生物化學(xué) Chapter 11 核酸

Chapter11NucleicAcids(核酸)

—遺傳信息的載體1.核酸研究歷程2.核酸的分類與組成3.核酸的生物學(xué)功能4.核酸的結(jié)構(gòu)5.核酸的物理化學(xué)性質(zhì)6.核酸的研究方法1.Researchhistoryofnucleicacids1868年瑞士醫(yī)生F.Miesher從外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出“核素”--核酸。1928-36,FrederickGriffith’sexperimentsonbacterialtransformation(Griffith’sexperimentshowedthatgeneticmaterialcouldmovefromonestrainofbacteriatoanother)1944,OswaldAvery,ColinMacLeod,andMaclynMcCarty,TransformingexperimentsbyStreptococcuspneumoniae

1952,AlfredD.HershyandMarthaChase,λ-phaseinfectionexperiments

TheabovebothexperimentsprovidedevidencesthatDNAcarriesgeneticinformation.細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)實驗病毒侵染實驗核酸是遺傳信息的載體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，時年25歲的沃森和34歲的克里克在英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室發(fā)現(xiàn)了“生命的奧秘”。4月25日英國的《自然》發(fā)表了他們的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的闡明是

20世紀(jì)生命科學(xué)里程碑式的工作對DNA的了解為基因療法、DNA指紋鑒定、克隆技術(shù)的發(fā)展、干細(xì)胞研究、轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的培育、人類起源與進(jìn)化的研究、以DNA為基礎(chǔ)的藥物研制等鋪平了道路。遺憾的是DNA雙螺旋的問世并無人喝彩，大家都把目光集中到當(dāng)年的斯大林逝世、伊麗莎白二世加冕和征服珠穆朗瑪峰等大事上。2.ClassificationofnucleicacidsDNA(Deoxyribonucleic

acid),脫氧核糖核酸RNA(Ribonucleicacid),核糖核酸

信使核糖核酸（mRNA,messengerRNA)轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA,transferRNA）核糖體核糖核酸（rRNA,ribosomalRNA）核內(nèi)小核糖核酸（snRNA，smallnuclearRNA)

DNA原核生物真核生物質(zhì)粒線粒體、葉綠體病毒（動物、植物、微生物）環(huán)狀雙鏈DNA，線型雙鏈DNA，單鏈DNARNAtRNA,mRNA,rRNAsRNAantisenseRNA病毒RNA，正鏈（coronavirus）,負(fù)鏈亞病毒類病毒衛(wèi)星病毒原核和真核生物核糖體兩個亞基的比較為什么核糖體的沉降系數(shù)（S值）比兩個亞基的之和要??？3.BiologicalfunctionsofnucleicacidsDNAreplicationRNA–messenger,transfer,ribosomalDNAreplication先導(dǎo)鏈滯后鏈崗崎片段

引物復(fù)制方向：3’5’什么是基因？基因(Gene)是遺傳的基本單位；基因是一段具有特定功能的DNA片段；有些病毒的基因是RNA的一個片段。功能：1.指導(dǎo)合成RNA；

2.指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)；

3.調(diào)控其他基因表達(dá)。基因組(Genome)蛋白質(zhì)組(Proteomei.e.proteinsexpressedbyagenome)RNA的功能1）控制蛋白質(zhì)合成；2）作用于RNA轉(zhuǎn)錄后加工與修飾；3）基因表達(dá)與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)；4）生物催化與其他細(xì)胞持家功能；5）遺傳信息的加工與進(jìn)化。核心：基因表達(dá)的信息加工和調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)錄過程DNA

mRNAtRNA與氨基酸轉(zhuǎn)運開始翻譯延長結(jié)束4.核酸組成

—核苷酸及其衍生物核酸、核苷酸、核苷堿基ATP，F(xiàn)AD+，NAD+，CoenzymeACompositionofnucleicacids

核糖堿基核苷磷酸核苷酸

核酸尿嘧啶（U）InRNA腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）核糖與堿基稀有堿基5-甲基胞嘧啶；5-羥甲基胞嘧啶；二氫尿嘧啶；次黃嘌呤（I）H二氫尿嘧啶ATP（三磷酸腺苷）生物能量的通貨ADP、AMPdAMP、dGMPdCMP、dTMP3’，5’-環(huán)化腺苷酸NAD+=CoI=DPN（泛酸）巰基乙胺5.StructureofDNA--Doublehelix

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)3’,5’-磷酸二酯鍵右手螺旋左手兩條反向平行的多核苷酸鏈DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的核苷酸序列3’，5’-磷酸二酯鍵；5’端在左側(cè)，3’端在右側(cè)，共價鍵的走向為3’5’堿基以氫鍵的形式兩兩配對Chargaffrule(1)A=T;(2)G=C;(3)A+C=G+T;(4)A+G=T+C.2)DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA二級結(jié)構(gòu)的特征（1）兩條反平行鏈纏繞一中心軸，兩條鏈為右手螺旋；（2）堿基在內(nèi)側(cè)，核糖和磷酸在外側(cè)；堿基平面與中心軸垂直，糖環(huán)與中心軸平行；大溝(majorgroove)，小溝(minorgroove)；（3）平均直徑2nm,堿基堆積距離0.34nm,螺距3.4nm，10個核苷酸，兩個之間夾角為36o;（4）堿基之間靠氫鍵連接，A=T，G=C；（5）堿基排列順序有其特定含義，即遺傳信息。

右手螺旋左手DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)特征特殊的DNA形式A、C、D、E、Z型；A、B、Z型的比較三股螺旋環(huán)境因素對DNA構(gòu)象的影響染色體核酸與蛋白的復(fù)合體3）DNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋DNA環(huán)狀DNA，或兩端固定松弛型DNADNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與拓?fù)洚悩?gòu)體拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)OrganelleDNAMitochondrialDNAfromalivercellofachicken環(huán)狀DNA某些病毒或噬菌體DNA、細(xì)菌質(zhì)粒DNA、真核細(xì)胞線粒體DNA、葉綠體DNA拉鏈RNA的一級結(jié)構(gòu)6.StructureofRNA1）StructureoftRNAtRNA的三葉草結(jié)構(gòu)英國生物學(xué)家赫胥黎關(guān)于三葉草的故事tRNA：70-90個核苷酸;MW=25kd;沉降系數(shù)約為4S二氫尿嘧啶稀有堿基-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體兩個亞基的比較為什么核糖體的沉降系數(shù)（S值）比兩個亞基的之和要??？2）rRNAE.coli3)mRNA真核細(xì)胞：3’-polyA(about200nucleotides)polyApolymerase5’-cap3’-mG-5’ppp5’-Nm-3’-p(P484)7.PropertyofDNADNA分子量遠(yuǎn)高于RNA，大約在1.6×106～2.6×109之間，RNA的分子量相對小些，大約在幾萬或幾百萬。在260nm附近有最大紫外吸收峰加熱、強酸等因素可使核酸發(fā)生變性作用核酸的某些物化性質(zhì)1）核酸水解：酸、堿、酶水解2）酸堿性：3）紫外吸收（UVabsorptionat260nm）OD260/OD280=1.8forDNA2.0forRNA限制性內(nèi)切酶(Restrictionendonuclease)回文結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)：GAATTCCTTAAG回文：上海自來水來自海上

黃山落葉松葉落山黃

山果花開花果山客上天然居，居然天上客載體質(zhì)粒（P471）4）核酸的變性與復(fù)性

DenaturationandrenaturationofnucleicacidsTm(meltingtemperature)G-C%=(Tm-69.3)×2.44離子強度越高，熔解溫度越高，熔解溫度范圍越窄變性DNA在緩慢冷卻時，可以復(fù)性。復(fù)性過程基本上符合二級反應(yīng)動力學(xué)。

1f=1+C0t1.DNA雜交示意圖Hybridizationofnucleicacids變性復(fù)性的應(yīng)用(印跡法）2.Hybridizationofnucleicacids8.核酸研究方法1）分離純化和定量2）超速離心3）凝膠電泳4）序列測定5）PCR6）DNA化學(xué)合成PCR(PolymeraseChainReaction)1993NobelPrizeinChemistry1985,Mullis,anideaduringanightdrivingintheCalifornianmountains聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(DNA聚合酶)dNTPKaryB.MullisUSA1944-“forhisinventionofthePolymerasechainreactionmethod”Site-directedmutagenesisMichaelSmithCanada1932DNA的化學(xué)合成二對甲氧三苯甲基(DMT)氨基磷酸化合物亞磷酸三酯化學(xué)合成基因的方法DNAfingerprint親子鑒定(Blood)刑事偵破(Blood,hair,seminalfluid)中藥材真?zhèn)舞b定生物同源性比較1987,USA,firstcaseBiochip(DNAchip)將成千上萬種具有生物識別功能的分子有序地點陣排列在面積不大的基片上并與標(biāo)記的檢體分子同時反應(yīng)或雜交。通過放射自顯影、熒光掃描、化學(xué)發(fā)光或酶標(biāo)顯示可獲得大量有用的生物信息。這一技術(shù)統(tǒng)稱為生物芯片技術(shù)。DNAmicroarray雙脫氧法測定

DNA序列的原理圖水稻基因組序列測出北京基因研究所和華盛頓大學(xué)基因組中心的于軍和11個中國研究機構(gòu)的同事們測了秈稻亞種(indica)的基因組序列由于軍和同事們編制的秈稻序列草圖包含4.66億個堿基對，包括45000到56000個基因，基因的平均長度是4500個堿基對。秈稻基因組是唯一的另一個測序了的芥菜植物擬南芥(Arabidopsis)基因組的3.7倍，但是比人類的基因組小6.7倍。由Syngenta公司的StephenGoff和同事們帶領(lǐng)的另一個小研究了在較干燥地區(qū)常見的粳稻亞種(japonica或稱Nipponbare)粳稻序列草圖包含了估計為4.2億個堿基對中的398對。軟件預(yù)測程序表明，粳稻基因組包含了42000到63000個基因。微生物基因組2002年初已有60多種微生物被測序，還有120多種正在測序中；科學(xué)家繪出O157:H7大腸桿菌基因組圖譜（《科學(xué)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