第3章核酸的化学

第三章 核酸的化学【 学习目标 】 掌握核酸的概念、分类、分子组成与分子结构，理解核酸的理化性质，了解核苷酸衍生物的组成及功能，了解核酸类物质的制备及含量测定方法。【 重点难点 】 核酸的分类、功能及分子组成； DNA的双螺旋结构特点； tRNA的三叶草型结构特点。 1 核酸分子的化学组成2 核酸的结构3 核酸的理化性质4 核酸类药物的工业生产学学 习习 内内 容容1868年，年， F. Miescher从脓细胞核中分离得到从脓细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。1953年，年， Watson和和 Crick提出提出 DNA双螺旋结双螺旋结构模型构模型 ，随后又提出遗传信息传递中心法则，随后又提出遗传信息传递中心法则。1944年，年， O. Avery等通过等通过 转化实验转化实验 证实核证实核酸是遗传物质。酸是遗传物质。重要事件1961年，年， Nirenberg等破译了苯丙氨酸遗传等破译了苯丙氨酸遗传密码。密码。 1965年，科学家们破译了全部密码。年，科学家们破译了全部密码。1973年，年， Cohen建立体外重组建立体外重组 DNA方法，方法，生物工程技术诞生。生物工程技术诞生。认知核酸核酸核酸 （ Nucleic acid） 是由核苷酸聚合而成的重要生物信息大分子，又称 多聚核苷酸。 遗传信息的储存和传递Deoxyribonucleic Acid 信息的传递和转录，直接参与蛋白质合成Ribonucleic Acid核酸核酸 分类：分类：脱氧核糖核酸（ DNA）核糖核酸（ RNA）核酸核酸 分布：分布：DNA98以上分布于细胞核，少量在线粒体、叶绿体中RNA90分布于细胞液， 10在细胞核内。一、元素组成第 1节 核酸分子的化学组成基本元素： C、 H、 O、 N、 P等元素组成特点： 一般不含 S元素 P含量较多且比较恒定（ 9% 10%）常用 定磷法 进行核酸的定量分析（ DNA 9.9% 、 RNA 9.5% ）二 、核酸分子的基本结构单位 -核苷酸（一）核酸的消化与吸收 （二）核酸的基本成分碱 基RNA尿嘧啶尿嘧啶 U胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T胞嘧啶胞嘧啶 C鸟嘌呤鸟嘌呤 G腺嘌呤腺嘌呤 ADNA嘌呤 次黄嘌呤、 1-甲基次黄嘌呤、 7-甲基鸟嘌呤、 6-甲基腺嘌呤等嘧啶 5- 甲基胞嘧啶、 5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、 4-巯尿嘧啶等均为基本碱基的 化学修饰型 。稀有碱基戊 糖DNARNA磷 酸核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与形成 3 ， 5- 磷酸二酯键 ，使核苷酸连接成多核苷酸链。核酸 嘌 呤碱 嘧啶碱戊糖 磷酸DNA A、G C、TR PRNA A、GC、UdR P 基本成分（三）核苷酸的组成磷酸碱基戊糖核 苷戊糖与嘌呤或嘧啶碱以 C-N糖苷键 连接而形成的糖苷就称为核苷（ nucleoside）。通常是戊糖的 C1 与嘌呤碱的 N9或嘧啶碱的 N1相连。核 苷 酸核苷或脱氧核苷与磷酸通过 酯键 相连接分别构成核苷酸（ NMP）或脱氧核苷酸（ dNMP）。戊糖上的羟基都可以酯化，通常以戊糖 C5-OH与磷酸基团酯化形成的 5核苷酸为主。可根据核苷名称命名为 “ 某某核苷几磷酸 ” 。RNA DNA 腺苷酸（ AMP） 脱氧腺苷酸（ dAMP）鸟苷酸（ GMP） 脱氧鸟苷酸（ dGMP）胞苷酸（ CMP） 脱氧胞苷酸（ dCMP）尿苷酸（ UMP） 脱氧胸苷酸（ dTMP）核酸的基本结构单位三、核苷酸的衍生物ATP是生物体内能量的通用货币多 磷 酸 核 苷 酸OHOHOHONNH2NO OO - P -OCMPCDPOO - P -OCTPOO - P -O环 化 核 苷 酸第二信使在代谢调节中起重要作用。辅 酶 类 核 苷 酸辅酶 （ NAD+）辅酶 （ NADP+ ）FMNFAD辅酶 A(CoA-SH)腺嘌呤核苷酸尼克酰胺核苷酸黄素单核苷酸腺嘌呤核苷酸3腺苷酸 5 焦磷酸氨基乙硫醇泛酸参与糖、脂肪、蛋白质代谢参与生物氧化过程一、核酸的一级结构第 2节 核酸的结构一个核苷酸分子 C3 -OH 与另一核苷酸分子的 5- 磷酸基团脱水缩合形成的磷酸二酯键称为 3,5-磷酸二酯键核酸分子中的核苷酸序列或碱基序列称核酸的一级结构5533+l 主键为 3, 5- 磷酸二酯键 l 主链为重复的结构单元（磷酸 戊糖）l 侧链为特征结构 碱基 l 具有严格的方向性： 53 多核苷酸链结构特点多核苷酸链 是五十个以上的核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。戊糖 C5上有完整磷酸基的一端称为 5-磷酸末端 （ 5-端 ）。 戊糖 C3上连有羟基的一端，称为 3-羟基末端 （ 3-端 ）多核苷酸链书写方式二、 DNA分子的空间结构研究背景l Chargaff规则： A T G C。l Franklin和 Wilkins用 X-射线衍射技术分析 DNA结晶，取得了 DNA分子为螺旋结构的直接证据。l 1953年， Watson和 Crick在前人研究成果的基础上，建立了 DNA分子二级结构的双螺旋结构模型。（一） DNA分子的二级结构James Watson (23y) Francis Crick (35y) DNA分子由两条 反向平行 的多核苷酸链以 右手螺旋 方式围绕一假想的中心轴形成双螺旋结构。碱基位于螺旋内部，碱基平面与中心轴垂直；脱氧核糖和磷酸基团形成螺旋的骨架，位于螺旋的外侧。 两条链上位于同一平面的碱基按照 互补规律 缔合形成碱基对， G与 C配对形成三个氢键， A与 T配对形成两个氢键。 螺旋的每一周包含 10个碱基对，相邻碱基对的距离为 0.34nm，螺距为 3.4nm。螺旋直径为 2nm。 双螺旋结构的维系力包括： 氢键 ：维系双螺旋结构横向稳定； 碱基堆积力 ：碱基之间层层紧密堆积，形成疏水型核心，保持双螺旋结构纵向稳定。 离子键 ：磷酸残基阴离子与介质中的阳离子形成离子键，可降低双链间的静电排斥力。双螺旋结构要点5 35 353 53磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对双螺旋中的大沟对于 DNA和蛋白质结合时的相互识别很重要 ，在沟内可以辨认碱基的顺序。模拟 DNA双螺旋（ 蓝色 ）大沟中结合着肽 （ 红色 ）DNA双螺旋的类型 A-DNA螺旋 ： DNA在 75%相对湿度的钠盐中的构型。 B-DNA螺旋 ： DNA在 92%相对湿度的钠盐中的构型。标准的右手双螺旋，细胞正常状态下 DNA存在的构型。 Z-DNA螺旋 ： 左手 螺旋，这种螺旋可能在基因表达的调控中起作用。