第二章 核酸的化学PPT课件下载(共143页)

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第二章核酸的化学主要内容核酸的组成成分核酸的一级结构DNA的二级结构DNA的高级结构DNA和基因组RNA的结构和功能核酸的性质核酸的序列测定本章重点及难点本章重点及难点重点：掌握核酸构件分子的结构特点、代号；重点：掌握核酸构件分子的结构特点、代号；掌握掌握DNADNA二级结构特点、稳定力、三级结构二级结构特点、稳定力、三级结构特点及有关概念；掌握特点及有关概念；掌握RNARNA二级结构特点、二级结构特点、类型；了解核酸的重要理化性质。类型；了解核酸的重要理化性质。难点：构件分子的结构特点，难点：构件分子的结构特点，DNADNA二级结构二级结构要点及三级结构有关概念，要点及三级结构有关概念，tRNAtRNA二级结构二级结构特点、真核生物特点、真核生物mRNAmRNA二级结构特点，核酸二级结构特点，核酸理化性质中涉及的概念及应用。理化性质中涉及的概念及应用。核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。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、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术(Polymerasechainreaction)--聚合酶链式反应1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2019年美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、如何证明核酸是遗传物质的载体？1944年O.T.Avery的细菌转化实验是获得DNA携带遗传信息的第一个证明；1952年AlfredD.和Hershey等人建立的T2噬菌体捣碎的实验，这是第二个证据，证明噬菌体复制的物质是DNA而不是蛋白质外壳；1953年Watson和Crick的DNA双螺旋模型的发现，更进一步揭示了DNA作为遗传物质储存和信息传递的化学机制；核酶的发现，一些核酸本身具有酶催化的活性。Avery的转换转化实验用肺炎病菌肺炎病菌有二种:一种是光滑型肺炎双球菌（S）：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌（R）：无荚膜、菌落粗糙且无毒。1944年，Avery的转换转化实验orand可分离转化实验第一步（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。转化实验第二步（b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。转化实验第三步（c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。转化实验第四步（d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。这说明粗糙型肺炎双球菌变成了致死的光滑型肺炎双球菌。暗示着被杀死的光滑型肺炎双球菌中含有某种因子，它进入了粗糙型肺炎双球菌将它转化成了致死的光滑型肺炎双球菌。转化实验第五步（e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并且尽可能地将混在DNA中的蛋白质除去，然后将除去了蛋白质的DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。O.T.Avery结论：Avery实验说明带有有毒性的和能使荚膜形成的信息分子DNA整合进了无毒菌种的染色体里，使它转化成了有毒的菌种。从一个供体菌得到DNA，通过一定的途径，授予另一个细菌，从而使后者的遗传特性发生改变的作用，称之转化作用。1944年，O.T.Avery等人发表了\"脱氧核糖型的核酸是III型肺炎球菌转化要素的基本单位\"即DNA是细菌的转化因子，第一次证明了DNA是遗传物质。第一节核酸的组成成分核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。核酸的基本化学组成1.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)2.元素组成：CHONP组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。核苷中的D-核糖与D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中C1是不对称碳原子，所以有α-及β-两种构型。（-OH在上为β-，-OH在下为α-）但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用1′，2′，……表示）：戊糖有2’、3’、5’位自由-OH，因此可以形成2’、3’、5’-核苷酸，其中5’-核苷酸为默认的核苷酸。一、戊糖（核糖和脱氧核糖）两种戊糖结构嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)二、碱基注：嘌呤环和嘧啶环上各原子的标号是目前国际上普遍采用的统一编号。NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3二、碱基二、碱基碱基的互变异构酮式－烯醇C=OC-OHNN氨基－亚氨基C-NH2C=NH2++HNHN受介质pH影响三、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。核苷的碱基与糖环平面互相垂直。糖环上的C1与嘧啶碱的N1和嘌呤碱的N9相连接。1’1’2’2’3’3’4’4’5’5’(OH)1’1’2’2’3’3’4’4’5’5’(OH)OHOCH2OHOHNNNH2O1´1核苷：A,G,U,C脱氧核苷：dA,dG,dT,dC核苷的表示法°ûà×ऺËÜÕÄòà×ऺËÜÕÄñàÑßʺËÜÕÏÙàÑßʺËÜÕNNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2假尿苷（假尿苷（ψψ）见）见P66P66次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D55OHAdenosineGuanosineCytidineUridine核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。磷酸出H+，戊糖出羟基。四、四、核苷酸的结构POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOBOHOHOH2CPOHHOOB=ÏÙàÑßÊ£¬ÄñàÑßÊ£¬°ûà×ण¬Äòà×ऻòÐØÏÙÃÜऺËÌǺËÜÕËáOH2CPOHHOOOBOHÍÑÑõºËÌǺËÜÕËá核苷酸（nucleotide）NDPNDPNTPNTPNMPNMPddNDPNDPddNTPNTPddNMPNMPRNARNAAUCGAUCGUDPUDPCTPCTP举例：举例：AMPAMPDNADNAATCGATCGddADPADPddTTPTTPddGMPGMP核苷酸的命名及其符号（脱氧）苷磷酸两类核酸在分子组成上的异同点两类核酸在分子组成上的异同点RNARNADNADNA组分组分磷酸磷酸磷酸磷酸戊糖戊糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖碱碱基基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶AGAGUUCCTT补充：补充：1.1.碱基修饰碱基修饰核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。ATP(ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸))各种核苷三磷酸化合物（可简写为ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP和dTTP）是DNA合成的直接原料。它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还参与特殊的代谢过程，如UTP参加磷酯的合成，GTP参加蛋白质和嘌呤的合成等。2.核苷酸的重要衍生物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ÈýÁ×ËáÏÙÜÕ(ATP)细胞信息传递的重要信使。cAMP在体内由ATP转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。3.cAMP和cGMP4.其它体内核苷酸衍生物在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅酶。核苷酸的功能1、细胞中的携能（carrychemicalenergy）核苷酸核苷酸共价连接于核糖-5，-羟基上的磷酸可有一个、二个或三个。分别称为：核苷单磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸。而重要的是腺苷的磷酸酯。见P44-图2-4。2、核苷酸是许多酶的辅因子的结构成分如：辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ及FAD等。见P44下。3、一些核苷酸是细胞通讯的媒介细胞对环境事件作出反应是由围绕它的激素和信号化合物提示的。这些细胞外化学信号（第一信使）和细胞受体的互相作用常常导致细胞内“第二信使”（secondmessengers）的产生，由它们导致细胞内部的适应性改变。第二信使常常是一种核苷酸。如：cAMP及核苷多磷酸等。见P45。第二节核酸的一级结构核酸的一级结构定义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，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGA核苷酸的连接方式核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。DNA和RNA中的核苷酸残基都是通过磷酸基团这个“桥”而共价连接的。即核酸的主链是由相间出现的磷酸核糖残基通过共价键连接起来的，各种碱基可以看成是联系在主链上的侧链基团。见P71图3-13£¨H£©ONHHOHHOHHCH2OPOOHOONHHOHHHCH2OPOHOOH£¨H£©5´磷酸3´羟基3´,5´-磷酸二酯键多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’核酸核苷酸OHOHOH2CNNNNNH2PNHNNNNH2碱基H3PO4磷酸戊糖OHOHHOH2COH磷酸+戊糖+含氮碱→核苷酸→核酸核酸的表示方式1、短线式表示法PPPPATGC5′pTpApCpGpApGpCpTpTp3′5′-T-A-C-G-A-G-C-T-T-3′2、字母表示式AGP5PTPGPCPTPOH35pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT35′-磷酸端（常用5’-P表示），3′-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5′→3′或是3′→5′；戊糖用垂直竖线表示，五个C从上到下依次为1′→5′。多核苷酸链3′—端5′—端第三节DNA的二级结构DNA的二级结构Watson和Crick发现双螺旋结构-DNA二级结构是科学史上的重大事件。它导致一些全新学科的诞生并影响许多学科的发展进程。DNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点一、DNA的二级结构---DNA的双螺旋模型DNA的二级结构——双螺旋结构（一）双螺旋结构模型的实验依据1、对DNA分子结晶的X衍射数据：由Franklin和Wilkins提供，来源不同的DNA的二级结构非常相似。前者早逝，后者与Watson、Creck分享了诺贝尔奖。DNAX射线衍射图（一）双螺旋结构模型的实验依据2、碱基组成分析Chargaff规则任何一种生物中各碱基相对比例相同即：A=T，G=C；不同生物的DNA,其碱基组成不同；同一个体不同器官、组织的DNA,其碱基组成相同。（一）双螺旋结构模型的实验依据3、大量的电位滴定和其它物化数据核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。碱基互补配对TTAAGGCC（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。OPOOOOPOOO碱基堆积力(包括纵向的疏水作用力和碱基间电子的相互作用)（主要）2.0nm小沟大沟2.0nm小沟大沟B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10个碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0nm小沟大沟（三）DNA双螺旋结构的构象类型双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7º双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等ts-DNA：三股螺旋（在分子内或分子间形成，分子内形成时需要低pH下胞嘧啶质子化，故称H-DNA）。Hoogsteen配对：Py•Pu*Py；Py•Pu*Pu和Py•Pu*rPyH-DNA存在于基因调控区和其他重要区域，故显示出具有重要的生物学意义。DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。B型双螺旋DNA的结构特点：1.为右手反平行双螺旋；2.主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；3.两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键，G与C为三个氢键）；4.螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆积力；5.螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。DNA双螺旋的稳定因素：碱基之间的氢键是主要因素，而碱基堆积形成的疏水作用（碱基堆积力）是更重要的因素。由于碱基是杂环，当相互距离较接近时，其π电子云相互交盖而形成碱基堆积力。第四节DNA的高级结构什么是超螺旋(superhelix或supercoil)？DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反一、环状DNA的超螺旋结构向左捻向右捻松弛型正超螺旋负超螺旋意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。环状DNA状态的转变二、原核生物DNA的高级结构三、DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成：其结构为一个组蛋白聚合体（H2A、H2B、H3、H4各2分子），DNA链在其外侧绕1.75圈，H1组蛋白位于外侧。DNA：约200bp(其中146bp的核心DNA围绕组蛋白形成左手超螺旋,54bpDNA用于连接)组蛋白：H1H2A，H2BH3H4H2A、H2B、H3和H4形成八聚体组蛋白和DNA形成核小体染色体的结构组装过程组装过程核小体（nucleosome）由146bpDNA围绕8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4个2个），绕1¾圈，H1结合在连接区，每个核小体大致包含200bpDNA。总结：核小体nucleosome（真核生物）DNA+组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）DNA链形成的核小体串DNA核小体(链)(每个核小体200bp)核小体纤维(纤丝)(每圈6个核小体)环(突环)(约75000bp)梅花结(玫瑰花结)(6个突环)盘(螺旋圈)(每圈30个梅花结)染色体(每个染色单体为10个螺旋圈)染色体DNA的组装层次1400nm700nm300nm150nm30nm从DNA到染色质从DNA到染色质丝，DNA压缩了近100倍，若从DNA到最后凝缩成染色体，DNA压缩了近万倍。第五节DNA和基因组DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。一、基因和基因组的概念基因（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）。蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNARNArRNA调节功能：调节基因无产物作用未知结构基因二、病毒和细菌基因组的特点(一)病毒和细菌基因组的特点：1.基因组较小2.基因组大部分序列是用来编码蛋白质的。基因间间隔序列短。3.功能相关的基因常串联在一起，并转录在同一mRNA分子上，有基因重叠现象。（二）病毒基因组核酸的主要类型双链RNA单链负股RNA单链正股RNA分类DNARNA双链DNA：HBV单链DNA：M13噬菌体正股(+)：序列与mRNA相同的链负股(-)：序列与mRNA互补的链（三）病毒基因组的特点1．病毒基因组只含有一种核酸2．核酸结构多样性：DNA或RNA单链或双链合环状分子或线性分子3.有重叠基因(四)细菌基因组结构的特点：1、基因组为环状双链DNA分子2、编码蛋白质的基因为单拷贝的,但rRNA基因一般为多拷贝。3、分子中有多功能识别区域4、存在可移动DNA序列复制、转录起始区复制、转录终止区质粒（plasmid）是细菌内携带的染色体以外的DNA分子，是共价闭合环状DNA（covalentclosedcircularDNA，cccDNA）1、最大特点:可独立复制2、质粒的遗传控制三、真核生物基因组特点真核生物除了核染色体以外，还存在细胞器DNA，如线粒体和叶绿体的DNA，为双链环状，可自主复制。有的真核细胞中也存在质粒，如酵母和植物。真核生物基因组指一个物种的单倍体染色体组(1n)所含有的一整套基因。还包括叶绿体、线粒体的基因组。真核细胞基因结构：真核生物的结构基因是断裂的基因。一个断裂基因能够含有若干段编码序列，这些可以编码的序列称为外显子。在两个外显子之间被一段不编码的间隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组。2.真核细胞基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。3.存在重复序列，重复次数可达百万次以上。4.基因组中不编码的区域多于编码区域。5.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的。6.基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。真核生物基因组特点真核基因组与原核基因组的比较1.真核基因组的长度比原核的大2.真核基因组中有内含子经过翻译后被剪切．而原核中没有内含子3.真核基因表达调空正性调节为主，原核生物负调节为主4.有的原核基因组可以整合到真核基因中例如逆转录病毒基因第六节RNA的结构与功能1.碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解2.多为单链结构，少数局部形成螺旋3.分子较小4.分类1.mRNA（hnRNA核不均一RNA）2.tRNA3.rRNA4.snRNA/asRNA5.少数RNA病毒一、结构共性RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA*tRNA(70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右)的一级结构特点含10-20%稀有碱基3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有TC序列二、转运RNA的结构与功能tRNA：15%，70-90个核苷酸特点（稀有碱基多，分子量小）结构：二级结构---三叶草形主要组成:四臂三环OCCHRNH2O3\'氨基酸臂功能：结合氨基酸TC环额外环（可变环）反密码子功能：识别密码子反密码环DHU环功能：与核糖体rRNA结合二氢尿嘧啶假尿嘧啶*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。占RNA总量的80％三、rRNA的结构与功能功能:参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%mRNA特点：含量最少（3-5%），种类多寿命短代谢最快结构：原核细胞mRNA整个分子分为三部分，即5´非编码序列、编码序列、3´非编码序列5´非编码序列编码序列3´非编码序列5´3´蛋白质四、mRNA和hnRNA真核细胞mRNA分子分为五部分帽子、5´非编码序列（前导序列）、编码序列、3´非编码序列（拖尾序列）和尾巴A-A-A-A-A-A-A-A……编码序列蛋白质5´3´帽子5´非编码序列3´非编码序列尾巴尾巴为多聚A(polyA),有20—250个腺苷酸mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程:外显子(exon)hnRNA（核不均一RNA):即mRNA的初级产物。五、snRNA和asRNAsnRNA主要存在于细胞核中存在形式：核糖核酸蛋白作用：1.分子中含U多的在hnRNA和rRNA的加工中起重要作用2.其他snRNA在控制细胞的分裂和分化,协助细胞内物质运输,构成染色质等方面起重要作用asRNA的作用:主要在翻译水平抑制基因表达还可抑制DNA的复制和转录核酶riboeyme——具有催化作用的RNA。进一步深化了人们过去对酶的本质的认识；在肿瘤和病毒性疾病的治疗中起作用。RNA在DNA的复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与细胞内或细胞间一些物质的运输和定位有关。RNA的其他功能核酸和蛋白质的比较蛋白质核酸组成单位氨基酸核苷酸组成单位的种类20种氨基酸ACGTACGU连接方式肽键磷酸二酯键一级结构氨基酸排列顺序碱基序列空间结构二、三、四级结构双螺旋、超螺旋、蛋白质－核酸的非共价结合等功能生命活动中各种功能的直接执行者遗传信息的储存、传代、表达、决定蛋白质的结构第七节核酸的性质一、一般的理化性质两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂线性大分子（粘度高。抗剪切力差）可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色核酸的两性性质及等电点与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNA的等电点为4～4.5，RNA的等电点为2～2.5。RNA的等电点比DNA低的原因，是RNA分子中核糖基2′-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNA没有这种作用。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。2202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123紫外光吸收光吸收基团:碱基原因:碱基有共轭大键用途：定性检测核酸三、核酸的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，DNA双链解开成两条单链的过程。核酸的一级结构(碱基顺序)保持不变。因素：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。变性后其它理化性质变化：OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。S型曲线下方平坦段,表示DNA的氢键未被破坏,待加热到某一温度处时,次级键突发断开,DNA迅速解链,同时伴随吸光率急剧上升,此后因“无链可解”而出现温度效应丧失的上方平坦段。DNA的熔解温度Tm定义增色效应达到一半时的温度或DNA双螺旋结构失去一半时的温度。影响Tm的因素DNA的均一性G、C的含量介质中的离子强度DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44（因热变性是在很狭的温度范围内突发的跃变过程,很像结晶达到熔点时的熔化现象,故名熔解温度。）四、核酸的复性变性核酸的互补链在适当的条件下，重新通过碱基配对缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，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，这一过程叫淬火。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度＝Tm－25℃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）/溶液离子强度在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。*核酸杂交的分子基础是？五、核酸分子杂交(hybridization)概念：不同来源的核酸链因存在互补序列而形成互补双链结构，这一过程就是核酸杂交过程。包括DNA—DNA杂交DNA—RNA杂交RNA—RNA杂交原因：不同核酸的碱基之间可以形成碱基配对用途：是分子生物学研究与基因工程操作的常用技术核酸杂交加温加温缓慢缓慢降温降温加温加温缓慢缓慢降温降温（变性）（变性）（复性）（复性）（分子杂交）（分子杂交）杂交技术Southern杂交（Southernbolting）用于检测DNANorthern杂交（Northernbolting）用于检测RNAWestern杂交（Westernbolting）用于检测蛋白质Southern杂交由英国的分子生物学家E.M.Southern所发明的，是一种从琼脂糖凝胶上把变性的DNA转移到硝酸纤维素膜上的技术，在膜上的DNA可与DNA探针杂交而检出DNA的量，也叫DNA印迹技术用于钓基因，即用已知的DNA单链或RNA，钓取未知DNA分子中的基因Southern杂交方法如下：未知的DNA--DNA→限制性内切酶DNA片段--→琼脂糖电泳分离--→碱液变性--→影印在硝酸纤维薄膜上--→与放射性标记的已知DNA单链或RNA杂交--→放射自显影NorthernBlotting（北印迹）NorthernBlotting（北印迹）：用已知的DNA钓mRNA，方法如下：众多未知的RNA--→电泳分离--→变性--→影印--→用标记的已知DNA单链杂交--→放射自显影WesternBlotting（西印迹）WesternBlotting（西印迹）：蛋白质与抗体的杂交，跟核酸无关。•研究DNA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•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核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的意义：发现原核生物的基因是连续基因，而真核生物的基因是断裂基因。连续基因：基因中的bp序列能够连续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因能够和它的成熟mRNA形成平滑的杂交分子。断裂基因：基因中的bp序列能够断续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因和它的成熟mRNA只能形成带泡的杂交分子。见讲义草图P78发现癌基因的普遍性：肿瘤病毒的RNA能够与人类正常的DNA分子形成带泡的杂交分子。第八节核酸的序列分析核酸的序列测定遗传信息储存在DNA分子一级结构的核苷酸序列中，特定的序列表达的信息是什么？首要的任务是序列测定。人类基因组基本框架已经建立，并期望尽快弄清全部基因组序列，以便掌握人类生、老、病、死的奥秘。因此，DNA序列分析技术与方法，当之无愧成为揭开生命之秘的一把金钥匙。Sanger法1．Sanger双脱氧末端终止法基本原理剑桥大学著名生物化学家F.Sanger于1977年发明的一种简单快速DNA序列测定新方法，该方法要求的基本条件是：①选取高纯度的待测单链DNA作模板；②供给5’标记的短链DNA引物和dNTP底物；③具有热稳定性好、活性高的DNA聚合酶如Kelenow片段或Taq酶等）；④尤其需要加入可随机终止链式聚合反应的试剂2’，3’-双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）。F.SangerDNA序列测定方法的要点是①把待测DNA样品分出四份，分别置于编号试管②加入底物dNTP、聚合酶、5’被放射性标记的DNA引物；③给各试管分别加入一种ddNTP；④保温反应后，从各管分别取样，并在同一块凝胶上进行PAGE分离、放射性自显影；⑤根据显带拼读碱基序列。试管反应液中如果加入ddNTP的是ddATP（如图2-33中的第1号试管），聚合酶在链式聚合反应过程中的某一次反应，会在标记的引物新生链3’-OH上，根据模板（T）的要求掺入ddAMP。一旦掺入ddAMP后，由于其3’-端无游离的-OH，因此该标记的新生链的延伸即告终止。因为反应掺入ddAMP是随机的，结果会在反应液中存在以ddAMP为结尾的各种长度的新生DNA片段。其它试管则类似存在以ddCMP、ddGMP、ddTMP结尾的各种长度的片段。四种反应液分别作样品，在同一胶面上进行PAGE电泳分离。由于PAGE方法有很高的分辩率，即使相差一个单核苷酸的标记片段也能使之分开。最后通过放射性自显影术显带后，便可以读出待测DNA核苷酸顺序。通过F.Sanger法，有经验的工作者可以测定含有200～300核苷酸的DNA顺序。有关测定原理见图2-33。双脱氧法的特点是需要单链模板、寡核苷酸引物和高质量的DNA聚合酶。该方法的优点是简单、快速。缺点是①聚合反应会因为二级结构而提前终止，常常测不到准确的DNA序列；②由于需要经模板与引物结合后，才能反应并测序，因此对于寡聚核苷酸DNA序列，例如对引物DNA的序列不能测定。③该法直接分析的是合成的新链序列，而不是模板链，因此不能分析模板中甲基化部位；④需要适当的引物和能合成单链模板的载体。5’GATGCATCTCTAAT-3’ddAGATTA-32P-5’ddAGAGATTA-32P-5’ddACGTAGAGATTA-32P5’CTACGTAGAGATTA-32P-5’加入各种反应试剂聚合时随机掺入新链3’-端；本身3’无-OH会使链延长反应终止。5’GATGCATCTCTAAT3’待测DNAddGATTA-32P-5’ddGAGATTA-32P-5’ddGAGAGATTA-32P-5’CTACGTAGAGATTA-32P-5’电泳Ⅳ管反应结果Ⅰ管反应结果核酸的序列测定1.双脱氧链终止法（Sanger酶法）2.Gilbert化学降解法课堂练习答案相同:虽然二者在组成上差异很大,但在构成方式上却很相似,主要表现在①都是由基本结构单位通过特定的共价键连接而成的大分子，②各自的主链都是不变成分，可变成分在侧链上。相异：比较项目蛋白质核酸基本结构单位20种氨基酸4种（脱氧）核苷酸连接的键肽键3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键主链的组成由-N-C-CO-由戊糖+磷酸（不变成分）反复循环组成反复循环组成侧链20种AA残基的核苷酸的4种（可变成分）R侧链排列组合碱基排列组合基本结构单位通式H2N-CH-COOHRH2PO3-O-H2C(O)HHON1、试比较核酸、蛋白质一级结构的异同，写出各自基本结构单位的通式2、简述研究核酸、蛋白质一级结构的意义。生物的遗传信息储存于DNA的核苷酸序列中，蛋白质的一级结构是由相应的DNA序列决定的，每一种蛋白质分子所具有的特定的一级结构又决定了其高级结构和生物学功能，也就表现出特定的生命现象。因此，研究核酸、蛋白质的一级结构可破译生命的密码，是在分子水平认识生命的突破口。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、Z－DNA）、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