核酸化学2015.

第三章核酸化学主要内容介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。思考核酸化学第一节核酸概述第二节核酸的研究历史和重要性第三节核酸基本结构单位—核苷酸第四节DNA的分子结构第五节RNA的分子结构第六节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术主要组成元素：C、H、O、N、PP平均含量：9%~10%,可确定核酸含量核酸的基本组成单位：核苷酸核酸的化学组成核酸脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）tRNAmRNArRNA蛋白质合成核酸的分类snRNARNA加工脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。•1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）•1944Avery等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质•1953Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型•1958Crick提出遗传信息传递的中心法则(CentralDogma)•1962Holley遗传密码的确定•70年代建立DNA重组技术•80年代实施人类基因组计划（HGP）•2002我国的水稻基因组计划1944年，Avery的转换转化实验orand可分离FrancisHarryComptonCrickJamesDeweyWatsonMauriceHughFrederickWilkinsGreatBritainUSAGreatBritainInstituteofMolecularBiologyCambridge,GreatBritainHarvardUniversityCambridge,MA,USAUniversityofLondonLondon,GreatBritain1916-1928-1916-fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterialTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962RobertW.HolleyHarGobindKhoranaMarshallW.NirenbergUSAUSAUSACornellUniversityIthaca,NY,USAUniversityofWisconsinMadison,WI,USANationalInstitutesofHealthBethesda,MD,USA1922-19931922-1927-TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis重组DNA的操作1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”，1998年在国家科技部的领导和牵线下，1998年在上海成立了南方基因中心，1999年在北京成立了北方人类基因组中心，1998年，组建了中科院遗传所。1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1％。青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。2002年4月5日以中国梯田为封面的«Science»杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果—中国人独立完成的论文《水稻（籼稻）基因组的工作框架序列》，显示对中国科学家成就充分肯定。COVERPhotographoftheHongheHaniriceterracesinYunnanProvince,China.Inthisissue,twoseparateresearchgroupsreportdraftsequencesoftwostrainsofrice--japonicaandindica.Inaddition,theEditorial,NewsFocus,Letters,andPerspectiveshighlightthesignificanceofthericegenometotheworld'spopulation.[Image:LiwenMaandBaoxingQiu,BeijingGenomicsInstitute]核酸的基本结构单位—核苷酸1核酸分子中核苷酸(nucleotide)的化学组成与命名(1)碱基、核苷、核苷酸的关系(2)碱基、核糖、核苷酸的结构与命名(3)稀有核苷酸2细胞内游离核苷酸及其衍生物核苷酸的组成核酸→→核苷酸→→核苷→→磷酸碱基戊糖腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-氧嘌呤）嘌呤嘧啶胞嘧啶（C）（2-氧,4-氨基嘧啶）胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）尿嘧啶（U）（2，4-二氧嘧啶）戊糖RNADNA磷酸POHOHOHOH3PO4Pi1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)核苷（nucleoside）核苷酸（nucleotide）H腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）PPPPPPPP鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5细胞内游离核苷酸及其衍生物•多磷酸核苷酸•环核苷酸•辅酶类核苷酸•其它核苷酸衍生物5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物AMPAdenosinemonophosphateADPAdenosinediphosphateATPAdenosinetriphosphatecAMPcGMPFADNAD、NADPHSCoA辅酶UDPG的结构GUDP第三节DNA的分子结构一、DNA一级结构(primarystructure)二、DNA的二级结构(secondarystructure)三、DNA的三级结构(tertiarystructure)DNA的一级结构由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键按一定顺序排列而成的高分子化合物。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法结构式，线条式，字母式一级结构测定5´3´DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´ppppOH3´ACTG1´线条式字母式5′PAPCPGPCPTPGPTPAOH3′5′PACGCTGTAOH3′DNA酶法序列分析的原理酶反应模板CCGGTAGCAACT3´5´GG5´3´引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTT电泳方向ACGTAGTTGCTACC3´5´TCAACGATGG5´3´读出模板互补序列读出模板序列DNA的二级结构Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。（即B型DNA）Chargaff定则（1950s,E.Chargaff发现）I.DNA碱基组成符合：A=T；G=C；A+G=T+C。II.不对称比率：A+T/G+C；物种不同，DNA碱基组成不同；物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似。Ⅲ.具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。提出DNA双螺旋结构模型的根据x-光衍射分析20世纪40年代Astbury1952年M.WilkinsDNA双螺旋结构模型要点（1）螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。DNA双螺旋结构模型要点（2）疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴垂直，脱氧核糖平面与中心轴平行。由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。T-A碱基对C-G碱基对DNA双螺旋结构模型要点（3）2.0nm小沟大沟由于碱基对排列的方向性，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大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，二者交替出现DNA双螺旋结构模型要点（4）双螺旋横截面的直径约为2nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度）为3.4nm。2.0nm小沟大沟氢键(hydrogenbond)碱基堆集力(basestackingforces)磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素DNA的双螺旋结构的意义双螺旋结构的理论促进了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献，被认为是现代分子生物学诞生的标志。其深刻意义在于：1、确立了核酸作为信息分子的结构基础，提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，从而最终确定了核酸是遗传的物质基础。2、提出了作为遗传功能分子的DNA的复制方式，半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。A-DNAZ-DNAB-DNA回文序列回文结构(序列):指DNA序列中，以某一中心为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构,即对称轴一侧的片段旋转180◦后，与另一侧片段相重复。容易形成十字形结构和发夹形结构。与遗传信息的表达调控和基因转移有关。DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构其它DNA螺旋结构DNA的三级结构在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.实例：超螺旋染色体（chromosome）病毒（virus）DNA的三级结构---超螺旋1）超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象。2）正超螺旋（变紧，过旋）和负超螺旋（变松，欠旋）。核小体盘绕及染色质示意图真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小