第 二 章
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第 二 章 核酸的结构和功能. 核酸: 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。. 核酸的发现和研究工作进展. 1868 年 Fridrich Miescher 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

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第 二 章 核酸的结构和功能

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第 二 章核酸的结构和功能

核酸: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。


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核酸的发现和研究工作进展

  • 1868年 Fridrich Miescher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

  • 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

  • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架


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脱氧核糖核酸

90%以上分布于细胞核,其余分布于核外如线粒体,叶绿体,质粒等。

( DNA)

携带遗传信息,决定细胞和个体的基因型(genotype)。

核糖核酸

分布于胞核、胞液。

(RNA)

参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

二、核酸的分类及分布


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2. 分子组成

—— 碱基:嘌呤碱,嘧啶碱

—— 戊糖:核糖,脱氧核糖

—— 磷酸

第一节

核酸的化学组成及一级结构

核酸的化学组成

1. 元素组成: C、H、O、N、P(9~10%)

一、核苷酸的结构


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DNA RNA

两类核酸的基本化学组成比较

嘌呤碱 腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤 (A)

鸟嘌呤 (G) 鸟嘌呤 (G)

嘧啶碱 胞嘧啶 (C) 胞嘧啶 (C)

胸腺嘧啶(T)尿嘧啶 (U)

碱基

戊糖

D-2-脱氧核糖D-核糖

磷酸磷酸


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腺嘌呤(A)

鸟嘌呤(G)

碱 基

嘌呤


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尿嘧啶(U)

胸腺嘧啶(T)

胞嘧啶(C)

嘧啶


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核糖

脱氧核糖

(构成DNA)

(构成RNA)

戊 糖


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核苷的形成

碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。

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核苷:AR, GR, UR, CR

脱氧核苷:dAR, dGR, dTR, dCR


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核苷酸的结构与命名

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)。

  • 核苷酸:

    • AMP, GMP, UMP, CMP

  • 脱氧核苷酸:

    • dAMP, dGMP, dTMP, dCMP


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cAMP

ADP

AMP

ATP

NADP+

NAD+

体内重要的游离核苷酸及其衍生物

  • 多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP

  • 环化核苷酸: cAMP,cGMP

  • 含核苷酸的生物活性物质:

    NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP


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5′端

C

A

G

3′端

二、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。


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5´端

核苷酸的连接

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,即核酸。

3´端

C

A

G


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A

G

T

G

C

T

5 P

OH 3

P

P

P

P

P

书写方法

5 pApGpTpGpCpT-OH3

5A G T G C T3


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RNA 的 一 级 结 构

与DNA的差别在于:

1、戊糖是核糖而非脱氧核糖

2、嘧啶成分是胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U),无胸腺嘧啶(T)

核酸分子的大小常用碱基数目或碱基对数目来表示。核酸片段<50bp称为寡核苷酸


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第二节 DNA的空间结构与功能

一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型


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(一)DNA双螺旋结构的研究背景

  • 碱基组成分析

    • Chargaff 规则

  • 碱基的理化数据分析

    • A-T、G-C以氢键配对较合理

  • DNA纤维的X-线衍射图谱分析


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Chargaff 碱基组成规律

(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等. A=T

鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等. G=C

嘌呤总数=嘧啶总数 A+G=C+T

(2) DNA的组成具有种属特异性

(3) DNA的碱基组成没有组织的特异性,

且较为稳定,不随年龄、营养状态、

环境改变的影响


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(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,形成大沟及小沟相间。


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(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。


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碱基互补配对

C

G

A

T


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(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。


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(二)DNA结构的多样性

A-DNA:右手螺旋

B-DNA:Watson-Crick模型,右手螺旋生理条件下DNA最稳定的结构形式

Z-DNA:左手螺旋


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二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

(一)DNA的超螺旋结构

超螺旋结构

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

正超螺旋

盘绕方向与DNA双螺旋方同相同

负超螺旋

盘绕方向与DNA双螺旋方向相反


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  • 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。


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(二)原核生物DNA的高级结构

原核生物没有典型的细胞核结构,超螺旋结构被认为是原核生物DNA的三级结构。


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(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。

  • 核小体的组成

    • DNA:约200bp

    • 组蛋白:H1

      • H2A,H2B

      • H3

      • H4


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  • H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体,构成核心组蛋白。

  • 双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈,缠绕在核心组蛋白表面,构成核心颗粒。

  • 核心颗粒和 连接区DNA

  • 及附着在连接区DNA上的

  • 组蛋白H1构成核小体。


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三、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。


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第三节 RNA的结构与功能


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RNA的种类、分布、功能


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内含子

(intron)

外显子

(exon)

hnRNA

mRNA

一 、信使RNA的结构与功能

* mRNA成熟过程

* mRNA半衰期最短,几分钟到数小时


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* mRNA结构特点

1. 大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化,形成帽子结构:m7GpppNm-。

2. 大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构,称为多聚A尾。


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帽子结构


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帽子结构和多聚A尾的功能

mRNA核内向胞质的转位

mRNA的稳定性维系

翻译起始的调控


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原核细胞

真核细胞

细胞质

细胞核

内含子

外显子

DNA

DNA

转录

转录

mRNA

hnRNA

转录后剪接

转运

翻译

蛋白

mRNA

翻译

蛋白

  • * 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。


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mRNA分子从5’-端的AUG开始,每3个核苷酸为一组,决定多肽链上的一个氨基酸,称为密码子

*tRNA的一级结构特点

  • 含 10~20% 稀有碱基,如 DHU

  • 3´末端为 — CCA-OH

  • 具有 TC

二、转运RNA的结构与功能


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稀有碱基

双氢尿嘧啶

N,N二甲基鸟嘌呤

4-巯尿嘧啶

N6-异戊烯腺嘌呤


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* tRNA的二级结构

——三叶草形

  • 氨基酸臂

  • DHU环

  • 反密码环

  • 额外环

  • TΨC环

氨基酸臂

额外环


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* 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。


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三、rRNA的结构与功能

(一) rRNA的结构特点

1. 含量最丰富,约占总RNA的80%以上。

2. 与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA

与蛋白质既可分离,又可结合。

3. 核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNA。


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* rRNA的种类(根据沉降系数)

  • 真核生物

    • 5S rRNA

    • 28S rRNA

    • 5.8S rRNA

    • 18S rRNA

  • 原核生物

    • 5S rRNA

    • 23S rRNA

    • 16S rRNA


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核蛋白体的组成


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四 、其他小分子RNA及RNA组学

snmRNAs

除了上述三种RNA外,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA,统称为非mRNA小RNA( snmRNAs)。

(二) rRNA的功能

核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所


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  • snmRNAs的种类

    • 核内小RNA

    • 核仁小RNA

    • 胞质小RNA

    • 催化性小RNA

    • 小片段干涉 RNA

  • snmRNAs的功能

    • 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。


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RNA组学

RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。


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第四节 核酸的理化性质及其应用

一、核酸的一般理化性质

1.呈酸性

2.粘度大

3.在引力场中下沉

4.在260nm有最大吸收峰


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核 酸 的 粘 度

* 分子量越大粘度也越大

RNA分子比DNA分子小,粘度也就小

* 生物分子的空间结构也影响粘度


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核酸的紫外吸收特性

嘌呤碱和嘧啶碱有共轭双键,都能强烈吸收紫外光,最大吸收波长为260nm

蛋白质对紫外光的最大吸收波长是280nm


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OD260的应用

  • 1. DNA或RNA的定量

    • OD260=1.0相当于

      • 50μg/ml双链DNA

      • 40μg/ml单链DNA(或RNA)

      • 20μg/ml寡核苷酸

  • 2.判断核酸样品的纯度

    • DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8

    • RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0


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二、DNA的变性

定义:在某些理化因素作用下,DNA双链解开成两条单链的过程。

方法: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


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是指多核苷酸链中的磷酸二酯键断裂,

使分子量降低,

其过程是不可逆的。

不发生分子量的变化。

一般是可逆的,

DNA的变性与降解的区别

降解

变性

蛋白质和(DNA)核酸的变性的共性

两者均不涉及共价键的断裂

一级结构不破坏

粘度改变,生物活性丧失


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DNA变性的本质是双链间氢键的断裂


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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。


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热变性

  • 解链曲线:如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260(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。


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pH和离子强度不变,根据G+C百分含量

则可计算DNA样品的Tm值

Tm=69.3 + 0.41* %(G+C)

Tm=4*(G+C)+2*(A+T) (小于20bp)

  • Tm:变性是在一个相当窄的温度范围内完成,在这一范围内,紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度,又称融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。


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RNA的变性

双链的RNA分子、RNA-DNA 杂化分子可变性

中性pH条件下,三者Tm值大小为:

>

>

双链RNA分子

RNA-DNA 杂化分子

DNA分子


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三、DNA的复性与分子杂交

1.概念

变性的DNA在去除变性因素并处于适当的条件下,彼此分离的双链又可重新结合恢复天然的双螺旋结构这一过程称为复性。

热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火。

2. 复性速度受温度的影响


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复性后DNA分子性质

一系列的理化性质随即恢复

a. 260nm处的紫外吸收值下降

(减色效应)

b. 粘度上升

c. 浮力、密度降低

d. 生物活性部分恢复


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核酸分子杂交

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。

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。


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复性

变性

不同来源的DNA分子

DNA-DNA

杂交双链分子


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可发生杂交的核酸分子

(1)两条同源的DNA链

(2)两条同源的RNA链

(3)一条DNA链一条RNA链

核酸分子杂交的应用

(1)研究DNA分子中某一种基因的位置

(2)确定两种核酸分子间的序列相似性

(3)检测某些专一序列在待检样品中存在与否

(4)是基因芯片技术的基础


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第 五 节 核 酸 酶

  • 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

    • 依据底物不同分类

      • DNA酶:专一降解DNA。

      • RNA酶:专一降解RNA。

    • 依据切割部位不同

      • 核酸内切酶:分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。

      • 核酸外切酶:5´→3´或3´→5´核酸外切酶。


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核酸酶的功能

生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解

  • 参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程

  • 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸,同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸

  • 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收

  • 体外重组DNA技术中的重要工具酶


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核 酶

  • 催化性RNA 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。

  • 催化性DNA 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段,也能序列特异性降解RNA。


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