第01章核酸课件

第1章核酸的结构和功能核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。第一节核酸的概念核酸(nucleicacid)

的概念1、功能---核酸是生物遗传的物质基础，决定生物的生长、繁殖以及生命的代谢模式。2、结构----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。3、DNA储存信息；RNA传递并表达信息4、DNA-----RNA-----蛋白质一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取含磷丰富的酸性物质---“核素”

1944年Avery等人证实DNA是遗传物质20世纪50年代初，ErwinChargaff在测定多种生物的DNA组成后，发现A=T,G=C,这称为“Chargaff定则”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1998年，国际水稻基因组计划，2000年5月，中国超级杂交水稻基因组计划

2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架，2003年完成精细图谱二、核酸的分类及分布98%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。包括mRNA、tRNA和rRNA分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,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。第二节核酸的组成成分嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)二、碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR三、核苷(ribonucleoside)的形成碱基＋戊糖＝核苷连接部位：戊糖---1，碱基---9/1

连接方式：C---N糖苷键1´1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

四、核苷酸(ribonucleotide)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）。

体内重要的游离核苷酸及其衍生物辅酶和辅基－含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP能量载体----ATP、GTP食品工业上用作添加剂

单体－多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

第二信使－环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPcAMP5´端3´端3.核苷酸的连接上一个核苷酸戊糖３，位的羟基与下一个核苷酸戊糖５，位的磷酸以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即以３，－５，磷酸二酯键连接。CGA一、核酸的一级结构5′端3′端CGA第三节核酸的分子结构5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′，一般默认为从左到右为5’-3’。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA一级结构的意义DNA虽然只是由于四个碱基的变化形成的四种核苷酸按照一定的顺序排列起来，但值得注意的是，DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。DNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能二、核酸的二级结构（一）DNA的二级结构——双螺旋结构（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基组成分析Chargaff

规则：[A]=

[T][G]

[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（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）两条DNA单链分子反向平行环绕，右手螺旋走向，表面大沟与小沟相间。螺旋直径为2nm，

主链：戊糖－磷酸骨架位于外侧侧链：碱基对位于内侧碱基平面垂直于螺旋轴碱基距：0.34nm；

螺距：3.4nm；周长：10对碱基。（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）碱基形成氢键配对，配对形式为：A=T;G

C）。碱基互补配对TACG（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）稳定因素：氢键维持横向稳定性碱基堆积力维持纵向稳定性其他作用因素4.DNA双螺旋结构的多样性三种类型DNA的结构参数5.与DNA碱基序列相关的特殊结构回文结构发卡结构镜像重复二、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(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反意义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。（二）原核生物DNA的高级结构（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的化学组成DNA：约200bp组蛋白：H1,H2A,H2B,H3,H4染色体的组装过程：核小体串珠状染色质细丝中空线圈螺线管染色单体压缩了1000-2000倍多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装

三、DNA的功能以基因的形式储存、传递、表达信息

DNA-----RNA-----蛋白质基因从结构上定义，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。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能hnRNAmRNA*真核生物mRNA成熟过程内含子（intron）外显子（exon）*真核生物mRNA结构特点5´末端有甲基化鸟苷帽子结构：m7GpppNm-

2.3´末端有多聚腺苷酸尾巴：PolyA。帽子结构促进mRNA由胞核向胞质的转位维持mRNA的稳定性翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA的碱基序列翻译成蛋白质的氨基酸顺序。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*

tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有T

C环二、转运RNA的结构与功能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*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂

DHU环

反密码子环额外环

TΨC环氨基酸臂额外环*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。*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。rRNA的种类（根据沉降系数）沉降系数：单位时间内的沉降速度真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性，其中的碱基又具有碱性，所以为两性电解质。可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇。核酸的高分子性质粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为核酸的紫外吸收(OD260)单核苷酸>ssDNA(或RNA)>dsDNA核酸的分离方法：电泳-------依据分子量大小离子交换法-----依据电荷一、核酸的一般理化性质1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/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DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：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。热变性解链曲线：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。Tm：DNA变性时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(meltingtemperature,Tm)。影响Tm的因素：大小、G+C含量三、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，这一现象称为复性。减色效应

DNA复性时，其溶液OD260降低的现象。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。不同来源的核酸链分子复性时形成杂化双链过程叫分子杂交。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)核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置确定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础

核酸酶

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

核酸酶的分类依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶。参与DNA的合成与修复、RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收体外重组DNA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

核酸酶的功能

核酶---有催化活性的RNA1982年，美国ThomasCech

在研究四膜虫rRNA自我剪接时发现，同时加拿大的SidneyAltman发现RNaseP分子中的RNA组分有催化活性；1989年分享了Noble化学奖。不仅拓宽了生物催化剂的领域，而且对RNA的生物学功能开创了一种历史性的新认识：RNA不仅具有储存和传递遗传信息的功能，而且还具有生物催化剂的功能，在一定程度上可以说，RNA一身兼有DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能。催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。催化性RNA(ribozyme)

作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。核酶的二级结构对于催化活性很重要。Symons提出“锤头”（hammerhead）状二级结构。三个螺旋区；13（或11）个保守核苷酸序列。核酸的酚抽提原理：交替使用酚、氯仿两种蛋白质变性剂，更有效去除蛋白质。氯仿还可加速有机相与水相的分层。异