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第五章 核酸的化学

第五章 核酸的化学. Nucleic Acid Chemistry. 第五章 核酸的化学. 第一节 核酸的化学组成 第二节 核酸的分子结构 第三节 核酸的理化性质 第四节 核酸的分离和含量测定. 核酸的发现和研究工作进展. 1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素” 1944 年 Avery 等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构 1968 年 Nirenberg 发现遗传密码

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第五章 核酸的化学

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  1. 第五章核酸的化学 Nucleic Acid Chemistry

  2. 第五章 核酸的化学 第一节 核酸的化学组成 第二节 核酸的分子结构 第三节 核酸的理化性质 第四节 核酸的分离和含量测定

  3. 核酸的发现和研究工作进展 • 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 • 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 • 1968年 Nirenberg发现遗传密码 • 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 • 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 • 1985年 Mullis发明PCR 技术 • 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) • 1994年 中国人类基因组计划启动 • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

  4. 遗传病—— 遗传物质发生改变或由致病基因 所控制的疾病, 遗传病特征 具有垂直传递和终身性特征. 具有由亲代向后代传递的特点. 是指致病基因的传递. 父母的生殖细胞携带的致病基因,通过生殖把 致病基因传给下一代——表现家族性

  5. 基因疗法 基因治疗遗传病是一种根本的和有希望的方法。 人类的遗传物质可以向别的生物借用——即向有基因缺陷的细胞注入正常基因，以达到治疗目的。 • 基因治疗 首先找出缺陷基因，同时制备出相应的正常基因， 然后将正常基因转入细胞内替代缺陷基因， 并表达正常 ——研究和探索阶段之中。 • 现阶段 遗传病 ——“表现型治疗”方法， 只能消除一代人的病痛， 致病基因将一如既往，传递给子孙后代。

  6. 第一节 核酸的化学组成 基本元素组成： C、H、O、N、P P的含量比较稳定，占9%-10%， 核酸含量: 测定P的含量来推算（定磷法） 分子量RNA：几万～几百万 DNA：1.6×106～2.2×109

  7. 核酸的分布

  8. 核酸的化学组成 核苷酸——组成核酸分子的基本单位。 核苷 核苷酸 戊糖 磷酸　　 碱基

  9. N H O O 2 4 5 N 3 C H N H H N N 3 6 2 O N N O O N N H H H 1 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 Uracil，U Cytosine，C Thymine，T 嘧啶碱(pyrimidine)： （一）、核苷酸中的碱基组成

  10. N H O 2 6 7 5 N N N 1 N N N H 8 2 N N N 4 9 N N N H N H H H 2 3 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 嘌呤碱(purine)：

  11. 稀有碱基 I X

  12. 稀有碱基 次黄嘌呤 假尿嘧啶 二氢尿嘧啶

  13. H O CH O H 2 5´ O 1´ 4´ 3´ 2´ O H O H -D-脱氧核糖(deoxyribose) -D-核糖(ribose) （二）、戊糖与核苷 戊糖(pentose)：

  14. OH N1 N9 β1 β1 腺苷 脱氧胞苷 β1,N9-糖苷键β1,N1-糖苷键 核苷(nucleoside) OH

  15. 假尿苷（ψ） 1,C5-糖苷键 C5 1 “稀有核苷”是由“稀有碱基”生成

  16. CH3 H3C H H 5 CH3 Am m26G 假尿苷（） 二氢尿嘧啶（DHU） 几种稀有核苷

  17. 核苷酸的结构与命名 • 核苷酸(nucleotide) —— 核苷与磷酸脱水缩合生成磷酸酯类； 磷酸基缩合的位置不同而分别生成： 2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸 • 最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）。

  18. 5 -核苷酸的分子结构

  19. 核苷一磷酸

  20. 2'-d-3'-ATP 2'-d-3'-ADP

  21. 环化核苷酸 环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷

  22. 核苷多磷酸:含有两个或两个以上磷酸基团的核苷酸核苷多磷酸:含有两个或两个以上磷酸基团的核苷酸

  23. 各种核苷三磷酸 在体内能量代谢中的作用： ATP——能量“货币” UTP——参加糖的互相转化与合成 CTP——参加磷脂的合成 GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成 第二信使——cAMP

  24. 重要的核苷酸衍生物——几种重要的辅酶 NAD 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 FAD 黄素腺嘌呤二核苷酸 CoA 辅酶A CoA-SH 还原型辅酶A

  25. 第二节 核酸的分子结构 一、核酸的一级结构 核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键相连形成的线形结构 - H2O

  26. 5´端 端侧的PO42-基和 -OH 基不被修飾， 核酸长链具有方向性，表达为：5'-P → 3'-OH端， 3´端 C A G

  27. A T G T C G 5 P OH 3 P P P P P 书写方法 线条式 5 pApCpTpGpCpT-OH3 文字式 5A C T G C T3

  28. 二、DNA的二级结构 二级结构：两条单链DNA通过碱基互 补配对形成的双螺旋结构。 DNA的碱基组成（Chargaff法则） 碱基当量定律 A+G = T+C 碱基互补配对： [A] =[T] [G] [C]

  29. DNA双螺旋结构模型（double-helical structure） 1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。

  30. 1、双螺旋结构模型的要点 （1） DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多 核苷酸链组成， 一条链的方向 5′→ 3′， 另一条链的方向 3′→ 5′

  31. （2）碱基叠于螺旋内侧，与纵轴垂直， 磷酸与脱氧核糖在外侧，形成DNA的骨架。 糖环平面 与中轴平行 与碱基环平面成90°角

  32. （3）螺旋直径约为2 nm， 相邻两碱基间距离为 0.34nm ,夹角为36° 螺距： 10对核苷酸/圈 高度：3.4nm/圈 表面：大沟及小沟相间 0.34nm 3.4nm • 大沟与小沟是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生作用的基础。 直径 2nm

  33. 两条链沿同一轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。

  34. 2、稳定双螺旋结构的力? （1）碱基堆集力—— 碱基之间的疏水作用力 内部形成强大的疏水区,与介质中的水分子隔开， 有利于碱基间氢键形成。 （2）氢键 碱基对之间; DNA外侧的氧 与介质中的水 或蛋白质上的-OH （3）离子键磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之 间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。

  35. 问题：碱基配对的化学基础？ 碱基对 由于几何形状的限制，只能由嘧啶和嘌呤配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。 若两个嘧啶配对则几何形状太小，两个嘌呤配对则几何形状又太大，为双螺旋所容纳不下。只有A-T碱基和G-C碱基对的几何形状正适合双螺旋的大小。

  36. 问题：DNA双螺旋为什么有大沟小沟的空间构型？问题：DNA双螺旋为什么有大沟小沟的空间构型？ 大沟和小沟 • 由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。

  37. 3．双螺旋的多态性 Watson DNA双螺旋结构（B型） 不同DNA纤维的空间结构

  38. A-DNA和B-DNA之间可以相互转换， 转录时，DNA分子发生B→A的转变。 Z-DNA螺旋： 左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。

  39. A B Z 外型 粗短 适中 细长 螺旋方向 右手 右手 左手 螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm 碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm 碱基夹角 32.70 34.60 60.00 每圈碱基数 11 10.4 12 轴心与碱基对关系 2.46nm 3.32nm 4.56nm 碱基倾角 19° 1° 9° 糖苷键构象 反式 反式 C/T反式,G顺式 B-DNA A-DNA Z-DNA 大沟 很窄很深 很宽较深 平坦 小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深 三种DNA双螺旋构象比较

  40. DNA空间结构多态性产生的原因 ？ 在多核苷酸链中，脱氧核糖的五元环能折叠成多种构象。 此外，C－N糖苷键以及 3′、5′磷酸二酯键旋转都可以使具有同样碱基配对的DNA双螺旋可以采取另一些构象，DNA构象上这种差异称为多态性。

  41. DNA三股螺旋（H-DNA） • 在多聚嘧啶和多聚嘌呤区段，局部形成三股螺旋。 该螺旋常处于真核细胞基因的表达调节区。 • 镜像重复序列 • 镜像重复序列

  42. DNA的三股螺旋常处于双螺旋的大沟中

  43. 四链DNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。四链DNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。

  44. 双螺旋结构的生物学意义 ⑴.稳定DNA的结构，保持生物遗传特性的相对连续性。 ⑵.很容易对损伤进行修复，一条多核苷酸链受损后，可以根据碱基配对原则进行修复，这也使遗传特征保持稳定。

  45. 超螺旋 三、DNA的三级结构:超螺旋（supercoil） • 在二级结构的基础上，进一步扭曲形成的超螺旋。 螺旋 线状DNA形成的超螺旋

  46. 闭环DNA的超螺旋形式，如 细菌质粒DNA 、病毒DNA 、噬菌体DNA 、线粒体DNA。 闭环超螺旋结构

  47. 超螺旋的意义? • 紧密，体积更小； • 能影响双螺旋的解链程序， • 影响DNA分子与其它分子之间的相互作用。 答案：压缩分子空间

  48. 举例：DNA超螺旋结构在染色质中的组装 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。 • 核小体组成： • DNA 约200bp • 组蛋白 H1 • H2A，H2B • H3 • H4

  49. 核小体的结构 核心颗粒 2分子（H2A,H2B,H3,H4）构成八聚体， DNA缠绕其外旋转1.75圈，约含140bp

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