第三篇核酸的化學(xué)

———核酸的結(jié)構(gòu)與功能第12章核酸通論第13章核酸的結(jié)構(gòu)第12章核酸通論第14章核酸的重要理化性質(zhì)第15章核酸的研究方法第12章核酸通論第12章核酸通論第12章核酸通論一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡(jiǎn)史二、核酸的種類和分布三、核酸的生物功能第12章核酸通論一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡(jiǎn)史（一）核酸的發(fā)現(xiàn)

1868年FriedrichMiescher（瑞士）在德國(guó)Hoppe-Seyler實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)時(shí)，從細(xì)胞核中分出含磷很高的酸性化合物，稱為核素。當(dāng)時(shí)，得到的只是含蛋白質(zhì)的核酸制品。二十年后，1889年Altman制備了不含蛋白質(zhì)的的核酸制品。稱為核酸。第12章核酸通論（二）核酸的早期研究在以后的四五十年里，Kossel和Levene等在確定核酸的組分方面做了大量的工作，逐步明確了核酸為兩大類。并且，Kossel等因發(fā)現(xiàn)了除G以外的其他四種堿基，所以獲得1910年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。(G是J.Piccard發(fā)現(xiàn)）P.A.Levene及其同事對(duì)核糖，2-脫氧核糖，核苷及核苷酸等的鑒定等作出了貢獻(xiàn)。后由于二次世界大戰(zhàn)，核酸的研究遲緩。第12章核酸通論

直到二戰(zhàn)結(jié)束，有兩個(gè)重要進(jìn)展發(fā)表了

1.查格夫規(guī)則

這就是1943年Chargaff（查格夫）證明DNA中4種堿的比例并不是相等，總是A=T,G=C，并認(rèn)為在DNA中是A-T配對(duì)，G-C配對(duì)的規(guī)律，因此后來(lái)稱之為查格夫規(guī)則。

2.DNA是遺傳物質(zhì)

第二個(gè)是1944年O.T.Avery,C.M.Macleod及M.Mccarty等在研究肺炎球的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)從一種類型肺炎球菌制備的DNA可以引入到另一種肺炎球菌的細(xì)胞內(nèi)并引起后者的遺傳性狀改變成前者。因此他們得出結(jié)論：遺傳物質(zhì)是DNA。第12章核酸通論

這對(duì)于當(dāng)時(shí)“蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)”的流行觀點(diǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此，曾一度被懷疑他們的實(shí)驗(yàn)中所用的DNA是含有蛋白質(zhì)的不純的核酸。然而，后來(lái)證明Avery等人的實(shí)驗(yàn)以令人信服的證據(jù)證明了：DNA是遺傳物質(zhì)。從此核酸的研究重新受到普遍高度重視。第12章核酸通論1916-1928-1916-

UniversityofLondon

London,GreatBritainHarvardUniversity

Cambridge,MA,USAInstituteofMolecularBiology

Cambridge,GreatBritainGreatBritainUSAGreatBritainMauriceHughFrederickWilkinsJamesDeweyWatsonFrancisHarryComptonCrick"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine19621953年，核酸研究的又一個(gè)里程碑出現(xiàn)了第12章核酸通論這就是J.D.Waston（美）和F.H.C.Crick（英）提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型這個(gè)學(xué)說(shuō)不但闡明了DNA的結(jié)構(gòu)，并且為一個(gè)DNA分子如何復(fù)制成兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的DNA分子以及DNA怎樣傳遞生物體的遺傳信提供合理的說(shuō)明。這一學(xué)說(shuō)為現(xiàn)代分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)奠定了關(guān)鍵性基礎(chǔ)，受到科學(xué)界普遍重視，因此，1962年被授予諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)從此之后的幾十年里，核酸研究進(jìn)展之快，涉及范圍之廣，影響之大，內(nèi)容之豐富，在生物科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)是少見(jiàn)的。第12章核酸通論目前關(guān)于核酸的研究主要有以下方面：

1.核酸的生物合成包括DNA的復(fù)制，DNA轉(zhuǎn)錄成RNA和轉(zhuǎn)錄后的加工以及RNA反轉(zhuǎn)錄成DNA等。2.DNA不僅存在于細(xì)胞核內(nèi)，在核外的一些細(xì)胞器中也存在，如真核生物的線粒體，葉綠體等，原核生物的質(zhì)粒等，以及RNA病毒和噬菌體，DNA病毒和噬菌體。3.RNA和蛋白質(zhì)生物合成的關(guān)系，tRNA,mRNA,rRNA的發(fā)現(xiàn)；三聯(lián)密碼的確定，蛋白質(zhì)的生物合成過(guò)程等。第12章核酸通論4．核酸代謝：嘌呤和嘧啶核苷酸的生物合成。5．重要核酸工具酶相繼發(fā)現(xiàn)，如核酸酶，聚合酶，限制性內(nèi)切酶，連接酶等。6．核酸分子中核苷酸排列順序（一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定）。7．核酸高級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定。8.基因表達(dá)和調(diào)控機(jī)制。9.真核生物與原核生物DNA和RNA的差異。真核生物基因的不連續(xù)性和剪切現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。第12章核酸通論目前關(guān)于核酸的研究主要有以下方面（續(xù)）

10.修飾核苷酸和具有重要生物功能的小分子核苷酸的發(fā)現(xiàn)。

11.不同核酸之間和核酸與蛋白質(zhì)之間的相互作用：核酸與蛋白質(zhì)復(fù)合體如染色體，核糖體，復(fù)制體，病毒，噬菌體等。以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白質(zhì)因子與DNA順式作用元件等的相互作用。

12.細(xì)胞核內(nèi)小分子RNA(snRNA)和其他小分子RNA(asRNA)的結(jié)構(gòu)與特殊功能的研究。

13.核酸的人工化學(xué)合成及PCR技術(shù)等。第12章核酸通論（四）生物技術(shù)的興起DNA重組技術(shù)建立的技術(shù)背景（1）1970年：Smith&Wilcox發(fā)現(xiàn)HinII限制酶的發(fā)現(xiàn)為DNA重組動(dòng)技術(shù)找到對(duì)DNA分子進(jìn)行手術(shù)的“手術(shù)刀”。（2）DNA連接酶——為DNA重組技術(shù)找到DNA分子手術(shù)后的“縫合針”。（3）1970年：Baltimore&Teming等發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶（反轉(zhuǎn)錄酶）找到了從蛋白質(zhì)的編碼基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA獲得其編碼序的cDNA的工具。分子克隆（4）DNA基因片段的轉(zhuǎn)移運(yùn)載工具——載體（5）快速測(cè)序技術(shù)第12章核酸通論DNA重組技術(shù)誕生理論背景（1）1944年：Avery通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)。（2）1953年：Watson&Crick闡明了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。（3）1961~1966年：Nirenbrg&Ochoa等破譯遺傳密碼（4）1964年：Lederberg——F因子（質(zhì)粒）（5）1950、1960年：相繼發(fā)現(xiàn)R因子（抗藥物因子——質(zhì)粒）（6）1973年：Cohen將質(zhì)粒作為DNA重組技術(shù)的載體。第12章核酸通論DNA重組技術(shù)的助產(chǎn)士將這一具有劃時(shí)代意義的DNA重組技術(shù)接生到了這個(gè)世界上

（1）1972年Berg首次用EcoRI切割Sv40和λ-DNA并經(jīng)DNAligase得到重組DNA分子，這是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)DNA重組的人（2）1973年：美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的HerberBoyer和斯坦福大學(xué)的StandeyCohen共同完成一個(gè)著名的DNA重組實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)雖然沒(méi)有涉及到有用的基因，但是，Boyer&Cohen敏感到意識(shí)這一實(shí)驗(yàn)的重大意義，并據(jù)此提出了“基因克隆”的策略。第12章核酸通論（五）人類基因組計(jì)劃開(kāi)辟了生命科學(xué)新紀(jì)元人類基因組由22條常染色體、一條X染色體和一條Y染色體組成。20世紀(jì)90年代，遺傳學(xué)進(jìn)入了揭示人類自身的遺傳本質(zhì)的偉大時(shí)代。第12章核酸通論人類基因組計(jì)劃當(dāng)代最偉大的科技標(biāo)志之一，是自1991年始的為期15年、美國(guó)政府投資30億美元的全球性跨世紀(jì)的規(guī)模宏大的“人類基因組計(jì)劃”（humangenomeproject,HGP)。HGP的主要內(nèi)容是測(cè)定和分析人類基因組DNA的全部核苷酸對(duì)的排列序列，認(rèn)讀全部遺傳信息。第12章核酸通論1987年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）和美國(guó)能源部（DOE）聯(lián)合提出了一項(xiàng)堪稱“人類有史以來(lái)最宏大工程”的計(jì)劃——人類基因組計(jì)劃。于1990年正式啟動(dòng)實(shí)施。現(xiàn)在包括：美、英、法、德、日、中國(guó)在內(nèi)的廣泛參與與合作。于2000年6月26號(hào)宣布“人類基因組草圖”繪制完成，并比預(yù)期的精確。人類基因組計(jì)劃第12章核酸通論人類基因組計(jì)劃的意義這項(xiàng)偉大工程的完成將宣告人類徹底認(rèn)識(shí)自身的一個(gè)重大進(jìn)步，同時(shí)也為揭開(kāi)生命之謎，為診斷、預(yù)防和治療遺傳性疾病與腫瘤的偉大理想的最終實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。有助于對(duì)人類基因的表達(dá)調(diào)控等進(jìn)行更為深入的研究。第12章核酸通論后基因組時(shí)代（post-genomeera）：功能基因組學(xué)（functionalgenomics）：整體水平上對(duì)基因組功能的研究蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）：是整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組分及其活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）：是系統(tǒng)測(cè)定基因所代表的全部大分子的結(jié)構(gòu)，目前它們僅關(guān)注于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。第12章核酸通論核酸分為兩大類：脫氧核糖核酸（DNA）DeoxyribonucleicAcid核糖核酸（RNA）RibonucleicAcid二、核酸的種類和分布第12章核酸通論90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第12章核酸通論DNA大多為雙鏈分子大多數(shù)是線性鏈狀結(jié)構(gòu)，少部分呈環(huán)狀分子量一般都很大脫氧核糖核酸（DNA）第12章核酸通論核糖核酸（RNA）RNA為單鏈分子RNA主要負(fù)責(zé)DNA遺傳信息的翻譯和表達(dá)分子量比DNA小得多RNA的類別

mRNAtRNArRNA

第12章核酸通論mRNA(信使核糖核酸)約占總RNA的5%不同細(xì)胞的mRNA鏈長(zhǎng)和分子量差異很大其功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地–

核糖核蛋白體。MessengerRNA第12章核酸通論tRNA(轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸)約占總RNA的10-15%在蛋白質(zhì)生物合成中翻譯AA信息、將相應(yīng)AA轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖核蛋白體每一個(gè)AA至少有一個(gè)相應(yīng)的tRNAtRNA分子大小相似，一般為73-78個(gè)核苷酸TransferRNA第12章核酸通論rRNA(核糖體核糖核酸)約占全部RNA的80%是核糖核蛋白體的主要組成部分功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)。RibosomeRNA第12章核酸通論RNA的種類、分布、功能除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

核糖體RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核糖體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNARNA核內(nèi)小胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的前體的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小R