搜索
第二章核酸化学TheChemistryofNucleicAcid卫生技工学校王巧玲核酸(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。一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher（弗雷德里希、米歇尔）从脓细胞中提取“核素”1944年Avery（埃弗里）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FriedrichMiescher(1844-1895)FriedrichMiescherworkedatthePhysiologicalLaboratoryoftheUniversityofBaselandinTübingenandismostwellknownforhisdiscoveryofthenucleicacids.(DNAPioneersandTheirLegacybyUlfLagerkvist,1998,YaleUniversityPress,ISBN0-300-07184-1).Toreadexcerptsfromthisbook,clickDNAPioneers.米歇尔FriedrichMiescher（1844－1895）米歇尔，瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔大学的生理学研究室。以发现核酸而闻名世界。米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才歌手，在学校的学习成绩很好。1865年米歇尔成为一名医学生，1868年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。1868年，米歇尔感兴趣研究白细胞。为了得到足够的白细胞，他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘稠的物质，并经实验证明含有磷和氮，称为核素。随后的研究证明这一物质具有酸性，故称为核酸。这是米歇尔首次发现了重要的生命物质之一—核酸。1879年Kossel(科塞尔)经过10年的努力,搞清楚核素中有四种不同的组成部分:A,T,C和G。1889年Altman（阿特曼）建议将核素改名为“核酸”,并且已经认识到“核素”乃“核酸”与蛋白质的复合体。1909年Levene（莱文）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即脱氧核糖,得出了一个错误概念: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,还在1935年提出“四核苷酸”学说,认为这四种核苷酸的聚合体是构成核酸的基本单位。Reichard,P.J.Biol.Chem.2002;277:13355-13362OswaldT.Avery(1877-1955).埃弗里，O.T.OswaldTheodoreAvery(1877～1955)美国细菌学家。1877年10月21日生于加拿大新斯科舍哈利法克斯。1904年毕业于哥伦比亚大学医学院，后到布鲁克林的霍格兰实验室研究并讲授细菌学和免疫学。1913年转到纽约的洛克菲勒研究所附属医院工作，直到1948年退休。他和C.麦克劳德、M.麦卡锡于1944年重做1928年Griffith（格里菲斯）的细菌转化实验共同发现不同型的肺炎双球菌的转化因子是DNA。这项实验第一次证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。虽然这一发现，曾引起争论和怀疑，但的确推动了DNA的研究，直至1953年DNA双螺旋结构的发现。他还通过对肺炎双球菌的免疫性研究，提出肺炎双球菌可根据其免疫的专一性来进行分类，而这种免疫专一性是由于不同菌型的荚膜中所含的多糖引起的。由此他建立起对不同型肺炎双球菌的灵敏检验法。1955年2月20日卒于美国田纳西州纳什维尔。1928年Griffith的细菌转化实验1944年Avery等重做1928年Griffith（格里菲斯）的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。但人们对此持怀疑态度，理由是：（1）因认为蛋白质相对分子质量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA相对分子质量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。1952年Hershey&Chase（赫希和蔡斯）的T2噬菌体感染实验进一步证明DNA是遗传物质。1952年HersheyandChase的T2噬菌体感染实验二、核酸的分类及分布90%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。分布于细胞质中。(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。核酸第一节核酸分子的化学组成TheChemicalComponentofNucleicAcid1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成一、核酸的化学组成戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)碱基NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3（构成RNA）（构成DNA）核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR1.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）。OHOCH2OHOHNNNH2O1´1二、核酸的基本组成单位——核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP2.核苷酸(ribonucleotide)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）。12345核酸戊糖碱基核苷核苷酸RNAβ－D－核糖A（腺嘌呤）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）U（尿嘧啶）AR(腺苷）GR(鸟苷）CR(胞苷）UR(尿苷）AMPGMPCMPUMPDNAβ－D－2－脱氧核糖A（腺嘌呤）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）T（胸腺嘧啶）dAR(脱氧腺苷）dGR(脱氧鸟苷）dCR(脱氧胞苷）dTR(脱氧胸苷）dAMPdGMPdCMPdTMPDNA与RNA基本组成成分比较3.体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+（辅酶Ⅰ）、NADP+（辅酶Ⅱ）、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+第二节核酸的一级结构5´端3´端核苷酸的连接一分子的核苷酸的3’-羟基团与另一分子核苷酸的5’-磷酸基团通过脱水可形成3’,5’-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。CGA定义指多核苷酸链中核苷酸的种类、比例和排列顺序。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CGA核酸的一级结构编写式：DNA:5’-A-T-G-C-A-3’RNA:5’-U-G-C-C-A-3’第三节DNA的空间结构——双螺旋结构、三级结构1.DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C]碱基的理化数据分析（滴定）A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析沃森和克里克在实验室成功搭建DNA分子双螺旋结构模型。2、DNA双螺旋结构模型要点（1）DNA分子由两条脱氧多核苷酸链(简称DNA单链)组成，两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。（2）磷酸基和脱氧核糖位于螺旋外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成DNA骨架。嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，糖环平面与碱基环平面之间的角度近似直角。（3）双螺旋的直径约为2nm。每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36°。每10个碱基对形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm。2.0nm小沟大沟（4）两条链由碱基间氢键相连。碱基间形成氢键有一定的规律：腺嘌呤与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤与胞嘧啶成对。A和T间形成两个氢键，G和C间形成三个氢键，这种碱基之间相互配对称为碱基互补。（5）沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的全部空间。由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间不对称，因此在双螺旋的表面形成两个凹下的槽，一个较大，一个较小，分别称为大沟和小沟，又可称为深沟和浅沟。(6)DNA双螺旋的稳定因素DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋稳定的力：氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）DNA右双螺旋结构模型要点总结（Watson,Crick,1953）1、右双螺旋，反向平行2、碱基在内，主链在外3、碱基互补，A＝T，G≡C4、螺旋一圈，十对碱基5、结构稳定，副键维系6、大沟小沟，调节关键3、DNA的三级结构在DNA双螺旋二级结构的基础上，双螺旋扭曲或再次螺旋就构成DNA的三级结构。超螺旋是DNA三级结构的一种常见形式。超螺旋的形成与分子能量状态有关。（1）原核生物DNA的三级结构绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。（2）真核生物中的核小体结构在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体是染色质的基本组成单位。4、DNA的功能（1）生物遗传信息的载体（2）基因复制和转录的模板基因：具有遗传效应的DNA片段，是遗传信息的结构和功能单位。分类：（1）编码蛋白质（2）没有翻译产物（3）不转录的DNA片段基因诊断：利用现代分子生物学和分子遗传学的技术和方法，直接检测基因结构或表达水平是否正常，从而对疾病做出诊断的方法。基因治疗：指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷并发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。基因组：指一个细胞或生物体所含的全套基因。基因组学：就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体全部基因结构和功能的一门学科。原核生物基因组特点：1.基因组较小，通常只有一个DNA分子2.功能相关的基因常构成一个转录单位——操纵子（Operon）3.无重复序列4.DNA顺序所含有的结构基因是连续的，一般不含有间隔序列或很短5.有重叠基因1.基因组较大2.不存在操纵子结构3.有重复序列（1）高度重复序列（卫星DNA）（2）中度重复序列A.串联重复序列：小卫星DNA,微卫星DNA和rD