核酸化学.ppt

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1、第四章第四章第四章第四章生命科学学院生命科学学院生命科学学院生命科学学院张蕊张蕊张蕊张蕊2012.7.182012.7.18核酸化学核酸化学核酸化学核酸化学BiochemistryofNucleicAcid目录目录1、核酸通论2、核苷与核苷酸3、DNA的结构和生物功能4、RNA的结构和生物功能5、核酸的性质6、核酸的分离、合成和鉴定原理学习要求学习要求掌握掌握DNADNA和和RNARNA在组成、结构和功能上的差异。在组成、结构和功能上的差异。掌握掌握DNADNA双螺旋模型的要点，以及模型在生物学双螺旋模型的要点，以及模型在生物学上的意义。上的意义。掌握几种类型掌握几种类型RNARNA结构特征。

2、结构特征。掌握核酸的性质，及核酸的变性和复性。掌握核酸的性质，及核酸的变性和复性。1、核酸通论、核酸通论1.1 核酸的发现和研究工作进展1.2 核酸的概念1.3 核酸的化学组成1.4 核酸的种类、分布和生物功能1.1核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展18681868年年 FridrichFridrich MiescherMiescher从从脓细胞中提取胞中提取“核素核素”19441944年年 AveryAvery等人等人证实DNADNA是是遗传物物质19531953年年 WatsonWatson和和CrickCrick发现DNADNA的双螺旋的双螺旋结构构19581958年年 C

3、rickCrick提出提出遗传信息信息传递的的中心法中心法则19611961年年 JacobJacob和和MonodMonod提出提出操操纵子学子学说19651965年年 NirenbergNirenberg发现遗传密密码19701970年年 TeminTemin和和BaltimoreBaltimore发现逆逆转录酶19811981年年 GilbertGilbert和和SangerSanger建立建立DNA DNA 测序方法序方法19851985年年 MullisMullis发明明PCR PCR 技技术19901990年年 美国启美国启动人人类基因基因组计划划(HGP)(HGP)1994199

4、4年年 中国人中国人类基因基因组计划启划启动20012001年年 美、英等国完成人美、英等国完成人类基因基因组计划基本框架划基本框架1953 Watson1953 Watson和和CrickCrick提出提出DNADNA结构的双螺旋模型结构的双螺旋模型19196262年年获获得得诺诺贝贝尔尔生生理理学学或或医医学学奖奖(25y)(35y)核核酸酸以以核核苷苷酸酸为为基基本本结结构构单单位位,按按照照一一定定的的排排列列顺顺序序,以以3 3，5-5-磷磷酸酸二二酯酯键键相相连连接接,并并通通过过折折叠叠、卷卷曲曲形形成成具具有有特特定定生生物物学学功功能能的的线线形形或或环环形形多多聚聚核核苷苷

5、酸酸。核核酸酸与与蛋蛋白白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。核酸核酸是生命遗传信息的携带者和传递者是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化胞分化等过程中起等过程中起着重要的作用，而且与生物变异，如着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此因此，核酸的研究是，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学现代生物化学、分子生物学和和医医学学的重要基础之一。的重要基础之一。引引

6、言：核酸概述言：核酸概述1.2核酸的概念核酸的概念核酸核酸(nucleicacid)由碱基碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖戊糖和磷酸磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成，携带和传递遗传信息。1.3核酸的化学组成核酸的化学组成主要元素：主要元素：C、H、O、N、P与蛋白质比较，核酸一般不与蛋白质比较，核酸一般不含含S，而，而P的含量较为稳定，的含量较为稳定，占占911%实验室中用实验室中用定磷法定磷法进行核酸的定量分析。进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）1.4核酸的种类、分布和生物功能核酸的种类、分布和生物功能 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

7、外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。9 90%0%分布胞液分布胞液，10%10%分布胞核分布胞核(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)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(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。信使信使RNA转移转移RNA核糖体核糖体RNA细胞质细胞质细胞质细胞质（75%75%）线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体（15%1

8、5%）细胞核（细胞核（10%10%）RNA核质区（拟核）核质区（拟核）质粒质粒DNA(染色体以染色体以外的外的DNA)DNA)细胞核细胞核（95%95%）线粒体、叶绿线粒体、叶绿体（体（5%5%）DNA原核生物原核生物真核生物真核生物2、核苷与核苷酸、核苷与核苷酸2.2 2.2 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2.3 2.3 核苷酸的理化性核苷酸的理化性质2.4 2.4 核苷酸的核苷酸的连接方式接方式2.1 核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖嘌呤：嘌呤：A、G嘧啶：嘧啶：C、T、U脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖2.1核苷酸核苷酸核酸的基本结构单位是核苷酸核苷酸(

9、nucleotide)(nucleotide)DNA,RNADNA,RNA中主要的碱基、核苷中主要的碱基、核苷 戊糖戊糖 碱碱基基 核苷核苷 RNA RNA D-D-核糖核糖 A A 腺嘌呤腺嘌呤核苷核苷 G G 鸟嘌呤核苷鸟嘌呤核苷 C C 胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷 U U 尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷DNA DNA D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖 A A 脱氧腺嘌呤核苷脱氧腺嘌呤核苷 G G 脱氧鸟嘌呤核苷脱氧鸟嘌呤核苷 C C 脱氧胞嘧啶核苷脱氧胞嘧啶核苷 T T 脱氧胸腺嘧啶核苷脱氧胸腺嘧啶核苷核糖核糖核苷核苷脱氧核脱氧核糖核苷糖核苷2.1.1戊糖戊糖（构成（构成RNA）12345-D-核糖核糖

10、(ribose)（构成（构成DNA）-D-脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H2.1.2碱基碱基嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)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)碱基的互变异构酮式烯醇 C=O C-OH N N 受介质pH影响在生理在生理pH下，下，在生物体内，在生物体内，碱基多以碱基多以酮式酮式存在。存在。2.1.3核苷核苷核苷核苷：A、G、C、U；脱氧核苷脱氧核苷：dA、dG、dC、dTN-N-糖苷糖苷键：糖与碱基之间的

11、C-N键1911核苷的构象核苷的构象DNA双螺旋中的糖苷键为反式修饰核苷修饰核苷核酸中还存在少量修饰核酸中还存在少量修饰核苷，有三种：核苷，有三种：由由稀有碱基稀有碱基参与，如：参与，如：5-5-甲基脱氧胞苷，甲基脱氧胞苷，次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷由由稀有戊糖稀有戊糖参与，如参与，如：2 2-O O-甲基胞苷甲基胞苷碱基与戊糖连接方式特碱基与戊糖连接方式特殊殊，如：，如：假尿苷假尿苷（）C C 1 1-C-C5 5 5-5-甲基脱氧胞苷甲基脱氧胞苷2-O-2-O-甲基胞苷甲基胞苷次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷假尿苷（假尿苷（）DNADNA的甲基化导致基因沉默的甲基化导致基因沉默核苷的表示：核苷的表示

12、：核苷：核苷：A A、G G、C C、U U脱氧核苷：脱氧核苷：dA,dG,dC,dTdA,dG,dC,dT修饰核苷：修饰核苷：如如5-5-甲基胞嘧啶：甲基胞嘧啶：m m5 5dCdC核苷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP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）。2.1.4核苷酸核苷酸(ribonucleotide)5 53 32 2与一个磷酸与一个磷酸结合合MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸与二个磷酸结

13、合合DP：如：ADP与三个磷酸与三个磷酸结合合TP：如：ATP 一、核苷酸一、核苷酸a.a.环核苷酸环核苷酸：核糖核糖3-,5-3-,5-成环成环。cAMPcAMP、cGMPcGMP 功能：功能：第二信使，激素、一第二信使，激素、一些药物、神经递质通过些药物、神经递质通过其发挥生理作用。其发挥生理作用。2.2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b.b.多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：指含两个以上磷酸基的核苷酸指含两个以上磷酸基的核苷酸,如如ADP ADP、ATP ATP、GDPGDP、GTP GTP、UDPUDP和和UTPUTP等等.ATP ATP在细胞能量代谢上起着极其重

14、要的作用。在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。UTPUTP参与糖原合成作用以供给能量参与糖原合成作用以供给能量,UDPUDP有携带有携带转运葡萄糖的作用。转运葡萄糖的作用。GDPGDP和和GTPGTP为蛋白质生物合成的起始和延伸提供为蛋白质生物合成的起始和延伸提供能量。能量。AMPAMPADPADPATPATP c.c.含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NADNAD+、NADPNADP+、CoACoA-SH-SH、FAD FAD 等都含有等都含有 AMP;AMP;NAD NAD+及及FADFAD是生物氧化体系的重要组成成分，是生物氧化体系的重要组成成分，在传递氢原子或电子中有着重

15、要作用。在传递氢原子或电子中有着重要作用。CoACoA作为作为有些酶的辅酶成分有些酶的辅酶成分,参与糖有氧氧化及脂肪酸氧参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化过程。化过程。NADP+NAD+d核苷多磷酸和寡核苷多磷酸类化合物核苷多磷酸和寡核苷多磷酸类化合物蛋白质生物合成有关，或对基因转录有调节功能鸟苷-5-二磷酸-3-二磷酸（ppGpp）2.3 核苷酸的理化性质2.3.1 一般物理性质2.3.2 互变异构现象2.3.3 紫外吸收特性2.3.4 核苷酸的解离性质2.3.1一般物理性质一般物理性质无色粉末易溶于水，不溶于有机溶剂具有旋光性酸性溶液中不酸性溶液中不稳定，易破坏定，易破坏中性或碱性溶液中中性或碱性

16、溶液中稳定定2.3.2互变异构现象互变异构现象凡碱基上有酮基的核苷酸有酮式和烯醇式的互变异构现象在生理pH下，在生物体内，碱基多以酮式存在。酮式存在。2.3.3紫外吸收特性紫外吸收特性核苷酸的碱基具有共轭双键结构，所以核苷酸在紫外光区具有强烈的吸收，其最大吸收在最大吸收在260nm处。2.3.4核苷酸的解离性质核苷酸的解离性质碱基杂环：N原子及其取代基具有结合和释放质子的能力，所以核苷酸具有解离性质磷酸基团：可以解离的，并且其解离对整个核苷酸的解离所带的净电荷量有着重要影响5端端3端端2.4 2.4 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

17、，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA3、DNA的结构的结构DNADNA的一的一级结构构DNADNA的二的二级结构构-双螺旋双螺旋结构构DNADNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点DNADNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNADNA的超螺旋的超螺旋结构及其在染色构及其在染色质中的中的组装装DNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNADNA的高级结构的高级结构DNADNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装DNADNA的的结构与功能关系构与功能关系3.1DNA的一级结构的一级结构定义定义

18、核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的连连接接方方式式和和排排列列顺顺序。序。55端端3端端CGADNADNA的的碱碱基基顺顺序序本本身身就就是是遗遗传传信信息息存存储储的的分分子子形形式式。生生物物界界物物种种的的多多样样性性即即寓寓于于DNADNA分分子子中中四四种种脱脱氧氧核核苷苷酸酸千千变变万万化化的的不不同同排排列列组合之中。组合之中。AGP5 PTPGPCPTPOH3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH3 5 ACTGCT3 线条式线条式字母式字母式 碱基序列碱基序列从左到右表示从左到右表示5 35 3，由，由3-,53-,5磷酸二磷酸二酯键连接。接。若两若两链反向平行，反向

19、平行，则需注明每条需注明每条链的走向。的走向。如：如：5 5A-T-G-C-C-T-G-A A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T T-A-C-G-G-A-C-T 5 5一、核苷酸一、核苷酸读向读向限制性内切酶限制性内切酶测定测定1000bp以上的以上的DNA序列序列3.2.1DNA双螺旋结构的研究背双螺旋结构的研究背景和历史意义景和历史意义碱基组成分析碱基组成分析Chargaff规则规则：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DNADNA双螺旋结构

20、发现的历史意义：双螺旋结构发现的历史意义：揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制开创了现代分子生物学开创了现代分子生物学生物学发展史上的里程碑生物学发展史上的里程碑3.2.2DNA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，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一公共轴盘。一公共轴盘。u形形成成大大沟沟(major groove)及及小沟小沟(minorgroove)相间。相间。嘌呤嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋碱和嘧啶

21、碱基位于螺旋的的内侧内侧;磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖基基位位于于螺螺旋旋外外侧侧，彼彼此此以以3,5-3,5-磷磷酸酸二二酯键酯键连接，形成连接，形成DNADNA分子的分子的骨架。骨架。碱碱基基环环平平面面与与螺螺旋旋轴轴垂垂直直，糖糖基基环环平平面面与与碱碱基基环环平平面面成成9090角。角。3.2.2DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）3.2.2DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）u螺旋直径为螺旋直径为2nm，相邻碱基，相邻碱基平面距离平面距离0.34nm，螺旋一圈螺旋一圈螺距螺距3.4nm，一圈，一

22、圈10对碱基。对碱基。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）。碱基互补配对碱基互补配对TAGC3.2.2DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性u碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵纵向向稳定性稳定性。u离离子子键键屏屏蔽蔽磷磷酸酸基基团团之之间间的的静电斥力静电斥力3.2.3DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性当当D DN NA A钠盐纤维相相对湿湿度度和和盐的的种种类改改变时，D DN NA

23、A的的构构象象发生生改改变。B-A-DNA、B-DNA和和Z-DNA的的主要结构特点主要结构特点结构特点结构特点 A-DNAA-DNAB-DNAB-DNAZ-DNAZ-DNA螺旋方向螺旋方向右手右手左手每一碱基对旋转角度每一碱基对旋转角度 32.734.630每一转的碱基对数每一转的碱基对数1110.4 12碱基对相对螺旋轴碱基对相对螺旋轴的倾斜角度的倾斜角度 191.29每一碱基对沿螺旋每一碱基对沿螺旋轴上升的距离轴上升的距离0.23nm 0.33nm0.38nm螺距螺距2.46nm3.40nm4.56nm螺旋直径螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nmH-DNA:三条链局部螺旋三

24、条链局部螺旋3、DNA的结构的结构DNADNA的一的一级结构构DNADNA的二的二级结构构-双螺旋双螺旋结构构DNADNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点DNADNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNADNA的超螺旋的超螺旋结构及其在染色构及其在染色质中的中的组装装DNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNADNA的高级结构的高级结构DNADNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装DNADNA的的结构与功能关系构与功能关系超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或或supercoil)

25、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。3.3.1DNA的超螺旋结构的超螺旋结构3.3.1DNA的超螺旋结构的超螺旋结构特点特点：可将可将长链压缩在在一一较小体内；小体内；密度大；密度大；凝胶凝胶电泳中移泳中移动速度快。速度快。二、二、DNADNA 拓扑学拓扑学可用来研究两个相互缠绕在一起的可用来研究两个相互缠绕在一起的环在几何形态上的相互关系。环在几何形态上的相互关系。连环数连环数(linking(linking numbernumber，L L)：指一条链以右：指一条链以右手螺旋绕另一条链的次数手螺旋绕另一条链的次数。扭转数扭转数（twistingtwisti

26、ng number,number,T T）：）：WatsonWatson-Crick Crick 螺旋数目螺旋数目。超螺旋数超螺旋数（缠绕数，（缠绕数，writhingwrithing number,number,W W）L=T+WL=T+W 3.3.1DNA的超螺旋结构的超螺旋结构W0W0,即即LT,L0,W0,即即LT,LT,正超螺旋（右手正超螺旋（右手）一个给定环状一个给定环状DNADNA分子因拓扑学性分子因拓扑学性质的不同而产生的不同形式，例如松质的不同而产生的不同形式，例如松弛型和超螺旋型，称为拓扑异构体。弛型和超螺旋型，称为拓扑异构体。正超螺旋正超螺旋(positivesuperc

27、oil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相双螺旋方同相同同负超螺旋负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反意义意义1、使、使DNA形成高度致密状态从而得以装入中；形成高度致密状态从而得以装入中；2、推动、推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。部变性，利于复制和转录。3.3.2原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构3.3.3DNA在真核生物细胞核内在真核生物细胞核内的组装的组装真真核核生

28、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真核生物的染色质丝组蛋白八聚体：组蛋白八聚体：H2A H2B H3 H4H2A H2B H3 H4各各2 2个分子个分子从从DNADNA到染色质丝，到染色质丝，DNADNA压缩压缩了近了近100100倍，若从倍，若从DNADNA到最后到最后凝缩成染色体，凝缩成染色体，DNADNA压缩了近压缩了近万倍。万倍。3、DNA的结构的结构DNADNA的一的一级结构构DNADNA的二的二级结构构-双螺旋双

29、螺旋结构构DNADNA的超螺旋的超螺旋结构及其在染色构及其在染色质中的中的组装装DNADNA的的结构与功能关系构与功能关系DNADNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质DNADNA一级结构的特点一级结构的特点DNADNA一级结构的改变一级结构的改变DNADNA技术应用：基因重组、克隆（略）技术应用：基因重组、克隆（略）3.4DNA的结构和功能的关系的结构和功能的关系3.4.1 DNA是主要的遗传物质l1944 1944 AveryAvery 等成功进行肺炎球菌转化试验；等成功进行肺炎球菌转化试验；3.4.1 DNA3.4.1 DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质19521952年，美国冷泉港年

30、，美国冷泉港 Hershey-ChaseHershey-Chase噬菌体浸染细菌的实验。噬菌体浸染细菌的实验。(侵染大肠杆菌的病毒侵染大肠杆菌的病毒)35S32P蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA3.4.1DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质按照自身的结构将遗传信息精确复制传递给子代作为模板将储存的遗传信息传给mRN3.4.2DNA一级结构的特点一级结构的特点基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列（DNA或RNA）是遗传物质的最小功能单位。基因-有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的基本遗传单位。遗传学深入学习范畴遗传学深入学习范畴1）原核生物基因组：）原核生

31、物基因组：二、二、DNADNADNADNA大部分为结构基大部分为结构基因，每个基因出现频率因，每个基因出现频率低。低。功能相关基因串联在功能相关基因串联在一起，并转录在同一一起，并转录在同一mRNAmRNA中（多顺反子）。中（多顺反子）。有基因重叠现象。有基因重叠现象。2）真核生物基因组：）真核生物基因组：一般基因分布在若干染色体上。A、有重复序列B、有断裂基因：内含子（intron)：DNA分子中不编码的序列。外显子(exons)：DNA分子中可表达的序列。二、二、DNADNA单拷贝序列单拷贝序列中度重复序列高度重复序列内含子与外显子内含子与外显子mRNA1 872bp内含子（intron)

32、：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。transcription原核生物和真核生物基因组比较原核生物和真核生物基因组比较原核生物基因组特点重复序列少，多为编码区多为操纵子形式组织有重叠基因存在真核生物基因组特点重复序列多，大量序列不编码蛋白质（即间隔序列）不连续基因由内含子与外显子交替排列组成以染色体存在3.4.3DNA一级结构的一级结构的改变改变DNADNA变异与异与进化化基因突变：基因突变：个别个别dNMPdNMP（脱氧单磷酸核苷）残基（脱氧单磷酸核苷）残基以至片段以至片段DNADNA在结构、复制或表型功能的异常在

33、结构、复制或表型功能的异常变化。随机性、稀有性、可逆性、少利多害性变化。随机性、稀有性、可逆性、少利多害性基因重组：基因重组：生物在有性生殖的过程中，控制不生物在有性生殖的过程中，控制不同性状的基因自由组合的过程。同性状的基因自由组合的过程。DNADNA变异与疾病异与疾病镰刀型细胞贫血症（点突变）镰刀型细胞贫血症（点突变）癌变癌变一母生九子一母生九子九子各不同九子各不同 重组重组DNADNA技术来源于技术来源于两个方面的基础理论研究两个方面的基础理论研究限制性核酸内切酶（简限制性核酸内切酶（简称限制酶）称限制酶）和和基因载体基因载体（简称载体）（简称载体）。约翰霍普金斯大学约翰霍普金斯大学的的

34、丹尼尔丹尼尔那森斯那森斯、汉弥尔顿汉弥尔顿史密斯史密斯与与伯克利加州大学伯克利加州大学的的沃纳沃纳亚伯亚伯因为限制酶的发现及研因为限制酶的发现及研究，而共同获得究，而共同获得1978年的年的诺诺贝尔生理学或医学奖贝尔生理学或医学奖。3.4.4基因重组与遗传工程基因重组与遗传工程4、RNA组成：组成：4 4种核苷酸（种核苷酸（A AU UGCGC），有稀有碱基；），有稀有碱基；连接：连接：3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键形成：一般以形成：一般以DNADNA为模板合成，有例外。为模板合成，有例外。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。DNARNA糖糖脱氧核

35、糖脱氧核糖核糖核糖碱基碱基AGCTAGCU不含稀有碱基不含稀有碱基含稀有碱基含稀有碱基双链双链单链，局部双链单链，局部双链RNARNA与与DNADNA的差异的差异4、RNA的结构的结构1234.1mRNA结构与功能结构与功能约占总RNA的3%-5%，含量最少，种类最多，寿命较短。成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有（细胞核内合成）。mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。*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。

36、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原核细胞原核细胞mRNA的结构的结构原核原核细胞胞mRNAmRNA的的结构与真核构与真核细胞胞显著不同：著不同：无内含子5端无帽状结构3端不含polyA结构一般为多顺反子结构（解释），即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质的生物合成，mRNA代谢很快，代谢半衰期一般以秒计，很少达到10min以上。hnRNA内含子内含子(intron)mRNA*真核真核hn

37、mRNAmRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子(exon)*真核真核mRNA结构特点：单顺反子结构特点：单顺反子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。帽子结构帽子结构 mm7 7G G 5 5ppp ppp 5 5 Np (O Np (O型型)m m7 7G G 5 5ppp ppp 5 5

38、 NmpNp (I NmpNp (I型型)m m7 7G G 5 5ppp ppp 5 5 NmpNmpNp(II NmpNmpNp(II型型)指指55端核糖端核糖甲基化的情况甲基化的情况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eIF4A帽结合蛋白（帽结合蛋白（CBPs)polyA结合蛋白结合蛋白(PAB)4.2转运转运RNA的结构与功能的结构与功能转运运RNARNA是是具有携具有携带并并转运氨基酸功运氨基酸功能的一能的一类小分子核糖核酸小分子核糖核酸，简称称tRNAtRNAtRNAtRN

39、A约占占总RNARNA的的10-15%10-15%。结构构一级结构一级结构二级结构：二级结构：三叶草型三叶草型三级结构：三级结构：倒倒L L型型4.2转运转运RNA的结构与功能的结构与功能tRNAtRNA的一的一级结构特点构特点相对分子量较小相对分子量较小，分子量，分子量2500025000左右，沉降系数为左右，沉降系数为4S4S左右，大约由左右，大约由70709090个个核苷酸组成。核苷酸组成。33末端为末端为 CCA-OH CCA-OH，55末端大多数为末端大多数为G G 含有较多的修饰成分含有较多的修饰成分：稀：稀有碱基和稀有核苷有碱基和稀有核苷*tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶

40、草形氨基酸接受臂氨基酸接受臂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*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、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的白质的翻译翻译。约占全部约占全部RNARNA的的80%80%，核糖体核糖体的主要组成部分。的主要组成部分。rRNArRNA的的功功能能与与蛋蛋白白质质生生物物合合成成相相关关，可可分分别别与与mRNAmRNA、tRNAtRNA作作用用，催催化化肽肽键键的的形形成成。(19921992年年,H.F.Noller,H.F.Noller等等证证明明23S23S rRNArR

41、NA有有核核酶酶活性活性,催化肽键的形成催化肽键的形成)（见蛋白质（见蛋白质生物合成）生物合成）4.3核蛋白体核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*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5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA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30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质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

42、%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940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%核蛋白体的组成核蛋白体的组成4.4其他小分子其他小分子RNA及及RNA组学组学除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。snmRNAssnmRNAs的的种类种类

43、核内小核内小RNARNA核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNARNA催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。4.5 RNA4.5 RNA的功能的功能1 1、RNARNA在传递遗传信息上的作用在传递遗传信息上的作用2 2、催化作用、催化作用3 3、在、在DNADNA复制、转录、翻译中起重要调复制、转录、翻译中起重要调控作用；控作用；如如 miRNAmiRNA，siRNAsiRNA等等。4 4、可作为遗传物质（如逆转录病毒）、可作为遗传物质（如逆转录病毒）;RNA即可为遗传物质，又可行使

44、蛋白质的功能，故即可为遗传物质，又可行使蛋白质的功能，故RNA在生命起源于生物进化的研究中有重要意义在生命起源于生物进化的研究中有重要意义RNARNA组组 学学 研研 究究 细细 胞胞 中中 非非 信信 使使 小小RNARNA（snmRNAs）的的种种类类、结结构构和和功功能能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时间间、不不同同状状态态下下snmRNAs的的表表达达具具有有时时间和空间特异性。间和空间特异性。RNARNA组组学学是是基基因因组组学学和和蛋蛋白白质质组组学学研研究究的扩充、发展和延伸。的扩充、发展和延伸。RNARNA组学组学5、核

45、酸的性质、核酸的性质5.1 5.1 一般理化性一般理化性质5.2 5.2 紫外吸收性紫外吸收性质5.3 5.3 核酸的核酸的变性性5.4 5.4 核酸的复性和分子核酸的复性和分子杂交交5.5 5.5 核酸的沉降特性和浮力密度核酸的沉降特性和浮力密度5.1一般理化性质一般理化性质两性两性电解解质核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离；溶解性溶解性DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。粘度高粘度高一般DNA比RNA粘度高。水解性水解性可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。RNA的等电点比DNA

46、低的原因，RNA分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离，DNA没有这种作用5.2紫外吸收性质紫外吸收性质碱基具共轭双键强烈吸收碱基具共轭双键强烈吸收碱基具共轭双键强烈吸收碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm260-290nm波段波段波段波段紫外光，紫外光，紫外光，紫外光，最大吸收峰在最大吸收峰在最大吸收峰在最大吸收峰在260nm260nm附近。附近。附近。附近。5.2紫外吸收性质紫外吸收性质1 1、DNADNA或或RNARNA的定量的定量ODOD260260=1.0=1.0相当于相当于5050 g/mlg/ml双链双链DNADNA4040 g/mlg/ml单链单链DNADNA

47、（或（或RNARNA）2020 g/mlg/ml寡核苷酸寡核苷酸2 2、确定所提取的核酸是否、确定所提取的核酸是否纯品。品。1 1）DNADNA：1.8 1.8 纯品品 ODOD260260/OD/OD280280 1.8 RNA 1.8 RNA 污染染 1.8 protein 1.8 protein 污染染 2 2）RNARNA：ODOD260260/OD/OD280 280 2.0 2.0 纯品品3、紫外可使相邻、紫外可使相邻TT间形成共价结合的间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体，引起基因突变。胸腺嘧啶二聚体，引起基因突变。A=TC=GT=AT=A紫外A=TC=GT AT A5.3核酸的变性核

48、酸的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，核酸的双螺旋结在某些理化因素作用下，核酸的双螺旋结构破坏，氢键断裂，变成单链，构破坏，氢键断裂，变成单链，并不涉及并不涉及共价键的断裂共价键的断裂。方法：方法：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。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高黏度下降黏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DNADNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质

49、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。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 A260260（absorbanceabsorbance，A A，A A260260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，所得的曲线称为解链曲线所得的曲线称为解链曲线。Tm：热热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

50、这一一范范围围内内，DNA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，即即DNA的的双双螺螺旋旋结结构构失失去去一一半半时时的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度，又称熔解温度度，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。影响影响Tm的因素：的因素：DNA的均一性的均一性G-C含量含量Tm与与G-C含量成正比含量成正比介质中的离子强度介质中的离子强度离子强度低，离子强度低，Tm低，低，熔解温度范围宽。熔解温度范围宽。T Tmm大小可反映出大小可反映出DNADNA的均一性的均一性：均质：均质DNADNA的的熔解过程发生在一个较小的温度范围内；熔