第一章 核酸的化学 （Chemistry of nucleic acid）

Presentation on theme: "第一章 核酸的化学 （Chemistry of nucleic acid）"— Presentation transcript:

1 第一章 核酸的化学 （Chemistry of nucleic acid）

2 1868年，瑞士科学家F.miescher从外科绷带上脓细胞的核中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素”。
引 言 早先，人们认为遗传物质是蛋白质。 1868年，瑞士科学家F.miescher从外科绷带上脓细胞的核中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素”。 1872年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物。

3 1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （Nucleic Acid）命名。
引 言 1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （Nucleic Acid）命名。 1944年，Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。

4 引 言

5 引 言 1952年，Hershey and Chase 用同位素32P，35S标记噬菌体T2的核酸和蛋白质，发现进入细菌体内进行复制的是核酸面非蛋白质。

6 引 言 一. 核酸的种类、分布与功能 种 类 分 布 功 能 DNA 原核生物：核质区 真核生物：95%在细胞核、 5%在线粒体和叶绿体
分 布 功 能 DNA 原核生物：核质区 真核生物：95%在细胞核、 5%在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体 RNA tRNA 原核生物：细胞质 真核生物：75%在细胞质 15%在线粒体和叶绿体 10%在细胞核 携带、转移aa mRNA 肽链合成的模板 rRNA 核糖体主要成分

7 C、 H、 O、 N、P 引 言 其中P的含量在核酸中相对恒定。 在DNA中为9.9%，在RNA中为9.4% 。
二. 核酸的化学组成 引 言 1. 元素组成 C、 H、 O、 N、P 其中P的含量在核酸中相对恒定。 在DNA中为9.9%，在RNA中为9.4% 。 这可用于测定核酸的含量——定磷法。

8 二. 核酸的化学组成 引 言 2. 核酸的基本结构单元 核苷酸 Nucleotide 核酸是由许多核苷酸组成的长链

9 第一节 核苷酸的结构   核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 碱基 核糖 脱氧核糖 嘌呤 嘧啶

10 核苷酸的结构 1、 戊 糖 RNA 中 它们均以呋喃糖态存在 DNA 中

11 2、碱 基 3、磷 酸 核苷酸的结构 DNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶
RNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶 3、磷 酸

12 碱 基 5-甲基-2,4-二氧嘧啶 Thy 胸腺嘧啶 2,4-二氧嘧啶 Ura 尿嘧啶 2-氨基-6-氧嘌呤 Gue 鸟嘌呤
2-氧-4-氨基嘧啶 Cyt 胞嘧啶 嘧啶 6-氨基嘌呤 Ade 腺嘌呤 嘌呤 1 2 4 N 3 5 6 7 CH 8 9 H NH2 O H2N CH3 碱 基

13 核苷酸的结构 核 苷 戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。 腺苷 脱氧鸟苷

14 ' 核苷酸的结构 核 苷 酸 RNA 中 的 核 苷 酸 腺苷酸 AMP 鸟苷酸 GMP 胞苷酸 CMP 尿苷酸 UMP DNA 脱氧腺苷酸
d AMP 脱氧鸟苷酸 d GMP 脱氧胞苷酸 d CMP 脱氧胸苷酸 d TMP 生物体内存在的核苷酸，多是5核苷酸。 '

15 核苷酸除了作为核酸的基本结构单元外，它们在机体中还行使着许多重要的生理功能。
核苷酸的结构 核苷酸及其衍生物的功能 核苷酸除了作为核酸的基本结构单元外，它们在机体中还行使着许多重要的生理功能。

16 核苷酸的结构 核苷酸及其衍生物的功能 AMP 磷酸化 1、多磷酸化核苷酸 如腺苷酸的三种磷酸化形式

17 核苷酸的磷酸基团既与3'-OH又与5'-OH相连，从而形成环化的核苷酸，叫做3',5'-环核苷酸。
核苷酸及其衍生物的功能 核苷酸的结构 2、环化核苷酸 核苷酸的磷酸基团既与3'-OH又与5'-OH相连，从而形成环化的核苷酸，叫做3',5'-环核苷酸。 如3',5'-环腺苷酸（cAMP）

18 核苷酸是多种辅酶的组成成分，有些辅酶本身就是特殊的核苷酸。
核苷酸及其衍生物的功能 核苷酸的结构 3、辅酶核苷酸 核苷酸是多种辅酶的组成成分，有些辅酶本身就是特殊的核苷酸。 类似的辅酶有NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoA等。

19 第二节 DNA的分子结构

20 四种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。
DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 1. 定义 DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。 四种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。

21 DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 DNA单链的延伸 5’ ’ 端   

22 由糖-磷酸相互间隔连接，构成主链；碱基连接在主链的核糖上，形成侧链。
DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 2. 多聚脱氧核苷酸链的结构特点 无分枝的长链 具有方向性。两个末端分别为5'端和3'端。 在天然DNA中，5'端常为磷酸，3'端为游离羟基。 由糖-磷酸相互间隔连接，构成主链；碱基连接在主链的核糖上，形成侧链。

23 DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 3、一级结构的表示方法 1）线条法

24 DNA的分子结构 2）文字式 一、DNA的一级结构 5' pGpCpTpTpAOH 3' 5' pGCTTAOH 3' pGCTTAOH

25 DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 DNA 一 级 结 构 分 析 （DNA sequencing ）

26 DNA的分子结构 一、DNA的一级结构 a) 1972年. Herbert Boyer 限制性核酸内切酶II (RE-II)
1975年. Sanger C. “＋ , —” 法 1977年. Maxam Gilbert 化学定序法 1977年.Sanger C. ddNTP(酶)法

27 b) Chemical sequencing
一、DNA的一级结构 DNA的分子结构 b) Chemical sequencing G系统； pH 8.0 硫酸二甲酯 → G → m7G →C8~N9断裂 →脱G A+G系统；pH 2.0 哌啶甲酸（pidine）→ 嘌呤环 N质子化→ 脱嘌呤 C系统； mol/L NaCl C + 肼（hydrazine）→ 脱C T + C系统； 肼(hydrazine) → 打开嘧啶环 →重新5C环化→脱嘧啶

28 一、DNA的一级结构 Chemical sequencing G系统 脱G A+G系统 脱嘌呤 C系统 脱C T + C系统 脱嘧啶
AACAGCTTCA Chemical sequencing G系统 脱G A+G系统 脱嘌呤 C系统 脱C T + C系统 脱嘧啶

29 一、DNA的一级结构 c) 双脱氧法 N H H 4ddNTP系统中 DNA链均终止 在ddXTP(二脱氧核苷酸) A C T G
ddATP ddCTP ddTTP ddGTP A C T G CTGACTTCGACAA c) 双脱氧法 H H N 4ddNTP系统中 DNA链均终止 在ddXTP(二脱氧核苷酸)

30 DNA的分子结构 一、DNA的一级结构

31 双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。
1. 二级结构的概念 DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。 双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。 DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。

32 DNA的分子结构 二、DNA的二级结构 1953年 Watsosn & Crick Right handed B-form DNA
Double helix Model

33 (2) 衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 2. 双螺旋结构模型提出的依据 A.DNA的X-射线衍射图： (1) 衍射斑点呈交叉状分布 (2) 衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性 (3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状

34 with high quality DNA的分子结构 二、DNA的二级结构 1952年
M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin X~ray photograph of DNA with high quality

35 B. DNA的碱基组成分析：（Chargaff定则） (1) 所有DNA分子中A=T，G=C

36 DNA 双螺旋结构模型 (DNA Double Helix Model)
1950年 Chargaff A + G / T + C = 1 A+T = G + C

37 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 C、DNA的碱基物化数据 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。

38 (1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 3. 双螺旋结构模型的基本特征 (1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。 DNA的双螺旋结构

39 (2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 (2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。 l  碱基顶部基团裸露在DNA 大沟内  l  蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于 氨基酸与DNA 间的氢键的形成 l   蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性 结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 l   大沟的空间更有利于与蛋白质的结合

40 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。 Right handed B-form DNA Double helix Model

41 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。 Right handed B-form DNA Double helix Model

42 (4) 双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 (4) 双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。

43 二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 A = T G C

44 (5) 双螺旋直径为2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 (5) 双螺旋直径为2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。

45 互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond)
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond) 弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向) 

46 碱基堆集力(Base stacking forces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 碱基堆集力(Base stacking forces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力    ☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) ☆ Van de waals force (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径) 3.4A°

47 磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键, 需酶促解链
二、DNA的二级结构 DNA的分子结构 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 离子键 磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键, 需酶促解链 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 l  mol / L Na+ 生理盐条件

48 当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。 还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7 M MgCl2)。
在生理状态及在溶液中，DNA一般为B型(含水量90％以上，NaCl浓度为2.5 M）。 当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。 还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7 M MgCl2)。 类型 旋转方向 螺旋直径 螺距 每转碱基对数 碱基对间距 碱基倾角 A-DNA 右 B-DNA 右 Z-DNA 左

49 DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较 Z-DNA A-DNA B-DNA

50 DNA的分子结构 6.三链 DNA (T.S. DNA) ● D.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA
PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA

51 ● Homologous palindromic sequence in a D. S. DNA
Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT------ AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA---- TTCCCTCTTTCCC AAGGGAGAAAGGG TTCCCTCTTTCCC AAGGGAGAAAGGG Nodule DNA Hinged DNA free DNA

52 ☆ PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型
l       S. S. DNA + D. S. DNA T. S. DNA ☆      PU + PU/PY (偏碱性介质中稳定) ☆ PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型 第三条链位于B-DNA的 Major groove中 与D. S. DNA一起旋转

53 超螺旋:双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和连环等。

54 三、DNA的三级结构 DNA的分子结构 2. DNA超螺旋的特点 1）线状DNA分子 双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺旋结构。

55

56 positive supercoiled DNA的分子结构 2）环状DNA分子 双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构。 三、DNA的三级结构
B-DNA overwinding (右旋) positive supercoiled

57 DNA的分子结构 Negative Supercoiled 三、DNA的三级结构 B-DNA unwinding (左旋)
所有生物的DNA几乎 有5%为 Negative Superhelix

58 正超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数大于10，二级结构处于紧缠状态。
三、DNA的三级结构 DNA的分子结构 正超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数大于10，二级结构处于紧缠状态。 负超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数小于10，二级结构处于松缠状态。

59 DNA的分子结构 3、DNA超螺旋的生物学意义 增加了DNA的稳定性 可能与复制和转录的调控有关 三、DNA的三级结构