第二章核酸化学上

第二章 核酸化学
• 1869年Miescher从细胞核中分离出核素(nuclein) ，1889年Altman制备了不含蛋白的核酸制品， 并命名为核酸（nucleic acid）
• 核酸可分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（ RNA）两大类。
• 1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模 型
DNA与RNA的稳定性（1）
O
O
-O P O O-
A O HH
-O P O O-
A O HH
HO OHH -OH
O P OO
U Mg2+
O
HH
H O O-H
O P O-
O
U O
HH
H O OHH
H O OHH
O
-O P O O-
A O HH
HO OH O P O-
HO
+
U
O
HH
H O OHH
2020/11/24
H
3'
O
2'OHH
O P O-
O 5' O U
HH
-O P O O-
A O HH
H
3'
OH
2'
O
H
O P OO 5' O U HH
H O OHH
O P O-
O
G O
HH
H OH OH
O P O-
O
G O
HH
H OH OHH
H OH OHH
3'-terminus
2'-terminus
2020/11/24
H OH OHH
Nicotinamide-adenine dinucleotide (NAD+)
NH2
N
N
O
N O
N
O P O- H H
O
H OH OHH
O P O- OH OH OH
O CH2CH CH CH CH2
N H3C
H3C
N
NO NH
Flavin-adenine O dinucletide (FAD)
N
-O
P O
PO
P O
O
O-
O-
O-
HH
H OH OHH
N
5'-AMP 5'-ADP
5'-ATP
2020/11/24
UV spectra of ribonucleotides
2020/11/24
腺苷酸与辅酶
CONH2
O
N O
O P O- H H
O
H OH OHH
O P ON
O
NH2 N
ON N HH
N
HO 5'
O H 4' H3'
OH
9N
H 1' H2'
OH
腺苷 Adenosine(A)
NH2
O
N
NH
N HO
1
NO
O HH
H OH OHH
尿苷
Uridine(U)
N
N HO
O HH HOH OHH
鸟苷 Guanosine(G)
O NH
N NH2
2020/11/24
核苷(Nucleoside)(2)
• 除少数病毒以RNA为遗传物质外，多数生物体的 遗传物质是DNA。
• RNA的主要作用是从DNA“转录”遗传信息，并 指导蛋白质的合成
2020/11/24
第二章 核酸化学
• 核酸的组成 • DNA的结构与作用 • RNA的结构与功能 • 核酸的性质
2020/11/24
核酸的组成
O
H3C
NH
N
O
2020/11/24
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
O
CH3
H3C N
N
ON N CH3
Caffeine
2020/11/24
核苷酸(Nucleotide)
NH2
N
N
NH2
N
N
O
NN
-O P O
O
O-
HH
HOH OHH
腺苷-5’-磷酸(5’-AMP)
O
NN
-O P O
O
O-
HH
HOH HH
2’-脱氧腺苷-5’-磷酸(5’-dAMP)
Base
HO
O
HH
H O OHH
O P O-
O-
Base
HO
O
HH
H OH O H O P O-
O-
2020/11/24
AMP, ADP and ATP
NH2
N
N
OOO
HO HH
O P O-
O NH
N NH2 NH2
N
NO
DNA
O
O
HH
HO HH
O P O-
O-
O
NH
N
HO
O
HH
HO OHH
O N N
NH2 N
N
OPO
O
O-
HH
N
H
H
O OH
O P O-
N
O
O
HH
HO
H OH
O P O-
O NH
N NH2 NH2
N
NO
RNA
O
O
HH
H
H
O OH
O P O-
O-
2020/11/24
NH
N
N
N
NH
N H
N
Adenine
NH2
N H
N
NH
N
NH
NO H cytosine
2020/11/24
NO H
碱基互变异构体(2)
O
N
NH
N
N H
N
NH2
N H
guanine
O
OH N
N NH2
OH
NH
N
NO H
NO H
thymine
不同互变异构体有不同的氢键模式
2020/11/24
核苷(Nucleoside)(1)
O
HH
HO HH
O P O-
O
O
N
N
O HH
H
H
OH
O P O-
O
2020/11/24
DNA
NH2 N
N
N
N
O HH
HO
H H
O P O-
O
核苷酸
O NH
N NH2
NH2 N
NO
O HH HO HH O P O-
O
核苷酸单元
核糖或 脱氧核糖 （ribose or deoxyribose)
NH2
N
N
成RNA的是核糖 • DNA和RNA各有四个碱基，其
中三个相同，分别为腺嘌呤、 鸟嘌呤和胞嘧啶，另一个不同 ，DNA为胸腺嘧啶，而RNA为 尿嘧啶
2020/11/24
DNA和RNA的区别（2）
O
H3C
NH
NO
HO
O
HH
N
HO HH
O P O-
N
NH2 N
N
O
O
HH
N
HO HH
O P O-
N
O
O
HH
尿嘧啶
(pyrimidine) (cytosine)
(uracil)
ON H
胸腺嘧啶 (thymine)
NH2
NH2
O
N
CH3 N
CH2OHHN
S HN
ON H
ON H
5-甲基胞嘧啶 5-羟甲基胞嘧啶
2020/11/24
O NO N
H
H
二氢尿嘧啶 4-硫尿嘧啶
核酸的碱基—嘌呤
6
1N
7
5N
8
2
N
3
4
2020/11/24
环状核苷酸
N
N
O
O
HH
O P H O OHH
OH
NH2 N
N
N
N HO
O HH HO OH
P O O-
NH2 N
N
3',5'-cAMP
2',3'-cAMP
2020/11/24
核苷酸的连接方式-磷酸二酯
5'-terminus
5'-terminus
O
O
-O P O O-
A O HH
• 五月十五日，Miller和Urey在Science 上发表放电条件下合成氨基酸的 论文
Joyce, G. F. Nature 338, 217-224 (1989)
碱基英文名称及缩写
碱基 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶
英文名 Adenine Guanine Cytosine
Uracil Thymine
缩写 A G C U T
2020/11/24
碱基互变异构体(1)
NH2
腺嘌呤的结构
NH2
N
N
N H
N
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Prebiotic synthesis of purines
NC
NH2 h NC
N
H2O
O
H2N C
N
NC NH2
H2N
N H
H2N
N H
HCN
HCN
4 HCN
2020/11/24
NH2
N
N
O
HN
N
N
N H
adenine
H2N
N
N H
g uanine
2020/11/24
DNA的双螺旋结构
• DNA双螺旋结构模型的主要依据 • DNA双螺旋结构模型的要点 • DNA双螺旋的构象类型
2020/11/24
双螺旋结构模型的主要根据
• 电位滴定行为 • 关于碱基成对的证据 • X射线衍射数据
2020/11/24
碱基成对的证据(Chargaff规则)
2020/11/24
Nucleoside conformation(2)
O
O
NH
HO ON O
HH
H
H
OH OH
HN
HO O N O
HH H OH OHH
2020/11/24
嘧啶核苷只取anti式
核苷的稳定性
• 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
酸也较稳定，嘌呤核苷很容易酸解生成碱 基和戊糖
核苷酸的连结方式—三磷酸连
接
O
HN
C C
CH3 N
H2N
C N
C
CH N
H HCH2 O
OH OH
HOH
7-甲基鸟苷帽
O PO O-
O PO O-
O
P O CH2 O B
O-
HH
H O O HCH3
O P O-
O
B O
HH
H
H
O O CH3
O P O-
2020/11/24
DNA和RNA的区别（1） • 构成DNA的是脱氧核糖，而构
386b的全序列 • 水稻基因组计划 • 人类基因组计划
2020/11/24
核酸一级结构的表示
• 核苷用单字缩写A、U、G、C、T表示 • 需表明３‘－端和５‘－端，通常５’－
端在左边，如： ５‘-GGAUACUUGCA-3’ 5’-dGdTdCdCdTdGdA-3’
• 有２’，５‘－连接时须标出，如： ５’-pA2’pG3’pC2’pU2’pG3’pA-3’
H
3
OH
2
H
H
HO
OH
O
HH
H OH OHH
HO
OH
O
HH
H
H
OH OCH3
2-脱氧核糖 (2-deoxyribose)
核糖
2-O-甲基核糖
(ribose) (2-O-Methylribose)
2020/11/24
核酸的碱基—嘧啶
4
3N
5
NH2 N
O HN
O
HN
CH3
2
6
N
ON
1
H
ON H
嘧啶
胞嘧啶
N H
9
嘌呤 (Purine)
NH2
N
N
O
O
HN
N HN
N
N
N H
H2N
腺嘌呤
(Adenine)
N
N H
鸟嘌呤
(Guanine)
N
N H
次黄嘌呤
O
HN
N
H3C N
N
N H
CH3
N2,N2-二甲基鸟嘌呤
O
H3C N
N
N
N H
1-甲基次黄嘌呤
O
H3C N
N
H2N
N
N H
1-甲基鸟嘌呤
2020/11/24
NN
磷酸 (phosphate)
O
O
HH
HO XH
O P OO
X = H, OH
2020/11/24
碱基 （Base)
DNA和RNA全称 • Deoxyribonucleic acid—DNA • Ribonucleic acid—RNA
2020/11/24
核糖和脱氧核糖
HO 5
OH
O
4H H1
核酸组成小结
• 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，连接的方式主要是3’,5’-连接
• 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 和嘧啶
• 构成RNA的是核糖，构成DNA的是脱 氧核糖；DNA含有碱基胸腺嘧啶，而 不是RNA的尿嘧啶
2020/11/24
2020/11/24
DNA分子的大小
• DNA分子很大，最小的病毒DNA约5000个 碱基
• DNA分子通常用其所含碱基对数目（base pairs, bp)来表示, 单链用碱基数(base, b) 来表示。
• DNA是一丝状分子，直径只有2 nm，但长 度惊人，如大肠杆菌染色体长达1.6 x 106 nm (1.6 mm)
胞嘧啶
21.2 20.8 20.7 20.4 21.5 16.8 17.1 25.2 35.4 18.2
胸腺嘧啶 5-甲基胞嘧啶
27.8
1.3
27.3
1.3
27.2
1.3
28.4
1.1
28.2
2.8
27.1
6.0
32.9
—
23.9
—
14.6
—
32.3
—
2020/11/24
DNA的X-衍射图
2020/11/24
Franklin, R. E. & Gosling, R. G. Nature 171, 740 (1953)
Watson and Crick’s Nature paper
2020/11/24
不寻常的1953年（1）
• 四月二十五日，Watson和Crick在 Nature上发表关于DNA双螺旋的 论文
胞嘧啶的水解
NH2
N
+ H2O
NO H
Cytosine
O NH
NO H
Uracil
2020/11/24
DNA的结构
• DNA的一级结构 • DNA的二级结构 • DNA的三级结构
2020/11/24
DNA的一级结构
• 4种脱氧核苷酸的排列顺序 • 1977年Sanger测定了φX174单链DNA5
不同来源DNA的碱基组成（mol%）
DNA的来源
牛胸腺 牛脾 牛精子 大白鼠骨髓 鲱鱼睾丸 小麦胚 酵母 大肠杆菌 结核分支杆菌 φX174（单链）
腺嘌呤
28.2 27.9 28.7 28.6 27.9 27.3 31.3 26.0 15.1 24.3
鸟嘌呤
21.5 22.7 22.2 21.4 19.5 22.7 18.7 24.9 34.9 24.5
NH2 N
O
NH
N
N HO
O HH
HOH OHH
O
N
HO
O HH
H
H
OH H
O
N
HO
O HH
H
H
OH H
NH2 N
N
胞苷 Cytidine(C)
胸苷 Thymidine(dT)
脱氧腺苷 Deoxyadenosine(dA)
2020/11/24
Nucleoside conformation(1)
嘌呤核苷既可取Syn式也可取anti式
DNA与RNA的稳定性（2）
O
-O P O O-
A O ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱH
H O OHH
O P O-
O
U O
HH
H O OHH
O
-O P O O-
A O HH
H
h
O OH
OH
O P OO
U O
HH
H O OHH
O
-O P O O-
A O HH
O- OHH
O P O-
O
U O
HH
H O OHH
2020/11/24