《生物化學(xué)》本科課件第12章+核酸通論

1、Nucleic Acid第12章 核酸通論什么是核酸？1868年， F. Miescher，核酸最早分離自外科繃帶膿細(xì)胞的細(xì)胞核，并發(fā)現(xiàn)其含磷量超過當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的任何一種有機(jī)物，且含有很強(qiáng)的酸性 得名核酸。其后核酸的組成和結(jié)構(gòu)被研究清楚。生物功能也初步澄清。核酸是機(jī)體重要組成部分是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，對(duì)于生命的延續(xù)、物種遺傳特性的保持、生長發(fā)育、細(xì)胞分化等起重要作用；與生物變異（腫瘤、遺傳?。┮裁芮邢嚓P(guān) 核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和 醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史（一）、早期的發(fā)現(xiàn)186869， F. Miescher從膿細(xì)胞核中提出含磷量高的核素（nuclein），其

2、后從鮭魚精子中提取出魚精蛋白和核素。1885，0. Hertwig提出核素可能負(fù)責(zé)受精和遺傳。1889，R. Altmann從酵母和動(dòng)物組織中提取出不含蛋白質(zhì)的核酸。1894， Kossel和A. Neumann 從胸腺中提取核酸，表明胸腺核酸與酵母核酸不同。 Hammars 證明酵母核酸中的糖是戊糖。（二）、核酸化學(xué)的研究1902，E. Fischer研究糖和嘌呤而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1910，Kossel 因核酸化學(xué)研究而獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。1912，P. A. Levene 認(rèn)為核酸由四種核苷酸等量聚合而成。1929，Levene 確定胸腺核酸中的糖是 D-2-脫氧核糖。1943，J. N. D

3、avidson 用化學(xué)分析方法得出結(jié)論：動(dòng)、植物組織均含有兩類核酸。（三）、DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出建立了統(tǒng)一的分子生物學(xué)1944，T. Avery 肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。1952，Hershey證明噬菌體感染只有 DNA 進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞。1953，J. D. Watson 和 F. H. Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1962年與M. H. F. Wilkins 共獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。 1969，噬菌體小組的 M. Delbrk、A. D. Hershey和S. E. Luria獲諾貝爾獎(jiǎng)。1958年Crick總結(jié)了當(dāng)時(shí)分子生物學(xué)的成果，提出了“中心法則”，即遺傳信息從DNA傳到RNA，

4、再傳到蛋白質(zhì) （三）.DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出建立了統(tǒng)一的分子生物學(xué)1959，S. Ochoa和A. Kornberg 由于酶促合成 RNA 和DNA 而獲諾貝爾獎(jiǎng)。196061，F(xiàn). Jacob和J. Monod 發(fā)現(xiàn) mRNA 并提出操縱子學(xué)說， 1965 年與 P. Rous一起獲諾貝爾獎(jiǎng)。1965，M. W. Nirenberg 等破譯了遺傳密碼 1968 ，R. W. Holley .H. G. Khorana 和 M. W. Nirenburg 共獲諾貝爾 獎(jiǎng)。（四）、DNA 重組技術(shù)帶來生物技術(shù)重大突破1970，H. O. Smith和 K. W. Wilcox 發(fā)現(xiàn)類型限制

5、性內(nèi)切酶。1971，K. Danna和D. Nathans 作出 SV40 DNA 的限制性圖譜 1978 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)限制酶的 W. Arber、H. O. Smith和D. Nathans 。1972，P. Berg與其工作者將SV40 DNA與噬菌體DNA重組。1973，S. Cohen等獲得第1個(gè)DNA重組體克隆。1975，F(xiàn). Sanger和A. R. Coulson發(fā)明酶法DNA快速測序。（四）、DNA 重組技術(shù)帶來生物技術(shù)重大突破1977，M. Maxam 和 W. Gilbert發(fā)明化學(xué)DNA測序。1980，Berg、Gilbert和Sanger共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。19

6、85，K Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1993年與發(fā)明定位誘變的M. 史密斯共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。DNA 重組技術(shù)引起分子生物學(xué)第二次革命，使生命科學(xué)進(jìn)入大科學(xué)工程的時(shí)代，并帶動(dòng)了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。1986年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Dulbecco在Science雜志上率先提出“人類基因組計(jì)劃(簡稱HGP)。1990年10月美國政府決定出資30億美元，用15年時(shí)間(19912005年)完成“人類基因組計(jì)劃”。中國99年加入。后基因組時(shí)代的到來。研究重心已從揭示基因組DNA的序列轉(zhuǎn)移到在整體水平上對(duì)基因組功能的研究。 （五）、當(dāng)前生命科學(xué)已進(jìn)入后基因組的時(shí)代功能基因組學(xué)(functional geno

7、mics)：在整體水平上對(duì)基因組功能的研究蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)：在整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組分及其活動(dòng)規(guī)律的新學(xué)科結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics)：系統(tǒng)測定基因組所代表全部大分子的結(jié)構(gòu)，目前它僅關(guān)注于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) RNA組學(xué)(RNomics)：研究所有編碼RNA以及與其作用的分子和形成復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特征 最近提出蛋白質(zhì)組計(jì)劃 （五）、當(dāng)前生命科學(xué)已進(jìn)入后基因組的時(shí)代（五）、當(dāng)前生命科學(xué)已進(jìn)入后基因組的時(shí)代生物化學(xué)與分子生物學(xué)發(fā)展的主要方向有 3 個(gè)：結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)、神經(jīng)分子生物學(xué)、以及發(fā)育分子生物學(xué)。 21 世紀(jì)這些領(lǐng)域?qū)?huì)取得巨大成果。種類：(1)脫氧核糖

8、核酸(DNA)(2)核糖核酸(RNA)共同特點(diǎn)：（1）遺傳信息的載體（2）都由核糖、磷酸、堿基組成，只是核糖和堿基略有不同二、核酸的種類和分布 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。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, 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。一、DNA1.分布：（1）原核細(xì)胞：DNA集中在核區(qū)一、DNA（2）真核細(xì)胞：DNA分布在核內(nèi)，組成染色體(染色質(zhì)) ；線

9、粒體、葉綠體等細(xì)胞器也含有DNA 一、DNA（3）病毒：或只含DNA，或只含RNA，從未發(fā)現(xiàn)兩者兼有的病毒 一、DNA2. 形狀：原核生物：環(huán)狀雙鏈DNA 質(zhì)粒DNA：環(huán)狀雙鏈DNA 細(xì)菌等原核生物質(zhì)粒染色體一、DNA真核生物：線型雙鏈DNA，末端具有高度重復(fù)序列形成的端粒結(jié)構(gòu) 線粒體、葉綠體等細(xì)胞器的DNA是環(huán)狀雙鏈DNA 病毒： DNA結(jié)構(gòu)各異：環(huán)狀雙鏈、線型雙鏈、線型單鏈、環(huán)狀單鏈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DNA的性質(zhì)染色體是DNA的載體DNA可通過復(fù)制遺傳給下一代人體23對(duì)染色體,分別來自于父母復(fù)制后的染色體DNA組成的差異決定： 細(xì)胞中蛋白

10、質(zhì)、RNA的結(jié)構(gòu)特征子代遺傳物質(zhì)來自親代： 種瓜得瓜、種豆得豆。DNA控制細(xì)胞分化、個(gè)體形成 乃至個(gè)體的生老病死。任何一個(gè)多細(xì)胞生物的體細(xì)胞都含有 完全相同的基因組DNA。各組織器官的細(xì)胞形狀各異、功能不同？ DNA表達(dá)差異基因（gene ）：開始、發(fā)育的意思古代種質(zhì)（猜想)十九世紀(jì)孟德爾遺傳顆粒（推斷）二十世紀(jì)初摩爾根染色體是基因的載體 蛋白質(zhì)？核酸？1944年DNA是基因的化學(xué)載體基因即DNA上能夠編譯一個(gè)蛋白質(zhì)或RNA的最小單位，一個(gè)細(xì)胞內(nèi)所有基因組合在一起統(tǒng)稱為“基因組” 。DNA 所有功能本質(zhì)上反映的是基因的功能基因3假基因基因間隔區(qū)DNA雙螺旋Clone克隆，人工操作下的細(xì)胞無性繁

11、殖過程。給予合適的條件，任何一種體細(xì)胞都能變化為一個(gè)完整的個(gè)體體細(xì)胞克隆技術(shù)。白 綿羊的體細(xì)胞核黑 綿羊的去核卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)植入山羊子宮？多莉（1997.7.23）克隆人為什么要克隆人？主要是采集器官，進(jìn)行器官移植，還可以復(fù)制死去的親人。動(dòng)物克隆的目的：保持牲畜優(yōu)良性能不發(fā)生退化；拯救瀕危生物。克隆人的方法1.提供卵細(xì)胞、體細(xì)胞2. 卵細(xì)胞去核并與體細(xì)胞融合3. 代理母親受孕4.克隆嬰兒的誕生多數(shù)畸形、流產(chǎn)兒 +少數(shù)早衰的克隆人為什么各國政府均反對(duì)克隆人呢？1.可預(yù)見的大量畸形兒、流產(chǎn)兒2. 倫理危機(jī)動(dòng)搖家庭觀、權(quán)利義務(wù)觀“父將不父，母將不母，子將不子”科學(xué)的兩面性二、RNA 1.種類：（1）轉(zhuǎn)

12、移RNA(transfer RNA，tRNA):攜帶AA，約占總RNA的15%（2）核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)：參與核糖體組成，約占總RNA的80%（3）信使RNA(messenger RNA，mRNA)：蛋白質(zhì)翻譯的模板，約占總RNA的3-5%二、RNA（4）小分子RNA （small RNA， sRNA）:80年代以來發(fā)現(xiàn)新的具有特殊功能的RNA核內(nèi)小RNA(small nuclear RNA，snRNA)核仁小RNA(small nucleoar RNA，snoRNA)胞質(zhì)小RNA(small cytoplasmic RNA，SCRNA) 反義RNA(antis

13、ense RNA)核酶(ribozyme) 功能：1.調(diào)控基因表達(dá)；2.參與生物分子組成；3.轉(zhuǎn)錄后加工，控制蛋白質(zhì)合成等mRNA (信使RNA)約占總RNA的5%不同細(xì)胞的mRNA鏈長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。Messenger RNAtRNA (轉(zhuǎn)移RNA)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Transfer RNArRNA (核糖體RNA)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

14、相關(guān)。Ribosome RNA二、RNA2.分布：原核生物和病毒：三種RNA分布于細(xì)胞質(zhì)真核生物：tRNA和rRNA主要分布于細(xì)胞質(zhì)中；細(xì)胞核中也有；mRNA從核中轉(zhuǎn)錄出來到細(xì)胞質(zhì)中翻譯；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(small non-messenger RNAs, 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rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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RNA含量80510-15三、核酸的生物功能（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)1944 ， O. Avery肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1952 ， A.D Hers