核酸的研究发现史

1、9 核酸核酸核酸的研究发现史核酸的研究发现史 18691869年，年，f. miescherf. miescher从细胞核中分离得从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。物质。磷磷酸酸含磷高含磷高, 呈酸性呈酸性 核酸是一类重要的生物大分子，担负着生核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。命信息的储存与传递。 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。研究领域，是基因工程操作的核心分子。 98 98核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mdn

2、amdna） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ctdnactdna）dna dna 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid） 病毒：病毒：dnadna病毒病毒核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸分为两大类：核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid deoxyribonucleic acid （dnadna） 核糖核酸核糖核酸 ribonucleic acidribonucleic acid（rnarna）核酸的分类核酸的分类 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（dna） 核糖体核糖体rna 核糖核酸（核糖核酸（rna） 转运转

3、运rna 信使信使rna核酸的生物功能核酸的生物功能 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（dna）：遗传信息的载体）：遗传信息的载体 核糖体核糖体rna ：蛋白质合成场所：蛋白质合成场所 核糖核酸（核糖核酸（rna） 转运转运rna：转运氨基酸：转运氨基酸 信使信使rna：转录遗传信息，：转录遗传信息， 指导蛋白质合成指导蛋白质合成 核苷酸由三部分组成：一个弱碱性的含氮化合物（称为碱核苷酸由三部分组成：一个弱碱性的含氮化合物（称为碱基），一个五碳糖（戊糖）和一个磷酸基团。基），一个五碳糖（戊糖）和一个磷酸基团。 含氮碱基是嘧啶和嘌呤；戊糖为核糖（含氮碱基是嘧啶和嘌呤；戊糖为核糖（d-呋喃核糖）或脱呋喃

4、核糖）或脱氧核糖（氧核糖（2-脱氧脱氧-d-呋喃核糖）。这两种糖的嘧啶或嘌呤的呋喃核糖）。这两种糖的嘧啶或嘌呤的n-糖糖苷称为核苷。苷称为核苷。含有核糖的核苷酸称为。含有核糖的核苷酸称为核糖核苷酸，而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸，而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸。核苷酸含有两类碱基核苷酸含有两类碱基 在核苷酸中发现的所有碱基或是在核苷酸中发现的所有碱基或是嘧啶的衍生物嘧啶的衍生物，或是，或是嘌呤嘌呤的衍生物的衍生物。两种类型的碱基都是不饱和的，即都含有共轭双键。两种类型的碱基都是不饱和的，即都含有共轭双键。这一特性使得环呈平面，也说明它们具有这一特性使得环呈平面，也

5、说明它们具有吸收紫外光的能力吸收紫外光的能力（ max260nm ）。）。嘧啶的衍生物嘧啶的衍生物嘌呤的衍生物嘌呤的衍生物 嘌呤碱和嘧嘌呤碱和嘧啶碱分子中啶碱分子中都含有共轭都含有共轭双键体系，双键体系，在紫外区有在紫外区有吸收（吸收（260 260 nmnm左右）。左右）。 一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和氟尿嘧啶和6-巯巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶相应的核苷酸氟尿嘧啶相应的

6、核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是成酶是dna合成所必需的酶。合成所必需的酶。每一个杂环碱存在着两种每一个杂环碱存在着两种互变异构形式。互变异构形式。腺嘌呤和胞嘧啶既可以以腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨氨的形式存在也可以以的形式存在也可以以亚亚胺胺的形式存在；的形式存在；鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以啶可以以酮式酮式存在，也可存在，也可以以以以醇式醇式存在。存在。9.1.2 核苷核苷 在每一种核苷中，糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的在每一种核苷中，糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的n-1或嘌呤的或嘌

7、呤的n-9之间之间形成的形成的 -n-糖苷键与碱基连接的。核糖中的碳原子的编号都带有糖苷键与碱基连接的。核糖中的碳原子的编号都带有“ ”以区以区别于碱基中的原子编号。别于碱基中的原子编号。核糖核苷核糖核苷脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷 核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有3个可以被磷酸酯化的个可以被磷酸酯化的羟基羟基(2、3和和5)，而脱氧核苷含有，而脱氧核苷含有2个这样的羟基个这样的羟基(3和和5)。通常都是连接在通常都是连接在5-羟基的氧原子上，因此不作特别羟基的氧原子上，因此不作特别指定时，提到一个核苷酸指的都是指定时，提到一个核苷酸指的都是5-磷酸酯。磷酸酯。 例如腺

8、苷的例如腺苷的5-单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（ amp），也），也可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的5-磷酸酯可以称之脱氧磷酸酯可以称之脱氧胞苷一磷酸（胞苷一磷酸（dcmp），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧核苷的核苷的5-磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称之脱氧胸苷酸。之脱氧胸苷酸。 下图给出了出现在下图给出了出现在dna和和rna中的主要的脱氧核糖核苷中的主要的脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸，它们都是相应酸和核糖核苷酸，它们都是相应核苷的核苷的5 5-

9、 -磷酸酯磷酸酯。 核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（amp）、腺苷二磷酸（）、腺苷二磷酸（adp）和腺苷三磷酸（和腺苷三磷酸（ atp）的结构。）的结构。 atp在腺苷酸环化酶的作用下可以生成在腺苷酸环化酶的作用下可以生成,同样同样gtp在鸟苷酸环化酶催化下也可生成在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3,5-环鸟环鸟苷酸（苷酸（cgmp）。通常把激素称之第一信使，把）。通常把激素称之第一信使，把。 交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸链的共价骨架。连接交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸

10、链的共价骨架。连接在戊糖单位上的碱基给出了核酸序列上的变化。聚合酶催化细在戊糖单位上的碱基给出了核酸序列上的变化。聚合酶催化细胞中的胞中的rna和和dna的合成。的合成。 核苷三磷酸核苷三磷酸atp、gtp、ctp、utp 是是rna合成的底物（或称原料），而合成的底物（或称原料），而datp、dgtp、dctp和和dttp是是dna合成的底物（或称原料），合成的底物（或称原料）， 。 聚合酶通过催化一个核苷酸的聚合酶通过催化一个核苷酸的3-oh与另一个核苷酸的与另一个核苷酸的5-磷酸之间形成磷酸之间形成将核苷单磷酸加到生长的多核苷将核苷单磷酸加到生长的多核苷酸链上，下图给出了酸链上，下图给出

11、了dna分子的延长反应。分子的延长反应。 由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸核糖核酸(rna)；由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(dna)。聚合酶聚合酶 核酸的一级结构是核酸的一级结构是通过通过3, 5-磷酸二酯键连磷酸二酯键连接的核苷酸序列。接的核苷酸序列。 dna和和rna的生物的生物合成都是按照合成都是按照53方向方向进行的，进行的，。 右图右图dna片段可缩写为片段可缩写为pdapdtpdgpdcpda可以简写为可以简写为 atgca 磷酸二磷酸二酯键酯键 1944年年o.t.aver

12、y等人通过实验证明等人通过实验证明dna是一个携带遗是一个携带遗传信息的分子，几年之后，传信息的分子，几年之后，a.hershy和和m.chase通过噬菌通过噬菌体感染实验也证实体感染实验也证实dna是遗传物质。是遗传物质。 肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：有荚膜、肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌

13、落粗糙且无毒。下图给出了了o.t.avery等人具体的等人具体的过程。过程。（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。使小鼠致死。（b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。对小鼠无害。（c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。再注入小鼠体内，对小鼠无害。（d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。鼠死掉。 （e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中）从加热杀死的

14、光滑型肺炎双球菌中提取提取dna，并尽可能将混在，并尽可能将混在dna中的蛋中的蛋白质除去，然后将白质除去，然后将dna与粗糙型肺炎双与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。b. 噬菌体感染实验噬菌体感染实验 用用32p标记噬菌体标记噬菌体dna，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器（10000转转/分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性

15、。用用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性。用35s标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。 。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒于复制的遗传信息是通过病毒dna，而不是通过病毒蛋白质，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。导入细菌内的。 32p标记标记 噬菌体噬菌体dna35s标记标记 噬菌体噬菌体外壳外壳 chargaff观察到来自不同种属的观察到来

16、自不同种属的dna的的4种碱基组成不同，种碱基组成不同，例如来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的例如来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的dna的碱基的数的碱基的数量和相对比例很不相同，即量和相对比例很不相同，即。但来自同一种属不同组织的。但来自同一种属不同组织的dna样品具有相同的碱基组样品具有相同的碱基组成，即成，即。 对于一个给定种属的对于一个给定种属的dna碱基组成不会随有机体的年龄、碱基组成不会随有机体的年龄、营养状态和环境变化而改变。营养状态和环境变化而改变。chargaff 得出的一个最重要的得出的一个最重要的碱基定量关系是不管种属如何不同，但在所有的碱基定量关系是不管种属如何不同，但

17、在所有的dna中，中，腺腺嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数（即，嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数（即，at），），而而鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数（即，鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数（即，gc）（表（表5.2）。从这些关系中可以得出，嘌呤残基的总摩尔数等于嘧）。从这些关系中可以得出，嘌呤残基的总摩尔数等于嘧啶残基的总摩尔数，即啶残基的总摩尔数，即。 dna中碱基组成的这些定量关系，也称为中碱基组成的这些定量关系，也称为，后来又被其他的研究者证实。碱基之间的这些定量关系对于建立后来又被其他的研究者证实。碱基之间的这些定量关系对于建立dna的三维结构以及遗传信息是如何编码在的

18、三维结构以及遗传信息是如何编码在dna中一代一代传中一代一代传下去是一个关键。下去是一个关键。5.2不同来源的不同来源的dna的碱基组成（摩尔百分比）和碱基比例的碱基组成（摩尔百分比）和碱基比例 肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相信信dna是遗传物质，但遗传信息是如何贮存在是遗传物质，但遗传信息是如何贮存在dna分子中的分子中的呢？呢？ 当时摆在研究者面前的问题就是建立一个当时摆在研究者面前的问题就是建立一个dna分子的三分子的三维模型，该模型要能够解释维模型，该模型要能够解释chargaff法则，以及遗传规律等法则，以及遗传规律等

19、问题。问题。 提出提出dna双螺旋模型的是年仅双螺旋模型的是年仅25岁的沃森和岁的沃森和35岁的克里克，岁的克里克，但不要忘记富兰克林以及查格夫等人的贡献，正是由于富兰克但不要忘记富兰克林以及查格夫等人的贡献，正是由于富兰克林拍摄的林拍摄的dna x-射线衍射图成就了沃森和克里克。射线衍射图成就了沃森和克里克。1962年沃年沃森、克里克和威尔森三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。森、克里克和威尔森三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。9.4 dna9.4 dna二级结构是一个双螺旋结构二级结构是一个双螺旋结构直径直径2.0nm螺距螺距3.4nm (含含10个碱基对个碱基对)大沟大沟2.2nm小沟小沟1.

20、2nmdnadna双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点 （1 1）dnadna分子由两条分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸多聚脱氧核糖核苷酸链链( (简称简称dnadna单链单链) )组组成。成。两条链沿着同一两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相旋中的两条链方向相反，反，即其中一条链的即其中一条链的方向为方向为5353，而，而另一条链的方向为另一条链的方向为3535，螺旋结构，螺旋结构上有大沟和小沟。上有大沟和小沟。注：注：在这些沟内，在这些沟内，碱基对的边缘是碱基对的边缘是暴露给溶剂的，暴露给溶剂的，所以能够与特定所以能够与特定的碱基

21、对相互作的碱基对相互作用的分子可以通用的分子可以通过这些沟去识别过这些沟去识别碱基对，而不必碱基对，而不必将螺旋破坏。这将螺旋破坏。这对于可以与对于可以与dna结合并结合并“读出读出”特殊序列的蛋白特殊序列的蛋白质是特别重要的。质是特别重要的。 （2 2）嘌呤碱和嘧啶）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，糖基位于螺旋外侧，彼此以彼此以3 -5 3 -5 磷磷酸二酯键连接，形酸二酯键连接，形成成dnadna分子的骨架。分子的骨架。碱基环平面与螺旋碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成面与碱基环平面成9090角。角

22、。（3 3）螺旋横截面的直）螺旋横截面的直径约为径约为2 nm2 nm，每条链，每条链相邻两个碱基平面之相邻两个碱基平面之间的距离为间的距离为0.34 nm0.34 nm，相邻核苷酸的夹角为相邻核苷酸的夹角为36 。沿螺旋的长轴每。沿螺旋的长轴每一转含有一转含有10个碱基对，个碱基对，其螺距为其螺距为3.4nm。 （即螺旋旋转一圈）（即螺旋旋转一圈）高度为高度为3.4 nm3.4 nm。（4 4）双螺旋内部的碱基双螺旋内部的碱基按规则配对按规则配对，碱基的相，碱基的相互结合具有严格的配对互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（规律，即腺嘌呤（a a）与胸腺嘧啶（与胸腺嘧啶（t t）结合，）结合，鸟

23、嘌呤（鸟嘌呤（g g）与胞嘧啶）与胞嘧啶（c c）结合，这种配对）结合，这种配对关系，称为关系，称为碱基互补碱基互补。a a和和t t之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，g g与与c c之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。 双螺旋的两条链是互补双螺旋的两条链是互补关系。关系。dnadna双螺旋结构提出的生物学意义双螺旋结构提出的生物学意义 第一次阐述了遗传信息的储存方式及第一次阐述了遗传信息的储存方式及dnadna复复制的机理，以准确的语言回答了制的机理，以准确的语言回答了dnadna是如何是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为

24、和分子遗传学的发展，被誉为2020世纪最伟世纪最伟大的发现之一。大的发现之一。dnadna双螺旋的稳定因素双螺旋的稳定因素 dnadna双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。 维持这种稳定性的主要因素包括：两条维持这种稳定性的主要因素包括：两条dnadna链链之间碱基配对形成的之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力氢键和碱基堆积力； 另外，存在于另外，存在于dnadna分子中的一些弱键在维持双分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离基团上的负电荷与介质中的阳离子间形

25、成的离子键及范德华力。子键及范德华力。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。定性。 g和和c之间之间形成三个氢键形成三个氢键 a和和t之间之间 形形成二个氢键成二个氢键 双螺旋结构模型提双螺旋结构模型提供了供了dna复制的机理，复制的机理，解释了遗传物质自我复解释了遗传物质自我复制的机制。制的机制。 模型是两条链，而模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，且碱基互补。复制之前，氢键断裂，两条链彼此氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作为一分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的个模板复制出一条新的互补链，这样就得到了互补链，这样就得到了两对链，解决

26、了一个基两对链，解决了一个基本的生物学问题遗传本的生物学问题遗传复制中样板的分子基础。复制中样板的分子基础。亲本链亲本链子子链链子子链链 在在watson和和crick 的的 dna双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序列的寡核苷酸的列的寡核苷酸的x-射线晶体衍射图的研究发现，存在着射线晶体衍射图的研究发现，存在着b型、型、a型和型和z型型dna。b-dna和和a-dna都是右手双螺旋结构，而都是右手双螺旋结构，而z-dna是左手双螺旋结构。是左手双螺旋结构。b-dna、a-dna和和z-dna双螺旋结构特点双螺旋结构特点一、定义：一、定义： dna的三级

27、结构指的三级结构指dna分子（双螺旋）通过分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及及dna的拓扑特征。的拓扑特征。超螺旋是超螺旋是dna三级结构的三级结构的一种类型。超螺旋即一种类型。超螺旋即dna双螺旋的螺旋双螺旋的螺旋。 用两手分别捏住线性用两手分别捏住线性dna分子的两端，捻动其中的一端分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当或两端同时向相反的方向捻动。当时（即沿右手螺旋时（即沿右手螺旋方向捻动），等于方向捻动），等于（所谓的（所谓的“上劲上劲”）。处于这样状态的）。处于这样状态的dna分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状分子相对于它的松弛状