【正文】 核酸化學(xué) 第二章 核酸的化學(xué) 核酸的概念和重要性 核酸的組成成分 DNA的結(jié)構(gòu) DNA和基因組 RNA的結(jié)構(gòu)和功能 核酸的性質(zhì) 核酸的序列測(cè)定 核酸化學(xué) 第一節(jié) 概 述 核酸 (nucleic acid) 以 核苷酸 為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。 DNA（ Deoxyribonucleic acid)脫氧核糖核酸 RNA（ Ribonucleic acid) 核糖核酸 核酸化學(xué) ? 1868年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素” ? 1944年 Avery等人 證實(shí) DNA是遺傳物質(zhì) ? 1953年 Watson和 Crick發(fā)現(xiàn) DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu) ? 1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn) 遺傳密碼 ? 1975年 Temin和 Baltimore發(fā) 現(xiàn) 逆轉(zhuǎn)錄酶 ? 1981年 Gilbert和 Sanger建 立 DNA 測(cè)序方法 ? 1985年 Mullis發(fā)明 PCR 技術(shù) ? 1990年 美國(guó)啟動(dòng) 人類基因組計(jì)劃 (HGP) ? 1994年 中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng) ? 2022年 美、英等國(guó) 完成人類基因組計(jì)劃基本框架 一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展 核酸化學(xué) 1868年的某天瑞士的生物化學(xué)家米歇爾 (Miescher)研究一個(gè)病人的繃帶，小心地將繃帶上粘著的病人傷口處的物質(zhì)洗下來。洗脫物中含有許多膿細(xì)胞。他向其中加入酒精，將細(xì)胞中的脂肪類物質(zhì)除去，之后又加入含有胃蛋白酶的提取液清除各種雜蛋白，這樣，他就可以拿到純的濃細(xì)胞的細(xì)胞核了。于是米歇爾開始研究這些核。結(jié)果他意外地發(fā)現(xiàn)核中有一種從未認(rèn)識(shí)到的新物質(zhì)，并起名為“核素”。這就是現(xiàn)在我們知道的 DNA。 經(jīng)過后人的研究，核素為酸性物質(zhì)，含有三種成分：糖、磷酸、有機(jī)堿。又發(fā)現(xiàn)糖少了一個(gè)氧。稱之為脫氧核糖。 米歇爾的發(fā)現(xiàn) 核酸化學(xué) 哪些人用什么方法最終證明了 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是 DNA呢？ （ 1928）及埃弗里、麥克勞德、麥卡蒂等人的轉(zhuǎn)化補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)（ 1941）。 T2噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)。 核酸化學(xué) R型菌 （粗糙、 無毒性） S型菌 （光滑、 有毒性） 多糖類莢膜 格里菲斯 ——肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 核酸化學(xué) 將 R型活菌注入小鼠體內(nèi) 一段時(shí)間后 核酸化學(xué) 將 S型活菌注入小鼠體內(nèi) 一段時(shí)間后 核酸化學(xué) 將殺死的 S型菌注入小鼠體內(nèi) 一段時(shí)間后 核酸化學(xué) 將 R型活菌與殺死的 S型菌注入小鼠體內(nèi) 一段時(shí)間后 細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化，性狀的轉(zhuǎn)化可以遺傳。 核酸化學(xué) 埃弗里、麥克勞德、麥卡蒂轉(zhuǎn)化補(bǔ)充實(shí)驗(yàn) 從 S型肺炎球菌活體上取得蛋白質(zhì)、莢膜、DNA、 RNA，分別與 R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠體內(nèi)，結(jié)果被注入 DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。 核酸化學(xué) DNA 蛋白質(zhì) 多糖 RNA DNA 是 遺 傳 物 質(zhì) 只 有DNA引 起 R 型 肺 炎 球 菌 轉(zhuǎn) 化 核酸化學(xué) 赫西和蔡斯實(shí)驗(yàn) —— 噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn) （含 S） （含 P） 核酸化學(xué) 用放射性同位素 35S標(biāo)記外殼蛋白質(zhì) 細(xì)菌內(nèi)無放射性 核酸化學(xué) 用放射性同位素 32P標(biāo)記內(nèi)部 DNA 細(xì)菌內(nèi)有放射性 DNA是真正的遺傳物質(zhì) 核酸化學(xué) DNA—主要的遺傳物質(zhì) 注： DNA不是唯一的遺傳物質(zhì)，較少的微生物也靠 RNA進(jìn)行遺傳。 核酸化學(xué) 二、核酸的分類及分布、功能 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脫氧核糖核酸 核糖核酸 90%以上分布于細(xì)胞核 ， 其余分布于核外 如線粒體 ， 葉綠體 ， 質(zhì)粒等 。 主要存在于細(xì)胞質(zhì)中 攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型 (genotype)。 從 DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。 某些病毒 RNA也可作為遺傳信息的載體。 核酸化學(xué) 第二節(jié) 核酸的組成 核酸化學(xué) 元素組成 ?主要元素組成： C、 H、 O、 N、 P(9~11%) ?與蛋白質(zhì)比較，核酸 一般不含 S，而 P的含量較為穩(wěn)定，占 911%。 基本構(gòu)成單位：核苷酸 (nucleotide) 核苷酸由 戊糖、磷酸和含氮堿基 三部分構(gòu)成 核酸化學(xué) 5180。磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu) O O （ N = A、 G、 C、 U、 T） H H (O)H 1180。 2180。 N OH CH2 H H 5180。 4180。 3180。 P O O O O 核糖 磷酸 堿基 核酸化學(xué) 組成核酸的戊糖有兩種。 DNA所含的糖為 βD2脫氧核糖； RNA所含的糖則為 βD核糖。 (一 )、戊糖 OHHO HHO HO HHH O C H 2 H O C H2OHHO HHHO HHD 核糖 D 2 脫氧核糖Ribose Deoxyribose 核酸化學(xué) 核酸化學(xué) (二 )組成核酸的堿基 ? 腺嘌呤 Adenine NNNHNN H2 核酸化學(xué) 組成核酸的堿基 ? 鳥嘌呤 guanine N HNNHNON H2 核酸化學(xué) 組成核酸的堿基 ? 尿嘧啶 uracil N HNHOO 核酸化學(xué) 組成核酸的堿基 ? 胞嘧啶 cytosine NNHN H2O 核酸化學(xué) 組成核酸的堿基 ? 胸腺嘧啶 thymine N HNHOO 核酸化學(xué) 堿 基 核酸化學(xué) 核酸化學(xué) 堿基的結(jié)構(gòu)特征 ? 堿基都具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)特征 。 嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結(jié)構(gòu) 。 ? 堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團(tuán)可以發(fā)生酮式 —烯醇式或胺式 —亞胺式互變異構(gòu) 。 核酸化學(xué) 酮式烯醇式互變異構(gòu) 核酸化學(xué) 胺式 亞胺式互變異構(gòu) 核酸化學(xué) 核酸化學(xué) (三 )、核苷（ nucleoside） ?核苷 戊糖 +堿基 ?糖與堿基之間的 CN鍵，稱為 CN糖苷鍵 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ (OH) 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ (OH) 核酸化學(xué) O HOH2C OH OH OH 1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 核 糖 N N N N H H H H 9 腺嘌呤 腺 苷 核酸化學(xué) O HOH2C OH OH OH 1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 核 糖 O HOH2C OH OH 1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 核 糖 N N O O H H H 尿嘧啶 H 1 尿苷 N C O O NH H H 5 1 OH 假尿苷（ ψ） 核酸化學(xué) 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNO HH ONNN H 2H ONNO HH 2 NNNNNNNN H 2OHHO HHO HHH O C H 2 H O C H 2OHHO HHO HHOHHO HHO HHH O C H 2OHHO HHO HHH O C H 2假尿苷（ ψ ） 次黃苷（肌苷） I 黃嘌呤核苷 X 二氫尿嘧啶核苷 D 取代核苷的表示方式 7甲基鳥苷 m7G 5 OH Adenosine Guanosine Cytidine Uridine 核酸化學(xué) 稀有核苷酸：稀有堿基 /核苷 /核苷酸 核苷酸的其他形式 ?多磷酸核苷（ NDP、 NTP) ?環(huán)化核苷酸（ cAMP、 cGMP等） ?輔酶或輔基（ NAD、 NADP、 FAD、CoA等，均含有 AMP）， ?活性代謝物（ UDPG、 CDP膽堿，等） 核苷酸的組成：含氮堿基、戊糖和磷酸。 （四）核苷酸 nucleotide 核酸化學(xué) ? 核苷酸是核苷的磷酸酯 。 作為 DNA或 RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分別是 5′ 磷酸 脫氧核糖核苷酸和 5′ 磷酸 核糖核苷酸。 核苷酸 核苷 +磷酸 戊糖 +堿基 +磷酸 OBO H O HO H 2 CPO HH OOB= 腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 O H 2 CPO HH OOOBO H脫氧核糖核苷酸1 核苷酸的組成 核酸化學(xué) P P P P P P P P 常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名 鳥嘌呤核苷酸（ GMP） 尿嘧啶核苷酸（ UMP） 胞嘧啶核苷酸（ CMP） 腺嘌呤核苷酸 （ AMP） 脫氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP） 脫氧鳥嘌呤核苷酸（ dGMP） 脫氧胞嘧啶核苷酸（ dCMP） 脫氧胸腺嘧啶核苷酸（ dTMP） 核酸化學(xué) 修飾成分 ? 核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。 核酸化學(xué) 3 核苷酸的其他形式 ? ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結(jié)構(gòu)如下： （ 1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸 ) OPOONNNNN H 2OHHO HHO HHO C H 2OPOOOPOO三磷酸腺苷 ( A T P ) 核酸化學(xué) O HOH2C OH OH OH 1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 核 糖 N N N N H H H H 9 腺嘌呤 腺 苷 P O O— O ‖ 腺苷 5′磷酸 AMP O P O O— O ‖ ~ ADP ATP P O O— O ‖ ~ 核酸化學(xué) ATP的性質(zhì) ? ATP 分子的最顯著特點(diǎn)是含有兩個(gè)高能磷酸鍵。 ATP水解時(shí) , 可以釋放出大量自由能。 ? ATP 是生物體內(nèi)最重要的能量轉(zhuǎn)換中間體。 ATP 水解釋放出來的能量用于推動(dòng)生物體內(nèi)各種需能的生化反應(yīng)。 ? ATP 也是一種很好的磷?；瘎?。磷?；磻?yīng)的底物可以是普通的有機(jī)分子 ， 也可以是酶 。 磷?；牡孜锓肿泳哂休^高的能量 （ 活化分子 ） ， 是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟 。 核酸化學(xué) GTP (鳥嘌呤核糖核苷三磷酸 ) ? GTP是生物體內(nèi)游離存在的另一種重要的核苷酸衍生物 。 它具有 ATP 類似的結(jié)構(gòu) , 也是一種高能化合物 。 ? GTP主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w 。 在許多情況下 , ATP 和 GTP 可以相互轉(zhuǎn)換 。 ? 核酸化學(xué) （ 2） cAMP 和 cGMP ? cAMP(3’,5’ 環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸 ) 和 cGMP( 3’,5’環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸 )的主要功能是作為細(xì)胞的第二信使 。 ? cAMP 和 cGMP 的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵 。在 pH 條件下 , cAMP 和 cGMP 的水解能約為 kj /mol， 比 ATP 水解能高得多 。 核酸化學(xué) 環(huán)化磷酸化 ? cAMP ? cGMP 核酸化學(xué) （ 3） 輔酶或輔基 核酸化學(xué) 作為核酸的單體 : 各種核苷三磷酸和脫氧