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北京大学基础医学院北京大学基础医学院生物化学与分子生物学系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 核酸的化学与生物合成核酸的化学与生物合成 第一节第一节 概概 述述一、核酸的发现一、核酸的发现 1868 MEISCHER-从脓球发现从脓球发现“核素核素”1944 AVERY et al-肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验 1952 HERSHEY,CHASE-噬菌体标记实验噬菌体标记实验 1950 CHARGAFF et al-CHARGAFF法则法则 1953 WATSON，CRICK-DNA双螺旋双螺旋 1973 BOYER，COHEN-DNA Cloning(克隆）克隆）1976 DNA Sequencing(序列分析）序列分析）1990 Human Genome Project 二、核酸的种类、分布和含量二、核酸的种类、分布和含量1.种类种类 DEOXYRIBONUCLEIC ACID（DNA）RIBONUCLEIC ACID（RNA）ribosome RNA(rRNA)transfer RNA(tRNA)messenger RNA(mRNA)2.分布分布 DNA RNA 核（核（%）98 903.含量含量 DNA恒定，恒定，RNA与细胞生长状态有关与细胞生长状态有关三、核酸的功能三、核酸的功能 DNA-遗传、遗传、RNA-参与蛋白质合成参与蛋白质合成 第二节第二节 核酸的分子组成核酸的分子组成一、元素组成一、元素组成 C H O N （恒定，恒定，910%）磷酸磷酸核苷（核苷（nucleoside)戊糖戊糖-ribose(R)deoxyribose(dR)碱基碱基 A G U C A G T C 核酸核酸多聚核苷酸（多聚核苷酸（polynucleotides)n核苷酸（核苷酸（nucleotide)P二、基本结构单位二、基本结构单位核苷酸核苷酸 DNA、RNA组成异同组成异同 DNA RNA磷酸磷酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸戊糖戊糖 2脱氧脱氧核糖（核糖（dR)核糖（核糖（R）碱基碱基 嘌呤嘌呤 A、G A、G 嘧啶嘧啶 C、T C、U 碱基碱基 戊糖戊糖O 核苷、核苷酸核苷、核苷酸 其它核苷酸其它核苷酸 NAD、FAD、cAMP、cGMP、5-FU、6-MP 1）2、3、5NMP，3、5dNMP，主要是主要是 5NMP、dNMP，DNARNA组成组成 2）NTPdNTP NDPdNDP 多磷酸核苷酸，能量代谢多磷酸核苷酸，能量代谢 3）环核苷酸）环核苷酸 cAMP、cGMP 第第二信使二信使 4）NADNADP FADFMN 辅酶，生物氧化辅酶，生物氧化 5）抗代谢药物）抗代谢药物 6MP，5-FU小结小结 第三节第三节 核酸的分子结构核酸的分子结构 一、一、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 pCpCpA pC-C-A 5-CCA-3 二、核酸的一级结构二、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 三、三、DNA的分子结构的分子结构 DNA的碱基组成（的碱基组成（CHARGAFF法则）法则）有种属特异性有种属特异性 无组织、器官特异性无组织、器官特异性 不受年龄、营养和环境的影响不受年龄、营养和环境的影响 不论种属、组织来源，所有不论种属、组织来源，所有DNA分子分子 A T、G C A/T G/C 1 A+G T+C DNA的一级结构的一级结构 DNA sequence/DNA Sequencing DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构 Watson,Crick（1953）在在Chargaff法则及法则及Wilkins,Franklin的的X线衍射工作基础上提出线衍射工作基础上提出DNA的的double helix结构模型结构模型 DNA分子由相互平行、走向相反、碱基互补的分子由相互平行、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。双螺旋结构，螺旋的一侧为大沟，另一侧为小沟。磷酸磷酸脱氧核糖形成的长链骨架在外，碱基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；对应碱在内，两平行链对应碱基间以氢键相连；对应碱基总是基总是A=T、G=C配对（配对（base pairing)或互或互补，补，形成稳定联系。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，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链内碱基间形成纵向Vander Waals力与长轴平力与长轴平行，使双螺旋更稳定。行，使双螺旋更稳定。相临碱基对间距离为相临碱基对间距离为0.34nm,每周螺距为每周螺距为3.4nm(10bp),d为为 2nm(B型）型）DNA double helix类型类型 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的高级结构的高级结构 超螺旋超螺旋 如线粒体如线粒体DNA 细菌质粒细菌质粒DNA 病毒病毒DNA 核小体结构核小体结构 2 (H2AH2B H3 H4)/DNA(146bp)=核心颗核心颗粒粒 超螺线管超螺线管染色质染色质 四、四、RNA的分子结构的分子结构 RNA的种类（见前）的种类（见前）RNA的碱基组成的碱基组成 A U G C 稀有碱基稀有碱基 RNA的一级结构的一级结构 核苷酸序列核苷酸序列 3,5磷酸二酯键连接磷酸二酯键连接 RNA高级结构高级结构 tRNA的结构的结构 一级结构一级结构 7090 nt 二级结构二级结构 三叶草形状三叶草形状 三级结构三级结构 倒倒“L”形形ACCDHU环环T 环环反密码环反密码环5额外环额外环 mRNA的的结构结构3-poly A(30200);5-7甲基鸟苷甲基鸟苷三磷酸三磷酸;中间为密码子中间为密码子 Codon第四节第四节 核酸的理化性质核酸的理化性质 一、酸性化合物一、酸性化合物 两性两性但酸性强但酸性强 电泳行为电泳行为泳向正极（泳向正极（pH7-8）沉淀行为沉淀行为加盐（中和电荷）加盐（中和电荷）M+与磷酸与磷酸“-”中和；乙醇中和；乙醇 二、高分子性质二、高分子性质 粘度粘度 DNARNA 超离心沉降超离心沉降 凝胶过滤凝胶过滤 三、三、UV吸收吸收 260nm 四、变性、复性与杂交四、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。如变性因素区分为碱变性、热变性等。如DNA的碱变性、的碱变性、DNA的热的热变性，其中以变性，其中以DNA的热变性更具典型意义的热变性更具典型意义DNA的热变性的热变性 粘度改变，钢性线性分子变得无序，粘度下降粘度改变，钢性线性分子变得无序，粘度下降 UV吸收增强，其规律如下：吸收增强，其规律如下：80 90 100 100%50%OD260（254）Tm 变性温度范围变性温度范围 高色效应高色效应 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，谓高色效应增强，谓高色效应 解链温度解链温度融解温度融解温度 melting temperature，Tm UV吸收增值达到最大吸收增值吸收增值达到最大吸收增值50%时的温度，称时的温度，称TmTm值值与与 DNA G+C含量有关，含量有关，G+C含量愈大，含量愈大，Tm愈高，反之则反愈高，反之则反 与核酸分子长度有关，分子愈长，与核酸分子长度有关，分子愈长，Tm愈高。愈高。变性温度范围与变性温度范围与DNA样品均一性有关，分子种类愈纯（单一），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。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。热变性的复性。核酸复性时核酸复性时UV下降，此称低色效应下降，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。补，形成氢键联系，两链维持分离状态。慢慢骤骤 核酸分子杂交核酸分子杂交 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。酸分子，或称杂化双链，称核酸分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交第五节第五节 DNA的生物合成的生物合成一、一、DNA生物合成的概念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、二、DNA的复制合成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连接酶半保留复制半保留复制插入 DNADNA复制过程复制过程 解旋、解链解旋、解链 RNA引物合成引物合成 DNA链延长链延长 前导链前导链 5 3连续合成连续合成 随从链随从链冈琦片段冈琦片段 终止终止插入 DNA replication三、反转录合成三、反转录合成反转录酶反转录酶 RDDP活性 RNase活性 DDDP活性反转录过程及应用（反转录过程及应用（PCR）cDNA合成合成RNA-DNA杂交体形成杂交体形成 RNA水解水解 双链双链cDNA合成合成四、修复合成四、修复合成