分子生物学检验技术核酸的基本结构和功能ppt课件

1、第二讲第二讲 核酸的基本结构和功能核酸的基本结构和功能分子生物学实验室分子生物学检验技术分子生物学检验技术课件课件12l18681868年，年，F. MiescherF. Miescher从从细胞核中细胞核中分离得分离得到一种到一种酸性物质酸性物质，现在被称为核酸。，现在被称为核酸。l核酸是一类重要的生物大分子，担负着核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。生命信息的储存与传递。l核酸是现代生物化学、分子生物学的重核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分要研究领域，是基因工程操作的核心分子。子。一、核酸是什么？一、核酸是什么？3orand可分离可分离

2、4l19521952年，年， 噬菌体感染大肠杆菌试验。噬菌体感染大肠杆菌试验。l以上两个试验证明了以上两个试验证明了DNADNA是遗传物质，是遗传物质，物种的所有特征都编码在物种的所有特征都编码在DNADNA分子中。分子中。l以后又发现了以后又发现了RNARNA病毒，它们的遗传病毒，它们的遗传信息编码在信息编码在RNARNA分子中。分子中。l有人说：给我一个爱因斯坦的细胞，有人说：给我一个爱因斯坦的细胞，我就可以克隆出许许多多的爱因斯我就可以克隆出许许多多的爱因斯坦。坦。-一个细胞中含有这种生物所一个细胞中含有这种生物所有的遗传信息。有的遗传信息。5核酸有多少种？核酸有多少种？ 两种：两种：

3、1. DNA 2. RNA1. DNA 2. RNA DNA- DNA-D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic A Acid-cid-脱氧核糖脱氧核糖核酸核酸 RNA-RNA-R Riboibon nucleic ucleic A Acid-cid-核糖核糖核酸核酸 稍后讲核酸的组成时将看出稍后讲核酸的组成时将看出DNADNA和和RNARNA的区别和联系。的区别和联系。6l 98核中（染色体中）核中（染色体中）l 真核真核 线粒体（线粒体（mtDNA）l 核外核外 l 叶绿体（叶绿体（ctDNA）lDNA 拟核拟核l 原核原核 l 核外：质粒（核外：质粒（pla

4、smid）l 病毒：病毒：DNA病毒病毒7RNARNA有有3 3种，主要存在于细胞质中种，主要存在于细胞质中 l tRNA-转运转运RNA-蛋白质合成时搬运氨基酸的工具蛋白质合成时搬运氨基酸的工具l rRNA-核蛋白体核蛋白体RNA-构成蛋白质的合成场所构成蛋白质的合成场所l mRNA信使信使RNA-蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板2 2种核酸的功能可以这样理解：种核酸的功能可以这样理解：1. DNA1. DNA编码了遗传信息。即编码了遗传信息。即DNADNA分子分子中蕴藏着该物种全部遗传特征。中蕴藏着该物种全部遗传特征。2. RNA2. RNA使使DNADNA上编码的遗传信息兑现。上编码的遗

5、传信息兑现。8核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖核酸的元素组成：核酸的元素组成： C H O N C H O N P P 核酸的基本结构单位是核苷酸核酸的基本结构单位是核苷酸：即： 核酸=核苷酸-核苷酸-核苷酸=（核苷酸）n请比较：蛋白质的基本结构单位是氨基酸 蛋白质=氨基酸-氨基酸-氨基酸=（氨基酸）n核苷酸核苷酸 = =磷酸磷酸+ +戊糖戊糖+ +碱基碱基 9 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD

6、-核糖D-2-脱氧核糖己糖：如己糖：如C6H12O6-葡萄糖葡萄糖10NNNHNNH2l腺嘌呤腺嘌呤AdenineNHNNHNONH2l鸟嘌呤鸟嘌呤guanine11尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOONNHNH2O胞嘧啶胞嘧啶cytosineNHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymine1213 快速作答快速作答1. 核酸的基本结构单位是？核酸的基本结构单位是？2. 核酸有多少种？核酸有多少种？3. DNA大多存在于细胞的什么地方？大多存在于细胞的什么地方？4. RNA多数存在于细胞的哪里？多数存在于细胞的哪里？5. 核苷酸可以完全水解成哪核苷酸可以完全水解成哪3个部分？个部分？6. 常见的碱基

7、有多少种？常见的碱基有多少种？7. A U C G T 各代表什么？各代表什么？8.组成组成DNA的戊糖和组成的戊糖和组成RNA的戊糖一样吗？的戊糖一样吗？9.下图是嘌呤还是嘧啶？下图是嘌呤还是嘧啶？14核苷核苷 戊糖戊糖+ +碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键(OH)(OH)15胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2次黄苷（肌苷）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷黄嘌呤核苷

8、X二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷 m5GOHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine16核苷酸核苷酸 核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖戊糖+ +碱基碱基+ +磷酸磷酸HHHHHHH H H核苷酸核苷酸17l继续磷酸化继续磷酸化O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATPl刚才那两个图是刚才那两个图是DNADNA还是还是RNA?RNA?18l cAMPl cGMP19IMP GMP20l上一个核苷酸的上一个核苷酸的C C3 3-OH -OH 与下一个核苷酸的与下一个

9、核苷酸的5 5- -磷磷酸基形成酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯键磷酸二酯键553321l上一个核苷酸的上一个核苷酸的C C3 3-OH -OH 与下一个核苷酸的与下一个核苷酸的5 5- -磷磷酸基形成酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯键磷酸二酯键55332223l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3 3-OH-OH表示）表示）l 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注明它的方向是5353或是或是3535。DNA RNA5PdAPdCPdGP

10、dTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH 24一级结构一级结构 DNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种核苷酸千变万分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。化的不同排列组合之中。 252. 基因与基因组基因与基因组基因（基因（genegene）：一段）：一段有功能有功能的的DNADNA片段，生物细胞中片段，生物细胞中DNADNA分子的最小功

11、能单位（交换单位）。分子的最小功能单位（交换单位）。 蛋白质（蛋白质（mRNA mRNA 蛋白质）蛋白质）产物产物 tRNA tRNA RNA RNA rRNA rRNA 调节功能：调节基因调节功能：调节基因无产物无产物 作用未知作用未知结构基因结构基因26基因组（基因组（genomegenome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。传物质的总和。包括：核基因组（拟核包括：核基因组（拟核/ /核核DNADNA）及核外（质粒）及核外（质粒/ /质体质体DNADNA） bp bp（碱基对（碱基对） 103 104 105 106 107 108 10

12、9 1010 1011 1012人人两栖两栖类类鱼类鱼类藻类藻类酵母酵母细菌细菌E.ColE.Coli i病毒病毒质粒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小273. 原核生物基因组特点原核生物基因组特点l 重复序列少，多位编码区重复序列少，多位编码区l 多为操纵子形式组织多为操纵子形式组织l 有重叠基因存在有重叠基因存在4. 真核生物基因组特点真核生物基因组特点l 以染色体存在以染色体存在l 重复序列多重复序列多 基因组计划基因组计划人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ）酵母基因组计划酵母基因组计划 （Y

13、GP）大肠杆菌（大肠杆菌（E.Coli）28二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA的双螺旋模型的双螺旋模型l19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. F. CrickCrick 在前人研究工作在前人研究工作的基础上，根据的基础上，根据DNADNA结晶结晶的的X-X-衍射图谱和分子模衍射图谱和分子模型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA双双螺旋结构模型螺旋结构模型，并对模，并对模型的生物学意义作出了型的生物学意义作出了科学的解释和预测。科学的解释和预测。l在在DNADNA分子中，嘌呤碱基分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总的总数与嘧啶碱基的总数相等。数相等。

14、29DNA双螺旋模型要点双螺旋模型要点B型结构型结构 两条链两条链反向平行，右手螺旋反向平行，右手螺旋 碱基在内（碱基在内（AT，GC）碱碱基平面垂直于螺旋轴基平面垂直于螺旋轴 磷酸、戊糖在外构成骨架，磷酸、戊糖在外构成骨架，双螺旋每转一周双螺旋每转一周 为为10碱基对碱基对（bp）A型结构（了解）型结构（了解） 碱基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗，螺旋变粗变短，螺距变短，螺距23nm。Z型结构（了解）型结构（了解） 左手螺旋，只有小沟左手螺旋，只有小沟2.0 nm小小沟沟大大沟沟3031双螺旋双螺旋DNADNA的结构参数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

15、对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角ADNABDNAZDNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.272007双螺旋稳定的力双螺旋稳定的力 氢键氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等离子键等 则则DNA变性剂（热、变性剂（热、pH、脲、脲/酰胺、有机溶剂）酰胺、有机溶剂）3233lDNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA） 3435真核真核 双链线性双链线性DNA（dsDNA）3637第四节第四节 R

16、NARNA的结构与功能的结构与功能一、一、RNA的结构特点的结构特点1. 碱基碱基: A、G、C、U （AU/GC） 2. 多为单链，分子较小多为单链，分子较小3. 分三类：分三类：mRNA 信使信使RNA，蛋白质翻译的模板，蛋白质翻译的模板 tRNA-蛋白质翻译时蛋白质翻译时转运氨基酸的工具转运氨基酸的工具（15%） rRNA -构成构成蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所（80%）4. 少数病毒是少数病毒是RNA病毒（基因由病毒（基因由RNA编码）编码）二、二、RNARNA的功能：的功能：总体上，总体上，DNADNA编码遗传编码遗传信息；信息；RNARNA将其兑现。将其兑现。38tRNA的三级

17、结构的三级结构三叶草形，三叶草形，重要功能区：重要功能区：反密码环反密码环 氨基酸臂氨基酸臂39第五节第五节 核酸的性质核酸的性质一、一般的理化性质一、一般的理化性质l 两性解离两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂溶于水，不溶于有机溶剂l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）线性大分子（粘度高。抗剪切力差）l可用电泳或离子交换（色谱）进行分离可用电泳或离子交换（色谱）进行分离l室温条件下，室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，在碱中变性，但不水解，RNA水解水解l加热条件下，加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚核糖浓盐酸苔黑酚

18、 绿色绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色蓝紫色40二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性l在核酸分子中，由于嘌呤碱在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在光谱，一般在260nm260nm左右有左右有最大吸收峰，可以作为核酸最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的及其组份定性和定量测定的依据。依据。l以以A A260260/A/A280280进行定性、定量进行定性、定量lDNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙锭（锭（EBEB），在紫外下发出荧），在紫

19、外下发出荧光光411. 1. 变性变性l稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构结构的过程。核酸的的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。l变性表征变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）收增加（增色效应）l变性因素变性因素 pHpH（11.311.3或或5.05.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度低离子强度 加热加热42lDNADNA的变性过程的变性过程是突变性的，它在很窄

20、的温度区间内完成。因是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用温度，用T Tm m表示。表示。l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分子中的值与分子中的G G和和C C的的含量有关。含量有关。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中G, G, C C含量，可通过经验公式计算：（含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(

21、Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.442. 热变性和热变性和Tm43443. 核酸的复性核酸的复性l变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为螺旋结构的过程称为复性复性。lDNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，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。般只能得到部分的恢复，具有减色效应。l将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。不可能复性。变性的变性的DNADNA缓慢冷却时可复性，因此又称为缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火退火”。 退火温度退火温度T Tm m2525l复性影响因素复性影响因素 片段浓度片段浓度/ /片段大小片段大小/ /片段复杂性（重复序列数目）片段复杂性（重复序列数目）/ / 溶液离子强度溶液离子强度 45464.4.分子杂交分子杂交lDNADNA单链与在某些区域有互补序列的异源单链与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单链单链或或RNARNA链形成双螺旋结构的