人教版教学课件生物31DNA是主要的遗传物质课件1新人教版必修2共109张

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1、 第第第第 一一一一 章章章章 遗传物质的分子结构、遗传物质的分子结构、遗传物质的分子结构、遗传物质的分子结构、性质和功能性质和功能性质和功能性质和功能生化教研室生化教研室 肖建英肖建英 第第 一一 章章 遗传物质的分子结构、性质和功能遗传物质的分子结构、性质和功能第一节第一节 核酸是遗传物质核酸是遗传物质第二节第二节 核酸的结构核酸的结构第三节第三节 核酸的功能核酸的功能第四节第四节 核酸的变性、复性和杂交核酸的变性、复性和杂交第五节第五节 病毒核酸病毒核酸第六节第六节 反义核酸反义核酸 第一节第一节 核酸是遗传物质核酸是遗传物质一、核酸的种类和分布一、核酸的种类和分布核酸（核酸（nucle

2、ic acid）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸（deoxyribonucleic acid）（ribonucleic acid）1868年年核素核素核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细

3、胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。（一）遗传信息储存在一）遗传信息储存在DNA的一级结构中的一级结构中1、“转化转化”现象的发现：现象的发现： 1928年，英国医生发现非致病的年，英国医生发现非致病的R型肺炎型肺炎球菌可以转变为致病的球菌可以转变为致病的S型肺炎球菌。型肺炎球菌。 1931年，年，Dawson、Sia、Alloway在体外重在体外重复了这个转化实验。复了这个转化实验。二、核酸是遗传物质二、核酸是遗传物质19世纪中叶世纪中叶20世纪初，认为遗传物质是蛋白质。世纪初，认为遗传物质是蛋白质。2、“

4、转化因子转化因子”的化学本质：的化学本质： 1944年，年，Avery等发表他们历经等发表他们历经10年的年的研究结果，研究结果， DNA就是将就是将S型肺炎球菌的型肺炎球菌的致病性转移给致病性转移给R型肺炎球菌的化学物质型肺炎球菌的化学物质u DNADNA是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质。结论依据：结论依据：这种化学物质符合这种化学物质符合DNA的性质；的性质；这种物质的光学特性、电泳特性及超速离心均符这种物质的光学特性、电泳特性及超速离心均符 合合DNA的特征。的特征。将蛋白质和磷脂去除不影响转化作用。将蛋白质和磷脂去除不影响转化作用。用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响转化作用。用胰蛋白酶和糜

5、蛋白酶处理不影响转化作用。用用RNA酶处理也不影响转化作用。酶处理也不影响转化作用。用未被加热的血清处理则丧失转化能力，而已知用未被加热的血清处理则丧失转化能力，而已知血清中含有能降解血清中含有能降解DNA的酶。的酶。uDNADNA是病毒的遗传物质是病毒的遗传物质噬菌体感染试验证明噬菌体感染试验证明DNA是病毒的遗传物质。是病毒的遗传物质。uDNADNA是动物细胞的遗传物质是动物细胞的遗传物质外加外加DNA转染的结果使真核细胞获得新的表型。转染的结果使真核细胞获得新的表型。第二节第二节 核酸的结构核酸的结构（Structure of Nucleic Acid）一、一、DNA的结构的结构核酸中核

6、苷酸的排列顺序即称核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列碱基序列。（ 一）一）DNA的一级结构的一级结构核酸的组成核酸的组成分子分子 分子组成分子组成 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)碱基碱基戊糖戊糖 磷酸磷酸核酸酶核酸核酸DNARNA核苷酸核苷酸(ribonucleoside)嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)1、碱、碱 基基(base)嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(ur

7、acil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)2.2.戊戊 糖糖(ribose)：（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 3. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 55端端3端端CGA4 4、 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸

8、之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 （二）（二）DNA的一级结构与种属的差异的一级结构与种属的差异u DNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。一级结构的不同是物种差异的根本原因。1、基因组的概念：基因组的概念：一个细胞中的全部一个细胞中的全部DNA或一个物种的单倍体染色体中的全部或一个物种的单倍体染色体中的全部DNA，称为该物种的基因组称为该物种的基因组(genome)。2、C值的概念：值的概念：一个单倍体

9、基因组的一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，它通常称为该物种含量总是恒定的，它通常称为该物种DNA的的C值值(C value)。u 随着生物的进化，生物体的结构随着生物的进化，生物体的结构与功能越来越复杂，需要的基因产物与功能越来越复杂，需要的基因产物种类也越来越多，即种类也越来越多，即C值就越大。值就越大。3、C值矛盾：值矛盾：在真核生物中，物种进化的在真核生物中，物种进化的复杂程度与复杂程度与DNA含量含量C值并不完全一致，值并不完全一致，称之为称之为C值矛盾值矛盾(C value paradox)。（三）（三） DNA的二级结构的二级结构 双螺旋模型双螺旋模型u DNA的二级结构是的

10、二级结构是指两条脱氧多核苷酸链指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。双螺旋结构。1、 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分分子子由由两两条条反反向向平平行行的的右右手手双双螺螺旋旋的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以- -脱脱氧氧核核糖糖- -磷磷酸酸- -为为骨骨架架排排列列在在外外侧侧，绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘旋旋。螺螺旋旋直直径径为为2nm2nm，形形成成了了相相间间的的大大沟沟 (major (major groove)groove)及及 小小 沟沟(minor g

11、roove) 。 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键互互补补配对配对（A=T; G C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性. .u碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵纵向向稳稳定定性性。对对双双螺螺旋旋的的稳稳定定由为重要由为重要. .

12、2、DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性v DNA双螺旋结构不同构型的意义：双螺旋结构不同构型的意义： 由于双螺旋结构的不同构型，引起螺旋表面由于双螺旋结构的不同构型，引起螺旋表面结构的改变，进而影响其生物学功能。如：结构的改变，进而影响其生物学功能。如： B型型DNA表面有大沟和小沟；表面有大沟和小沟； A型型DNA也有两个沟；也有两个沟； Z型型DNA仅有一个很深很窄的沟。仅有一个很深很窄的沟。 DNA双螺旋的这种表面结构有助于双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合结合 蛋白识别并结合特定的蛋白识别并结合特定的DNA序列。序列。 而这种表面构型的变化对于基因组而这种表面构型的变化对于基

13、因组DNA与其与其DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。（四）（四）DNA的三级结构的三级结构u DNA的三级结构是指的三级结构是指DNA中单链与双链、中单链与双链、双链之间的相互作用形成的双链之间的相互作用形成的三链或四链结构三链或四链结构。u 三股螺旋三股螺旋DNA即三链即三链DNA： （triple strand DNA，tsDNA） 三条链均为同型嘌呤三条链均为同型嘌呤(Hpu)或同型嘧啶或同型嘧啶(Hpy)， 即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。u 两种基本类型两种基本类型四种同分异构体：四种同分异构体： 嘌呤嘌呤-

14、嘌呤嘌呤-嘧啶型（嘧啶型（Pu-Pu-Py型）型） 即即：AAT；GG C 嘧啶嘧啶-嘌呤嘌呤-嘧啶型（嘧啶型（Py-Pu-Py型）型） 即：即：TAT；C G C（五）（五）DNA的的拓扑拓扑结构结构DNA的的拓扑拓扑结构结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 主要指主要指正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相

15、反 超螺旋超螺旋DNA比松弛型比松弛型DNA更紧密，使更紧密，使DNA分子分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。 人每条染色体的平均长度约人每条染色体的平均长度约5cm5cm，而细胞核的，而细胞核的直径仅约直径仅约5 5m m，所以，所以DNADNA分子压缩近万倍。分子压缩近万倍。超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的相互作用。分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的相互作用。对基因表达的调控有重要意义。对基因表达的调控有重要意义。u 超螺旋结构的生物学意义：超螺旋

16、结构的生物学意义：l DNA拓扑异构体的相互转化由拓扑异构体的相互转化由拓扑异构酶拓扑异构酶（型和型和型）催化完成。型）催化完成。（六）（六）DNA的四级结构的四级结构真真核核生生物物中中核核酸酸与与蛋蛋白白质质相相互互作作用用形形成成的的核核糖糖体体、剪剪接接体体，即即可可看看成成核核酸酸的四级结构。的四级结构。另外另外DNADNA缠绕组蛋白构成核小体。缠绕组蛋白构成核小体。二、二、RNA的结构的结构 （Structure of RNA）RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能RNA单链结构单链结构环状结构（环状结构（loop）局部双螺旋结构局部双螺旋结构三级结构三级结构折叠折叠分子伴侣分

17、子伴侣 生物活性分子生物活性分子具有催化活性的具有催化活性的RNA称为称为核酶。核酶。1、DNA的基本功能：的基本功能：是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基础，也是个体生命活动的信息基础。基础，也是个体生命活动的信息基础。第三节第三节 核酸的功能核酸的功能一、一、DNA的功能及基因治疗的功能及基因治疗v 基因的分子定义：基因的分子定义： 基因就是贮存基因就是贮存RNA序列信息及表达这些序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。信息所必需的全部核苷酸序列。v 大多数生物的大多数生物的

18、遗传信息以特定的核苷酸遗传信息以特定的核苷酸 排列顺序储存在排列顺序储存在DNA分子中。分子中。u DNA分子携带两类遗传信息：分子携带两类遗传信息： 编码信息：编码编码信息：编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性的的DNA序列所携带。序列所携带。 调控信息，是一些特定的调控信息，是一些特定的DNA区段。决定区段。决定有关基因选择性表达的信息。有关基因选择性表达的信息。2、基因治疗：、基因治疗：定义：定义：早期早期是指用正常的基因整合入细胞是指用正常的基因整合入细胞基因组，以校正和置换致病基因的一种基因组，以校正和置换致病基

19、因的一种治疗方法。治疗方法。 目前目前广义上来讲是指将某种遗传物广义上来讲是指将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其在体内发挥质转移到患者细胞内，使其在体内发挥作用，以达到治疗疾病目的的方法。作用，以达到治疗疾病目的的方法。u 基因治疗的基本程序基因治疗的基本程序治疗性基因的选择和制备治疗性基因的选择和制备基因载体的基因载体的选择选择靶细胞的选择靶细胞的选择基因导入方式选择基因导入方式选择外源基因表达的筛选外源基因表达的筛选 利用在体中的标记基因利用在体中的标记基因病毒载体（逆转录病毒、腺病毒）病毒载体（逆转录病毒、腺病毒）非病毒载体（脂非病毒载体（脂质质体、直接注射等）体、直接注射等）体细胞（

20、造血体细胞（造血c c、肝、肝c c、淋巴、淋巴c c等）等）生殖细胞（国际上严禁使用）生殖细胞（国际上严禁使用）间接体内疗法（回输法）间接体内疗法（回输法） 体外途径体外途径直接体内疗法直接体内疗法体内途径体内途径u 基因治疗的主要策略基因治疗的主要策略基因矫正基因矫正 ( (gene correction) )基因置换基因置换 ( (gene replacement) )基因增补基因增补 ( (gene augmentation) )基因失活基因失活 ( (gene inactivation) ) 反义核酸技术反义核酸技术核酶技术核酶技术三链技术三链技术RNA干扰干扰技术技术u 基因失活技

21、术基因失活技术u 基因治疗的临床应用基因治疗的临床应用肿瘤的基因治疗（肿瘤的基因治疗（ 61%61%病例病例）感染性疾病的基因治疗感染性疾病的基因治疗 艾滋病（艾滋病（24%24%病例病例） 乙型肝炎乙型肝炎遗传病的基因治疗遗传病的基因治疗 心血管疾病的基因治疗心血管疾病的基因治疗 神经系统疾病的基因治疗神经系统疾病的基因治疗l 全球临床方案数达全球临床方案数达300多项，病例数超过多项，病例数超过 3500人，其中人，其中美国病例占美国病例占80%。二、二、RNA的功能的功能hnRNA mRNA （一）（一）hnRNA和和mRNA的功能的功能内含子内含子( (intron) ) 外显外显子子

22、( (exon) )断裂基因断裂基因 (DNA)u mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则抄抄录录下下来来，以以三三联联体体密密码码的的形形式式决决定定蛋蛋白质的氨基酸排列顺序。白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 u tRNA的一级结构特点：的一级结构特点：1.含有稀有碱基，如含有稀有碱基，如 DHU 甲基化嘌呤甲基化嘌呤 假尿假尿嘧啶嘧啶2.含有茎

23、环结构含有茎环结构3末端为末端为 CCA-OH4. tRNA序列中有反密码子序列中有反密码子（二）（二）tRNA的功能的功能u tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环额外环额外环TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环u tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形u tRNAtRNA的功能：的功能： 2. 2. 活化氨基酸；活化氨基酸； 1. 1. 搬运氨基酸；搬运氨基酸； 3.3. 在在密码子密码子与对应与对应氨基酸氨基酸之间起接合体之间起接合体 ( (adaptoradaptor) ) 的作用。的作用。如：如：密码子密码子GGUGGU-携带反密码子

24、携带反密码子ACCACC的的tRNA-tRNA-GlyGly密码子密码子tRNAtRNA反密码子反密码子氨基酸是对号入座的。氨基酸是对号入座的。u rRNA的结构的结构（三）（三）rRNA的功能的功能u rRNA的功能的功能：参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所。u rRNA的种类的种类（根据沉降系数）（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA原核生物原核生物16S21种种 23S 5S31种种真核生物真核生物49种种28S 5.8

25、5S 5S18S33种种rRNA蛋白质蛋白质小亚基小亚基大亚基大亚基 (50S)(30S)(40S) (60S)小亚基小亚基大亚基大亚基（四（四 ）其他小分子）其他小分子RNA除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 u snmRNAs:u snmRNAs的的种类种类:核内小核内小RNA (small nuclear RNA, snRNA)核仁小核仁小RNARNARNA (small nucleolar R

26、NA, snoRNA)胞质小胞质小RNA RNA (small cytoplasmic RNA, scRNA)催化性小催化性小RNA RNA (small catalytic RNA)小片段干涉小片段干涉 RNARNA (small interfering RNA, siRNA)起始起始RNARNA (initiator RNA，iRNA) 微小微小RNA（micro RNA, miRNA） u snmRNAs的的功能：功能： U系列系列snRNA与蛋白质结合构成与蛋白质结合构成snRNP，参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。如如U1、U2、U3、U4、U5、U6等。等。

27、多种多样多种多样 siRNA和和miRNA参与某些基因表达调控。参与某些基因表达调控。 iRNA作为作为DNA合成的引物。合成的引物。（五）端粒酶（五）端粒酶RNARNA与核酶与核酶1、端粒、端粒（telomere）：）：是真核生物染色体末端的是真核生物染色体末端的一种特殊结构一种特殊结构由端粒由端粒DNA和端粒蛋白质构成和端粒蛋白质构成作用：稳定染色体结构作用：稳定染色体结构 防止染色体末端融合防止染色体末端融合 保护染色体结构基因保护染色体结构基因 避免遗传信息在复制过程中丢失避免遗传信息在复制过程中丢失1930，著名的遗传学家，著名的遗传学家 B.Mcclintock 和和HJ.Mlle

28、r发现：染色体的末端可维持染色体的发现：染色体的末端可维持染色体的稳定性稳定性Mller将它定义为将它定义为“telomere”，这是由希腊语这是由希腊语“末端末端”（telos）及及“部分部分”（meros）组成的组成的染色体失去了这些片段染色体失去了这些片段，就会互相粘连到一块，就会互相粘连到一块，发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分裂与生长裂与生长u 端粒的发现端粒的发现19701970，EH.Blackburn EH.Blackburn 利用四膜虫揭示利用四膜虫揭示 了端粒了端粒DNADNA的初步结构：的初步结构：由非常短且数目精确的串联

29、重复由非常短且数目精确的串联重复 DNA 片段片段 组成，富含嘌呤组成，富含嘌呤G。结构：结构：一条链一条链Gn（T/A)m，互补链，互补链Cn（A/T)m。 n1，m为为14。重复次数由几十到数千不等重复次数由几十到数千不等u 端粒端粒DNA结构结构u 不同生物端粒不同生物端粒DNADNA序列序列 人：（人：（TTAGGG）n ，联重复，联重复，515kb酵母：酵母：（TTTGGG），）， 200 400 bp尖毛虫：尖毛虫：TTTTGGGG ， 20 bp小鼠：小鼠： 5 80 kb大鼠：大鼠： 150 kb2、端粒酶、端粒酶 (telomerase)是端粒复制所必须的一种特殊的是端粒复制

30、所必须的一种特殊的DNA聚合酶。聚合酶。具有逆转录酶活性。具有逆转录酶活性。能以能以hTR为模板，向染色体末端添加为模板，向染色体末端添加TTAGGG序列。序列。u 端粒酶组成端粒酶组成端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 端粒酶端粒酶RNA的一级结构缺乏保守性，的一级结构缺乏保守性，但都有保守的二级结构。但都有保守的二级

31、结构。u 端粒酶的结构端粒酶的结构具有酶促活性的具有酶促活性的RNA称为核酶。称为核酶。3、核酶、核酶(ribozyme)u催化性催化性RNA (RNAzyme) 作为序列特异性的作为序列特异性的核酸内切酶降解核酸内切酶降解mRNA核酶核酶。 u催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 四膜虫四膜虫rRNA的剪接采用的剪接采用自我剪接自我剪接方式方式最简单的核酶二级结构最简单的核酶二级结构槌头状结构槌头状结构(hammerhead structure)底物部分底物部分通常为通常为60个核苷酸

32、左右个核苷酸左右同同一一分分子子上上包包括括有有催催化化部份部份和和底物部份底物部份 催催化化部部份份和和底底物物部部份份组组成锤头结构成锤头结构 除除rRNA外，外，tRNA、mRNA的加工也可采用的加工也可采用自我剪接方式。自我剪接方式。 u 核酶研究的意义核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶利用核酶的结构设计合成人工核酶 。 核核 酸酸 的的 变性、复性和杂交变性、复性和杂交denaturation， renaturation and hybridi

33、zation of nucleic acid第第 四四 节节一、一、核酸核酸的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后理化性质发生变化：变性后理化性质发生变化：260nm260nm的紫外吸收值增加的紫外吸收值增加粘度降低，浮力密度升高粘度降低，浮力密度升高二级结构的改变等。二级结构的改变等。例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引

34、起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。热变性热变性解解链链曲曲线线：如如果果在在连连续续加加热热DNADNA的的过过程程中中以以温温度度对对A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代代表表溶溶液液在在260nm260nm处处的的吸吸光光率率）值值作作图图，所所得得的的曲曲线线称称为为解解链曲线链曲线。 Tm：变变性性是是在在一一个个相相当当窄窄的的温温度度范范围围内内完完成成，在在这这一一范范围围内内，紫紫外外光光吸吸收收值值达达到到最最大大值值的的50

35、%时时的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度度，又又称称融融解解温度温度(melting temperature, Tm)。其大小与其大小与 DNA分子分子G+C含量成正比。一般含量成正比。一般7085.1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用二、核酸的复性二、核酸的复性(renaturation) 定义定

36、义:在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可恢的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing) 。复性条件复性条件：有足够的盐浓度。有足够的盐浓度。 有足够高的温度，比有足够高的温度，比Tm低低2025。在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶

37、溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就 可可 以以 在在 不不 同同 的的 分分 子子 间间 形形 成成 杂杂 化化 双双 链链(heteroduplex)。三、核酸的杂交三、核酸的杂交(hybridization)与应与应用用 这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间之间形成，也可以在形成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交。 探针

38、探针 (probe) 一一小小段段用用同同位位素素、生生物物素素或或荧荧光光染染料料标标记记其其末末端端或或全全链链的的已已知知序序列列的的多多聚聚核核苷苷酸酸，与与固固定定在在NC膜膜上上的的核核苷苷酸酸结结合合，判判断断是是否否有有同同源源的的核核酸酸分子存在。分子存在。 u 探针技术探针技术探针种类：探针种类： DNA探针探针单链或双链单链或双链 RNA探针探针单链单链u 印迹技术印迹技术 印迹技术（印迹技术（blotting）是指将存在）是指将存在于凝胶中的生物大分子转移（印迹）于固于凝胶中的生物大分子转移（印迹）于固定化介质上并加以检测分析的技术。定化介质上并加以检测分析的技术。 目

39、前，这种技术已被广泛用于目前，这种技术已被广泛用于DNA、RNA和蛋白质和蛋白质的检测。的检测。u 印迹技术的类别及应用印迹技术的类别及应用（一）（一）DNA印迹技术印迹技术 (Southern blotting) 用于基因组用于基因组DNA、重组质粒和噬菌体的重组质粒和噬菌体的分析。分析。（二）（二）RNA印迹技术印迹技术 (Northern blotting) 用于用于RNA的定性定量分析。的定性定量分析。（三）蛋白质的印迹分析（三）蛋白质的印迹分析 (Western blotting) 用于蛋白质定性定量及相互作用研究。用于蛋白质定性定量及相互作用研究。也称为也称为免疫印迹技术免疫印迹技

40、术 （immunoblotting) 其他其他斑点印斑点印迹迹 (dot blotting) 原位杂交原位杂交 (in situ hybridization)DNA点阵点阵 (DNA array) DNA芯片技术芯片技术 (DNA chip)三三种种印印迹迹技技术术的的比比较较分子杂交实验分子杂交实验放放射射自自显显影影照照片片u 核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性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是基因芯片技术的基础 四

41、、生物芯片四、生物芯片基因芯片基因芯片 生物芯片主要指通过平面微细加工生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。大信息量的检测。u 何为生物芯片（何为生物芯片（biochip）? 它是继大规模集成电路之后的又一次具它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。有深远意义的科学技术革命。u 生物芯片分类生物芯片分类基基因因芯芯片片技技术术是是指指通通过过微微阵阵列列技技术术将将

42、高高密密度度DNADNA片片段段阵阵列列（探探针针）通通过过高高速速机机器器人人或或原原位位合合成成方方式式以以一一定定的的顺顺序序或或排排列列方方式式使使其其附附着着在在如如硅硅胶胶片片等等固固相相表表面面( (400400/cm2），用用荧荧光光标标记记的的DNADNA序序列列或或样样品品与与芯芯片片上上的的探探针针进进行行杂杂交交，通通过过检检测测每每个个探探针针分分子子杂杂交交信信号号的的强强度度，获获取取样样品分子的数量和序列信息品分子的数量和序列信息。（一）基因芯片（一）基因芯片（Gene chip）u 基因芯片发展历史基因芯片发展历史Southern & Northern Sou

43、thern & Northern BlotBlotDot Dot BlotBlotMacroarrayMacroarrayMicroarrayMicroarray（二）基因芯片的主要类型（二）基因芯片的主要类型芯片固相载体支持物有：芯片固相载体支持物有： 硅胶片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、硅胶片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、 尼龙膜等。尼龙膜等。（三）基因芯片的杂交及检测（三）基因芯片的杂交及检测（四）基因芯片的应用（四）基因芯片的应用1、基因表达方法的检测、基因表达方法的检测2、用于定位克隆，寻找新基因、用于定位克隆，寻找新基因3、在基因组文库中确定重叠样的排列、在基因组文库中确定重叠样的排列4、

44、基因的测序、基因的测序5、测定基因突变的多态性、测定基因突变的多态性DNA点阵点阵第五节第五节 病毒核酸病毒核酸 按照细胞的特征按照细胞的特征(自我装配、自我调节、自我自我装配、自我调节、自我复制复制)l 病毒既不是真核细胞，也不是原核细胞，病毒既不是真核细胞，也不是原核细胞，l 它只是具有部分生命特征的感染物。它只是具有部分生命特征的感染物。l 是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。一、病毒的基本概念一、病毒的基本概念： 病毒必须依赖宿主细胞进行繁殖，病毒必须依赖宿主细胞进行繁殖，它在细胞中它在细胞中复制和装配是靠细胞的代谢活动来完成的复制和装配是靠细胞的代谢活

45、动来完成的。 在细胞内组装成熟后释放到细胞外，感染其它细胞。在细胞内组装成熟后释放到细胞外，感染其它细胞。u 病毒概念的限定：病毒概念的限定： 病毒粒子由蛋白质外壳与内部核酸构成；病毒粒子由蛋白质外壳与内部核酸构成； 病毒粒子是由预先形成的组分装配而成的；病毒粒子是由预先形成的组分装配而成的； 病毒自身不具备能量代谢的遗传信息；病毒自身不具备能量代谢的遗传信息； 病毒自身不具备物质代谢的遗传信息。病毒自身不具备物质代谢的遗传信息。病毒外壳蛋白质的作用：病毒外壳蛋白质的作用：一是保护核酸，防止被核酸酶破坏；一是保护核酸，防止被核酸酶破坏；二是识别宿主细胞，帮助病毒感染细胞。二是识别宿主细胞，帮助

46、病毒感染细胞。 根据病毒所含核酸的性质和状态不同分六类：根据病毒所含核酸的性质和状态不同分六类：双链双链DNAmRNA蛋白质蛋白质单链单链DNADNAmRNA蛋白质蛋白质双链双链RNAmRNA蛋白质蛋白质单链单链RNARNAmRNA蛋白质蛋白质单链单链RNAmRNA蛋白质蛋白质单链单链RNADNADNAmRNA蛋白质蛋白质u 病毒的分类：病毒的分类： 根据寄生的宿主不同分三类：根据寄生的宿主不同分三类： 动物病毒、植物病毒、细菌病毒（动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）噬菌体）。v 无外壳蛋白，仅有传染性的环状无外壳蛋白，仅有传染性的环状RNA分子称为分子称为类病毒类病毒(viroid)。

47、类病毒主要在植物中引起一些疾病。类病毒主要在植物中引起一些疾病。v 无基因组，而仅由蛋白质组成的传染因子称为无基因组，而仅由蛋白质组成的传染因子称为朊病毒朊病毒(prions)。 也称也称侵染性蛋白质侵染性蛋白质或或蛋白质感染因子蛋白质感染因子。 如疯牛病、脑软化病、如疯牛病、脑软化病、 人纹状体脊髓变性病的感染因子。人纹状体脊髓变性病的感染因子。u 两类特殊的病毒两类特殊的病毒：病毒核酸分子大小差别很大病毒核酸分子大小差别很大，一般在，一般在1030nm之间，之间，3kb300kb不等。不等。二、病毒核酸的一般特征二、病毒核酸的一般特征病毒核酸存在形式多样病毒核酸存在形式多样：如单链如单链R

48、NARNA，双链，双链RNARNA，单链，单链DNADNA，双链，双链DNADNA。 病毒核酸病毒核酸形状有线状和环状两种。形状有线状和环状两种。病毒基因组病毒基因组具有操纵子结构具有操纵子结构,。 噬菌体基因组中无内含子，但动物病毒噬菌体基因组中无内含子，但动物病毒的基因组中具有内含子。的基因组中具有内含子。病毒基因组织病毒基因组织有重叠基因有重叠基因的存在。的存在。 病毒核酸分正、负链病毒核酸分正、负链： 正链病毒（能起正链病毒（能起mRNA作用）作用） 负链病毒（互补链作为负链病毒（互补链作为mRNA）三、三、DNA病毒的核酸结构病毒的核酸结构线形双链线形双链DNA病毒的特殊结构：多在末

49、端病毒的特殊结构：多在末端1、粘性末端、粘性末端2、末端重复序列、末端重复序列3、末端回文结构、末端回文结构4、痘苗病毒：其两条多核苷酸链在末端以、痘苗病毒：其两条多核苷酸链在末端以 共价键相连，故与其它线形共价键相连，故与其它线形DNA病毒不同。病毒不同。5、腺病毒在、腺病毒在DNA两条链的两条链的5 端有一共价键连接端有一共价键连接 的蛋白质。的蛋白质。四、四、RNA病毒的核酸结构病毒的核酸结构1、单链、单链RNA病毒：病毒： 正链正链RNA病毒：病毒病毒：病毒RNA能起能起mRNA的作用的作用 负链负链RNA病毒：其互补链能起病毒：其互补链能起mRNA的作用的作用RNA 5 端端有帽子，

50、有帽子，3 端有端有poly ARNA 5 端有三磷酸核苷，没端有三磷酸核苷，没有帽子；有帽子；互补链有帽。互补链有帽。3 端没有端没有poly A，需利用宿主的，需利用宿主的poly A聚合酶。聚合酶。2、逆转录病毒、逆转录病毒RNA：为正链为正链RNA，且有两条正链，且有两条正链RNA； 5 端有一个连接结构形成端有一个连接结构形成“双倍体双倍体”。第六节第六节 反义核酸反义核酸一、反义核酸一、反义核酸（antisense nucleic acid）概述概述 反义核酸也称反义寡核苷酸反义核酸也称反义寡核苷酸，最初是指，最初是指与单链与单链RNA互补的一段寡核苷酸序列。互补的一段寡核苷酸序列

51、。u 概念：概念：反义核酸是根据碱基互补原理，反义核酸是根据碱基互补原理，用人工或体内合成的用人工或体内合成的特定特定DNA或或RNA片段片段（或化学修饰衍生物）（或化学修饰衍生物）与目的序列结合与目的序列结合，通，通过空间位阻效应或诱导过空间位阻效应或诱导RNase活性，在复制、活性，在复制、转录、剪接、转录、剪接、mRNA转运及翻译水平上，转运及翻译水平上，抑抑制或封闭目的基因的表达。制或封闭目的基因的表达。u 反义核酸作用于靶核酸的部位：反义核酸作用于靶核酸的部位：1、mRNA 5 端非翻译区，包括端非翻译区，包括SD序列和序列和RBS。2、mRNA 5 端编码区，主要是起始密码端编码区

52、，主要是起始密码AUG。3、mRNA 5 末端帽子形成位点。末端帽子形成位点。4、前体、前体mRNA外显子与内含子结合部位，外显子与内含子结合部位，5、mRNA polyA形成位点。形成位点。6、阻止、阻止mRNA成熟及其向胞浆转运的序列。成熟及其向胞浆转运的序列。反义核酸反义核酸 靶核酸靶核酸二聚体二聚体形成形成易被核酸酶降解易被核酸酶降解促进自身剪接修饰促进自身剪接修饰二、反义技术二、反义技术（ antisense technology）u 反义技术即指根据碱基互补原理，用人反义技术即指根据碱基互补原理，用人工或体内合成的工或体内合成的特定特定DNA或或RNA片段片段（或（或化学修饰衍生物

53、）抑制或封闭目的基因表达化学修饰衍生物）抑制或封闭目的基因表达的技术。的技术。反义寡核苷酸药物分三代：反义寡核苷酸药物分三代：第一代反义寡核苷酸药物：硫代修饰寡核苷酸第一代反义寡核苷酸药物：硫代修饰寡核苷酸第二代反义寡核苷酸药物：甲氧第二代反义寡核苷酸药物：甲氧/乙氧基反义寡核苷酸乙氧基反义寡核苷酸第三代反义寡核苷酸药物：肽核酸第三代反义寡核苷酸药物：肽核酸（一）反义（一）反义DNAn n 是人工合成的能与特定是人工合成的能与特定是人工合成的能与特定是人工合成的能与特定 DNA DNA DNA DNA 或或或或 RNA RNA RNA RNA 互补结合互补结合互补结合互补结合的短核酸片段，从而

54、在的短核酸片段，从而在的短核酸片段，从而在的短核酸片段，从而在 DNA DNA DNA DNA 或或或或 RNA RNA RNA RNA 水平上抑制水平上抑制水平上抑制水平上抑制特定基因的转录和翻译。特定基因的转录和翻译。特定基因的转录和翻译。特定基因的转录和翻译。u 反义反义DNA分类及特点：分类及特点：1、正常、正常DNA片段（片段（N-ODN）：）：人工合成，无修饰人工合成，无修饰2、甲基磷酸型、甲基磷酸型DNA片段（片段（M-ODN）：）： 人工合成，甲基取代人工合成，甲基取代DNA片段磷上的羟基。片段磷上的羟基。 这种衍生物使这种衍生物使DNA变成中性大分子，易被细胞变成中性大分子，

55、易被细胞吞饮进入细胞，而不被细胞内核酸酶降解。吞饮进入细胞，而不被细胞内核酸酶降解。3、硫代磷酸型、硫代磷酸型DNA片段（片段（S-ODN）：）： DNA片段磷上的羟基被片段磷上的羟基被-SH取代，仍带负电荷，取代，仍带负电荷，各种性质与正常各种性质与正常DNA片段很相似。片段很相似。 通过受体作用完整进入细胞，抗核酸酶能力强。通过受体作用完整进入细胞，抗核酸酶能力强。4、双硫代磷酸型、双硫代磷酸型DNA片段（片段（SS-ODN）：）： 在在S-ODN的基础上，用的基础上，用-SH取代磷位上未参与取代磷位上未参与形成二酯键的另一个氧，形成双硫代磷酸二酯键。形成二酯键的另一个氧，形成双硫代磷酸二

56、酯键。SS-ODN抑制核酸酶的能力更强，但毒性加大。抑制核酸酶的能力更强，但毒性加大。5、-构型构型DNA片段：片段：上述四种均为上述四种均为-构型。构型。 - -型型没有化学修饰，抗核酸酶降解的能力很强。没有化学修饰，抗核酸酶降解的能力很强。6、各种反义、各种反义DNA片段的末端化学修饰。片段的末端化学修饰。（二）反义（二）反义RNA概念：概念：是指核苷酸序列与其所调控的是指核苷酸序列与其所调控的RNA序列互补的序列互补的RNA片段。片段。第二代反义寡核苷酸药物：第二代反义寡核苷酸药物：甲氧甲氧/乙氧基反义乙氧基反义寡核苷酸是一类寡核苷酸是一类RNA，即在，即在RNA核糖环上的核糖环上的2

57、-羟基转化为甲氧基羟基转化为甲氧基/乙氧基。乙氧基。优点：优点：可以口服，与可以口服，与RNA结合力强，无异构体，结合力强，无异构体，稳定性较好，硫相关毒性较小。稳定性较好，硫相关毒性较小。缺点：缺点：不能激活体内的不能激活体内的RNase Hu 反义反义RNA作用机制作用机制直接作用于靶直接作用于靶 mRNA 的核蛋白体结合的核蛋白体结合位点或与靶位点或与靶 mRNA 直接结合形成双链直接结合形成双链 RNA结合非编码区结合非编码区作用于基因的启动子作用于基因的启动子（三）肽核酸（三）肽核酸(peptide nucleic acid, PNA)概念：概念：是指在特定肽链上连接不同碱基的核酸。

58、是指在特定肽链上连接不同碱基的核酸。即：以类氨基多肽链（即：以类氨基多肽链（N-氨基乙烷基乙酸链）代替氨基乙烷基乙酸链）代替核酸中的磷酸戊糖骨架，并按一定序列结合上标准核酸中的磷酸戊糖骨架，并按一定序列结合上标准的的A、G、C、T碱基，从而形成肽核酸碱基，从而形成肽核酸 第三代反义寡核苷酸药物。第三代反义寡核苷酸药物。特点：特点：与靶基因结合能力强，稳定性好，易吸收，与靶基因结合能力强，稳定性好，易吸收，在体内具有内切酶活性和抑制端粒作用。在体内具有内切酶活性和抑制端粒作用。作用：作用：肽核酸可与互补肽核酸可与互补DNA或或RNA特异性结合，特异性结合，抑制或封闭基因表达。抑制或封闭基因表达。

59、三、反义核酸的应用三、反义核酸的应用1、基因功能分析基因功能分析：不需改变基因结构：不需改变基因结构2、在细胞或亚细胞水平上对基因表达进行定位在细胞或亚细胞水平上对基因表达进行定位或定量研究：或定量研究：用标记的反义用标记的反义RNA或反义寡脱氧或反义寡脱氧核苷酸作为探针进行原位杂交。核苷酸作为探针进行原位杂交。3、基因治疗：基因治疗：是目前最有吸引力的手段之一。是目前最有吸引力的手段之一。4、研究病毒致病机制：研究病毒致病机制：用反义用反义RNA作探针。作探针。复习题复习题1、解释概念：、解释概念： 核酸的一级结构、双螺旋结构（特点）、核酸的一级结构、双螺旋结构（特点）、超螺旋结构、核酶、基因治疗、端粒、端粒酶、超螺旋结构、核酶、基因治疗、端粒、端粒酶、核酸变性、核酸变性、Tm、探针、分子杂交、基因芯片、探针、分子杂交、基因芯片、反义核酸、肽核酸。反义核酸、肽核酸。2、简述、简述DNA、mRNA、tRNA、rRNA的功能。的功能。3、简述病毒核酸的一般特征。、简述病毒核酸的一般特征。4、何谓反义、何谓反义DNA？有哪些类型及特点？有哪些类型及特点？5、何谓反义核酸？有何应用？、何谓反义核酸？有何应用？