第5章核酸的化学

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1951年,Pauling提出了蛋白质的 α-螺旋结构。
46
1950 Chargaff's rules
1. the content of purines was always
equal to the content of pyrimidines.
2. the amounts of adenine and thymine
47
1952年,Wilkins 和Franklin用高度 定向的DNA纤维 作出高质量的X-光 衍射照片
helical
10 layer Lines Between Cross Patterns (10 Residues Per turn)
48
1953年,Watson和Crick提出DNA的反向平 行双螺旋模型
次黄嘌呤
25
(二)戊 糖
5' CH2OH
O OH
4' H H 3'
H 2'
1' H
OH OH
β-D-呋喃核糖
核糖(ribose) (构成RNA)
5' CH2OH
O OH 4 ' H H 1' H 3' 2' H
OH H
β-D-2-脱氧呋喃核糖
脱氧核糖(deoxyribose) (构成DNA)
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(三)核 苷(nucleoside)
第五章
核酸的化学
Chemistry of Nucleic Acid
周珏宇
南方医科大学 基因工程研究所 生物化学与分子生物学教研室
教学要求
【教学课时】 4学时 【掌握内容】
常见核苷酸的结构、符号和性质;DNA和RNA的分子组成;核酸分 子中核苷酸的连接方式、键的方向性,核酸的一级结构及其表示法; DNA的二级结构的特点;掌握原核生物DNA的超螺旋结构;真核生 物染色体的基本单位-核小体的结构;DNA的生物学功能;RNA的种 类与功能;信使RNA和转运RNA的结构特点;tRNA二级结构的特点 与功能;DNA的变性和复性概念和特点;解链曲线与Tm。
1889年,奥尔特曼(R. Altmann)首次提出了核酸 (nucleic acid)的名称。 1885-1901年,Kossel等证实核酸由A、T、C、U 四种碱基。 1911-1934年Levene等确定了核酸有两种,一种是 脱氧核糖核酸(DNA),另一种是核糖核酸(RNA)。
6
格里菲斯实验
O C HN
OH C N
OC N
+ H+
酮式 NH2+
HN
烯醇式 NH2
+HN
NH2
N
+ H+
亚氨基
氨基
24
一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值,它们可以取 代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧 啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶 相应的核苷酸类似于胸苷酸,是一种潜在的胸苷酸合成酶的 抑制剂,胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。
1944年Avery等人通过肺炎 球菌转化实验证明DNA是携带遗 传信息的分子
9
DNA分子中贮存着遗传信息
Alfred Hershey 阿弗雷德·赫希(1908-1997) Martha Chase 切斯(1927–2003)
1952年,A.Hershey和M.Chase通过噬菌体感染实验 也证实DNA是遗传物质
OPO O-
碱基
CH2 O
H
H
H
H
O
H
DNA链的方向是5→3
O
碱基
OPO O-
CH2 O
H
H
H
H
H
O
核酸方向 碱基
交替的磷酸基团 和 戊 糖 构 成 了 DNA 的 骨架 (backbone)。
3´,5´-磷酸二酯键 O P O
O-
CH2 O
H
H
H
H
H
碱基
OPO O-
CH2 O
H
H
H
H
H
OH
3´-羟基
Friedrich Miescher 米歇尔(1844-1895)
1869年,瑞士科学 家F.Miescher从脓细 胞中提取到一种富含 磷元素的酸性化合物
5
Albrecht Kossel 科赛尔(1853-1927)
Phoebus Aaron Theodor Levene 列文(1869-1940)
酯键
NH2
N
N
O
5'
N
9 N
HO P O CH2 OHH
O
1'
H 2'
H
糖苷键
OH OH
腺苷酸
30
31
多磷酸核苷酸: NMP,NDP,NTP
NH2
N
N
O OO
9
N
N
-O Pγ O Pβ O Pα O CH2 O
O-
O-
O-
HH
1'
H 2'
H
OH OH
一磷酸腺苷(AMP)
二磷酸腺苷(ADP)
三磷酸腺苷(ATP)
10
11
12
RNA也是遗传物质
Alfred Gierer
Heinz Ludwig Fraenkel-Conrat
1956年吉尔(A.Gierer)和施拉姆(G.Schraman)发 现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA 1957年美国的弗伦克尔-康拉特(Fraenkel-Conrat) 和B.Singre用病毒重建实验证实了这一结论
44
2)1951年Pauling和Corey运用化学的定律来推 理,而不做具体的实验,建立了蛋白质的α-螺旋 模型; 3)晶体学者[美]J. Donoh & Chargaff的指点。 4)1952年底R.Franklin & Wilkins拍摄了DNA 结晶X衍射照片。
45
Linus Carl Pauling 鲍林(1901–1994)
• 基因的遗传信息的物质基础就是4种碱基 的精确排列顺序。
• 可以通过测定DNA序列来研究DNA所载的 信息及其功能。
42
二、 DNA的二级结构 ——双螺旋结构
43
(一)DNA双螺旋结构的研究背景
Watson & Crick建立双螺旋模型主要是受到4个方 面的影响: 1)1938年W.T.Astbury & Bernal用X衍射技术研 究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片, 并推断DNA分子的结构是: ①柱状; ②多核苷酸是一叠扁平的核苷酸; ③核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4埃。
核酸
核苷酸
核苷 磷酸
碱基 戊糖
DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。 RNA的基本组成单位是核糖核苷酸 。
18
一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位
(一)碱 基
嘌呤 碱基
嘧啶
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G) DNA、RNA均有
胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U)
DNA有 RNA有
每种核酸都含有四种碱基 。
37
脱氧核糖核酸和核糖核酸的比较
分类
核糖核酸 (ribonucleic acid,RNA)
戊糖
核糖
组 成
碱基
磷酸
A,G,C U
Pi(磷酸二酯键)
结构
单链,部分碱基互补,局部双 螺旋,三叶草形等
分布
细胞核(核仁), 细胞质(线 粒体、核蛋白体、胞液)
主要参与遗传信息的传递和表
生物功能 达过程,在蛋白质的生物合成
19
碱基
嘌呤(purine)
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
鸟嘌呤(guanine,
NH2
G)
20
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3N 612
NH
NH2
N
O
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O
H3C NH
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
NH
O
胸腺嘧啶(thymine, T) 21
嘧啶 嘌呤
22
稀有碱基
• 除了上述五类基本的碱基外,核酸中还有一些 含量甚少的碱基,称为稀有碱基。稀有碱基种 类极多,大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有 较多的稀有碱基。
生物体内游离存在的嘌呤碱基
23
五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基 的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸 碱环境的影响。
13
烟草花叶病毒是一种 RNA病毒,不含DNA,它 有一个圆筒状的蛋白质外 壳,由2130个相同的亚基 组成,内有一条RNA分子, 沿着内壁在蛋白质亚基之 间盘旋
14
Fraenkel-Conrat病毒重组实验
15
第一节 核酸的化学组成
16
核酸的分类及分布
脱氧核糖核酸
存在于细胞核和线粒体内。
(deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息,决定细胞和个
50
51
(二) DNA双螺旋结构模型要点
1. 两条链反向平行,围绕同 一中心轴构成右手双螺 旋 (double helix)。螺旋 直径2nm,表面有大沟 和小沟。
2. 磷酸-脱氧核糖骨架位于
螺旋外侧,碱基垂直于
螺旋轴而伸入内侧。每
圈螺旋含10.5个碱基对
(bp),螺距为3.4nm。
52
53
碱基平面与纵轴垂直,糖环平面与纵轴平行
【熟悉内容】
核蛋白体RNA的结构与功能;核酸分子杂交原理。
【了解内容】
了解核酸酶的分类与功能。
2
主要内容
1
核酸概述
2
核酸的化学组成
3
DNA的分子结构
4
RNA的分子结构
5 核酸的理化性质与分离纯化
3ห้องสมุดไป่ตู้
核 酸(nucleic acid)
是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。
4
核 素(nuclein)
体的遗传型(genotype)。
核糖核酸
存在于胞核、胞液和线粒体。
(ribonucleic acid, RNA) 参与遗传信息的复制与表达。
某些病毒RNA也可作为遗传信 息的载体。
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核酸的基本组成单位是核苷酸 (nucleotide)。
元素组成:C、H、O、N、P P元素的含量较多并且恒定,约占9~11%。
5’
3’ 5’
3’
40
核酸的表示方式
化学式
线条式
…PAPCPGPT… 或… PA-C-G-T… …ACGT…
文字式
多聚核苷酸链具有方向性,若不特别注 明,一般规定从5‘端书写至3’端。
双链DNA的两条链为反向平行,必须注
明各条链的走向。
41
• 生物的遗传信息贮存于DNA碱基序列中, 生物界的多样性即寓于DNA分子中的4种 脱氧核苷酸千变万化的精确排列顺序中。
32
环化核苷酸: cAMP,cGMP
NH2
N
N
N
N
O CH2 O
HH
HH
HO P O
OH
O cAMP
33
环 化 核 苷 酸 的 生 成
34
ATP 在 腺 苷 酸 环 化 酶 的 作 用 下 可 以 生 成 3, 5-环腺苷酸(cAMP),同样GTP在鸟苷酸环化酶 催化下也可生成3, 5-环鸟苷酸(cGMP)。通常 把激素称之第一信使,把cAMP(或cGMP)称之 第二信使。
Frederick Griffith 格里菲斯(1879-1941)
利用肺炎双球 菌感染小鼠的一系 列生物学实验,发 现了一种可以在细 菌之间转移的遗传 分子 ,即转化因子
7
SII→R
SIII
SI/SII/SIII
SIII
格里菲斯实验
8
DNA分子中贮存着遗传信息
Oswald Theodore Avery 埃弗里(1877-1955)
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Wilkins
Chargaff
提出DNA双螺旋模型的是年仅25岁的Watson和 37岁的Crick,但不要忘记Franklin及Chargaff等人 的贡献,正是由于Franklin拍摄的DNA X-射线衍射 图成就了Watson和Crick。1962年Watson、Crick 和Wilkins三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。
碱基和核糖(或脱氧核糖)通过糖苷键连 接形成核苷(或脱氧核苷)。
RNA
腺苷、鸟苷
DNA 脱氧腺苷、脱氧鸟苷
尿苷、胞苷 脱氧胸苷、脱氧胞苷
27
核糖核苷
脱氧核糖核苷
28
几种稀有核苷
29
(四)核苷酸(nucleotide)
核苷酸就是核苷的磷酸酯。是核苷中的戊糖
上C5'相连的羟基被磷酸分子酯化所形成的。
35
(四)核苷酸之间通过3, 5-磷酸二酯键连接
一个核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的 α- 磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键 (phosphodiester bond)
多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具 有方向性的线性分子,称为多聚核苷酸,即 DNA链或RNA链
36
5´-磷酸基团 O-
中起重要作用
脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid,
DNA) 脱氧核糖
A,G,C T
Pi(磷酸二酯键) 双链,碱基互补,双螺旋形
细胞核(染色质),细胞质 (线粒体) 是基因遗传与表达的载体,是 生物的主要遗传物质
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第二节 DNA的分子结构
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一、DNA的一级结构
DNA的一级结构是指脱氧核苷酸之间的连接方 式和排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同,所以也 称为碱基序列。
were always equal, as were the
amounts of guanine and cytosine.
Erwin Chargaff 查格夫(1905-2002)
provided a valuable confirmation of Watson and Crick's model.
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