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1、 绚丽多彩的生物世界是怎么产生的绚丽多彩的生物世界是怎么产生的？成千上万种不同性状和习性生物间有？成千上万种不同性状和习性生物间有什么关系？这是自古以来，人们追问的什么关系？这是自古以来，人们追问的问题。问题。 DNA DNA1第第 二二 章章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic AcidStructure and Function of Nucleic Acid2以以核苷酸核苷酸为基本组成单位为基本组成单位生物大分子生物大分子储存、携带和传递储存、携带和传递遗传信息遗传信息核酸核酸( (nucleic nucleic acid)a
2、cid)3脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸/ /DNADNA(deoxyribonucleic (deoxyribonucleic acid,)acid,)核糖核酸核糖核酸/ /RNARNA(ribonucleic (ribonucleic acid,)acid,)细细胞胞核核、线线粒粒体体、叶叶绿绿体体质粒等质粒等胞液、胞核胞液、胞核遗传信息、决定基因型遗传信息、决定基因型DNADNA遗传信息的表达遗传信息的表达l核酸的分类核酸的分类、分布分布及作用：及作用： 4第第 一一 节节核酸核酸的化学组成及其一级结构的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary
3、The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic AcidStructure of Nucleic Acid5l元素组成元素组成: :C、H、O、N、P（9%10%）l分子组成分子组成三部分三部分碱基碱基(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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位6（一）碱（一）碱 基基嘌呤嘌呤( (purinepurine) ) 2 2种种 嘧啶嘧啶( (pyrimidinepyrimidine)
4、) 3 3种种对对对对碱基的说明：碱基的说明：7（二）（二）2 2种戊糖种戊糖（RNA成分）成分）核糖核糖(ribose)（DNA成分）成分）1 12 23 34 45 5脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)原子编号：原子编号：1 1 、228核苷核苷脱氧核苷脱氧核苷（三）核苷（三）核苷( (ribonucleosideribonucleoside) )碱基碱基种类及名称：种类及名称：核苷核苷嘌呤嘌呤9 9位位N/N/嘧啶嘧啶1 1位位N N与糖与糖1 1 C C形成形成糖苷键糖苷键1 1O ON NN NN NH H2 21 1O OH HO OCHCH2 2O OH HO OH H核
5、糖核糖9（四）（四） 核苷酸核苷酸( (ribonucleotideribonucleotide) )O ON NN NN NH H2 2O OCHCH2 2O OH HO OH HP PO OO OO OH HO OH Hl结构举例结构举例核苷核苷/ /脱氧核苷脱氧核苷磷酸酯键磷酸酯键l核苷酸核苷酸的结构：的结构：磷酸磷酸10l核苷酸核苷酸种类和名称：种类和名称：常见碱基部分可为常见碱基部分可为5 5种碱基的一种种碱基的一种核糖部分可为核糖或脱氧核糖核糖部分可为核糖或脱氧核糖酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种或环磷酸中的一种根据三个根据三个组
6、成部分组成部分11l核苷酸核苷酸的主要功能：的主要功能：核苷核苷三三磷酸磷酸是合成核酸是合成核酸原料原料，又能提供，又能提供能量能量。核苷核苷二二磷酸磷酸活化中间代谢物活化中间代谢物,如如UDP-葡萄糖等。葡萄糖等。核苷核苷一一磷酸磷酸是是核酸的组分核酸的组分,还是一些还是一些辅酶的成分辅酶的成分。核苷核苷环环磷酸磷酸在在细胞信号转导细胞信号转导中起重要作用。中起重要作用。12小结：两类核酸的基本成分区别 RNA DNA 磷酸磷酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸 戊糖戊糖 D-核糖核糖 D-2-脱氧核糖脱氧核糖 嘌呤碱嘌呤碱 腺腺(A)、鸟、鸟 (G) 腺腺(A)、鸟、鸟 (G) 嘧啶碱嘧啶碱 胞胞(C)
7、、尿尿 (U) 胞胞(C)、胸腺胸腺 (T) 13小结：两类核酸的基本组成单位 RNA DNA AMPGMPCMPUMP dAMPdGMPdCMPdTMP14二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的大分子连接形成的大分子多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向性性的的线线性性分分子子 ， 称称 为为 多多 聚聚 脱脱 氧氧 核核 苷苷 酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 3 的的羟羟基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 5 的的 - -磷磷 酸酸 基
8、基 团团 缩缩 合合 形形 成成 磷磷 酸酸 二二 酯酯 键键(phosphodiester bond)。15三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的磷酸二酯键的线性大分子线性大分子RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成的线性大分子，成的线性大分子，并且并且具有方向性具有方向性；RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和的嘧啶是胞嘧啶和尿尿嘧啶。嘧啶。16核酸中核苷酸的核酸中核苷酸的排列顺序排列顺序/ /碱基序列。碱基序列。l连接键：连接键：3 3 ，5 5 磷酸二酯键磷酸二酯键l方向性：方向性： 5 5 33 l定义定义：四、核酸的一
9、级结构是核苷酸的排列顺序四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序17A G P5 P T PG PC PT P OH 3 l书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 简化：简化：再简化：再简化：18l核酸分子大小表示法：核酸分子大小表示法：碱基数目表示碱基数目表示 basebase、 kilobasekilobase、用于单链用于单链DNADNA或或RNARNA碱基对数目碱基对数目 base base pair(bppair(bp), ), kilobasekilobase pair(kbppair(kbp) )用于用于双链双链DNADNA或或RNAR
10、NA小的核酸片断（小于小的核酸片断（小于5050bpbp）称寡核苷酸称寡核苷酸19l DNADNA一级结构的意义：一级结构的意义： 编码生命的遗传信息编码生命的遗传信息 简单而又完美四个字简单而又完美四个字“A A 、 G G 、C C 、T T”！惊叹：惊叹：具有强大编码能力具有强大编码能力 DNADNA计算机计算机神奇：神奇： 演化整个生物界演化整个生物界 生命语言生命语言蛋白质一级结构蛋白质一级结构DNADNA一级结构一级结构计算机二进制计算机二进制编码符号编码符号2020种氨基酸种氨基酸A/G/C/TA/G/C/T0/10/1语言语言蛋白质语言蛋白质语言核酸语言核酸语言智能语言智能语言
11、20第第 二二 节节DNADNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNADimensional Structure and Function of DNA2119621962 Nobel Prize in Nobel Prize in Physiology or MedicinePhysiology or Medicine一、一、DNADNA的二级结构的二级结构double helix22（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 Chargaff Chargaff 规则的碱基组成分析规则的碱基组成分析
12、DNADNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （19511951） A A = = T T ； G G = =C C 血红蛋白多肽链为血红蛋白多肽链为 螺旋链的发现螺旋链的发现 （19511951）背景知识：背景知识：23争论焦点：争论焦点：DNADNA是双螺旋、三螺旋，还是四螺旋呢是双螺旋、三螺旋，还是四螺旋呢？磷酸与戊糖组成的骨架处在外侧，还是磷酸与戊糖组成的骨架处在外侧，还是在内侧呢？在内侧呢？碱基配对碱基配对:A-A :A-A 、T-T T-T ，还是，还是A-TA-T呢？呢？24 碱基的理化数据分析（碱基的理化数据分析（19521952）A-TA-T、G-CG-C以以
13、氢键氢键配对较合理配对较合理研究方法：研究方法： 拼图法（象拼图法（象“搭积木搭积木”游戏一样）游戏一样）25（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：结构要点：l先分析结构图先分析结构图l要点小结：要点小结： 19531953年年4 4月月2525日日NatureNature杂志发表了杂志发表了WatsonWatson与与CrickCrick的的DNADNA双螺旋结构假说的短文双螺旋结构假说的短文 26（三）三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 研究意义研究意义 DNADNA双螺旋结构模型完美地说明了双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗遗传物质的遗传、生化和结构的主要
14、特征传、生化和结构的主要特征，它的提出是生物学史，它的提出是生物学史上划时代的事件。从此，上划时代的事件。从此，遗传学遗传学的历史和的历史和生物学生物学的的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。27l超螺旋结构超螺旋结构l意义意义: :DNADNA双螺旋链双螺旋链再盘再盘绕绕即形成超螺旋结即形成超螺旋结构构 DNADNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNADNA复制和复制和RNARNA转转录过程具有关键作用。录过程具有关键作用。 二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构28大多原核生物的大
15、多原核生物的DNADNA是共价封闭的是共价封闭的环形环形DNADNA双螺旋双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核在细胞内进一步盘绕成类核。环状和超螺旋环状和超螺旋DNA结构示意图结构示意图（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构29 研究表明：研究表明：DNADNA若完全展开的话，有将近若完全展开的话，有将近2 2米，米，而细胞的尺寸是微米级的。那么而细胞的尺寸是微米级的。那么DNADNA是如何存在于是如何存在于细胞内部的呢？细胞内部的呢？ （二）真核生物（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的结构的结构30l l核小体核小体的构成的构成核心颗粒核心颗
16、粒核心颗粒核心颗粒 连接区连接区连接区连接区 核心组蛋白：核心组蛋白：核心组蛋白：核心组蛋白： 组蛋白八聚体组蛋白八聚体组蛋白八聚体组蛋白八聚体H H H H2 2 2 2A A A A、H H H H2 2 2 2B B B B、H H H H3 3 3 3 、H H H H4 4 4 4各各各各2 2 2 2分子分子分子分子DNADNADNADNA双螺旋分子双螺旋分子双螺旋分子双螺旋分子(150bp)(150bp)(150bp)(150bp)在在在在核心组蛋白缠绕核心组蛋白缠绕核心组蛋白缠绕核心组蛋白缠绕 1.75 1.75 1.75 1.75圈圈圈圈DNADNADNADNA（60bp60
17、bp60bp60bp） 组蛋白组蛋白组蛋白组蛋白H H H H1 1 1 1 连接核心颗粒连接核心颗粒连接核心颗粒连接核心颗粒l核小体核小体由由DNA和和蛋白质蛋白质构成构成是真核生物是真核生物染色质的基本单位染色质的基本单位31l核小体的折叠及染色体组装核小体的折叠及染色体组装2nm 11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠逐级盘曲折叠32DNADNA压缩了压缩了800080001000010000倍倍核小体核小体螺线管螺线管染色质纤维染色质纤维超螺线管超螺线管33三、三、DNADNA的功能的功能是是DNADNA分分子子中中特特定定区区段段核核苷苷酸酸的的排排列列顺顺序序
18、，即即碱基序列碱基序列信息，它决定了基因的功能。信息，它决定了基因的功能。 l基因：基因：l基因组：基因组： 一个遗传体系所有一个遗传体系所有基因总和基因总和的一整套遗的一整套遗传信息。传信息。l以以基因基因的形式储存、携带和传递遗传信息。的形式储存、携带和传递遗传信息。34第三节第三节 RNARNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNAStructure and Function of RNA35n RNA特点：特点：n RNA种类、分布、功能：种类、分布、功能：365 3 AUGAUGUAUAA A密码子密码子编码区编码区5 5 非翻译非翻译区区
19、3 非翻译非翻译区区m7GpppAAAAn帽子结构帽子结构多聚多聚A尾尾1.哺乳类动物哺乳类动物mRNA结构示意图：结构示意图：一、一、mRNA是蛋白质合成中的模板是蛋白质合成中的模板372.真核细胞真核细胞mRNA结构特点：结构特点：5 5帽子结构帽子结构：m7Gpppm2Npm2Np3 3末端末端多聚多聚A A尾尾polyA编码区编码区hnRNA剪掉内剪掉内含子，含子，外显子拼接。外显子拼接。383. mRNA的功能的功能 把把DNA的的遗传信息遗传信息，转录成，转录成mRNA的的密码密码、指导蛋白质合成的指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。DNA（遗传信息）（遗传信息）转录转录
20、mRNA（密码载体）（密码载体）翻译翻译蛋白质蛋白质(氨基酸序列氨基酸序列)391. tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形2. tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形二、二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体是蛋白质合成中的氨基酸载体403.tRNA的功能：的功能：把把活活化化的的aaaa搬搬运运到到核核糖糖体体，tRNA的的反反密密码码子子与与mRNA的的密密码码子子特特异性结合，使异性结合，使氨基酸对号入座氨基酸对号入座。 mRNA353 2 1 3aa5氨基酰氨基酰-tRNA411.1.rRNA的结构：的结构：参与组成核蛋白体，参与组成核蛋白体，为为蛋白质生物合成的场所蛋白质生
21、物合成的场所。2.2.rRNA的种类：的种类：3.3.rRNA的功能：的功能：多个茎环结构组成多个茎环结构组成三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白为组分的核蛋白体是蛋白 质合成的场所质合成的场所42局部双链局部双链tRNArRNAmRNA三叶草形、倒三叶草形、倒L L形形含稀有碱基多含稀有碱基多反密码子反密码子CCAOH 3CCAOH 3 呈花状呈花状5 5 m m7 7GpppNGpppNm m、3 3 polyApolyA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的模板蛋白质合成的模板搬运活化的搬运活化的aaaa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
22、大小不一, ,量量 80% 80%, ,稳定稳定三种三种RNA内容小结内容小结功功能能43细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的其其他他种种类类的的小小分分子子RNARNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA/snmRNAs.lsnmRNAs核内小核内小RNA、核仁小、核仁小RNA胞质小胞质小RNA、催化性小、催化性小RNA小片段干扰小片段干扰RNA microRNA lsnmRNAs的的种类种类: :四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控44l snmRNAs的的功能功能: :参与参与hnRNA和和rRNA的加工、转运及表达调控。的加工、转运及表达调控。某某些些小小
23、RNA分分子子具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的的活活性性，这这 种种 具具 有有 催催 化化 作作 用用 的的 小小 RNARNA亦亦 被被 称称 为为 核核 酶酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 n 核酶核酶: :45研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。的种类、结构和功能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时间间、不不同同状状态态下下snmRNAs的的表表达达具具有有时时间间和和空间特异性。空间特异性。 l RNA组学组学46The Physical and Chemical
24、 Characters of The Physical and Chemical Characters of Nucleic AcidNucleic Acid第第 四四 节节核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质47lDNA变性的图示：变性的图示：理化因素，理化因素，DNADNA双链间双链间氢键氢键断裂断裂，成两条单链。成两条单链。l定义定义：一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收二、二、DNADNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程48lDNA热变性：热变性：特点特点 骤然、突发式骤然、突发式融解温度融解温度Tm(melting temperatur
25、e)Tm与与G+C含量成正比含量成正比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491.DNA复性复性(renaturation) /退火退火(annealing) 定义定义复性的条件复性的条件三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链502.减（低）色效应：减（低）色效应：3.核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。定义定义应用应用51第第 五五 节节核核 酸酸 酶酶（NucleaseNuclease）指所有可以水解核酸的酶指所有可以水解核酸的酶52l依据底物不同分类：依据底物不同分类： l功能：功能：DNA酶酶(deoxyribonuclease, DNase)RNA酶酶 (ribonuclease, RNase)l依据切割部位不同分类：依据切割部位不同分类： 核酸核酸内内切酶切酶 核酸核酸外外切酶切酶53 核核 酶酶催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 催化性催化性RNA (ribozyme)作为序列作为序列特异性的核酸内切酶降解特异性的核酸内切酶降解mRNA。 54
