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1、河南大学教 案200102011 学年第二学期课 程 名 称 生物化学院（部） 医学院教研室(实验室 ) 生物化学与分子生物学授 课 班 级 09 级药学理论主 讲 教 师 刘广超职 称 教授使 用 教 材生物化学 （6 版）吴梧桐主编 人民卫生出版社生物化学实验指导石渊渊主编 河南大学出版社河南大学教务处制二八年二月生物化学 课程教案课次 5授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他 课时安排 4-2授课题目：核酸化学授课对象： 09 级药学 1-2 班 中药班、制药 1-2 班教学目的、要求：1. 掌握 DNA 和 RNA 的化学组成、碱基、核苷、核苷酸结构式；掌握 DNA 的一
2、级结构、空间结构； 2. 熟悉 DNA 的超螺旋结构，DNA 在真核生物中的包装；3. 了解 DNA 作为遗传物质的证据, 核酸的研究简史及重大事件。教学重点、难点：DNA 和 RNA 的化学组成，碱基、核苷、核苷酸结构式，DNA 的双螺旋结构模型要点。教 学 基 本 内 容 方法及手段1 DNA 作为遗传物质的证据, 核酸的研究简史及重大事件。2 DNA 和 RNA 的化学组成、碱基、核苷、核苷酸结构式。3 DNA 的一级结构；空间结构；DNA 的超螺旋结构，DNA 在真核生物中的包装。多媒体动画教学、课堂启发提问、科研或工作实例。复习巩固与作业要求： 1列表说明 DNA、RNA 在化学组成
3、和生物学功能方面的主要特点。2. 简述 DNA 双螺旋结构的要点。授课时间地 点 2011.03.04 1-2 节 09 级制药 1-2 班 中药班 2301教室3-4 节 09 级药学 1-2 班 2301教室课后小结：教学过程核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。一 核酸的发现和重要性由于核酸的结构与功能比较复杂，分子很不稳定，在 4 类生物大分子（核
4、酸、蛋白质、多糖和脂质复合物）中，它的研究开始最晚。“核酸”一词的出现比“蛋白质”（1838 年）要晚半个世纪。然而对它的研究却改变了整个生命科学的面貌，并由此诞生了分子生物学这一当今发展最迅速、最有活力的学科。1869 年瑞士青年科学家 Miescher 从（脓）细胞核中分离出核素（ nuclein）。1889 年 Altman 发展了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法，最早提出核酸（nucleic acid）这一名称。19301940 年, Kossel & Levene 等确定核酸的组分：核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子化合物。核酸包括脱氧核糖核酸 ( deoxyr
5、ibonucleic acid, DNA )和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类。1943 年 Chargaff（查格夫）证明，DNA 中 4 种碱基的比例并不是相等，总是 A=T, G=C，并认为在 DNA 中是 A-T 配对、G-C 配对的规律，因此后来称之为查格夫规则。（ 证明“四核苷酸假说” 不能成立。“ 四核苷酸假说”：认为核酸是由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。）1944 年，Avery 的“ 肺炎双球菌转化实验”证明 DNA（是遗传转化因子 ）是生物体的遗传物质。1952 年 A. Hershey 和 M. Chase 的噬菌体感染细菌的
6、实验，是证明 DNA 为遗传物质的最有力证据。噬菌体是寄生在细菌细胞中的病毒。一个典型的噬菌体的生活周期，可以分为三个阶段：感染阶段、增殖阶段和成熟阶段。T2 噬菌体在 37 下大约只需 40min 就可以产生 100300 个子代噬菌体。HersheyChase 实验：准备 2 份同位素标记的噬菌体 T2 颗粒。1 份用 32P 标记 DNA的磷酸基团，另 1 份用 35S 标记蛋白外壳的含硫氨基酸（DNA 是不含硫的，而病毒蛋白则不含磷）。用这 2 份标记的噬菌体感染非标记的细菌，将感染的细菌悬液在搅拌器中剧烈振荡以从细菌细胞中释放病毒外壳，经离心将细菌和病毒的空壳分开。用 32P 标记的
7、噬菌体感染的细胞，在细胞内发现了 32P ，病毒空壳没有放射性，表明噬菌体 DNA 进入了细胞。用 35S 标记的噬菌体感染的细胞，在胞内没有发现放射性，病毒空壳含有 35S。在释放病毒衣壳一段时间后，2 份受感染细胞都产生子代病毒颗粒，表明病毒复制的有关遗传信息是由病毒的 DNA 而不是蛋白质导入的。提示：理清生物化学的知识体系和网络，牢固掌握关键的知识点固然重要，但学习和了解研究者对生物化学重要发现所用的方法、思路和线索，对启发学生的兴趣，从中学到科学的思维方法，锻炼和提高发现问题、解决问题的能力很有帮助。1953 年，J.D.Waston（美）和 F.H.C.Crick （英）提出 DN
8、A 双螺旋结构模型该模型不但阐明了 DNA 的结构，并且为一个 DNA 分子如何复制成两个相同结构的 DNA 分子及 DNA 怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。该模型被认为是 20 世纪自然科学中最伟大的成就之一，给生命科学带来巨大而深远的影响，为现代分子生物学和分子遗传学奠定了关键性基础，1962 年被授予诺贝尔生理医学奖。从此之后的几十年里，核酸研究进展之快，涉及范围之广，影响之大，内容之丰富，在生物科学领域内是少见的。核酸的生物功能：1、DNA 是主要的遗传物质除少数病毒（RNA 病毒）以 RNA 作为遗传物质外, 多数生物体的遗传物质是 DNA。不同生物体遗传物质（信息分子）的
9、结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，生物体表现出不同的形态结构和代谢类型。DNA 作为遗传物质具有的 3 个功能（基本属性）：（1）通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；（2）通过转录使遗传信息在子代得以表达；（3）通过变异在自然选择过程中获得新的遗传信息。2、RNA 参与蛋白质的生物合成按照传统的观点，RNA 的主要作用是从 DNA 转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。3、RNA 的功能具有多样性20 世纪 80 年代对 RNA 的研究揭示了 RNA 功能的多样性。RNA 具有诸多功能, 无不关系着生物机体的生长和发育，其核心作用是基因表达的信息加工和调节。（RNA 功能
10、的多样性：1）控制蛋白质合成（3 类 RNA 共同控制）；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。-核心作用是基因表达的信息加工与调节。此内容在以后的相关章节中详细讲解）二 核酸的组成成分核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸有 3 个典型的组分：含氮碱基、戊糖和磷酸。DNA 的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸（ deoxyribonucleotide 或deoxynucleotide），RNA 的基本组成单位是核糖核苷酸（ ribonucleotide）。 一、核苷酸的结构 （一）核糖和脱氧核
11、糖核酸中的戊糖，其半缩醛羟基均位于糖环平面的上方，因此属于 构型。为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子编号加一撇，标以 C1、C 2等。脱氧核糖核苷酸中的戊糖是 D2脱氧核糖；核糖核苷酸中的戊糖为 D核糖。这一结构上的差异使得 DNA 分子较 RNA 分子在化学上更为稳定，从而被自然选择作为多数生物遗传信息的储存载体。（二）碱基的种类核苷酸中的含氮碱基（base）是嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）的衍生物，都是杂环化合物。单独的嘌呤或嘧啶是弱碱性物质，因此称为碱基。DNA 分子中的碱基成分为 A、G、C 和T 四种；而 RNA 分子则主要由 A、G、C 和 U
12、 四种碱基组成。稀有碱基：含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。tRNA 中大约有 10%。如：次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、 1-甲基鸟嘌呤等。碱基的结构特征：1）酮式 烯醇式；2）氨基 亚氨基； 3）共轭双键，对260nm 的紫外光有强吸收。（三）核苷1. 核苷：含氮碱基与糖组分缩合成的糖苷。核苷 = 碱基 + 戊糖， 核酸分子中的糖苷键均为糖苷键。2. 连接方式：戊糖 C1-OH，H-N 9 嘌呤； 戊糖 C1-OH，H-N 1 嘧啶； 戊糖 C1-OH，H-C 5 假尿苷（tRNA ）。3. 关于修饰核苷的表示方法：修饰核苷中的取代基团用英文小写字母表示；碱基取代基团的符号写在核苷单字
13、符号的左下角；核糖取代基团的符号写在核苷单字符号的右下角；取代基团的位置写在取代基团符号的右上角，数字（目）则写在右下角。举例: N 1, N2, N7-三甲基鸟嘌呤核苷：m 31,2,7G真核 mRNA 5-端的 7-甲基鸟苷帽子结构： m7G 5ppp（四）核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸或脱氧核苷酸。生物体内多数核苷酸都是 5核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子 C5上。（五）重要的其他核苷酸1. 多磷酸核苷酸根据磷酸基团的数目不同，有核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP）、核苷二磷酸（nucleoside diphosp
14、hate，NDP ）、核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP）的命名方式；根据碱基成分的不同，有 AMP（adenosine monophosphate）、ADP（adenosine diphosphate）、 ATP（adenosine triphosphate），另外还有一些稀有碱基如 等命名。核苷酸除了构成核酸大分子以外，还参加各种物质代谢的调控和多种蛋白质功能的调节。例如 ATP 能量转换中间体，CTP 参与磷脂合成；GTP 蛋白质合成中磷酰基供体 UTP 参与糖原合成。2. 环化核苷酸cAMP，环腺苷酸（cyclic AMP, cAMP ）；cGMP, 环
15、鸟苷酸（cyclic GMP, cGMP ）。环化核苷酸作为细胞之间传递信息的信使，在细胞信号转导过程中具有重要调控作用。3. 其他核苷多磷酸、寡核苷多磷酸（六）核酸分子中核苷酸的连接方式构成核酸大分子的基本单位是核苷酸。实验证明，DNA 和 RNA 均是无分支的多核苷酸长链，核苷酸间的连接键是 3，5-磷酸二酯键，由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特性的含氮碱基则可以看成是以侧链基团有次序地连接在其主链上。三 核酸的结构一、DNA 的碱基组成（一）碱基组成：C, T, A, G（二） DNA 碱基组成规律（Chargaff 法则）（1）同一生物，嘌呤=嘧啶，A = T，G
16、= C， A+G = C+T（2）不同生物种属的 DNA 碱基组成不同（3）同一生物的所有体细胞中 DNA 碱基组成相同（种属特异性）二、DNA 的一级结构（一）DNA 的一级结构DNA 链中核苷酸的排列顺序碱基的组成及排列顺序称为 DNA 的一级结构。（二）脱氧核苷酸的连接方式多脱氧核苷酸链相邻的脱氧核苷酸残基以 3,5磷酸二酯键连接，无分支。二、核酸的一级结构 (一)定义:核酸的一级结构是指 DNA 和 RNA，也称核苷酸序列。由于核酸分子中不同核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此也称为碱基序列。 (二)连接方式: 磷酸二酯键。四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以化学键：3, 5磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides）链称为 DNA。多聚
