第二章核酸搋论 第一节概论 核酸的发现 1868年,瑞士的内科医生 Fried rich Miescher从脓细胞核中提取到一种 富含磷元素的酸性化合物,将其称为核质( nuclein):后来他又从鲭鱼精子中 分离出类似的物质,此酸性物质即是现在所知的核酸( nucleic acid)。1944 年 Oswald Avery, Colin Macleod和 Maclyn McCarty发现,一种有夹膜、具致 病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA( deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸), 可使另一种无夹膜,不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变,转变为 有夹膜,具致病性的肺炎球菌,且转化率与DNA纯度呈正相关,若将DNA 预先用DNA酶降解,转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传 信息这一错误认识,确立了核酸是遗传物质的重要地位。1953年 Watson 和Crik创立的DNA双螺旋结构模型,不仅阐明了DNA分子的结构特征 而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子,从亲代到子代的DNA复 制( eplication)过程中,遗传信息的传递方式及高度保真性,为遗传学进入 分子水平奠定了基础,成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。 后来的研究又发现了另一类核酸RNA( ribonucleic acid,核糖核酸),RNA在 遗传信息的传递中起着重要的作用。从此,核酸研究的进展日新月异,如 今,由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学 农业、化工等领域的各个学科,人类对生命本质的认识进入了一个崭新的 天地。 、核酸的种类、分布 核酸是生物体内的高分子化合物,包括DNA和RNA两大类。 RNA包括三种:mRNA、tRNA、rRNA,二者组成不同。 细胞核、细胞质(线粒体、叶绿体等)。 、核酸的化学组成 组成核酸的元素有C、H、O、N、P等,与蛋白质比较,其组成上有 两个特点:一是核酸一般不含元素S,二是核酸中P元素的含量较多并且 恒定,约占9~10%。因此,核酸定量测定的经典方法,是以测定P含量来 代表核酸量。 核酸经水解可得到核苷酸,因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是 由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸, 核苷还可再进一步水解,产生戊糖和含氮碱基。 口核酸 多聚核苷酸( polynucleotides) n核苷酸( nucleotide(dAMP、AMP) 磷酸 核苷( nucleoside)(dA、A) 戊糖- ribose(R) 碱基AGUC
第二章 核酸概论 第一节 概 论 一、核酸的发现 1868 年，瑞士的内科医生 Friedrich Miescher 从脓细胞核中提取到一种 富含磷元素的酸性化合物，将其称为核质(nuclein)；后来他又从鲭鱼精子中 分离出类似的物质，此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleic acid)。1944 年 Oswald Avery,Colin Macleod 和 Maclyn McCarty 发现，一种有夹膜、具致 病性的肺炎球菌中提取的核酸 DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸)， 可使另一种无夹膜，不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为 有夹膜，具致病性的肺炎球菌，且转化率与 DNA 纯度呈正相关，若将 DNA 预先用 DNA 酶降解，转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传 信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位。1953 年 Watson 和 Crick 创立的 DNA 双螺旋结构模型，不仅阐明了 DNA 分子的结构特征， 而且提出了 DNA 作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的 DNA 复 制(replication)过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入 分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。 后来的研究又发现了另一类核酸 RNA(ribonucleic acid,核糖核酸)，RNA 在 遗传信息的传递中起着重要的作用。从此，核酸研究的进展日新月异，如 今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、 农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的 天地。 二、核酸的种类、分布 核酸是生物体内的高分子化合物，包括 DNA 和 RNA 两大类。 RNA 包括三种：mRNA 、tRNA、rRNA ，二者组成不同。 细胞核、细胞质（线粒体、叶绿体等）。 三、核酸的化学组成 组成核酸的元素有 C、H、O、N、P 等，与蛋白质比较，其组成上有 两个特点：一是核酸一般不含元素 S，二是核酸中 P 元素的含量较多并且 恒定，约占 9～10%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定 P 含量来 代表核酸量。 核酸经水解可得到核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是 由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸， 核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。 (dAMP、AMP) (dA、A)
1.碱基 分嘧啶碱基( pyrimid ine)、嘌呤碱基( purine) 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物,它们分別属于嘌呤衍生物和嘧 啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱( purine)主要是鸟嘌呤( guanine g和腺嘌呤 ( adenine,A);嘧啶碱( pyrimid ine)主要是胞嘧啶( cytosine,C)、尿嘧啶( uracil 和胸腺嘧啶( thymine,T。DNA和RNA都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧 啶(C);胸腺嘧啶(T一般而言只存在于DNA中,不存在于RNA中;而尿 嘧啶(U)只存在于RNA中,不存在于DNA中。它们的化学结构见下图: 知 Cytosine Guanine (RNAI DNA的碱基组成:C、G、A、T:RNA的碱基组成:C、G、A、U。 核酸中五种碱基中的酮基和氨基,均位于碱基环中氮原子的邻位,可 以发生酮式一醇式或氨基、亚氨基间的结构互变。这种互变异构在基因突 变和生物进化中具有重要作用。 有些核酸中还含有修饰碱基( mod ified bases,或稀有碱基, minor bases), 这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化( methylation或进 行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少, 在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体 DNA,如5-甲基胞嘧啶(mC),5-羟甲基胞嘧啶hm5C;RNA中以RNA含 修饰碱基最多,如1-甲基腺嘌呤(mA),2,2一二甲基鸟嘌呤(m2G)和5,6- 二氢尿嘧啶(DHU等。 2戊糖 核酸中的戊糖有核糖( (ribose)和脱氧核糖( deoxyribose)两种,分别存在于 核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别,通常将戊糖的C 原子编号都加上“′”,如C1′表示糖的第一位碳原子。 3核苷 (1)连接方式戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷,通常 是戊糖的C1′与嘧啶碱的№或嘌呤碱的Nφ通过β-糖苷键相连接
1.碱基 分嘧啶碱基(pyrimidine) 、嘌呤碱基(purine) 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧 啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤 (adenine,A)；嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U) 和胸腺嘧啶(thymine,T)。DNA 和 RNA 都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧 啶(C)；胸腺嘧啶(T)一般而言只存在于 DNA 中，不存在于 RNA 中；而尿 嘧啶(U)只存在于 RNA 中，不存在于 DNA 中。它们的化学结构见下图： DNA 的碱基组成：C、G、A、T； RNA 的碱基组成：C、G、A、U。 核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可 以发生酮式－醇式或氨基、亚氨基间的结构互变。这种互变异构在基因突 变和生物进化中具有重要作用。 有些核酸中还含有修饰碱基(modified bases，或稀有碱基，minor bases)， 这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化(methylation)或进 行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少， 在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA 中的修饰碱基主要见于噬菌体 DNA，如 5-甲基胞嘧啶(m5C)，5-羟甲基胞嘧啶 hm5C；RNA 中以 tRNA 含 修饰碱基最多，如 1-甲基腺嘌呤(m1A)，2,2 一二甲基鸟嘌呤(m22G)和 5,6- 二氢尿嘧啶(DHU)等。 2.戊糖 核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于 核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的 C 原子编号都加上“′”，如 C1′表示糖的第一位碳原子。 3.核苷 （1）连接方式 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常 是戊糖的 C1′与嘧啶碱的 N1 或嘌呤碱的 N9 通过β-糖苷键相连接
(2)常见核苷及其代号 核苷:嘌呤或嘧啶碱与核糖或脱氧核糖以糖苷键连接的复合物。 表:核酸中的常见核苷 简称代号简称代号 腺苷|A 脱氧腺苷|dA 鸟苷|G 脱氧鸟苷|dG 胞苷C脱氧胞苷dC 尿苷|U 脱氧胸苷dT 均为反式构象,但习惯上写顺式构象。 核苷的解离会影响到碱基配对,进而影响复制和翻译,甚至突变。 4核苷酸和稀有核苷酸 核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。生物体内的 核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的Cs′上羟基被磷酸酯化,形成5′核苷 酸;当然也有一些其他的连接方式。 核苷+磷酸一 核苷酸 核苷酸的连接一一3’5磷酸二酯键 稀有核苷:除表:核酸中的常见8种核苷外,还有一些稀有核苷。 (1)稀有核苷可分为3大类: A.由稀有碱基组成的核苷;B.有2-O-甲基核糖组成的核苷;C碱基与 戊糖的连接方式与众不同的核苷。 如:假尿苷(ψ)、二氢尿嘧啶核苷(DHU、N°,N-二甲基腺苷(m°2A) 2-O-甲基腺苷(Am)等。 (2)稀有核苷的结合方式 A.基团甲基化,如:1-甲基腺苷(m1A)、m2A、N6.甲基腺苷(mA)。 BS代基团,如:2-硫代胞苷(S2C、2-硫代尿苷(S2U)、4-硫代尿苷(S4U) C氢化如:二氢尿苷OHU)、5-甲基56-二氢尿苷(m5DU) 其他修饰基团 CH3 +H-OH-CH2OH-COCH3-OCH2 COOH m SDO c Purine or pyrimidine Phosphate0-P--0-CH, O Pentose H OHOH H H
(2)常见核苷及其代号： 核苷：嘌呤或嘧啶碱与核糖或脱氧核糖以糖苷键连接的复合物。 表：核酸中的常见核苷 简称 代号 简称 代号 腺苷 A 脱氧腺苷 dA 鸟苷 G 脱氧鸟苷 dG 胞苷 C 脱氧胞苷 dC 尿苷 U － － － － 脱氧胸苷 dT 均为反式构象，但习惯上写顺式构象。 核苷的解离会影响到碱基配对，进而影响复制和翻译，甚至突变。 4.核苷酸和稀有核苷酸 核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。生物体内的 核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的 C5′上羟基被磷酸酯化，形成 5′核苷 酸；当然也有一些其他的连接方式。 核苷+磷酸→→→→核苷酸 核苷酸的连接――3',5'磷酸二酯键 稀有核苷：除表：核酸中的常见 8 种核苷外，还有一些稀有核苷。 （1）稀有核苷可分为 3 大类： A.由稀有碱基组成的核苷；B.有 2’-O-甲基核糖组成的核苷；C.碱基与 戊糖的连接方式与众不同的核苷。 如：假尿苷（Ψ）、二氢尿嘧啶核苷(DHU)、N6 ,N6 -二甲基腺苷（m6 2A）、 2’-O-甲基腺苷(Am)等。 （2）稀有核苷的结合方式 A.基团甲基化，如：1-甲基腺苷（m1A）、m2A、N6 -甲基腺苷（m6A）。 B.S 代基团，如：2-硫代胞苷(S2C)、2-硫代尿苷（S 2U）、4-硫代尿苷（S 4U）。 C.氢化 如：二氢尿苷(DHU)、5-甲基-5,6-二氢尿苷(m5DU)。 其他修饰基团： -CH3 -S +H -OH -CH2OH -COCH3 -OCH2COOH m S D O om ac c
5细胞内的游离核苷酸、衍生物及其生物学作用 核苷一磷酸可以进一步磷酸化,形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。如腺 苷一磷酸(AMP)、腺苷二磷酸(ADP)和腺苷三磷酸(AT)。 ADP、AP常参与能量转换,此外 GTP CTP UTP也有能量传递的作用 GDP、CDP、UDP参与物质的合成 ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3,5-环腺苷酸(cAMP), 同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3′,5′-环鸟苷酸(cGMP)。 cAMP和cGMP是高能化合物,即它们的3′-磷酰键的水解可释放出很大 的能量,但这两个化合物在细胞内含量很少,它们的重要作用不是作为能 量的供体,而主要是起着第二信使的作用 核苷酸或其衍生物一一辅酶或辅基的组成成分。 四、核苷酸的理化性质 核苷酸中的碱基具有多种理化性质,影响核苷酸和核酸的结构,并进 而影响功能 碱基的构型与紫外吸收 Pu和Py是共轭分子,这对核酸的结构、电子分布、光吸收有重要影 响。它们的大部分键具有双键性质,因此碱基环成为平面结构,随pH值不 同有不同的异构形式:生理pH值下,碱基以酮式构型存在 碱基影响核酸的结构(1)碱基堆积力: (2)碱基配对 第二节DNA的分子结构 碱基组成 C、G、A、T和少量稀有碱基 级结构 核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸( polynucleotide),DNA 的一级结构即是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dIMP)按照一定的 排列顺序,通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸,由于核苷酸之间的差异
5.细胞内的游离核苷酸、衍生物及其生物学作用 核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。如腺 苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）。 ADP、ATP 常参与能量转换，此外 GTP CTP UTP 也有能量传递的作用， GDP、CDP、 UDP 参与物质的合成。 ATP 在腺苷酸环化酶的作用下可以生成 3ˊ,5ˊ-环腺苷酸（cAMP）, 同样 GTP 在鸟苷酸环化酶催化下也可生成 3ˊ,5ˊ-环鸟苷酸（cGMP）。 cAMP 和 cGMP 是高能化合物，即它们的 3ˊ-磷酰键的水解可释放出很大 的能量，但这两个化合物在细胞内含量很少，它们的重要作用不是作为能 量的供体，而主要是起着第二信使的作用。 核苷酸或其衍生物——辅酶或辅基的组成成分。 四、核苷酸的理化性质 核苷酸中的碱基具有多种理化性质，影响核苷酸和核酸的结构，并进 而影响功能 碱基的构型与紫外吸收 Pu 和 Py 是共轭分子，这对核酸的结构、电子分布、光吸收有重要影 响。它们的大部分键具有双键性质，因此碱基环成为平面结构，随 pH 值不 同有不同的异构形式：生理 pH 值下，碱基以酮式构型存在。 碱基影响核酸的结构（１）碱基堆积力： （２）碱基配对： 第二节 DNA 的分子结构 一、碱基组成 C、G、A、T 和少量稀有碱基。 二、一级结构 核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸(polynucleotide)，DNA 的一级结构即是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的 排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异
仅仅是碱基的不同,故又可称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是 个核苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′,5′磷酸二酯键, 构成不分支的线性大分子,其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架,可变 部分是碱基排列顺序。核酸是有方向性的分子,即核苷酸的戊糖基的5′位 不再与其它核苷酸相连的5′末端,以及核苷酸的戊糖基3′位不再连有其 它核苷酸的3′末端,两个末端并不相同,生物学特性也有差异。 寡核苷酸( oligonucleotide)是指二至十个甚至更多个核苷酸残基以磷酸 二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。目前多由仪器自动合成而用作DNA 合成的引物( Primer)、基因探针( probe)等,在现代分子生物学研究中具有广 泛的用途。 表示一个核酸分子结构的方法由繁至简有许多种。由于核酸分子结构 除了两端和碱基排列顺序不同外,其它的均相同。因此,在核酸分子结构 的简式表示方法中,仅须注明一个核酸分子的哪一端是5′末端,哪一端是 3′末端,末端有无磷酸基,以及核酸分子中的碱基顺序即可。如未特别注 明5′和3′末端,一般约定,碱基序列的书写是由左向右书写,左侧是5′ 末端,右侧为3′末端。如 pCpCpA或pCC-A或5CCA-3。 base pairs C:GI ase pair Nucleotide 三、一级结构的分析测定方法 重叠法一一最初
仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一 个核苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯键， 构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成 DNA 链的骨架，可变 部分是碱基排列顺序。核酸是有方向性的分子，即核苷酸的戊糖基的 5′位 不再与其它核苷酸相连的 5′末端，以及核苷酸的戊糖基 3′位不再连有其 它核苷酸的 3′末端，两个末端并不相同，生物学特性也有差异。 寡核苷酸(oligonucleotide)是指二至十个甚至更多个核苷酸残基以磷酸 二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。目前多由仪器自动合成而用作 DNA 合成的引物(Primer)、基因探针(probe)等，在现代分子生物学研究中具有广 泛的用途。 表示一个核酸分子结构的方法由繁至简有许多种。由于核酸分子结构 除了两端和碱基排列顺序不同外，其它的均相同。因此，在核酸分子结构 的简式表示方法中，仅须注明一个核酸分子的哪一端是 5′末端，哪一端是 3′末端，末端有无磷酸基，以及核酸分子中的碱基顺序即可。如未特别注 明 5′和 3′末端，一般约定，碱基序列的书写是由左向右书写，左侧是 5′ 末端，右侧为 3′末端。如 pCpCpA 或 pC-C-A 或 5'-CCA-3'。 三、一级结构的分析测定方法 1.重叠法——最初