2019-第三章2019-核酸课件

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1、第三章 核酸,Nucleic Acid,第三章 核 酸,引 言：核酸概述 第一节：核酸的种类、分布与化学组成 第二节：核酸的分子结构 第三节：核酸的理化性质 第四节：核酸的分离纯化及含量测定 第五节：核酸的分析技术,核酸的发现： 1868年，瑞士青年科学家 F.Miescher,引 言：核酸概述,从外科绷带上脓细胞的 细胞核中分离得到一种 含磷较高的酸性物质， 称之为核素（nuclein）,核素实质是一种核糖核蛋白,核酸的研究历史：1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入“核酸”这一名词。20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。1943年，E .

2、Chargaff的工作：DNA中嘌呤:嘧啶=1:1由此推理出碱基配对的理论。1944年，Avery通过肺炎球菌转化实验，证明遗传物质即为DNA。1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase 用 35S 和32P 分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，进一步证明了DNA是遗传物质。 1953年，Watson-Crick建立了DNA双螺旋结构模型。,1953 Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型,1962年获得诺贝尔生理学或医学奖,(25y),(35y),DNA双螺旋结构模型，这被认为是20世纪中最伟大的成就之一，给生命科学带来了深远的影响，并为分子生物学的发展奠定了基础。 1

3、958 Crick提出遗传信息传递的中心法则,1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说 1966年，Nirenberg等破译出遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年，Cech发现核酶（Ribozime） 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1983年，Simons等发现反义RNA 1985年 Mullis发明PCR 技术 20世纪70年代，诞生DNA重组技术。并诞生基因工程。 20世纪90年代开始实施人类基因组计划（1986年Dulbecco在Science上率先提出人类基因组计划），开始进行基因组学研究。生物技术产业空前

4、发展。,核酸以核苷酸为基本结构单位,按照一定的排列顺序,以3，5-磷酸二酯键相连接,并通过折叠、卷曲形成具有特定生物学功能的线形或环形多聚核苷酸。核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，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，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,引 言：核酸概述,第三章 核 酸,引 言：核酸概述 第一节：核酸的种类、分布与化学组成 第二节：核酸的分子结构 第三节：核酸的理化性质 第四节：核酸的分离纯化及

5、含量测定 第五节：核酸的分析技术,第一节 核酸的种类、分布与化学组成,一、核酸的种类与分布 （一）核酸的种类（ RNA、DNA） 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid- DNA） 核糖核酸（ribonucleic acid-RNA）:转移RNA(transfer RNA-tRNA) 、信使RNA(messenger RNA-mRNA)、核糖体RNA（ribosomal RNA-rRNA） 长的非编码RNA（多于70个核苷酸）：核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（ snoRNA ）、细胞质小RNA（scRNA）、具有催化活性的RNA（ribozyme）； 少于30个核苷

6、酸：miRNA、siRNA、PiRNA,双链miRNA经酶切后会形成很多小片段，这些小片段一旦与信使RNA(mRNA)中的同源序列互补结合，会导致mRNA失去功能，即不能翻译产生蛋白质，也就是使基因“沉默”了。 _RNAi,（二）核酸的分布,二、核酸的生物学功能（一）DNA是主要的遗传物质,1928年，英国科学家Griffith 发现肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒性是由细胞表面中的多糖所决定的。,肺炎球菌有两种不同的品系： *光滑型（S型）：有荚膜（多糖类）、致病 *粗糙型（R型）：无荚膜、不致病,1944年，O.T.Avery（美） 肺炎链球菌的转化实验,首次证明DNA是细菌

7、遗传性状的转化因子。,十多年后证明DNA是遗传物质,1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质,这4个实验设计与Griffith相同,在上述实验的基础上，将从S型球菌中提取的核酸、蛋白质及多糖分别注射已感染R型的小鼠，证明了核酸具有遗传转化功能。,1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质,这4个实验设计与Griffith相同,转化作用：,感受态的微生物或离体培养的细胞获得外源DNA并产生新的性状特征。,1952年，美国冷泉港 Hershey-Chase 噬菌体浸染细菌的实验。 (侵染大肠杆菌的病毒),35S,32P,Fig.3-2 The Hers

8、hey-Chase experiment.,1944年，O.T.Avery（美） 肺炎链球菌的转化实验； 1952年，美国冷泉港Hershey-Chase 噬菌体侵染细菌的实验,DNA是遗传物质,（二）RNA生物学功能,RNA的功能： 1.参与(控制)蛋白质的合成 rRNA(75-80%) tRNA(10-15%) mRNA(2-5%) 2.遗传物质 3.具有生物催化剂功能 4.调节功能:如 miRNA、siRNA等,（一）DNA是主要的遗传物质 遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。,经典实验：,细菌转化实验：1944， Avery等。 噬菌体感染实验： 1952， Hershey H-

9、DNA）,DNA的一级结构： Chargaff定则,DNA的三级结构：超螺旋,RNA的一级结构 1965年Holley第一个测定了酵母丙氨酸转运核糖核酸为77个核苷酸顺序。 1981年我国第一个成功的用人工合成了该tRNA，证实了核酸结构的研究结果是正确的。 1976年测定了5396个核苷酸组成的噬菌体MS2RNA 的核苷酸顺序。,二、RNA的分子结构,二、RNA的分子结构,结构特点： （1） 碱基组成：A、G、C、U （AU/GC）； （2）稀有碱基较多，稳定性较差，易 水解； （3）多为单链结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）； （4）分子较小; （5）茎环结构是各种RNA共同的二级结 构特

10、征。,（一）RNA一级结构的特点,RNA一级结构研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。组成RNA的核苷酸也是以3 -5 磷酸二酯键连接。其中 1.tRNA一级结构具有以下特点： 分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分。 3-末端都具有CpCpAOH的结构。 5-端多为pG,也有pC。,占总RNA的10-15%。在蛋白质合成中转运氨基酸,tRNA概述（转移RNA，transfer RNA-tRNA）,约占总RNA的10-15%。 它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基

11、酸至少有一个相应的tRNA。 tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-93个核苷酸之间,分子量为4S左右。,2.mRNA一级结构具有以下特点：,约占总RNA的5%。 不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。 它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质，指导蛋白质的合成。,AAAAA,真核生物与原核生物mRNA 结构的区别：,(1)真核细胞mRNA的3 -末端有一段长达200个核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾巴结构”。原核生物mRNA一般没有polyA，但某些病毒mRNA有。 polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。 polyA可能有多方面功能,与mRNA从细

12、胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成RNA的polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。,(2)真核细胞mRNA的5 -末端有一个“帽子结构”，原核细胞mRNA没有。但某些病毒mRNA有。,7-甲基鸟苷三磷酸,帽子结构是一个7-甲基鸟苷通过焦磷酸与mRNA的5 -末端核苷酸相连，形成5, 5 -三磷酸连接。 生物体共有三种帽子： m7G 5 ppp 5 Np (O型) m7G 5 ppp 5 NmpNp (I型) m7G 5 ppp 5 NmpNmpNp (II型),帽子结构的形成,帽子结构的功能,封闭mRNA5端，使其没有游离的5-P,从而阻止核酸外切酶的降解，使

13、mRNA更稳定。 帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始有关。作为mRNA与核糖体40S亚基结合的信号。,(3)真核生物mRNA一般为单顺反子。 即一个mRNA只含有一条多肽链的信息，指导一条肽链的生物合成。而原核生物mRNA一般为多顺反子。 顺反子： mRNA上具有翻译功能的核苷酸顺序。,mRNA一级结构的特点,真核：单顺反子 5-末端有“帽子” 3 -末端有polyA片段 和非编码区 和非编码区 原核 多顺反子 5 -末端无“帽子” 3 -末端 无polyA片段 （病毒除外）,3.rRNA (核糖体RNA，ribosomal RNA-rRNA）,约占全部RNA的80%， 是核糖核蛋白体的主要组

14、成部分。 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与 mRNA、tRNA作用，催化肽键的形成。(1992年,H.F.Noller等证明23SrRNA有核酶活性,催化肽键的形成)（见蛋白质生物合成）,rRNA的结构特点,rRNA是单链分子 G-C碱基对与A-U碱基对的总量不等 rRNA单链分子可以自行折叠,形成螺旋区（茎）和环区,所有的螺旋区和环区都是保守的 所有来源的rRNA都有四个结构域,每个结构域中都包括有茎和环,他们通过碱基对的相互作用彼此靠近 绝大多数rRNA碱基的功能仍不清楚,其中许多没有配对的碱基可能和rRNA与其他RNA结合有关 由于rRNA分子的柔性很大,目前对之三级结构的

15、研究较困难,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,rRNA的甲基化多发生在核糖上。,原核生物,核糖体（S),亚基（S),rRNA (S),真核生物,（以大肠杆菌为例）,蛋白质,21种,31种,49种,33种,（以小鼠肝为例）,核蛋白体的组成,DNA双螺旋结构特点（4）,双螺旋结构的稳定因素（3）,双螺旋结构类型（A/B/C/D/E/T/Z） 三链DNA（TsDNA;H-DNA）,DNA的三级结构：超螺旋,RNA的一级结构,tRNA 3-CCAOH；5-p

16、G或pC mRNA rRNA,mRNA一级结构的特点,真核：单顺反子 5-末端有“帽子” 3 -末端有polyA片段 和非编码区 和非编码区 原核 多顺反子 5 -末端无“帽子” 3 -末端 无polyA片段,动植物的某些病毒有5 -“帽子” 和3 -polyA,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA （大） 28S rRNA （大） 5.8S rRNA （大） 18S rRNA（小）,原核生物 5S rRNA（大） 23S rRNA （大） 16S rRNA（小）,rRNA的甲基化多发生在核糖上。,(二) RNA的高级结构特点,RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。 RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构（类似A-DNA双螺旋结构），不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构或茎环结构。,原核生物 16S rR