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1、第三章 核 酸化学(Nucleic Acid Chemistry),第一节 核酸的重要性 (Importantance of Nucleic Acids)What are nucleic acids? Nucleic acids are a kind of very important biomacromolecule.They exist in all organism (including virus).,They play very important role during organism living activate such as:growth developmentrepro
2、ducingheredity variation.So it can also say that there is no life without nucleic Acids.,核酸化学研究史： （1） 1869年Miescher, 博士论文工作中测定淋巴细胞蛋白质组成时, 发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物, 并在所有细胞的核里都找到了此物质, 故命名“核质(Nuclein)”,即今天我们所说的脱氧核糖核蛋白，其中脱氧核糖核酸的含量为30%。,（2） 1889 年Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并建议将“ 核质”改名为“ 核酸”, 因为已经认识到“ 核质” 乃“
3、 核酸” 与蛋白质的复合体。 （3）1944年,O.T.Avery 等人通过细菌转化实验证明核酸是遗传物质。 目前，核酸的的研究已成为生物学研究中最活跃的一个领域，是最重要的生物大分子。,第二节 核酸的分类及其在细胞内的分布 （Classification and distribution of nucleic acid）一、核酸的分类 Nucleic acids are grouped into two types nucleic acid ：,（一） 脱氧核糖核酸 （deoxyribonucleic acid , DNA) （二） 核糖核酸（ribonucleic acid , RNA)
4、1、转移RNA（transfer RNA , tRNA) 2、核糖体RNA（ribosomal RNA , rRNA) 3、信使RNA（mesenger RNA , mRNA),4、特殊功能的RNA: Small nuclear RNA , snRNA Small nucleoar RNA , snoRNA Small cytoplasmic RNA , scRNA Antisense RNA Ribozyme RNase P,二、核酸的分布In eukaryotes，DNA mainly exist in nucleus（more than 98%）； mitochondria and ch
5、loroplasts respectively have their own DNA.In prokaryotes，DNA exist in nucleoid（拟核区）. Every prokaryotic cell only contain one chromsome（染色质），which is double-strand circular DNA molecule.,In addition，It also contain plasmid DNA（质粒DNA ）Viruses consit nucleic acid（DNA or RNA）coated with protein（called
6、capsid，病毒衣壳）.RNA mainly exist in the cytosol（90%），the other 10% in nucleus.,三、核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质1944 ， O. Avery 肺炎双球菌转化实验1952 ， A.D Hershey 和M. Chase 噬菌体感染实验,（二）RNA功能的多样性1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用,第三节 核酸的结构,一、核酸的化学组成,两类核酸的基本化学组成RNA： D-核糖， A、G、C、U碱基 DNA： D-2-脱氧核糖， A、G、C、T碱基,（一） 碱
7、基 1.嘧啶碱：尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶2. 嘌呤碱： 腺嘌呤 鸟嘌呤 嘌呤衍生物 ：3. 核酸中的修饰碱基： 100余种，多数是甲基化的产物,Structure of T and C,Structure of A and G,（二） 核苷与脱氧核苷,嘧啶碱： C1 N1，嘌呤碱： C1 N9。 核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型 碱基平面与核糖平面互相垂直,2、核酸中的稀有核苷 稀有碱基 稀有糖苷键：假尿嘧啶核苷（）P481 甲基化核糖,（三） 核苷酸核苷中戊糖C2 、C3、C5羟基被磷酸酯化,1. Bases, Nucleosides, and Nucleotides,Cytosine, Cy
8、tidine, Cytidine monophosphate CMP Uracil, Uridine, Uridine monophosphate UMPThymine, Thymidine, Thymidine monophosphate AMPAdenine, Adenosine, Adenosine monophosphate AMPGuanine, Guanosine, Guanosine monophosphate GMP,2、 细胞内的游离核苷酸及其衍生物核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。环核苷酸 3,5-cAMP， 3,5-cG
9、MP 信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。,二、 DNA的结构,一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢 键形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。,（一） DNA的一级结构蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5-核苷酸 牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3-核苷酸P482 图13-1磷酸二酯酶对核酸的水解作用DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3、5-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。P483 图 13-2DNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号,写法：53： 5-pApCpTpG-3，或 5AC
10、TG3,（二） DNA的二级结构1953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。,Photo by A.C. Barrington Brown, courtesy of Cold Spring Harbor Laboratory Archives.,1962 Francis Crick, James Watson, and Maurice Wilkins receive the Nobel Prize for determining the molecular structure of DNA.,Chargaff 规
11、律 1950年所有生物的DNA中，A=T，G=C 且A+G=C+T。b. DNA的碱基组成具有种的特异性。c. DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。d. 年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。,Structure of DNA Double Helix,1、 Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)（1）DNA分子为两条多核苷酸链以相同的螺旋轴为中心，盘绕成右旋、反向平行的双螺旋.（2）磷酸和戊糖组成的骨架位于螺旋外侧，碱基 位于螺旋内侧，并且按照碱基互补的原则，碱基之间通过氢键形成碱基对，A-T间形成二个氢键、G-C间形成三个氢键.（3）双螺旋的直径是2nm，每10
12、个碱基对旋转一周，螺距为3.4nm，所有的碱基平面都与中心轴垂直.（4）维持双螺旋的力是碱基堆积力和氢键.,3.4nm,（1.2nm, 0.85 nm）,（0.6nm, 0.75 nm）,Double helix Right-handed 10 base pairs/turn 3.4 nm /turn Diameter: ca. 2.0 nm, 磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。,磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。,碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行, 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。,螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力
13、维持, 每圈螺旋10.4nt ，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm， 大沟：宽1.2nm ，深0.85nm， 小沟 ：宽0.6nm，深0.75nm,2、稳定双螺旋结构的因素 碱基堆积力形成疏水环境（主要因素） 。 碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。,3、 DNA二级结构的多型性 P489表13-6 A-、B-、Z-DNA的比较相对湿度92%：BDNA 相对湿度75%：ADNA。,（1） BDNA：典型的
14、Watson-Crick双螺旋DNA 右手双螺旋 每圈螺旋10.4个碱基对 螺距：3.32nm （2） A-DNA 右手双螺旋，外形粗短。 RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。 （3）Z-DNA 左手螺旋，外形细长。 天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。,（4） 三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963,通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合： oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu),第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤,T= A : A , CG ： C+ T = A : T CG
15、： G,第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对,DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。,(三） DNA的三级结构DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象 超螺旋是DNA三级结构的主要形式,1、 环状DNA的三种典型构象 P491 图13-12,（1）、 松弛环形DNA 线形DNA直接环化 （2）、 解链环形DNA 线形DNA拧松后再环化 （3）、 正超螺旋与负超螺旋DNA,2、 三种环形DNA的拓扑学特性,连环数（linking num
16、ber , L） DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数（twisting number , T） DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）,L=T+W,负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（L），很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等,3、真核生物染色体的结构染色质、染色体常染色质、异染色质永久性异染色质、功能性异染色质核小体（nucleosome):146bp,组蛋白：H2A、H2B、H3、H4P495 图13-17真核生物染色体DNA的组装层次,MOV：MCB4.0three dimensional packing of nuclear chromosomes,
