核酸分子生物学基础

核酸分子生物学基础核酸分子生物学基础时东彦时东彦 河北医科大学第二医院河北医科大学第二医院核酸（nucleic acid)核酸概述 核酸的化学组成 核酸的分子结构 核酸的理化性质 核酸研究技术一、核酸的发现一、核酸的发现1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取““核素核素””1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架二、核酸的种类和分布核酸按核酸按戊糖戊糖分为两大类：分为两大类：脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA））Deoxyribonucleic AcidDeoxyribonucleic Acid核糖核酸（核糖核酸（RNARNA））Ribonucleic AcidRibonucleic Acid * rRNA * rRNA （（ribosomal RNA ribosomal RNA ））80%80% * tRNA * tRNA （（transfer RNA transfer RNA ））15%15% * mRNA * mRNA （（mesenger RNAmesenger RNA）） 5%5% * * 特殊功能的特殊功能的RNARNA Small nuclear RNA , snRNA Small nuclear RNA , snRNA Small cytoplasmic RNA , scRNASmall cytoplasmic RNA , scRNA Antisense RNAAntisense RNA RibozymeRibozyme1、种类2、分布真核细胞真核细胞原核细胞原核细胞DNADNA细胞核（细胞核（95%95%））：： 线型双链，一般与组蛋白结合线型双链，一般与组蛋白结合 成染色体成染色体 线粒体、叶绿体（线粒体、叶绿体（5%5%）：环）：环 状双链状双链环状双链环状双链 主要集中于主要集中于核区核区质粒质粒DNADNA：：染色染色 体外体外DNADNARNARNA细胞质（细胞质（75%75%）） 线粒体、叶绿体（线粒体、叶绿体（15%15%）） 细胞核（细胞核（10%10%））主在主在细胞质细胞质第一节 核酸的化学组成一、核酸的元素组成二、核酸的化学组成一、核酸的元素组成基本元素：C H O N P其中，P含量较多，并且恒定（9%-10%）。

DNA约为9.9%，RNA约为9.4%二、核酸的化学组成核酸（nucleic acid)核苷酸(nucleotide)磷酸 (phosphoric acid)核苷(nucleoside)戊糖 (pentose)碱 基 (base)磷酸磷酸核苷（核苷（nucleoside)戊糖戊糖-ribose(R)deoxyribose(dR)碱基碱基 A G U CA G T Cn· 核苷酸（核苷酸（nucleotide)核酸（核酸（DNADNA和和RNARNA）的基本结构单位是）的基本结构单位是核苷酸核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸OOH H(O)H1´ ´2´ ´NOHHH4´ ´3´ ´CH25´ ´PO-OOO-磷酸磷酸 (phosphoric acid)(phosphoric acid)核苷核苷(nucleoside)(nucleoside)戊糖戊糖 (pentose)(pentose)碱基碱基(base)(base)核糖有3个自由羟基，可分别 被酯化生成2’-，3’-和5‘-核糖核 苷酸脱氧核糖有2个自由羟基，可 生成3’-，5’-脱氧核糖核苷酸核酸是由核苷酸按 特定顺序连接而成 的多聚核苷酸长链。

核苷一磷酸可进一步磷酸化生成核苷二磷酸及核苷核苷一磷酸可进一步磷酸化生成核苷二磷酸及核苷 三磷酸核苷二磷酸及核苷三磷酸细胞内的核苷三磷酸都是细胞内的核苷三磷酸都是 高能磷酸化合物，在生化高能磷酸化合物，在生化 反应中作为能量和磷酸基反应中作为能量和磷酸基 团的供体团的供体也是合成核酸及其它有机也是合成核酸及其它有机 化合物的原料化合物的原料dNTP是合是合 成成DNA的原料，的原料，NTP是合是合 成成RNA的原料AMP ADPATP戊戊 糖糖（构成（构成RNA））1´ ´ 2´ ´3´ ´4´ ´5´ ´OH OCH2OHOHOH核糖核糖(ribose) （构成（构成DNA））OH OCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)• 戊糖戊糖DNA,RNA中主要的碱基、核苷戊糖碱基核苷 RNA D-核糖A 腺嘌呤核苷 G 鸟嘌呤核苷 C 胞嘧啶核苷 U 尿嘧啶核苷 DNA D-2-脱氧核糖A 脱氧腺嘌呤核苷 G 脱氧鸟嘌呤核苷 C 脱氧胞嘧啶核苷 T 脱氧胸腺嘧啶核苷核糖 核苷脱氧核糖 核苷核酸核酸概述 核酸的化学组成 核酸的分子结构 核酸的理化性质 核酸研究技术第二节 核酸的分子结构 核酸的一级结构 DNA的一级结构 RNA的一级结构  DNA的高级结构 二级结构 三级结构核酸的一级结构即 核酸的共价结构， 指核酸的核苷酸序 列一、核酸的一级结构1、核苷酸之间的连接方式核苷酸之间通过核苷酸之间通过3 3´ ´，，5 5´ ´- -磷酸磷酸 二酯键二酯键连接连接。

即一个核苷酸中戊糖的即一个核苷酸中戊糖的5 5’- -磷磷 酸基与另一个核苷酸中戊糖酸基与另一个核苷酸中戊糖 的的C C3 3’- -OHOH形成磷酸二酯键而形成磷酸二酯键而 相连磷酸二酯键走向一致磷酸二酯键走向一致多聚脱氧核苷酸链一端的多聚脱氧核苷酸链一端的C C5 5´ ´ 带有一个自由磷酸基，称为带有一个自由磷酸基，称为 5 5´ ´- -磷酸端（常用磷酸端（常用5 5´ ´- -P P表示）；表示）； 另一端另一端C C3 3´ ´带有自由的羟基，带有自由的羟基， 称为称为3 3´ ´- -羟基端（常用羟基端（常用3 3´ ´- -OHOH 表示）核苷酸的连接核苷酸的连接——3’,5’磷酸二酯键磷酸二酯键表示法表示法pCpCpApC-C-A5’-CCA-3’核酸的一级结构核酸的一级结构多核苷酸链内核苷酸的排列顺序多核苷酸链内核苷酸的排列顺序2、一级结构的表示方法碱基、戊糖、磷酸都用 结构式表示，可清楚的 表明核苷酸的连接方式 及排列顺序①结构表示法②线条式表示单字母单字母A,T,G,CA,T,G,C表示碱基，竖线表示戊糖，竖线表示碱基，竖线表示戊糖，竖线 下端为下端为5 5´ ´，中间为，中间为3 3´ ´，，P P表示磷酸基团，斜线表表示磷酸基团，斜线表 示示3 3´ ´，，5 5´ ´- -磷酸二酯键。

磷酸二酯键 因为体现核苷酸差别的只是碱基因为体现核苷酸差别的只是碱基线条式还可以线条式还可以进一步简化为字母式进一步简化为字母式： pA-C-G-T-AOH pApCpGpTpA pACGTA习惯上以左端为习惯上以左端为5 5´ ´端端，，右端为右端为3 3´ ´端端③ 字母式表示•在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的 种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′•• 或5′ACGCTGTA3′碱基序列CAGGACCATGGAACTCAGCGTCCTCCTCTTCCTTGCACTCCTCACAGGACTCTTGCT ACTCCTGGTTCAGCGCCACCCTAACACCCATGACCGCCTCCCACCAGGGCCCCGCC CTCTGCCCCTTTTGGGAAACCTTCTGCAGATGGATAGAAGAGGCCTACTCAAATCC TTTCTGAGGTTCCGAGAGAAATATGGGGACGTCTTCACGGTACACCTGGGACCGAG GCCCGTGGTCATGCTGTGTGGAGTAGAGGCCATACGGGAGGCCCTTGTGGACAAG GCTGAGGCCTTCTCTGGCCGGGGAAAAATCGCCATGGTCGACCCATTCTTCCGGGG ATATGGTGTGATCTTTGCCAATGGAAACCGCTGGAAGGTGCTTCGGCGATTCTCTG TGACCACTATGAGGGACTTCGGGATGGGAAAGCGGAGTGTGGAGGAGCGGATTCA GGAGGAGGCTCAGTGTCTGATAGAGGAGCTTCGGAAATCCAAGGGGGCCCTCATG GACCCCACCTTCCTCTTCCAGTCCATTACCGCCAACATCATCTGCTCCATCGTCTTT GGAAAACGATTCCACTACCAAGATCAAGAGTTCCTGAAGATGCTGAACTTGTTCTA CCAGACTTTTTCACTCATCAGCTCTGTATTCGGCCAGCTGTTTGAGCTCTTCTCTGG CTTCTTGAAATACTTTCCTGGGGCACACAGGCAAGTTTACAAAAACCTGCAGGAAA TCAATGCTTACATTGGCCACAGTGTGGAGAAGCACCGTGAAACCCTGGACCCCAGC GCCCCCAAGGACCTCATCGACACCTACCTGCTCCACATGGAAAAAGAGAAATCCAA CGCACACAGTGAATTCAGCCACCAGAACCTCAACCTCAACACGCTCTCGCTCTTCTT TGCTGGCACTGAGACCACCAGCACCACTCTCCGCTACGGCTTCCTGCTCATGCTCA AATACCCTCATGTTGCAGAGAGAGTCTACAGGGAGATTGAACAGGTGATTGGCCCA CATCGCCCTCCAGAGCTTCATGACCGAGCCAAAATGCCATACACAGAGGCAGTCAT CTATGAGATTCAGAGATTTTCCGACCTTCTCCCCATGGGTGTGCCCCACATTGTCAC CCAACACACCAGCTTCCGAGGGTACATCATCCCCAAGGACACAGAAGTATTTCTCA TCCTGAGCACTGCTCTCCATGACCCACACTA二、DNA的高级结构1953年年J. Watson和和F. Crick 根据根据ChargaffChargaff 规律和规律和DNADNA 的的 NaNa盐纤维的盐纤维的X X光衍射分析提出光衍射分析提出 了提出了著名的了提出了著名的DNADNA双螺旋结双螺旋结 构模型构模型双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级结构最二级结构最 基本的形式基本的形式。

一) DNA的二级结构DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（（Watson, Crick, 1953））碱基垂直螺旋轴居双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側側，，与对側碱基形成与对側碱基形成氢键配氢键配对对（（互补配对形式：互补配对形式：A=T;G C）） 相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。