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.

Presentation on theme: "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."— Presentation transcript:

1 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

2 第一节 概述 研究史： 1869 J. F. Miescher nuclein 1889 Altmann nucleic acid
第一节 概述 研究史： 1869 J. F. Miescher nuclein 1889 Altmann nucleic acid 1909 W. Johannsen gene 1910 T. H. Morgan role of the chromosome in heredity 1941 G. W. Beadle , E. L. Tetum one gene one enzyme 1944 O.Avery diplococcus pneumoniae transform 1953 J.Watson F.Crick DNA double helix 1966 R. W. Holley et al interpretation of the genetic code 1991 USA the Human Genome Project 1997 L. Wilmut et.al Dolly sheep 2001 USA, UK, France, Germany, Japan and China Human Genome Mapping 2002 Jun Yu et al Draft Sequence of the Rice Genome

3 James Watson (left) and Francis Crick

4 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material" Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson Maurice Hugh Frederick Wilkins Great Britain USA Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain Harvard University Cambridge, MA, USA University of London London, Great Britain 1916 - 1928 -

5 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968
"for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis" Robert W. Holley Har Gobind Khorana Marshall W. Nirenberg    USA Cornell University Ithaca, NY, USA University of Wisconsin Madison, WI, USA National Institutes of Health Bethesda, MD, USA 1922 - 1927 -

6 人类基因组计划 Human Genome Project
１９９０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。

7 COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this issue, two separate research groups report draft sequences of two strains of rice--japonica and indica. In addition, the Editorial, News Focus, Letters, and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the world's population. [Image: Liwen Ma and Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute] 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。

8 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

9 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

10 第二节 核酸的水解与组成 一、核酸的水解产物* 磷酸（P） 核酸 单核苷酸 （B-R-P） 戊糖（R） 核苷（B-R） 碱基（B） 水解
第二节 核酸的水解与组成 一、核酸的水解产物* 磷酸（P） 水解 水解 核酸 单核苷酸 （B-R-P） 戊糖（R） 水解 核苷（B-R） 碱基（B）

11 戊糖： 核糖 脱氧核糖

12 碱基（base)： 嘧啶(pyrimidine) 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)

13 嘌呤 鸟嘌呤（G） （2-氨基-6-氧嘌呤） 腺嘌呤（A） （6-氨基嘌呤）

14 嘧啶 胸腺嘧啶（T） （5-甲基尿嘧啶） 尿嘧啶（U） （2，4-二氧嘧啶） 胞嘧啶（C） （2-氧 4-氨基嘧啶）

15 两类核酸的基本成分*

16 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。

17 9 1 1 1 腺嘌呤核苷 （腺苷） 胞嘧啶脱氧核苷 （脱氧胞苷）

18 2.核苷酸 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。

19 腺嘌呤核苷酸 （腺苷酸） 脱氧胞嘧啶核苷酸 （脱氧胞苷酸）

20 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；
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（ cyclic AMP, cAMP）,环鸟苷酸（cyclic GMP, cGMP）; 重要代谢中间物：PAPS、SAM、UDPG、UDPGA、CDP-胆碱（乙醇胺）等

21 *    AMP ADP ATP

22 5  3  3 ,5 -cAMP

23 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。
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), 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。

24 5'末端的 磷酸基团 G 核苷酸链 （一级结构） A 3'，5'–磷 酸二酯键 A T 3'末端的 羟基 T OH

25 5´ G C A T T 3 ´ G C A T T 5 ´ 3´ OH P P P P P 5 ´ pGpCpApTpT-OH 3´

26 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。

27 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；
[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）

28

29 0.34nm 3.4nm Major Groove Minor groove 2nm

30 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´）；
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0.34 nm 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-stacking force）

31 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。

32 大沟 小沟 沟 大沟 小沟 Z-DNA B-DNA A-DNA

33 三链DNA（triple helix DNA） 又称H-DNA

34 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（Hoogsteen base pairing）形成三碱基体:T-A-T ，C-G-C。 作用：还不清楚

35 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。

36 （二）真核生物DNA分子高级结构：多层次压缩包装

37

38

39 Chromosome chromatid

40 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）

41 动物细胞内主要RNA的种类与功能 二、 RNA的结构与功能 细胞核和胞液 线粒体 功能
细胞核和胞液 线粒体 功能 核蛋白体RNA rRNA mt rRNA 核蛋白体的组分 信使RNA mRNA mt mRNA 蛋白质合成膜板 转运RNA tRNA mt tRNA 转运氨基酸 不均一核RNA HnRNA mRNA的前体 小核RNA SnRNA 参与HnRNA的剪 接、转运 小核仁RNA SnoRNA rRNA的加工、 修饰 小胞质RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定 位合成的信号识别体的组分

42 RNA secondary and tertiary structures
RNA secondary and tertiary structures. (a) Stem-loops, hairpins, and other secondary structures can form by base pairing between distant complementary segments of an RNA molecule. In stem-loops, the single-stranded loop (dark red) between the base-paired helical stem (light red) may be hundreds or even thousands of nucleotides long, whereas in hairpins, the short turn may contain as few as 6 – 8 nucleotides. (b) Interactions between the flexible loops may result in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot. This tertiary structure resembles a figure-eight knot, but the free ends do not pass through the loops, so no knot is actually formed.

43 1.tRNA的结构与功能* 结构特点: 稀有碱基：DHU 、T、、mG和 mA等；
倒“L”型三级结构

44 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
9 1 1 5 1 1 1 1 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 )

45 三叶草模型

46 a.酵母的一级结构与二级结构 b.tRNA 的倒L型三级结构 CCA末端 DHU环 反密码子环 反密码子 Tψ环 DHU环 Tψ环
3´ OH ACCA CCA末端 Tψ环 5´P C- G U- A C- G U G DHU环 C- G G-C C U Am DHU环 C G C G C G G C C G UA D G A C A D C G C G Gm C C T φ Gm Cm G D D D A A A D G G C G A Tψ环 A U A U G C A φ C A U A G A 反密码子环 U 反密码子环 反密码子 a.酵母的一级结构与二级结构 b.tRNA 的倒L型三级结构

47 2.mRNA的结构 真核生物mRNA： 5 ´帽子结构 密码子 3 ´多聚A尾 5´ 3´ m7Gppp ……………… AAAA ……An
AUG GUG UAA 5 ´非编码区 编码区 ´非编码区

48 5 5 (m6A.A.G.C.U) (m6A.A.G.C.U) mRNA的5帽子结构—m7GpppNm

49 3.rRNA的结构 原核生物 16S rRNA 真核生物18S rRNA

50 50S 70S 30S 60S 80S 40S 31 proteins 23S RNA 5S RNA 21 proteins 16S RNA

51

52 第五节 核酸的理化性质 一、核酸的酸碱性质 具有较强酸性，pI较低 二、核酸的紫外吸收 260nm特征性吸收峰
增色效应：核酸在加热变性过程中260nm波长吸收值（ A260 ）增加； * 减色效应：核酸在复性过程中260nm波长吸收值（ A260 ）减小。 *

53 三、核酸的变性、复性与杂交* 1.核酸的变性：在某些理化因素作用下（温度、酸碱、有机溶剂、尿素等），核酸分子互补双链之间氢键断裂，使双螺旋结构松散变成单链的过程。变性产生增色效应。 2.核酸的复性：又称退火，变性核酸在一定条件下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互补链重新恢复天然的双螺旋构象。

54 The denaturation and renaturation of double-stranded DNA molecules

55 3. 杂交：不同来源的核酸经变性和复性的过程，其中一些不同的核苷酸单链由于存在局部碱基互补片段，而在复性时形成杂化双链，此过程称分子杂交。
加热 退火

56 分子探针:带有某种标记物的分子，如核苷酸链片段； 分子杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，有广泛的应用价值。
加热 退火            

57 考试题型： 1.名词解释（15%） 2.填空题（15%） 3.命名有机化合物（20%） 4.写出有机化合物结构（20%）
5.写出有机化学反应主要产物（20%） 6.问答或计算（10%）