核酸结构与功能

1、关于核酸的结构与功能 第一张，PPT共八十页，创作于2022年6月核 酸(nucleic acid) 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。第二张，PPT共八十页，创作于2022年6月一、核酸的发现和研究工作进展 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年 Nirenberg发现遗传密码1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年 Mullis发明PCR

2、技术1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架第三张，PPT共八十页，创作于2022年6月二、核酸的分类及分布 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第四张，PPT共八十页，创作于2022年6月第一节核酸的化学组成及其

3、一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid第五张，PPT共八十页，创作于2022年6月核酸的化学组成 1. 元素组成C、H、O、N、P（910%）2. 分子组成 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)第六张，PPT共八十页，创作于2022年6月嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G)碱 基第七张，PPT共八十页，创作于2022年6月嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uraci

4、l, U)胸腺嘧啶(thymine, T)第八张，PPT共八十页，创作于2022年6月稀有碱基嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。第九张，PPT共八十页，创作于2022年6月鸟嘌呤次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤第十张，PPT共八十页，创作于2022年6月戊 糖（构成RNA）12345核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR一、核苷酸的结构1

5、. 核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。11第十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 第十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月例如：AMP adenosine monophosphate 腺苷一磷酸 或 一磷酸腺苷 简称：腺苷酸dAMP deoxyadenosine monophosphate 脱氧一磷

6、酸腺苷/一磷酸脱氧腺苷 简称：脱氧腺苷酸默认情况下核苷酸均为5-核苷酸第十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP能量的直接共体能量直接共体第十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月 环化核苷酸: cAMP，cGMP细胞内的第二信使第十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMPNADP+NAD+第十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月核苷酸的生物学功用作为核酸合成的原料体内能量的利用形式参与代谢和生理调节组成辅酶活化中间代谢物第十

7、八张，PPT共八十页，创作于2022年6月5端3端3. 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA第十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5端3端CGA方向第二十张，PPT共八十页，创作于2022年6月A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and F

8、unction of DNA第二十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月一、 DNA的二级结构双螺旋结构第二十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月（一）DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析Chargaff 规则：A = TG C 碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理 DNA纤维的X-线衍射图谱分析 第二十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月A.DNA碱基互补原则腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥例 如 G:T因 此 ， DNA 的 双 股 系 藉 著 A:T 和 G : C的 配 对 关 系 互 相 结 合 。第二十五张，PPT共八十页，创作于2022

9、年6月DNA 一 股 的 核 苷 酸 序 列 与 另 一 股 的 序 列 互 补（A-T、G-C）。 第二十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月B.二级结构B型双螺旋结构大 部 分 DNA 所 具 有 的 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称 为 B 型 小沟大沟1.反向、平行、右手螺旋53532.链间碱基配对相连3.每10个碱基对螺旋上升一周第二十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月C.双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。提问：起稳定作用的有哪些力呢？答案：疏水作用力（主要） （又称碱基堆积力） 氢键 范德华力第二十八张，PPT共八十页，创作于2022

10、年6月（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。第二十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月碱基互补配对 TAGC第三十张，PPT共八十页，创作于2022年6月（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。第三十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月（三）DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA第三十二

11、张，PPT共八十页，创作于2022年6月二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 第三十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA细菌等原核生物质粒染色体第三十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月固定负超螺旋（右手拓扑

12、结构）反之，则为正超螺旋自然界通常为负超螺旋。提问：DNA形成三级结构及染色体的意义何在？答案：压缩分子空间人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm环状DNA右旋第三十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月DNA的三级结构：DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂结构。以超螺旋最为常见 负超螺旋模型（多见）正超螺旋第三十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。 第三十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质

13、构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第三十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月第三十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月串珠状核小体结构第四十张，PPT共八十页，创作于2022年6月串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体第四十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月核小体螺线管真核生物染色体DNA组装第四十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月.真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构第四十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月三、DNA的功能DNA的

14、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。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 第四十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月第三节 RNA的结构与功能Structure and Function of RNA第四十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月RNA的种类、分布、功能第四十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月一 、信使RNA的结构与功能hnRNA 内含子(intron)mRNA * mRNA成熟过程 外显子(exon)第四十七张，PPT共八十页，创作于

15、2022年6月* mRNA结构特点1. 大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。第四十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月帽子结构第四十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控 帽子结构和多聚A尾的功能第五十张，PPT共八十页，创作于2022年6月* mRNA的功能 把DNA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质的氨基酸排列

16、顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞 细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞 第五十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC 二、转运RNA的结构与功能第五十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶 稀有碱基 第五十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月* tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环氨基酸臂额外环第五十四张，PPT共八十

17、页，创作于2022年6月* tRNA的三级结构 倒L形* tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第五十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月* rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能* rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第五十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月* rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA第五十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月核蛋白体的组成第五十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月四 、其

18、他小分子RNA及RNA组学除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs第五十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月snmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。第六十张，PPT共八十页，创作于2022年6月RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异

19、性。 RNA组学第六十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第 四 节目 录第六十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月第六十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用目 录第六十四张，PPT共八十页，

20、创作于2022年6月二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。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。变性后其它理化性质变化：OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失目 录第六十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第六十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。目 录第六十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月热变性解链曲线

21、：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。目 录第六十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。目 录第六十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月三、DNA的复性与分子杂交 DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现

22、象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。目 录第七十张，PPT共八十页，创作于2022年6月在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization) 第七十一张，P