1、 核酸化学核酸化学第二章第二章 核酸的化学核酸的化学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分DNA的结构的结构DNA和基因组和基因组RNA的结构和功能的结构和功能核酸的性质核酸的性质核酸的序列测定核酸的序列测定 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码 1975年年 Temin和和Bal
2、timore发现发现逆转录酶逆转录酶 1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA 测序方法测序方法 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动 2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 核酸化学核酸化学18681868年的某天瑞士的生物化学家米歇尔年的某天瑞士的生物化学家米歇尔(Miescher)(Miescher)研究一研究一个病人的绷带，小
3、心地将绷带上粘着的病人伤口处的物质个病人的绷带，小心地将绷带上粘着的病人伤口处的物质洗下来。洗脱物中含有许多脓细胞。他向其中加入酒精，洗下来。洗脱物中含有许多脓细胞。他向其中加入酒精，将细胞中的脂肪类物质除去，之后又加入含有胃蛋白酶的将细胞中的脂肪类物质除去，之后又加入含有胃蛋白酶的提取液清除各种杂蛋白，这样，他就可以拿到纯的浓细胞提取液清除各种杂蛋白，这样，他就可以拿到纯的浓细胞的细胞核了。于是米歇尔开始研究这些核。结果他意外地的细胞核了。于是米歇尔开始研究这些核。结果他意外地发现核中有一种从未认识到的新物质，并起名为发现核中有一种从未认识到的新物质，并起名为“核素核素”。这就是现在我们知道
4、的这就是现在我们知道的DNADNA。经过后人的研究，核素为酸性物质，含有三种成分：糖、经过后人的研究，核素为酸性物质，含有三种成分：糖、磷酸、有机碱。又发现糖少了一个氧。称之为脱氧核糖。磷酸、有机碱。又发现糖少了一个氧。称之为脱氧核糖。米歇尔的发现米歇尔的发现 核酸化学核酸化学哪些人用什么方法最终证明了哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础是遗传的物质基础是DNA呢？呢？1.1.格里菲斯经典转化实验（格里菲斯经典转化实验（19281928）及埃）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（充实验（19411941）。）。2.2.赫西和蔡斯大肠杆菌赫西和蔡斯
5、大肠杆菌T2T2噬菌体感染大噬菌体感染大肠杆菌实验。肠杆菌实验。核酸化学核酸化学R型菌型菌（粗糙、（粗糙、无毒性）无毒性）S型菌型菌（光滑、（光滑、有毒性）有毒性）多糖类荚膜多糖类荚膜格里菲斯格里菲斯肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验 核酸化学核酸化学将将R型活菌注入小鼠体内型活菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后 核酸化学核酸化学将将S型活菌注入小鼠体内型活菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后 核酸化学核酸化学将杀死的将杀死的S型菌注入小鼠体内型菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后 核酸化学核酸化学将将R型活菌与杀死的型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内型菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后细菌发生转
6、化，性状的转化可以遗传。细菌发生转化，性状的转化可以遗传。核酸化学核酸化学埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验从从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与，分别与R型肺炎球菌混合型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内，结果被注入后注入到小白鼠体内，结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。核酸化学核酸化学DNA蛋白质蛋白质多糖多糖RNADNA是是遗遗传传物物质质只只有有DNA引引起起R型型肺肺炎炎球球菌菌转转化化 核酸化学核酸化学 赫西和蔡斯实验赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验
7、噬菌体侵染细菌的实验（含（含S）（含（含P）核酸化学核酸化学用放射性同位素用放射性同位素35S标记外壳蛋白质标记外壳蛋白质细菌内无放射性细菌内无放射性 核酸化学核酸化学用放射性同位素用放射性同位素32P标记内部标记内部DNA细菌内有放射性细菌内有放射性DNA是是真真正正的的遗遗传传物物质质 核酸化学核酸化学DNA主要的遗传物质主要的遗传物质注：注：DNA不是唯一的遗传物质，不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠较少的微生物也靠RNA进行遗传。进行遗传。核酸化学核酸化学二、核酸的分类及分布、功能二、核酸的分类及分布、功能(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic
8、 acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。核外如线粒体，叶绿体，质粒等。主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。从从DNA转录遗传信息，并指导转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。蛋白质的合成。某些病毒某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学主要元素组成：主要元素组成：C、H、O、N、P(911%)与蛋白质比较，核酸与蛋白质比较，核酸一
9、般不含一般不含S，而，而P的含量较的含量较为稳定，占为稳定，占9-11%。基本构成单位：核苷酸基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成三部分构成 核酸化学核酸化学5-磷酸核苷酸的基本结构磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1 2 NOHCH2HH5 4 3 PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基 核酸化学核酸化学 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。(一一)、戊糖、戊糖OHHOHHOHO
10、HHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学(二二)组成核酸的碱基组成核酸的碱基 腺嘌呤腺嘌呤AdenineNNNHNNH2 核酸化学核酸化学组成核酸的碱基组成核酸的碱基 鸟嘌呤鸟嘌呤guanineNHNNHNONH2 核酸化学核酸化学组成核酸的碱基组成核酸的碱基 尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOO 核酸化学核酸化学组成核酸的碱基组成核酸的碱基 胞嘧啶胞嘧啶cytosineNNHNH2O 核酸化学核酸化学组成核酸的碱基组成核酸的碱基 胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymineNHNHOO 核酸化学核酸化学碱碱 基基 核酸化学核酸化学 核酸化学核
11、酸化学 碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。碱基的芳香环与环外基团可以发生酮碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式式烯醇式或胺式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。亚胺式互变异构。核酸化学核酸化学酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构 核酸化学核酸化学胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学核苷核苷 戊糖戊糖+碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键(OH)(OH)核酸化学核酸化学OHOH2COHOHOH12345核 糖NN
12、NNHHHH9腺嘌呤腺 苷 核酸化学核酸化学OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）核酸化学核酸化学胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2次黄苷（肌苷）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷黄嘌呤核苷 X二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷 m7GOHAdenosine Guanosine Cytidine Uri
13、dine 核酸化学核酸化学 2、稀有核苷酸：稀有碱基、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷核苷/核苷酸核苷酸 3、核苷酸的其他形式、核苷酸的其他形式n多磷酸核苷（多磷酸核苷（NDP、NTP)n环化核苷酸（环化核苷酸（cAMP、cGMP等）等）n辅酶或辅基（辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有等，均含有AMP），），n活性代谢物（活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等）胆碱，等）1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。核酸化学核酸化学 核苷酸是核苷的磷酸酯核苷酸是核苷的磷酸酯。作为作为DNADNA或或RNARNA结构单元的核结构单元的核苷酸分别是苷酸
14、分别是5-5-磷酸磷酸-脱氧核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸和5-5-磷酸磷酸-核核糖核苷酸。糖核苷酸。核苷酸核苷酸 核苷核苷+磷酸磷酸 戊糖戊糖+碱基碱基+磷酸磷酸OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸 核酸化学核酸化学PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（d
15、GMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）核酸化学核酸化学l核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的甲基化产物。核酸化学核酸化学3 3 核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式 ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：。它的结构如下：O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)核酸化学核酸化学OHOH2COHO
16、HOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺 苷PO-OO腺苷-5-磷酸AMPOP O-OOADPATPP O-OO 核酸化学核酸化学ATPATP的性质的性质 ATP ATP 分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。两个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可以释放出大量自由能。可以释放出大量自由能。ATP ATP 是生物体内最重要的能量是生物体内最重要的能量转换中间体。转换中间体。ATP ATP 水解释放出水解释放出来的能量用于推动生物体内各来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。种需能的生化反应。ATP ATP 也是一种很好的磷酰化剂。也是一种很好的磷酰化剂。磷
17、酰化反应的底物可以是普通磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。化学反应的激活步骤。核酸化学核酸化学 GTP(GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)GTPGTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有生物。它具有ATP ATP 类似的结构类似的结构,也是一种高能化也是一种高能化合物。合物。GTPGTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体
18、。在许多情况下情况下,ATP,ATP 和和 GTP GTP 可以相互转换。可以相互转换。核酸化学核酸化学（2 2）cAMP cAMP 和和 cGMP cGMP cAMP(3,5-cAMP(3,5-环腺嘌呤核苷一磷酸环腺嘌呤核苷一磷酸)和和 cGMP(3,5-cGMP(3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要的主要功能是作为细胞的第二信使。功能是作为细胞的第二信使。cAMP cAMP 和和 cGMP cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。的环状磷酯键是一个高能键。在在 pH 7.4 pH 7.4 条件下条件下,cAMP,cAMP 和和 cGMP cGMP 的水解能的水解能约为约为43.
19、9 kj/mol43.9 kj/mol，比，比 ATP ATP 水解能高得多。水解能高得多。核酸化学核酸化学环化磷酸化环化磷酸化l cAMPl cGMP 核酸化学核酸化学（3 3）辅酶或辅基辅酶或辅基 核酸化学核酸化学作为核酸的单体作为核酸的单体:各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成体内合成RNA和和DNA合成的直接原料。合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用在体内能量代谢中的作用：ATP能量能量“货币货币”UTP参加糖的互相转化与合成参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使c
20、AMP酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NAD）核酸化学核酸化学(五五)核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式 多聚核苷酸是通过一个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH-OH 与与另 一 分 子 核 苷 酸 的另 一 分 子 核 苷 酸 的 5 -5 -磷 酸 基 形 成磷 酸 基 形 成3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连而成的链状聚合相连而成的链状聚合物。物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNADNA链；链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNARNA链。链。核酸化学核酸化学5 5 3 3 核酸分子中核
21、苷酸之间核酸分子中核苷酸之间的共价键的共价键3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表表示）示）l 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是注明它的方向是5353或是或是3535。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNAT53OH U53OH OH OH OH OH 核酸化学核酸化学在多聚核苷酸（在多聚核苷酸（DNADNA或或RNARNA）链中，由于构成核苷酸单元
22、）链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：和顺序，所以上式可以进一步简化为：5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 ACGCTGTA 3PP5335PP53P53ACGT 核酸化学核酸化学HO-O OCH2 TO=PO-35OHHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHH A
23、O=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学主要元素组成：主要元素组成：C、H、O、N、P(911%)与蛋白质比较，核酸与蛋白质比较，核酸一般不含一般不含S，而，而P的含量较的含量较为稳定，占为稳定，占9-11%。基本构成单位：核苷酸基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成三部分构成 核酸化学核酸化学核苷核苷 戊糖戊糖+碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键(OH)(OH)核酸化学核酸化学OHOH2COHOH
24、OH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）核酸化学核酸化学 核苷酸是核苷的磷酸酯核苷酸是核苷的磷酸酯。作为。作为DNADNA或或RNARNA结构单元的核结构单元的核苷酸分别是苷酸分别是5-5-磷酸磷酸-脱氧核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸和5-5-磷酸磷酸-核核糖核苷酸。糖核苷酸。核苷酸核苷酸 核苷核苷+磷酸磷酸 戊糖戊糖+碱基碱基+磷酸磷酸OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸 核酸化学核酸化学核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式 多聚
25、核苷酸是通过一个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH-OH 与与另 一 分 子 核 苷 酸 的另 一 分 子 核 苷 酸 的 5 -5 -磷 酸 基 形 成磷 酸 基 形 成3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连而成的链状聚合相连而成的链状聚合物。物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNADNA链；链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNARNA链。链。核酸化学核酸化学l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表表示）示）l 多聚核苷酸链具有方向性，当表
26、示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是注明它的方向是5353或是或是3535。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNAT53OH U53OH OH OH OH OH 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学一、一级结构（一、一级结构（primary structure）一级结构是指一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺分子中脱氧核苷酸的排列顺序。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。序。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。1、核苷酸的连接方式：、核苷酸的连接方式：3,5 磷酸二酯键磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链、核酸的基本
27、结构形式：多核苷酸链n信息量：信息量：4nn末端：末端：5 端、端、3 端端n多核苷酸链的方向：多核苷酸链的方向：5端端3端端(由左至右由左至右)3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写、表示方法：结构式、线条式、文字缩写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。分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。核酸化学核酸化学字母式字母式线条式线条式结构式结构式DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法 核酸化学核酸化学二、二、DNA的二级结构的二级结构
28、双螺旋模型双螺旋模型(double helix model)19531953年，年，J.WatsonJ.Watson和和F.F.Crick Crick 在前人研究工作在前人研究工作的基础上，根据的基础上，根据DNADNA结晶结晶的的X-X-衍射图谱和分子模衍射图谱和分子模型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA双双螺旋结构模型，并对模螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了型的生物学意义作出了科学的解释和预测。科学的解释和预测。在在DNADNA分子中，嘌呤碱基分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总的总数与嘧啶碱基的总数相等。数相等。核酸化学核酸化学 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff
29、规规则：则：A=T；G C电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。解离基团由氢键连接。DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 1.DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景WilkinsWilkins和和FranklinFranklin发现不同来源的发现不同来源的DNADNA纤维具纤维具有相似的有相似的X X射线衍射图谱。射线衍射图谱。核酸化学核酸化学碱基组成规则碱基组成规则(Chargaff规则规则)nA=T，G=C；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等嘌呤与嘧啶的总数相等)n不受年龄、营养、性别及其他环境等影响不受年龄、营养、性别及其他环
30、境等影响 ChargaffChargaff首先注意到首先注意到DNADNA碱基组成的某些规律性，在碱基组成的某些规律性，在年总结出年总结出DNADNA碱基组成的规律：碱基组成的规律：核酸化学核酸化学沃森（左）和克里克与沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结分子双螺旋结构模型构模型(1953年年)核酸化学核酸化学2.DNA2.DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简简称称DNADNA单链单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方绕，形成右手双螺旋结构
31、。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为向相反，即其中一条链的方向为5 5 端端33 端，端，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3 3 端端55 端。端。核酸化学核酸化学（2 2）嘌呤和嘧）嘌呤和嘧啶 碱 基 位 于啶 碱 基 位 于螺旋的内侧，螺旋的内侧，磷 酸 和 脱 氧磷 酸 和 脱 氧核 糖 基 位 于核 糖 基 位 于螺 旋 外 侧。螺 旋 外 侧。碱 基 平 面 与碱 基 平 面 与螺旋轴垂直，螺旋轴垂直，糖 环 平 面 与糖 环 平 面 与螺 旋 轴 基 本螺 旋 轴 基 本平行。平行。核酸化学核酸化学（3 3）螺旋直径约为）螺旋直径约为2nm2nm，每，每1010个核苷
32、个核苷酸形成一个螺旋，酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）旋转一圈的高度）为为3.4 nm 3.4 nm，每条，每条链相邻两个碱基链相邻两个碱基平面之间的距离平面之间的距离为为0.34 nm0.34 nm。核酸化学核酸化学（4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相链相互结合的力是链间碱基互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规合具有严格的配对规律律:A:A与与T T结合，结合，G G与与C C结结合，这种配对关系，称合，这种配对关系，称为碱基互补。为碱基互补。A A和和T T之间之间形成两个氢键，形成两个氢键，G G与与C C之之
33、间形成三个氢键。间形成三个氢键。在在DNADNA分子中，嘌呤碱分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的基的总数与嘧啶碱基的总数相等。总数相等。核酸化学核酸化学（5 5）螺旋表面形成大螺旋表面形成大沟沟(major groove)(major groove)及及小沟小沟(minor groove)(minor groove)，彼此相间排列。小沟彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是较浅；大沟较深，是蛋白质识别蛋白质识别DNADNA碱基碱基序列的基础。序列的基础。（6 6）氢键）氢键维持双链维持双链横横向稳定性向稳定性，碱基堆积碱基堆积力力维持双链维持双链纵向稳定纵向稳定性性。核酸化学核酸化学 碱基堆积力
34、碱基堆积力 是碱基对之间在垂直方向上的是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，可以使相互作用，可以使DNA分子层层堆积，分分子层层堆积，分子内部形成疏水核心子内部形成疏水核心 核酸化学核酸化学双螺旋结构模型双螺旋结构模型(B-DNA)（1）反平行双链：右手螺旋）反平行双链：右手螺旋,脱氧核糖脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧内侧,碱基对平面垂直纵轴碱基对平面垂直纵轴（2）碱基互补配对：）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）配对（三个氢键）（3）右手双螺旋：螺距为）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为，直径为2.0 nm，1
35、0bp/圈圈（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列碱基序列 的基础的基础（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持 螺旋纵向稳定螺旋纵向稳定 核酸化学核酸化学DNA的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成53535353磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对 核酸化学核酸化学3.DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与构象，与Watson 和和Crick提
36、出的模型相似。提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构杂交分子的构象相似，推测转录时发生象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜。其碱基平面倾斜20，螺，螺距与每一转碱基对数目都有变化。距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距，螺距4.5nm，每一转含，每一转含12个个bp，只有小沟。，只有小沟。B-DNA与与Z-DNA的相的相互转换可能和基因的调控有关。互转换可能和基因的调控有关。核酸化学核酸化学C-DNA：4446%相对湿度，螺距相对湿度，螺距3.09nm，
37、每转螺旋，每转螺旋9.33个个碱基对，碱基对倾斜碱基对，碱基对倾斜6。可能是特定条件下。可能是特定条件下B-DNA和和A-DNA的转化中间物。的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，相对湿度，DNA中中A、T序列交替的区域。每个序列交替的区域。每个螺旋含螺旋含8个个bp，螺距，螺距2.43nm，碱基平面倾斜，碱基平面倾斜16。核酸化学核酸化学DNA双螺旋的不同构象双螺旋的不同构象 核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学双螺旋双螺旋DNADNA的结构参数的结构参数类型类型旋转方向旋转方向螺旋直径螺旋直径（nm）螺距螺距（nm）每转碱基每转碱基对数目对数目碱基对间垂直碱基对间垂直距离（距离（nm）碱
38、基对与水碱基对与水平面倾角平面倾角ADNABDNAZDNA右右右右左左2.32.01.82.83.44.51110120.2550.340.272007 核酸化学核酸化学DNA的双螺旋结构的双螺旋结构的意义的意义 该模型揭示了该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了特征，最有价值的是确认了碱基配对碱基配对原则，这原则，这是是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是复制、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。该模型的提遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠
39、定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞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。速发展的基石。核酸化学核酸化学DNA分子内分子内的三链结构的三链结构 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNA分子间分子间的三链结构的三链结构DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对T-A-TC-G-CDNA二级结构的多样性二级结构的多样性 核酸化学核酸化学DNA回文序列及几种结构形式回文序列及几种结构形式回文序列回文序列发夹式结构发夹式结构十字形结构十字形结构中心区域中心区域 核酸化学核酸化学 夫妻相思 宋朝.李禺 夫想妻（顺读）妻想夫（倒读）枯眼望遥山隔水，儿忆父兮妻忆夫，往来曾见几心知。寂寥长守夜
40、灯孤。壶空怕酌一杯酒，迟回寄雁无音讯，笔下难成和韵诗。久别离人阻路途。途路阻人离别久，诗韵和成难下笔，讯音无雁寄回迟。酒杯一酌怕空壶。孤灯夜守长寥寂，知心几见曾来往，夫忆妻兮父忆儿。水隔山遥望眼枯。核酸化学核酸化学三三 DNA DNA的三级结构的三级结构双螺旋进一步扭曲双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：空间构象。包括：线状线状DNADNA形成的纽结、超螺旋和形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状多重螺旋、环状DNADNA形成的结、超螺旋和连环等形成的结、超螺旋和连环等,其中超螺旋是最常见的三级结构。其中超螺旋是最常见的三级结构。核酸化学核酸化学
41、核酸化学核酸化学 生物体内有些生物体内有些DNADNA是以双链环状是以双链环状DNADNA的形式存在，的形式存在，包括：包括：某些病毒某些病毒DNADNA某些噬菌体某些噬菌体DNADNA某些细菌染色体某些细菌染色体DNADNA细菌质粒细菌质粒DNADNA真核细胞中的线粒体真核细胞中的线粒体DNADNA、叶绿体、叶绿体DNADNA 核酸化学核酸化学 环形环形DNADNA的不同构象的不同构象 松驰环、解链环、负超螺旋松驰环、解链环、负超螺旋 （1 1）松弛环形松弛环形DNADNA线形线形DNADNA直接环化直接环化（2 2）解链环形解链环形DNADNA线形线形DNADNA拧松后再环化拧松后再环化
42、核酸化学核酸化学（3 3）正超螺旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNADNA线形线形DNADNA拧紧或拧松后再环化，成为超螺旋结构。拧紧或拧松后再环化，成为超螺旋结构。绳子的两股以右旋方向缠绕，如果在一端使绳子向缠紧的绳子的两股以右旋方向缠绕，如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋的超方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫螺旋，以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫正正超螺旋。超螺旋。如果在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，如果在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个右旋
43、的超螺旋，以解除外加的旋转所造成的胁会产生一个右旋的超螺旋，以解除外加的旋转所造成的胁变，这样的超螺旋称变，这样的超螺旋称负超螺旋负超螺旋。核酸化学核酸化学DNADNA超螺旋结构的形成超螺旋结构的形成 核酸化学核酸化学超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述公式公式1 1：L=T+W L=T+W L L连环数（连环数（linking numberlinking number），），DNADNA双螺旋中一双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。TDNA TDNA分子中的螺旋数（分子中的螺旋数（twisting numbertwisting number）
44、W W超螺旋数或缠绕数（超螺旋数或缠绕数（writhing numberwrithing number）L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋12148231613 核酸化学核酸化学L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成超螺旋的拓超螺旋的拓扑学公式：扑学公式：
45、L=T+W或或=+核酸化学核酸化学DNADNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义 使使DNADNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中；推动推动DNADNA结构的转化以满足功能上的需要。如负结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。变性，利于复制和转录。核酸化学核酸化学DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装核小体核小体(nucleosome)：由由DNA和组蛋白构成。和组蛋白构成。DNA：以超螺旋缠绕：以超螺旋缠绕在在组蛋白八聚体组蛋白八聚体上上
46、组蛋白核心：组蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4H2B,H2A,H3,H4各两分各两分子对称聚集成组蛋白八聚子对称聚集成组蛋白八聚体体 H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间 核酸化学核酸化学组蛋白与DNA的结合组组蛋蛋白白与与DNA的的结结合合 核酸化学核酸化学染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数 7 6 40 5 （8400）DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装 核酸化学核酸化学真核真核 双链线性双链线性
47、DNA（dsDNA）核酸化学核酸化学 核酸化学核酸化学第四节、第四节、DNA与基因组与基因组DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。结构基因调节基因基因组基因组（一）（一）DNA与基因与基因(gene)（genome）：某生物体（完整单倍：某生物体（完整单倍体）所含全部基因的总和。体）所含全部基因的总和。核酸化学核酸化学 bpbp（碱基对（碱基对）103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012人人两栖两栖类类鱼类鱼类藻类
48、藻类酵母酵母细菌细菌E.ColE.Coli i病毒病毒质粒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小 核酸化学核酸化学（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物基因组的特点1.DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2.功能相关基因串联在一起，并转录在同一功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中。中。3.有基因重叠现象。有基因重叠现象。ABCDEFG 核酸化学核酸化学（三）真核生物基因组的特点（三）真核生物基因组的特点1.重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重
49、复序列：在DNA中可重复几十次到几千次。高度重复序列：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，称为卫星卫星DNA（satellite DNA）富含A-T富含G-C主体DNA 核酸化学核酸化学2.有断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外例外：组蛋白基因(hist
50、ongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。transcription 核酸化学核酸化学DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。核酸化学核酸化学第五节第五节 RNA RNA的结构与功能的结构
