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1、第二讲 核酸的基本结构和功能,分子生物学实验室,分子生物学检验技术课件,1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，现在被称为核酸。 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。,一、核酸是什么？,1944年，Avery的转换转化实验,or,and,可分离,1952年， 噬菌体感染大肠杆菌试验。 以上两个试验证明了DNA是遗传物质，物种的所有特征都编码在DNA分子中。 以后又发现了RNA病毒，它们的遗传信息编码在RNA分子中。 有人说：给我一个爱因斯坦的细胞，我就可以克隆出许许多多的爱因
2、斯坦。-一个细胞中含有这种生物所有的遗传信息。,二、核酸有多少种？,两种： 1. DNA 2. RNA DNA-Deoxyribonucleic Acid-脱氧核糖核酸 RNA-Ribonucleic Acid-核糖核酸 稍后讲核酸的组成时将看出DNA和RNA的区别和联系。,三、核酸在哪里？,98核中（染色体中） 真核 线粒体（mtDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,因此： 1. 要从有核细胞中提取DNA。 2. 一般我们从有核细胞的细胞核中获得DNA。,RNA有3种，主要存在于细胞质中,tRNA-转运RNA-蛋白质合成时搬
3、运氨基酸的工具 rRNA-核蛋白体RNA-构成蛋白质的合成场所 mRNA信使RNA-蛋白质合成的模板,2种核酸的功能可以这样理解： 1. DNA编码了遗传信息。即DNA分子中蕴藏着该物种全部遗传特征。 2. RNA使DNA上编码的遗传信息兑现。,四、核酸的基本化学组成,核酸的元素组成： C H O N P,核酸的基本结构单位是核苷酸： 即： 核酸=核苷酸-核苷酸-核苷酸=（核苷酸）n 请比较：蛋白质的基本结构单位是氨基酸 蛋白质=氨基酸-氨基酸-氨基酸=（氨基酸）n,核苷酸 =磷酸+戊糖+碱基,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,1. 戊
4、糖（五碳糖-甲乙丙丁戊己庚辛）,己糖：如C6H12O6-葡萄糖,2. 碱基,. 嘌呤（Purine） -两个环,. 嘧啶（Pyrimidine） -一个环,3. 磷酸 H3PO4,快速作答,1. 核酸的基本结构单位是？ 2. 核酸有多少种？ 3. DNA大多存在于细胞的什么地方？ 4. RNA多数存在于细胞的哪里？ 5. 核苷酸可以完全水解成哪3个部分？ 6. 常见的碱基有多少种？ 7. A U C G T 各代表什么？ 8.组成DNA的戊糖和组成RNA的戊糖一样吗？ 9.下图是嘌呤还是嘧啶？,五、戊糖和碱基怎样连接成为核苷？,核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,假尿苷
5、（） 次黄苷（肌苷）I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 D 取代核苷的表示方式 7-甲基鸟苷 m5G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,六、核苷和磷酸怎样连接成核苷酸？ 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,核苷酸,继续磷酸化,刚才那两个图是DNA还是RNA?,环化磷酸化,cAMP,cGMP,肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),IMP GMP,七、核苷酸与核苷酸怎样连接成核酸？,上一个核苷酸的C3-OH 与下一个核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键,上一个核苷酸的C3-OH 与下一个核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-
6、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53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,第三节 DNA的结构,一、DNA的一级结构 脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示 连接键：3，5-磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 多核苷酸链均有5-末端和3-末端 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
7、不同排列组合之中。,2. 基因与基因组,基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。,基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,3. 原核生物基因组特点 重复序列少，多位编码区 多为操纵子形式组织 有重叠基因存在,真核生物基因组特点 以染色体存在 重复序列多,基因组计划 人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（E.Coli）,二、DNA的二级结构 DN
8、A的双螺旋模型,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,DNA双螺旋模型要点,B型结构 两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（AT，GC）碱基平面垂直于螺旋轴 磷酸、戊糖在外构成骨架，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp） A型结构（了解） 碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。 Z型结构（了解） 左手螺旋，只有小沟,双螺旋DNA的结构参数,双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作
9、用及范德华力） 离子键等 则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）,DNA的存在形式,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）,真核 双链线性DNA（dsDNA）,第四节 RNA的结构与功能,一、RNA的结构特点 碱基: A、G、C、U （AU/GC） 多为单链，分子较小 分三类：mRNA 信使RNA，蛋白质翻译的模板 tRNA-蛋白质翻译时转运氨基酸的工具（15%） rRNA -构成蛋白质合成的场所（80%） 少数病毒是RNA病毒（基因由RNA编码）,二、R
10、NA的功能：总体上，DNA编码遗传信息；RNA将其兑现。,tRNA的三级结构三叶草形，重要功能区：反密码环 氨基酸臂,第五节 核酸的性质,二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。 以A260/A280进行定性、定量 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1. 变性 稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。 变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮
11、力密度升高、紫外吸收增加（增色效应） 变性因素 pH（11.3或5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。 一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。 G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,2. 热变性和Tm,3. 核酸的复性,变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。 DNA复性后，一系列性
12、质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。 退火温度Tm25 复性影响因素 片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度,4.分子杂交,DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。 核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。 Southern 杂交（Southern bolting） Northern 杂交（Northern bolting） Western 杂交 （Western bolting）,四、核酸的序列测定,双脱氧链终止法（Sanger酶法） 2. Gilbert化学降解法,本 章 小 结,核酸是遗传物质载体的证明和研究历史 核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号） DNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定）、二级结构（ Watson Crick双螺旋模型、ZDNA）、结构维持的化学键 RNA结构与功能：碱基组成特点、RNA的种类结构及功能 核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交,
