第一章-核酸课件

生物化学

Biochemistry福建农林大学生命科学学院牟少亮参考书目

使用教材：《基础生物化学》郭蔼光高等教育出版社

参考书目：

《生物化学》沈同，王镜岩主编，高教出版社

《生物化学》张曼夫主编，中国农业大学出版社理解→记忆→融会贯通；预习，记好笔记，复习，总结归纳；重视实验技术；师生配合（课堂提问）我的电子邮件地址：moushaoliang@163.com联系地点：生科楼411室电话何学好生化课

生命的基本特征:具有复杂有序的结构；对环境反应的能力；不断进行新陈代谢；能自我复制，繁殖后代是关于生命的化学；或者说是关于生命的化学本质的科学；它是利用化学的理论和方法研究生物的一门学科。物质在生物体内发生的化学变化，以及这些物质的结构和变化与生物的生理机能之间的关系的科学。

一、生物化学的内容爱情药水——苯乙胺、多巴胺、催产素、慈母素化学生理学生物化学分子生物学（以蛋白质、核酸等生物大分子为主要研究对象的生物化学）蛋白质工程酶工程基因工程生物化学物质组成蛋白质——氨基酸核酸——嘌呤、嘧啶、核糖糖——单糖脂类——脂肪酸、甘油、胆碱酶维生素激素细胞内的化学变化规律（新陈代谢）

糖代谢能量代谢脂类代谢蛋白质代谢核酸的代谢核酸的合成蛋白质的合成物质代谢总论生存过程遗传过程揭示生理、病理、药理、生物产品调控机理等等揭示生命繁衍的分子本质二、生物化学的形成及其发展

1、生物化学形成有机化学（对自然界存在的有机成分进行研究）生理学（主要是对生理过程的物质变化进行研究）医学（主要是对血液、尿和组织的化学成分进行分析，以便诊断疾病）等学科的基础上形成的一门边缘学科。

公元前22世纪开始谷物酿酒；公元前12世纪掌握制酱、制饴；豆腐的制作——《齐民要术》；公元7世纪，孙思邈就用车前子、杏仁等中草药治疗脚气病，用猪肝治疗夜盲症等；《本草纲目》（李时珍）1877年，德国医生霍佩—赛勒将生理化学（生物化学）建成一门独立的科学。1877年，他首次提出“Biochemie”这个名词，译为英语名词为“Biochemistry”或“BiologicalChemistry”。

2、生物化学的发展：（1）静态生物化学：

19世纪末—20世纪30年代，用有机化学的方法研究生物体的化学组成，阐明这些成分的理化性质；a)E.Fischer测定很多糖和氨基酸的结构，提出蛋白质由肽键连接；b)食物分析和营养研究发现维生素和激素J.BSummer于1926年首次从刀豆中分离并制成脲酶结晶，证明它是蛋白质；1946年获得诺贝尔化学奖（2）动态生物化学：1930-1950年主要特点是研究生物体内物质的变化，即代谢途径，EMP途径、TCA循环等。G.Embden&Meyerhof：德国生物化学家，在糖代谢、脂代谢及肝脏合成氨基酸方面做出了巨大贡献，与他人一起证明了糖酵解途径。

Krebs：英国人，发现了尿素循环和三羧酸循环。并解释了机体内所需能量的产生过程和糖、脂肪、蛋白质的相互联系及相互转变机理。于1953年获诺贝尔奖。李普曼(1899～1986)德裔美国物生化学家。1945年发现并分离出辅酶A，证明其对生理代谢的重要性，首开重要领域，于1953年获诺贝尔奖。辅酶A可用于治疗某些创了代谢反应研究的一个由于代谢失调引起的疾病。（3）机能生物化学：20世纪50年代初至80年代，生物化学研究结合了生理机能，研究生物大分子的结构和功能Watson,Crick首次描绘了DNA双螺旋三维结构模型。1962年,获诺贝尔化学奖.这一模型的建立，揭开了生物遗传信息传递的秘密，从遗传物质结构变化的角度解释了遗传性状突变的原因，并标志着遗传学完成了由“经典”向“分子”时代的过渡英国物理学家Perutz用X-射线衍射技术，解析了血红蛋白的三维空间结构；Kendrew测定了肌红蛋白的结构。英国化学家Sanger利用10年时间完成牛胰岛素的结构测定。1958年，获Nobel化学奖；美国化学家Pauling确认氢键在蛋白质结构中和大分子相互作用中的重要性；还研究了镰刀型红细胞贫血病，提出分子病的名称。1954年获得诺贝尔化学奖

1961年—1965年美国国立卫生研究所的MarshallWNirenbery破译全部遗传密码；1968年获得诺贝尔生理及医学奖1965年9月17日，人工合成胰岛素在中国首次发现。这也是世界上第一个蛋白质的全合成。这是我国科技人员在奋力攀登世界科学高峰，为祖国在基础研究方面争得的一项世界冠军。这一成果促进了生命科学的发展，开辟了人工合成蛋白质的时代。

1978年F.Sanger提出了末端终止法测定核苷酸顺序,1980年再次获得诺贝尔化学奖

1982年T.R.Cech等在四膜虫中发现了具有催化活性的RNA—Ribozyem,1989年获得诺贝尔化学奖（4）分子生物学时代：1997年英国I.Wilmut等运用羊的体细胞（乳腺细胞）克隆出了羊—克隆羊多莉。人类基因组计划的实施。由美、英、日、德、法、中六国参与的国际人类基因组计划是人类文明史上最伟大的科学创举之一。其核心内容是测定人基因组的全部DNA序列，从而获得人类全面认识自我最重要的生物学信息。于1999年9月1日中国正式加入该计划，承担了1%人类基因组(约三千万个碱基)的测序任务。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的99％，精确率达到99.99％，这一进度比原计划提前两年多。3、近代生物化学的发展趋势

蛋白质领域：

1）确定蛋白质的三维结构与功能

2）肽链的折叠

3）生物活性肽的研究

4）蛋白质与核酸的相互作用

5）肽工程与蛋白质工程

6）蛋白质组学研究酶学领域

1）酶的结构和功能研究依旧受到关注2）固相化酶和生物传感器核酸领域

1）RNA的研究又趋活跃，新的发现层出不穷2）研究的主要材料已从80年代前的原核生物转向真核生物。3）核酸与核酸、核酸与其他生物大分子的相互作用越来越引起人们的重视。4）核酸测序的突破使得越来越多物种的基因组得以测序糖复合物与生物膜激素、生长因子及癌基因的研究也得到发展。

生物化学的最终目的是控制生命过程为人类的健康与工农业生产服务。A.战胜生理疾病疾病的诊断与病理分析、新药物的开发设计、各类保健品开发、基因疗法、器官克隆等B.农业丰产转基因技术进行育种、生物病虫害防治、利用代谢调控技术保证产品储存等、高级动植物品种的克隆技术四、生物化学应用C.生物工程技术与产品生物化学中酶、代谢调控等手段被广泛用于食品加工、酿造、新材料、新能源的开发与研制等工业领域，同时应用生化技术进行工业污染的治理也以其成本低、效率高、无毒害等优势越来越得到大家的重视。D.其他如DNA指纹技术控制生命过程为人类的健康与工农业生产服务。(用之不慎后患无穷)第一章核酸(NucleicAcid)第一节概述早在1869年，瑞士化学家米歇尔(F.Miescher,1844-1895)从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种有机物，称为核素(nuclein),由于具有很强的酸性，后来改称为核酸。一、研究历史肺炎双球菌转化实验1928年英国生理学家格里菲斯(F.Griffith)，发现肺炎双球菌有两种类型：一种是S型双球菌，外包有荚膜，菌落表面光滑,具有强烈毒性；另一种是R型双球菌,外无荚膜,菌落表面粗糙,没有毒性。结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质(转化因子)转移到R型肺炎球菌中，使其变为有毒的S型肺炎球菌。这种转化因子是什么呢？1944年，美国细菌学家艾弗里(O.T.Avery,1877-1955)及其同事研究的结果证明：转化因子就是DNA，DNA是生命的遗传物质。1950年奥地利生化学家查伽夫（E.Chargaff，1905－）应用纸层析及分光光度计大量测定各种生物的DNA碱基组成后发现:不同生物的DNA碱基组成不同，但总有A=T，G=C，即Chargaff规则。1930DNA双螺旋结构模型1953年，詹姆斯·沃森(JamesWatson，1928-)和弗朗西斯·克里克(FrancisCrick,1916-)提出了著名的DNA双螺旋结构模型，这是20世纪自然科学中的重大突破之一。WatsonCrickWilkinsFranklin

DNA重组技术

20世纪70年代初出现的DNA重组技术又称为基因或分子克隆技术，是生命科学发展中的又一重大突破,重组DNA技术是基因工程的核心技术。二、核酸的类别与分布核酸分为两大类：脱氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid，DNA)和核糖核酸(RibonucleicAcid,RNA)。RNA根据它的功能,可以分为信使RNA(messenger

RNA，mRNA)、转运RNA(transfer

RNA,tRNA)和核糖体RNA(ribosome

RNA，rRNA)三种。真核生物的DNA与组蛋白构成染色体，主要存在于细胞核中，是遗传信息的载体。另外，线粒体、叶绿体中也有。原核生物的DNA不与蛋白质形成染色体，存在于“类核”的结构区。RNA主要存在于细胞质中。对于病毒来说，要么只含DNA，要么只含RNA。RNA在蛋白质合成中的作用mRNA——是蛋白质合成的模板，携带、传递遗传信息，指导蛋白质的生物合成；mRNA种类很多，而且大小不一；约占RNA总量的5%。tRNA——特异专一地识别并携带活化的氨基酸；种类很多,携带丙氨酸的tRNA叫做丙氨酸tRNA（或tRNAAla）；约占RNA总量的15%。rRNA——与蛋白质结合形成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所或车间；约占RNA总量的80%。第二节核酸的结构由C、H、O、N、P等元素组成;核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸链，它的基本结构单元是核苷酸；DNA与RNA结构相似，但组成成份略有不同。一、核酸的化学组成核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。

核苷酸磷酸核苷碱基戊糖核酸核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶戊糖D－2－脱氧核糖(inDNA)D－核糖(inRNA)五种含氮的碱基腺嘌呤鸟嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶嘌呤环嘧啶环

在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶(T)只出现在DNA分子中，尿嘧啶(U)则只出现于RNA分子中。嘌呤嘧啶戊糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸

嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强的吸收。稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤；嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶；它们都是由基本碱基修饰而来。tRNA中含有较多的稀有碱基。

核苷=戊糖+碱基碱基和戊糖通过糖苷键连成核苷。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1‘以糖苷键相连。腺嘌呤核苷（腺苷）核苷核苷酸(NMP)N－C糖苷键酯键核苷酸=核苷+磷酸腺苷酸及磷酸化合物AMP（腺苷酸）ADP（腺苷二磷酸）ATP（腺苷三磷酸）脱氧核苷酸(dNMP)(dADP)dATP（脱氧腺苷三磷酸）二、核酸的化学结构①DNA的碱基组成——A、G、C、T

Chargaff定则：

＊A=T,G=C,A+G=C+T；

1.DNA的分子结构②DNA的一级结构定义：组成DNA的dNMP彼此连接的方式和排列顺序,是4种dNMP通过3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多核苷酸链。多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5’-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3’-OH表示）。多聚核苷酸链方向：5′→3′或3′→5′。3`，5`-磷酸二酯键phosphodiesterbond一级结构的简写形式线条式缩写

字母式缩写5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′或5′ACGCTGTA3′或ACGCTGTA③DNA的二级结构——Watson和Crick的双螺旋结构模型(1953)实验依据：

X射线衍射数据碱基组成规律碱基的物化数据双螺旋结构模型特征a.反向、平行、右手螺旋b.糖－磷酸主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，链间靠氢键相连(A=T,G≡C);螺旋表面有大沟、小沟。c.每10个碱基对(basepair，bp)螺旋上升一周,其螺距为3.4nm；碱基对平面与螺旋轴垂直,相邻碱基对平面距离0.34nm;螺旋直径为2nm。d.大多数DNA所具有的结构。双螺旋结构稳定的因素碱基堆积力(主要)氢键离子键其他类型的双螺旋DNA（DNA的多态性）1979年Rich等发现了左旋DNA，命名为Z－DNA④DNA的三级结构DNA进一步扭曲即构成三级结构；原核生物以及真核生物细胞器双链环状DNA的超螺旋三级结构细菌等原核生物质粒染色体叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm3.RNA的分子结构类型：mRNA、rRNA、tRNA、hnRNA、snRNA、asRNA大多数RNA分子是单链的，局部区域的碱基互补配对(A与U、C与G)构成双螺旋,形成突环或发夹结构。含有很多稀有碱基，没有严格的配对原则。①RNA的类型和碱基组成②tRNA的结构一般由74－93个核苷酸组成；分子中含有较多的稀有碱基；3’-末端都具有-CCA-OH的结构，5’-末端常为pG或pC。a.一级结构四环：二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环、ΤψC环、可变环四臂：二氢尿嘧啶臂（D臂）、反密码臂、ΤψC臂、氨基酸臂tRNA的二级结构——三叶草型（四臂四环）c.三级结构在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型③rRNA的结构呈多环多臂结构，与蛋白质构成核糖体核糖体包括大、小亚基,是蛋白质合成的场所原核生物核糖体为70S，真核生物为80SBanetal.,Science

289(905-920),2000

④mRNA的结构真核细胞mRNA是一个单顺反子(cistron)，只能为一条肽链编码；5´端有帽子结构;3´端是polyA(多聚腺苷酸)尾巴。原核细胞mRNA是一个多顺反子(polycistron)，可以同时为多条肽链编码；5´端无帽子结构；3´端不含polyA(多聚腺苷酸)尾巴。a.一级结构原核生物和真核生物mRNA结构的比较5´－帽子（7-甲基鸟嘌呤核苷）和3´－polyA都是在转录后添加上去的。帽子结构的作用：防止mRNA被核酸水解酶水解；可能与蛋白质合成的起始有关。polyA的作用：对翻译没有影响；与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半衰期有关。真核生物结构基因转录产生的mRNA是个前体分子，大小不均一，故叫核不均一RNA(hnRNA)。核内小RNA(snRNA)和反义RNA(asRNA)三、核酸的性质核酸是两性电解质，常表现为酸性；溶于水，不溶于有机溶剂；在70％乙醇中形成沉淀。DNA溶液粘度极高，RNA溶液则小得多；可被酸、碱或酶水解。RNA＋浓盐酸＋苔黑酚△DNA＋酸＋二苯胺△1.一般理化性质绿色蓝紫色核酸分子由于在一定酸度的缓冲溶液中带有电荷，因此可以利用电泳进行分离和研究其特点。凝胶电泳是当前核酸研究中最常用的方法。常用的凝胶电泳有琼脂糖电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。2.紫外吸收在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而在260nm附近有最大的紫外线吸收值。核酸的光吸收值比其各核苷酸成分的吸收值之和少30-40%。这是有规律的双螺旋结构中碱基紧密堆积在一起造成的。不同的核酸在260nm附近有不同的吸收特性，因此可以利用紫外吸收定性和定量地检测核酸和核苷酸。蛋白质在280nm有一吸收峰，因此利用OD260/OD280比值可以判断样品的纯度。纯DNAOD260/OD280为1.8，纯RNAOD260/OD280为2.0，样品中如果有蛋白质比值会有明显降低。3.核酸的变性和复性核酸的变性指核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链，并不涉及共价键的断裂。多核苷酸骨架上共价键(3’,5’-磷酸二酯键)的断裂称核酸的降解。变性因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在。核酸变性后，双螺旋解体，碱基暴露，260nm紫外吸收值升高，这叫增色效应；同时粘度下降，浮力密度升高，活性丧失或消失。

核酸的变性热变性和Tm由温度升高而引起的变性称热变性，它在很窄的温度区间内完成，是爆发式的。DNA热变性时，其紫外吸收值增加量到达总增加值一半时的温度，称为DNA的变性温度，也称为熔解温度(meltingtemperature)，用Tm表示。（双螺旋结构失去一半时）。Tm值是DNA的一个特征常数影响Tm的因素：G≡C含量[G≡C%=(Tm–69.3)×2.44]、DNA的均一性、溶液的离子强度和pH值、尿素等变性剂。Tm

Tm

Tm

Tm4核酸的复性变性核酸在适当条件下，两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。热变性DNA在缓慢冷却时，可以复性，这种复性称为退火(annealing)；DNA复性后，碱基又藏于双螺旋内部，紫外吸收减弱，这叫减色效应；同时许多物化性质又得到恢复，生物活性也得到部分恢复。将热变性的DNA骤然冷却时，DNA不可能复性。