第二章 核酸化学,1869年Miescher从细胞核中分离出核素(nuclein)，1889年Altman制备了不含蛋白的核酸制品，并命名为核酸（nucleic acid） 核酸可分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。 1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型 除少数病毒以RNA为遗传物质外，多数生物体的遗传物质是DNA。 RNA的主要作用是从DNA“转录”遗传信息，并指导蛋白质的合成,第二章 核酸化学,核酸的组成 DNA的结构与作用 RNA的结构与功能 核酸的性质,核酸的组成,核苷酸,核苷酸单元,碱基（Base),核糖或 脱氧核糖 （ribose or deoxyribose),磷酸 (phosphate),DNA和RNA全称,Deoxyribonucleic acidDNA Ribonucleic acidRNA,核糖和脱氧核糖,2-脱氧核糖 (2-deoxyribose),核糖 (ribose),2-O-甲基核糖 (2-O-Methylribose),核酸的碱基嘧啶,核酸的碱基嘌呤,腺嘌呤的结构,Prebiotic synthesis of purines,Joyce, G. F. Nature 338, 217-224 (1989),碱基英文名称及缩写,碱基互变异构体(1),碱基互变异构体(2),不同互变异构体有不同的氢键模式,核苷(Nucleoside)(1),核苷(Nucleoside)(2),Nucleoside conformation(1),嘌呤核苷既可取Syn式也可取anti式,Nucleoside conformation(2),嘧啶核苷只取anti式,核苷的稳定性,核苷同碱基相比水溶性增大 核苷在碱性溶液中相当稳定，嘧啶核苷对酸也较稳定，嘌呤核苷很容易酸解生成碱基和戊糖,腺苷的生理作用,在哺乳动物中，嘌呤衍生物和腺苷是一种内分泌物，参与血液循环，在许多生理活动中起调节作用，例如血管膨胀、睡眠等,核苷酸(Nucleotide),AMP, ADP and ATP,UV spectra of ribonucleotides,腺苷酸与辅酶,环状核苷酸,核苷酸的连接方式-磷酸二酯,核苷酸的连结方式三磷酸连接,7-甲基鸟苷帽,DNA和RNA的区别（1）,构成DNA的是脱氧核糖，而构成RNA的是核糖 DNA和RNA各有四个碱基，其中三个相同，分别为腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，另一个不同，DNA为胸腺嘧啶，而RNA为尿嘧啶,DNA和RNA的区别（2）,核酸组成小结,核酸是由核苷酸单元重复构成的；也可看作是由核苷通过磷酸二酯键连接而成，连接的方式主要是3,5-连接 核苷则是由戊糖和碱基组成的，戊糖包括核糖和脱氧核糖；碱基包括嘌呤和嘧啶 构成RNA的是核糖，构成DNA的是脱氧核糖；DNA含有碱基胸腺嘧啶，而不是RNA的尿嘧啶,DNA与RNA的稳定性（1）,DNA与RNA的稳定性（2）,胞嘧啶的水解,DNA的结构,DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构,DNA的一级结构,4种脱氧核苷酸的排列顺序 1977年Sanger测定了X174单链DNA5 386b的全序列 水稻基因组计划 人类基因组计划,核酸一级结构的表示,核苷用单字缩写A、U、G、C、T表示 需表明端和端，通常端在左边，如： -GGAUACUUGCA-3 5-dGdTdCdCdTdGdA-3 有，连接时须标出，如： -pA2pG3pC2pU2pG3pA-3,DNA分子的大小,DNA分子很大，最小的病毒DNA约5000个碱基 DNA分子通常用其所含碱基对数目（base pairs, bp)来表示, 单链用碱基数(base, b)来表示。 DNA是一丝状分子，直径只有2 nm，但长度惊人，如大肠杆菌染色体长达1.6 x 106 nm (1.6 mm),DNA的双螺旋结构,DNA双螺旋结构模型的主要依据 DNA双螺旋结构模型的要点 DNA双螺旋的构象类型,双螺旋结构模型的主要根据,电位滴定行为 关于碱基成对的证据 X射线衍射数据,碱基成对的证据(Chargaff规则),不同来源DNA的碱基组成（mol%）,DNA的X-衍射图,Franklin, R. E. & Gosling, R. G. Nature 171, 740 (1953),Watson and Cricks Nature paper,不寻常的1953年（1）,四月二十五日，Watson和Crick在Nature上发表关于DNA双螺旋的论文 五月十五日，Miller和Urey在Science上发表放电条件下合成氨基酸的论文,不寻常的1953年（2）,三月，Sanger和Thompson首次报道胰岛素(Insulin)的测序 五月二十九日，Edmund Hilary和Tenzing Norgay征服珠穆朗玛峰 三月五日，斯大林逝世,双螺旋结构模型（1）,双螺旋结构模型（2）,双螺旋结构模型的要点,由两条反平行、都是右手螺旋的多聚核苷酸链同绕一轴旋转所构成，双螺旋表面形成一大沟和一小沟 碱基在双螺旋内侧，磷酸基团在外侧。 链间碱基相互配对，遵循A配T，C配G 碱基对平面垂直于中心轴，糖平面平行于中心轴 双螺旋每圈有10对碱基，螺距为 3.4nm,双螺旋结构的柔性,DNA双螺旋的形成,A-T配对,A-T配对,G-C配对,G-C配对,DNA双螺旋内部结构,DNA 复制(1),parental DNA,conservative semi-conservative dispersive,DNA复制(2),DNA双螺旋的构象类型,B-DNA：相对湿度92%的DNA钠盐的双螺旋结构， Watson和Crick原始模型，细胞内的DNA与B-DNA非常相似 A-DNA：相对湿度为75%的DNA钠盐的双螺旋结构，特点：碱基平面倾斜了20,A-DNA、 B-DNA 和 Z-DNA比较,DNA双螺旋的构象类型（2）,Z-DNA的Rich模型：主链呈锯齿形左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，螺旋的每一转含12个碱基对；整个分子比较细长而伸展；碱基对偏离中心轴并靠近螺旋外侧，螺旋的表面只有小沟，没有大沟,Z-DNA,Nucleoside conformation(1),嘌呤核苷既可取Syn式也可取anti式,溶液中的双螺旋结构,长链B-DNA在溶液中不是一个刚性的、线性的棒状结构，而是一个动态、柔性的分子，有时局部区域双螺旋结构甚至可以打开 双螺旋每圈大约10.5对碱基,嵌入试剂,的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即构成三级结构 双链DNA多数为线性形分子，但某些病毒、细菌质粒、真核生物的线粒体和叶绿体及某些细菌的染色体DNA为双链环状DNA。 在生物体内，绝大从数双链环状DNA可进一步扭曲成超螺旋, 超螺旋DNA具有更为致密的结构,的三级结构,DNA超螺旋结构,在生物体内，绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋的形式存在，超螺旋解开时形成解链环形DNA，有利于DNA复制或转录,化学合成DNA,活泼基团多、对酸碱敏感、核酸在有机溶剂中溶解性差、 分离困难等,5-OH-保护,碱基的保护,核苷偶联,链增长及脱保护,化学法合成DNA要点,用适当的基团先保护碱基 用dMTr保护5-OH 用Phosphoramidite策略连接核苷酸 用固相合成法解决分离问题,DNA和基因组,DNA复制 转录(transcription)合成与DNA核苷酸序列相对应的RNA (mRNA) 翻译(translation)由mRNA指导蛋白质合成的过程；此合成在核糖体中进行，其中含有核糖体RNA（rRNA），而由转移RNA（tRNA）将氨基酸转运到核糖体 基因（Gene）是DNA分子中最小的功能单位：编码RNA或蛋白质的基因称为结构基因；具有调节功能的片断称为调节基因；生物体所含的全部基因就是该生物体的基因组（Genome）,The basic principle of transcription,The basic principle of translation,原核生物基因组的特点,原核细胞通常只有1个“染色体”DNA分子 除调节序列和信号序列外，DNA的大部分是结构基因，且每个基因在DNA分子中只出现一次或几次 功能相关的基因常串联在一起，并转录在同一mRNA分子中，这种现象在真核生物中很少见 有基因重叠现象,真核生物基因组的特点有重复序列,单拷贝序列在整个DNA分子中只出现一次或几次，主要是编码蛋白的结构基因，多数蛋白的基因是单拷贝序列 中度重复序列在DNA分子中可重复几十次到几千次，包括rRNA基因、tRNA基因和某些蛋白质基因 高度重复序列可重复几百万次，多数为小于10bp短序列，可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关,真核生物基因组的特点有断裂基因,真核生物为蛋白质编码的基因都含有“居间序列”，即不为多肽编码，其转录产物不在成熟mRNA中出现 基因中不编码的居间序列称为“内含子”（intron），而编码的片段则称作“外显子”（exon） 内含子的存在是真核生物基因成为不连续基因或断裂基因（split gene），其功能还不十分清楚, hemoglobin gene,