第二章 核酸化学,Nucleic Acids,第二章 核酸的化学,核酸的概念和重要性,核酸的组成成分,DNA的结构,DNA和基因组,RNA的结构和功能,核酸的性质,核酸的序列测定,第一节 概 述,核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国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,哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础是DNA呢？,1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。 2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。,格里菲斯肺炎双球菌转化实验,将R型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将S型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,细菌发生转化，性状的转化可以遗传。,埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验,从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合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。,DNA 是 遗 传 物 质,只 有DNA引 起 R 型 肺 炎 球 菌 转 化,赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验,用放射性同位素35S标记外壳蛋白质,细菌内无放射性,用放射性同位素32P标记内部DNA,细菌内有放射性,DNA是真正的遗传物质,DNA主要的遗传物质,注：DNA不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠RNA进行遗传。,二、核酸的分类及分布、功能,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,90%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。,主要存在于细胞质中,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。,从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,第二节 核酸的组成,元素组成,主要元素组成： C、H、O、N、P(911%),与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。,基本构成单位：核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成,5-磷酸核苷酸的基本结构,（N = A、G、C、U、T）,H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,核糖,磷酸,碱基,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,(一)、戊糖,(二)组成核酸的碱基,腺嘌呤Adenine,组成核酸的碱基,鸟嘌呤guanine,组成核酸的碱基,尿嘧啶uracil,组成核酸的碱基,胞嘧啶cytosine,组成核酸的碱基,胸腺嘧啶thymine,碱 基,碱基的结构特征,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。 碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。,酮式烯醇式互变异构,胺式 亚胺式互变异构,(三)、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷（）,假尿苷（） 次黄苷（肌苷）I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 D 取代核苷的表示方式 7-甲基鸟苷 m7G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,2、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷/核苷酸,3、核苷酸的其他形式,多磷酸核苷（NDP、NTP),环化核苷酸（cAMP、cGMP等）,辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP），,活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等）,1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。,（四）核苷酸nucleotide,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷酸和5-磷酸-核糖核苷酸。核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,1 核苷酸的组成,常见（脱氧）核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,腺嘌呤核苷酸（AMP）,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）,脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）,2.稀有核苷酸,修饰成分,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，大部分是上述碱基的甲基化产物。,3 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。它的结构如下：,（1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),P,-O,腺苷-5-磷酸,O,ATP的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。 ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。,GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),GTP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ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。 GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。,（2）cAMP 和 cGMP,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。 cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。在 pH 7.4 条件下, cAMP 和 cGMP 的水解能约为43.9 kj /mol，比 ATP 水解能高得多。,环化磷酸化,cAMP,cGMP,（3）辅酶或辅基,作为核酸的单体: 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。,在体内能量代谢中的作用：,ATP能量“货币”,UTP参加糖的互相转化与合成,CTP参加磷脂的合成,GTP参加蛋白质和嘌呤的合成,第二信使cAMP,酶的辅助因子的结构成分（如NAD）,(五)核苷酸的连接方式,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链； 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,核酸分子中核苷酸之间的共价键,3 -5 磷酸二酯键,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示） 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53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,在多聚核苷酸（DNA或RNA）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和顺序，所以上式可以进一步简化为： 5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 ACGCTGTA 3,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,概 述,核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸,元素组成,主要元素组成： C、H、O、N、P(911%),与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。,基本构成单位：核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成,核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,尿苷,OH,假尿苷（）,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷酸和5-磷酸-核糖核苷酸。核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,核苷酸的组成,核苷酸的连接方式,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链； 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示） 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53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,第三节 核酸的分子结构,一、一级结构（primary structure）,一级结构是指DNA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。,1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键,2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链,信息量：4n 末端： 5 端、 3端 多核苷酸链的方向： 5端3端(由左至右),3、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。,字母式,线条式,结构式,DNA一级结构的表示法,二、DNA的二级结构 双螺旋模型(double helix model),1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,碱基组成分析Chargaff 规则：A = T；G C,电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,1.DNA双螺旋结构的研究背景,Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。,碱基组成规则(Chargaff规则),A=T，G=C； A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等),不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在年总结出DNA碱基组成的规律：,沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结构模型(1953年),2. DNA双螺旋结构的要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。,（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴垂直，糖环平面与螺旋轴基本平行。,（3）螺旋直径约为2nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈