分子生物学原理--核酸结构与功能课件.ppt

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1、2022-5-23分子生物学原理第三章第三章核酸的结构与核酸的结构与功能功能Nucleic Acid structure and Function 2022-5-23分子生物学原理什么是核酸什么是核酸?核酸是遗传信息物质核酸是遗传信息物质2022-5-23分子生物学原理核酸的结构与功能核酸的结构与功能遗 传 信 息 的 存 储 和 携 带 者脱 氧 核 糖 核 酸遗 传 信 息 表 达核 糖 核 酸核 酸DNA(deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid)nucleic acid2022-5-23分子生物学原理vDNA（deoxyribonuclei

2、c acid)vRNA(ribonucleic acid)2022-5-23分子生物学原理核酸研究的历史核酸研究的历史v1869年，瑞士科学家年，瑞士科学家Miescher在外科在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物。合物。 因因 存在存在 于于 核核 中，中， 故命名为故命名为“核质核质” (nuclein)。v1889年，年，Altmann制备了不含蛋白质制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了的核酸制品，首先使用了核酸核酸(nucleic acid)这个名称。这个名称。2022-5-23分子生物学原理核酸研究的历史核酸研究的历史v19281932年，确立

3、了核酸在生命现象年，确立了核酸在生命现象中的地位。中的地位。v1944年，年，转化作用转化作用的发现，证实：的发现，证实： 核酸核酸 遗传物质遗传物质 v1953年，年，Waston和和Crick建立了建立了双螺旋双螺旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。2022-5-23分子生物学原理核酸研究的历史核酸研究的历史v早期的研究早期的研究仅将核酸看仅将核酸看成是细胞中成是细胞中的一种成分，的一种成分，后逐步证明后逐步证明核酸中含有核酸中含有戊糖，磷酸戊糖，磷酸和碱基，是和碱基，是一种线状聚一种线状聚合物。合物。2022-5-23分子生物学原理DNA is th

4、e carrier of genetic information2022-5-23分子生物学原理核核 苷苷 酸酸 的的 结结 构构 左左 边边 是是 电电 脑脑 模模 型型 ， 右右 边边 是是 简简 化化 的的 表表 示示 法法酯键糖苷键2022-5-23分子生物学原理Ribose and Deoxyribose2022-5-23分子生物学原理第一节第一节 核酸的化学核酸的化学组成组成2022-5-23分子生物学原理第一节第一节 核酸的化学组成核酸的化学组成 碱基碱基 水解水解 完全水解完全水解核酸核酸 单核苷酸单核苷酸 戊糖戊糖 磷酸磷酸2022-5-23分子生物学原理核酸的化学组成核酸的

5、化学组成Nucleic acid nucleotide phosphate + nucleoside base + pentose purine 、pyrimidineDNARNAdeoxyribonucleotideribonucleotidedeoxyribonucleosideribonucleosidedeoxyriboseribose2022-5-23分子生物学原理The structure of base嘌呤嘧碇核酸中的碱基是含氮杂环化合物：核酸中的碱基是含氮杂环化合物：2022-5-23分子生物学原理 碱基的互变异构碱基的互变异构v酮式烯醇 C=O C-OH N Nv氨基亚氨基

6、C-NH2 C=NH2 + +HN HNv 受介质pH影响2022-5-23分子生物学原理 碱基的共轭双键碱基的共轭双键v260nm波长的波长的紫外吸紫外吸收强。收强。v核酸测核酸测定的基定的基础。础。2022-5-23分子生物学原理Ribose and Deoxyribose2022-5-23分子生物学原理pentose2022-5-23分子生物学原理核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连接形成的化合物：接形成的化合物：核苷核苷2022-5-23分子生物学原理 核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成 核苷酸或脱氧核苷酸核苷酸或脱

7、氧核苷酸按组成分类：按组成分类：含有含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），），如如CMP含有含有2个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（NDP），），如如GDP含有含有3个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（NTP），），如如ATP核苷酸核苷酸2022-5-23分子生物学原理核苷酸核苷酸v许多单核苷酸在体内具有许多重要的生理功能许多单核苷酸在体内具有许多重要的生理功能v ATP是体内能量的直接来源和利用形式。是体内能量的直接来源和利用形式。v 腺苷酸是腺苷酸是NAD、FAD、辅酶辅酶A等的

8、组成成分。等的组成成分。v cAMP与与cGMP是细胞内信号转导过程中重要的调是细胞内信号转导过程中重要的调节因子节因子。2022-5-23分子生物学原理核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式Adenosine ADP ATPAMP2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理第二节第二节核酸核酸的一级结构的一级结构2022-5-23分子生物学原理核苷酸的连接核苷酸的连接(连接酶)2022-5-23分子生物学原理DNA的一级结构是通过的一级结构是通过3,5-磷酸二酯键构成一磷酸二酯键构成一个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是5-末端（游离

9、磷酸基）和末端（游离磷酸基）和3-末端（游离羟基）。是末端（游离羟基）。是指指DNA分子中核苷酸的排列顺序。分子中核苷酸的排列顺序。由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所以以DNA分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列顺序。顺序。DNA的一级结构的一级结构2022-5-23分子生物学原理53DNA的的一级结构一级结构2022-5-23分子生物学原理核酸的书写方法核酸的书写方法v5：左侧（上）：左侧（上） 3：右侧（下）：右侧（下）vAUGGC和和AGUGC的碱基组成相同，的碱基组成相同，但表示二段不同的核酸

10、序列。但表示二段不同的核酸序列。2022-5-23分子生物学原理第三节第三节 DNA的空间结构的空间结构与功能与功能2022-5-23分子生物学原理Chargaff 规则规则v腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，呤与胞嘧啶的摩尔数相等， 即：即： A=T，G=Cv不同生物种属的不同生物种属的DNA,其碱基组成不同其碱基组成不同v同一个体不同器官、不同组织的同一个体不同器官、不同组织的DNA具具有相同的碱基组成。有相同的碱基组成。v提示：提示： A与与T，G与与C之间可能以互补的之间可能以互补的方式存在。方式存在。2022-5-23分子生物

11、学原理2022-5-23分子生物学原理DNA的双螺旋结构的双螺旋结构2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理 DNA的双螺旋结构的双螺旋结构vDNA分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的双链双链组成，以组成，以右手螺旋右手螺旋方式盘旋方式盘旋v糖磷酸骨架均位于外侧，糖磷酸骨架均位于外侧，碱基在内侧碱基在内侧碱基平面之间距离为碱基平面之间距离为0.34nm。螺旋一周螺旋一周为为10碱基对，螺距为碱基对，螺距为3.4nm。v双

12、螺旋的两条链是双螺旋的两条链是反方向平行反方向平行的。的。v碱基配对碱基配对：G = C A = T。v稳定力：互补稳定力：互补碱基之间的碱基之间的氢键氢键 疏水性疏水性堆积力堆积力-碱基堆积力碱基堆积力B型型-DNA2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理DNA的三级结构的三级结构v原核生物原核生物和真核生物线粒体、叶绿体中和真核生物线粒体、叶绿体中的的DNA是是共价封闭的共价封闭的环状双螺旋，环状双螺旋，再形成超螺再形成超螺旋。旋。环状双螺

13、旋环状双螺旋超螺旋超螺旋2022-5-23分子生物学原理DNA的三级结构的三级结构v真核生物中真核生物中DNA的三级结构与蛋白质有关。的三级结构与蛋白质有关。v和和DNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。v组蛋白组蛋白H2A、H2B、H3和和H4各两个分子形各两个分子形成八聚体，被两圈成八聚体，被两圈140-145碱基对的碱基对的DNA所围绕。形成核小体。所围绕。形成核小体。vH1位于核小体之间的连接区，组成串珠状位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构结构。2022-5-23分子生物学原理DNA的三级结构的三级结构核小体核小体2022-5-23分子生物学原理202

14、2-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理 DNA的功能的功能v基因：就是基因：就是DNA大分子的一个片段，有复制、大分子的一个片段，有复制、转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基础。础。vDNA的功能：作为生物遗传信息复制的模版的功能：作为生物遗传信息复制的模版和基因转录的模版。和基因转录的模版。v一个生物体的全部基因序列称为基因组。一个生物体的全部基因序列称为基因组。2022-5-23分子生物学原理v DNA功能是储存遗传信息，保证每一种生功能是储存遗传信息，保证每一种生物机体合成它们独特的蛋白质和物机体合成它们独特的蛋白质和RNA，使

15、机体使机体按一定时间和空间顺序来合成细胞成分。按一定时间和空间顺序来合成细胞成分。v DNA is the storehouse,or cellular library that contains the information required to build a cell or organism.v 2022-5-23分子生物学原理生物体内生物体内DNA的大小的大小分子量碱基对(kb)最 简 单 的 微生物SV40 病毒31065噬菌体3.410750细菌大肠杆菌2.21094600哺乳动物小鼠1.51012230 万人1.81012280 万2022-5-23分子生物学原理第四节第四节

16、 RNA的空间结构的空间结构与功能与功能2022-5-23分子生物学原理结构：结构：RNA由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构RNA的结构和功能的结构和功能参与参与hnRNA的剪接转的剪接转运运snRNA小核小核RNA成熟成熟mRNA的前体的前体hnRNA不均一核不均一核RNA转运氨基酸转运氨基酸mt tRNAtRNA转运转运RNA蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板mt mRNAmRNA信使信使RNA核蛋白体的组成成分核蛋白体的组成成分mt rRNArRNA核蛋白体核蛋白体RNA功功 能能 线粒体线粒

17、体细胞核与胞液细胞核与胞液动物细胞内主要动物细胞内主要RNA的分布与功能的分布与功能蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所2022-5-23分子生物学原理一、信使一、信使RNA（ mRNA）传递传递DNA遗传信息的遗传信息的RNA称为信使称为信使RNA（mRNA）。）。细胞核内初合成的细胞核内初合成的mRNA前体是不均一核前体是不均一核RNA（hnRNA），），经剪接生成成熟的经剪接生成成熟的mRNA。去掉内含子（去掉内含子（intron）转录后产转录后产物，留下外显子（物，留下外显子（extron）转录后产物，转录后产物，重新连在一起。重新连在一起。2022-5-23分子生物学原理2022-5-2

18、3分子生物学原理mRNA的结构特点：的结构特点：v大多数真核大多数真核mRNA的的5-端在转录后均加上一个帽端在转录后均加上一个帽子结构。子结构。mRNA的帽子结构可保护的帽子结构可保护mRNA免受核酸酶从免受核酸酶从5端的降解作用，并在翻译起始中起重要作用。端的降解作用，并在翻译起始中起重要作用。v绝大多数真核绝大多数真核mRNA的的3-端有端有200多个腺苷酸残多个腺苷酸残基的尾巴（基的尾巴（Poly A），），其作用在于增加其作用在于增加mRNA的稳定性的稳定性和维持其翻译活动。和维持其翻译活动。2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理m7GpppG2022-5-

19、23分子生物学原理mRNA的功能的功能v mRNA的功能是把核内的功能是把核内DNA的碱基顺序（即的碱基顺序（即遗传信息）按照碱基互补原则，抄录并转移遗传信息）按照碱基互补原则，抄录并转移到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序。排列顺序。 mRNA通过三个核苷酸联成的密通过三个核苷酸联成的密码子编码氨基酸。码子编码氨基酸。2022-5-23分子生物学原理二、转运二、转运RNA（ tRNA）tRNA的结构特点：的结构特点：tRNA分子中含有较多的稀有碱基：分子中含有较多的稀有碱基：DHU、和和mG、 mA等等所有的所有的tRNA均是线性多核苷酸链，局

20、部片断由于碱均是线性多核苷酸链，局部片断由于碱基互补而形成局部双螺旋区，而非互补区则形成环基互补而形成局部双螺旋区，而非互补区则形成环状结构。整个状结构。整个tRNA的二级结构呈现三叶草结构的二级结构呈现三叶草结构tRNA中的中的3个环分别是个环分别是DHU环、环、TC环和反密码环环和反密码环tRNA的三级结构呈现倒的三级结构呈现倒L型，一端为氨基酸臂，另型，一端为氨基酸臂，另一端为反密码子一端为反密码子2022-5-23分子生物学原理tRNA的功能的功能v其功能是携带蛋白质合成所需的氨基酸，并其功能是携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按按mRNA上的密码顺序上的密码顺序“ 对号入座对号入座”地将

21、其地将其转运到转运到mRNA分子上。分子上。2022-5-23分子生物学原理tRNA的三叶草结构的三叶草结构2022-5-23分子生物学原理tRNA的三级结构的三级结构vtRNA的三级结的三级结构构 均呈均呈倒倒L字母字母形形，其，其3末端末端含含CAA-OH的氨的氨基酸臂位于一端，基酸臂位于一端，反密码环位于另反密码环位于另一端。一端。 vtRNA的三级结的三级结构的稳定力是核构的稳定力是核苷酸之间的各种苷酸之间的各种氢键。氢键。2022-5-23分子生物学原理三、核蛋白体三、核蛋白体RNA( rRNA)rRNA与蛋白质结合形成的核蛋白是细胞内蛋白质合成的场所。与蛋白质结合形成的核蛋白是细胞

22、内蛋白质合成的场所。rRNA 分子大小不均一，真核细胞的分子大小不均一，真核细胞的rRNA有有4种，其沉降系数分种，其沉降系数分别为别为28S、58S、5S和和18S。大约与大约与70种蛋白质结合而存在于的核种蛋白质结合而存在于的核蛋白体的大小亚基中蛋白体的大小亚基中rRNA的二级结构为茎环样结构。的二级结构为茎环样结构。2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理四、核酶四、核酶(ribozyme)vrRNA前体的自我剪接是由内含子催化的，其前体的自我剪接是由内含子催化的，其本质是本质是RNA。具有酶的催化活力的具有酶的催化活力的RNA就称

23、就称为为核酶核酶，核酶的发现改变了酶都是蛋白质的，核酶的发现改变了酶都是蛋白质的传统概念。传统概念。2022-5-23分子生物学原理第五节第五节核酸的理化性质核酸的理化性质及其应用及其应用2022-5-23分子生物学原理核酸的一般性质核酸的一般性质 核酸分子通常表现为较强的酸性。核酸分子通常表现为较强的酸性。 由于由于DNA分子细长，其在溶液中的粘度很高；分子细长，其在溶液中的粘度很高；RNA分子比分子比DNA短，在短，在溶液中的粘度低于溶液中的粘度低于DNA。 核酸的紫外线吸收核酸的紫外线吸收 核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在260nm波长处有最大紫外光吸

24、波长处有最大紫外光吸收。收。 蛋白质在蛋白质在280nm波长处有最大吸收，所以可利用溶液波长处有最大吸收，所以可利用溶液260nm和和280nm处吸收光度（处吸收光度（A）的比值来估计核酸的纯度。的比值来估计核酸的纯度。2022-5-23分子生物学原理DNA的理化性质及其应用的理化性质及其应用v变性变性v复性复性v增色效应增色效应v减色效应减色效应v解链温度解链温度v杂交杂交v探针探针2022-5-23分子生物学原理DNA的理化性质及其应用的理化性质及其应用v变性变性v复性复性v增色效应增色效应v减色效应减色效应v解链温度解链温度v杂交杂交v探针探针2022-5-23分子生物学原理核酸的变性与

25、复性核酸的变性与复性（一）（一）变性变性DNA变性变性是指在某些因素的作用下，维系是指在某些因素的作用下，维系DNA双螺旋的次双螺旋的次级键发生断裂，双螺旋级键发生断裂，双螺旋DNA分子被解开成单链的过程。分子被解开成单链的过程。 引起引起DNA变性的因素有加热和化学物质的作用。变性的因素有加热和化学物质的作用。 变性可使其粘度下降和紫外吸收值的改变等。变性可使其粘度下降和紫外吸收值的改变等。2增色效应和解链温度（增色效应和解链温度（Tm）。）。3GC含量越高，含量越高，Tm值越大；值越大；AT含量越高，含量越高，Tm越值小。越值小。（二）复性（二）复性1解开的两条链重新缔合形成双解开的两条链

26、重新缔合形成双螺旋，称为螺旋，称为DNA的复性或退火的复性或退火。2退火温度：比退火温度：比Tm低低25。2022-5-23分子生物学原理变性和复性变性和复性v双链分开和重新形成双链这样的过程称为变双链分开和重新形成双链这样的过程称为变性和复性。性和复性。v破坏氢键形成的因素都可能使破坏氢键形成的因素都可能使DNA变性，如变性，如过量的酸、碱或加热。过量的酸、碱或加热。2022-5-23分子生物学原理变性与复性变性与复性2022-5-23分子生物学原理增色效应和减色效应增色效应和减色效应vOD260 : 单核苷酸单核苷酸单链单链DNA双链双链DNAvDNA变性时，溶液的变性时，溶液的OD260

27、增高，称为增高，称为增色效应增色效应。v在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或解链温解链温度度(Tm)。v变性和复性是可逆的，热变性的变性和复性是可逆的，热变性的DNA经缓慢冷却后经缓慢冷却后即可复性，故复性也称为即可复性，故复性也称为退火退火(annealing)2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理杂交杂交v杂交：不同的杂交：不同的DNA链放在同一溶液中作变性链放在同一溶液中作变性处理，或把单链处理，或把单链DNA和和RNA放在一起，局部放在一起，局部的碱基配对，就可以形成局部双链。这一过的碱基配对，就可以形成局部双链。这一过

28、程称为杂交。程称为杂交。v杂交的应用。杂交的应用。 核酸分子杂交核酸分子杂交是根据两条核酸单链在一定条件下可是根据两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补原则退火形成双链的原理，用已知的单链核按碱基互补原则退火形成双链的原理，用已知的单链核苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源核酸序列的方法。核酸序列的方法。 常用的核酸分子杂交方法：常用的核酸分子杂交方法： Southern 印迹杂交、印迹杂交、Northern 印迹杂交印迹杂交 斑点杂交、狭缝杂交斑点杂交、狭缝杂交 原位杂交（菌落原位杂交、细胞原位杂交、原位杂交（菌落原位杂交、细胞原位杂

29、交、 组织片原位杂交）组织片原位杂交） 夹心杂交夹心杂交2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理2022-5-23分子生物学原理探针探针v探针：在核酸杂交的基础上发展起来的一种探针：在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究和诊断的新技术称为探针技术。用于研究和诊断的新技术称为探针技术。v单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探针。针。2022-5-23分子生物学原理探针探针v探针技术：在核酸杂交的基础上发展起探针技术：在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究和诊断的新技术。来的一种用于研究和诊断的新技术。v探针探针(probe)：经同

30、位素标记的具有特定经同位素标记的具有特定碱基序列的单链核苷酸聚合体。碱基序列的单链核苷酸聚合体。v探针可用于：基因诊断、致病基因的定探针可用于：基因诊断、致病基因的定位、位、Southern blotting、Northern blotting、原位杂交、原位杂交、DNA芯片技术等芯片技术等临床实践和科研。临床实践和科研。2022-5-23分子生物学原理第六节 核酸酶限制性内切酶的应用vAlu I .AGCT. .AG CT. .TCGA. .TC GA. vBamH I GGATCC .G GATTC. .CCTAGG CCTAG G. 2022-5-23分子生物学原理小小 结结vDNA的组成与结构及性质的组成与结构及性质 一级：碱基序列一级：碱基序列 二级：双螺旋结构二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等三级：核小体、超螺旋等vRNA的组成与结构的组成与结构 mRNA：遗传密码及其性质遗传密码及其性质 tRNA：三叶草、倒三叶草、倒L型结构、反密码子型结构、反密码子 rRNA：大、小亚基组装而成大、小亚基组装而成vDNA与与RNA的区别的区别