第3章核酸化学

绿色（苔黑酚法）
D-2-脱氧核糖＋
NH
H+
蓝色（二苯胺法）
核苷 核糖和碱基通过糖苷键连接形成核苷。
HOH2C O H OH H H OH base
核苷的结构：含N苷，β-苷
H
核糖的 C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9之间的通 过C-N糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。
C-N糖苷键对酸不稳定。
核 苷 核苷中戊糖与碱基的连接方式(C-N糖苷键)
2. RNA参与蛋白质的生物合成
负责遗传信息的表达， 转录DNA所载的遗传信息，并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、 发育、繁殖和遗传得以继续进行。
3. RNA具有多种功能：
1）控制蛋白质的合成； 2）作用于RNA转录后加工和修饰； 3）基因表达与细胞功能调节； 4）生物催化与其它细胞持家功能； 5）遗传物质信息的加工和进化
功能
DNA
主要的遗传物质，主要存在于细胞核 通过复制传递遗传信息至子代 通常为双链 含D-2-脱氧核糖、胸腺嘧啶特有成分
RNA
遗传信息表达分子，指导合成蛋白质 主要在核内合成，主要分布于细胞质 通常为单链 含D-核糖、尿嘧啶特有成分
mRNA:占全部RNA的5%，可以 作为合成蛋白质的 直 接模板。 tRNA：占全部RNA的15%，在 蛋白质合成中起转运AA的 功能。 rRNA：占全部RNA的80%，是 构成核糖体的成分，原核 细胞中有5S、16S、28S三 种，真核细胞中有5S、 5.8S、18S、28S四种。
——赫尔希和蔡斯
DNA病毒： 噬菌体 • 病毒分类（2）： RNA病毒： 如流感病毒，天花病毒， HIV(艾滋)病毒，SARS（非典病毒）， 乙肝病毒等。
怎样将 DNA 和蛋白 质区分 开, 单 独观察 他们的 作用？
DNA: C H O N
32P
标记噬菌体的方法： （1）标记细菌。在分 别含有放射性同位素 32P 和35S的培养基中培 养细菌 （2）标记噬菌体。用 上述细菌培养噬菌体， 分别制备含32P 和35S的 噬菌体。
第一节 核酸的组成成分
一.元素组成
C H O N P(9%-9.9%)
RNA:P-9%,
DNA:P-9.9%
通过测定P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）。任何核酸 都含磷酸，所以核酸呈酸性。
二. 分子组成及组成单位
腺嘌呤 嘌呤 鸟嘌呤 碱基 尿嘧啶 嘧啶 核苷 核苷酶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 核酸酶 核苷酸酶 核苷酸 核酸 核糖 戊糖 磷酸 脱氧核糖
H OC H2 H H
Ade O H H OC H3
OH
2'-O-甲基腺苷(Am)
稀有核苷
（3）由碱基与糖连接 方式特殊的核苷
H OC H2 H H OH OH O H 1' H O HN 5 O NH
糖苷键不是C-N 键，而是C-C键
假尿嘧啶核苷 (pseudouridine)
(ψ)
核苷的性质
稀有核苷
在核酸分子中的5种碱基可被化学修饰形成稀有碱基
稀有碱基在tRNA分子中比例最高，可大于10% 稀有碱基种类很多，但在核酸分子中的比例很低
稀有碱基大多是正常碱基的甲基化产物
核酸分子中的核糖也可能被修饰
修饰核苷(稀有核苷)包括三种情况:
（1）由修饰碱基和糖组成的核苷 （2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组 成的核苷 （3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷
RNA参与蛋白质的生物合成
中 心 法 则
RNA与生命起源
一Байду номын сангаас
生命是自我复制的体系 DNA代替了RNA的遗传信息功能 蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能
二
三
成为原始遗传基因的必要条件：
1
具备自我复制功 能；
蛋白质被排除
自身是复制的模
2
板；
3 具备催化复制反
应的功能
DNA被排除
RNA是最早的生命大分子
DNA代替了RNA的遗传信息功能
• DNA双链比RNA单链稳定 • DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧 啶，使之易于修复。 • 作为遗传载体则有可能储存大量的信息并 能更稳定的遗传
蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能
• 蛋白质化学结构的多样性与构象的多变 性；
• 与RNA相比，蛋白质能更为有效地催化 多种生化反应，并提供更为复杂的细胞 结构成分，逐渐演化成今天的细胞。
放射性很高
放射性 很低
被35S标记 的噬菌体
被35S标记的噬菌 体与细菌混合
搅拌 离心
放射性很低
放射性很高
被32P标记 的噬菌体 被32P标记的噬菌 体与细菌混合
• 赫尔希和蔡斯的实验表明：噬菌体在侵染细菌的时候，蛋白质外 壳留在细菌外面，DNA进入到细菌内部。子代噬菌体的各种性 状，是通过DNA 遗传的，DNA是真正的遗传物质。
RNA
携带遗传信息的能 力
酶的催化功能
唯一同时具备 了作为遗传物 质和功能载体 的能力
RNA
古界
1.核酸为主体的原始生命系统
2.RNA反转录建立了DNA系统
3.蛋白质介入
4.DNA-RNA-蛋白质系统的诞生
生命是自我复制的体系
• 生命起源中最早的生物大分子
• RNA的功能
• 由RNA催化产生了蛋白质
N
NH2
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)
• DNA中含有的碱基是：A T C G
RNA中含有的碱基是：A U C G • 紫外吸收的特性（共轭双键） 吸收波长：260nm 用于定量测定
几种稀有(修饰)碱基
主要存在于tRNA中
次黄嘌呤（I）
二氢尿嘧啶（D）
修饰碱基多是4种主要碱基的衍生物
碱基的性质
① 一般的物理性质 ② 互变异构现象
O HN O C N N H
uracil 酮式
OH C
HO
N
uracil 烯醇式
③ 碱基的紫外吸收
最大吸收峰在260nm附近
戊 糖
HO CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
一.
1944年，O.T.Avery的肺炎双球菌转化实验
S型细菌
菌体 菌落 毒性 形态 有多糖类的荚膜 光滑 有毒性
R型细菌
没有多糖类的荚膜 粗糙 没有毒性
（一）肺炎双球菌的转化实验
1.将无毒性的R型活细菌注射 到小鼠体内，不死亡。
2.将有毒性的S型活细菌注射到 小鼠体内，患败血症死亡。
3.将加热杀死后的S型细菌注 射到小鼠体内，不死亡。 4.将无毒性R型活细菌与加热杀死 后的S型细菌混合后注射到小 鼠体内，小鼠患败血症死亡。 格里菲斯推论： 已经加热杀死的S型细菌中必然含有某种转化因子，这种转化 因子能将无毒的R型活菌转化为有毒的S型活菌。
• 后来的研究证明，遗传物质除了DNA以外还有 RNA。有些病毒不含DNA，只含有蛋白质和RNA， 如烟草花叶病毒。在这些病毒中，RNA是遗传物 质。
RNA是遗传物质的证据
烟草花叶病毒 感染烟草 提取蛋白质 提取RNA
二、核酸的种类、分布和功能
核酸的种类和分布
核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）
蛋白质：C H O N 35S
同位素示踪法：用具有放射性的同位素标记某种物质， 从而跟踪某种物质的方法，也叫同位素示踪法。
实验方法步骤
（1）标记细菌 （2）标记噬菌体（一组用32P 标记DNA,一 组用35S 标记蛋白质） （3）噬菌体侵染细菌 （4）搅拌离心：上清液（培养液） 沉淀物（大肠杆菌） （5）观察放射性分布
基因 转录
翻译
多肽 折叠
活性蛋白
DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA)
DNA和RNA的结构异同
性质 戊糖 碱基 RNA D-核糖 A 、 G、 C 、 U DNA 2′-D-脱氧核糖 A 、 G、 C 、 T
多聚核苷酸链的数目
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
H
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
碱水解
HOH2C RNA OH 水解 H H O P O OH O H H O base
2′-核苷酸 3′-核苷酸 混合物
颜色反应
CH3
D-核糖＋浓HCl ＋
HO OH
FeCl3
双螺旋 种类 功能 碱溶液下的稳定性
多为单链
A型 多种 功能多样 不稳定，很容易水解
多为双链
B型和Z型 只有一种 一种功能:充当遗传物质 稳定
核酸的生物功能
1. DNA是主要的遗传物质
是生命遗传的物质基础， 其基本功能是作为遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存 和遗传，并作为基因的复制和转录的模板。（基因是 DNA链上的一段核苷酸片段，是DNA功能的最小单位。）
真核
98％核中（染色体） 线粒体（mtDNA） 核外 质粒（plasmid） 叶绿体（ctDNA） 拟核
DNA 原核
核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒
RNA
mRNA (5%) 真核 tRNA (10-15%) rRNA（80%） SnRNA(核内） sRNA SnoRNA(核仁） mRNA ScRNA(胞内) 原核 tRNA rRNA 病毒：RNA病毒
（二）著名的肺炎球菌转化试验
1944年由 Avery等完成的，它证明了生物遗传特性 发生改变的转化因子是DNA，而不是蛋白质。
（三）噬菌体转化试验
核酸的发现及研究简史
1868年 F. Miescher 核酸的发现 早期研究 Watson &Crick DNA双螺旋结构的建立 生物技术 人类基因组计划
（1）物理性质 （2）互变异构现象
NH2 N N HOH2C H OH O 1' H H H OH N 9 N
NH2 N O HOH2C H OH O 1' H H H H 1 N
腺嘌呤核苷 (adenosine)
胞嘧啶脱氧核苷 (deoxycytidne)
核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR
核酸的组成单位：核苷酸 核酸的分子组成：碱基，戊糖，磷酸
基本组成单位：核苷酸
核苷酸 核酸 核苷
磷酸
戊糖
碱基
核苷酸的组成
碱 基（base）：又称含氮碱
N
NH2 N
嘌呤(purine)
N 7 8 9 NH
NH N
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
结论：DNA才是使R型细菌发生稳定遗传变化的物质， 即DNA是遗传物质。而蛋白质不是遗传物质。
二、噬菌体侵染细菌的实验
——DNA是遗传物质的证据
• 噬菌体：是一种病毒。 • 病 毒： 一类无细胞结构的生物，必须生活在活细胞中。
• 病毒分类（1）：
结构简单，化学成分是蛋白质和核酸(DNA或RNA )。 植物病毒: 烟草花叶病毒（TMV） 动物病毒: 细菌病毒： HIV, SARS病毒 噬菌体
稀有核苷
（1）由修饰碱基和糖组成的核苷
O HN O N R
5,6-dihydrouridine (D or hU)
H H H H
H N N N
CH3 N N dR
NH2 N O N dR
5-Methyl-dC
5-甲基脱氧胞苷
CH3
二氢尿嘧啶核苷
N6-Methyl-dA
稀有核苷
（2）由非修饰碱基和2′-O-甲基核糖组成的核苷
1953年
作为遗传物质所必须具备的特点
1. 能够准确地复制自己,传递给下一代.
2.结构比较稳定;
3.能贮存大量的遗传信息; 4. 能够指导蛋白质的合成, 从而控制生物的性状和代谢.
1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种 酸性物质，即现在被称为核酸的物质。
and
可分离
证明DNA是遗传物质
第3章
核酸
NH2 CH3 N
+
NH2 N N N
+
NH2 N N R CH3 N
+
N N N R
N CH3
+
N O HN H2N N
+
N R
CH3 O N HN N
NH2 CH3 O N
+
N R
CH3
H2N
N R
N R
核酸：是以核苷酸为基本组成单位的生物信息分子
（一）核酸的发现
1868年瑞士科学家F.Miescher从 外科绷带上脓细胞的细胞核中分 离得到。但其生物学作用是在70 年后才得到证明。
噬菌体侵染细菌的过程
噬菌体的结构 噬菌体侵染细菌过程 噬菌体借尾丝吸附在细菌表面 把DNA注入到细菌细胞 利用细菌的化学成分和酶系统合 成出噬菌体的DNA、蛋白质 新合成的DNA、蛋白质组装 成很多噬菌体 细菌解体，释放出噬菌体
吸附 注入
合成 组装 释放
结论：DNA是遗传物质，蛋白质不是遗
传物质。