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1、请同学们做好上课的准备请同学们做好上课的准备复习一下上节课的内容复习一下上节课的内容过会儿我会提问的过会儿我会提问的计入平时成绩的哦计入平时成绩的哦第四章 核酸结构与功能 (Structure and Function of Nucleic Acid)(Structure and Function of Nucleic Acid)问题问题n n什么是核酸？什么是核酸？n n哪里有核酸？哪里有核酸？n n核酸与检验技术（检验医学）的关系？核酸与检验技术（检验医学）的关系？n n吃核酸能补基因吗？吃核酸能补基因吗？ 核酸核酸是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生为基本组成单位的生物大分子，携带和传
2、递遗传信息。物大分子，携带和传递遗传信息。一、什么是核酸一、什么是核酸(nucleic acid) 天然存在的核酸可分为两大类天然存在的核酸可分为两大类（蛋白质的基本组成单位是什么呢？）（蛋白质的基本组成单位是什么呢？）核糖核酸核糖核酸(RNA)和和脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA) 。二、核酸的发现和研究工作进展二、核酸的发现和研究工作进展 YY18681868年年年年 Fridrich MiescherFridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取从脓细胞中提取从脓细胞中提取“ “核素核素核素核素” ” YY19441944年年年年 AveryAvery等人等人等人等人证实
3、证实证实证实DNADNA是遗传物质是遗传物质是遗传物质是遗传物质YY19531953年年年年 WatsonWatson和和和和CrickCrick发现发现发现发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构YY19681968年年年年 NirenbergNirenberg发现发现发现发现遗传密码遗传密码遗传密码遗传密码YY19751975年年年年 TeminTemin和和和和BaltimoreBaltimore发发发发现现现现逆转录酶逆转录酶逆转录酶逆转录酶YY19811981年年年年 GilbertGilbert和和和和SangerSanger建建建建立立立立DNA DNA
4、测序方法测序方法测序方法测序方法YY19851985年年年年 MullisMullis发明发明发明发明PCR PCR 技术技术技术技术YY19901990年年年年 美国启动美国启动美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划( (HGPHGP) ) YY19941994年年年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动YY20012001年年年年 美、英、中等国美、英、中等国美、英、中等国美、英、中等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架YY20032
5、003年年年年 人类基因组计划完成人类基因组计划完成人类基因组计划完成人类基因组计划完成 约约约约3 34 4万个基因万个基因万个基因万个基因 三、核酸的分类及分布三、核酸的分类及分布 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核外外如如线线粒粒体体，叶叶绿绿体体，质粒等。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)。参与细胞内参与细胞内DNA
6、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。第一节 核酸的化学组成 (The Chemical Component of Nucleic Acid)(The Chemical Component of Nucleic Acid)一、化学组成一、化学组成 (一一) 元素组成元素组成 组成核酸的主要元素：组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）(二二) 核苷酸的分子组成核苷酸的分子组成1.碱基碱基(base) 嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶2.戊糖戊糖(ribose) 核糖核糖，脱氧核糖（脱氧核糖（DNA/RNA?）3.磷酸磷酸(phosp
7、hate)组成蛋白质的主要元素是什么呢？组成蛋白质的主要元素是什么呢？(1)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NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O了解即可了解即可(2)嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHN132456尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3了解即可了解即可这个要记住这个要记住DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C2.戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1
8、2345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH了解即可了解即可二、基本单位二、基本单位核苷酸核苷酸(一一)核苷核苷(ribonucleoside)(二二)核苷酸核苷酸(ribonucleotide)1.碱基和核糖碱基和核糖(脱氧核糖脱氧核糖)通过通过糖苷键糖苷键连接形连接形 成核苷成核苷(脱氧核苷脱氧核苷)。2.核苷种类核苷种类 核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR1.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连接 形成核
9、苷酸（脱氧核苷酸）。形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP2.核苷酸种类核苷酸种类 核苷、核苷酸、核酸核苷、核苷酸、核酸PiPi糖苷键糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O了解即可了解即可(三三)重要的游离核苷酸及其衍生物重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸环化核苷酸 cAMP，cGMPATPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH了解即可了解
10、即可5端端3端端(四四)核苷酸的连接核苷酸的连接 1.核苷酸之间核苷酸之间以以磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接形成多核苷酸链，形成多核苷酸链，即核酸。即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键磷酸二酯键A G P5 P T PG PC PT P OH 3 2.书写方法书写方法5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 第二节 DNA的结构与功能 (Structure and Function of (Structure and Function of DNA)DNA)一、核酸的一、核酸的一级结构一级结构 (一一)定义
11、定义 核酸中核苷酸的排列顺序。核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为称为碱基序列碱基序列。DNA、RNA分别是哪四个碱基？分别是哪四个碱基？DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C蛋白质的四个级别的结构蛋白质的四个级别的结构分别是什么？分别是什么？二、二、DNA的空间结构与功能的空间结构与功能(一一) DNA的的二级结构二级结构 1. 定义定义 即平行反向的右手双螺旋即平行反向的右手双螺旋结构。结构。Watson, Crick于于1953提出。提出。2. 研究背景研究背景(1) 碱基组成分析碱基组成分析Charga
12、ff 规则规则：A = TG C(2)碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理(3)X-线线衍射图谱分析衍射图谱分析 WastonCrick3. DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 (1) 由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，以以右右手手螺螺旋旋方方式式盘盘绕绕中中心心轴轴。螺螺旋旋直直径径为为2nm，形形成成大大沟沟及小沟相间。及小沟相间。 这这些些沟沟结结构构与与蛋蛋白白质质、DNA之间的相互识别有关。之间的相互识别有关。5/3/5/3/(2) 碱基间距碱基间距0.34nm，螺旋一螺旋一
13、圈圈10对碱基，螺距对碱基，螺距3.4nm 。了解即可了解即可A T C GHNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成侧，碱基在内相互形成氢键氢键配对配对(A=T; G C)。这个要记这个要记住！住！(3)氢键氢键维持横向稳定性，维持横向稳定性，碱碱基堆积力基堆积力维持纵向稳定性。维持纵向稳定性。4.DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性不同类型不同类型DNA的结构参数的结构参数A型型DNAB型型DNAZ型型DNA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55n
14、m2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nm Watson和和Crick当年提出的是理想当年提出的是理想化的化的DNA双螺旋模双螺旋模型，后来发现其各型，后来发现其各项参数均与实际的项参数均与实际的DNA双螺旋结构有双螺旋结构有一定差异。一定差异。 了解即可了解即可(二二) DNA的的三级结构三级结构1.原核生物原核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构(1) 定义定义 即在即在DNA二级结构的基础上进一步折二级结构的基础上进一步折叠
15、成环状或麻花状的叠成环状或麻花状的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)。 环状环状 麻花状麻花状 (3) 意义意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转转录过程具有关键作用。录过程具有关键作用。 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。双螺旋方向相反。 (2) 种类种类了解即可了解即可2.真核生物真核生物DN
16、A的超螺旋结构的超螺旋结构真真核核生生物物染染色色体体由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，其其基基本单位是本单位是 核小体核小体。(1) DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp H1H2A，H2BH3H4组蛋白组蛋白2nm DNA了解即可了解即可(三三) DNA的功能的功能1.DNA的的基基本本功功能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基础础，也也是是个个体体生生命命活活动的信息基础。动的信息基础。2.基基因因从从结结构
17、构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基因的功能基因的功能。 3.进化程度越高的生物其进化程度越高的生物其DNA分子越大，分子越大，人类基因组有人类基因组有？个碱基对。个碱基对。3109第一、二节小结第一、二节小结n n什么是核酸什么是核酸什么是核酸什么是核酸n n核酸大事记：核酸大事记：核酸大事记：核酸大事记：19531953年，年，年，年，19851985年年年年n n核酸的分类及分布核酸的分类及分布核酸的分类及分布核酸的分类及分布n n元素组成元素组成元素组成元素组成n n核酸的基本单位核酸的基本单位核酸的基本
18、单位核酸的基本单位n n核苷酸的分子组成：三个部分核苷酸的分子组成：三个部分核苷酸的分子组成：三个部分核苷酸的分子组成：三个部分n n碱基：碱基：碱基：碱基：DNADNA、RNARNAn n核酸的一级结构、二级结构、三级结构核酸的一级结构、二级结构、三级结构核酸的一级结构、二级结构、三级结构核酸的一级结构、二级结构、三级结构n nDNADNA的功能的功能的功能的功能罗莎琳德罗莎琳德.弗兰克林弗兰克林第三节 RNA的结构与功能 (Structure and Function of (Structure and Function of RNA)RNA)RNA的种的种类、分布、功能类、分布、功能核蛋
19、白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA
20、核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNARNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA根据根据RNA的功能可分为的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。等多种。(一一) mRNA结构特点
21、结构特点1.大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C2也也是是甲基化，形成甲基化，形成帽子结构：帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾尾。 3.帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 mRNA核内向胞核内向胞质的转位；质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调的稳定性维系；翻译起始的调控控 。一、一、mRNA的结构与功能的结构与功能了解即可了解即可7 7甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三
22、磷酸帽子结构帽子结构多聚多聚A尾结构尾结构OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/AUGGUGGCGAGGTGTATTGAUAAAAAA Anm7Gpppp5/帽子结构帽子结构帽子结构帽子结构5/非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区编码区3/非编码区非编码区非编码区非编码区3/多聚多聚多聚多聚A A尾尾尾尾了解即可了解即可(二二) mRNA的功能的功能 1.构构成成遗遗传传密密码码，传传递递DNA所所携携带带的的遗遗传传信息信息。 2.用用连连续续三三个个核核苷苷酸酸作作为为密密码码子子以以决决定定其
23、其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。合成蛋白质的氨基酸排列顺序。中心法则中心法则五、核酶五、核酶 (一一)具有催化功能的核酸称为核酶。具有催化功能的核酸称为核酶。底物部分底物部分(二二) 核酶的锤头核酶的锤头状结构状结构 通通常常为为60个个核核苷苷酸酸组组成成，包包括括有有催催化化部部分分和和底底物物部部分分组组成成锤锤头结构。头结构。 (三三)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；是核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶人工核酶 。 了解即可了解即可 核酸是含磷酸和碱基的核酸是含磷
24、酸和碱基的两性电解质两性电解质，通常表现为，通常表现为较强的较强的酸性酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。 在碱性条件下，在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的溶液中混杂的RNA。 核酸是线性的大分子，其在溶液中的核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高粘度很高。RNA分子比分子比DNA短，在溶液中的粘度低于短，在溶液中的粘度低于DNA。第四节 核酸的理化性质(The Physical and Chemical Characte
25、rs of Nucleic Acid)(The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid)一、核酸的一般性质一、核酸的一般性质二、紫外吸收二、紫外吸收 (一一) 由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。处有最大吸收峰。(蛋白质在多少蛋白质在多少nm处有最大处有最大峰？峰？)碱基的紫外光谱碱基的紫外光谱碱基的紫外光谱碱基的紫外光谱240 250 260 270 280240 250 260 270 280波长波长波长波长(nm)(nm)200020004000400060006000
26、80008000100001000012000120001400014000分分分分子子子子消消消消光光光光系系系系数数数数AMPAMPGMPGMPUMPUMPCMPCMPdTMPdTMP1. 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 = 2.0(二二) OD260的应用的应用了解即可了解即可三、三、DNA的变性与复性的变性与复性(一一)变性变性
27、(denaturation)1.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。本质是什么？本质是什么？3.变性后其他理化性质变化变性后其他理化性质变化 OD260增高增高 浮力密度升高浮力密度升高 粘度下降粘度下降 酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变 比旋度下降比旋度下降 生物活性丧失生物活性丧失(1)理化性质变化理化性质变化2.因素因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。本质是双链间氢键的断裂。本质是双链间氢键的断裂。2、3了解即可了解
28、即可(2)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。DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱200 250 260 3001.51.00.5波长波长波长波长(nm)(nm)吸吸吸吸光光光光度度度度值值值值变性状态变性状态天然状态天然状态了解即可了解即可(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度时的温度称为称为DNA的解链温度，又称融解温度的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。 解链曲线：解链曲线：在连续加在连续加热热DNA的过程中以温度为的
29、过程中以温度为横坐标，以吸光度横坐标，以吸光度A260为为纵坐标作图，所得的曲线纵坐标作图，所得的曲线称为解链曲线。称为解链曲线。76 80 84 88 92 96 100 OD2600.700.650.600.550.50Tm为什么？为什么？(二二)复性复性 1.DNA复性复性(renaturation)的定义的定义(3)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。(1)当变性因素去除后，变性当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。(2)热变性的热变性的DNA经缓慢冷却
30、后即可复性，这经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为一过程称为退火退火(annealing) 。第五节 核酸与检验技术n nPCRPCRn nPolimerase Chain ReactionPolimerase Chain Reactionn n聚合酶链（式）反应聚合酶链（式）反应聚合酶链（式）反应聚合酶链（式）反应n n作用：扩增目标基因（作用：扩增目标基因（作用：扩增目标基因（作用：扩增目标基因（DNADNA或或或或RNARNA）n n应用：甲流检测、艾滋病病毒检测等应用：甲流检测、艾滋病病毒检测等应用：甲流检测、艾滋病病毒检测等应用：甲流检测、艾滋病病毒检测等n n核酸分子杂交核酸分子杂交
31、核酸分子杂交核酸分子杂交n n应用：应用：应用：应用：研究染色体中某一种基因的位置、研究染色体中某一种基因的位置、基因芯片基因芯片基因芯片基因芯片第三四五节第三四五节 小结小结n nRNA的主要三个分类的主要三个分类n nmRNA的功能的功能n n中心法则中心法则n nDNA的最大紫外吸收峰在多少的最大紫外吸收峰在多少nm处？蛋白处？蛋白质呢？质呢？n nDNA变性的本质是什么？变性的本质是什么？n n核酸与检验技术核酸与检验技术习题习题1.名词解释：名词解释：DNA的一级结构、的一级结构、DNA的二级结构、的二级结构、DNA的三级结构、中心法则的三级结构、中心法则2.写出互补序列：写出互补序列：TCGACCTG3.在很久很久以前。在生命诞生之前，大气在很久很久以前。在生命诞生之前，大气里面含有里面含有N2, NH3, H2, HCN, CO, and H2O。哪一种物质最有可能是腺嘌呤里各元素的哪一种物质最有可能是腺嘌呤里各元素的来源？为什么？来源？为什么？
