2核苷酸和核酸

null第 二 章 核苷酸和核酸第 二 章 核苷酸和核酸Nucleotide and Nucleic Acidnull本章重点及难点 重点：掌握核酸构件分子的结构特点、代号；掌握DNA二级结构特点、稳定力、三级结构特点及有关概念；掌握RNA二级结构特点、类型；了解核酸的重要理化性质。 难点：构件分子的结构特点，DNA二级结构要点及三级结构有关概念，tRNA二级结构特点、真核生物mRNA二级结构特点，核酸理化性质中涉及的概念及应用。第一节 引 言第一节 引 言null核 酸(nucleic acid) 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。 是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 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 一、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 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (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二、如何证明核酸是遗传物质的载体？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Alfred D.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 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 ； 核酶的发现，一些核酸本身具有酶催化的活性。 nullnullnullnullnullnullnull 98％核中（染色体中） 真核 线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒三、核酸的种类和分布 核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）nullRNA主要存在于细胞质中 tRNA rRNA mRNA 其它 RNA病毒：SARS 四、分子生物学的中心法则null第二节 核酸的基本化学组成null核酸的化学组成 1. 元素组成 C、H、O、N、P（9~10%）null一、核苷酸的结构 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。1. 戊糖null嘌呤(purine) 2. 碱基null嘧啶(pyrimidine)null核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCRnull核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP null多 聚 核 苷 酸多聚核苷酸的结构特征多聚核苷酸的结构特征主链是相间出现的磷酸戊糖残基通过共价键连接； 各种碱基排在主链外侧； 磷酸二酯键在主链中取向相同从5’ 3’； 线性结构有3’和5’末端，即在3’位置上缺乏核苷酸残基，5’末端即在5’位置上缺乏核苷酸残基。3’端有游离的羟基，5’端有游离的磷酸基。 null书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 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′。 5. 体内重要的游离核苷酸及其衍生物5. 体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMPnull课后思考？课后思考？体内核苷酸只有5’的吗？脱氧核苷酸呢？ 环化核苷酸如何形成的？二、核酸的一级结构二、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。碱基的性质影响核酸结构 碱基的性质影响核酸结构 大部分键具有共轭双键性质，因此有紫外吸收特性，最大吸收在260nm ； 碱基有疏水性，产生的碱基间的疏水堆积作用是稳定核酸空间结构的重要力； 碱基上的氮原子、羰基和环外氨基，形成氢键，维持DNA双螺旋的力； 碱基的性质影响核苷酸的解离程度：在pH3.5溶液中，UMP——>GMP——>CMP——>AMP null摩尔磷消光系数：指含磷为１摩尔浓度的核酸溶液在２６０nm的吸光值。核酸分子太大，易断，不易得到大分子，因此用该方法来求核酸中核苷酸的量，磷量与核苷酸残基量相等，因此用磷的量来表示，摩尔浓度相等。（p）260=A260/CL （C为磷摩尔浓度，L为比色杯直径cm,A260吸光度） 摩尔消光系数：指1摩尔浓度核酸溶液，在一定pH条件下某一波长的吸光值。 nullnull第三节 DNA的结构与功能一、DNA的一级结构一、DNA的一级结构 （一）基本特征 脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示 连接键：3’，5’-磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端 DNA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DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。 （二）、Chargaff定则（二）、Chargaff定则 20世纪40年代末50年代初，美国生物化学家Erwin Chargaff（查盖夫）发现了DNA分子中的碱基组成规律，称为Chargaff规则。null不同物种间DNA碱基组成一般是不同的； 同一物种不同组织DNA样品碱基组成相同； 一个物种的DNA碱基组成不会因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变； 任何一种DNA样品中，A的量=T的量，G的量=C的量 ，因此 A+G=C=T ，A+G+C+T=100%。 例如：G+C含量为40%，则G=20%、 C=20%、 A=30%、T=30% null（三）、 基因与基因组基因（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）。null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）。各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小null原核生物基因组特点 重复序列少，多位编码区 多为操纵子形式组织 有重叠基因存在真核生物基因组特点 以染色体存在 重复序列多 基因组计划 人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（E.Coli）nullJames Watson Francis CricknullDNA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 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA的超螺旋结构 原核生物DNA的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装 DNA的功能二、DNA的二级结构---DNA的双螺旋模型null（一）、DNA双螺旋结构的研究背景nullnullDNA的双螺旋结构的意义 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。null（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(major groove)及小沟(minor groove)相间。null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10.5对碱基。null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。null34nullnullnullB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10.5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（三）、DNA双螺旋结构的多样性nullnull双螺旋DNA的结构参数双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等（四）、与DNA碱基顺序相关的特殊结构（四）、与DNA碱基顺序相关的特殊结构回文序列发夹式结构十字形结构中心区域 Holliday结构null三、DNA的三级结构及其在染色质中的组装（一）DNA的超螺旋 1.为什么要进行超螺旋？ 2.什么是超螺旋(superhelix 或supercoil) ？ DNA是以双螺旋的形式围绕着同一轴缠绕的，当双螺 旋DNA的这个轴再弯曲缠绕时，DNA就处于超螺旋状态， DNA超螺旋状态是结构张力的表现。超螺旋是DNA三级结构 的一个重要特征。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 null提出课后复习的几个基本问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 提出课后复习的几个基本问题为什么要进行超螺旋？ 细胞内DNA主要呈什么状态? 如何衡量DNA的超螺旋?如何衡量DNA的超螺旋？如何衡量DNA的超螺旋？如何用拓扑学的概念来描述DNA超螺旋？ 拓扑学研究的是一种物体在不断变形情况下某些不变的性质，如一个DNA分子只要不切断链，无论怎样弯曲，它的拓扑学性质不变。 拓扑连系数的概念？ 一个闭合环状DNA分子的连系数，严格上等于没有任何超螺旋情况下的螺旋数，它具有拓扑学性质，因为不管一个闭合环形DNA分子如何缠绕或变形，只要两条链不被切开，螺旋数的值不变。 null 比连系差： 也称为超螺旋密度，为了方便比较不同密度的DNA分子的超螺旋程度，连系数的改变可以用一个不依赖于长度的数量单位表示，即比连系差。 =Lk/ Lk0=（Lk0-Lk）/ Lk0 其中Lk0是DNA处于松弛状态时的连系数，Lk是实际连系数。 例如：=-0.10，意味着DNA分子中的10%的螺被旋解开 用以衡量DNA超螺旋水平，当为负值时，表示解旋，即螺旋不足造成的超螺旋，叫负超螺旋；当为正值时，表示DNA被过分螺旋，这种过分螺旋导致的超螺旋称为正螺旋。 null拓扑连系数可以由两部分组成：Lk=Tw+Wr(Tw和Wr不具有拓扑学性质，随DNA的改变而改变)。Tw指螺旋数，Wr指超螺旋数。 DNA拓扑异构酶 ：能改变DNA分子的拓扑连系数的酶（增加或减少DNA超螺旋程度的酶）。 种类 I型：临时性地切开双链DNA中的一条链，是切口的一端围绕未切链旋转一圈，再重新连接切口，这类酶每次改变拓扑连系数为1； II型：同时切开DNA的两条链，一次作用改变拓扑连系数为2。 拓扑异构体：具有不同连系数的同种DNA分子称为这种DNA分子的拓扑异构体。 null（二）原核生物DNA的高级结构nullThe length of the E. coli chromosome (1.7 mm) is depicted in linear form relative to the length of a typical E. coli cell (2 m)null（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 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：H1 H2A，H2B H3 H4nullnullnullnullnullnullnullnullnull30nm chromatin fiber 每圈6核小体nullnullnullnullnullnullE.coli cells showing nucleoids. The DNA is stained with a dye that fluoresces when exposed to UV light. The light area defines the nucleoid. Note that some cells have replicated their DNA but have not yet undergone cell division and hence have multiple nucleoids.四、DNA的功能四、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 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 。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。 第四节 RNA的结构共性与功能 第四节 RNA的结构共性与功能null一、结构共性 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 多为单链结构，少数局部形成螺旋 分子较小 分类 mRNA（hnRNA 核不均一RNA） tRNA rRNA （snRNA/asRNA） 少数RNA病毒nullRNA的种类、分布、功能二、mRNA的结构与功能二、mRNA的结构与功能 原核生物mRNA的结构特点：多顺反子结构 真核生物mRNA的结构特点： ①单顺反子结构，只能编码一条多肽链 ②3’-端具有polyA结构 不是由DNA编码的 防止mRNA被核酸酶水解 核质转运有关 ③ mRNA的5’端有一个“帽子”结构 m7G5’pppN 防止核酸外切酶对mRNA的降解 识别起始点（核糖体识别mRNA ） null帽子结构nullmRNA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null* 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。null* tRNA的一级结构特点 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU 3´末端为 — CCA-OH 5´末端大多数为G 具有 TC 三、转运RNA的结构与功能null* 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null* 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。四、rRNA的结构与功能四、rRNA的结构与功能占RNA总量的80％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null核 酸 的 理 化 性 质 第 五 节null一、一般的理化性质null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。 以A260/A280进行定性、定量 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光null1. 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 = 2.0OD260的应用null三、DNA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null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。DNA的熔解温度DNA的熔解温度定义 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 null四、DNA的复性与分子杂交 DNA复性(renaturation)的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应 DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。null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 nullnull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) nullnullnullnullSouthern 杂交（Southern bloting） 用于检测DNA Northern 杂交（Northern bloting） 用于检测RNA Western 杂交 （Western bloting） 用于检测蛋白质杂交的种类nullSouthern 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 null 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课堂练习 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 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。1、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。 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。