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1、第四章 核酸及其生物合成 一、核酸通论 二、核酸的结 构 三、核酸的理 化性质 四、核酸的生 物合成 一、核酸通论 核酸的发现和研究简史 核酸的种类和分布 核酸的生物功能 （一）核酸的发现和研究简史 1868-Miescher从脓球发现“核素” 1868年，瑞士的内科医生米歇尔 （ Miescher）从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细 胞核中分离到一种富含磷元素的酸性化合物，将 其称为核素(nuclein)。其中的主要成分即现在 的DNA； 1928-格里菲思用肺炎双球 菌在小鼠身上进行转化实验 将肺炎双球菌（ R型：无毒性； S型：有毒性） 注射到小鼠体内： 1、R型活细菌：小鼠不死亡； 2、
2、S型活细菌：小鼠患败血症亡； 3、加热杀死后的S型细菌：小鼠不死亡； 4、R型活细菌+S型死细菌：小鼠患败血症亡； 格里菲思的结论： R型活细菌 S型活细菌 转化因子 1944-AVERY 等的肺炎球菌转化实 验 uAverys greatest discovery occurred in 1944 when he determined that genetic information is contained in the DNA of cells, correcting the times widely held belief that proteins carried a cells g
3、enetic information. His work led to extensive research on DNA. 转化：供体细胞的DNA通过一定途径，转入受体细胞，从而使受体细胞 的遗传特性发生改变的作用。 1948年 ，DNA纯 化技术 使残留 的蛋白 质减少 到只有0 02 。如此 高纯度 的DNA不 仅仍可 引起转 化，而 且转化 效率也 更高。 1952-赫尔希（ HERSHEY） 的噬菌体标记实验 Hershey and Chase found that they had 35S remained outside the bacterial cells with the
4、empty viral coats and the 32P had entered the cells, infected them, and caused the production of new virus generations. Therefore, it was concluded that the genetic material of the virus is DNA rather than protein. DNA的X射线衍射图 Wilkins及其同事Franklin等制备的 高度定向的DNA纤维晶体能够得到精确反 映DNA某些结构特征的X 射线衍射图片, 其影像表明了DNA
5、结构的螺旋周期性,碱 基的空间取向等。这些资料对Watson和 Crick构建DNA双螺旋结构模型起了关键 性作用。 1950查加夫（CHARGAFF） 法则 50年代，Chargaff研究了不同生 物的DNA分子组成之后，发现一些共同规律， 这些规律现在称为Chargaff法则，其中两点 如下： 在同一生物内，其DNA分子中的腺嘌 呤和胸腺嘧啶的数量相等（A=T）；鸟嘌呤与 胞嘧啶的数量相等（G=C） 同一生物的DNA分子中的嘌呤碱总 量与嘧啶碱总量相等（A+G=C+T） 1953WATSON和CRICK 提出DNA双螺旋模型 在E.Chargaff等人的研究基础上， Watson和Cric
6、k根据Wilkins和Franklin的 DNA x-射线衍射图及化学分析的结果，于 1953年提出了著名的关于DNA的双螺旋 (DNA double helix modle)结构的模型 。 工作中的WATSON和CRICK 1973 BOYER，COHEN-DNA Cloning This Time magazine cover, “Tinkering with Life,“ and the DNA molecule with the head of a fanged snake : An international controversy arose about potential haz
7、ards arising from recombinant DNA research, which some saw as “tinkering“ with life while others saw vast potential for “improving“ life. “人工制造”的一种生物？ 1976 DNA Sequencing Sanger (Cambridge), Gilbert (Harvard): Method for determining base sequences in nucleic acids. (Nobel Prize for Chemistry 1980).
8、1990 Human Genome Project The year 2003 marked two major milestones in genomics: Completion of the sequencing of the human genome 50th anniversary of the discovery of the DNA double helix (二)核酸的种类和分布 种类 脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid， DNA ） 核糖核酸（ Ribonucleic acid ,RNA） 核糖体RNA : ribosome RNA(rRNA) 转运RN
9、A : transfer RNA(tRNA) 信使RNA: messenger RNA(mRNA) 其它种类RNA： hnRNA (核不均一RNA) snRNA (核内小RNA） scRNA (胞质小RNA：Cytoplasmic RNA)。 asRNA (反义RNA） 2. 分布 DNA RNA 细胞核（%） 98 90 (三)核酸的生物功能 DNA是遗传物质，生物的遗传信息是贮存 于DNA中的，蛋白质的结构是由DNA的遗传密码 决定的。其证据有三： DNA的恒定性：细胞核内的DNA含量十分稳定， 不受营养条件，年龄等因素的影响，性细胞DNA 含量是体细胞DNA含量的一半，不论是质量和数 量
10、都是恒定的； 1944年Avery等做的著名的肺炎双球菌转化试验 ； 1952年Hershey和Chase的噬菌体标记实验。 RNA的作用：参与蛋白质 合成、核酶功能、基因表达 与调控等。 二、核酸的结构 核苷酸 DNA的一级结构 DNA的空间结构 DNA的序列分析 RNA的一级结构 RNA的空间结构 磷酸(phosphate) 核苷（nucleoside) 核糖(ribose)或脱氧 核糖(deoxyribose) 碱基 (base) 核酸（nucleic acid) 核苷酸（nucleotide) (一)核苷酸 核苷酸是核酸的基本结构单位： DNA和RNA组成的异同 DNA RNA 磷酸
11、H3PO4 H3PO4 戍糖 脱氧核糖 核糖 碱基 A、G、C、T A、G、C、U A: 腺嘌呤(adenine)； G: 鸟嘌呤(guanine); C: 胞嘧啶(cytosine); U: 尿嘧啶(uracil); T: 胸腺嘧啶(thymine); 碱基：弱碱性含氮杂环化合物 1、核糖和脱氧核糖 吡喃 呋喃 2、嘌呤碱基和嘧啶碱基 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它 们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物; 核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤 (guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A)； 嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶 (cytosine,C)、尿嘧啶(ura
12、cil,U)和胸腺 嘧啶(thymine,T)。 含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体，在生理条件 下，主要以酮式存在。体内核酸中的碱基也以酮式存在： 酮式 烯醇式 3、核糖核苷和脱氧核糖核苷 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接形成的产物 称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤 碱的N9相连接： 嘌呤和嘧啶碱基与核糖或脱氧核糖连 接形成核苷； 核糖中碳原子的编号都带有“”， 以区别于碱基中的原子编号； 4、核糖核苷酸和脱氧核糖核苷 酸 核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而 成为核苷酸； 生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖 的C5上羟基被磷酸酯化，形成5核苷酸； 此外也有一些其他的连
13、接方式，如下图： 戊糖 核苷、核苷酸 (二) DNA的一级结构 脱氧核糖核苷酸可以通过3,5-磷酸二酯键聚合 形成DNA； DNA的一级结构是指脱氧核糖核苷酸在线性DNA分 子中的排列顺序； 连接在戊糖上的碱基的不同是核酸序列变化的基 础。 核苷酸的连接 核苷酸序列 （核酸一级结构）的表示方法 pCpCpA pC-C-A pCCA 5-CCA-3 （三）脱氧核糖核酸的空间结构 -DNA双螺旋 Watson和Crick建立的DNA双螺旋模型 螺旋空间结构示意图 双螺旋两条链之间的连接 5 3 AT CG DNA双螺旋结构模型要点： 反向平行； 右手双螺旋； 碱基配对； 糖-磷酸骨架位于外侧 ；
14、碱基平面:位于内侧， 几乎与糖环平面成直角 ； DNA双螺旋结构模型要点： 每转螺旋含有10个碱基对； 相邻碱基对距离：0.34nm； 螺距：3.4nm； 相邻核苷酸的夹角为36； 双螺旋平均直径：2nm； DNA双螺旋结构模型要点： 大沟：宽而深； 小沟：窄而浅； 沟内碱基对的边缘 暴露于溶剂中，有 利于DNA与蛋白质的 相互作用。 DNA双螺旋结 构 模型的遗传学 意义 1953年5 月30日，Nature上 又发表了Watson和 Crick的“脱氧核糖核 酸结构的遗传学意义 ”的文章，阐明了DNA 双螺旋结构模型的重 要意义在于直接地解 释了遗传物质自我复 制的机制。 几种不同构象的D
15、NA双螺旋模型 DNA双螺旋因其构象的可变性而存在不同的类型，如A型、B 型和Z型的DNA。下表给出了这三种类型DNA的结构特点。 数据来自Dickerson,R,E., 等人的工作（Science 216:475-485） B-型：相对 湿度为92%时所得 到的DNA钠盐纤维 。右旋。如生物 体内天然DNA； A-型：相对 湿度为75%时所得 到的DNA钠盐纤维 。右旋。如RNA双 螺旋区和DNA-RNA 杂交双链； Z-型：Rich 在研究CGCGCG寡 聚体时发现。左 旋。因磷酸基在 多核苷酸骨架上 的分布呈Z字型而 得名。 除ADNA、BDNA和ZDNA 螺旋外，还存在 BDNA、CDNA、DDNA 、EDNA等。总之， DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡之中，DNA分子 构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。 稳定双螺旋结构的作用力： 1、氢键； 2、碱基堆积力（疏水作用及范德华力）； 3、离子键等； （四）脱氧核糖核酸的空间结构 -DNA超螺旋 绝大多数原核生物的DNA分子都呈双螺旋环状结 构，即dcDNA。这种分子再度螺旋化成为超螺旋结 构(superhelix或supercoil)，即DNA的三级结构： 当将线性过旋 或欠旋的DNA连接成 环状时，为了维持B 型构象，D
