核酸的结构与功能 (2)精选课件.ppt

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1、目目 录录关于核酸的结构与功能(2)第一页，本课件共有75页目目 录录 以单核苷酸为基本单位组成的生物以单核苷酸为基本单位组成的生物大分子。是生物遗传的物质基础。大分子。是生物遗传的物质基础。核酸核酸(nucleic acid):第二页，本课件共有75页目目 录录 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（核糖核酸（RNA）核酸核酸mRNAtRNA rRNA第三页，本课件共有75页目目 录录第一节第一节核酸的化学组成和一级结构核酸的化学组成和一级结构The Chemical Component of Nucleic Acid第四页，本课件共有75页目目 录录核酸的化学组成核酸的化学组成 1

2、.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)第五页，本课件共有75页目目 录录嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基第六页，本课件共有75页目目 录录嘧啶嘧啶(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)第七页，本课件共有75页目目 录录戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核

3、糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)第八页，本课件共有75页目目 录录核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1.核苷核苷(nucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通碱基和核糖（脱氧核糖）通过过糖苷键糖苷键连接形成核苷（脱氧核连接形成核苷（脱氧核苷）。苷）。11第九页，本课件共有75页目目 录录核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 2.核苷酸核苷酸(nucleotide)的结构与命名的结构

4、与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（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）。第十页，本课件共有75页目目 录录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含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第十一页，本课件共有75页目目 录录二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列列顺序。

5、顺序。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，所所以以也称为也称为碱基序列碱基序列。5端端3端端CGA第十二页，本课件共有75页目目 录录5端端3端端核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接形成多核苷酸链，形成多核苷酸链，即核酸。即核酸。CGA第十三页，本课件共有75页目目 录录A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第十四页，本课件共有75页目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and F

6、unction of DNA第十五页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 20世纪世纪20年代，年代，大多数科学家认为蛋白质是遗大多数科学家认为蛋白质是遗传物质，而不是传物质，而不是DNA1944年年Avery等利用从致病肺炎等利用从致病肺炎球菌中提取的球菌中提取的DNA使另一种非使另一种非致病性致病性（无夹膜（无夹膜）肺炎球菌的肺炎球菌的遗传性状改变而成为致病菌遗传性状改变而成为致病菌（有夹膜（有夹膜），证实了遗传物质，证实了遗传物质是是DNA而非蛋白质而非蛋白质 Avery第十六页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背

7、景 1951年，年，Pauling利用利用X线晶线晶体衍射技术发现了蛋白质体衍射技术发现了蛋白质的的螺旋结构螺旋结构 螺旋结构理论首次解释了生物螺旋结构理论首次解释了生物大分子的空间结构大分子的空间结构 Linus Pauling螺旋结构的提出对螺旋结构的提出对DNA二级二级结构的发现也起了很重要的启结构的发现也起了很重要的启发作用发作用 第十七页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1952年，年，Chargaff等科学家等科学家采用层析和紫外吸收光谱分采用层析和紫外吸收光谱分析等技术发现了析等技术发现了DNA碱基的碱基的组成规律（组成规律（Charga

8、ff定律）定律）Chargaff第十八页，本课件共有75页目目 录录Chargaff定律定律 A=T，G=C不同种属不同种属DNA的的4种碱基组成不同种碱基组成不同 碱基组成没有组织和器官的特异性碱基组成没有组织和器官的特异性 揭示了揭示了DNA分子碱基之间存在分子碱基之间存在A与与T，G与与C的的互补配对关系互补配对关系 第十九页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1953年，年，Franklin获得高质量的获得高质量的DNA X射线射线衍射图谱衍射图谱 第二十页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1953年，年

9、，Wilkins发发表了表了DNA X射线衍射线衍射的分析数据射的分析数据 第二十一页，本课件共有75页目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 综合了前人的研究成果，综合了前人的研究成果，Watson和和 Crick提出了提出了DNA分子的双螺旋结构模分子的双螺旋结构模型型，并于并于1953年年4月月在英在英国国Nature杂志上发表杂志上发表 Watson Crick第二十二页，本课件共有75页目目 录录第二十三页，本课件共有75页目目 录录1958年，年，Franklin因癌因癌症离开了人世，年仅症离开了人世，年仅37岁岁 诺贝尔奖的遗憾诺贝尔奖的遗憾Pauling 错误

10、地分析了错误地分析了X射线照片中射线照片中DNA的密度，的密度，由此得出了由此得出了DNA是一个是一个三螺旋分子的错误结论，三螺旋分子的错误结论，从而与诺贝尔奖失之交从而与诺贝尔奖失之交臂臂第二十四页，本课件共有75页目目 录录一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构第二十五页，本课件共有75页目目 录录（一）（一）DNA双螺旋结构提出的依据双螺旋结构提出的依据 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=T G=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 第二十六页，本

11、课件共有75页目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分分子子是是反反向向平平行行的的互互补补双双链链结结构构，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕公公共共轴轴盘盘旋旋。螺螺旋旋直直径径为为2.37nm，形形成成大沟及小沟相间。大沟及小沟相间。第二十七页，本课件共有75页目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴在在内内侧侧，与与对对侧侧碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对

12、形形式式：A=T;G C）。相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.54nm，一圈一圈10.4对碱基。对碱基。第二十八页，本课件共有75页目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 TAGC第二十九页，本课件共有75页目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵纵向向稳稳定性。定性。第三十页，本课件共有75页目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性第三十一页，本课件共有75页目目 录录二、二、DNA的超

13、螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构（supercoil）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。负超螺旋负超螺旋正超螺旋正超螺旋DNA双螺旋双螺旋拓扑异构酶拓扑异构酶第三十二页，本课件共有75页目目 录录（二）原核生物（二）原核生物DNA的三级结构的三级结构第三十三页，本课件共有75页目目 录录（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真真核核生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

14、核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4第三十四页，本课件共有75页目目 录录第三十五页，本课件共有75页目目 录录第三十六页，本课件共有75页目目 录录三、三、DNA的功能的功能以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基因复制和转录的模板。基因复制和转录的模板。基基因因：是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，包含有编码生物活性产物的信息单位。包含有编码生物活性产物的信息单位。第三十七页，本课件共有75页目目 录录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA第三

15、十八页，本课件共有75页目目 录录RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能第三十九页，本课件共有75页目目 录录一一、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *真核生物真核生物mRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子(exon)*mRNA含量较少含量较少(占细胞总占细胞总RNA的的35),种类最多种类最多 第四十页，本课件共有75页目目 录录*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，用用以以决决定定其其合合成成蛋蛋白质的氨基酸排列顺序。白质的氨

16、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 第四十一页，本课件共有75页目目 录录*真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点1.5末端形成帽子结构：末端形成帽子结构：m7GpppNm-。2.3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称结构，称为多聚为多聚A尾。尾。第四十二页，本课件共有75页目目 录录帽子结构和帽子结构和PolyA尾巴尾巴第四十三页，本课件共有75页目目 录录mRNA核内向胞质的转位核内向胞质

17、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：第四十四页，本课件共有75页目目 录录 tRNA是细胞内分子量最小的是细胞内分子量最小的RNA（占总（占总RNA的的15）二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能 含含 1020%稀有碱基包括双氢尿嘧稀有碱基包括双氢尿嘧啶啶(DHU)、假尿嘧啶、假尿嘧啶()和甲基化的嘌和甲基化的嘌呤等呤等 第四十五页，本课件共有75页目目 录录N,N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 第四十六页，本课件共有75

18、页目目 录录 氨基酸臂氨基酸臂 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的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形第四十七页，本课件共有75页目目 录录*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翻译。白质的翻译。第四十八页，本课件共有75页目目 录录1.如果一种如果一种tRNA上的反密码子是上的反密码子是GUA，则，则它能结合的它能结合的mRNA上的密码子是：上的密码子是：ACAT BCAU CUAC DTAC E不能确定不能确定2.与与mRNA上上ACG密码子相应

19、的密码子相应的tRNA反密反密码子是：码子是：AUGC BTGC CGCA DCGU ECGT第四十九页，本课件共有75页目目 录录*细胞内含量最多的细胞内含量最多的 RNA,占占RNA总量总量 的的80以上以上 三、核糖体三、核糖体RNA的结构与功能的结构与功能*rRNA的功能的功能参参 与与 组组 成成 核核糖糖体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合合成成的的场场所。所。第五十页，本课件共有75页目目 录录核糖体的结构核糖体的结构第五十一页，本课件共有75页目目 录录核糖体的组成核糖体的组成原核生物（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

20、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%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%第五十二页，本课件共有75页目目 录录四四、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

21、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(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。第五十三页，本课件共有75页目目 录录snmRNAs的的种类种类核内小核内小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。第五十四页，本课件共有75页目目 录录 研研究究细细胞胞中中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

22、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的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。RNA组学组学第五十五页，本课件共有75页目目 录录核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节第五十六页，本课件共有75页目目 录录腺嘌呤腺嘌呤第五十七页，本课件共有75页目目 录录1.DNA或或RNA的定量的定量A260=1.0,相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯

23、度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品:A260/A280 比值比值=1.8RNA纯品纯品:A260/A280比值比值=2.0一一、A260的应用的应用第五十八页，本课件共有75页目目 录录二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，尿素、酰胺、有机过量酸，碱，加热，尿素、酰胺、有机 溶剂溶剂(如乙醇、丙酮如乙醇、丙酮)等。等。变性后理化性质变化：变性后理化性质变化：A260增高增高粘度下降粘度下降 生物活性丧失生物活性丧失第五十九页，本课件共有7

24、5页目目 录录DNA变性的本质是变性的本质是双链间氢键的断裂双链间氢键的断裂第六十页，本课件共有75页目目 录录例：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A260增高的现象。增高的现象。第六十一页，本课件共有75页目目 录录热变性热变性熔熔解解曲曲线线：如如果果在在连连续续加加热热DNA的的过过程中以温度对程中以温度对A260值作图，所得的曲线值作图，所得的曲线。A260第六十二页，本课件共有75页目目 录录 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%时时的的温温度度称称 为为DNA的

25、的 熔熔 点点，又又 称称熔熔 解解 温温 度度(melting temperature,Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。A260第六十三页，本课件共有75页目目 录录三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。链可恢复天然的双螺旋构象。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)。第六十四页，本课件共有75页目目 录录在在DNA复复性性过过程程中中，如如果果将将

26、不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就可可以以在不同的分子间形成在不同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这种现象称为核酸分子杂交。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)第六十五页，本课件共有75页目目 录录DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子不同来源的不同来源的DNA分子分子第六十六页，本课件共有75页目目 录录第六十七页，本课件共有75页目目 录录核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用1.研究研究DNA分子中某

27、一种基因的位置分子中某一种基因的位置2.鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性3.检测某些专一序列存在与否检测某些专一序列存在与否4.是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 第六十八页，本课件共有75页目目 录录 核核 酸酸 酶、酶、核核 酶与脱酶与脱氧核酶氧核酶第六十九页，本课件共有75页目目 录录核酸酶核酸酶 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)RNA酶酶(ribonuclease,RNase)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核酸外切酶核酸外切

28、酶第七十页，本课件共有75页目目 录录参与参与DNA的合成、修复及的合成、修复及RNA剪接等剪接等负责清除多余的、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降解食物中的核酸以利吸收降解食物中的核酸以利吸收 体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶 核酸酶的功能核酸酶的功能 第七十一页，本课件共有75页目目 录录 核酶与脱氧核酶核酶与脱氧核酶催化性催化性DNA(DNAzyme)人工合成的人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解性降解RNA。催化性催化性RNA(ribozyme)作为序列特作为序列特异性的核酸内切酶降解异性的核酸内切酶降解mRNA。第七十二页，本课件共有75页目目 录录第七十三页，本课件共有75页目目 录录RNA既能携带遗传信息既能携带遗传信息 又有生物催化功能。又有生物催化功能。RNA可能早于蛋白质和可能早于蛋白质和DNA，是生命起源中首先出现的生物大分子是生命起源中首先出现的生物大分子 切割癌基因、致病病毒基因切割癌基因、致病病毒基因核酶的研究意义与应用前景核酶的研究意义与应用前景第七十四页，本课件共有75页目目 录录感感谢谢大大家家观观看看第七十五页，本课件共有75页