1、第十二章第十二章 核酸化學(xué)核酸化學(xué)n第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n第二節(jié)第二節(jié) 核酸的水解和組成核酸的水解和組成n第三節(jié)第三節(jié) 體內(nèi)某些重要核苷酸體內(nèi)某些重要核苷酸n第四節(jié)第四節(jié) 核酸的構(gòu)造核酸的構(gòu)造n第五節(jié)第五節(jié) 核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n研討史：研討史：n1869 J. F. Miescher nucleinn1889 Altmann nucleic acid n1909 W. Johannsen genen1910 T. H. Morgan role of the chromosome in heredityn1941 G. W. Beadle , E. L. Te

2、tum one gene one enzymen1944 O.Avery diplococcus pneumoniae transformn1953 J.Watson F.Crick DNA double helixn1966 R. W. Holley et al interpretation of the genetic code n1991 USA the Human Genome Projectn2019 L. Wilmut et.al Dolly sheepn2019 USA, UK, France, n Germany, Japan and China Human Genome Ma

3、ppingn2019 Jun Yu et al Draft Sequence of the Rice Genome James Watson (left) and Francis CrickFrancis Harry Compton Crick James Dewey Watson Maurice Hugh Frederick Wilkins Great Britain USA Great Britain Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain Harvard University Cambridge, MA, USA U

4、niversity of London London, Great Britain 1916 - 1928 - 1916 - for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962Robert W. Holley Har Gobind Khorana Marshall W. Nire

5、nberg USA USA USA Cornell University Ithaca, NY, USA University of Wisconsin Madison, WI, USA National Institutes of Health Bethesda, MD, USA 1922 - 19931922 - 1927 - The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis 人類基

6、因組方案人類基因組方案Human Genome ProjectHuman Genome Projectn年月：被譽(yù)為生命科學(xué)年月：被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月方案的阿波羅登月方案的HGPHGP啟動(dòng)。啟動(dòng)。n年月：美國(guó)科學(xué)家克里格年月：美國(guó)科學(xué)家克里格文特創(chuàng)建的塞萊拉遺傳公司，文特創(chuàng)建的塞萊拉遺傳公司，目的是投入億美圓，到年繪制出完好的人體基因組圖譜，目的是投入億美圓，到年繪制出完好的人體基因組圖譜，與國(guó)際與國(guó)際HGPHGP展開競(jìng)爭(zhēng)。展開競(jìng)爭(zhēng)。n年月日：國(guó)際年月日：國(guó)際HGPHGP結(jié)合研討小組宣布，他們完好地破譯結(jié)合研討小組宣布，他們完好地破譯出人體第對(duì)染色體的遺傳密碼。出人體第對(duì)染色體的遺傳密碼

7、。n年月日：當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾發(fā)年月日：當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾發(fā)表結(jié)合聲明，呼吁將人類基因組研討成果公開，以便世界各國(guó)科學(xué)家表結(jié)合聲明，呼吁將人類基因組研討成果公開，以便世界各國(guó)科學(xué)家都能自在地運(yùn)用這些成果。都能自在地運(yùn)用這些成果。n年月：國(guó)際年月：國(guó)際HGPHGP完成時(shí)間估計(jì)從原定的年月提早完成時(shí)間估計(jì)從原定的年月提早至年月。至年月。n年月日：科學(xué)家公布人類基因組年月日：科學(xué)家公布人類基因組“任務(wù)框架圖。任務(wù)框架圖。n年年2 2月：國(guó)際月：國(guó)際HGP(HGP(美、英、日、德、法和中國(guó)美、英、日、德、法和中國(guó)) )的科學(xué)家和美的科學(xué)家和美國(guó)塞萊拉公司分別宣布完成

8、繪制人類基因組測(cè)序草圖。分別在國(guó)塞萊拉公司分別宣布完成繪制人類基因組測(cè)序草圖。分別在1515日出日出版的版的和和1616日的日的公布。公布。青山烘托之下，是一片金燦燦青山烘托之下，是一片金燦燦的中國(guó)水稻梯田。的中國(guó)水稻梯田。20192019年年4 4月月5 5日以中國(guó)梯田為封面的日以中國(guó)梯田為封面的 ScienceScience雜志以雜志以1414頁(yè)篇幅率先發(fā)頁(yè)篇幅率先發(fā)表了一個(gè)艱苦成果表了一個(gè)艱苦成果中國(guó)人獨(dú)中國(guó)人獨(dú)立完成的論文立完成的論文，顯，顯示對(duì)中國(guó)科學(xué)家成就充分一定。示對(duì)中國(guó)科學(xué)家成就充分一定。COVER Photograph of the Honghe Hani rice terr

9、aces 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 worlds population. Image: Liwen Ma and

10、 Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute一、核酸的分類一、核酸的分類* 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸DNA 核糖體核糖體RNA 核糖核酸核糖核酸RNA 轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA 信使信使RNA二、核酸的生物功能二、核酸的生物功能 * 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸DNA：遺傳信息：遺傳信息的載體的載體 核糖體核糖體RNA ：蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所 核糖核酸核糖核酸RNA 轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸運(yùn)氨基酸 信使信使RNA：轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)錄遺傳信息，錄遺傳信息， 指點(diǎn)蛋白質(zhì)合成指點(diǎn)蛋白質(zhì)合成第二節(jié)第二節(jié) 核酸的水解與組成核酸的水解與組成一、核酸的水解產(chǎn)物一、核酸的水解產(chǎn)物*

11、 OOHOHOHHHHHOCH2H12345OOHHOHHHHHHOCH212345核糖核糖 脫氧核糖脫氧核糖戊糖：戊糖：堿基堿基base)base)：腺嘌呤腺嘌呤 (adenine, A) (adenine, A) 鳥嘌呤鳥嘌呤 (guanine, G) (guanine, G) 胞嘧啶胞嘧啶 (cytosine, C)(cytosine, C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T) (thymine,T) 尿嘧啶尿嘧啶 (uracil,U) (uracil,U) 嘌呤(purine) 嘧啶嘧啶(pyrimidine)NHNNN123456789NNNHNONH2NNNNNH2嘌呤嘌呤 腺嘌

12、呤腺嘌呤A A6-6-氨基嘌呤氨基嘌呤 鳥嘌呤鳥嘌呤G G2-2-氨基氨基-6-6-氧嘌呤氧嘌呤NN123456嘧啶嘧啶NNHNH2ONHNHOOCH3NHNHOO 胞嘧啶胞嘧啶C C2-2-氧氧 4-4-氨基嘧啶氨基嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶T T5-5-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶 尿嘧啶尿嘧啶U U 2 2，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶RNADNA磷磷酸酸磷磷酸酸磷磷酸酸戊戊糖糖D-核核糖糖D-2-脫脫氧氧核核糖糖嘌嘌呤呤堿堿 腺腺(A)、鳥鳥(G) 腺腺(A)、鳥鳥(G)嘧嘧啶啶堿堿 胞胞(C)、尿尿(U) 胞胞(C)、胸胸腺腺(T)二、核酸的組成二、核酸的組成 核苷、核苷酸核苷、核苷酸1.1.核苷核

13、苷核苷核苷 = = 堿基堿基 + + 戊糖戊糖銜接方式：糖苷鍵嘌呤環(huán)上的銜接方式：糖苷鍵嘌呤環(huán)上的N-9N-9或嘧啶或嘧啶環(huán)上的環(huán)上的N-1N-1與糖的與糖的C-1C-1以糖苷鍵相連。以糖苷鍵相連。NNNNOOHOHNH2HOCH2腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷 腺苷腺苷胞嘧啶脫氧核苷胞嘧啶脫氧核苷脫氧胞苷脫氧胞苷19NNNH2OHOHOHOCH211核苷酸核苷酸 = = 核苷核苷 + + 磷酸磷酸銜接方式：磷酸酯鍵銜接方式：磷酸酯鍵 糖環(huán)上一切游離羥基核糖的糖環(huán)上一切游離羥基核糖的C-2C-2、 C-3C-3、C-5C-5及脫氧核糖的及脫氧核糖的C-3C-3、C-C-5 5 均能與磷酸發(fā)生酯化結(jié)合。生

14、物均能與磷酸發(fā)生酯化結(jié)合。生物體內(nèi)多數(shù)核苷酸是體內(nèi)多數(shù)核苷酸是5 5- -核苷酸，即糖環(huán)核苷酸，即糖環(huán)上的上的C-5C-5 與磷酸酯化。與磷酸酯化。2.2.核苷酸核苷酸NNNNOOHOHNH2OCH2OOOPNNNH2OHOHOOCH2POOO腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸 腺苷酸腺苷酸脫氧胞嘧啶核苷酸脫氧胞嘧啶核苷酸脫氧胞苷酸脫氧胞苷酸第三節(jié)第三節(jié) 體內(nèi)某些重要核苷酸體內(nèi)某些重要核苷酸n能量物質(zhì)：能量物質(zhì)： ATP ATP等；等；n酶輔助因子：酶輔助因子：NAD+NAD+、 NADP + NADP + 和和FAD FAD 等；等；n信號(hào)傳導(dǎo)：信號(hào)傳導(dǎo)： 環(huán)腺苷酸環(huán)腺苷酸 cyclic AMP, c

15、yclic AMP, cAMPcAMP, ,環(huán)鳥苷酸環(huán)鳥苷酸cyclic GMP, cGMPcyclic GMP, cGMP; ;n重要代謝中間物：重要代謝中間物：PAPSPAPS、SAMSAM、UDPGUDPG、UDPGAUDPGA、CDP-CDP-膽堿乙醇胺等膽堿乙醇胺等NNNNOOHOHNH2OCH2OOOPPOPOOOOO AMPADPATP*CH2OPOHOONNNNOOHNH23 5 3 ,5 -cAMP第四節(jié)第四節(jié) 核酸的構(gòu)造核酸的構(gòu)造n核酸分子中核苷酸的陳列順序，即堿基的陳列順核酸分子中核苷酸的陳列順序，即堿基的陳列順序稱核酸的一級(jí)構(gòu)造。序稱核酸的一級(jí)構(gòu)造。n銜接鍵：銜接鍵：3

16、 3, 5, 5 - -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵, ,即第一個(gè)核苷即第一個(gè)核苷酸糖環(huán)上原來(lái)游離的酸糖環(huán)上原來(lái)游離的C-3C-3羥基與第二個(gè)核苷酸羥基與第二個(gè)核苷酸C-5C-5磷酸組成磷酸組成3 3 ， 5 5磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。n二個(gè)游離末端二個(gè)游離末端: 5: 5末端末端( (游離磷酸基游離磷酸基), ), 3 3末端末端( (游離羥基游離羥基) )n書寫規(guī)那么書寫規(guī)那么: :方向方向 5 5 3 3, ,從繁到簡(jiǎn)有多種表從繁到簡(jiǎn)有多種表示方法。示方法。 OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 OHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2

17、 1 -5 4 2 1 OHHHHCH2OPOOOOHHHHCH2OPOOO-5 4 3 2 1 33，55磷磷 酸二酯鍵酸二酯鍵55末端的末端的磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)33末端的末端的 羥基羥基GAA核苷酸鏈核苷酸鏈一級(jí)構(gòu)造一級(jí)構(gòu)造TTOH5 pGpCpApTpT-OH 35 G C A T T 3 OH5 3PPPPP G C A T T G C A T T一、一、 DNA的構(gòu)造的構(gòu)造 1.DNA的一級(jí)構(gòu)造的一級(jí)構(gòu)造* 由由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四四種脫氧核苷酸經(jīng)過(guò)種脫氧核苷酸經(jīng)過(guò)3，5-磷酸二酯鍵按一磷酸二酯鍵按一定順序陳列而成的高分子化合物。定順序陳列而成的高分子化合物。2.D

18、NA的二級(jí)構(gòu)造的二級(jí)構(gòu)造 雙螺旋模型雙螺旋模型* 研討背景：研討背景： 1Chargaff 規(guī)那么規(guī)那么20世紀(jì)世紀(jì)4050年代年代不同物種的不同物種的DNA堿基組成不同；堿基組成不同；同終身物體的不同組織的同終身物體的不同組織的DNA的堿基組成一樣；的堿基組成一樣；A=T，G=C，A+G=T+C2Wilkins 和和Franklin的高質(zhì)量的的高質(zhì)量的X-衍射圖衍射圖3Watson 和和Crick提出雙螺旋模型提出雙螺旋模型19533.4nm0.34nm 2nmMajor GrooveMinor grooveDNADNA雙螺旋模型的根本內(nèi)容雙螺旋模型的根本內(nèi)容n反向平行、互補(bǔ)雙鏈反向平行、互

19、補(bǔ)雙鏈n 脫氧核糖和磷酸骨架位于雙鏈外側(cè)，走向脫氧核糖和磷酸骨架位于雙鏈外側(cè)，走向相反相反5 5 3 3、3 3 5 5；n 堿基配對(duì)，堿基配對(duì)，A-TA-T，G-CG-Cn右手螺旋，并有大溝和小溝右手螺旋，并有大溝和小溝n 螺旋直徑螺旋直徑2nm 2nm 螺距螺距3.4nm 3.4nm 螺旋一周螺旋一周1010個(gè)堿個(gè)堿基對(duì)，堿基平面間隔基對(duì)，堿基平面間隔0.34 nm0.34 nmn雙螺旋構(gòu)造穩(wěn)定力：橫向是堿基對(duì)氫鍵；縱向雙螺旋構(gòu)造穩(wěn)定力：橫向是堿基對(duì)氫鍵；縱向是堿基平面間的疏水堆積力是堿基平面間的疏水堆積力base-stacking base-stacking forceforceDNAD

20、NA雙螺旋構(gòu)造的多樣性雙螺旋構(gòu)造的多樣性n右手雙螺旋右手雙螺旋B-DNAB-DNA：生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的：生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的構(gòu)造；構(gòu)造；nA-DNAA-DNA：脫水條件下：脫水條件下DNADNA雙螺旋及生理?xiàng)l件下的雙螺旋及生理?xiàng)l件下的RNARNA雙螺旋和雙螺旋和DNA-RNADNA-RNA雜合雙螺旋中。構(gòu)造特征：雜合雙螺旋中。構(gòu)造特征：右手雙螺旋、螺旋直徑右手雙螺旋、螺旋直徑2.6nm2.6nm、螺距、螺距2.5nm2.5nm，1111個(gè)堿基個(gè)堿基/ /周；周；nZ-DNAZ-DNA：存在與：存在與CGCGCGCGCGCGCGCG結(jié)晶體構(gòu)造中。構(gòu)造結(jié)晶體構(gòu)造中。構(gòu)造特征：左手螺旋、螺旋直徑特征：

21、左手螺旋、螺旋直徑1.8nm1.8nm、螺距、螺距4.5nm4.5nm、1212堿基堿基/ /周、核酸鏈骨架顯周、核酸鏈骨架顯Z Z字型走行。字型走行。Z-DNA B-DNA A-DNA 溝溝大溝大溝小溝小溝小溝小溝大大溝溝 三鏈三鏈DNAtriple helix DNA 又稱又稱H-DNAn概念：概念： 三鏈三鏈DNADNA是由三條脫氧核苷酸鏈按是由三條脫氧核苷酸鏈按一定的規(guī)律繞成的螺旋狀構(gòu)造。一定的規(guī)律繞成的螺旋狀構(gòu)造。n構(gòu)造：是在構(gòu)造：是在Watson-CrickWatson-Crick雙螺旋根底上構(gòu)雙螺旋根底上構(gòu)成的，其中大溝中包容第三條鏈構(gòu)成三股成的，其中大溝中包容第三條鏈構(gòu)成三股螺

22、旋。在三螺旋螺旋。在三螺旋DNADNA中三個(gè)堿基配對(duì)中三個(gè)堿基配對(duì)Hoogsteen base pairingHoogsteen base pairing構(gòu)成三堿基構(gòu)成三堿基體體:T-A-T :T-A-T ，C-G-CC-G-C。n作用：還不清楚作用：還不清楚3.DNA的超螺旋構(gòu)造的超螺旋構(gòu)造一原核生物一原核生物DNADNA的高級(jí)構(gòu)造的高級(jí)構(gòu)造 在共價(jià)閉環(huán)雙螺旋根底上進(jìn)一步改動(dòng)盤在共價(jià)閉環(huán)雙螺旋根底上進(jìn)一步改動(dòng)盤曲曲, ,構(gòu)成超螺旋構(gòu)成超螺旋(supercoil)(supercoil)體積進(jìn)一步緊體積進(jìn)一步緊縮?？s。二真核生二真核生物物DNA分子分子高級(jí)構(gòu)造：多高級(jí)構(gòu)造：多層次緊縮包裝層次緊縮

23、包裝Chromosome chromatid4.真核生物真核生物DNA中基因排布特點(diǎn)中基因排布特點(diǎn) 1真核基因含有大量反復(fù)序列；真核基因含有大量反復(fù)序列； 2基因的不延續(xù)性內(nèi)含子、基因的不延續(xù)性內(nèi)含子、外顯子外顯子 動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類與功能 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液 線粒體線粒體 功功能能核蛋白體核蛋白體RNA rRNA mt rRNA 核蛋白體的組分核蛋白體的組分信使信使RNA mRNA mt mRNA 蛋白質(zhì)合成膜板蛋白質(zhì)合成膜板轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA tRNA mt tRNA 轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸不均一核不均一核RNA HnRNA mRNA的前體的前體小核小核RNA SnRNA 參與參與

24、HnRNA的剪的剪 接、轉(zhuǎn)運(yùn)接、轉(zhuǎn)運(yùn)小核仁小核仁RNA SnoRNA rRNA的加工、的加工、 修飾修飾小胞質(zhì)小胞質(zhì)RNA scRNA/7SL-RNA 蛋蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定 位合成的信位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分號(hào)識(shí)別體的組分二、二、 RNA的構(gòu)造與功能的構(gòu)造與功能RNA secondary and tertiary structures. (a) Stem-loops, hairpins, and other secondary structures can form by base pairing between distant complementary segments of an

25、 RNA molecule. In stem-loops, the single-stranded loop (dark red) between the base-paired helical stem (light red) may be hundreds or even thousands of nucleotides long, whereas in hairpins, the short turn may contain as few as 6 8 nucleotides. (b) Interactions between the flexible loops may result

26、in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot. This tertiary structure resembles a figure-eight knot, but the free ends do not pass through the loops, so no knot is actually formed. 1.tRNA的構(gòu)造與功能的構(gòu)造與功能* 構(gòu)造特點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn):稀有堿基：稀有堿基：DHU 、T、mG和和 mA等；等；三葉草形二級(jí)構(gòu)造：三葉草形二級(jí)構(gòu)造：DHU環(huán)、反密碼環(huán)環(huán)、反密碼環(huán)有反密碼

27、子有反密碼子 、T環(huán)和環(huán)和3端氨基酸端氨基酸臂臂倒倒“L型三級(jí)構(gòu)造型三級(jí)構(gòu)造NNOOOHOHHOCH2NNNHNOOHOHOHOCH2NNNH2OHOHOHHHOCH222NNNNOOHOHOHNH2HOCH2CH351111911假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷 次黃嘌呤核苷次黃嘌呤核苷 二氫尿嘧啶核苷二氫尿嘧啶核苷 7甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤 ( pseudouridine, ) ( inosine, I ) ( dihydrouridine,DHU ) ( 7-methylguanosine,mG ) 三葉草模型3OHACCAC- G U- A C- G U G5PCGC- G G-CCGCGGCC

28、GUCAmCCTUAGmCCGCGAAGDDGmGDDDAACmDAGAGCGAUGCAUACUGUAAAT環(huán)環(huán)CCA末端末端DHU環(huán)環(huán)反密碼子反密碼子T環(huán)環(huán)DHU環(huán)環(huán)反密碼子環(huán)反密碼子環(huán)反密碼子環(huán)反密碼子環(huán)b.tRNA b.tRNA 的倒的倒L L型三級(jí)構(gòu)造型三級(jí)構(gòu)造a.a.酵母的一級(jí)構(gòu)造與二級(jí)構(gòu)造酵母的一級(jí)構(gòu)造與二級(jí)構(gòu)造2.mRNA的構(gòu)造的構(gòu)造AAAA Anm7GpppAUG GUGUAA535 帽子構(gòu)造帽子構(gòu)造 密碼子密碼子 3 多聚多聚A尾尾 5 5 非編碼區(qū)非編碼區(qū) 編碼區(qū)編碼區(qū) 3 3 非編碼區(qū)非編碼區(qū)真核生物真核生物mRNA：NN+NNOOCH3CH2O P O P OP O CH2BOOOPCH3OO CH2CH3OOOBOOOOOO(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的的5帽子帽子構(gòu)造構(gòu)造m7GpppNm553.rRNA的構(gòu)造的構(gòu)造真核生物真核生物18S rRNA原核生物原核生物 16S rRNA70S80S50S30S60S40S31 proteins23S RNA5S RNA21 proteins16S RNA49 proteins28S RNA5.8S RNA33 proteins18S RNA第五節(jié)第五節(jié) 核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的酸堿性質(zhì)一、