十二章核酸化学

十二章核酸化学第1页/共58页第十二章核酸化学第一节概述第二节核酸的水解和组成第三节体内某些重要核苷酸第四节核酸的结构第五节核酸的理化性质

第2页/共58页第一节概述研究史：1869J.F.Mieschernuclein1889Altmannnucleicacid1909W.Johannsengene1910T.H.Morganroleofthechromosomeinheredity1941G.W.Beadle,E.L.Tetumonegeneoneenzyme1944O.Averydiplococcuspneumoniaetransform1953J.WatsonF.CrickDNAdoublehelix1966

R.W.Holleyetalinterpretationofthegeneticcode

1991USAtheHumanGenomeProject1997L.Wilmutet.alDollysheep2001USA,UK,France,Germany,JapanandChinaHumanGenomeMapping2002JunYuetal

DraftSequenceoftheRiceGenome第3页/共58页

JamesWatson(left)andFrancisCrick第4页/共58页FrancisHarryComptonCrickJamesDeweyWatsonMauriceHughFrederickWilkins

GreatBritainUSAGreatBritainInstituteofMolecularBiology

Cambridge,GreatBritainHarvardUniversity

Cambridge,MA,USAUniversityofLondon

London,GreatBritain1916-1928-1916-"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962第5页/共58页RobertW.HolleyHarGobindKhoranaMarshallW.Nirenberg

USAUSAUSACornellUniversity

Ithaca,NY,USAUniversityofWisconsin

Madison,WI,USANationalInstitutesofHealth

Bethesda,MD,USA1922-19931922-1927-TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"

第6页/共58页人类基因组计划

HumanGenomeProject１９９０年１０月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的HGP启动。１９９８年５月：美国科学家克里格文特创建的塞莱拉遗传公司，目标是投入３亿美元，到２００１年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际HGP展开竞争。１９９９年１２月１日：国际HGP联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第２２对染色体的遗传密码。２０００年３月１４日：当时的美国总统克林顿和英国首相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都能自由地使用这些成果。２０００年５月：国际HGP完成时间预计从原定的２００３年６月提前至２００１年６月。２０００年６月２６日：科学家公布人类基因组“工作框架图”。２００１年2月：国际HGP(美、英、日、德、法和中国)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15日出版的《Nature》和16日的《Science》公布。第7页/共58页青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。2002年4月5日以中国梯田为封面的«Science»杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果—中国人独立完成的论文《水稻（籼稻）基因组的工作框架序列》，显示对中国科学家成就充分肯定。COVERPhotographoftheHongheHaniriceterracesinYunnanProvince,China.Inthisissue,twoseparateresearchgroupsreportdraftsequencesoftwostrainsofrice--japonicaandindica.Inaddition,theEditorial,NewsFocus,Letters,andPerspectiveshighlightthesignificanceofthericegenometotheworld'spopulation.[Image:LiwenMaandBaoxingQiu,BeijingGenomicsInstitute]第8页/共58页一、核酸的分类*

脱氧核糖核酸（DNA）

核糖体RNA

核糖核酸（RNA）转运RNA

信使RNA第9页/共58页二、核酸的生物功能*

脱氧核糖核酸（DNA）：遗传信息的载体

核糖体RNA：蛋白质合成场所

核糖核酸（RNA）转运RNA：转运氨基酸

信使RNA：转录遗传信息，

指导蛋白质合成第10页/共58页第二节核酸的水解与组成一、核酸的水解产物*

核酸水解水解水解单核苷酸（B-R-P）磷酸（P）戊糖（R）

碱基（B）核苷（B-R）第11页/共58页核糖脱氧核糖戊糖：第12页/共58页碱基（base)：腺嘌呤(adenine,A)

鸟嘌呤(guanine,G)

胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)

尿嘧啶(uracil,U)

嘌呤(purine)

嘧啶(pyrimidine)第13页/共58页嘌呤

腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）

鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-氧嘌呤）第14页/共58页嘧啶

胞嘧啶（C）（2-氧4-氨基嘧啶）

胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）

尿嘧啶（U）（2，4-二氧嘧啶）第15页/共58页

两类核酸的基本成分*

第16页/共58页二、核酸的组成—

核苷、核苷酸1.核苷核苷=碱基+戊糖连接方式：糖苷键嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1’以糖苷键相连。第17页/共58页腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）1911第18页/共58页核苷酸=核苷+磷酸连接方式：磷酸酯键糖环上所有游离羟基（核糖的C-2、C-3、C-5及脱氧核糖的C-3、C-5

）均能与磷酸发生酯化结合。生物体内多数核苷酸是5-核苷酸，即糖环上的C-5

与磷酸酯化。2.核苷酸第19页/共58页腺嘌呤核苷酸（腺苷酸）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）第20页/共58页第三节体内某些重要核苷酸能量物质：ATP等；酶辅助因子：NAD+、NADP+

和FAD等；信号传导：环腺苷酸（cyclicAMP,cAMP）,环鸟苷酸（cyclicGMP,cGMP）;重要代谢中间物：PAPS、SAM、UDPG、UDPGA、CDP-胆碱（乙醇胺）等第21页/共58页

AMPADPATP*第22页/共58页353,5-cAMP第23页/共58页第四节核酸的结构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。连接键：3,5-磷酸二酯键,即第一个核苷酸糖环上原来游离的C-3羟基与第二个核苷酸C-5磷酸组成3

，5磷酸二酯键。二个游离末端:5末端(游离磷酸基),3末端(游离羟基)书写规则:方向5

3,从繁到简有多种表示方法。第24页/共58页3'，5'–磷酸二酯键5'末端的磷酸基团3'末端的羟基GAA核苷酸链（一级结构）TTOH第25页/共58页5´

pGpCpApTpT-OH

3´5´GCATT3´OH5´3´PPPPPGCATT

GCATT第26页/共58页一、DNA的结构1.DNA的一级结构*

由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键按一定顺序排列而成的高分子化合物。第27页/共58页2.DNA的二级结构—双螺旋模型*

研究背景：（1）Chargaff规则（20世纪40~50年代）不同物种的DNA碱基组成不同；同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同；[A]=[T]，[G]=[C]，[A]+[G]=[T]+[C]（2）Wilkins和Franklin的高质量的X-衍射图（3）Watson和Crick提出双螺旋模型（1953）第28页/共58页第29页/共58页3.4nm0.34nm2nmMajorGrooveMinorgroove第30页/共58页DNA双螺旋模型的基本内容反向平行、互补双链脱氧核糖和磷酸骨架位于双链外侧，走向相反（5´3´、3´5´）；碱基配对，A-T，G-C右手螺旋，并有大沟和小沟螺旋直径2nm螺距3.4nm螺旋一周10个碱基对，碱基平面距离0.34nm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（base-stackingforce）第31页/共58页DNA双螺旋结构的多样性右手双螺旋（B-DNA）：生理条件下最稳定的结构；A-DNA：脱水条件下DNA双螺旋及生理条件下的RNA双螺旋和DNA-RNA杂合双螺旋中。结构特征：右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm，11个碱基/周；Z-DNA：存在与CGCGCGCG结晶体结构中。结构特征：左手螺旋、螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm、12碱基/周、核酸链骨架显Z字型走行。第32页/共58页Z-DNAB-DNAA-DNA

沟大沟小沟小沟大沟第33页/共58页

三链DNA（triplehelixDNA）

又称H-DNA第34页/共58页概念：三链DNA是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。结构：是在Watson-Crick双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三个碱基配对（Hoogsteenbasepairing）形成三碱基体:T-A-T，C-G-C。作用：还不清楚第35页/共58页3.DNA的超螺旋结构（一）原核生物DNA的高级结构

在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)体积进一步压缩。第36页/共58页（二）真核生物DNA分子高级结构：多层次压缩包装第37页/共58页第38页/共58页第39页/共58页Chromosome

chromatid第40页/共58页4.真核生物DNA中基因排布特点（1）真核基因含有大量重复序列；（2）基因的不连续性（内含子、外显子）第41页/共58页

动物细胞内主要RNA的种类与功能

细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNArRNAmtrRNA核蛋白体的组分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白质合成膜板转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNAHnRNAmRNA的前体小核RNASnRNA参与HnRNA的剪接、转运小核仁RNASnoRNArRNA的加工、修饰小胞质RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分二、RNA的结构与功能第42页/共58页RNAsecondaryandtertiarystructures.(a)

Stem-loops,hairpins,andothersecondarystructures

canformbybasepairingbetweendistantcomplementarysegmentsofanRNAmolecule.Instem-loops,thesingle-strandedloop(darkred)betweenthebase-pairedhelicalstem(lightred)maybehundredsoreventhousandsofnucleotideslong,whereasinhairpins,theshortturnmaycontainasfewas6–8nucleotides.(b)Interactionsbetweentheflexibleloopsmayresultinfurtherfoldingtoformtertiarystructuressuchasthepseudoknot.Thistertiarystructureresemblesafigure-eightknot,butthefreeendsdonotpassthroughtheloops,sonoknotisactuallyformed.

第43页/共58页1.tRNA的结构与功能*

结构特点:稀有碱基：DHU、T、、mG和mA等；三叶草形二级结构：DHU环、反密码环（有反密码子）、T环和3端氨基酸臂倒“L”型三级结构第44页/共58页51111911假尿嘧啶核苷次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷7甲基鸟嘌呤

(pseudouridine,)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylguanosine,mG)第45页/共58页

三叶草模型第46页/共58页3´OHACCAC-GU-AC-GUG5´PCGC-GG-CCGCGGCCGUCAmCCφTUAGmCCGCGAAGDDGmGDDDAACmDAGAGCGAUGCAUAφCUGUAAATψ环CCA末端DHU环反密码子Tψ环DHU环反密码子环反密码子环b.tRNA的倒L型三级结构a.酵母的一级结构与二级结构第47页/共58页2.mRNA的结构AAAA……Anm7GpppAUGGUGUAA………………5´3´5´帽子结构密码子

3´多聚A尾5´非编码区编码区3´非编码区真核生物mR