核酸的组成与结构 (2).ppt

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1、 第二章第二章 核酸的组成与结构核酸的组成与结构 Nucleic acidNucleic acid 青山衬托之下，是一青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻片金灿灿的中国水稻梯田。梯田。4月月5日以中国日以中国梯田为封面的梯田为封面的 Science杂志以杂志以14页页篇幅率先发表了一个篇幅率先发表了一个重大成果重大成果中国人独中国人独立完成的论文立完成的论文水稻水稻基因组的工作框架序基因组的工作框架序列列，显示对中国科，显示对中国科学家成就充分肯定。学家成就充分肯定。核核 酸酸 (nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，的生物大分子，携带和传递遗

2、传携带和传递遗传信息。信息。n1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”n1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质是遗传物质n1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构n1968年年 Nirenberg发现遗传密码发现遗传密码n1975年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶现逆转录酶n1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法n1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术n1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)n1

3、994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动n2001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 核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展 核酸的分类及分布核酸的分类及分布 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核外外如如线线粒粒体体，叶叶绿绿体，质粒等。体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,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，决定细胞和携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型个体的基因型(g

4、enotype)。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。核酸的化学组成核酸的化学组成 1.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)1 核酸的组成单位核酸的组成单位n核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸n核酸的一级结构核酸的一级结构核酸核酸 水解水解水解水解水解水解水解水解水解水解水解水解单核苷酸单核苷酸 （B-R-P）磷酸（

5、磷酸（P）戊糖戊糖(R,dRR,dR）碱基碱基（B B）核苷核苷（B-R）图图3-1 核酸分子的组成核酸分子的组成知识点知识点 1 1n戊糖戊糖n碱基碱基n核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷n核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯 核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)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NNNHN123456789知

6、识点知识点 2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)NNH132456知识点知识点 3 O OH P OH =H3PO4 OH -=-H2PO3P磷磷 酸酸n戊糖戊糖n碱基碱基n核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷n核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯 核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸 核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷11n戊糖戊糖n碱基碱基n核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷

7、核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷n核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯 核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯知识点知识点 4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 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP、NDP、NTPAMPAMPADPADPATPATPATP的性质的性质lATP 分子的最显著特点分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。是含有两个高能磷酸键。ATP水解时

8、水解时,可以释放出可以释放出大量自由能。大量自由能。lATP 是生物体内最重要是生物体内最重要的能量转换中间体。的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需于推动生物体内各种需能的生化反应。能的生化反应。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：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPcAMPcAMPNADP+NAD+1 核酸的组成单位核酸的组成单位n核酸的基本

9、组成单位核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸n核酸的一级结构核酸的一级结构核酸的一级结构核酸的一级结构 1.定义：定义：硷基的排列顺序硷基的排列顺序 骨架链：糖骨架链：糖-磷酸链（磷酸链（R-P)连接键：连接键：3,5磷酸二酯键磷酸二酯键 侧链：碱基侧链：碱基 方向：方向：5P末端末端 3-OH末端末端 2.核苷酸的连接核苷酸的连接3.核酸分子结构表示法核酸分子结构表示法 知识点知识点5 5单核苷酸的连接单核苷酸的连接5端端3端端CGA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，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书

10、写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 2 DNA的空间结构的空间结构 一、一、DNA的二级结构双螺旋结构模型的二级结构双螺旋结构模型 二、二、DNA的三级结构的三级结构 一、一、DNA的二级结构双螺旋结构模型的二级结构双螺旋结构模型 1.双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据 2.结构要点结构要点 3.DNA结构的多样性结构的多样性 Erwin Chargaff（19051995）Chargaff 规则规则 （20世纪世纪4050年代）年代）n n 不同物种的不同物种的DNA碱基组成碱基组成不同；不同；n n 同一生物体的不同组织的同一生物体的不同组织

11、的DNA的碱基组成相同；的碱基组成相同；n n A=T，G=C，A+G=T+CRosalind Franklin Wilkins和和Franklin发现不同来源的发现不同来源的DNA纤维具有相似的纤维具有相似的X-射线衍射图谱。射线衍射图谱。DNA 分子分子X射线衍射照片射线衍射照片 Pauling 和和Corey发现发现A与与T生成生成2个氢键、个氢键、C与与G生成生成3个氢键。个氢键。1953.4.251953.4.25英国的英国的英国的英国的自然自然自然自然杂志刊登杂志刊登杂志刊登杂志刊登了了了了J.WatsonJ.Watson(1928-(1928-).H.C.Crick(1916).

12、H.C.Crick(1916)在剑桥合作的成果在剑桥合作的成果在剑桥合作的成果在剑桥合作的成果DNADNA双螺旋结双螺旋结双螺旋结双螺旋结构构构构的分子模型，这的分子模型，这的分子模型，这的分子模型，这一成就被誉为是一成就被誉为是一成就被誉为是一成就被誉为是2020世纪以来生物学方世纪以来生物学方世纪以来生物学方世纪以来生物学方面最伟大的发现，面最伟大的发现，面最伟大的发现，面最伟大的发现，是分子生物学诞生是分子生物学诞生是分子生物学诞生是分子生物学诞生的标志。的标志。的标志。的标志。James Watson&Francis rick 一、一、DNA的二级结构双螺旋结构模型的二级结构双螺旋结构

13、模型 1.双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据 2.结构要点结构要点 3.DNA结构的多样性结构的多样性 l先分析结构图先分析结构图 碱基之间形成的氢键及碱基之间形成的氢键及互补配对互补配对 l要点小结：要点小结：一、一、DNA的二级结构双螺旋结构模型的二级结构双螺旋结构模型 1.双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据 2.结构要点结构要点 3.DNA结构的多样性结构的多样性 DNA结构的多样性结构的多样性l l右手双螺旋（右手双螺旋（B-DNA）：）：生理条件下最稳定生理条件下最稳定的结构的结构l lA-DNA：右手双螺旋、螺旋直径右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距螺距2.5nm，1

14、1个碱基个碱基/周周l lZ-DNA：左手螺旋、螺旋直径左手螺旋、螺旋直径1.8nm、螺距螺距4.5nm、12碱基碱基/周、核酸链骨架显周、核酸链骨架显Z字型走行。字型走行。不同类型的不同类型的DNA结构结构某些某些DNA 具有更复杂的螺旋结构具有更复杂的螺旋结构1.Hoogsteen碱基配对碱基配对 形成三股螺旋形成三股螺旋DNA H-DNAH-DNA的结构的结构的结构的结构 2 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA2 DNA的空间结构的空间结构 一、一、DNA的二级结构双螺旋结构模型的二级结构双螺旋结构模型 二、二、DNA的三级结构的三级结构 l 原核生物原

15、核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构l 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 二、二、DNA的三级结构的三级结构 DNA的超螺的超螺旋旋结构结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构绕即形成超螺旋结构 环状环状DNA结构示意图结构示意图原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构:在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋形成超螺旋(supercoil)体积进一步压缩体积进一步压缩.知识点知识点 7意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓

16、扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录转录过程具有关键作用。过程具有关键作用。l原核生物原核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构l 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 二、二、DNA的三级结构的三级结构 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，其基本单位是成，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：H1 H2A，H2B H3 H4知识点知识点 8组蛋白是小分子量的碱性蛋白质组蛋白是小分子量的碱性蛋白

17、质 组组蛋蛋白白分分子子质质量量在在11kD到到21kD之之间间，组组蛋蛋白白中中富富含含精精氨氨酸酸和和赖赖氨氨酸酸。各各种种真真核核细细胞胞都都有有5种种组组蛋蛋白白，但但分分子子质质量量和和氨氨基基酸酸的的顺顺序序有有些些差差异异。在在所所有有真真核核生生物物中中H3，H4组组蛋蛋白白氨氨基基酸酸序序列列高高度度保保守守，提提示示功功能能是是相相同同的的。但但是是各各种种生生物物的的H1、H2A、H2B的相似性很少。的相似性很少。核小体的折叠及染色体组装核小体的折叠及染色体组装2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠逐级盘曲折叠 DNA在真核生物细胞核内的组装在

18、真核生物细胞核内的组装 （动画）（动画）3 RNA的空间结构与分类的空间结构与分类信使信使RNA(mRNA)转运转运RNA(tRNA)核蛋白体核蛋白体RNA(rRNA)RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异l基本成分的差异基本成分的差异。l结构差异：单链、局部双螺旋、碱基结构差异：单链、局部双螺旋、碱基不严格配对不严格配对。l种类较多种类较多。l较多稀有碱基较多稀有碱基知识点知识点9 两类核酸的基本成分两类核酸的基本成分RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异l基本成分的差异基本成分的差异。l结构差异：单链、局部双螺

19、旋、碱结构差异：单链、局部双螺旋、碱基不严格配对基不严格配对。RNA的结构特点的结构特点n RNA是是单单链链分分子子，因因此此，在在RNA分分子子中中，并并不不遵遵守守碱碱基基种种类类的的数数量量比比例例关关系系，即即分分子子中中的的嘌嘌呤呤碱碱基基总总数数不不一一定定等等于于嘧嘧啶啶碱碱基基的的总总数。数。RNA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，不不能能形形成成双双螺螺旋旋的的部部分分，则则形形成成突突环环。这种结构可以形象地称为这种结构可以形象地称为“发夹型发夹型”结构结构。RNA的发夹结构（突环）的发夹结构（突环）RNA的结构特点的结构特点n RNA是

20、是单单链链分分子子，因因此此，在在RNA分分子子中中，并并不不遵遵守守碱碱基基种种类类的的数数量量比比例例关关系系，即即分分子子中中的的嘌嘌呤呤碱碱基基总总数数不不一一定定等等于于嘧嘧啶啶碱碱基基的的总总数。数。n RNA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，不不能能形形成成双双螺螺旋旋的的部部分分，则则形形成成突突环环。这种结构可以形象地称为这种结构可以形象地称为“发夹型发夹型”结构结构。RNA的结构特点的结构特点n在在RNA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DNA中中严严格格。G 除除了了可可以以和和C 配配对对外外，也也可可以

21、以和和U 配配对对。G-U 配配对对形形成成的的氢氢键键较较弱。弱。RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异l基本成分的差异基本成分的差异。l结构差异：单链、局部双螺旋、碱基配对结构差异：单链、局部双螺旋、碱基配对l种类较多种类较多l较多稀有碱基较多稀有碱基 真核细胞内主要真核细胞内主要RNA的种类与功能的种类与功能 细胞核和胞液细胞核和胞液细胞核和胞液细胞核和胞液 线粒体线粒体线粒体线粒体 功能功能功能功能核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体RNARNA rRNArRNA mtmt rRNArRNA 核蛋白体的组分核蛋白体的组分核蛋白体的组分核蛋白体的组分信使信使信使信使RNARNA

22、 mRNA mRNA mtmt mRNA mRNA 蛋白质合成膜板蛋白质合成膜板蛋白质合成膜板蛋白质合成膜板转运转运转运转运RNARNA tRNAtRNA mtmt tRNAtRNA 转运氨基酸转运氨基酸转运氨基酸转运氨基酸不均一核不均一核不均一核不均一核RNARNA HnRNAHnRNA mRNA mRNA的前体的前体的前体的前体核内小核内小核内小核内小RNARNA SnRNASnRNA 参与参与参与参与HnRNAHnRNA的剪的剪的剪的剪 接、转运接、转运接、转运接、转运核仁小核仁小核仁小核仁小RNARNA SnoRNASnoRNA rRNArRNA的加工的加工的加工的加工,修饰修饰修饰修

23、饰小胞质小胞质小胞质小胞质RNARNA scRNA/7SL-RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定蛋白质内质网定蛋白质内质网定蛋白质内质网定 位合成的信号识别体的组分位合成的信号识别体的组分位合成的信号识别体的组分位合成的信号识别体的组分3 RNA的空间结构与分类的空间结构与分类信使信使RNA(mRNA)转运转运RNA(tRNA)核蛋白体核蛋白体RNA(rRNA)RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异 mRNA(信使信使RNA)Messenger RNAn n约占总约占总RNA的的3%。n不不同同细细胞胞的的mRNA的的链链长长和和分分子子量量差异很大。差异很大。n半

24、衰期最短半衰期最短知识点知识点 10n n结构特点结构特点：n n原原核核生生物物的的mRNA是是多多顺顺反反子子，真真核核生生物物的的mRNA是单顺反子是单顺反子 （hnRNA mRNA）真核细胞真核细胞mRNA的的3-末端有一段长达末端有一段长达200个个核苷酸左右的聚腺苷酸核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为称为“尾结尾结构构”，5-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构帽结构”。真核生物真核生物 mRNA的结构的结构AAAA Anm7GpppAUG GUGUAA535 帽子结构帽子结构 密码子密码子 3 多聚多聚A尾尾 5 非编码区非编码区 编码区编码

25、区 3 非编码区非编码区：帽子结构帽子结构动画动画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n n结结构构特特点点：原原核核生生物物的的mRNA是是多多顺顺反反子子，真真核生物的核生物的mRNA是单顺反子是单顺反子 （hnRNA mRNA）真核细胞真核细胞mRNA的的3-末端有一段长达末端有一段长达200个个核苷酸左右的聚腺苷酸核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为称为“尾结尾结构构”，5-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构帽结构”。n n 它它的的功功

26、能能是是将将DNA的的遗遗传传信信息息传传递递到到蛋蛋白白质质合成基地合成基地 核糖核蛋白核糖核蛋白体。体。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白质的氨基酸排列顺序。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翻译翻译蛋白蛋白知识点知识点11真核细胞真核细胞 3 RNA的空间结构与分类的空间结构与分类信使信使RNA(m

27、RNA)转运转运RNA(tRNA)核蛋白体核蛋白体RNA(rRNA)RNA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异tRNA(转移转移RNA)Transfer RNAn n约占总约占总RNA的的10-15%。n n是是细细胞胞里里分分子子量量较较小小的的一一类类核核酸酸，链链长长一般在一般在70-90个核苷酸之间。个核苷酸之间。n n含含有有较较多多的的稀稀有有碱碱基基和和稀稀有有核核苷苷，DHU、T、mG和和 mA、次次黄黄嘌嘌呤呤等等。知识点知识点 12N,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 tRNA(转移

28、转移RNA)Transfer RNAn n 它它们们的的3，末末端端都都是是CCA-OH序序列列，已已知知每每一一个个氨氨基基酸酸至至少少有有一一个个相相应应的的tRNA。n n 它它们们的的二二级级结结构构总总是是三三叶叶草草型型，三三级结构是到级结构是到“L”型型。知识点知识点 13l l tRNA的二级结构都呈的二级结构都呈”三叶草三叶草”形状，在形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五臂四环：包括臂四环：包括氨基酸接受区氨基酸接受区、反密码区反密码区、二氢二氢尿嘧啶区、尿嘧啶区、T C区和可变区区和可变区。l l 在三叶草型二级结构的基础

29、上，突环上未配在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的已知的tRNA的三级结构均为倒的三级结构均为倒L型型。tRNA的二级结构的二级结构 环环氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环反密码子反密码子tRNA三级结构及氢键的位置三级结构及氢键的位置动动 画画 tRNA的功能的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。蛋白质的翻译。知识点知识点 143 RNA的空间结构与分类的空间结构与分类信使信使RNA(mRNA)转运转运RNA(tRNA)核蛋白体核蛋白体RNA(rRNA)R

30、NA与与DNA分子组成及结构差异分子组成及结构差异rRNA(核糖体核糖体RNA)Ribosome RNAn n约占全部约占全部RNA的的80%n n是核糖核蛋白体的主要组成部分是核糖核蛋白体的主要组成部分。n nrRNA 和蛋白质结合形成的核蛋白体和蛋白质结合形成的核蛋白体 是蛋白质的合成场所是蛋白质的合成场所。知识点知识点 15 核糖体核糖体RNA的结构的结构 70S 80S50S30S 60S40S31 proteins23S RNA5S RNA21 proteins16S RNA49 proteins28S RNA5.8S RNA33 proteins18S RNA原核生物原核生物原核生

31、物原核生物核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体真核生物真核生物真核生物真核生物核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体构象核蛋白体构象局部双链局部双链tRNArRNAmRNA三叶草形、倒三叶草形、倒L形形含稀有碱基多含稀有碱基多反密码子反密码子CCA-OH 3呈花状呈花状5 -m7GpppNm3-polyA编码序列编码序列单链单链局部双链局部双链结结构构蛋白质合成蛋白质合成的模板的模板搬运活化的搬运活化的aa到核糖体到核糖体组成核蛋白体组成核蛋白体分子大小不一分子大小不一量量 80%,稳定稳定 三种三种RNA内容小结内容小结功功能能4 核酸的理化性质核酸的理化性质一、核酸的一般理化性质一、核酸的一

32、般理化性质 二、二、DNA的变性的变性(denaturation)三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 n核酸是酸性较强的多元酸核酸是酸性较强的多元酸n nDNA分子的长度与直径之比达到分子的长度与直径之比达到107，极易，极易在机械力的作用下发生断裂在机械力的作用下发生断裂n n紫外吸收特性紫外吸收特性-260nm特征性吸收峰特征性吸收峰核酸的一般理化性质核酸的一般理化性质核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收 嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波长收峰位于波长260nm附近

33、，因此经常用附近，因此经常用A260（在在260nm处的吸光度）或处的吸光度）或OD260（260nm处处的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对DNA和和RNA进行定性和定量分析。进行定性和定量分析。481216消消光光系系数数8103AGTCU220 240 260 280 300 320nm波长波长各种碱基的紫外吸收光谱各种碱基的紫外吸收光谱4 核酸的理化性质核酸的理化性质一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 二、二、DNA的变性的变性(denaturation)三、三、D

34、NA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 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双链双链解开成两条单链的过程。解开成两条单链的过程。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、以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮、甲醛以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮、甲醛等。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，生物活性丧失，生物活性丧失知识点知识点 18DNA变性的本质是双链间变性的本质是双链间氢键断裂氢键断裂,变成单链。变成单链。加热变性加热变性氢键断裂氢键断裂缓慢冷却复性缓慢冷却复性

35、天然双链天然双链DNA变性变性DNA DNA的变性和复性的变性和复性 DNA热变性：热变性：u特点特点 骤然、突发式骤然、突发式u融解温度融解温度Tm(melting temperature)uTm与与G+C含量成正比含量成正比DNA解链曲线解链曲线76 80 84 88 92 96 100 0.700.650.600.550.50A260Tm Tm：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，在在这这一一范范围围内内，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的的解解链链温温度度，又又称称融融解解温温度度(melting t

36、emperature,Tm)。其其大小与大小与G+C含量成正比。含量成正比。用途：用途：粗略推算粗略推算DNA的碱基组成及长度。的碱基组成及长度。DNA的解链曲线和的解链曲线和Tm值值 DNA热变性：热变性：l增（高）色效应：增（高）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知识点知识点 17 变性引起紫外吸收值的改变变性引起紫外吸收值的改变4 核酸的理化性质核酸的理化性质一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 二、二、DNA的变性的变性(denaturation)三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 D

37、NA复性复性(renaturation)在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing)。知识点知识点 18DNA复性复性(renaturation)复性的条件：复性的条件：u只有温度缓慢下降才可以复性只有温度缓慢下降才可以复性u一般认为，比一般认为，比Tm低低25是复性的最佳是复性的最佳条件。条件。在在D

38、NA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将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，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件下下，就就可可以以在在不不同的分子间形成同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。核酸分子杂交核酸分子杂交 (hybridization)这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这这种

39、种现现象称为象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交。n研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置n定两种核酸分子间的序列相似性定两种核酸分子间的序列相似性n检测某些专一序列在待检样品中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否n是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 核酸分子杂交的应用：核酸分子杂交的应用：n n将不同种生物的将不同种生物的将不同种生物的将不同种生物的DNADNA分子进行杂交，可以说明生物分子进行杂交，可以说明生物分子进行杂交，可以说明生物分子进行杂交，可以说明生物之间亲缘关系的远近之间亲缘关系的远近之间亲缘关系的远近之间亲缘关系的远近 把人、黑猩猩和长臂猿的某些

40、把人、黑猩猩和长臂猿的某些把人、黑猩猩和长臂猿的某些把人、黑猩猩和长臂猿的某些DNADNA进行杂交，进行杂交，进行杂交，进行杂交，发现人的发现人的发现人的发现人的DNADNA和黑猩猩的和黑猩猩的和黑猩猩的和黑猩猩的DNADNA杂交后形成的杂交杂交后形成的杂交杂交后形成的杂交杂交后形成的杂交DNADNA杂合双链区多于人的杂合双链区多于人的杂合双链区多于人的杂合双链区多于人的DNADNA与长臂猿杂交形成与长臂猿杂交形成与长臂猿杂交形成与长臂猿杂交形成的杂合双链区，即的杂合双链区，即的杂合双链区，即的杂合双链区，即人与黑猩猩的人与黑猩猩的人与黑猩猩的人与黑猩猩的DNADNA更相似更相似更相似更相似，

41、这就，这就，这就，这就说明人与黑猩猩的亲缘关系要近于人与长臂猿的亲说明人与黑猩猩的亲缘关系要近于人与长臂猿的亲说明人与黑猩猩的亲缘关系要近于人与长臂猿的亲说明人与黑猩猩的亲缘关系要近于人与长臂猿的亲缘关系。缘关系。缘关系。缘关系。DNADNA杂交技术是人们从分子生物学角度为杂交技术是人们从分子生物学角度为杂交技术是人们从分子生物学角度为杂交技术是人们从分子生物学角度为生物进化提供的一个非常可靠的证据。生物进化提供的一个非常可靠的证据。生物进化提供的一个非常可靠的证据。生物进化提供的一个非常可靠的证据。n nDNA分子杂交的应用分子杂交的应用n n将同种生物的将同种生物的DNA杂交，可用于亲子鉴

42、定杂交，可用于亲子鉴定 人与人之间的人与人之间的人与人之间的人与人之间的99.9999.99的遗传密码都相同，但又存在的遗传密码都相同，但又存在的遗传密码都相同，但又存在的遗传密码都相同，但又存在万分之一的差别，使每个人都万分之一的差别，使每个人都万分之一的差别，使每个人都万分之一的差别，使每个人都具备区别于他人的碱具备区别于他人的碱具备区别于他人的碱具备区别于他人的碱基序列基序列基序列基序列。这就是。这就是。这就是。这就是DNADNA的遗传多态性。每个人多态性的遗传多态性。每个人多态性的遗传多态性。每个人多态性的遗传多态性。每个人多态性位点的差别就成为个人识别的标志。尽管遗传多态位点的差别就

43、成为个人识别的标志。尽管遗传多态位点的差别就成为个人识别的标志。尽管遗传多态位点的差别就成为个人识别的标志。尽管遗传多态性的存在，但每一个人的染色体也必然来自父母，性的存在，但每一个人的染色体也必然来自父母，性的存在，但每一个人的染色体也必然来自父母，性的存在，但每一个人的染色体也必然来自父母，这就是这就是这就是这就是DNADNA亲子鉴定的理论基础。亲子鉴定的理论基础。亲子鉴定的理论基础。亲子鉴定的理论基础。在医学实践中，能准确进行在医学实践中，能准确进行亲子鉴定的亲子鉴定的是是DNA检测检测，检测方法并非检测出全部碱，检测方法并非检测出全部碱基顺序，而是进行基顺序，而是进行DNA杂交，即把所

44、要检杂交，即把所要检测的两人的测的两人的DNA进行杂交，再比较差异大进行杂交，再比较差异大小，从而说明两人的血缘关系，如父子、小，从而说明两人的血缘关系，如父子、母女等。母女等。n n另外，在公安机关的刑事侦察中，也常用另外，在公安机关的刑事侦察中，也常用另外，在公安机关的刑事侦察中，也常用另外，在公安机关的刑事侦察中，也常用DNADNA杂杂杂杂交技术进行痕迹检验交技术进行痕迹检验交技术进行痕迹检验交技术进行痕迹检验。犯罪分子只要留下一丝一毫。犯罪分子只要留下一丝一毫。犯罪分子只要留下一丝一毫。犯罪分子只要留下一丝一毫的身体细胞遗留物，如血液、皮屑、毛发等，技术的身体细胞遗留物，如血液、皮屑、

45、毛发等，技术的身体细胞遗留物，如血液、皮屑、毛发等，技术的身体细胞遗留物，如血液、皮屑、毛发等，技术人员就可以把犯罪嫌疑人的人员就可以把犯罪嫌疑人的人员就可以把犯罪嫌疑人的人员就可以把犯罪嫌疑人的DNADNA样本和现场发现的样本和现场发现的样本和现场发现的样本和现场发现的遗留物中提取的遗留物中提取的遗留物中提取的遗留物中提取的DNADNA样本通过样本通过样本通过样本通过DNADNA杂交，比较它杂交，比较它杂交，比较它杂交，比较它们是否相同，从而确定现场留下的痕迹是否为犯罪们是否相同，从而确定现场留下的痕迹是否为犯罪们是否相同，从而确定现场留下的痕迹是否为犯罪们是否相同，从而确定现场留下的痕迹是

46、否为犯罪嫌疑人的。这在司法实践中可作为科学的举证。嫌疑人的。这在司法实践中可作为科学的举证。嫌疑人的。这在司法实践中可作为科学的举证。嫌疑人的。这在司法实践中可作为科学的举证。将同种生物的将同种生物的DNA杂交，可用于痕迹检验等杂交，可用于痕迹检验等 分子探针（分子探针（probe）:是指用放射性核素、生物素或其他活是指用放射性核素、生物素或其他活性物质标记的，能与特定的核酸序列发生性物质标记的，能与特定的核酸序列发生特异性互补特异性互补的已知的已知DNA或或RNA片段。片段。n探针的种类探针的种类ncDNA 探针、基因组探针、基因组DNA探针、寡核苷酸探针、寡核苷酸探针、探针、RNA探针探针

47、n标记物标记物n核素标记物（同位素标记）：核素标记物（同位素标记）：32P、35S、3H、14C、125I、131I等等n非核素标记物（非同位素标记）：生物素、非核素标记物（非同位素标记）：生物素、地高辛、荧光素等地高辛、荧光素等黛黛玛玛寻人启示寻人启示今登报寻找失今登报寻找失散多年的妻子散多年的妻子玛黛女士及我玛黛女士及我们的孩子！们的孩子！百万富翁百万富翁马可尼马可尼滴血认亲滴血认亲滴血认亲滴血认亲我是您的女我是您的女儿，我来自儿，我来自曼彻斯特！曼彻斯特！寻人启示寻人启示今登报寻找失今登报寻找失散多年的妻子散多年的妻子玛黛女士及我玛黛女士及我们的孩子！们的孩子！黛黛玛玛我是您的女我是您的

48、女儿，我来自儿，我来自都柏林！都柏林！滴血认亲滴血认亲寻人启示寻人启示今登报寻找失今登报寻找失散多年的妻子散多年的妻子玛黛女士及我玛黛女士及我们的孩子！们的孩子！黛黛玛玛我是您的女我是您的女儿，我来自儿，我来自利物浦！利物浦！告示告示如有人能为本案如有人能为本案提供确凿证据，提供确凿证据，判明是非，本院判明是非，本院将酬谢两万英镑！将酬谢两万英镑！英国生物化学研究所英国生物化学研究所利物浦利物浦都柏林都柏林曼彻斯特曼彻斯特 核核 酸酸 酶（酶（Nuclease）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n nDNA酶酶(deoxyribonuc

49、lease,DNase)：专一降解专一降解DNA。n nRNA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n n核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。特异性限制性核酸内切酶。n n核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。u参参与与DNA的的合合成成与与修修复复及及RNA合合成成后后的的剪剪接等重要基因复制和基因表达过程接等重要基因复制和基因表达过程 u负负责责清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸同时

50、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体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶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 核酸的催化性质核酸的催化性质n n 长时间以来，人们认为酶都是蛋白质。长时间以来，人们认为酶都是蛋白质。1981年，美国两位生物化学家年，美国两位生物化学家T.Cech和和S.A.Altman发现了某些核糖核酸发现了某些核糖核酸(RNA)的催的催化作用，并提出了化作用，并提出了核酶核酶（Ribozyme)的概念。的概念。