1-核酸的化学

23
核苷类似物 — 阿糖胞苷：治疗白血病
NH2 N HO CH 2 O N O
OH
OH
胞苷
阿糖胞苷
24
核苷酸
nucleotide
核苷中戊糖的羟基与磷酸 以磷酯键相连
P
OCH2 H
O
H
碱基
H
P
OCH2 H
O
H
碱基
H
H
OH
磷酯键
OH
磷酯键
H
OH
H
5’-核苷酸
一磷酸核苷 NMP
5’-脱氧核苷酸 一磷酸脱氧核苷 dNMP
NH N
NH
NH2
15
鸟嘌呤(guanine, G)
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T) 16
碱基的结构特征
• 含氮的杂环化合物；
• 可发生酮-醇互变异构，在生理条件下，以酮式为主；
3’，5’磷酸二酯键
A
末端： 5’末端（5’-磷酸基团）
3’末端（3’-羟基）
方向：
G
5’末端
3’末端
3´端
34
5’ P
二、DNA的一级结构：
DNA中脱氧核糖核苷酸的排
O
CH2 H H
O
碱基1
H H H
列顺序，又称碱基序列
P
O
• DNA的基本单位： dAMP dCMP • 书写方式
A G P P
dGMP dTMP
第三章 核酸的化学
Chemistry of Nucleic Acids
1
本章主要内容
核酸概述
General of Nucleic Acids — DNA/RNA
核酸的分子组成
Molecular Composition of Nucleic Acids
核酸的分子结构
Molecular Structure of Nucleic Acids
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。亲水磷酸、戊糖为骨架，疏水碱基向 内。
43
右手螺旋与左手螺旋
44
2.互补双链的碱基以氢键相连，A＝T,G＝C；每个
碱基对处于同一平面，碱基平面垂直于中心轴。
腺嘌呤 30.4 23.9 29.0 28.6 28.0 24.7
胸腺嘧啶 30.1 28.7 28.7 28.4 28.4 23.6
鸟嘌呤 19.6 21.1 21.2 21.4 22.0 25.7
胞嘧啶 19.9 20.9 21.2 20.4 21.6 25.7
37
2、Chargaff规则：
所有DNA分子中，A%＝T%
1. DNA是遗传的物质基础 2. Chargaff规则 3. DNA 分子X射线衍射分析
4. 双螺旋结构模型的建立
36
1952年，Erwin Chargaff等人采用纸层析及紫外吸收技术 测定了多种生物DNA的碱基组成
不同来源的DNA碱基组成（摩尔%）
DNA来源 人 绵羊 公牛 大鼠 母鸡 大肠杆菌
O
H
碱基
H
OH
H
12
5’-核苷酸
5’-脱氧核苷酸
核苷酸的组成及结构
磷酸 phosphate
戊糖 pentose
碱基 base
13
核苷酸中的碱基成分 (base)
嘌呤(purine)： 腺嘌呤（adenine, A）
N 7 8 9 NH 5 4 6 3 N 1N 2
鸟嘌呤（guanine, G）
G%＝C% （嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数） 提示：A与T配对， G与C配对 不同生物的DNA碱基组成不同 同一生物体的DNA碱基组成没有组织器 官特异性 这些结果后来为DNA的双螺旋结构 模型提供了一个有力的佐证。
Erwin Chargaff （1905－1995）
38
3、 DNA 分子X射线衍射照片（1951年）
5’脱氧核苷酸 脱氧腺苷酸（dAMP） 脱氧鸟苷酸（dGMP） 脱氧胞苷酸（dCMP） 脱氧胸苷酸（dTMP）
27
D N A
A G C
脱氧鸟苷
脱氧胞苷 脱氧胸苷
T
核苷酸名称中的缩写符号
脱氧 d 碱基 A 磷酸基数目 M 磷酸 P
G T
C U
D T
28
体内重要的游离核苷酸及其衍生物
（一）多磷酸核苷酸
核酸的理化性质
Physico-chemical Properties of Nucleic Acids
2
第一节
核酸的一般概述
核酸的发现与研究简史
1868年，24岁的瑞士外科医生 米歇尔（Miesher F. ），首先从
脓细胞的细胞核中分离出核素
（nuclein），实际是核蛋白。
Friedrich Miescher （1844-1895）
6
核酸的发现与研究简史
1952年，赫希尔（Hershey, A.D. ）和蔡斯(Chase, M.)，
用同位素标记法进行噬菌体实验，进一步证明DNA是遗 传的物质基础。
7
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969 was awarded jointly to Max Delbrück, Alfred D. Hershey and Salvador E. Luria "for their discoveries concerning the replication mechanism and the genetic structure of viruses".
• 含共轭双键， 250-280nm 波长有光吸收（ A260 定量）
O N N
OH
NH N
NH
N
NH 2
NH
N
NH2
鸟嘌呤(酮式)
鸟嘌呤(醇式)
17
稀有碱基：
黄嘌呤（xanthine, X） 次黄嘌呤（hypoxanthine, I） 5-甲基胞嘧啶（m5C） 双氢尿嘧啶（DHU）等
X
I
• DNA甲基化 • RNA（特别是tRNA）含有稀有碱基
Max Delbrück
Alfred D. Hershey
Salvador E. Luria
8
关注诺贝尔奖
http://www.nobelprize.org/
9
1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构
1968年 Nirenberg发现遗传密码
1973年 体外融合不同质粒，促进基因工程技术发展 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术（1993年诺贝尔化学奖） 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)
（构成RNA）
2－脱氧核糖
deoxyribose
（构成DNA）
20
核苷
碱基和戊糖通过N-C糖苷键缩合而成
HOCH2
nucleoside
O
碱基 糖苷键
H H
核苷
H
H
OH
OH
HOCH2
O
H
碱基
脱氧核苷
H H
糖苷键
H
OH
H
21
各种嘌呤N9－C1’核糖（2-脱氧核糖）
核苷（脱氧核苷） 各种嘧啶N1－C1’核糖（2-脱氧核糖） O
球菌转化实验，发现“转化因子”的存在。
1944年, Avery O.T. ，证明“转化因子”就是核酸 (DNA)， DNA作为遗传物质将肺炎双球菌由R型转化为S型。
5
肺炎双球菌转化实验
R型 S型
S型加热
S型加热+R型
The Significance of Pneumococcal Types. F Griffith J Hyg (Lond), January 1, 1928; 27(2): 113-59.
NDP NTP
(A，G, C, U） dNDP dNTP (A，G, C, T）
ATP
29
NH2 N O N
N
NH2
O
O CH2 N O N
O O CH2 N O N
N
HO P
OH
HO P O P OH
OH
OH OH
OH OH
AMP
N
NH2
ADP
O OH
O OH
O O CH2 N O N
N
HO P O P O P
1996年克隆羊“多利”诞生，尝试动物克隆技术
2003年 美、英、法、中等国共同完成人类基因组计划 2003年 启动功能基因组学研究
10
核酸的种类：
DNA （脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid） RNA （核糖核酸 ribonucleic acid）
核酸在细胞内的分布：
25
O
NH
碱基
N N
酯键
N
N H
HN O N H
H2O 糖苷键
O
磷酸 O P OH
OHCH2 O
OH
O
H2O
OH OH （或H）
戊糖
26
核苷酸的命名
碱基 核苷 腺苷 鸟苷 5’核苷酸 腺苷酸（AMP） 鸟苷酸（GMP）
R N A
A
G
C U
胞苷
尿苷
胞苷酸（CMP）
尿苷酸（UMP）
碱基
核苷 脱氧腺苷
18
碱基的修饰
Law JA, Jacobsen SE. Dynamic DNA methylation. Science, 2009; 323: 1568 - 1569.
19
戊糖 (pentose)
HO CH2 O
1´ 3´ 2´
OH
HO
5´
CH2 O
OH
4´
OH
OH
OH
H
核糖 ribose
NH2 H
N N H
9
N H
H N
H O N H
1
H H
N
腺嘌呤 HOH2C5′ O
4′ 3′
2′
尿嘧啶 HOH2C5′ O
4′
OH
1′
OH
2′ 1′
3′
OH OH 核 腺糖 苷
OH OH
核 糖 尿苷
22
NH2 N
胞苷（CR）
HO
CH 2
1
O N
1´
O
OH
OH
核苷：AR, GR, CR , UR 脱氧核苷：dAR, dGR, dCR, dTR
3
4
核酸的发现与研究简史
1889年，生化学家 Richard Altmann（Miescher的学生） 从酵母和动植物组织中终于制备出纯净的、不含蛋白质的细 胞核中的酸性物质，将其称为核酸（Nucleic Acid）。 1928年，生理学家格里菲斯（Griffith,J.），通过肺炎双
嘧啶(pyrimidine)：胞嘧啶（cytosine, C）
5 4 3 2 N
胸腺嘧啶（thymine, T）(DNA) 尿嘧啶（uracil, U）(RNA)
6 1 NH
14
NH2 N N
N 7 8 9 NH
NH
N
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
嘌呤(purine)
OH
ATP
OH OH
30
多磷酸核苷酸的功能
• 能量物质 ATP （能量“货Hale Waihona Puke Baidu”）
• 参与合成代谢
UTP（糖原的合成）；GTP（蛋白质和嘌呤的合成） CTP（磷脂的合成） • 合成核酸的原料 NTP（RNA） dNTP（DNA）
31
（二）环化核苷酸
3’，5’-环化腺苷酸 cAMP 第二信使
3’，5’-环化鸟苷酸 cGMP
41
2013年4月25日，Nature杂志以“DNA: Celebrate
the unknowns”为题，指出发现DNA双螺旋60年后， 我们对DNA依然了解不多。
发 现 有 更 多 的 未 解 之 谜
发 现
双 螺 旋 60 年 ，
42
Nature, 2013; 496: 419-420
DNA
（二）DNA 双螺旋结构要点
DNA：细胞核，线粒体 RNA：细胞核，细胞质
核酸的功能：
DNA：遗传信息的贮存 RNA：遗传信息的表达
11
第二节 核酸的分子组成
核酸的元素组成
（9% ~ 10%） C，H，O，N， P
核酸的基本结构单位 — 核苷酸（nucleotide）
P
OCH2 H H OH
O
H
碱基
H
P
OCH2 H H OH
T P OH 3’
O
CH2 H H O
O
碱基2
H H H
C
P
T
P
A
(1) (2)
5’ P 5’ pA
P
O
CH2 H
pG pC pT pA pT 3’
O
H
碱基3
H H
35
(3) 5’ A G C T A T 3’
3’
OH
H
三、DNA的空间结构
（一）DNA的二级结构 ——双螺旋结构模型
DNA双螺旋结构研究的背景
3’, 5’-环化腺苷酸
3’, 5’-环化鸟苷酸
32
（三）含核苷酸的生物活性物质
辅酶I（NAD+）
辅酶II（NADP+）
辅酶A（CoA-SH） 均含腺苷酸 （AMP）
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）
参与生物氧化、物质代谢
Have a rest
33
第三节 DNA的分子结构
5´端 C
一、核苷酸的连接方式
DNA 分子 X射线衍射照片
Watson
39
4．DNA双螺旋结构模型（DNA double helix）
由James Watson & Francis Crick于1953年提出
40
In 1962, Maurice Wilkins（左1）, Francis Crick(左3) and James Watson（左5） were awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine.