1、核酸医学知识核酸医学知识第一节第一节 核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性第二节第二节 核酸的基本结构核酸的基本结构第三节第三节 DNA DNA的分子结构的分子结构第四节第四节 RNA RNA的分子结构的分子结构核酸医学知识2第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质第六节第六节 核酸的体内代谢核酸的体内代谢第七节第七节 核酸与遗传核酸与遗传核酸医学知识3第一节第一节 核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性 核酸的发现：核酸的发现：18681868年年 瑞士瑞士 米歇尔米歇尔 核酸的定义：核酸的定义：生物体内一类含有生物体内一类含有磷酸基团磷酸基团的重要生物大的重要生物大分子（酸
2、性物质），是遗传变异的物质基础，分子（酸性物质），是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体，在蛋白质的生物合成中起是遗传信息的载体，在蛋白质的生物合成中起重要的作用。重要的作用。核酸医学知识4第一节第一节 核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性核酸医学知识5第一节第一节 核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性 核酸核酸的分类的分类1.核糖核酸核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)RNA主要参与遗传信息的主要参与遗传信息的表达表达;细胞内的细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存
3、者。本身就是遗传信息的储存者。核酸医学知识6mRNAmRNA、rRNA rRNA、tRNAtRNA的功能的功能核酸医学知识7第一节第一节 核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性2.脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)DNA是是遗传信息的贮存和携带者，生物的遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质主要遗传物质;主要集中在细胞核内，线粒体主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的和叶绿体中均有各自的DNA。每个原核细胞只。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核酸医学知识8遗传信息传递
4、的遗传信息传递的 中心法则中心法则 生物的遗传信息以密码的形式储存在生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过，通过DNA复制复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过遗传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各
5、样的生物学功能，使后代表现出与亲代相质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板为模板复制复制出新的病毒出新的病毒RNA，还有一些，还有一些RNA病毒能以其病毒能以其RNA为模板合成为模板合成DNA，称，称为为逆转录逆转录。这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。核酸医学知识9 中心法则中心法则 总结了总结了生物体内遗传信息的流生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗细胞的生
6、长、发育、遗传、变异等生命现象有传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。带来了深刻的革命。核酸医学知识10第二节第二节 核酸的基本结构核酸的基本结构核酸医学知识11核酸医学知识12核酸医学知识13核酸医学知识14核酸医学知识15核酸医学知识16核酸医学知识17核酸医学知识18核酸医学知识19核酸医学知识20 第三节第三节 DNA的分子结构的分子结构 一、一、DNA 一级结构一级结构二、二、DNA的二级结构的二级结构三、三、DNA的三级结构
7、的三级结构核酸医学知识21DNA 的一级结构的一级结构 DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键磷酸二酯键）和排列顺序叫做）和排列顺序叫做DNA的一的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为规定为53。不同的。不同的DNA分子具有不同的核分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法一级结构的表示法 结构式，线条式，字母式结构式，线条式，字母式 核酸医学知识22DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法53结构式结构式53 p p
8、p pOH3ACTG1线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3字母式字母式核酸医学知识23DNA的二级结构的二级结构核酸医学知识24核酸医学知识25DNA的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成53535353磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对核酸医学知识26核酸医学知识27核酸医学知识28 DNA的三级结构的三级结构 在细胞内，由于在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一双螺旋进一步扭曲形成的高级结构步扭曲形成的高级结构.实例：实例：超螺旋超螺旋 染色体染色体（chromosom
9、e）病毒病毒（virus）核酸医学知识29DNADNA超螺旋结构的形成超螺旋结构的形成核酸医学知识30组蛋白与DNA的结合组组蛋蛋白白与与DNA的的结结合合核酸医学知识31核酸医学知识32第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构一、一、RNA一级结构一级结构 和和类别类别二、二、tRNA 的分子结构的分子结构三、三、rRNA的分子结构的分子结构四、四、mRNA的分子结构的分子结构核酸医学知识33RNA的一级结构的一级结构 RNA分子中各核苷之间分子中各核苷之间的连接方式（的连接方式（3-5磷酸二磷酸二酯 键酯 键）和 排 列 顺 序 叫 做）和 排 列 顺 序 叫 做RNA的一级结构的一
10、级结构OHOHOH53 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基核酸医学知识34RNA的类别的类别 信使信使RNA（messenger RNA，mRNA）：）：在蛋白在蛋白质合成中起模板作用；质合成中起模板作用；核糖体核糖体RNA（ribosoal RNA，rRNA）：）：与蛋白与蛋白质结合构成核糖体（质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成核糖体是蛋白质合成的场所；的场所；转移转移RNA（transfor RNA，tRNA）：）：在蛋白质在蛋白质合成时起着携带活化氨
11、基酸的作用。合成时起着携带活化氨基酸的作用。核酸医学知识35tRNA tRNA 的结构的结构二级结构二级结构特征特征：单链单链 三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环三级结构三级结构 特征：特征：在二级结构基础上在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒进一步折叠扭曲形成倒L型型核酸医学知识36酵母酵母tRNA Ala 的二级结构的二级结构DHU环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla35核酸医学知识37第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质 一、一、核酸的两性解离性质核酸的两性解离性质 二、二、核酸的紫外吸收特性（核酸的紫外吸收特性（max=2
12、60nm）三、三、核酸的变性、复性和分子杂交核酸的变性、复性和分子杂交 核酸医学知识38核酸医学知识39二、核酸的紫外吸收光谱二、核酸的紫外吸收光谱天然天然DNA变性变性DNA核苷酸单体总吸收值核苷酸单体总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123核酸医学知识40三、三、DNADNA的变性的变性天然核酸在理化因素作用下，天然核酸在理化因素作用下，其双螺旋的氢键断裂，碱基其双螺旋的氢键断裂，碱基堆积力不再存在，堆积力不再存在，DNA双螺双螺旋的两条互补链松散而分开旋的两条互补链松散而分开成为无规则线团状的单链成为无规则线团状的单链DNA单
13、链现象称为单链现象称为DNA的变的变性性(denaturation)。引起引起DNA变性的因素：变性的因素：高温高温，强酸强碱强酸强碱，有有机溶剂机溶剂等。等。核酸医学知识41 增色效应增色效应(hyperchromic effect)：指：指DNA变性变性后对后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；紫外光的光吸收度增加的现象；旋光性下降；旋光性下降；粘度降低；粘度降低；生物学功能丧失或改变。生物学功能丧失或改变。DNA变性后的性质改变：变性后的性质改变：核酸医学知识42加热加热DNA溶液，使其溶液，使其对对260nm紫外光的吸紫外光的吸收度突然增加，达到收度突然增加，达到其最大值一半时的温
14、其最大值一半时的温度，就是度，就是DNA的的变性变性温 度（融 解 温 度，温 度（融 解 温 度，melting temperature,Tm）。DNA的变性温度的变性温度核酸医学知识43Tm的高低与的高低与DNA分子中分子中G+C的含量有关，的含量有关，G+C的含量越高，则的含量越高，则Tm越高越高。核酸医学知识44四、四、DNADNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交将热变性后的将热变性后的DNA溶液缓慢冷却，在低于变性溶液缓慢冷却，在低于变性温度约温度约2530的条件下保温一段时间（的条件下保温一段时间（退火退火annealing），则变性的两条单链），则变性的两条单链DNA可以重可以重
15、新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性质。性质。将变性将变性DNA经退火处理，使其重新形成双螺旋经退火处理，使其重新形成双螺旋结构的过程，称为结构的过程，称为DNA的复性的复性。核酸医学知识45DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。变性不可能复性。变性的的DNADNA缓慢冷却缓慢冷却时可复性，因此又称为时可复性，因此又称为“退火
16、退火”。退火温度退火温度T Tm m2525DNADNA的复性的复性核酸医学知识46两条来源不同的单链核酸（两条来源不同的单链核酸（DNA或或RNA），），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为一现象称为核酸的分子杂交核酸的分子杂交(hybridization)。核酸的分子杂交核酸的分子杂交(hybridization)(hybridization)核酸医学知识47核酸杂交可以是核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是，也可以是DNA-RNA杂交。杂交。不同来源的，具有大致
17、相同互补碱基顺序的核不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为酸片段称为同源顺序同源顺序(homologous sequence)。核酸医学知识48DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子DNA-DNADNA-DNA杂交示意图杂交示意图核酸医学知识49第六节第六节 核酸的体内变化核酸的体内变化一、核酸的酶促降解一、核酸的酶促降解核酸医学知识50第六节第六节 核酸的体内变化核酸的体内变化二、核苷酸的分解代谢二、核苷酸的分解代谢核酸医学知识51嘌嘌呤呤的的分分解解核酸医学知识52嘌呤代谢与痛风嘌呤代谢与痛风1、痛风症的发病机理、痛风症的发
18、病机理2、治疗方法：别嘌呤醇、治疗方法：别嘌呤醇核酸医学知识53嘧嘧啶啶的的分分解解核酸医学知识54三、核苷酸的合成三、核苷酸的合成1 1、嘌呤核苷酸的生物合成、嘌呤核苷酸的生物合成（1）从头合成途径（2 2）补救合成途径2 2、嘧啶核苷酸的生物合成、嘧啶核苷酸的生物合成（1）从头合成途径（2 2）补救合成途径核酸医学知识55c、IMP转变为转变为AMP和和GMP a、嘌呤环上原子的来源、嘌呤环上原子的来源b、IMP的从头合成的从头合成核酸医学知识56嘌呤环上各原子的来源嘌呤环上各原子的来源N3N9N7N1C2C6C4C5C8来自谷氨酰胺的酰胺氮来自谷氨酰胺的酰胺氮来自甲酸来自甲酸来自甲酸来自
19、甲酸来自天冬氨酸来自天冬氨酸来自甘氨酸来自甘氨酸来自来自CO2核酸医学知识57IMP转变为转变为GMP和和AMP核酸医学知识58嘌呤核苷酸合成补救途径嘌呤核苷酸合成补救途径 磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶嘌呤嘌呤+PRPPA(G)MP+PPi嘌呤嘌呤+1-P-核糖核糖嘌呤核苷嘌呤核苷 A(G)MPATP ADP核酸医学知识59嘧啶环上各原子的来源嘧啶环上各原子的来源 来自天冬氨酸来自天冬氨酸来自来自CO2来自来自NH3NNCCCC654321核酸医学知识61嘧啶核苷酸补救合成途径嘧啶核苷酸补救合成途径尿嘧啶尿嘧啶+PRPP尿嘧啶尿嘧啶+1-P-核糖核糖尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷+ATPUMP+PPi尿
20、嘧啶核苷尿嘧啶核苷+PiUMP+ADP核酸医学知识622、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成1、脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成核酸医学知识63核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸的还原反应NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白硫氧还蛋白还原酶还原酶FAD核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶（B1和和B2）ATP、Mg2+硫氧还蛋白硫氧还蛋白（还原型）（还原型）SHSH硫氧还蛋白硫氧还蛋白（氧化型）（氧化型）SSOP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸核糖核苷二磷酸OP-P-CH2NOHH+H2O脱氧核糖核苷二磷酸脱氧核糖核苷二磷酸核酸医学知识64第七节第七节 核酸与遗传核酸与遗传一、一、D
21、NA的半保留复制的半保留复制二、基因工程二、基因工程核酸医学知识651、DNA的半保留复制的概念的半保留复制的概念 DNA在复制时，两条链在复制时，两条链解开分别作为模板，在解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新板链互补的新链，以组成新的的DNA分子。这样新形成分子。这样新形成的两个的两个DNA分子与亲代分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全分子的碱基顺序完全一样。由于子代一样。由于子代DNA分子分子中一条链来自亲代，另一条中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方链是新合成的，这种复制方式称为半
22、保留复制式称为半保留复制。核酸医学知识66（1）DNA聚合酶聚合酶（2 2）引物酶和引发体引物酶和引发体 ：启动：启动RNARNA引物链的合成。引物链的合成。(3(3）DNADNA连接酶连接酶（4 4）DNADNA解链酶解链酶 (5(5）单链结合蛋白单链结合蛋白(SSBSSB)：结合在解开的结合在解开的DNADNA单链上，防单链上，防止重新形成双螺旋。止重新形成双螺旋。(6(6）拓扑异构酶拓扑异构酶:兼具内切酶兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将和连接酶活力，能迅速将DNADNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。松驰状态，便于解链。解旋酶解旋酶DNA聚合聚合酶
23、酶III解链酶解链酶RNA引物引物引物酶和引引物酶和引发体发体DNA聚聚合酶合酶ISSB335355RNA引引物物核酸医学知识67 DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌大肠杆菌DNA复制复制109-1010碱基对仅出现一个误差，碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点保证复制忠实性的原因主要有以下三点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）外切酶切除）c、起始时以、起始时以RNA作为
24、引物作为引物核酸医学知识68DNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能聚合酶聚合酶错配硷基错配硷基复制方向复制方向正正 确核确核苷酸苷酸5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 切除错配核切除错配核苷酸苷酸核酸医学知识69DNA的半保留复制实验依据 19581958年年Meselson Meselson&stahl&stahl用同位用同位素示踪标记加密素示踪标记加密度梯度离心技术度梯度离心技术实验实验,证明了证明了DNADNA是采取半保留的是采取半保留的方式进行复制方式进行复制.15N DNA14N-15N DNA14N DNA14N-15N DNA核酸医学知识70DNA复制的方式复制的方式
25、环状环状 DNA复制时所复制时所形成的形成的结构结构起始点起始点复制叉的推进复制叉的推进复制叉复制叉起始点起始点起始点起始点起始点起始点复制叉复制叉复制叉复制叉未复制未复制DNA单向复制单向复制双向复制双向复制核酸医学知识71原核细胞DNA的半不连续复制复制过程复制叉的移复制叉的移动方向动方向解旋酶解旋酶DNA聚合聚合酶酶III解链酶解链酶RNA引物引物引物体引物体DNA聚合聚合酶酶ISSB335前导链前导链随后链随后链35复制的起始DNA链的合成与延长DNA链合成的终止5RNA引物引物33DNA连接连接酶酶核酸医学知识72二、基因工程简介二、基因工程简介 基因工程亦称遗传工程，即利用基因工程
26、亦称遗传工程，即利用DNA重组重组技术的方法，把技术的方法，把DNA作为组件，在细胞外将一种外源作为组件，在细胞外将一种外源DNA（目的基因）和载体（目的基因）和载体DNA重新组合连接（重新组合连接（重组重组），最后将重组体转入宿主细胞，使），最后将重组体转入宿主细胞，使外源基因外源基因DNA在宿主细胞中，随细胞的繁殖而增殖（在宿主细胞中，随细胞的繁殖而增殖（cloning，克隆克隆），或最后得到表达，最终获得基因表达产物或改变生物），或最后得到表达，最终获得基因表达产物或改变生物原有的遗传性状。原有的遗传性状。基因工程的操作技术基因工程的操作技术 基因工程的应用与前景基因工程的应用与前景核酸
27、医学知识73基因工程的应用和前景基因工程的应用和前景 建立基因文库。基因文库的建立有利于研究基因结构建立基因文库。基因文库的建立有利于研究基因结构、基因表达调控机制、个体发育和繁殖的机理、疾病发、基因表达调控机制、个体发育和繁殖的机理、疾病发病机制等，最终将导致遗传育种、疾病基因治疗发生革病机制等，最终将导致遗传育种、疾病基因治疗发生革命性进步。命性进步。生产某些珍贵的生化药物，如干扰素、胰岛素、生长生产某些珍贵的生化药物，如干扰素、胰岛素、生长激素等。激素等。改造生物原有性状，培育出人类需要的新物种。改造生物原有性状，培育出人类需要的新物种。核酸医学知识74克隆羊多利的诞生克隆羊多利的诞生胚胎羊胚胎羊乳腺上皮细胞（提乳腺上皮细胞（提供供DNA）母羊母羊除去细胞核的卵母除去细胞核的卵母细胞（受体）细胞（受体）体外融合体外融合植入受体母羊植入受体母羊核酸医学知识75核酸医学知识76DNA和和RNA合成的比较合成的比较核酸医学知识77
