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北京大学基础医学院 生物化学与分子生物学系 贾弘禔,核酸的化学与生物合成,核酸的化学与生物合成,第一节 概 述 一、核酸的发现 1868 MEISCHER- 从脓球发现“核素” 1944 AVERY et al- 肺炎球菌转化实验 1952 HERSHEY, CHASE-噬菌体标记实验 1950 CHARGAFF et al- CHARGAFF法则 1953 WATSON，CRICK-DNA双螺旋 1973 BOYER，COHEN-DNA Cloning(克隆） 1976 DNA Sequencing(序列分析） 1990 Human Genome Project,二、核酸的种类、分布和含量 1. 种类 DEOXYRIBONUCLEIC ACID（DNA） RIBONUCLEIC ACID（RNA） ribosome RNA(rRNA) transfer RNA(tRNA) messenger RNA(mRNA) 2. 分布 DNA RNA 核（%） 98 90 3. 含量 DNA恒定，RNA与细胞生长状态有关 三、核酸的功能 DNA-遗传、RNA-参与蛋白质合成,第二节 核酸的分子组成 一、元素组成 C H O N （恒定，910%）,磷酸,核苷（nucleoside),戊糖-ribose(R) deoxyribose(dR),碱基 A G U C A G T C, 核酸多聚核苷酸（polynucleotides),n核苷酸（nucleotide),P,二、基本结构单位核苷酸, DNA、RNA组成异同,DNA RNA 磷酸 磷酸 磷酸 戊糖 2脱氧核糖（dR) 核糖（R） 碱基 嘌呤 A、G A、G 嘧啶 C、T C、U, 碱基, 戊糖,O, 核苷、核苷酸, 其它核苷酸 NAD、FAD、cAMP、cGMP、5-FU、6-MP,1）2、3、5NMP， 3、5dNMP， 主要是 5NMP、dNMP，DNARNA组成,2）NTPdNTP NDPdNDP 多磷酸核苷酸，能量代谢,3）环核苷酸 cAMP、cGMP 第二信使,4）NADNADP FADFMN 辅酶，生物氧化,5）抗代谢药物 6MP，5-FU,小结,第三节 核酸的分子结构 一、 核苷酸的连接3,5磷酸二酯键,表示法 pCpCpA pC-C-A 5-CCA-3,二、核酸的一级结构 多核苷酸链内核苷酸的排列顺序,三、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的一级结构 DNA sequence /DNA Sequencing, 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 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 Waals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）,DNA double helix类型 helix type bp/turn rotation/bp vertical rise/bp helical d A 11 +34.7 2.56A 23A B 10 +34.0 3.38A 19A C 9.33 +38.6 3.32A 19A Z 12 -30.0 5.71A 18A, DNA的高级结构 超螺旋 如线粒体DNA 细菌质粒DNA 病毒DNA 核小体结构 2 (H2AH2B H3 H4 )/DNA(146bp) =核心颗粒 超螺线管染色质,四、 RNA的分子结构 RNA的种类（见前） RNA的碱基组成 A U G C 稀有碱基 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,tRNA的结构 一级结构 7090 nt 二级结构 三叶草形状 三级结构 倒“L”形,ACC,DHU环,T环,反密码环,5,额外环,mRNA的结构 3-poly A(30200);5-7甲基鸟苷三磷酸;中间为密码子 Codon,第四节 核酸的理化性质,一、酸性化合物,两性但酸性强 电泳行为泳向正极（pH7-8） 沉淀行为加盐（中和电荷） M+与磷酸“-”中和；乙醇,二、高分子性质,粘度 DNARNA 超离心沉降 凝胶过滤,三、UV吸收 260nm,四、变性、复性与杂交,核酸在理、化因素作用下，双螺旋结构破坏称核酸变性。根据变性因素区分为碱变性、热变性等。如DNA的碱变性、DNA的热变性，其中以DNA的热变性更具典型意义,DNA的热变性,粘度改变，钢性线性分子变得无序，粘度下降,UV吸收增强，其规律如下：,高色效应 hyperchromic effect,核酸变性后、氢键破坏，双螺旋结构破坏，碱基暴露，紫外吸收（260nm）增强，谓高色效应,解链温度融解温度 melting temperature，Tm,UV吸收增值达到最大吸收增值50%时的温度，称Tm,Tm值与 DNA G+C含量有关，G+C含量愈大，Tm愈高，反之则反 与核酸分子长度有关，分子愈长，Tm愈高。,变性温度范围与DNA样品均一性有关，分子种类愈纯（单一），长度愈一致，其变性范围愈窄，反之则变性温度范围愈宽。,DNA变性的复性 renaturation,DNA发生热变性后，经缓慢降温，如放置室温逐渐冷却，解开的互补链之间对应的碱基对再形成氢键，恢复完整的双螺旋结构，称DNA热变性的复性。 核酸复性时UV下降，此称低色效应 hypochromic effect,DNA热变性后缓慢冷却处理过程称退火 annealing,DNA加热变性后，若经骤然降温，互补链碱基之间来不及配对互补，形成氢键联系，两链维持分离状态。,核酸分子杂交 hybridization,当不同来源的核酸变性后一起复性时，只要这些核酸分子中含有相同序列的片段，即可形成碱基配对，出现复性现象，形成杂种核酸分子，或称杂化双链，称核酸分子杂交。,核酸分子杂交,第五节 DNA的生物合成,一、DNA生物合成的概念 生物体内由DNAP催化合成DNA的过程，包括 DDDP指导的DNA合成复制 RDDP指导的DNA合成反转录 DDDP、重组酶或SOS系统酶参与的DNA修复 二、DNA的复制合成 半保留复制概念 复制起始点（ori）和方向（53） 复制体系E.coli为例 DnaB（识别ori）、解旋酶(Topo)、解链蛋白(Rep蛋白)、引发酶/前体、DNAPIII、DNAPI、DNA连接酶,半保留复制,插入 DNA,DNA复制过程 解