《分子生物学基本知识》课程讲义（一）

分子生物学基本知识 核酸的结构与功能-核酸的化学组成 核酸的结构与功能 The Structure and Function of Nucleic acid 868年,瑞士的内科医生 Friedrich miescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓 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,并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物 质组成的,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 菌中提取的核酸桪NA( 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;DNA遗传作用的进一步肯定来自 Alfred Hershey和 Martha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素32P标记噬菌体 DNA,35S标记其蛋白质外壳,再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌,结果 发现进入细菌体内,使细菌生长、繁殖发生变化的是32P标记的DNA,而不是 35S标记的蛋白质,并且新繁殖生成的噬菌体不含35S,只含32P。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 现了另一类核酸泰NA( 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,核酸硏究的进展日新月异,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

分子生物学基本知识 核酸的结构与功能--核酸的化学组成 核酸的结构与功能 The Structure and Function of Nucleic Acid 1868 年，瑞士的内科医生 Friedrich Miescher 从外科医院包扎伤口的绷带上的脓 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，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物 质组成的，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 菌中提取的核酸桪 NA(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；DNA 遗传作用的进一步肯定来自 Alfred Hershey 和 Martha Chase 对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素 32P 标记噬菌体 DNA，35S 标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果 发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是 32P 标记的 DNA，而不是 35S标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含 35S，只含32P。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 现了另一类核酸桼 NA(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

核酸的化学组成 核酸是生物体内的高分子化合物,包括DNA和RNA两大类。 、元素组成 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。 二、化学组成与基本单位 核酸经水解可得到很多核苷酸,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 磷酸 氮碱基(图1)。 核酸一→核苷酸 戊糖 pentose 核苷 碱基(bae) 图1核酸的组成 Nucleotide )(nucleoside 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(adεnine,A),嘧啶碱 ( pyrimidine)主要是胞嘧啶( cytosine, C)、尿嘧啶( uraci,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(①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。它们的化学结构请参见图示

核酸的化学组成 核酸是生物体内的高分子化合物，包括 DNA 和 RNA 两大类。 一、元素组成 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。 二、化学组成与基本单位 核酸经水解可得到很多核苷酸，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(图 1)。 图 1 核酸的组成 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。它们的化学结构请参见图示

嗜啶 H N 嘌岭 鸟嘿吟 (6-氯基嚓呤) (2-氨基6-氧呤) CH 胞吃啶 尿嚼啶 胸嘧啶 (2一氧4-氨基啶)(2,4-二氧嘧啶)(5-甲基尿啦嚏 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 一烯醇式或氨基亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的 进化中具有重要作用。 啊式 婦醇式 氨式 亚弧式 有些核酸中还含有修饰碱基( modified component),(或稀有碱基, unusual com ponent,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(mlA,2,2一二甲基鸟嘌呤(m2G)和5,6-二氢尿嘧啶(ODHU)

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 一烯醇式或氨基 亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的 进化中具有重要作用。 有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)，(或稀有碱基，unusual com ponent)，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

NH, C CHOH 5一甲基胞啥嚏 5-羟甲基嘻啶hm HC-N H,C 甲基腺嘌呤(m'A)22-二甲基马嘌呤如m3G)56-二氯尿嘧DDHU 嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键,对26σnm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱 基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析。 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。 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CI'与嘧啶碱的NI 或嘌呤碱的N9相连接。 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ξ核苷酸。核苷酸在5进 步磷酸化即生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。以核糖腺苷酸为例,除AM外,还 有二磷酸腺苷(ADP, adenosine5′- diphosphate)和三磷酸腺苷(ATP, adenosine 5-triphosphate)两种形式。核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多为核苷酸有关代谢的 中间产物或者酶活性和代谢的调节物质,以及作为核苷酸有关代谢的中间产物或 者酶活性和代谢的调节物质,以及作为生理储能和供能的重要形式。 核苷酸还有环化的形式。它们主要是3,5′一环化腺苷酸(cAMP, adenosine3,5 cyclicmonophosphate)和3’,5一环化鸟苷酸(cGMP, guanosine3,5′- cyclic monophosphate),化学结构如下。环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信 号中起着十分重要的作用

嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对 260nm 左右波长的紫外光有较强的吸收。碱 基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析。 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。 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 相连接。 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。核苷酸在 5′进一 步磷酸化即生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。以核糖腺苷酸为例，除 AMP 外，还 有二磷酸腺苷(ADP，adenosine 5′－diphosphate)和三磷酸腺苷(ATP，adenosine 5′-triphosphate)两种形式。核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多为核苷酸有关代谢的 中间产物或者酶活性和代谢的调节物质，以及作为核苷酸有关代谢的中间产物或 者酶活性和代谢的调节物质，以及作为生理储能和供能的重要形式。 核苷酸还有环化的形式。它们主要是 3′，5′－环化腺苷酸(cAMP,adenosine 3′,5′ －cyclicmonophosphate)和 3′，5′－环化鸟苷酸(cGMP,guanosine 3′，5′－cyclic monophosphate)，化学结构如下。环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信 号中起着十分重要的作用

足 个N基 个N碱 Ho-P-0-CHO、 磷曲 酸 核糖 OHⅡ脱 尿酸UUMP 脱瓢熙香设(dAMP Ho-P-0-P-0-CHy oul 磷酸腺苷[ADP y,°-环化腺苷酸(MP) H NNN HO-P-O-P-0-P-0-CH,O HO-P=D 二婢酸腺苷(ATrP) 3,5-环化鸟登酸( CGMP 表1核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表 核苷酸 核苷 碱基 腺苷酸(AMP) 腺苷 腺嘌呤(A) adenosine 脱氧腺苷酸(dAMP) 脱氧腺苷 deoxyadenosine monophosphate deoxyadenosine 鸟苷酸(GMP) 鸟苷 鸟嘌呤(G)

表 1 核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表 核苷酸 核苷 碱基 腺苷酸（AMP) 腺苷 腺嘌呤（A) adenosine monophosphate adenosine adenine 脱氧腺苷酸（dAMP) 脱氧腺苷 deoxydenosine monophosphate deoxyadenosine 鸟苷酸（GMP) 鸟苷 鸟嘌呤（G) guanosine monophosphate guanosine guanine