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1、第 二 章核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),是以单核苷酸为基本组成单位的生物大分子，功能是携带和传递遗传信息。,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1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年 Mullis发明PC
2、R 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,二、核酸的分类及分布,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸的化学组成,1.元素组成C、H、O、N、P特点:P/核酸=9%,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊 糖,
3、核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR,一、核苷酸的结构,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸:cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,C,G,A,二、核酸的一级结构,定义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。,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目
4、 录,第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能,一、DNA的二级结构双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,目 录,（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径
5、为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,目 录,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,目 录,碱基互补配对,T,A,G,C,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,目 录,（三）DNA双螺旋结构的多样性,目 录,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive superco
6、il)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,（二）原核生物DNA的高级结构,环状,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。,核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,三、DNA的功能,DNA的基本功能：复制和转录的模板是以基因的形式荷载遗传信息，它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因：DNA的功能区段
7、。基因组：全部基因序列,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA的种类、分布、功能,一、信使RNA的结构与功能,内含子(intron),*mRNA成熟过程,外显子(exon),目 录,*mRNA结构特点,1.帽：大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。,尾：大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。编码区：核苷酸残基,帽子结构,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,*mRNA
8、的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,tRNA的一级结构特点分子量小，稀有碱基多 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,tRNA的二级结构三叶草形四臂三环:氨基酸臂 DHU(臂)环 反密码(臂)环 额外环(可变臂)TC(臂)环,氨基酸臂,额外环,*tRNA的三级结构 倒L形,*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,*rRNA的含量多rRNA的结
9、构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,*rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA,原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA,核蛋白体的组成,四、其他小分子RNA及RNA组学,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。,snmRNAs,snmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA,snmRNAs的
10、功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学,核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,两性电离紫外吸收变性复性分子杂交,一两性电离,二紫外吸收,1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD28
11、0=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0,OD260的应用,目 录,三、DNA的变性(denaturation),定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,变性后其它理化性质变化：,OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失,目 录,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,目 录,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorba
12、nce，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,目 录,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。,目 录,四、DNA的复性,DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。,目 录,在DNA变性后的复
13、性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,五核酸分子杂交(hybridization),DNA-DNA杂交双链分子,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础,第 五 节 核 酸
14、酶 Nuclease,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶。,参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 体外重组DNA技术中的重要工具酶,生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解,核酸酶的功能,核
15、酶,催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。,催化性RNA(ribozyme)作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。,总结:,思路:核酸-功能、组成、结构、性质、代谢、调节、应用。功能：遗传信息的携带和传递。DNA：复制与转录的模板。RNA：mRNA:翻译的模板，tRNA：转运AA，rRNA：蛋白合成场所，组成：元素组成：C、H、O、N、P，元素组成特点：P/核酸=9%,基本单位组成：单核苷酸种类:核苷酸、脱氧核苷酸通式:碱基-戊糖-磷酸性质:两性电解.紫外吸收.显色反应连接方式:35-磷酸二酯键 连接结果:核酸链DNA与RNA区别：碱基戊糖脱氧
16、核糖核糖,结构:一级结构:定义：单核苷酸排列顺序。书写方向：，真核mRNA一级结构特点：含量少,帽（m7GpppNm）,尾(polyA)tRNA的一级结构特点:分子量小，稀有碱基多 3 CCA-OH rRNA的一级结构特点:含量多空间结构：二级结构 三（超）级结构 DNA 双螺旋 超螺旋 tRNA 三叶草 倒L形,DNA双螺旋结构特点：两条反向平行脱氧多核苷酸链，右手螺旋盘绕。螺距3.4nm，一圈10对碱基。外側为脱氧核糖-磷酸骨架，内側为碱基、碱基间形成氢键（A=T;GC）。大沟、小沟相间。稳定性：氢键（横向）碱基堆积力（纵向）。,真核超螺旋：染色体（核小体为基本单位）核小体DNA：约200
17、bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,tRNA三叶草结构特点：氨基酸臂 携带AA DHU（臂）环 反密码（臂）环 识别密码 额外（可变）环 TC（臂）环,性质：两性电离：电泳 紫外吸收：定性、定量 显色反应:变性（空间结构破坏，一结构完整）复性（去除变性因素，空间结构和 功能恢复）分子杂交：诊、治疾病,变性：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。Tm（解链温度）：DNA变性时，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度。复性：去除变性因素，在适当条件下，变性DNA恢复天然构象。核酸分子杂交：DNA复性过程中，不同来源的核酸单链分子，碱基配对形成杂化双链。,
