第三章 核酸化学

•1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的 有 机 物 ， 当 时 称 为 核素 （ nuclein）, 后称为核酸 （ nucleic acid） •1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质 •1953 Watson和Crick 提出DNA结构的双螺旋模型 •1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则(Central Dogma) •1962 Holley 遗传密码的确定 •70年代 建立DNA重组技术
鸟嘌呤（G） （2-氨基-6-氧嘌呤）
嘧啶
胞嘧啶（C）
尿嘧啶（U）
胸腺嘧啶（T）
（2-氧 ,4-氨基嘧啶） （2，4-二氧嘧啶） （5-甲基尿嘧啶）
戊糖
RNA
DNA
磷酸
H3 PO4 OH HO P OH O Pi
核苷（nucleoside）
5’
5’
4’ 3’ 2’
1’
4’ 3’ 2’
1’
(OH)
USA University of Wisconsin Madison, WI, USA 1922 -
USA National Institutes of Health Bethesda, MD, USA 1927 -
重组DNA的操作
1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初 由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族 基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、 结构和功能研究”，1998年在国家科技部的领导和牵线下，1998年在上海成 立了南方基因中心，1999年在北京成立了北方人类基因组中心，1998年，组 建了中科院遗传所。1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染 色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1％。
小 沟
大 沟
DNA的双螺旋结构稳定因素
氢键 (hydrogen bond) 碱基堆集力
(base stacking forces)
磷酸基上负电荷被胞内组蛋白
或正离子中和
碱基处于疏水环境中
DNA的双螺旋结构的意义
双螺旋结构的理论促进了近代核酸结构功能的研 究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献，被认为 是现代分子生物学诞生的标志。其深刻意义在于：1、
5 ´
3´
DNA一级结构的表示法
A
1´ 3´ 5´
C
T
G
OH 3´
p
p
p
p
5 ´ 3´
线条式 5′PAPCPGPCPTPGPTPAOH 3′ 5′ PACGCTGTAOH 3′ 字母式
结构式
模板 3 CCGGTAGCAACT ´´ GG 引物 5
5 3´ ´
D N A 酶 法 序 列 分 析 的 原 理
提出DNA双螺旋结构模型的根据
Chargaff定则 （1950s,E. Chargaff发现）
I. DNA碱基组成符合： A=T；G=C； A+G=T+C。 II. 不对称比率：A+T/G+C； 物种不同，DNA碱基组成不同； 物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比 率越相近似。 Ⅲ.具有种的特异性，没有器官和组织的特异性， 年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的 碱基组成。
•80年代 实施人类基因组计划（HGP）
•2002 我国的水稻基因组计划
1944年，Avery的转换转化实验
or and
可分离
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"
核酸的基本结构单位—核苷酸
1 核酸分子中核苷酸(nucleotide)的化学组成 与命名
(1) 碱基、核苷、核苷酸的关系 (2) 碱基、核糖、核苷酸的结构与命名 (3)稀有核苷酸 2 细胞内游离核苷酸及其衍生物
核苷酸的组成
碱基 核苷→→ 核酸→→核苷酸→→ 磷酸 戊糖
嘌呤
腺嘌呤（A） （6-氨基嘌呤）
第六节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术
核酸的组成
核酸的基本组成单位：核苷酸 主要组成元素：C、H、O、N、P P平均含量：9%~10%,可确定核酸含量
核酸的分类
脱氧核糖核酸 （DNA）
核 酸
核糖核酸 （RNA）
tRNA
mRNA rRNA snRNA 蛋 白 质 合 成 RNA加工
脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）:遗传信息 的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中， DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的 DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称 为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染 色体含一个双链环状DNA。 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要参与遗传信息 的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中， 少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储 存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染 性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分 子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。
(OH)
核苷酸（nucleotide）
H
腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate
鸟嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP） 尿嘧啶核苷酸（UMP）
脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate
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）
x-光衍射分析
20世纪40年代Astbury 1952年M.Wilkins
DNA双螺旋结构模型要点（1）
螺旋中的两条链反向平行，即其中一
条链的方向为5′→3′，而另一条链的 方向为3′→5′，两条链共同围绕一个 假想的中心轴呈右手双螺旋结构。
DNA双螺旋结构模型要点（2）
疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与 螺旋轴垂直，脱氧核糖平面与中心轴平行。 由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧 啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为 碱基互补。A和T之间形成两个氢键， G与C之 间形成三个氢键。
Francis Harry Compton Crick
James Dewey Watson
Maurice Hugh Frederick Wilkins
Great Britain Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain 1916 -
GGCCAT GGCCATCGT GGCCATCGTT
A
C
G
T
电 泳 方 向
3´ 5´ A T G C T A T A 读出模板 G 读出模板 C C G 互补序列 T 序列 A A T C G C G
5´ 3´
DNA的二级结构
Watson 和 Crick 于1953年提出了DNA 双螺旋结构模型，说明了DNA 的二级结构。 （即B型DNA）
P
P
P
P
腺嘌呤核苷酸 （AMP）
鸟嘌呤核苷酸 （GMP）
尿嘧啶核苷酸 （UMP）
胞嘧啶核苷酸 （CMP）
P
P
P
P
脱氧腺嘌呤核苷酸 （dAMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸 （dGMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸 （dTMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸 （dCMP）
几种稀有核苷酸
H3C CH3
H
5 H
CH3
假尿苷（）
二氢尿嘧啶（DHU）
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。
USA Harvard University Cambridge, MA, USA
Great Britain University of London London, Great Britain
1928 -
1916 -
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968
Am
m26G
细胞内游离核苷酸及其衍生物
• 多磷酸核苷酸
• 环核苷酸
• 辅酶类核苷酸 • 其它核苷酸衍生物
5´-NMP 5´-NDP 5´-NTP N=A、G、C、U
monophosphate
AMP Adenosine
5´-dNMP
5´-dNDP 5´-dNTP
Adenosine diphosphate Adenosine triphosphate
酶 反 应
dATP dCTP+ddATP dGTP dTTP
dATP dCTP+ddCTP dGTP dTTP
dATP dCTP+ddGTP dGTP dTTP
dATP dCTP+ddTTP dGTP dTTP
GGCCA GGCCATCGTTGA
GGC GGCC GGCCATC
GGCCATCG GGCCATCGTTG
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。一 级结构的走向的规定为5´→3´。 不同的 DNA 分子具有不同的核 苷酸排列顺序，因此携带有不同 的遗传信息。 一级结构的表示法 结构式，线条式，字母式 一级结构测定
第三章 核酸化学
主要内容
介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论 DNA 和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与
其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和
核酸研究的一般方法。
思考

目录
第一节 核酸概述 第二节 核酸的研究历史和重要性 第三节 核酸基本结构单位—核苷酸 第四节 DNA的分子结构 第五节 RNA的分子结构
"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 1922 - 1993
T-A碱基对
C-G碱基对
DNA双螺旋结构模型要点（3）
由于碱基对排列 的方向性，使得碱基 对占据的空间是不对 称的，因此，在双螺 旋的表面形成大小两 个凹槽，分别称为大 沟和小沟，二者交替 出现
2.0 nm
小 沟
大 沟
DNA双螺旋结构模型要点（4）
双螺旋横截面的直径约
2.0 nm
为2 nm，相邻两个碱基 平面之间的距离（轴距） 为0.34 nm，每10个核苷 酸形成一个螺旋，其螺 距（即螺旋旋转一圈） 的高度）为3.4 nm。
ADP
ATP
N=A、G、C、T
腺苷酸及其多磷酸化合物
cAMP
cGMP
辅酶
NAD、NADP
FAD
HSCoA
UDPG的结构
Байду номын сангаас
G
UDP
第三节 DNA的分子结构
一、 DNA 一级结构(primary structure)
二、 DNA的二级结构(secondary structure)
三、 DNA的三级结构(tertiary structure)