第二章核酸的结构和功能模板与应用课件.pptx

1、核核 酸酸()是以核苷酸为基本组成单位的生物大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。分子，携带和传递遗传信息。一、核酸的发现和研究工作进展 18681868年年 从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”19441944年年 等人证实是遗传物质等人证实是遗传物质 19531953年年 和发现的双螺旋结构和发现的双螺旋结构 19681968年年 发现遗传密码发现遗传密码 19751975年年 和发现逆转录酶和发现逆转录酶 19811981年年 和建立和建立 测序方法测序方法 19851985年年 发明发明 技术技术 19901990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组

2、计划()()19941994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动 20012001年年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90%90%以上分布于细胞核，其余分布以上分布于细胞核，其余分布于线粒体、叶绿体、质粒等。于线粒体、叶绿体、质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(,)(,)(,)(,)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，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()()。参与细胞内遗传信息的表达。参与细胞内遗传信息的表达。某些病毒也可作为遗传信息的某些病

3、毒也可作为遗传信息的载体。载体。第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构 核酸的化学组成核酸的化学组成 1.1.元素组成元素组成C C、H H、O O、N N、P P（9 910%10%）2.2.分子组成分子组成 碱基碱基()()：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖()()：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸()()磷磷酸酸 核核糖糖 核核酸酸核核苷苷酸酸 戊戊糖糖 核核苷苷 脱脱氧氧核核糖糖 嘌嘌呤呤碱碱 含含氮氮碱碱 嘧嘧啶啶碱碱 基基嘌呤嘌呤()NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌

4、呤(guanine,G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶()胞嘧啶胞嘧啶(,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3 中含有的碱基是：中含有的碱基是：A T C GA T C G 中含有的碱基是：中含有的碱基是：A U C GA U C G 紫外吸收的特性（共轭双键）紫外吸收的特性（共轭双键）吸收波长：吸收波长：260260 用于定量测定用于定量测定戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxy

5、ribose)核苷：核苷：,脱氧核苷：脱氧核苷：,一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1.1.核苷核苷(ribonucleoside)(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）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1 1 1核苷：戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成 糖苷键11N9N1 假尿嘧啶（）核苷 的糖苷键不是键，而是键POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：,脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：,2.2.核苷酸核苷酸()()的结构与命名的结构与命

6、名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键核苷（脱氧核苷）和磷酸以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）。核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名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 含核苷酸的生物活性物质：l 、等都含有 l 多磷酸核苷酸：，多磷酸核苷酸：，l 环化核苷酸环化核苷酸:，NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADPNADP+NADNAD+5 端端3 端端3.3.核苷酸的连接核

7、苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以3,5-3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键连接形成多核苷连接形成多核苷酸链，即核酸。酸链，即核酸。CGA二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义:核酸中核苷酸的排列核酸中核苷酸的排列顺序。顺序。由于核苷酸间的差异由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。以也称为碱基序列。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 3 5 A C T G C T 3 核酸具有方向性，一端称为核酸具有方向性，一端称为5-5-端，另一端称为端，另一端称为3-3-端端第二节第二节的空间结构与功能的空间结构

8、与功能 一、一、的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）双螺旋结构的研究背景（一）双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff Chargaff 规则：规则：A=TA=T G G C C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-TA-T、G-CG-C以以氢键配对较合理氢键配对较合理 DNADNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （二）（二）双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （,1953,1953）l 分子是反向平行的互补双分子是反向平行的互补双链结构；链结构；l 骨架：骨架：-脱氧核糖脱氧核糖-磷酸磷酸-l 碱基：碱基：“挂挂”在主链骨在主链骨架上架

9、上l 分子为右手螺旋结构分子为右手螺旋结构l 螺旋直径为螺旋直径为2 2，形成大沟及，形成大沟及小沟。小沟。l 相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.340.34，螺，螺旋一圈螺距旋一圈螺距3.43.4，一圈，一圈1010对对碱基碱基l 维系键：疏水作用力，氢键维系键：疏水作用力，氢键碱基堆积力：碱基平面碱基堆积力：碱基平面之间的疏水作用力之间的疏水作用力氢键：垂直螺旋轴居双氢键：垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对基形成氢键配对 碱基互补配对碱基互补配对:A=T;G C（三）双螺旋结构的多样性（三）双螺旋结构的多样性二、的超螺旋结构及其在染色质中的组装二、的超螺旋结

10、构及其在染色质中的组装（一）的超螺旋结构（一）的超螺旋结构超螺旋结构：超螺旋结构：双螺旋链再盘绕即双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋()()盘绕方向与双螺旋方同盘绕方向与双螺旋方同相同相同 负超螺旋负超螺旋()()盘绕方向与双螺旋方向相盘绕方向与双螺旋方向相反反 意义意义超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于复制和转录过程具有关键作用。控对于复制和转录过程具有关键作用。（三）在真核生物细胞核内的组装（三）在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由和蛋白质真核生物染色体由和蛋白质构成，其基本单位是构成，其基本单位是 核小体

11、核小体()()。核小体的组成核小体的组成：约：约200 200 组蛋白：组蛋白：H1H1H2AH2A，H2BH2BH3H3H4H4真核生物中的核小体结构：双螺旋形成超螺双螺旋形成超螺旋结构，再与核内旋结构，再与核内的蛋白质结合，形的蛋白质结合，形成核小体的结构成核小体的结构 缠绕八聚体缠绕八聚体 1.751.75圈，然后与圈，然后与H1H1连接，连接，形成串珠状结构形成串珠状结构三、的功能三、的功能的基本功能是以基因的形式荷载遗传信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命遗传的物质基础

12、，也是个体生命活动的信息基础。息基础。基因从结构上定义，是指分子中的特定基因从结构上定义，是指分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。功能。基因（）基因（）:分子中具有特定生物学功能的分子中具有特定生物学功能的片段片段基因组（）：一个生物体的全部序列称。基因组（）：一个生物体的全部序列称。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒毒4040的基因组大小为的基因组大小为5.15.1103103，大肠杆，大肠杆菌为菌为5.75.7106106，人为，人为3 3109109。第三节第三节 的结构与功能的结构与功能

13、通常以单链形式通常以单链形式存在，但也可形存在，但也可形成局部的双螺旋成局部的双螺旋结构。结构。分子的种类较多，分子的种类较多，分子大小变化较分子大小变化较大，功能多样化。大，功能多样化。的种类、分布、功能的种类、分布、功能核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的

14、的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运

15、rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA一一、信使、信使()5-帽子结构帽子结构 编码序列编码序列 3-多聚多聚A结构结构*结构特点结构特点1.1.大多数真核的大多数真核的5 5 末端均在转录后加上一个末端均在转录后加上一个7-7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C C 2 2也是甲也是甲基化，形成帽子结构：基化，形成帽子结构：m7m7。2.2.大多数真核的大多数真核的3 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸()()结结构，称为多聚构，称为多聚A A尾。尾。帽子结构帽子结构55核

16、内向胞质的转位核内向胞质的转位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 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A A尾的功能尾的功能编码区：分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，编码区：分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（）这种核苷酸三联体称为遗传密码（）功能功能:为蛋白质的合成提供模板为蛋白质的合成提供模板*的功能的功能:为蛋白质的合成提供模板为蛋白质的合成提供模板把所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，把所携带的遗传信息，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抄录并

17、传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。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 *的一级结构特点的一级结构特点 是分子最小是分子最小(70(709090个核苷酸）个核苷酸）含含 10-20%10-20%稀有碱基，如稀有碱基，如 、等等 3 3 末端为末端为 (氨基酸臂）氨基酸臂）5 5 末端大多数为末端大多数为G G 具有具有 T TC C 二、转运二、转运()()NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNH

18、CH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSO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 *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 环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TCTC环环氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环3 端可以结合氨基酸反密码环可以与上的密码子配对将合适的氨基酸携带到合适的位置的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料成中转运氨基酸原料 :可以和结合的 :结合了的 命名原则：命名原则：*的三级结构的三级结构 倒倒L L形形*的功能

19、的功能活化、搬运氨基酸到核活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻糖体，参与蛋白质的翻译。译。三、核蛋白体三、核蛋白体()()*的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。是细胞中含量是细胞中含量最多的，占总最多的，占总量的量的80%80%。*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 28S 5.8S 18S 原核生物原核生物5S 23S 16S 核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40S16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋

20、白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60S23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%四四 、其他小分子及组学、其他小分子及组学除了上述三种外，细胞的不同部位存在除了上述三种外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子，统称为非小的许多其他种类的小分子，统称为非小(,(,)的种类的种类核内小核内小核仁小核仁小胞质小胞质小催化性小催化性小小片段干涉小片段干涉 的功能

21、的功能参与和的加工和转运。参与和的加工和转运。组学研究细胞中的种类、结构和功能。组学研究细胞中的种类、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、不同状态下的表达具有时间和空不同时间、不同状态下的表达具有时间和空间特异性。间特异性。组学组学核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质 第第 四四 节节一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 核酸具有酸性；核酸具有酸性；分子粘度大；分子粘度大；分子粘度小分子粘度小 能吸收紫外光，最大吸收峰为能吸收紫外光，最大吸收峰为260260。可用于。可用于核酸的定性和定量测定。核酸的定性和定量测定。1.

22、1.或的定量或的定量260=1.0260=1.0相当于相当于5050双链双链4040单链（或）单链（或）2020寡核苷酸寡核苷酸2.2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度纯品纯品:260280=1.8:260280=1.8纯品纯品:260280=2.0:260280=2.0260260的应用的应用二、的变性二、的变性()()定义：在某些理化因素作用下，双链解开成两定义：在某些理化因素作用下，双链解开成两条单链的过程。条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理

23、化性质变化：变性后其它理化性质变化：增色效应增色效应 粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失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的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：变性时其溶液增色效应：变性时其溶液260260增高的现象。增高的现象。热变性解链曲线：如果解链曲线：如果在连续加热的过在连续加热的过程 中 以 温 度 对程 中 以 温 度 对A260A260（，（，A A，A260A260代表溶液在代表溶液在260260处处的吸光率）值作的吸光

24、率）值作图，所得的曲线图，所得的曲线称为解链曲线。称为解链曲线。：变性是在一个相当：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值光吸收值达到最大值的的50%50%时的温度称为的时的温度称为的解链温度，又称融解解链温度，又称融解温度温度(,)(,)。的高低与分子中的含量有关，的含量越高，则越高。三、的复性三、的复性 复性复性()()的定义的定义在适当条件下，变性的两条互补链可恢复天然的在适当条件下，变性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。双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应减色效应复性时，其溶液复性时，其溶液2

25、60260降低。降低。热变性的经缓慢冷却后即可复性，这一过热变性的经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火程称为退火()()。两条来源不同的单链核酸（或），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，在适宜的条件（温度及离子强度）下，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。四、分子杂交与探针技术 核酸杂交可以是，也可以是杂交。不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为同源顺序。探针技术探针技术 利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的或片段。物种中具有同源顺序的或片段。在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的在核酸杂交

26、分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。片段称为探针。核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究分子中某一种基研究分子中某一种基因的位置因的位置定两种核酸分子间的定两种核酸分子间的序列相似性序列相似性检测某些专一序列在检测某些专一序列在待检样品中存在与否待检样品中存在与否是基因芯片技术的基是基因芯片技术的基础础 第五节第五节 核核 酸酸 酶酶 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶核酸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酶酶()()：专一降

27、解。：专一降解。酶酶 ()()：专一降解。：专一降解。依据切割部位不同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。内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：5 5 33 或或3 3 55 核酸外切酶。核酸外切酶。u参与的合成与修复及合成后的剪接等重要基参与的合成与修复及合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程因复制和基因表达过程 u负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，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体外重组技术中的重要工具酶体外重组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 u 催化性催化性DNA(DNAzyme)DNA(DNAzyme)人工合成人工合成的寡聚脱氧的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解核苷酸片段，也能序列特异性降解RNARNA。u 催化性催化性RNA(ribozyme)RNA(ribozyme)作为作为序列特异性的核酸内切酶降解序列特异性的核酸内切酶降解mRNAmRNA。T.Cech T.Cech 19881988年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖