核酸的生物化学

核酸(Nucleic acid)?
愚蠢的分子? 核苷酸的简单排列
蛋白质的丰富多彩
核酸研究的历史
1869 米舍尔（Friedrich
Miescher 从脓球分离出细胞核，
不受蛋白酶分解，磷含量高， 命名为“核素” (nuclein) 不久，科塞尔（Albrecht Kossel） 发现“核素”是蛋白和核酸的复
核酸的理化性质：降解

酸水解：DNA较RNA更敏感，N糖苷键断裂， 嘌呤硷比嘧啶硷更不稳定 硷水解：DNA对硷稳定，硷水解多用于RNA。 硷使RNA分子中磷酸二酯键的磷酸与C-5’酯键 水解断裂，生成2’核苷酸与3’核苷酸的混合物。 酶降解：内切酶（胰DNase I)、外切酶（蛇毒 磷酸二酯酶）

Frederick Sanger (获1958和1980年诺贝尔化学奖)
核酸研究的历史
1972 伯格(Paul Berg) –重组DNA 技术 引起人肿瘤的猴病毒基因与噬 菌体lambda的重组
Paul Berg
(获1980年诺贝尔化学奖)
1973 博耶（Herbert Boyer）和科 恩（Stanley Cohen）-使用重 组DNA技术首次得到了重组 DNA微生物(基因工程技术) Herbert Boyer and Stanley Cohen



细胞中核酸含量依种属及组织而定，如酵母含 0.1%，肌肉组织及细菌含0.5%~ 1%，在胸腺 及精细胞中，含量高达15~40%。 分子大小可用长度、硷基对数目及分子量表示。 长1m的DNA含3000硷基对，相当于分子量为 2106 daltons。 DNA分子大小测定的经典方法：超速离心测 沉降系数（S）
tRNA的结构
一级结构 70~90 nt
二级结构 三叶草形状：
特点（1）氨基酸臂：3’CCAOH结构可与活化的氨基酸结合。 （2）DHU环（二氢尿嘧啶）。 （3）反密码环：可与mRNA中三 联体构成反密码子，在蛋白合成中 起解读密码子，将对应氨基酸引入 合成位点的作用。（4） T环： 含胸腺嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷为 特征。（5）额外环：是tRNA分类 的标志
核酸研究的历史
1944 美国微生物学 家埃弗里（O.T. Avery ）等的肺炎 球菌转化实验
O.T. AVERY
核酸研究的历史
1950 查伽夫（Erwin Chargaff） et alChargaff法则
Erwin Chargaff
核酸研究的历史
1952 赫尔希和蔡斯 （HERSHEY, CHASE） -噬菌体标记实验
核酸的生物化学
李金明 卫生部临床检验中心
Tel.010-58115061 Email: jmli63hn@gmail.com 2014.6.22-25 厦门
问题？




核酸研究的发展中有哪些“里程碑事件”？ DNA和RNA在生命遗传中的功能？ 核酸组成的基本成份？ DNA、RNA的特性？其之间有何区别？ 核酸的理化特性与核酸提取及检测间有何关系 ？ 核酸杂交？ DNA合成和RNA合成及与扩增检测的关系？
n· 核苷酸（nucleotide)
磷酸
核苷（nucleoside)
戊糖-ribose(R) deoxyribose(dR)
碱基 A G U C AG TC
DNA、RNA组成异同
RNA
戊糖 核糖 Adenine (A) 碱基 Cytosine (C) Uracil (U) Guanine (G) 链的数量 热稳定性? 常为单链 不稳定
核酸的理化性质：高分子性质

凝胶过滤 高分子的核酸还表 现为特异的凝胶过 滤(如葡聚糖凝胶)洗 脱行为，洗脱时分 子量大的先被洗出， 分子量小的后洗出。
核酸的紫外吸收

核酸中的嘌呤硷、嘧啶硷及其组成的核苷、核苷酸及 核酸对紫外光都有强吸收作用。其共同特点是对在 260nm处的紫外光有最大的吸收值。 核酸分子中硷基的克分子数与磷的克原子数相等，可 根据核酸溶液中的磷含量及紫外光的吸收值来测定核 酸量。 换算：1 OD260nm 双链DNA = 50 g/ml 1 OD260nm 单链DNA = 37 g/ml 1 OD260nm 单链RNA = 40 g/ml
Friedrich Miescher
合物，并明确了核酸各组成成分
的比例．(核酸化学领域的第一缕 曙光)
Albrecht Kossel (获1910年诺贝尔生理学医学奖)
核酸研究的历史
1911
科塞尔的学生莱文(P.A.T. Levine）证明
核酸中所含的糖由5个碳原子所组成，命名 为核糖．阐明了胸腺组织和酵母中分离到 的核酸的不同,前者为脱氧核糖核酸(DNA),
核酸的理化性质：酸性化合物



两性\但酸性强：DNA、RNA在其多核苷酸链内既有酸性 的磷酸基又有碱性的含氮杂环碱，因此核酸与蛋白质一样， 也是两性电解质。因磷酸基的酸性较强．故通常核酸表现 为酸性。 电泳行为——泳向正极（pH7-8）：在中性或碱性溶液中， 核酸带负电荷，在外加电场作用下向阳极移动。 沉淀行为——加盐（中和电荷） M+与磷酸“-”中和；乙 醇：带负电荷的核酸可与金属离子成盐。当向核酸溶液中 加入适当盐溶液后，带正电荷的金属离子即可将核酸的负 离子中和，在有乙醇或异丙醇存在时核酸即可从溶液中沉 淀析出。制备核酸时常用的盐溶液有氯化钠、醋酸钠、醋 酸钾或醋酸铵。

核酸的理化性质：高分子性质

粘度 DNA>RNA 核酸的分子量很大，核酸溶液具有较大的粘 性。DNA分子的长度与其直径之比可达107，因 此即使极稀的DNA溶液也有较大的粘度。RNA 溶液的粘度较DNA为小。当核酸溶液受热或酸 碱等因素作用下发生变性时，分子长度与直径 比例减小，分子不对称性变小，溶液粘度下降。 粘度测定可用作DNA变性的指标。
为什么是这两个年轻人？


沃森：生物学，研究噬菌体 克里克：物理学、化学 不是因为勤奋（成绩平平）， 而是因为其独有的想像力。

我之所以能够看得更 远，是因为我站在巨 人的肩膀上。 -- 牛顿
沃森和克里克却是“站在巨人的脚趾上” --布拉格在为《双螺旋》写序时，戏称他们。 “因为他们连跑上巨人的肩膀上功夫都没花”
ACC
T环 额外环
5’
DHU环
反密码环
三级结构 倒“L”形
mRNA的结构



3’-poly A(30~200)，为mRNA的“尾” 5’-7甲基鸟苷三磷酸，为mRNA的“帽” 分子中有编码区和非编码区。中间为密码子 Codon。这些三联体密码子决定蛋白质的一级 结构
核酸的理化性质：含量和分子大小
后者为核糖核酸（RNA）。
核酸研究的历史
1934 莱文发现核酸可被分解成含有一个嘌呤或嘧 啶、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段，这样 的组合叫“核苷酸”。 他们根据当时比较粗糙的分析认为，4种碱基 在 核酸中的量相等，从而错误地推导出核酸的基本结 构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成四核苷酸， 以此为基础聚合成呈线性排列构成的简单重复的多 聚体核酸，这就是较著名的“四核苷酸假说”。
5’ end
表示法
pCpCpA pC-C-A 5’-CCA-3’
3’ end
DNA的分子结构

DNA的碱基组成（CHARGAFF法则）—— 有种属特异性 无组织、器官特异性 不受年龄、营养和环境的影响 不论种属、组织来源，所有DNA分子 [A] ＝ [T]、[G] ＝ [C] [A]/[T] ＝[G]/[C] =1 [A] + [G] ＝[T] + [C]
DNA 的分子结构
Hydrogen Bonds Cytosine Adenine Thymine Guanine Deoxyribose (Sugar molecule) Phosphoric Acid (Phosphate molecule)
DNA的二级结构——双螺旋结构

Watson, Crick （1953）在Chargaff法则及 Wilkins,Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的 double helix结构模型——
核酸的理化性质：高分子性质

超离心沉降 不同种类核酸分子的大小不同。核酸分子大小表示 方法有以下几种：即千道尔顿(kD)、碱基对(bp)或 千碱基对(kb)数目、离心沉降常数(s)。离心沉降常 数是利用高分子的核酸分子大小不同，分子形状不 同，在超离心力场作用下的沉降行为也各不相同而 测得。如真核生物核糖体小亚基中含的rRNA分子 大小为18S，大亚基中的rRNA有28S、5S和5.8S三 种分子。
Alfred Hershey and Martha Chase
核酸研究的历史

1953 沃森和克里克 （WATSON，CRICK） -DNA双螺旋
Francis Crick and James Watson (获1962年诺贝尔生理学医学奖)
Rosalind Franklin
Maurice Hugh Frederick Wilkins
核酸研究的历史

1955 托德(Alexander Robertus Todd)—用 磷酸三酯法合成了二 核苷酸TpT 这是人工合成DNA大 分子的前奏
Alexander Robertus Todd (获1957年诺贝尔化学奖)
核酸研究的历史
1960年代中期 桑格 (Sanger)的DNA测序法
DNA
脱氧核糖 Adenine (A) Cytosine (C) Thymine (T) Guanine (G) 双链 稳定
Adenine
Guanine
Cytosine
Thymine
核糖和磷酸
O
Deoxyribose
Phosphoric Acid
核苷、核苷酸
核酸的分子结构
核酸的一级结构
核苷酸的连接——3’,5’磷酸二酯键
核酸的分布
DNA 核（%） 浆（%） 98 2 RNA <10 >90
核酸的含量
DNA恒定
RNA与细胞生长状态有关
核酸的功能
DNA-遗传
RNA-参与蛋白质合成
核酸的分子组成

元素组成 C H O N P （恒定，9~10%） 基本结构单位——核苷酸
核酸——多聚核苷酸（polynucleotides)



DNA的高级结构

超螺旋 DNA
如线粒体

细菌质粒DNA

病毒DNA
DNA的高级结构


核小体结构：由DNA和组 蛋白共同构成 2 · (H2A· H2B ·H3 ·H4 )/DNA(146bp) =核心颗粒 超螺线管——染色质：由 核心颗粒与连接区构成的 核小体彼此串联，成串珠 状，再进一步卷曲，形成 超螺线管结构。
后基因组时代--基因组学

结构基因组学 结构基因组学，是由结构生物学与功 能基因组学紧密结合所产生的，其科 学目标就是要规模化地测定蛋白质、 RNA及其它生物大分子的三维结构。
核酸的种类
DEOXYRIBONUCLEIC ACID（DNA） RIBONUCLEIC ACID（RNA）—— ribosome RNA(rRNA) transfer RNA(tRNA) messenger RNA(mRNA)
肿瘤细胞中发现的DNA G-quadruplex structures
该DNA形成四链的部位，富含 串联重复的鸟嘌呤碱基（G）， 所以该结构也被称为“G4DNA”
Nature.2013.12253
RNA的分子结构




RNA的种类：tRNA、rRNA、mRNA RNA的碱基组成： A U G C 稀有碱基（假 尿嘧啶、甲基化碱基） RNA的一级结构：核苷酸序列 3’,5’磷酸二 酯键连接 RNA高级结构

DNA分子由相互平行、走向相反、碱基互补的两条 脱氧核糖核苷酸链围绕同一中心轴，盘绕成双螺旋 结构，螺旋的一侧为大沟，另一侧为小沟。
磷酸——脱氧核糖形成的长链骨架在外，碱基在 内，两平行链对应碱基间以氢键相连；对应碱基总 是A==T、G === C配对（base pairing)或互补，形 成稳定联系。 各碱基平面垂直或基本垂直于双螺旋中心轴，链 内碱基间形成纵向Vander Waal’s力与长轴平行， 使双螺旋更稳定。 相临碱基对间距离为0.34nm,每周螺距为3.4nm (10bp), d为 2nm (B型）
核酸研究的历史
1983 穆利斯（Kary Mullis) –PCR技术 Kary Mullis 1990 Human Genome (获1993年诺贝尔化学奖) Project
后基因组时代--基因ห้องสมุดไป่ตู้学

功能基因组学 研究的核心问题有：基 因组的多样性（SNP、 药物基因组学）；基因 组的表达及其时空调节 （基因芯片、蛋白质组 学等）；模式生物基因 组研究（基因剔除）等