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1、目目 录录分分 子子 生生 物物 学学 Molecular Biology生化与分子生物学研究所目目 录录 核酸的结构与功能目目 录录核核 酸酸(nucleic acid)是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大为基本组成单位的生物大分子，携带和传递分子，携带和传递遗传信息遗传信息。目目 录录 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸
2、携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。核酸的分类、分布及功能核酸的分类、分布及功能目目 录录第一节第一节核酸核酸的化学组成及其一级结构的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目目 录录核酸的化学组成核酸的化学组成 1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱
3、，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)目目 录录嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基目目 录录嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)目目 录录戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)目目 录录核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,d
4、CR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1.核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。11目目 录录核苷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 2.核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物l含核苷酸的生物
5、活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPAMPADPADPATPATPcAMPcAMPNADP+NAD+目目 录录5端端3端端3.3.核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA目目 录录二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，
6、所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA目目 录录一、一、DNA的二级结构的二级结构(secondary structure)双螺旋结构双螺旋结构(double helix)（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：
7、A=TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNADNA分分子子由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。螺螺旋旋直直径径 为为 2.372.37nm，形形 成成 大大 沟沟(major groove)及及小小沟沟(minor
8、groove)相间。相间。目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.54nm，一圈，一圈10.5对碱基。对碱基。目目 录录目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 TAGC（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基
9、堆堆积积力力维维持持双双链链纵向稳定性纵向稳定性。目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录目目 录录 常常见见的的DNA双双螺螺旋旋有有A-DNA、B-DNA、Z-DNA几几种种类类型型，这这三三者者都都是是双双螺螺旋旋，不不过过A-DNA、B-DNA都都是是右右手手螺螺旋旋，Z-DNA是是左左手手螺螺旋旋；三三者者的的内内径径、螺螺距距、每每转转碱碱基基对对数数目目等等都都有所不同。有所不同。DNA 纤纤维维的的构构象象主主要要有有A、B两两种种类类型型，不不过过，在在生生物物体体内内，DNA 主主要要是是以以B型型存存在在（就就是是我我们们常常说说的的DN
10、A双双螺螺旋旋结结构构模模型型），B型型和和Z型可以相互转化，这与基因的调控有关。型可以相互转化，这与基因的调控有关。目目 录录二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋
11、方向相反 目目 录录relaxedsupercoiledTelephone cord目目 录录（二）原核生物（二）原核生物DNA的高级结构的高级结构目目 录录（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真真核核生生物物染染色色体体由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4目目 录录目目 录录目目 录录由许多核小体形成的串珠样结构又进一步盘曲成直径为 30nm 的中空的染色质纤维，称为螺线管。目目 录录目目 录录三、三、DNA的
12、功能的功能DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的信息基础。的信息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基基因的功能。因的功能。目目 录录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA目目 录录RNA的分子结构的分子结构 AMP,GMP,CMP,UMP 稀有碱基稀有碱
13、基 单链，局部双螺旋单链，局部双螺旋目目 录录 RNA分子中相邻的两个核糖核苷酸也是以3，5-磷酸二酯键连接形成多聚核糖核苷酸链。RNA的一级结构是指多聚核糖核苷酸链中核糖核苷酸的排列顺序。RNA分子是单链结构，其核苷酸残基数目在数十至数千之间，分子量一般在数百至数百万之间。RNA的多核苷酸链可以在某些部分弯曲折叠，形成局部双螺旋结构，此即RNA的二级结构。在RNA的局部双螺旋区，腺嘌呤（A）与尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）之间进行配对，无法配对的区域以环状形式突起。这种短的双螺旋区域和环状突起称为发夹结构。RNA在二级结构的基础上进一步弯曲折叠就形成各自特有的三级结构。目目 录录R
14、NA的种类、分布、功能的种类、分布、功能一一、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *mRNA成熟过程成熟过程外显子外显子(exon)目目 录录目目 录录*mRNA结构特点结构特点1.大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C2也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。目目 录录帽子结构帽子
15、结构目目 录录mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能尾的功能目目 录录*mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则，抄抄录录并并传传送送至至核核糖糖体体，用用以以决决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 目目 录录
16、*tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020%稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3末端为末端为 CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能目目 录录N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 目目 录录*tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环目目 录录*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基
17、酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的翻译。白质的翻译。目目 录录*rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*rRNA的功能的功能参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所。目目 录录*rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA目目 录录目目 录录核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of N
18、ucleic Acid第第 四四 节节目目 录录目目 录录一、核酸的紫外吸收一、核酸的紫外吸收呤呤1.DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用的应用目目 录录二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：
19、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后理化性质变化：变性后理化性质变化：OD260增高增高 生物活性丧失生物活性丧失目目 录录目目 录录DNADNA变性的本质是双链间氢键的断裂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例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。目目 录录热变性热变性解解链链曲曲线线：如如果果在在连连续续加加热热DNADNA的的过过程程中中以以温温度度对对A
20、260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代代表表溶溶液液在在260nm260nm处处的的吸吸光光率率）值值作作图图，所所得得的的曲曲线线称称为为解解链曲线链曲线。目目 录录 Tm：变变性性是是在在一一个个相相当当窄窄的的温温度度范范围围内内完完成成，在在这这一一范范围围内内，紫紫外外光光吸吸收收值值达达到到最最大大值值的的50%时时的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度度，又又称称融融解解温温度度(melting temperature,Tm)。其其大大小小与与G+C含量成正比。含量成正比。目目 录录三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交
21、 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing)。目目 录录目目 录录在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分
22、分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这这种种现现象象称称为为核核酸酸分子杂交。分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)目目 录录目目 录录DNA-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
23、源的DNA分子分子目目 录录目目 录录核酸探核酸探针 能能特特异异性性地地探探测带某某一一特特定定序序列列的的DNA或或RNA分分子子的的标记核核酸酸分分子子。可可用用放放射射性性同同位位素素或或非非放放射射性性物物质标记特特定定DNA或或RNA顺序序,与与样品品中中互互补顺序序发生生特特异异的的碱碱基基配配对结合合,然然后后用用放放射射自自显术或或其其他他显示示系系统高高敏敏感感性性地地检测出出来来。主主要要方方法法有有Southern、Northern、原原位位杂交交等等,这些些均均已广泛已广泛应用于分子生物学中基因的用于分子生物学中基因的检测和定位。和定位。目目 录录第第 五五 节节 核
24、核 酸酸 酶酶 Nuclease目目 录录 核核酸酸分分解解的的第第一一步步是是水水解解核核苷苷酸酸之之间间的的磷磷酸酸二二酯酯键键，在在高高等等动动植植物物中中都都有有作作用用于于磷磷酸酸二二酯酯键键的的核核酸酸酶酶。不不同同来来源源的的核核酸酸酶酶，其其专专一一性性、作作用用方方式式都都有有所所不不同同。有有些些核核酸酸酶酶只只能能作作用用于于RNA，称称为为核核糖糖核核酸酸酶酶（RNase），有有些些核核酸酸酶酶只只能能作作用用于于DNA，称称为为脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸酶酶（DNase），有有些些核核酸酸酶酶专专一一性性较较低低，既既能能作作用用于于RNA也也能能作作用用于于DNA，因
25、因此此统统称称为为核核酸酸酶酶（nuclease）。根根据据核核酸酸酶酶作作用用的的位位置置不不同同，又又可可将将核核酸酸酶酶分分为为核核酸酸外外切切酶酶（exonuclease）和和核酸内切酶核酸内切酶（endonuclease）。）。目目 录录一、核酸外切酶有些核酸酶能从DNA或RNA链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于DNA的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA的核酸外切酶称为核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于DNA或RNA。核酸外切酶从3端开始逐个水解核苷酸，称为35外切酶，水解产物为5核苷酸；核酸外切酶从5端开始逐个水解核苷酸，称为53外切酶
26、，水解产物为3核苷酸。目目 录录二、核酸内切酶核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5磷酸二酯键，把磷酸基团留在3位置上，称为5-内切酶；而有些仅水解3-磷酸二酯键，把磷酸基团留在5位置上，称为3-内切酶。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求。目目 录录 20世纪70年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链DNA上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease，简称限制酶）。当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源DNA在细菌细胞内的表达，而细菌本身的DNA由于
27、在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰，不被水解，从而得到保护。近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前已提纯的限制性核酸内切酶有100多种，许多已成为基因工程研究中必不可少的工具酶。目目 录录u参参与与DNA的的合合成成与与修修复复及及RNA合合成成后后的的剪剪接接等重要基因复制和基因表达过程等重要基因复制和基因表达过程 u负负责责清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 u在消化液中降解食物中的核酸以利吸收在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 u体外重组体外重组DNA技术中的技术中的重要工具酶重要工具酶 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 核酸酶的功能核酸酶的功能