复旦生物化学课件10-核酸化学1-概述

核酸化学BiochemistryofNucleicAcids•核酸是重要的生物大分子-遗传物质•核酸研究是现代生物化学及分子生物学的重要领域•一百多年的研究历史（1868）•核酸的生物学作用在其被发现后的70多年才被证明-所有生物的遗传物质（1944）•DNA双螺旋结构（1953）•重组DNA技术（1972）•人类基因组计划（1990-2003）•RNA干扰（RNAi）（1996）核酸的生物学功能主要是遗传的物质基础，随着对核酸研究的深入，发现它的功能是多方面的。生物体的生长发育、遗传变异等都与核酸密切相关。因此核酸结构和功能的研究对深入探索生命奥秘起着至关重要的作用。研究历史核酸化学研究史（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)”。1879年Kossel经过10年的努力,搞清楚了核质中有四种不同的组成部分:A、T、C和G。核酸化学研究史（2）1889年Altman建议将”核质”改名为“核酸”,认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。1909年Levene发现酵母的核酸含有核糖1930年Levene发现动物细胞的核酸含有一种特殊的核糖－脱氧核糖,得出了一个概念：植物核酸含核糖、动物核酸含脱氧核糖。这个错误概念一直延续到1938年，这时方清楚RNA和DNA的区别。Levene还提出了核酸的“磷酸－核糖(碱基)－磷酸”的骨架结构,解决了DNA分子的线性问题,并在1935年提出“四核苷酸”说,认为这四种碱基的含量是一样的。核酸化学研究史（3）1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D采用纸层析法仔细分析了DNA的组成成分,得知[A]=[T],[G]=[C],[A+G]=[C+T]1953年Watson,Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果,提出了DNA的双螺旋模型(Doublehelix)。几星期后提出了半保留式复制模型。1957年Meselsnhe&Stahl用密度梯度超离心法和同位素标记-半保留复制假说。核酸化学研究史（4）1958年Kornberg得到高纯度的DNApolymerase,这种酶需要一个模板DNA。1960年Cairns拍下了复制中的细菌DNA的电镜照片。1970年发现第一个DNA限制性内切酶。1972年DNA重组技术的建立。1978年双脱氧DNA测序法的建立。1990年人类基因组计划(HGP)实施。核酸化学研究史-rRNA（5）•早在上世纪30年代后期就发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，但用1924年福尔根发明的染色法去染色，只能使细胞核中的核酸染色。而两种核酸在260nm的吸收非常相似。•1941年，细胞学家J.Brachet和T.Caspersor注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。•50年代，通过电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA常常存在于蛋白质合成相关的颗粒中（Ф20nm,用35S进行脉冲式标记的实验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体(ribosome)。•核糖体得到分离后，发现里面含RNA-rRNA(ribosomalRNA)。Watson等发现，rRNA的G≠C，A≠U，推断是单链分子。核酸化学研究史-mRNA（6）•1948年，有人报道当噬菌体感染了细菌后会产生一种很不稳定的RNA，而大多数也是和核糖体结合在一起。•Brenner,Jacob等人用13C，15N标记蛋白质，用32P标记核酸的方法证实了这是一种新的RNA分子，命名为信使RNA,即mRNA(messengerRNA)。•1961年，Spielman创立了分子杂交法，通过32P-mRNA-DNA杂交分子证明了mRNA的存在。核酸化学研究史-tRNA（7）•1957年Hoagland,M.B.发现一类稳定的RNA小分子，不与核糖体结合，因而不同于mRNA和rRNA。•Crick,F.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为两者不可能在空间上互补，因此他对核酸→蛋白质的信息传递作了以下预测：a).有一种分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；b).这种分子很可能是核酸；c).它不论以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；d).有20种分子转换器，每种氨基酸一个；e).每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器结合。•1963年，Ehrenstein等用实验证明了Hoagland发现的分子就是Crick预言的分子转换器，即tRNA。•1965年Holley经过7年努力测出酵母Ala-tRNA序列。核酸化学研究史-遗传密码的破译（8）1953年Dounce假设DNA通过RNA将信息传给蛋白质，RNA上每三个核苷酸形成一个“空洞”，正好将一个个氨基酸装进去,并允许三联体的重叠。命中率80％1954年物理学家Gamow与Teller等人联手，也提出三联体学说，并指出不可重复的特点。命中率20％1957年Crick也提出了三联体的假说。他意识到要解决“天书”的“词法”和“句法”，必须要有一本标准词典，以便决定64种组合中的44种是无用的。即“简并密码”和“阅读框”1961年Crick在Bencer,S的突变实验的基础上，用重组法得到了+++和---型，发现读框和野生型一致，从而证明了三联体的假说。1961年Nirenberg,Matthaei&Ochoa用生物化学手段开始了密码测试，得到20种氨基酸的密码子的核酸成份。1964年Khorana合成了U和G交替的多聚核苷酸，所对应的合成肽为VCVCVC，对照密码子的核酸成份可以最终决定。后来合成了UUGUUUGUUG…产生了poly(L),poly(C)和poly(V)。1964年Nirenberg找到了更妙的突破口，合成三联体，它能与tNRA进行密码子－反密码子的碱基配对，从而影响肽链的合成。1966年遗传密码的破译工作基本结束，Crick绘制了密码表，提出了摆动学说（wobbleconcept)，及时收回了“同义词”不存在的假设。JamesWatson(left)andFrancisCrick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]核酸骨架结构Thebackbonestructrueofnucleicacids核酸的一级结构：一分子核苷酸的3’-位羟基与另一分子核苷酸的5’-位磷酸基通过脱水可形成3’,5’-磷酸二酯键，将两分子核苷酸连接起来。核酸就是由多个核苷酸单位通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。核酸是有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5’-端，另一端称为3’-端。5’3’核酸核酸是生物体内的高分子化合物，包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。一、元素组成组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，与蛋白质比较，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9-10%（通常取9.5%）。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。二、化学组成与基本单位核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。核糖核酸（RNA）：细胞质，参与蛋白质的生物合成•mRNA（信使RNA），5%，Pr合成的直接模板•tRNA（转运RNA），15%，活化与转运AA•rRNA（核糖体RNA），80%，充当装配机，提供蛋白质合成的场所。脱氧核糖核酸（DNA）：核内染色质，遗传的物质基础基因—DNA分子中的功能片段（决定遗传特性）（特定的碱基序列）核酸的分类、分布与功能核酸脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）tRNAmRNArRNA蛋白质合成核酸的分类遗传信息两类核酸的分子组成RNADNA组分磷酸磷酸戊糖核糖脱氧核糖碱基嘌呤嘧啶AGUCT•DNA：细胞核(98%）、线粒体、叶绿体•RNA：细胞质rRNA：核仁中合成，占总RNA的80%tRNA：核内合成，占总RNA的15%mRNA：核内合成，占总RNA的5%核酸的分布DNA的水解产物中有碱基、磷酸、脱氧核糖、核苷、核苷酸等，因而推测DNA的骨架结构为DNA的骨架结构RNA分子与DNA分子的区别只在一个核糖羟基，TvsU，但就这点区别，RNA分子的化学性质比DNA活泼得多。RNA的骨架结构碱基结构StructureofBases嘌呤腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-氧嘌呤）Purines嘧啶环+咪唑环甘氨当中站谷氮坐两边左上天冬氨头顶CO2自然界许多生物碱是嘌呤的衍生物：尿酸(uricacid)：2,6,8-三羟嘌呤，嘌呤代谢产物黄嘌呤(xanthine)：2,6-二羟嘌呤，嘌呤代谢产物次黄嘌呤(hypoxanthine)：6-羟基嘌呤，嘌呤代谢产物茶叶碱(theophylline)：1,3-二甲基黄嘌呤可可碱(theobromine)：3,7-二甲基黄嘌吟咖啡碱（咖啡因）(caffeine)：1,3,7-三甲基黄嘌呤玉米素(zeatin)：N6-异戊烯腺嘌呤激动素(kinetin)：N6-呋喃甲基腺嘌呤NN123456NNHNH2ONHNHOONHNHOOCH3Pyrimidines嘧啶胞嘧啶（C）（2-氧4-氨基嘧啶）尿嘧啶（U）（2，4-二氧嘧啶）胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）Asp氨甲酰磷酸（Gln+CO2）ONH2NH+NHONH2NNHO-NH2NNH'212.5pK'14.6pKHHONHNHOON-NHOCH3ONHNHOCH3ON-NHO'19.5pK'19.9pKHH胞嘧啶中尿嘧啶及胸腺嘧啶中•能发生酮式/烯醇式、氨式/亚氨式互变•嘌呤和嘧啶碱基都具有弱碱性-主要是环内氨基的贡献NNH+NHNNH2NNNHNNH2NNN-NNH2'14.15pKHH'29.8pKNNHNHNH+NH2ONNHNHNNH2ONN-NHNH+NH2ONN-N-NNH2OHHH'13.2pK'29.6pK'312.4pK鸟嘌呤和次黄嘌呤中质子则结合到N7上核苷和核苷酸NucleosidesandNucleotides核苷=碱基+戊糖（nucleoside,Ns)糖苷键，嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1’以N-C糖苷键相连。NNNNOOHOHNH2HOCH2NNNH2OHOHOHOCH2腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）or？Anti-orsyn-?JoinbasetopentoseGlycosidicbond-anomerWatersoluble腺苷(AR)脱氧胞苷(dCR)β1’,N9-糖苷键β1’,N1-糖苷键RibonucleosidesHONNNNNH2OHOHHONHNNONH2NOHOHHOOHOHNNNH2OHOOHOHNNHOODeoxy