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第六章 核酸分析 Nucleic Acid Assay 核酸（Nucleic Acid） 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，与蛋白质一样，是一切生物体不可缺少的组成部分（约占细胞干重的5?15%） 是生命遗传信息的携带者和传递者，不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关 是现代生物化学、分子生物学和医学 的重要研究领域之一 核酸的发现和研究工作进展 1868年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1984年 Gelbert和Sanger建立DNA测序方法 1985年 Mullis发明PCR技术 1990年 美国启动人类基因组计划（HGP） 1994年中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架 核酸的分类及分布 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA） 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体、叶绿体和质粒等 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型（genotype） 核糖核酸(ribonucleic acid, RNA） 分布于胞核、胞液 参与细胞内DNA遗传信息的表达（蛋白质的合成）；有些病毒RNA也可作为遗传信息载体；ribozyme。 6-1 核酸的组成和结构（1） 化学组成 元素组成：C、H、O、N、P（9~10%） 分子组成： ——碱基（base）：嘌呤碱、嘧啶碱 ——戊糖（ribose）：核糖、脱氧核糖 ——磷酸（phosphate） 碱基（1）——嘌呤碱 碱基（2）——嘧啶碱 戊糖 6-1 核酸的组成和结构（2） 核苷（ribonucleoside）的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键（戊糖C1与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9）连接形成核苷（脱氧核苷） 脱氧核苷：dAR、dGR、dTR、dCR 核苷：AR、GR、UR、CR 6-1 核酸的组成和结构（3） 核苷酸（ribonucleotide）的形成 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键（5?位）连接形成核苷酸（脱氧核苷酸） 脱氧核苷酸：dAMP、dGMP、dTMP、dCMP 核苷酸：AMP、GMP、UMP、CMP 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸：AMP、ADP、ATP 环化核苷酸：cAMP、cGMP 含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH等 6-1 核酸的组成和结构（4） 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键连接 形成多核苷酸链，即核酸。 核苷酸的一级结构 核酸中核苷酸的排列顺序，由于核苷 酸间的差异主要是碱基不同，所以也 称为碱基序列。 核苷酸一级结构的书写方法 人类基因组计划 2001 年2月16日，人类基因组计划（HGP）完成，测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列（3? 109 bp），中国科学家做出了其中1%的贡献。 目前估计，3?109 bp中仅 5％编码蛋白质；95％不编码蛋白质。 6-1 核酸的组成和结构（5） DNA的二级结构——双螺旋结构 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析 Chargaff规则：?A?= ?T?； ?G?= ?C? 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理 DNA钠盐X-射线衍射图谱分析 DNA双螺旋结构模型的要点（1） DNA分子由两条相互平行走反相的脱氧多核苷酸链组成，两链以—脱氧核糖—磷酸—为骨架，以右手螺旋方式绕一公共轴盘。螺旋直径为2 nm，形成大沟（majior groove）和小沟（manor groove)相间 碱基垂直螺旋轴居双螺旋两侧，与对侧碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T；G?C） 相邻碱基平面距离0.34 nm，螺旋一圈螺距3.4 nm，一圈10对碱基 碱基互补配对 DNA双螺旋结构模型的要点（2） 氢键（虽然作用力较弱，但数目众多）维持双链横向稳定性，碱基堆积力（相邻碱基平面非常接近，芳杂环上?电子云交错产生一定吸引力）维持双链纵向稳定性。各种阳离子，如多胺、组蛋白、Na+、K+、Mg2+能与DNA分子中带负电荷的磷酸基团作用，降低了两条DNA链之间的静电排斥力，也有助于双螺旋的稳定。 双螺旋结构的多样性 Watson和Crick提出的DNA双螺旋