生物化学第12章核酸

第12章核酸通论

核酸NucleicAcidTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2015wasdivided,onehalfjointlytoWilliamC.CampbellandSatoshiŌmura

"fortheirdiscoveriesconcerninganoveltherapyagainstinfectionscausedbyroundwormparasites"

andtheotherhalftoYouyouTu

"forherdiscoveriesconcerninganoveltherapyagainstMalaria".Prizeshare:

1/4Prizeshare:

1/4Prizeshare:

1/2GeneticCentralDogmaPre-mRNAmRNAPolyACap5’3’ExonExonExonExonIntronIntronIntronPre-mRNAmRNA二十一世纪是生命科学的世纪生命是生命=核酸+蛋白质二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪？一、核酸的发现和研究简史核酸是活细胞中重要的大分子，含有细胞生存和繁殖所需要的全部信息。（一）、核酸的发现1868年，瑞士F.Miescher，细胞核化学的创始人和DNA的发现者

核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核，并发现其含磷量超过当时发现的任何一种有机物，且含有很强的酸性,称为核素（nuclein)其后核酸的组成和结构被研究清楚。生物功能也初步澄清。核酸(nucleicacid)

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。

1910年，Kossel因其在核酸化学研究中的成就而获得诺贝尔医学奖（鉴定核酸中的大部分碱基）技术上的突破带来理论研究的重大发展（显微紫外分光光度研究、组织化学实验、亚细胞部分分离、化学分析等证明DNA存在于细胞核，RNA存在于细胞质，是生物共同的重要组成成分）（二）、核酸的早期研究RosalindFranklin（1920-1958）拍摄到的DNA晶体照片，为双螺旋结构的建立起到了决定性作用。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。1962年，当Watson、Crick和Wilkins共同分享诺贝尔奖时，Franklin已经因长期接触放射性物质而患卵巢癌英年早逝。（三）、DNA双螺旋结构模型的建立DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。DNA双螺旋结构的研究背景：1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究，发现：①

DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；②

相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；③

DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff原则。

p4861953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。在中心形成的一个交叉的图斑指示了螺旋结构的存在。顶端和底部的深带对应于重复出现的碱基。（四）、生物技术的兴起20世纪70年代前期诞生了DNA重组技术（DNArecombinanttechnology）三项关键技术：DNA切割技术（工具酶）、分子克隆（用细菌质粒重组体得到克隆）和快速测序（酶法测序、化学测序）80年代RNA研究出现第二个高潮（核酶、反义RNA、mRNA编辑，RNA的世界…..）五）、人类基因组计划开辟了生命科学新纪元1986年，诺贝尔奖得主H.Dulbecco在Science杂志上率先提出“人类基因组计划”（简称HGP）;1990年10月，美国政府出资30亿美元，计划用15年时间完成“人类基因组计划”，中国1999年加入，承担1%的测序任务;测序技术的突破导致提前完成测序任务，生命科学进入”后基因组时代“（post-genomeera），出现“功能基因组学”(functionalgenomics)、“蛋白质组学”（proteomics）、“结构基因组学”（structuralgenomics）、“RNA组学”(RNomics)或“核糖核酸组学”(ribonomics)等新学科。一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”

1944年

Avery等人证实DNA是遗传物质1953年

Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)

1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架一、核酸研究简史

1879年Kossel经过10年的努力,搞清楚核质中有四种不同的组成部分:A,T,C和G。1889年Altman建议将核质改名为“核酸”,并且已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。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)。

1944年Avery重做1928年Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。

1952年Hershey&Chase的噬菌体感染实验进一步证明DNA是遗传物质。1916-1928-1916-

UniversityofLondon

London,GreatBritainHarvardUniversity

Cambridge,MA,USAInstituteofMolecularBiology

Cambridge,GreatBritainGreatBritainUSAGreatBritainMauriceHughFrederickWilkinsJamesDeweyWatsonFrancisHarryComptonCrick"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965"fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzymeandvirussynthesis"1910-19761902-19941920-InstitutPasteur

Paris,FranceInstitutPasteur

Paris,FranceInstitutPasteur

Paris,FranceFranceFranceFranceJacquesMonodAndreMichellwoffFrancoisJacob1927-1922-1922-1993NationalInstitutesofHealth

Bethesda,MD,USAUniversityofWisconsin

Madison,WI,USACornellUniversity

Ithaca,NY,USAUSAUSAUSAMarshallW.NirenbergHarGobindKhoranaRobertW.HolleyTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"二、核酸的种类及分布98%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

真核细胞原核细胞DNA

核染色体上拟核染色体上线粒体、叶绿体质粒RNA细胞质细胞质细胞核

核酸分布DNA为双链分子（线状和环状），RNA为单链分子。一、核苷酸二、核酸的共价结构（一级结构）三、DNA的高级结构四、RNA的高级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第一节

核酸的化学组成核酸的结构基本组成单位——

核苷酸

化学元素组成：核苷酸一分子五碳糖一分子磷酸一分子含氮碱基CHONP核酸的水解

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。如下图所示：

核酸的组成成分1、核酸中核苷酸的连接方式蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶(降解5’羟基形成的磷酸脂键）(降解3’羟基形成的磷酸脂键）核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)

磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)

戊糖(pentose)碱基(base)核酸的化学组成核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)基本组成单位——核苷酸嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)一、碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)二、戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR三、核苷

核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键糖苷键：戊糖的C1－OH与嘌呤碱的N9－H或嘧啶碱的N1－H脱水分别形成C1－N9和C1－N1糖苷键。1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)四种核苷（Nucleoside）稀有核苷假尿苷（ψ）黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D5OH假尿苷的结构核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

四、核苷酸核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。体内游离存在的是5’-核苷酸

腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）鸟苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）尿苷酸（UMP）脱氧鸟苷酸（dGMP）脱氧胞苷酸（dCMP）脱氧胸苷酸（dTMP）核苷酸脱氧核苷酸核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化五、体内重要的游离核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+

含核苷酸的生物活性物质：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP核苷酸的连接

核酸分子中核苷酸的连接为一个核苷酸戊糖3’碳上的羟基与下一个核苷酸戊糖5’碳上的磷酸脱水缩合成酯键，此键称3’，5’磷酸二酯键。许多核苷酸通过该酯键连接成长的多核苷酸链，即核酸。六、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGA5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示），多聚核苷酸链具有方向性AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3TheStructureandFunctionofDNA第二节

DNA的结构一级结构二级结构三级结构DNA和基因组定义DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，碱基序列。5′端3′端CGA（一）、DNA的一级结构一、DNA结构一级结构脱氧核苷酸的排列顺序。

作用力：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架，碱基形成侧链。即：前一个核苷酸的3’－OH中的H与后一个核苷酸的5’－磷酸基团的－OH脱水形成。阅读5’——3’——双螺旋结构（二）、DNA的二级结构二、DNA的二级结构——双螺旋结构（B）WilkinsFranklin1920–1958

碱基组成分析Chargaff规则：[A]=

[T][G]

[C]

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析1、DNA双螺旋结构的研究背景1.双螺旋结构模型的主要依据A:X射线衍射数据B：碱基成对的依据(chargaff定则）(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在(A＋T)/(G＋C)比值的不同。(2)双链DNA，[A］=［T]，[G］=［C]，［A＋G］=［C]＋［T]。（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条反向平行的脱氧多核苷酸链以右手螺旋方式绕同一中心轴构成的双螺旋结构。两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架。一条链的走向是5

3，另一条链是3

5。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。2、DNA双螺旋结构模型要点（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。碱基互补配对TAGC（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。DNA双螺旋结构的多样性3.DNA双螺旋的构象类型DNA双螺旋结构：A、B、C、D、Z型(1)B-DNA螺旋：标准的

Watson,Crick双螺旋，细胞正常状态下DNA存在的构型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。(3)C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。(4)Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。不同类型的DNA双螺旋结构1、DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反（三）、DNA的三级结构意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。

2、原核生物DNA的高级结构真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H43、DNA在真核生物细胞核内的组装核小体结构示意图DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。4、DNA的功能StructureandFunctionofRNA第三节

RNA的结构与功能RNA的种类、分布、功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)一、信使RNA*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。帽子结构mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞*

tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

具有TC二、转运RNAN,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶

稀有碱基*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂

DHU环反密码环额外环

TΨC环氨基酸臂额外环*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。三、核蛋白体RNA*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.8S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节

核酸的理化性质一、核酸的一般性质

1、核酸的酸碱性质两性电解质通常显酸性，带负电荷。乙醇、异丙醇等有机溶剂可沉淀核酸分子2、核酸的高分子性质二、核酸的紫外吸收核酸的碱基中有共轭双键，最大吸收峰在260nm处蛋白质的最大吸收峰在280nm处1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用（一）核酸变性定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高粘度下降酸碱滴定曲线改变生物活性丧失三、DNA的变性、复性与杂交DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，