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1、第一节 概 述第1页/共70页核 酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。第2页/共70页核酸的分类DNADNA（脱氧核糖核酸）（脱氧核糖核酸）RNARNA（核糖核酸）（核糖核酸）分布分布细胞核、线粒体细胞核、线粒体细胞核、细胞质细胞核、细胞质功能功能遗传信息的贮存和携遗传信息的贮存和携带者带者参与遗传信息的参与遗传信息的表达表达 核酸是遗传的物质基础第3页/共70页核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从人的脓细胞中分离从人的脓细胞中分离核酸核酸 1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传
2、物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架第4页/共70页第二节 核酸的基本结构单位核苷酸第5页
3、/共70页核酸的化学组成v元素组成 主要元素：C C、H H、O O、N N、P P 特点：一般不含S S P P含量比较恒定：9-10%9-10%应用：核酸的定量分析 注意：与蛋白质相区别第6页/共70页核酸的分子组成 核酸 核苷酸 nucleotide 磷酸 核苷 戊糖 碱基 第7页/共70页 一、碱 基v含氮杂环化合物含氮杂环化合物v分类：分类：嘌呤嘌呤purine-腺嘌呤腺嘌呤A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G 嘧啶嘧啶pyrimidine-胞嘧啶胞嘧啶C、尿嘧啶、尿嘧啶U/胸腺嘧啶胸腺嘧啶T DNA-A,G,C,T RNA-A,G,C,U第8页/共70页嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(ade
4、nine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)第9页/共70页嘧啶嘧啶(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)第10页/共70页v稀有碱基：正常碱基的衍生物，甲基化、羟基化等 含量低第11页/共70页v碱基的互变异构 酮式烯醇式 氨基亚氨基 引起DNADNA结构的变化，在基因突变和生物进化中有重要意义。第12页/共70页氨式亚氨式互变异构第13页/共70页酮式烯醇式互变异构第14页/共70页二、戊糖 （构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyr
5、ibose)H第15页/共70页三、三、核苷核苷 戊糖戊糖C1C1与嘧啶与嘧啶N1N1或嘌呤或嘌呤N9N9形成形成N-CN-C糖苷键糖苷键第16页/共70页四、核苷酸四、核苷酸 戊糖戊糖C5羟基与磷酸缩合形成酯键羟基与磷酸缩合形成酯键 (d)NMP、（、（d）NDP、（、（d）NTP 环化核苷酸环化核苷酸 如：如：cAMP、cGMP 第17页/共70页第18页/共70页第19页/共70页第20页/共70页五、多核苷酸的连接及表示方式五、多核苷酸的连接及表示方式3 3,5,5-磷酸二酯键磷酸二酯键多聚核苷酸是通过一分子核苷酸的多聚核苷酸是通过一分子核苷酸的C C3 3-OH-OH与另与另一分子核
6、苷酸的一分子核苷酸的5 5-磷酸基形成磷酸二酯键相连磷酸基形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。而成的链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNADNA链链 由核糖核苷酸聚合而成的称为由核糖核苷酸聚合而成的称为RNARNA链链多核苷酸链的方向性多核苷酸链的方向性:5:5 磷酸末端、磷酸末端、3 3 羟羟基末端基末端表示方法表示方法第21页/共70页第22页/共70页OHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTAChapter 2
7、第23页/共70页DNA与与RNA结构对比结构对比DNADNARNARNA碱基碱基A A、G G、C C、T TA A、G G、C C、U U戊糖戊糖脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖核苷核苷 脱氧腺苷、鸟苷、脱氧腺苷、鸟苷、胞苷、胸苷胞苷、胸苷腺苷、鸟苷、胞腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷苷、尿苷核苷核苷酸酸dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP、dTMPdTMPAMPAMP、GMPGMP、CMPCMP、UMPUMP第24页/共70页第三节 DNA分子的结构与功能第25页/共70页一、DNA的一级结构n核苷酸的排列顺序，即碱基序列核苷酸的排列顺序，即碱基序列n遗传信息储存于一级结构中遗传信息储存于
8、一级结构中n稳定因素：稳定因素：3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键第26页/共70页二、DNA的二级结构 1.双螺旋结构，1953年,Watson&Crickn两条多核苷酸链，反向平行，右手螺旋两条多核苷酸链，反向平行，右手螺旋 n直径约直径约2nm2nm，每个螺旋结构含，每个螺旋结构含1010对碱基，螺距对碱基，螺距3.4nm3.4nm，大沟与小沟，大沟与小沟 n脱氧核糖和磷酸交替出现在双螺旋外侧，组成脱氧核糖和磷酸交替出现在双螺旋外侧，组成DNADNA骨架，碱基位于内部骨架，碱基位于内部n两条链之间，两条链之间，碱基互补配对碱基互补配对 A-T G-CA-T G-C，方向垂直方向垂直长轴长轴n形
9、成大沟和小沟形成大沟和小沟(有助于有助于DNA结合蛋白与之识别和结合蛋白与之识别和结合结合)n维系双螺旋稳定：氢键、碱基堆积力维系双螺旋稳定：氢键、碱基堆积力 第27页/共70页第28页/共70页第29页/共70页碱基互补配对 TAGC第30页/共70页2.DNA结构的多样性结构的多样性右手螺旋：右手螺旋：B型（主要）、型（主要）、A型、型、C型、型、D型型左手螺旋：左手螺旋：Z型型第31页/共70页三、DNA的三级结构双螺旋进一步折叠、盘曲形成超螺旋（正、负）双螺旋进一步折叠、盘曲形成超螺旋（正、负）生物体闭环生物体闭环DNA均以超螺旋形式存在（均以超螺旋形式存在（病毒、细菌、病毒、细菌、线
10、粒体线粒体DNA结构）结构）第32页/共70页真核生物基因组真核生物基因组DNA结构结构 真核生物染色体真核生物染色体DNADNA呈线性，染色体的基呈线性，染色体的基本结构单位是核小体本结构单位是核小体（nucleosome）核心组蛋白核心组蛋白(H2A、H2B、H3、H4）核小体核心颗粒核小体核心颗粒 串珠样核小体串珠样核小体 DNAH1、DNA第33页/共70页第34页/共70页第35页/共70页超螺旋的生物学意义n 便于包装压缩倍数压缩倍数7 6 40 5 7 6 40 5 （14001400）DNA DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10n
11、m 30nm 400nm 2-10m2nm 10nm 30nm 400nm 2-10m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装n 影响与调节分子的作用第36页/共70页Chapter 2第37页/共70页第四节 RNA分子的结构与功能第38页/共70页RNARNA分子结构特点：四种基本的核苷酸通过四种基本的核苷酸通过3 3,5,5-磷酸二酯键形磷酸二酯键形成的多核苷酸链成的多核苷酸链主要为单链，可局部互补主要为单链，可局部互补（A-U、C-G）形成双形成双链（发卡结构）链（发卡结构）RNARNA的种类:mRNA mRNA 信使RNARNAtRNA tRNA 转运
12、RNARNArRNA rRNA 核糖体RNARNAhnRNA hnRNA 不均一核RNARNAsnRNA snRNA 核小RNARNA第39页/共70页一、细胞内主要RNA的结构与生物学意义信使RNARNA转运RNARNA核糖体RNARNA第40页/共70页 （一）信使（一）信使RNAvmessenger RNA,mRNA 功能：转录遗传信息，蛋白质生物合成的模板。v占总量的1-5%v种类多，分子大小差异大v不稳定,寿命短第41页/共70页真核细胞真核细胞mRNA结构特点结构特点v5端帽子结构端帽子结构 5端第一个核苷酸都是甲基化端第一个核苷酸都是甲基化G(m7G),5-5三三磷酸酯键磷酸酯键
13、.保护保护5端免受降解，并在翻译中起作用端免受降解，并在翻译中起作用v3端尾巴结构端尾巴结构 多聚腺苷酸多聚腺苷酸(poly A),20-200个个 维持稳定和翻译活性维持稳定和翻译活性v碱基修饰碱基修饰v编码区和非编码区编码区和非编码区(UTR)v单顺反子单顺反子:一条一条mRNA只为一种蛋白质编码只为一种蛋白质编码.第42页/共70页第43页/共70页5端帽子结构端帽子结构第44页/共70页原核细胞原核细胞mRNA结构特点结构特点v多顺反子：一分子mRNA含有多个蛋白质的遗传信息,为多种蛋白质编码.v无帽子、尾巴结构v无碱基修饰第45页/共70页第46页/共70页（二）转运（二）转运RNA
14、vtransfer RNA,tRNA 功能：转运特异氨基酸至核糖体功能：转运特异氨基酸至核糖体,参与蛋白质生物参与蛋白质生物合成合成v占总量的占总量的15%v种类多，每种氨基酸至少一种相应的种类多，每种氨基酸至少一种相应的tRNA与之结与之结合合第47页/共70页一级结构特点一级结构特点 1.单链小分子：单链小分子：73-93个核苷酸个核苷酸 2.较多稀有碱基较多稀有碱基 3.5端磷酸化，端磷酸化，5 pG常见常见 4.3端端CCA-OH：携带氨基酸部位：携带氨基酸部位二级结构二级结构-三叶草形三叶草形 局部互补配对形成双链结构（茎环样结构）局部互补配对形成双链结构（茎环样结构）具有四环四臂具
15、有四环四臂 第48页/共70页4个环：DHU环(二氢尿嘧啶环）反密码环 TC环 可变环（附加叉）4个臂：氨基酸臂 接收活化的氨基酸 D臂 反密码子臂 TC臂第49页/共70页tRNAtRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形结合氨基酸部位结合氨基酸部位反密码子环反密码子环第50页/共70页（三）核糖体（三）核糖体RNA ribosomal RNA，rRNA功能：与蛋白质构成核糖体功能：与蛋白质构成核糖体(ribosome)，是蛋白，是蛋白质生物合成的场所质生物合成的场所细胞内含量最丰富，细胞内含量最丰富，80%核糖体核糖体:大亚基大亚基接受氨基酸接受氨基酸 小亚基小亚基结合结合mRNA 原核
16、生物原核生物70S 70S 小亚基小亚基30S 30S(16S rRNA)大亚基大亚基50S 50S(5S 23S rRNA)真核生物真核生物80S 80S 小亚基小亚基40S 40S(18S rRNA)大亚基大亚基60S 60S(28S 5.8S 5S rRNA)第51页/共70页二、细胞内其他二、细胞内其他RNA（一）（一）具有催化活性的具有催化活性的RNARNA 核酶核酶（ribozyme)（二）不均一核（二）不均一核RNARNA（hnRNAhnRNA）真核细胞真核细胞mRNAmRNA的前体的前体 加工：加帽，加尾，剪接，修饰，编辑加工：加帽，加尾，剪接，修饰，编辑，10%0%第52页/
17、共70页hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子(exon)第53页/共70页（三）小分子非编码（三）小分子非编码RNA 核小核小RNARNA（snRNAsnRNA）与蛋白质组装成核小核蛋白颗粒（与蛋白质组装成核小核蛋白颗粒（snRNP)snRNP)参与参与mRNAmRNA的剪接、加工的剪接、加工 质内小RNA（scRNA）与蛋白质组装成质内小核与蛋白质组装成质内小核蛋白颗粒蛋白颗粒（scRNP)scRNP)功能不清功能不清 核仁小RNA（snoRNA）与rRNA的甲基化有关 微小RNA(miRNA），小干扰RNA(siRNA）第54页/共70
18、页RNA组学 研究对象：细胞内各种小分子非编码RNA的表达、结构 和功能。第55页/共70页第五节 核酸的理化性质第56页/共70页一、核酸的一般理化性质n生物大分子生物大分子n较强酸性较强酸性 酸性条件下稳定酸性条件下稳定n黏度黏度 DNARNADNARNAnDNA易断裂，易断裂，RNA易降解易降解第57页/共70页 二、紫外吸收n碱基中含有共轭双键，最大吸收峰碱基中含有共轭双键，最大吸收峰260nm，OD260n可用于核酸的定性、定量分析可用于核酸的定性、定量分析n1 OD260=50g DNA双链/40g RNA/33g DNA单链nOD260/OD280判断核酸样品的纯度 DNA纯品:
19、OD260/OD280 大于1.8 RNA纯品:OD260/OD280 大于2.0第58页/共70页 三、变性、复性和杂交三、变性、复性和杂交（一）变性（一）变性(denaturation)n概念概念：理化因素，破坏氢键、碱基堆积力，导致：理化因素，破坏氢键、碱基堆积力，导致DNA二级结构破坏，二级结构破坏，DNA双链解离成为两条单双链解离成为两条单链链n变性后理化性质的改变变性后理化性质的改变：黏度降低 OD260增高 浮力、密度增加 生物活性丧失 第59页/共70页第60页/共70页增色效应增色效应(hyperchromic effect)吸光度：吸光度：天然天然DNA变性后变性后DNA
20、游离核苷酸混合物吸光度之和游离核苷酸混合物吸光度之和第61页/共70页解链温度解链温度(melting temperature，Tm)n50%双螺旋结构被破坏双螺旋结构被破坏n影响影响Tm值的因素：值的因素：碱基组成碱基组成(GC含量含量)分子长度分子长度 变性条件变性条件第62页/共70页（二）复性（renaturation)DNA复性的定义复性的定义在适宜条件下，变性在适宜条件下，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。分子基础分子基础：碱基互补配对：碱基互补配对减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其
21、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，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火(annealing)。第63页/共70页（三）分子杂交（三）分子杂交（hybridization)n不同来源的核苷酸链之间的复性。不同来源的核苷酸链之间的复性。DNA-DNA,RNA-DNA,RNA-RNA之间杂交。之间杂交。n 分子基础：碱基互补配对分子基础：碱基互补配对n分子探针技术分子探针技术 探针探针:经同位素标记的已知序列的核酸片断经同位素标记的已知序列的核酸片断第64页/共70页第65页/共70页第66页/共70页第六节 核酸酶第67页/共70页核酸酶（nu
22、clease)n定义：所有可以水解核酸的酶的总称。n分类：按底物：DNA酶、RNA酶 按催化部位：外切核酸酶 内切核酸酶一般核酸内切酶一般核酸内切酶限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶第68页/共70页本章要点本章要点核酸元素组成特点核酸元素组成特点.各种碱基各种碱基,核苷和核苷酸的核苷和核苷酸的中文名称及英文缩写符号中文名称及英文缩写符号.DNA与与RNA分子组分子组成的异同成的异同.核苷酸之间的连接方式核苷酸之间的连接方式;碱基配对规律碱基配对规律DNA的分子结构与功能：二级结构的分子结构与功能：二级结构RNA的分子结构与功能：三种的分子结构与功能：三种RNA的结构特点的结构特点核酸的理化性质
23、：紫外吸收、变性及复性、核酸的理化性质：紫外吸收、变性及复性、Tm 杂交杂交deoxyribonucleic aciddeoxyribonucleic acid，ribonucleic acidribonucleic acidnucleotidenucleotide，purinepurine，pyrimidinepyrimidine，adenineadenineguanineguanine，cytosinecytosine，thyminethymine，uraciluracildouble helix double helix，annealingannealing 第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页