1、名校名 推薦高中生物遺傳信息的攜帶者核酸備課資料新課標(biāo) 人教版必修 11. 核酸的發(fā)現(xiàn)1868 年，在德國(guó)化學(xué)家霍佩賽勒（hoppe seyler ）的實(shí)驗(yàn)室里 , 有一個(gè)瑞士籍的研究生, 名叫米舍爾（ f.miescher,1844 1895）, 他在實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)的工作是研究膿血中細(xì)胞的化學(xué)成分。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室附近有一家醫(yī)院 , 常常扔出許多帶膿血的繃帶, 膿血里有與病菌“作戰(zhàn)”而死亡的白細(xì)胞以及其他死亡的人體細(xì)胞。米舍爾細(xì)心地用洗脫的辦法將繃帶上的膿血收集起來(lái)。他先用酒精把細(xì)胞中的脂肪性物質(zhì)去掉, 然后用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質(zhì)的胃蛋白酶粗制品）進(jìn)行處理, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的大部分被

2、分解了 , 而細(xì)胞核只是縮小了一點(diǎn)兒, 仍然保持完整。得到細(xì)胞核后, 米舍爾對(duì)組成細(xì)胞核的物質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)分析 , 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)含有與細(xì)胞內(nèi)其他有機(jī)物明顯不同的物質(zhì), 這種物質(zhì)的磷含量很高,遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì) , 而且對(duì)蛋白酶有耐受性。米舍爾認(rèn)為這是一種新物質(zhì)?；襞遒惱债?dāng)時(shí)是生物化學(xué)界的權(quán)威, 治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn) , 他要在親自做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證米舍爾的工作后, 才允許米舍爾發(fā)表這個(gè)成果?；襞遒惱沼媒湍讣?xì)胞做實(shí)驗(yàn), 證實(shí)了米舍爾的發(fā)現(xiàn)。米舍爾將他發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)命名為“核素”。核素十分不穩(wěn)定 , 提取時(shí)必須非常小心, 速度要快 ,還得保持很低的溫度。為了制備核素, 米舍爾常常從清晨5：00就開始在低溫的房間里工作, 這大大

3、影響了他的健康。由于積勞成疾, 他 51歲就離開了人間?；襞遒惱盏牧硪粋€(gè)學(xué)生, 德國(guó)的科塞爾（a.kossel,1853 1927 ） , 發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合物。他小心地水解核酸, 得到了組成核酸的基本成分：鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶, 還有些具有糖類性質(zhì)的物質(zhì)和磷酸。確定了核酸這個(gè)生物大分子的組成之后, 隨之而來(lái)的問(wèn)題是這些物質(zhì)在大分子中的比例, 它們之間是如何連接的。斯托伊德爾（h.steudel）找到了前一個(gè)問(wèn)題的答案。通過(guò)分析 , 他發(fā)現(xiàn)單糖、每種嘌呤或嘧啶堿基、磷酸的比例為1 1 1。限于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，后一個(gè)問(wèn)題沒有完全解決，科塞爾及其同事只是發(fā)現(xiàn), 如果小心地水解

4、核酸, 糖基團(tuán)與含氮的基團(tuán)是連在一起的?？迫麪栠€對(duì)核酸與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式進(jìn)行了研究。他發(fā)現(xiàn)有些物種的核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合比較緊密 , 有些則比較松散?？迫麪栆蚱湓诤怂峄瘜W(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作, 榮獲 1910 年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1911 年 , 科塞爾的學(xué)生列文（p.a.t.le vine,1869 1940）對(duì)核酸做了進(jìn)一步的研究。他證明核酸所含的糖類由 5 個(gè)碳原子組成 , 并將這種糖類命名為核糖。當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種不同的核酸, 列文找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同。另一種糖類比核糖少一個(gè)氧原子, 稱為脫氧核糖。兩種核酸也由原來(lái)的名字改為核糖核酸和脫氧核糖核酸。1934 年, 列文發(fā)

5、現(xiàn)核酸可被分解成含有一個(gè)嘌呤、一個(gè)核糖或脫氧核糖和一個(gè)磷酸的片段，這樣的組合叫核苷酸。他認(rèn)為核苷酸是由五碳糖與磷酸基團(tuán)組成的長(zhǎng)鏈, 每一個(gè)五碳糖上再接一個(gè)堿基。列文認(rèn)為這些堿基可能以一種非常簡(jiǎn)單的方法排列, 如 12341234等, 每個(gè)數(shù)字代表一種特定的堿基。這個(gè)模型后來(lái)被稱為核酸結(jié)構(gòu)的四核苷酸假說(shuō)。列文雖然沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng), 但他的貢獻(xiàn)有目共睹 , 并將永遠(yuǎn)留在核酸化學(xué)的歷史中。弄清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終證明是成功地合成出這種物質(zhì)。核酸的結(jié)構(gòu)問(wèn)題很復(fù)雜, 糖類和堿基都是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的組分 , 有多種連接的可能, 而且還有磷酸基團(tuán)的連接問(wèn)題。英國(guó)生物化學(xué)家托德（a.r todd ）成功地合成了核苷酸

6、 , 并于 1955 年成功合成了二核苷酸。托德因其在核苷酸合成以及核苷酸輔酶方面的貢獻(xiàn)而獲得 1957 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2. 核酸的分離和提純研究核酸首先要對(duì)其進(jìn)行分離和提純。制備核酸要注意防止核酸的降解和變性, 盡量保持其在生物體內(nèi)的天然狀態(tài)。早期研究時(shí), 由于受到方法上的限制, 得到的樣品往往是一些降解產(chǎn)物。要制備天然狀態(tài)的核酸 , 必須在溫和的條件下進(jìn)行, 防止過(guò)酸、過(guò)堿, 避免劇烈攪拌, 尤其是防止核酸酶的作用。真核生物中的染色體dna與組蛋白結(jié)合成核蛋白（dnp）, 存在于核內(nèi)。dnp溶于水和濃鹽溶液（如質(zhì)量濃度為1 mol/l的 nacl 溶液） , 但不溶于質(zhì)量濃度為0.14

7、mol/l的 nacl 溶液。利用這一性質(zhì),可將細(xì)胞破碎后用濃鹽溶液提取, 然后用水稀釋至0.14 mol/l,使 dnp纖維沉淀出來(lái), 纏繞在玻璃棒上,1名校名 推薦再經(jīng)多次溶解和沉淀以達(dá)到純化目的。苯酚是很強(qiáng)的蛋白質(zhì)變性劑, 可用苯酚抽提 , 除去蛋白質(zhì)。用水飽和的苯酚與 dnp 一起振蕩 , 冷凍離心 ,dna 溶于上層水相 , 不溶性變性蛋白質(zhì)，殘留物位于中間界面,一部分變性蛋白質(zhì)停留在酚相。如此操作反復(fù)多次以除凈蛋白質(zhì)。將含dna的水相合并 , 在有鹽存在的條件下加 2 倍體積冷的乙醇, 可將 dna沉淀出來(lái)。再用乙醚和乙醇洗滌沉淀, 用這種方法可以得到純的dna。rna比 dna更

8、不穩(wěn)定 , 而且 rnase又無(wú)處不在 , 因此 rna的分離更為困難。 制備 rna通常需要注意3 點(diǎn)：（ 1）所有用于制備rna的器具必須滅菌； （ 2）在破碎細(xì)胞的同時(shí)加入強(qiáng)變性劑使rnase失活；（ 3）在 rna的反應(yīng)體系中加入rnase的抑制劑。目前最常用的制備rna的方法有兩種： （1）用酸性鈲鹽 / 苯酚 / 氯仿抽提。鈲是極強(qiáng)烈的蛋白質(zhì)變性劑, 它幾乎使所有遇到的蛋白質(zhì)都變性。用苯酚和氯仿多次除凈蛋白質(zhì)。此法用于小量制備 rna。（ 2）用鈲鹽 / 氯化銫將細(xì)胞抽提物進(jìn)行密度梯度離心。蛋白質(zhì)在最上層,dna 位于中間 ,rna 沉在底部。此法可制備較大量高純度的天然rna。不

9、同功能rna常分布于細(xì)胞的不同部位 , 分離這些 rna常常先用差速離心法 , 將細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)等各部分分開, 再?gòu)倪@些部分中分離出rna。3. 核酸中核苷酸的連接方式核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子, 無(wú)分支結(jié)構(gòu)。 核酸中的核苷酸以磷酸二酯鍵彼此相連。dna中的脫氧核糖核苷酸，通過(guò)3 ,5 磷酸二酯鍵連接起來(lái), 形成直線形或環(huán)形多聚體（如圖2 3 2）。組成 rna的核苷酸也是以3 ,5 磷酸二酯鍵彼此連接起來(lái)的。（如圖 2 3 3）圖 2 3 2 dna 中多核苷酸鏈圖 2 3 3 rna的一個(gè)小片段及縮寫符號(hào)分子中一小段結(jié)構(gòu)a.dna中多核苷酸鏈的一個(gè)小片段；b. 為豎

10、線式縮寫；c. 為文字式縮寫。2名校名 推薦4. 法醫(yī) dna指紋技術(shù)法醫(yī) dna指紋技術(shù)的檢驗(yàn)開辟了生物物證檢驗(yàn)的新領(lǐng)域，使法醫(yī)學(xué)上的個(gè)人識(shí)別和親子鑒定等難題達(dá)到個(gè)人同一認(rèn)定的水平。該技術(shù)在法醫(yī)dna分析領(lǐng)域內(nèi)的非同位素標(biāo)記探針、dna擴(kuò)增、 str 位點(diǎn)的復(fù)合擴(kuò)增、 mtdna的測(cè)序分析、小衛(wèi)星區(qū)域 dna的數(shù)字編碼、人類串聯(lián)重復(fù)寡核苷酸探針等方面取得的成果，提高了我國(guó)法醫(yī) dna分析水平，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或國(guó)際先進(jìn)水平。該技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用以來(lái)，已檢案3 000 余起。為一大批重大疑難案件的偵破提供了科學(xué)依據(jù)。該技術(shù)解決了微量血液、 血斑及毛干指甲等特殊生物物證檢材的法醫(yī)dna檢驗(yàn)難題，最少檢

11、測(cè)量達(dá)到相當(dāng)于0.02 l 血液、 0.1 cm 毛干， 0.1 立方毫米指甲；建立了短串聯(lián)重復(fù)序列（strs）復(fù)合擴(kuò)增及擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性研究的實(shí)驗(yàn)方法，適用于極微量檢材及腐敗檢材；建立了小衛(wèi)星ms32mvrpcr方法，靈敏度極高，識(shí)別率達(dá)4.09 10 18，可進(jìn)行個(gè)人同一認(rèn)定，提供了一種親權(quán)鑒定的方法，解決了微量生物物證個(gè)人同一認(rèn)定問(wèn)題；自行設(shè)計(jì)合成寡核苷酸重復(fù)序列片段，以pcr方法制備多聚體探針，經(jīng)基因組dna指紋分析，獲得可檢測(cè)基因組 dna高度多態(tài)性的新探針，該技術(shù)能起到認(rèn)定罪犯的作用，在偵察破案中意義重大，在實(shí)際辦案中顯示了巨大的社會(huì)效益。5. 生物特征指紋識(shí)別指紋是指人類手指上

12、出現(xiàn)的條狀紋路。它們的形成依賴于胚胎發(fā)育時(shí)的環(huán)境。 “沒有兩個(gè)完全相同的指紋”這一觀點(diǎn)已經(jīng)得到公認(rèn)。 指紋識(shí)別已經(jīng)有了很長(zhǎng)一段時(shí)間的歷史。 目前，指紋鑒定已經(jīng)被官方所接受在法律界成為一種有效的身份鑒定手段。 全球范圍內(nèi)都建立了指紋鑒定機(jī)構(gòu)以及罪犯指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。 作為最傳統(tǒng)、最成熟的生物鑒定方式，指紋有如下兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（ 1）穩(wěn)定性：指紋具有很強(qiáng)的相對(duì)穩(wěn)定性。從胎兒六個(gè)月指紋完全形成到尸體腐爛，指紋紋線類型、結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計(jì)特征的總體分布等始終沒有明顯變化。盡管隨著年齡的增大，指紋在外形大小，紋線粗細(xì)上會(huì)產(chǎn)生一些變化， 局部紋線上也可能出現(xiàn)新的特征。 但從總體上看， 指紋是相對(duì)穩(wěn)定的： 即使手指皮膚

13、受傷，只要不傷及真皮層，傷愈后紋線仍能恢復(fù)原狀；如果傷及真皮，傷愈后形成的傷疤雖然破壞了紋線，但傷疤本身也形成了新的穩(wěn)定特征。（ 2）獨(dú)特性：指紋具有明顯的獨(dú)特性。至今仍找不出兩個(gè)指紋完全相同的人。由于皮膚表皮上的紋路是在胎兒六個(gè)月的時(shí)候形成的，因此同卵雙胞胎的指紋也是不相同的。不僅是人與人之間，同一個(gè)人的十指指紋也有明顯的區(qū)別。根據(jù)指紋學(xué)理論，兩枚指紋匹配上12 個(gè)特征的幾率為 10 50，指紋最多可以用來(lái)區(qū)分 1 096 個(gè)人。指紋的這一特點(diǎn)，為指紋用于身份鑒定提供客觀依據(jù)?；谥讣y的身份鑒別系統(tǒng)是典型的模式識(shí)別系統(tǒng)。它包含兩個(gè)主要的模塊：訓(xùn)練模塊和鑒別模塊（鑒定或識(shí)別）。訓(xùn)練模塊采集指紋

14、數(shù)據(jù)，提取代表這些數(shù)據(jù)的特征，將特征和相關(guān)的身份信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)；鑒別模塊采集待識(shí)別樣本的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提取特征，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)提取的特征進(jìn)行檢索，找到最佳匹配（鑒定模式）或者根據(jù)用戶所宣稱的身份，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)的特征，決定它們是否匹配。圖2 3 4 給出了一個(gè)典型的基于指紋統(tǒng)計(jì)特征的身份鑒別系統(tǒng)。3名校名 推薦圖 2 3 4 基于指紋的鑒別系統(tǒng)指紋身份鑒別系統(tǒng)有兩種工作模式：鑒定模式和識(shí)別模式。身份鑒定是指確認(rèn)用戶聲稱的身份是否與其真實(shí)身份一致，即回答“我是某人嗎”的問(wèn)題；身份識(shí)別是指識(shí)別出用戶的真實(shí)身份，即回答“我是誰(shuí)”的問(wèn)題。手指表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路就是指紋。從生理上看，紋

15、路是手指皮膚的凸起的部分（脊） ，紋路之間是凹下的部分（谷） 。因此，理想的指紋圖像是一幅黑白相間的二值圖像。但是，由于指紋通常是用按壓的方式得到的，因此油墨不均勻、紙張不均勻、按壓的壓力不均勻、按壓的位置和方向不同、手指的狀況以及皮膚的變形等等都會(huì)導(dǎo)致指紋圖像不理想。通過(guò)掃描儀或者攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的時(shí)候，由于光照的影響，也會(huì)引入各種噪聲。這些因素都使得灰度圖像不能直接用來(lái)匹配。因此，有必要選擇合適的特征來(lái)描述指紋。為了使指紋身份鑒別系統(tǒng)能工作，指紋的特征（表示）應(yīng)具有如下性質(zhì)：（ 1）保持指紋的獨(dú)特性。（ 2）易于進(jìn)行匹配；（ 3）對(duì)噪聲具有一定的魯棒性，對(duì)旋轉(zhuǎn)、平移和變形具有不變性；（ 4）對(duì)不完整指紋具有魯棒性；通常采用的有兩種層次的結(jié)構(gòu)特征：全局特征：全局特征描述的是指紋的全局紋路結(jié)構(gòu)，具體如下：（ 1）弓型（ arch ）：平弓型（ plainarch ），帳弓型（ tentedarch ）；（ 2）箕型（ loop）：放射性箕型（ radialloop ），尺骨狀箕（ ulnarloop ）；（ 3）斗型（whorl ）：平斗型（ plainwhorl），中心對(duì)稱箕 （ centralpocketloop），雙箕型（ doubleloop ）；（ 4）雜型。局部特征： 端點(diǎn)和分叉點(diǎn)是最常用的指紋局部結(jié)構(gòu)特征，也稱為細(xì)節(jié)特征。 采用這種特征的一個(gè)例