03 第二章 核酸化学.ppt

第1页：第二章 核酸化学

第二章核酸化学Nucleic Acid

第2页：核酸与蛋白质一样

核酸与蛋白质一样,

一切生物机体不可缺少的组成部分

核酸

生命遗传信息的携带者和传递者

第3页：第一节 核苷酸核酸nucleic

第一节核苷酸核酸nucleic acid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purine base或嘧啶碱pyrimidine base(碱基base)核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose(戊糖amyl sugar)

第4页：一、核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHO

一、核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHHOH12β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖O

第5页：核糖+ H +糠醛甲基间苯二酚FeC

核糖+ H +糠醛甲基间苯二酚FeCl3或CuCl2绿色产物Δ脱氧核糖+ H+Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定

第6页：二、碱基(一)碱基的结构

二、碱基(一)碱基的结构

第7页：

第8页：嘌呤碱基

1、嘌呤碱基(purine ):嘌呤的衍生物腺嘌呤(adenineA)鸟嘌呤(guanineG)DNA 和RNA2 种(二)常见的碱基

第9页：N9是成苷位置

N9是成苷位置

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第10页：嘧啶碱基

2、嘧啶碱基( pyrimidine ):嘧啶的衍生物尿嘧啶(uracil U)胞嘧啶(cytosine C)胸腺嘧啶(thymine T)3种RNADNA

第11页：N1是成苷位置

N1是成苷位置

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第12页：

第13页：修饰碱基多数为主要碱基的修饰产物或代谢产

(三)修饰碱基(稀有碱基)多数为主要碱基的修饰产物或代谢产物,在体内含量甚少的碱基,。

tRNA中大约有10%的稀有碱基。

第14页：( I )( m1I )

( I )( m1I )( m22,2G )( m1G )( A )( G )

第15页：嘧啶碱基(C)(U)( T )

嘧啶碱基(C)(U)( T )(hm5C)(m5C)(D)

第16页：

第17页：(四)碱基的性质

碱基的性质

• 1.几乎不溶于水
• 2.互变异构酮式(内酰胺)烯醇式(内酰亚胺);氨基式亚氨基式(在体内主要以酮式和氨基式为主)

第18页：氨基式-亚氨基式互变异构酮式-烯醇式

氨基式-亚氨基式互变异构酮式-烯醇式互变异构

第19页：核苷酸的解离性质

核苷酸的解离性质：下表列出几种核苷酸的碱基氮 pKa 与磷酸基解离常数。

说明：源文本数字与文字高度粘连，CMP 的磷酸基解离数据在原文中缺失，以“—”表示；GMP 原文另见 0.8、6.3 一组数据，建议对照原课件核对。

第20页：嘧啶碱基和嘌呤碱基最重要的功能基团是

嘌呤碱基最重要的功能基团

环上的氮和羰基,以及环外的氨基

氨基和羰基之间的氢键

核酸分子中碱基之间相互作用的一种重要方式

第21页：强烈的紫外吸收嘌呤碱基和嘧啶碱基分子

碱基的紫外吸收性质

定性或定量测定碱基和核苷酸、核酸的依据

第22页：

第23页：三、核苷核苷的结构核苷是含氮碱基与糖组分

三、核苷(一)核苷的结构核苷是含氮碱基与糖组分缩合成的糖苷核苷= 碱基+ 戊糖β-D-2-脱氧核糖β-D-核糖核苷(核酸)分子中的糖苷键均为β-N糖苷键

第24页：连接方式

连接方式:戊糖C1'-OH →→H-N9嘌呤碱基戊糖C1'-OH → →H-N1嘧啶碱基由于核糖存在2'-OH,导致RNA的磷酸二酯键对碱异常敏感。

第25页：核苷的构象DNA和RNA螺旋中的核苷主要

(二)核苷的构象DNA和RNA螺旋中的核苷主要为反式构象。

第26页：(三)常见的核苷核糖核苷

(三)常见的核苷核糖核苷:腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷。

第27页：脱氧核苷

脱氧核苷:脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷、(脱氧)胸苷。

第28页：修饰核苷5C假尿苷戊糖C1'-OH →

修饰核苷5C假尿苷(ψ)戊糖C1'-OH → →H-C5假尿苷(tRNA)

• 1)修饰碱基+核糖=核苷
• 2)碱基+修饰核糖=核苷
• 3)非N-糖苷键相连=核苷

第29页：关于修饰核苷的表示方法

关于修饰核苷的表示方法

• 修饰核苷中的取代基团用英文小写字母表示;
• 碱基取代基团的符号写在核苷单字符号的左下角;
• 核糖取代基团的符号写在核苷单字符号的右下角;
• 取代基团的位置写在取代基团符号的右上角,数字(目)则写在右下角。

第30页：举例N1, N2

举例N1, N2, N7-三甲基鸟嘌呤核苷:m31,2,7G真核mRNA 5'-端的7-甲基鸟苷帽子结构:m7G 5'ppp

第31页：核苷的性质核苷的水溶性>自由碱基

(五)核苷的性质核苷的水溶性>自由碱基;

核苷在碱性条件下稳定;

嘧啶核苷抗酸水解,嘌呤核苷易被酸水解。

第32页：四、核苷酸嘌呤或嘧啶碱基核苷酸的结构核苷

四、核苷酸嘌呤或嘧啶碱基(一)核苷酸的结构核苷酸是核苷的磷酸酯

第33页：

第34页：

第35页：

第36页：

第37页：

第38页：NMPNDPNTP核苷单磷酸

NMPNDPNTP(二)核苷单磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸

第39页：

第40页：

第41页：ATPCTP参与磷脂合成GTPUTP

ATPCTP参与磷脂合成GTPUTP参与糖原合成能量转换中间体蛋白质合成中磷酰基供体

第42页：环化核苷酸cAMP,环腺苷酸cGMP

(三)环化核苷酸cAMP,环腺苷酸(cyclic AMP, cAMP)cGMP, 环鸟苷酸(cyclic GMP, cGMP)作为细胞之间传递信息的信使。

第43页：环化核苷酸的生成

环化核苷酸的生成

第44页：

第45页：魔斑核苷酸主要

不同于通常的核苷酸,当时

魔斑,因而后来称这类核苷酸为魔斑核苷酸

第46页：ppGpp或pppGpp是当大肠杆菌

ppGpp或pppGpp是当大肠杆菌在氨基酸缺乏的营养不良环境条件下,由于细胞内空载tRNA诱导合成作为信号,使细胞的代谢活动受到严格控制,加快体内原有蛋白质的分解以获得用以合成生命活动所必需的蛋白质的氨基酸,细菌的这种对环境的反应称应急反应。

第47页：ppApp,pppApp是枯草杆菌在

ppApp,pppApp

枯草杆菌在营养不利的环境条件下合成的(不同于大肠杆菌),诱导细胞产生芽孢,使细胞处于休眠状态渡过恶劣时期

第48页：核苷酸的构象核苷酸的构象不是固定不变的

苷酸的构象核苷酸的构象不

固定不变的,具有一定的柔性

第49页：作为核酸的单体,承载遗传信息

作为核酸的单体,承载遗传信息;

• 2.是细胞中化学能量的主要载体,在细胞里运输化学能量;
• 3.腺嘌呤是许多酶辅因子的结构成分;(如辅酶A,NAD+,FAD)
• 4.一些核苷酸是调节分子。(如作为第二信使的cAMP和cGMP,ppGpp)
• 五、核苷酸的功能

第50页：化学能量的主要载体化学能量的主要载体

化学能量的主要载体化学能量的主要载体三种有调节作用的核苷酸

第51页：第二节 核酸的一级结构

第二节核酸的一级结构

第52页：

第53页：

第54页：

第55页：

第56页：T C A T G A5′P

T C A T G A5′P P P P P P OH3′5′pTpCpApTpGpA-OH 3′5′TCATGA 3′

第57页：1869年Miescher从细胞核中

1869年Miescher从细胞核中分离出核素(nuclein)。

1889年Altman制备了核酸(nucleic acid)。

1930-1940年, Kossel & Levene等确定核酸的组分:核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子化合物核酸脱氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid, DNA )核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)第三节核酸的功能和重要性

第58页：1943年Chargaff证明

NA中4种碱基的比例并不

相等,总是A=T,G=C,并认为在DNA中是A-T配对、G-C配对的规律,因此后来称之为查格夫规则

第59页：

第60页：1952年A. Hershey 和

1952年A. Hershey 和M. Chase 的噬菌体感染细菌的实验,是证明DNA为遗传物质的最有力证据。

(含S)(含P)噬菌体T2——病毒颗粒

第61页：用放射性同位素32P标记内部DNA细

用放射性同位素32P标记内部DNA细菌内有放射性DNA是真正的遗传物质

第62页：用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细

用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细菌内无放射性

第63页：abcd

abcd

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第64页：1953年,J

该模型被认为

20世纪自然科学中最伟大的成就之一,给生命科学带来巨大而深远的影响,为分子生物学和分子遗传学的发展奠定了关键性基础,1962年被授予诺贝尔生理医学奖

第65页：除少数病毒以RNA作为遗传物质外

• 除少数病毒( RNA病毒)以RNA作为遗传物质外, 多数生物体的遗传物质是DNA。不同生物体遗传物质( 信息分子)的结构差别, 使得其所含蛋白质( 表现分子)的种类和数量有所差别, 生物体表现出不同的形态结构和代谢类型。核酸的生物功能
• 1.DNA是主要的遗传物质DNA作为遗传物质具有的3个功能(基本属性):
• 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;
• 通过转录使遗传信息在子代得以表达;
• 通过变异在自然选择过程中获得新的遗传信息。

第66页：按照传统的观点

按照传统的观点,RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息, 并指导蛋白质的合成。

• 2.RNA参与蛋白质的生物合成
• 3.RNA的功能具有多样性RNA具有诸多功能, 均关系着生物体的生长和发育。

第67页：第四节 脱氧核糖核酸(DNA)

脱氧核糖核酸(DNA)

• 一、DNA的碱基组成(一)碱基组成:C, T, A, G(二)DNA碱基组成规律(Chargaff法则)(
• 1)同一生物,嘌呤=嘧啶,A = T,G = C,A+G = C+T(
• 2)不同生物种属的DNA碱基组成不同(
• 3)同一生物的所有体细胞中DNA碱基组成相同(种属特异性)

第68页：

第69页：二、DNA的一级结构DNA的一级结构

链中碱基的组成及排列顺序

DNA的一级结构

第70页：

第71页：5ˊ-末端磷酸3ˊ-末端羟基3ˊ

5ˊ-末端磷酸3ˊ-末端羟基3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键DNA一级结构

第72页：T C A T G A5`P

T C A T G A5`P P P P P P OH3`5′pTpCpApTpGpA-OH3′5′TCATGA3′

第73页：三、DNA的空间结构DNA二级结构

三、DNA的空间结构DNA二级结构:双螺旋结构DNA三级结构:超螺旋结构

第74页：1953年,J. Watson和

1953年,J. Watson和F. Crick在前人研究工作的基础上,根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型,提出了著名的DNA双螺旋结构模型,并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测,因此而获得了诺贝尔(1962)医学和生理学奖。

(一)DNA二级结构——双螺旋结构

第75页：双螺旋结构的主要依据

双螺旋结构的主要依据(

• 1)X射线衍射数据——Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。(
• 2)碱基成对证据——Chargaff 发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。(
• 3)电位滴定行为——电位滴定证明,DNA中的磷酸基可滴定,而嘌呤与嘧啶的可解离基团不能滴定,因为碱基间是由氢键连接。

第76页：

第77页：DNA结构的揭示

DNA结构的揭示

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第78页：双螺旋结构模型要点

双螺旋结构模型要点(

• 1)两条脱氧多核苷酸链反向平行且均为右手螺旋,螺旋表面有一条大沟和一条小沟(
• 2)两条链上的碱基间互补配对,且正确配对必定为A=T,G≡C (
• 3)糖-磷酸主链在螺旋外侧,碱基对平面在内侧且平面与螺旋轴垂直(
• 4)螺旋每圈含10个碱基对,螺距为3.4nm该理论的核心:碱基互补配对

第79页：5′5′3′3′

5′5′3′3′

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第80页：双链DNA分子两条链平行且方向相反

双链DNA分子两条链平行且方向相反

第81页：

第82页：

第83页：

第84页：

第85页：

第86页：

第87页：DNA的空间结构

DNA的空间结构——双螺旋结构

第88页：

第89页：A-DNA B-DNAZ-DNA

A-DNA B-DNAZ-DNA

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第90页：

第91页：

第92页：

第93页：双螺旋结构的稳定因素

双螺旋结构的稳定因素(

• 1)氢键(太弱);(
• 2)碱基堆积力(base stacking force)由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的,能形成疏水核心,是稳定DNA最重要的因素;(
• 3)离子键(减少双链间的静电斥力)。

第94页：DNA双螺旋结构模型的理论意义解释下

DNA双螺旋结构模型的理论意义解释下列生命现象:(

• 1)DNA的复制——DNA的遗传信息在生物世代间、细胞世代间传递。※ 该模型直接表明了遗传信息传递(自我复制)的机制。(
• 2)遗传与变异——DNA分子的碱基序列具有保守性和变异性, 碱基对是突变的最小单位。(
• 3)生物的性状控制——蛋白质生物合成时遗传密码与反密码互补配对。(
• 4)为现代分子生物学与基因工程奠定了理论基础。

第95页：DNA

DNA Replication

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第96页：DNA

DNA Replication

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第97页：DNA双螺旋的构象类型B-DNA

5. DNA双螺旋的构象类型B-DNA:92%相对湿度,接近细胞内的DNA构象,与Watson 和Crick提出的模型相似。

A-DNA:75%相对湿度,与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似,推测转录时发生B→A。

其碱基平面倾斜20°,螺距与每一圈碱基对数目都有变化。Z-DNA:主链呈锯齿型左向盘绕, 直径约1.8nm, 螺距4.5nm,每一圈含12个bp, 只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。

第98页：DNA在不同盐溶液及不同相对湿度下的

DNA在不同盐溶液及不同相对湿度下的存在状态分为:B-DNA钠盐纤维,相对湿度92%A-DNA钠盐纤维,相对湿度75%C-DNA锂盐纤维,相对湿度66%Z-DNAGC交替的寡聚体自然界存在※ 这些结构的多样性并未影响Watson和Crick提出的DNA结构的主要性质:互补性双链、反向平行、需要A=T和G≡C碱基对。

第99页：A-DNA的结构

A-DNA的结构(

• 1)结构特征:右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm,11个碱基对/周。(
• 2)A-DNA存在及意义:存在于脱水条件下的DNA双螺旋、生理条件下的RNA双螺旋和DNA-RNA杂合双螺旋中。推测在转录时DNA分子发生B→A的构象转变。

第100页：

第101页：(1)Z-DNA特征:存在于

(

• 1)Z-DNA特征:存在于d(CGCGCGCG)结晶体结构中。左手螺旋,螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm,12碱基对/周,核酸链骨架呈Z字型走行。螺旋表面只有小沟。(
• 2)意义:与转录活性有关。Z-DNA转换成B-DNA将产生使双螺旋链解开的张力,因而暴露出蛋白质结合位点,此位点包括复制起始点以及调控转录的启动子和增强子顺序。Z-DNA

第102页：

第103页：Z-DNA B-DNA A-DNA

Z-DNA B-DNA A-DNA

（本页以图示为主，源文件提取到的文字较少，建议对照原图说明）

第104页：三股螺旋DNA

三股DNA

由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构

第105页：组成三股螺旋的DNA单链

组成三股螺旋的DNA单链,一般都由单一的嘌呤碱基(A和G)或单一的嘧啶碱基(C和T)所组成

第106页：

第107页：结构:是在Watson-Crick

(

• 2)结构:是在Watson-Crick双螺旋基础上形成的,其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三个碱基配对(Hoogsteen base pairing) 形成三碱基体: T-A-T ,C-G-C。(
• 3)作用:H-DNA存在于基因调控区和其他重要区域,因而具有重要意义。

第108页：

第109页：

第110页：DNA的三级结构

螺旋结构DNA的三级结构

DNA分子(双螺旋)通过扭曲和折叠所形成的特定构象,包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征

超螺旋

DNA三级结构的一种形式

第111页：

第112页：原核生物DNA的高级结构在共价闭环双

1、原核生物DNA的高级结构在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil),体积进一步压缩.

第113页：超螺旋周数

超螺旋周数W:扭曲数拓扑连环数L:一条以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。

缠绕数T:双螺旋的圈数B-DNA模型螺旋数W = L -TW = 0松弛环W为负值负超螺旋(右手扭曲)W为正值正超螺旋(左手扭曲)

第114页：

第115页：真核生物DNA的高级结构着丝粒

2、真核生物DNA的高级结构着丝粒

第116页：染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩

• 染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩倍数7 6 40 5 (8400)DNA → 核小体→ 螺线管→ 超螺线管→ 染色单体2nm 10nm 30(
• 10)nm 400nm 2~10μm一级包装二级包装三级包装四级包装

第117页：

第118页：核小体的结构

核小体的结构:H2A H2B H3 H4 各2分子H1 1分子组蛋白八聚体:DNA盘绕八聚体1.8圈,共146bp, 中间连接60bp,每个核小体重复单位约占DNA 200bp。

第119页：

第120页：

第121页：

第122页：DNA双螺旋核小体,压缩7×螺线管

DNA双螺旋核小体,压缩7×螺线管,压缩6×襻,压缩40×螺旋圈压缩5×7×6×40×5 = 8400突环

第123页：(二)真核生物DNA分子结构

(二)真核生物DNA分子结构:多层次压缩包装

第124页：