第5章 核酸的化学

Erwin Chargaff 查格夫(1905-2002)
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helical
10 layer Lines Between Cross Patterns (10 Residues Per turn)
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
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【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。
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主要内容
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5
核酸概述 核酸的化学组成 DNA的分子结构 RNA的分子结构
核酸的理化性质与分离纯化
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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。
传信息的分子
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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
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RNA也是遗传物质
Alfred Gierer
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
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5´-磷酸基团
OO P OH O CH 2 O H O
碱基
DNA链的方向是5→3
和Wilkins三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。
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（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。
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。
次黄嘌呤
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（二）戊 糖
CH2OH O
4' 5' 5'
OH H H 2' OH
1'
CH2OH O
4'
OH H H 2' H
1'
H
3'
H
3'
H
H
OH
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。
生物体内游离存在的嘌呤碱基
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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。
O HN C N OH C N OC + H+
酮式 NH2+ HN 亚氨基
+
烯醇式 NH2 HN 氨基 N NH2 + H+
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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
格里菲斯实验
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
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SII→R
SIII
SI/SII/SIII
SIII
格里菲斯实验
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DNA分子中贮存着遗传信息
Oswald Theodore Avery 埃弗里（1877-1955）
1944年Avery等人通过肺炎 球菌转化实验证明DNA是携带遗
NH2 N N O 1' H H 2' OH N 9 N
O O O β γ α O P O P O P O CH2 O
-
O
-
O
-
H
H OH
一磷酸腺苷（AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP）
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环化核苷酸: cAMP，cGMP
NH2 N N O CH2 H HO P O H O cAMP
H H H
O O P OH O CH2 H
碱基
核酸方向
O H H H
交替的磷酸基团 和戊糖构成了DNA的 骨架 (backbone)。
O
碱基
CH2 O H H H H H
3´,5´-磷酸二酯键
O
P O-
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
H H H
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脱氧核糖核酸和核糖核酸的比较
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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%。 碱基
核苷 核酸 核苷酸 磷酸 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 。
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戊糖
一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位
（一）碱 基
1951年，Pauling提出了蛋白质的 α-螺旋结构。
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1950 Chargaff's rules
1. the content of purines was always equal to the content of pyrimidines. 2. the amounts of adenine and thymine were always equal, as were the amounts of guanine and cytosine. provided a valuable confirmation of Watson and Crick's model.
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)。
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Frederick Griffith 格里菲斯(1879-1941)
脱氧核苷酸千变万化的精确排列顺序中。
• 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。
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二、 DNA的二级结构 ——双螺旋结构
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（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。
OH
β-D-呋喃核糖
β-D-2-脱氧呋喃核糖
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
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（三）核 苷（nucleoside）
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 DNA
腺苷、鸟苷 脱氧腺苷、脱氧鸟苷
尿苷、胞苷 脱氧胸苷、脱氧胞苷
5’
3’ 5’ 3’
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核酸的表示方式
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。
化学式
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
腺嘌呤（A）
嘌呤
鸟嘌呤（G） 碱基 嘧啶 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 。
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碱 基
嘌呤(purine)
N
NH2
N
NH
N 7 8 9 NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
N
鸟嘌呤(guanine, G)
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Fraenkel-Conrat病毒重组实验
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第一节 核酸的化学组成
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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 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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核糖核苷
脱氧核糖核苷
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几种稀有核苷
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（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。
NH2
酯键
O
N N O
N 9 N
5' HO P O CH2 O
-
糖苷键
1' H H 2' OH
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H
H OH
腺苷酸
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多磷酸核苷酸： NMP，NDP，NTP
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
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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
4
核 素(nuclein)
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
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Albrecht Kossel 科赛尔（1853-1927）
Phoebus Aaron Theodor Levene 列文(1869-1940)
分类 戊糖
核糖核酸 （ribonucleic acid，RNA）
核糖 A,G,C U Pi（磷酸二酯键）
脱氧核糖核酸 （deoxyribonucleic acid， DNA）
脱氧核糖 A,G,C T Pi（磷酸二酯键）
组 碱基 成 磷酸 结构
分布 生物功能
单链，部分碱基互补，局部双 螺旋，三叶草形等
NH2
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嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3 C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)21
嘧啶
嘌呤
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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。
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N N
O H H OH
环 化 核 苷 酸 的 生 成
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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。
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（四）核苷酸之间通过3, 5-磷酸二酯键连接
1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平 行双螺旋模型
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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
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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。
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Linus Carl Pauling 鲍林(1901–1994)
细胞核（核仁）， 细胞质（线 粒体、核蛋白体、胞液）
双链，碱基互补，双螺旋形
细胞核（染色质），细胞质 （线粒体）
主要参与遗传信息的传递和表 达过程，在蛋白质的生物合成 中起重要作用
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wenku.baidu.com
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。