第十二章 核酸化学 第一节 概述 第二节 核酸的水解和组成 第三节 体内某些重要核苷酸 第四节 核酸的结构 第五节 核酸的理化性质

第一节 概述 研究史： 1869 J. F. Miescher nuclein 1889 Altmann nucleic acid 1909 W. Johannsen gene 1910 T. H. Morgan role of the chromosome in heredity 1941 G. W. Beadle , E. L. Tetum one gene one enzyme 1944 O.Avery diplococcus pneumoniae transform 1953 J.Watson F.Crick DNA double helix 1966 R. W. Holley et al interpretation of the genetic code 1991 USA the Human Genome Project 1997 L. Wilmut et.al Dolly sheep 2001 USA, UK, France, Germany, Japan and China Human Genome Mapping 2002 Jun Yu et al Draft Sequence of the Rice Genome

James Watson (left) and Francis Crick

Francis Harry Compton Crick

James Dewey Watson

Maurice Hugh Frederick Wilkins

Great Britain USA Great Britain

Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain

Harvard University Cambridge, MA, USA

University of London London, Great Britain

1916 - 1928 - 1916 -

"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material"

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962

Robert W. Holley

Har Gobind Khorana Marshall W. Nirenberg

USA USA USA

Cornell University Ithaca, NY, USA

University of Wisconsin Madison, WI, USA

National Institutes of Health Bethesda, MD, USA

1922 - 1993 1922 - 1927 -

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968

"for their interpretation of the genetic code and

its function in protein synthesis"

人类基因组计划Human Genome Project １９９０年１０月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的 HGP 启动。 １９９８年５月：美国科学家克里格文特创建的塞莱拉遗传公司，目

标是投入３亿美元，到２００１年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际 HGP 展开竞争。

１９９９年１２月１日：国际 HGP 联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第２２对染色体的遗传密码。

２０００年３月１４日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家都能自由地使用这些成果。

２０００年５月：国际 HGP 完成时间预计从原定的２００３年６月提前至２００１年６月。

２０００年６月２６日：科学家公布人类基因组“工作框架图”。 ２００１年 2 月：国际 HGP( 美、英、日、德、法和中国 ) 的科学家

和美国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在 15日出版的《 Nature 》和 16 日的《 Science 》公布。

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。

COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this issue, two separate research groups report draft sequences of two strains of rice--japonica and indica. In addition, the Editorial, News Focus, Letters, and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the world's population. [Image: Liwen Ma and Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute]

一、核酸的分类 *

脱氧核糖核酸（ DNA ） 核糖体 RNA 核糖核酸（ RNA ） 转运 RNA 信使 RNA

二、核酸的生物功能 * 脱氧核糖核酸（ DNA ）：遗传信息的载体 核糖体 RNA ：蛋白质合成场所 核糖核酸（ RNA ） 转运 RNA ：转运氨基酸

信使 RNA ：转录遗传信息， 指导蛋白质合成

第二节 核酸的水解与组成一、核酸的水解产物 *

核酸 核酸

水解水解 水解水解

水解水解单核苷酸 单核苷酸

（（ B-R-P ）

磷酸磷酸（（ PP ）） 戊糖戊糖

（（ RR ））

碱基碱基（（ BB ））

核苷核苷（（ B-R ）

O

OH OH

OH

HHH

HOCH2

H1'

2'3'

4'

5'

O

OH H

OH

HHH H

HOCH2

1'

2'3'

4'

5'

核糖 脱氧核糖

戊糖：

碱基（ base) ：

腺嘌呤 (adenine, A)

鸟嘌呤 (guanine, G)

胞嘧啶 (cytosine, C)

胸腺嘧啶 (thymine,T)

尿嘧啶 (uracil,U)

嘌呤(purine)

嘧啶 (pyrimidine)

N

NNH

N

O

NH2N

NN

N

NH2

嘌呤

腺嘌呤（ A ）（ 6- 氨基嘌呤）

鸟嘌呤（ G ）（ 2- 氨基 -6- 氧嘌呤）

N

N1

2

3

4

5

6

嘧啶

N

NH

NH2

O

NH

NH

O

O

CH3NH

NH

O

O

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）

两类核酸的基本成分 *

RNA DNA

磷酸 磷酸 磷酸

戊糖 D-核糖 D-2-脱氧核糖

嘌呤碱 腺(A)、鸟(G) 腺(A)、鸟(G)

嘧啶碱 胞(C)、尿(U) 胞(C)、胸腺(T)

二、核酸的组成 — 核苷、核苷酸

1. 核苷 核苷 = 碱基 + 戊糖 连接方式：糖苷键嘌呤环上的 N-9 或嘧啶环上的 N-1 与糖的 C-1’ 以糖苷键相连。

N

NN

N

O

OHOH

NH2

HOCH2

腺嘌呤核苷 （腺苷）

胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）

1

9

N

N

NH2

O

HOH

OHOCH2

1

1

核苷酸 = 核苷 + 磷酸 连接方式：磷酸酯键 糖环上所有游离羟基（核糖的 C-2 、 C-3 、C-5及脱氧核糖的 C-3 、 C-5 ）均能与磷酸发生酯化结合。生物体内多数核苷酸是 5- 核苷酸，即糖环上的 C-5 与磷酸酯化。

2. 核苷酸

N

NN

N

O

OHOH

NH2

OCH2

O

OO P

N

N

NH2

O

HOH

OOCH2PO

O

O

腺嘌呤核苷酸 （腺苷酸）

脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）

第三节 体内某些重要核苷酸

能量物质： ATP 等； 酶辅助因子： NAD+、 NADP + 和 FAD 等； 信号传导： 环腺苷酸（ cyclic AMP, cAM

P ） , 环鸟苷酸（ cyclic GMP, cGMP ） ; 重要代谢中间物： PAPS 、 SAM 、 UDPG 、UDPGA 、 CDP- 胆碱（乙醇胺）等

N

NN

N

O

OHOH

NH2

OCH2

O

OO PPOPO

OO

OO

AMP

ADP

ATP

*

CH2OPOH

O

O

N

NN

N

O

OH

NH2

3

5

3 ,5 -cAMP

第四节 核酸的结构 核酸分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺

序称核酸的一级结构。 连接键： 3, 5 - 磷酸二酯键 ,即第一个核苷酸糖环上原来游离的 C-3羟基与第二个核苷酸 C-5磷酸组成 3 ， 5磷酸二酯键。

二个游离末端 : 5末端 ( 游离磷酸基 ), 3末端 ( 游离羟基 )

书写规则 :方向 5 3, 从繁到简有多种表示方法。

O

H

H

HH

CH2

O

P

O

OO

-

-

5'

4'

3' 2'

1'

O

H

H

HH

CH2

O

P

O

OO-

5'

4'

3' 2'

1'

O

H

H

HH

CH2

O

P

O

OO-

5'

4'

3'

2'

1'

-

5'

4'

2'

1'

O

H

H

HH

CH2

O

P

O

OO

O

H

H

HH

CH2

O

P

O

OO

-

5'

4'

3'

2'

1'

3' ， 5'– 磷 酸二酯键

5'末端的磷酸基团

3'末端的 羟基

G

A

A

核苷酸链（一级结构）

T

T

OH

5 ´ pGpCpApTpT-OH 3´

5´ G C A T T 3 ´

OH5 ´ 3´P P P P P

G C A T T

G C A T T

一、 DNA 的结构 1.DNA 的一级结构 * 由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 、 dTM

P 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。

2.DNA 的二级结构 —双螺旋模型 * 研究背景： （ 1 ） Chargaff 规则（ 20 世纪 40~50 年代） 不同物种的 DNA碱基组成不同； 同一生物体的不同组织的 DNA 的碱基组成相同； [A]=[T] ， [G]=[C] ， [A]+[G]=[T]+[C]

（ 2 ） Wilkins 和 Franklin 的高质量的 X-衍射图（ 3 ） Watson 和 Crick 提出双螺旋模型（ 1953 ）

3.4nm

0.34nm

2nm

Major Groove

Minor groove

DNA双螺旋模型的基本内容 反向平行、互补双链 脱氧核糖和磷酸骨架位于双链外侧，走向相反

（ 5´ 3´ 、 3´ 5´ ）； 碱基配对， A-T ， G-C 右手螺旋，并有大沟和小沟 螺旋直径 2nm 螺距3.4nm 螺旋一周 10 个碱

基对，碱基平面距离 0.34 nm 双螺旋结构稳定力：横向是碱基对氢键；纵向

是碱基平面间的疏水堆积力（ base-stacking force ）

DNA双螺旋结构的多样性

右手双螺旋（ B-DNA ）：生理条件下最稳定的结构；

A-DNA ：脱水条件下 DNA双螺旋及生理条件下的 RNA双螺旋和 DNA-RNA 杂合双螺旋中。结构特征：右手双螺旋、螺旋直径 2.6nm 、螺距 2.5nm ， 11 个碱基 / 周；

Z-DNA ：存在与 CGCGCGCG 结晶体结构中。结构特征：左手螺旋、螺旋直径 1.8nm 、螺距 4.5nm 、 12 碱基 / 周、核酸链骨架显 Z字型走行。

Z-DNA B-DNA A-DNA

沟

大沟

小沟

小沟

大沟

三链 DNA （ triple helix DNA ） 又称 H-DNA

概念： 三链DNA 是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。

结构：是在 Watson-Crick 双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA 中三个碱基配对（ Hoogsteen base pairing ）形成三碱基体 :T-A-T ， C-G-C 。

作用：还不清楚

3.DNA 的超螺旋结构（一）原核生物DNA 的高级结构 在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲 ,形

成超螺旋 (supercoil) 体积进一步压缩。

（二）真核生物DNA 分子高级结构：多层次压缩包装

Chromosome

chromatid

4. 真核生物 DNA 中基因排布特点

（ 1 ）真核基因含有大量重复序列； （ 2 ）基因的不连续性（内含子、外显子）

动物细胞内主要 RNA 的种类与功能 细胞核和胞液 线粒体

功能核蛋白体 RNA rRNA mt rRNA 核蛋白体的组分信使 RNA mRNA mt mRNA 蛋白质合成膜板转运 RNA tRNA mt tRNA 转运氨基酸不均一核 RNA HnRNA mRNA 的前体小核 RNA SnRNA 参与 HnRNA 的剪

接、转运小核仁 RNA SnoRNA rRNA 的加工、

修饰小胞质 RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定 位合成

的信号识别体的组分

二、 RNA 的结构与功能

RNA secondary and tertiary structures. (a) Stem-loops, hairpins, and other secondary structures can form by base pairing between distant complementary segments of an RNA molecule. In stem-loops, the single-stranded loop (dark red) between the base-paired helical stem (light red) may be hundreds or even thousands of nucleotides long, whereas in hairpins, the short turn may contain as few as 6 – 8 nucleotides. (b) Interactions between the flexible loops may result in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot. This tertiary structure resembles a figure-eight knot, but the free ends do not pass through the loops, so no knot is actually formed.

1.tRNA 的结构与功能 * 结构特点 : 稀有碱基： DHU 、 T 、、 mG 和 mA等；

三叶草形二级结构： DHU 环、反密码环（有反密码子） 、 T环和 3端氨基酸臂

倒“ L” 型三级结构

NN

O

O

O

HOH

HOCH2

N

NNH

N

O

OHOH

O

HOCH2

N

N

NH2

O

HOH

O

H

H

HOCH2

2

2 N

NN

N

O

OHOH

OH

NH2HOCH2

CH3

5

1 1 1 1

91 1

假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷 二氢尿嘧啶核苷 7 甲基鸟嘌呤 ( pseudouridine, ) ( inosine, I ) ( dihydrouridine,DHU ) ( 7-methylguanosine,mG )

三叶草模型

3´OH

ACCA

C- G U- A C- G U G

5´P

C

G

C- G G-C C

G

C

G

G

C

C

G

U C Am

CC

φT

UAGm

C

C

G

C

G

AAGDD

Gm

GD D DA A

Cm

DAGA

GC GA U

G CA U

A φCU

G U AA

A

Tψ 环

CCA 末端

DHU 环

反密码子

Tψ 环

DHU 环

反密码子环反密码子环

b.tRNA 的倒 L型三级结构

a.酵母的一级结构与二级结构

2.mRNA 的结构

AAAA ……An

m7Gppp AUG GUG

UAA………………

5´ 3´

5 ´ 帽子结构 密码子 3 ´ 多聚 A 尾

5 ´ 非编码区 编码区 3 ´ 非编码区

真核生物 mRNA ：

N

N+

N

N

O

O

CH3

CH2 O P O P O P O CH2

B

OO

O

P

CH3

O O CH2

CH3OO

O B

O O O

O O O (m6A.A.G.C.U)

(m6A.A.G.C.U)

mRNA 的 5帽子结构— m7GpppNm

5 5

3.rRNA 的结构

真核生物 18S rRNA原核生物 16S rRNA

70S

80S

50S

30S

60S

40S

31 proteins

23S RNA

5S RNA

21 proteins

16S RNA

49 proteins

28S RNA

5.8S RNA

33 proteins

18S RNA

第五节 核酸的理化性质一、核酸的酸碱性质 具有较强酸性， pI 较低二、核酸的紫外吸收 260nm 特征性吸收峰 增色效应：核酸在加热变性过程中 260nm

波长吸收值（ A260 ）增加； * 减色效应：核酸在复性过程中 260nm 波长吸收值（ A260 ）减小。 *

三、核酸的变性、复性与杂交 * 1. 核酸的变性：在某些理化因素作用下（温度、

酸碱、有机溶剂、尿素等），核酸分子互补双链之间氢键断裂，使双螺旋结构松散变成单链的过程。变性产生增色效应。

2. 核酸的复性：又称退火，变性核酸在一定条件下如温度逐步恢复到生理范围内，两条互补链重新恢复天然的双螺旋构象。

The denaturation and renaturation of double-stranded DNA molecules

3. 杂交：不同来源的核酸经变性和复性的过程，其中一些不同的核苷酸单链由于存在局部碱基互补片段，而在复性时形成杂化双链，此过程称分子杂交。

加热 退火

分子探针 :带有某种标记物的分子，如核苷酸链片段； 分子杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，有广泛的应用价值。

加热 退火

考试题型： 1.名词解释（ 15%） 2.填空题（ 15%） 3. 命名有机化合物（ 20%） 4. 写出有机化合物结构（ 20%） 5. 写出有机化学反应主要产物（ 20%） 6.问答或计算（ 10%）