2nm 螺距螺距3.4nm 3.4nm 螺旋一周螺旋一周1010个碱基个碱基对，碱基平面距离对，碱基平面距离0.34 nm0.34 nmn双螺旋结构稳定力：横向是碱基对氢键；纵向双螺旋结构稳定力：横向是碱基对氢键；纵向是碱基平面间的疏水堆积力（是碱基平面间的疏水堆积力（base-stacking base-stacking forceforce）DNADNA双螺旋
20、结构的多样性双螺旋结构的多样性n右手双螺旋（右手双螺旋（B-DNAB-DNA）：生理条件下最稳定的）：生理条件下最稳定的结构；结构；nA-DNAA-DNA：脱水条件下：脱水条件下DNADNA双螺旋及生理条件下的双螺旋及生理条件下的RNARNA双螺旋和双螺旋和DNA-RNADNA-RNA杂合双螺旋中。结构特征：杂合双螺旋中。结构特征：右手双螺旋、螺旋直径右手双螺旋、螺旋直径2.6nm2.6nm、螺距、螺距2.5nm2.5nm，1111个碱基个碱基/周；周；nZ-DNAZ-DNA：存在与：存在与CGCGCGCGCGCGCGCG结晶体结构中。结构结晶体结构中。结构特征：左手螺旋、螺旋直径特征：左手螺
21、旋、螺旋直径1.8nm1.8nm、螺距、螺距4.5nm4.5nm、1212碱基碱基/周、核酸链骨架显周、核酸链骨架显Z Z字型走行。字型走行。Z-DNA B-DNA A-DNA 沟沟大沟大沟小沟小沟小沟小沟大大沟沟 三链三链DNA（triple helix DNA）又称又称H-DNAn概念：概念：三链三链DNADNA是由三条脱氧核苷酸链按是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。一定的规律绕成的螺旋状结构。n结构：是在结构：是在Watson-CrickWatson-Crick双螺旋基础上形双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺
22、旋螺旋。在三螺旋DNADNA中三个碱基配对中三个碱基配对（Hoogsteen base pairingHoogsteen base pairing）形成三碱基）形成三碱基体体:T-A-T:T-A-T，C-G-CC-G-C。n作用：还不清楚作用：还不清楚3.DNA的超螺旋结构的超螺旋结构（一）原核生物（一）原核生物DNADNA的高级结构的高级结构n 在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋形成超螺旋(supercoil)(supercoil)体积进一步压缩。体积进一步压缩。（二）真核生（二）真核生物物DNA分子分子高级结构：多高级结构：多层次压缩包装层
23、次压缩包装Chromosome chromatid4.真核生物真核生物DNA中基因排布特点中基因排布特点 （1）真核基因含有大量重复序列；）真核基因含有大量重复序列；（2）基因的不连续性（内含子、）基因的不连续性（内含子、外显子）外显子）动物细胞内主要动物细胞内主要RNA的种类与功能的种类与功能 细胞核和胞液细胞核和胞液 线粒体线粒体 功能功能核蛋白体核蛋白体RNA rRNA mt rRNA 核蛋白体的组分核蛋白体的组分信使信使RNA mRNA mt mRNA 蛋白质合成膜板蛋白质合成膜板转运转运RNA tRNA mt tRNA 转运氨基酸转运氨基酸不均一核不均一核RNA HnRNA mRNA
24、的前体的前体小核小核RNA SnRNA 参与参与HnRNA的剪的剪 接、转运接、转运小核仁小核仁RNA SnoRNA rRNA的加工、的加工、修饰修饰小胞质小胞质RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定蛋白质内质网定 位合成的信号识别体的组分位合成的信号识别体的组分二、二、RNA的结构与功能的结构与功能RNA secondary and tertiary structures.(a)Stem-loops,hairpins,and other secondary structures can form by base pairing between distant complement
25、ary segments of an RNA molecule.In stem-loops,the single-stranded loop(dark red)between the base-paired helical stem(light red)may be hundreds or even thousands of nucleotides long,whereas in hairpins,the short turn may contain as few as 6 8 nucleotides.(b)Interactions between the flexible loops may
26、 result in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot.This tertiary structure resembles a figure-eight knot,but the free ends do not pass through the loops,so no knot is actually formed.1.tRNA的结构与功能的结构与功能*结构特点结构特点:n稀有碱基：稀有碱基：DHU、T、mG和和 mA等；等；n三叶草形二级结构：三叶草形二级结构：DHU环、反密码环环、反密码环
27、（有反密码子）（有反密码子）、T 环和环和3 端氨基酸臂端氨基酸臂n倒倒“L”型三级结构型三级结构NNOOOHOHHOCH2NNNHNOOHOHOHOCH2NNNH2OHOHOHHHOCH222NNNNOOHOHOHNH2HOCH2CH351 1 1 1 911假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷 二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 7甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤(pseudouridine,)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylguanosine,mG)三叶草模型三叶草模型3 OHACCAC-G U-A C-G U G5 PCGC-G G-CCGC
28、GGCCGUCAmCCTUAGmCCGCGAAGDDGmGDDDAACmDAGAGCGAUGCAUACUGUAAAT环环CCA末端末端DHU环环反密码子反密码子T环环DHU环环反密码子环反密码子环反密码子环反密码子环b.tRNA b.tRNA 的倒的倒L L型三级结构型三级结构a.a.酵母的一级结构与二级结构酵母的一级结构与二级结构2.mRNA的结构的结构AAAA Anm7GpppAUG GUGUAA535 帽子结构帽子结构 密码子密码子 3 多聚多聚A尾尾 5 5 非编码区非编码区 编码区编码区 3 3 非编码区非编码区真核生物真核生物mRNA：NN+NNOOCH3CH2O P O P OP
29、 O CH2BOOOPCH3OO CH2CH3OOOBOOOOOO(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的的5 帽子结帽子结构构m7GpppNm5 5 3.rRNA的结构的结构真核生物真核生物18S rRNA原核生物原核生物 16S rRNA70S80S50S30S60S40S31 proteins23S RNA5S RNA21 proteins16S RNA49 proteins28S RNA5.8S RNA33 proteins18S RNA第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质一、核酸的酸碱性质一、核酸的酸碱性质 具有较强酸性，具有较强酸性，pI较低较低二、核酸
30、的紫外吸收二、核酸的紫外吸收 260nm260nm特征性吸收峰特征性吸收峰 增色效应：核酸在加热变性过程中增色效应：核酸在加热变性过程中260nm260nm波长吸收值（波长吸收值（A A260260 ）增加；）增加；*减色效应：核酸在复性过程中减色效应：核酸在复性过程中260nm260nm波长波长吸收值（吸收值（A A260260 ）减小。）减小。*三、核酸的变性、复性与杂交三、核酸的变性、复性与杂交*n1.1.核酸的变性：在某些理化因素作用下（温度、核酸的变性：在某些理化因素作用下（温度、酸碱、有机溶剂、尿素等），核酸分子互补双链酸碱、有机溶剂、尿素等），核酸分子互补双链之间氢键断裂，使双螺
31、旋结构松散变成单链的过之间氢键断裂，使双螺旋结构松散变成单链的过程。变性产生增色效应。程。变性产生增色效应。n2.2.核酸的复性：又称退火，变性核酸在一定条件核酸的复性：又称退火，变性核酸在一定条件下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互补链重下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互补链重新恢复天然的双螺旋构象。新恢复天然的双螺旋构象。The denaturation and renaturation of double-stranded DNA molecules n3.3.杂交：不同来源的核酸经变性和复性的杂交：不同来源的核酸经变性和复性的过程，其中一些不同的核苷酸单链由于存过程，其中一些不同的核
32、苷酸单链由于存在局部碱基互补片段，而在复性时形成杂在局部碱基互补片段，而在复性时形成杂化双链，此过程称分子杂交。化双链，此过程称分子杂交。加热加热退火退火 分子探针分子探针:带有某种标记物的分子，如核带有某种标记物的分子，如核苷酸链片段；苷酸链片段；分子杂交和探针技术是许多分子生物学技分子杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，有广泛的应用价值。术的基础，有广泛的应用价值。加热加热退火退火考试题型：考试题型：1.1.名词解释（名词解释（15%15%）2.2.填空题（填空题（15%15%）3.3.命名有机化合物（命名有机化合物（20%20%）4.4.写出有机化合物结构（写出有机化合物结构（20%20%）5.5.写出有机化学反应主要产物（写出有机化学反应主要产物（20%20%）6.6.问答或计算（问答或计算（10%10%）
