生物化学 Chapter 11 核酸

Chapter11NucleicAcids(核酸)

—遗传信息的载体1.核酸研究历程2.核酸的分类与组成3.核酸的生物学功能4.核酸的结构5.核酸的物理化学性质6.核酸的研究方法1.Researchhistoryofnucleicacids1868年瑞士医生F.Miesher从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出“核素”--核酸。1928-36,FrederickGriffith’sexperimentsonbacterialtransformation(Griffith’sexperimentshowedthatgeneticmaterialcouldmovefromonestrainofbacteriatoanother)1944,OswaldAvery,ColinMacLeod,andMaclynMcCarty,TransformingexperimentsbyStreptococcuspneumoniae

1952,AlfredD.HershyandMarthaChase,λ-phaseinfectionexperiments

TheabovebothexperimentsprovidedevidencesthatDNAcarriesgeneticinformation.细菌转导实验病毒侵染实验核酸是遗传信息的载体1949,ErwinChargaff,thefournucleotidebasesinDNA,A=T,G=C.1952,RosalinFranklin,theX-raydiffractionpatternofBformDNA.1953,JamesWatsonandFrancisCrick,DNAdoublehelixmodel.1972,Boyer,BergandCohen,recombinantDNAtechnology1982,CechandAltman,ribozyme1990,HumanGenomeProject1996，Cloningsheep—“多莉”2000.6.24,Workingdraftofhumangenome2003.4.14，Humangenomeprojecthasbeenfinished.ContinueNobelPrizeinPhysiologyorMedicinein1962CrickWatson1953年2月28日，时年25岁的沃森和34岁的克里克在英国剑桥大学卡文迪什实验室发现了“生命的奥秘”。4月25日英国的《自然》发表了他们的DNA双螺旋结构模型。DNA双螺旋结构的阐明是

20世纪生命科学里程碑式的工作对DNA的了解为基因疗法、DNA指纹鉴定、克隆技术的发展、干细胞研究、转基因农作物的培育、人类起源与进化的研究、以DNA为基础的药物研制等铺平了道路。遗憾的是DNA双螺旋的问世并无人喝彩，大家都把目光集中到当年的斯大林逝世、伊丽莎白二世加冕和征服珠穆朗玛峰等大事上。2.ClassificationofnucleicacidsDNA(Deoxyribonucleic

acid),脱氧核糖核酸RNA(Ribonucleicacid),核糖核酸

信使核糖核酸（mRNA,messengerRNA)转移核糖核酸（tRNA,transferRNA）核糖体核糖核酸（rRNA,ribosomalRNA）核内小核糖核酸（snRNA，smallnuclearRNA)

DNA原核生物真核生物质粒线粒体、叶绿体病毒（动物、植物、微生物）环状双链DNA，线型双链DNA，单链DNARNAtRNA,mRNA,rRNAsRNAantisenseRNA病毒RNA，正链（coronavirus）,负链亚病毒类病毒卫星病毒原核和真核生物核糖体两个亚基的比较为什么核糖体的沉降系数（S值）比两个亚基的之和要小？3.BiologicalfunctionsofnucleicacidsDNAreplicationRNA–messenger,transfer,ribosomalDNAreplication先导链滞后链岗崎片段

引物复制方向：3’5’什么是基因？基因(Gene)是遗传的基本单位；基因是一段具有特定功能的DNA片段；有些病毒的基因是RNA的一个片段。功能：1.指导合成RNA；

2.指导合成蛋白质；

3.调控其他基因表达。基因组(Genome)蛋白质组(Proteomei.e.proteinsexpressedbyagenome)RNA的功能1）控制蛋白质合成；2）作用于RNA转录后加工与修饰；3）基因表达与细胞功能的调节；4）生物催化与其他细胞持家功能；5）遗传信息的加工与进化。核心：基因表达的信息加工和调节

转录过程DNA

mRNAtRNA与氨基酸转运开始翻译延长结束4.核酸组成

—核苷酸及其衍生物核酸、核苷酸、核苷碱基ATP，FAD+，NAD+，CoenzymeACompositionofnucleicacids

核糖碱基核苷磷酸核苷酸

核酸尿嘧啶（U）InRNA腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）核糖与碱基稀有碱基5-甲基胞嘧啶；5-羟甲基胞嘧啶；二氢尿嘧啶；次黄嘌呤（I）H二氢尿嘧啶ATP（三磷酸腺苷）生物能量的通货ADP、AMPdAMP、dGMPdCMP、dTMP3’，5’-环化腺苷酸NAD+=CoI=DPN（泛酸）巯基乙胺5.StructureofDNA--Doublehelix

DNA双螺旋结构3’,5’-磷酸二酯键右手螺旋左手两条反向平行的多核苷酸链DNA的一级结构DNA的核苷酸序列3’，5’-磷酸二酯键；5’端在左侧，3’端在右侧，共价键的走向为3’5’碱基以氢键的形式两两配对Chargaffrule(1)A=T;(2)G=C;(3)A+C=G+T;(4)A+G=T+C.2)DNA的二级结构DNA二级结构的特征（1）两条反平行链缠绕一中心轴，两条链为右手螺旋；（2）碱基在内侧，核糖和磷酸在外侧；碱基平面与中心轴垂直，糖环与中心轴平行；大沟(majorgroove)，小沟(minorgroove)；（3）平均直径2nm,碱基堆积距离0.34nm,螺距3.4nm，10个核苷酸，两个之间夹角为36º;（4）碱基之间靠氢键连接，A=T，G=C；（5）碱基排列顺序有其特定含义，即遗传信息。

右手螺旋左手DNA双螺旋的结构特征特殊的DNA形式A、C、D、E、Z型；A、B、Z型的比较三股螺旋环境因素对DNA构象的影响染色体核酸与蛋白的复合体3）DNA的三级结构超螺旋DNA环状DNA，或两端固定松弛型DNADNA的拓扑结构与拓扑异构体拓扑异构酶(topoisomerase)OrganelleDNAMitochondrialDNAfromalivercellofachicken环状DNA某些病毒或噬菌体DNA、细菌质粒DNA、真核细胞线粒体DNA、叶绿体DNA拉链RNA的一级结构6.StructureofRNA1）StructureoftRNAtRNA的三叶草结构英国生物学家赫胥黎关于三叶草的故事tRNA：70-90个核苷酸;MW=25kd;沉降系数约为4S二氢尿嘧啶稀有碱基-假尿嘧啶核苷酸倒L型HAminoacylsynthetase

氨酰合成酶原核和真核生物核糖体两个亚基的比较为什么核糖体的沉降系数（S值）比两个亚基的之和要小？2）rRNAE.coli3)mRNA真核细胞：3’-polyA(about200nucleotides)polyApolymerase5’-cap3’-mG-5’ppp5’-Nm-3’-p(P484)7.PropertyofDNADNA分子量远高于RNA，大约在1.6×106～2.6×109之间，RNA的分子量相对小些，大约在几万或几百万。在260nm附近有最大紫外吸收峰加热、强酸等因素可使核酸发生变性作用核酸的某些物化性质1）核酸水解：酸、碱、酶水解2）酸碱性：3）紫外吸收（UVabsorptionat260nm）OD260/OD280=1.8forDNA2.0forRNA限制性内切酶(Restrictionendonuclease)回文结构回文结构：GAATTCCTTAAG回文：上海自来水来自海上

黄山落叶松叶落山黄

山果花开花果山客上天然居，居然天上客载体质粒（P471）4）核酸的变性与复性

DenaturationandrenaturationofnucleicacidsTm(meltingtemperature)G-C%=(Tm-69.3)×2.44离子强度越高，熔解温度越高，熔解温度范围越窄变性DNA在缓慢冷却时，可以复性。复性过程基本上符合二级反应动力学。

1f=1+C0t1.DNA杂交示意图Hybridizationofnucleicacids变性复性的应用(印迹法）2.Hybridizationofnucleicacids8.核酸研究方法1）分离纯化和定量2）超速离心3）凝胶电泳4）序列测定5）PCR6）DNA化学合成PCR(PolymeraseChainReaction)1993NobelPrizeinChemistry1985,Mullis,anideaduringanightdrivingintheCalifornianmountains聚合酶链式反应(DNA聚合酶)dNTPKaryB.MullisUSA1944-“forhisinventionofthePolymerasechainreactionmethod”Site-directedmutagenesisMichaelSmithCanada1932DNA的化学合成二对甲氧三苯甲基(DMT)氨基磷酸化合物亚磷酸三酯化学合成基因的方法DNAfingerprint亲子鉴定(Blood)刑事侦破(Blood,hair,seminalfluid)中药材真伪鉴定生物同源性比较1987,USA,firstcaseBiochip(DNAchip)将成千上万种具有生物识别功能的分子有序地点阵排列在面积不大的基片上并与标记的检体分子同时反应或杂交。通过放射自显影、荧光扫描、化学发光或酶标显示可获得大量有用的生物信息。这一技术统称为生物芯片技术。DNAmicroarray双脱氧法测定

DNA序列的原理图水稻基因组序列测出北京基因研究所和华盛顿大学基因组中心的于军和11个中国研究机构的同事们测了籼稻亚种(indica)的基因组序列由于军和同事们编制的籼稻序列草图包含4.66亿个碱基对，包括45000到56000个基因，基因的平均长度是4500个碱基对。籼稻基因组是唯一的另一个测序了的芥菜植物拟南芥(Arabidopsis)基因组的3.7倍，但是比人类的基因组小6.7倍。由Syngenta公司的StephenGoff和同事们带领的另一个小研究了在较干燥地区常见的粳稻亚种(japonica或称Nipponbare)粳稻序列草图包含了估计为4.2亿个碱基对中的398对。软件预测程序表明，粳稻基因组包含了42000到63000个基因。微生物基因组2002年初已有60多种微生物被测序，还有120多种正在测序中；科学家绘出O157:H7大肠杆菌基因组图谱（《科学此刻》

2001年1月24日）肺炎球菌的全序列于2001年7月20日在《Science》上公布Nature18April2002Vol416,P697-700StudyQuestions1.InasampleofDNAtakenfromaparticular