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1、第二章核酸化学上第二章核酸化学上第1页，共78页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 核酸化学核酸化学核酸的组成核酸的组成DNA的结构与作用的结构与作用RNA的结构与功能的结构与功能核酸的性质核酸的性质第2页，共78页，编辑于2022年，星期三核酸的组成核酸的组成核苷酸核苷酸第3页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷酸单元核苷酸单元碱基碱基（Base)核糖或核糖或脱氧核糖脱氧核糖（ribose ordeoxyribose)磷酸磷酸(phosphate)第4页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA和和RNA全称全称Deoxyribonucleic acidDNARibonucleic
2、acidRNA第5页，共78页，编辑于2022年，星期三核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖 2-脱氧核糖脱氧核糖(2-deoxyribose)核糖核糖(ribose)2-O-甲基核糖甲基核糖(2-O-Methylribose)第6页，共78页，编辑于2022年，星期三核酸的碱基核酸的碱基嘧啶嘧啶第7页，共78页，编辑于2022年，星期三核酸的碱基核酸的碱基嘌呤嘌呤第8页，共78页，编辑于2022年，星期三腺嘌呤的结构腺嘌呤的结构第9页，共78页，编辑于2022年，星期三Prebiotic synthesis of purinesJoyce,G.F.Nature 338,217-224(1989)第1
3、0页，共78页，编辑于2022年，星期三碱基英文名称及缩写碱基英文名称及缩写碱基碱基英文名英文名缩写缩写腺嘌呤腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤鸟嘌呤GuanineG胞嘧啶胞嘧啶CytosineC尿嘧啶尿嘧啶UracilU胸腺嘧啶胸腺嘧啶ThymineT第11页，共78页，编辑于2022年，星期三碱基互变异构体碱基互变异构体(1)第12页，共78页，编辑于2022年，星期三碱基互变异构体碱基互变异构体(2)不同互变异构体有不同的氢键模式不同互变异构体有不同的氢键模式第13页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷核苷(Nucleoside)(1)第14页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷核苷(
4、Nucleoside)(2)第15页，共78页，编辑于2022年，星期三Nucleoside conformation(1)嘌呤核苷既可取嘌呤核苷既可取Syn式也可取式也可取anti式式第16页，共78页，编辑于2022年，星期三Nucleoside conformation(2)嘧啶核苷只取嘧啶核苷只取anti式式第17页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷的稳定性核苷的稳定性核苷同碱基相比水溶性增大核苷同碱基相比水溶性增大核苷在碱性溶液中相当稳定，嘧啶核苷对核苷在碱性溶液中相当稳定，嘧啶核苷对酸也较稳定，嘌呤核苷很容易酸解生成碱酸也较稳定，嘌呤核苷很容易酸解生成碱基和戊糖基和戊糖第18
5、页，共78页，编辑于2022年，星期三腺苷的生理作用腺苷的生理作用在哺乳动物中，嘌呤衍生物和腺苷是一种内分在哺乳动物中，嘌呤衍生物和腺苷是一种内分泌物，参与血液循环，在许多生理活动中起调泌物，参与血液循环，在许多生理活动中起调节作用，例如血管膨胀、睡眠等节作用，例如血管膨胀、睡眠等第19页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷酸核苷酸(Nucleotide)第20页，共78页，编辑于2022年，星期三AMP,ADP and ATP第21页，共78页，编辑于2022年，星期三UV spectra of ribonucleotides第22页，共78页，编辑于2022年，星期三腺苷酸与辅酶腺苷酸
6、与辅酶第23页，共78页，编辑于2022年，星期三环状核苷酸环状核苷酸第24页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式-磷酸二酯磷酸二酯第25页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷酸的连结方式核苷酸的连结方式三磷酸连接三磷酸连接 7-甲基鸟苷帽甲基鸟苷帽第26页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA和和RNA的区别（的区别（1）构成构成DNA的是脱氧核糖，而构的是脱氧核糖，而构成成RNA的是核糖的是核糖DNA和和RNA各有四个碱基，其中各有四个碱基，其中三个相同，分别为腺嘌呤、鸟嘌三个相同，分别为腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，另一个不同，呤和胞嘧啶，另一个不同，D
7、NA为胸腺嘧啶，而为胸腺嘧啶，而RNA为尿为尿嘧啶嘧啶第27页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA和和RNA的区别（的区别（2）第28页，共78页，编辑于2022年，星期三核酸组成小结核酸组成小结核酸是由核苷酸单元重复构成的；也可核酸是由核苷酸单元重复构成的；也可看作是由核苷通过磷酸二酯键连接而成，看作是由核苷通过磷酸二酯键连接而成，连接的方式主要是连接的方式主要是3,5-连接连接核苷则是由戊糖和碱基组成的，戊糖包核苷则是由戊糖和碱基组成的，戊糖包括核糖和脱氧核糖；碱基包括嘌呤和嘧括核糖和脱氧核糖；碱基包括嘌呤和嘧啶啶构成构成RNA的是核糖，构成的是核糖，构成DNA的是脱的是脱氧核糖；氧
8、核糖；DNA含有碱基胸腺嘧啶，而不含有碱基胸腺嘧啶，而不是是RNA的尿嘧啶的尿嘧啶第29页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA与与RNA的稳定性（的稳定性（1）第30页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA与与RNA的稳定性（的稳定性（2）第31页，共78页，编辑于2022年，星期三胞嘧啶的水解胞嘧啶的水解第32页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA的结构的结构DNA的一级结构的一级结构DNA的二级结构的二级结构DNA的三级结构的三级结构第33页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA的一级结构的一级结构4种脱氧核苷酸的排列顺序种脱氧核苷酸的排列顺序1977年年Sanger测
9、定了测定了X174单链单链DNA5 386b的全序列的全序列水稻基因组计划水稻基因组计划人类基因组计划人类基因组计划第34页，共78页，编辑于2022年，星期三核酸一级结构的表示核酸一级结构的表示核苷用单字缩写核苷用单字缩写A、U、G、C、T表示表示需表明需表明端和端和端，通常端，通常端在左边，如：端在左边，如：-GGAUACUUGCA-3 5-dGdTdCdCdTdGdA-3有有，连接时须标出，如：连接时须标出，如：-pA2pG3pC2pU2pG3pA-3第35页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA分子的大小分子的大小DNA分子很大，最小的病毒分子很大，最小的病毒DNA约约5000个个
10、碱基碱基DNA分子通常用其所含碱基对数目（分子通常用其所含碱基对数目（base pairs,bp)来表示来表示,单链用碱基数单链用碱基数(base,b)来来表示。表示。DNA是一丝状分子，直径只有是一丝状分子，直径只有2 nm，但长，但长度惊人，如大肠杆菌染色体长达度惊人，如大肠杆菌染色体长达1.6 x 106 nm(1.6 mm)第36页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA的双螺旋结构的双螺旋结构DNA双螺旋结构模型的主要依据双螺旋结构模型的主要依据DNA双螺旋结构模型的要点双螺旋结构模型的要点DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型第37页，共78页，编辑于2022年，星期三双螺旋结构
11、模型的主要根据双螺旋结构模型的主要根据电位滴定行为电位滴定行为关于碱基成对的证据关于碱基成对的证据X射线衍射数据射线衍射数据第38页，共78页，编辑于2022年，星期三碱基成对的证据碱基成对的证据(Chargaff规则规则)DNA的来源的来源腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶牛胸腺牛胸腺牛脾牛脾牛精子牛精子大白鼠骨髓大白鼠骨髓鲱鱼睾丸鲱鱼睾丸小麦胚小麦胚酵母酵母大肠杆菌大肠杆菌结核分支杆菌结核分支杆菌X174（单单链）链）28.227.928.728.627.927.331.326.015.124.321.522.722.221.419.522.718
12、.724.934.924.521.220.820.720.421.516.817.125.235.418.227.827.327.228.428.227.132.923.914.632.31.31.31.31.12.86.0不同来源不同来源DNA的碱基组成（的碱基组成（mol%）第39页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA的的X-衍射图衍射图Franklin,R.E.&Gosling,R.G.Nature 171,740(1953)第40页，共78页，编辑于2022年，星期三Watson and Cricks Nature paper第41页，共78页，编辑于2022年，星期三不寻常的不
13、寻常的1953年（年（1）四月二十五日，四月二十五日，Watson和和Crick在在Nature上发表关于上发表关于DNA双螺旋的论双螺旋的论文文五月十五日，五月十五日，Miller和和Urey在在Science上上发表放电条件下合成氨基酸的论发表放电条件下合成氨基酸的论文文第42页，共78页，编辑于2022年，星期三不寻常的不寻常的1953年（年（2）三月，三月，Sanger和和Thompson首次报道胰岛素首次报道胰岛素(Insulin)的测序的测序五月二十九日，五月二十九日，Edmund Hilary和和Tenzing Norgay征服珠穆朗玛峰征服珠穆朗玛峰三月五日，斯大林逝世三月五日
14、，斯大林逝世第43页，共78页，编辑于2022年，星期三双螺旋结构模型（双螺旋结构模型（1）第44页，共78页，编辑于2022年，星期三双螺旋结构模型（双螺旋结构模型（2）第45页，共78页，编辑于2022年，星期三双螺旋结构模型的要点双螺旋结构模型的要点由两条反平行、都是右手螺旋的多聚核苷由两条反平行、都是右手螺旋的多聚核苷酸链同绕一轴旋转所构成，双螺旋表面形酸链同绕一轴旋转所构成，双螺旋表面形成一大沟和一小沟成一大沟和一小沟碱基在双螺旋内侧，磷酸基团在外侧。碱基在双螺旋内侧，磷酸基团在外侧。链间碱基相互配对，遵循链间碱基相互配对，遵循A配配T，C配配G碱基对平面垂直于中心轴，糖平面平行于碱
15、基对平面垂直于中心轴，糖平面平行于中心轴中心轴双螺旋每圈有双螺旋每圈有10对碱基，螺距为对碱基，螺距为 3.4nm第46页，共78页，编辑于2022年，星期三双螺旋结构的柔性双螺旋结构的柔性第47页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA双螺旋的形成双螺旋的形成第48页，共78页，编辑于2022年，星期三A-T配对配对第49页，共78页，编辑于2022年，星期三A-T配对配对第50页，共78页，编辑于2022年，星期三G-C配对配对第51页，共78页，编辑于2022年，星期三G-C配对配对第52页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA双螺旋内部结构双螺旋内部结构第53页，共78页，编辑于
16、2022年，星期三DNA 复制复制(1)parental DNAconservative semi-conservative dispersive第54页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA复制复制(2)第55页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型B-DNA：相对湿度：相对湿度92%的的DNA钠盐的双钠盐的双螺旋结构，螺旋结构，Watson和和Crick原始模型，细原始模型，细胞内的胞内的DNA与与B-DNA非常相似非常相似A-DNA：相对湿度为：相对湿度为75%的的DNA钠盐的钠盐的双螺旋结构，特点：碱基平面倾斜了双螺旋结构，特点：碱基平面倾斜了2
17、0第56页，共78页，编辑于2022年，星期三A-DNA、B-DNA 和和 Z-DNA比较比较 第57页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA双螺旋的构象类型（双螺旋的构象类型（2）Z-DNA的的Rich模型：主链呈锯齿形左向盘模型：主链呈锯齿形左向盘绕，直径约绕，直径约1.8nm，螺距，螺距4.5nm，螺旋的每，螺旋的每一转含一转含12个碱基对；整个分子比较细长而个碱基对；整个分子比较细长而伸展；碱基对偏离中心轴并靠近螺旋外侧，伸展；碱基对偏离中心轴并靠近螺旋外侧，螺旋的表面只有小沟，没有大沟螺旋的表面只有小沟，没有大沟第58页，共78页，编辑于2022年，星期三Z-DNA第59页，共7
18、8页，编辑于2022年，星期三Nucleoside conformation(1)嘌呤核苷既可取嘌呤核苷既可取Syn式也可取式也可取anti式式第60页，共78页，编辑于2022年，星期三溶液中的双螺旋结构溶液中的双螺旋结构长链长链B-DNA在溶液中不是一个刚性的、线在溶液中不是一个刚性的、线性的棒状结构，而是一个动态、柔性的分性的棒状结构，而是一个动态、柔性的分子，有时局部区域双螺旋结构甚至可以打子，有时局部区域双螺旋结构甚至可以打开开双螺旋每圈大约双螺旋每圈大约10.5对碱基对碱基第61页，共78页，编辑于2022年，星期三嵌入试剂嵌入试剂第62页，共78页，编辑于2022年，星期三的三级
19、结构的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲即构成三级结构双螺旋进一步扭曲即构成三级结构双链双链DNA多数为线性形分子，但某些病毒、多数为线性形分子，但某些病毒、细菌质粒、真核生物的线粒体和叶绿体及细菌质粒、真核生物的线粒体和叶绿体及某些细菌的染色体某些细菌的染色体DNA为双链环状为双链环状DNA。在生物体内，绝大从数双链环状在生物体内，绝大从数双链环状DNA可进可进一步扭曲成超螺旋一步扭曲成超螺旋,超螺旋超螺旋DNA具有更为具有更为致密的结构致密的结构第63页，共78页，编辑于2022年，星期三的三级结构的三级结构第64页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA超螺旋结构超螺旋结构在生物体内，绝大
20、多数超螺旋在生物体内，绝大多数超螺旋DNA以负超以负超螺旋的形式存在，超螺旋解开时形成解链螺旋的形式存在，超螺旋解开时形成解链环形环形DNA，有利于，有利于DNA复制或转录复制或转录第65页，共78页，编辑于2022年，星期三化学合成化学合成DNA活泼基团多、对酸碱敏感、核酸在有机溶剂中溶解性差活泼基团多、对酸碱敏感、核酸在有机溶剂中溶解性差、分离困难等分离困难等第66页，共78页，编辑于2022年，星期三5-OH-保护保护第67页，共78页，编辑于2022年，星期三碱基的保护碱基的保护第68页，共78页，编辑于2022年，星期三核苷偶联核苷偶联第69页，共78页，编辑于2022年，星期三链增
21、长及脱保护链增长及脱保护第70页，共78页，编辑于2022年，星期三化学法合成化学法合成DNA要点要点用适当的基团先保护碱基用适当的基团先保护碱基用用dMTr保护保护5-OH用用Phosphoramidite策略连接核苷酸策略连接核苷酸用固相合成法解决分离问题用固相合成法解决分离问题第71页，共78页，编辑于2022年，星期三DNA和基因组和基因组DNA复制复制转录转录(transcription)合成与合成与DNA核苷酸序列相对应的核苷酸序列相对应的RNA(mRNA)翻译翻译(translation)由由mRNA指导蛋白质合成的过程；此合成指导蛋白质合成的过程；此合成在核糖体中进行，其中含有
22、核糖体在核糖体中进行，其中含有核糖体RNA（rRNA），而由转移），而由转移RNA（tRNA）将氨基酸转运到核糖体）将氨基酸转运到核糖体基因（基因（Gene）是）是DNA分子中最小的功能单位：编码分子中最小的功能单位：编码RNA或蛋白质的基因称为结构基因；具有调节功能的片断称为调节或蛋白质的基因称为结构基因；具有调节功能的片断称为调节基因；生物体所含的全部基因就是该生物体的基因组基因；生物体所含的全部基因就是该生物体的基因组（Genome）第72页，共78页，编辑于2022年，星期三The basic principle of transcription第73页，共78页，编辑于2022年，星
23、期三The basic principle of translation第74页，共78页，编辑于2022年，星期三原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点原核细胞通常只有原核细胞通常只有1个个“染色体染色体”DNA分子分子除调节序列和信号序列外，除调节序列和信号序列外，DNA的大部分的大部分是结构基因，且每个基因在是结构基因，且每个基因在DNA分子中只分子中只出现一次或几次出现一次或几次功能相关的基因常串联在一起，并转录在功能相关的基因常串联在一起，并转录在同一同一mRNA分子中，这种现象在真核生物分子中，这种现象在真核生物中很少见中很少见有基因重叠现象有基因重叠现象第75页，共78页，编辑
24、于2022年，星期三真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点有重复序列有重复序列单拷贝序列单拷贝序列在整个在整个DNA分子中只出现一分子中只出现一次或几次，主要是次或几次，主要是编码蛋白的编码蛋白的结构基因结构基因，多数蛋白的基因是单拷贝序列多数蛋白的基因是单拷贝序列中度重复序列中度重复序列在在DNA分子中可重复几十分子中可重复几十次到几千次，包括次到几千次，包括rRNA基因、基因、tRNA基因基因和某些蛋白质基因和某些蛋白质基因高度重复序列高度重复序列可重复几百万次，多数为可重复几百万次，多数为小于小于10bp短序列，可能与染色体结构的形短序列，可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关成及
25、基因表达的调控有关第76页，共78页，编辑于2022年，星期三真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点有断裂基因有断裂基因真核生物为蛋白质编码的基因都含有真核生物为蛋白质编码的基因都含有“居居间序列间序列”，即不为多肽编码，其转录产物，即不为多肽编码，其转录产物不在成熟不在成熟mRNA中出现中出现基因中不编码的居间序列称为基因中不编码的居间序列称为“内含子内含子”（intron），而编码的片段则称作），而编码的片段则称作“外外显子显子”（exon）内含子的存在是真核生物基因成为不连续内含子的存在是真核生物基因成为不连续基因或断裂基因（基因或断裂基因（split gene），其功能还），其功能还不十分清楚不十分清楚第77页，共78页，编辑于2022年，星期三 hemoglobin gene第78页，共78页，编辑于2022年，星期三