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1、目 录关于核酸结构与功能第一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核 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。第二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构(1962)1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码(1968)1975年年 Temin和和B
2、altimore发发现现逆转录酶逆转录酶(1975)1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法(1980)1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术(1993)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三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucle
3、ic acid,RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月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第五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成 第六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖
4、，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位第七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基第八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月n碱基
5、的互变异构体碱基的互变异构体第十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月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 第十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月戊糖（构成RNA）12345核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月脱氧核苷嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。第十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleosi
6、de)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键第十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键酯键第十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月多磷酸核苷酸第十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月含核苷酸
7、的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPNADP+NAD+第十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向 性的 线 性 分 子，称 为多 聚 脱 氧 核 苷 酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。第二十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月5-末端3-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键第二十一张
8、，PPT共八十九页，创作于2022年6月交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5 3第二十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。第二十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月n定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列列顺顺序。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，所所以以也也称为称为碱基序列碱基序列。5端3端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺
9、序第二十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3第二十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小 的 核 酸 片 段(50bp)常 被 称 为 寡 核 苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。第二十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月DNA和RNA的区别核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基核糖核酸第二十七张
10、，PPT共八十九页，创作于2022年6月第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA第二十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月DNA的 空 间 结 构 又 分 为 二 级 结 构(secondary structure)和高级结构。DNA的空间结构(spatial structure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。第二十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录一、DNA的二级结构双螺旋结构第三十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（一）DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析Cha
11、rgaff 规则：A=TG=C 碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理 DNA纤维的X-线衍射图谱分析 目 录第三十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月（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 为 2nm，形 成 大 沟(major groove)及 小 沟(minor groove)相间。目 录 模型要点-15 3 第三十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（
12、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 模型要点-2第三十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录碱基互补配对 TAGC第三十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月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 模型要点-3第三十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)要点：（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴（3）右手双螺旋：螺距
13、为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈第三十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定（6）意义:阐明了DNA的二级结构;为复制机制作了解释第三十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录（三）DNA双螺旋结构的多样性第三十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第三十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录 DNA double helix类型 helix type bp/turn rotation/bp
14、 vertical rise/bp helical d A 11 +34.7 2.56A 23A B 10 +34.0 3.38A 19A C 9.33 +38.6 3.32A 19A Z 12 -30.0 5.71A 18A第四十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录（四）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triple
15、x)。第四十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录三链结构第四十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构第四十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。第四十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 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 super
16、coil)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 第四十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第四十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录意义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。第四十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录（二）原核生物DNA的高级结构第四十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录（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
17、DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第四十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第五十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第五十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。第五十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function
18、 of RNA第五十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录RNARNA的结构特点的结构特点RNARNA是是单单链链分分子子，因因此此在在RNARNA分分子子中中，嘌嘌呤呤的的总总数数不不一定等于嘧啶的总数。一定等于嘧啶的总数。RNARNA分分子子中中，部部分分区区域域也也能能形形成成双双螺螺旋旋结结构构，这这种种结构称为结构称为“发夹型发夹型”结构结构。在在RNARNA的的双双螺螺旋旋结结构构中中，碱碱基基的的配配对对情情况况不不象象DNADNA中中严严格格。G G 除除了了可可以以和和C C 配配对对外外，也也可可以以和和U U 配配对对。G-U G-U 配配对对形形成成的的氢氢
19、键键较较弱弱。不不同同类类型型的的RNA,RNA,其其二二级级结结构构有有明显的差异。明显的差异。tRNAtRNA中中除除了了常常见见的的碱碱基基外外，还还存存在在一一些些稀稀有有碱碱基基，这这类碱基大部分位于突环部分类碱基大部分位于突环部分.第五十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录RNA的种类、分布、功能第五十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月一、信使RNA的结构与功能hnRNA 非编码区mRNA *mRNA成熟过程 编码区目 录第五十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷,形
20、成帽子结构：m7GpppN。2.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。第五十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录帽子结构第五十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录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尾的功能第五十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*mRNA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。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞 细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白
21、真核细胞 第六十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020%稀有碱基稀有碱基，如，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RNA的结构与功能第六十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录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 第六十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环：识别氨酰-tRNA合成酶 反密码环 额外环 TC环：识别核蛋白体氨基酸臂额外环第六十三张，PPT共八十九页，创
22、作于2022年6月目 录*tRNA的三级结构 倒L形*tRNA的功能识别密码子、搬运特定氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第六十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*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三、核蛋白体RNA的结构与功能第六十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录核蛋白体的大小亚基第六十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542
23、个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%第六十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。真核生物18S rRNA第六十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录四、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(
24、small non-messenger RNAs,snmRNAs)。snmRNAs第六十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录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的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运以及基因表达调控等。第七十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录 克雷格梅洛（右）和安德鲁法尔 (siRNA介导的RNA干涉，2006诺贝尔生理学与医学奖）第七十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录RNAi作用机制第七十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录RNA组学研究细胞中s
25、nmRNAs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组学第七十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第 四 节目 录第七十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录一、核酸的一般理化性质与紫外吸收一、核酸的一般理化性质与紫外吸收l酸性化合物、线性高分子酸性化合物、线性高分子l不同构象的核酸分子在离心时和电泳时的不同构象的核酸分子在离心时和电泳时的行为不一样行为不一样第
26、七十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录紫外吸收第七十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月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/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用目 录第七十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月二、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
27、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 录第七十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月例：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 录第七十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月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A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代代表表溶溶液液在在260nm260nm处处的的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线吸光率）值作图，所得的曲线称
28、为解链曲线。目 录第八十张，PPT共八十九页，创作于2022年6月 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DNA的分子大小和G+C含量成正比。目 录第八十一张，PPT共八十九页，创作于2022年6月三、DNA的复性与分子杂交 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(ann
29、ealing)。目 录第八十二张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录在DNA变性后的复性过程中，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。核酸分子杂交(hybridization)第八十三张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第八十四张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录DN
30、A-DNA杂交双链分子变性 复性 不同来源的DNA分子第八十五张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第八十六张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置确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 第八十七张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录第第 五五 节节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease第八十八张，PPT共八十九页，创作于2022年6月目 录核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶(ribonuclease,RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。第八十九张，PPT共八十九页，创作于2022年6月