核酸和核苷酸.pptx
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1、 第三章第三章 核酸和核苷酸核酸和核苷酸n n认识核酸在生命科学上的重要性n n弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系n n了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异n n认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。学习要求学习要求上页下页章首n n18681868年年 F.MiescherF.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为中分离得到称为“核素核素”的核酸的核酸n n19441944年年 O.N.AveryO.N.Avery通过转化实验证实通过转化实验证实DNADNA是是主要的遗传物质主要的遗传物质n n19531953年年 J.
2、D.WatsonJ.D.Watson和和F.H.C.CrickF.H.C.Crick提出提出DNA DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型 n1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则n1970s 建立DNA重组技术n1980s后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展,提出并完成HGP核酸化学的发展过程上页下页章首一一.核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性二二.核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸三三.核酸的一级结构及其测定核酸的一级结构及其测定四四.DNADNA的高级结构的高级结构五五.RNARNA的高级结构的高级结构六六.核酸和核苷酸的理化性质核酸
3、和核苷酸的理化性质七七.核酸的分离提取和纯化核酸的分离提取和纯化本章目录本章目录上页下页章首一.核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的概念核酸的重要性上页下页章首核酸的概念n n核酸是酸性的大分子物质,在活细胞中与碱性核酸是酸性的大分子物质,在活细胞中与碱性蛋白结合,以核蛋白形式存在。蛋白结合,以核蛋白形式存在。n n核酸分为核酸分为脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 (DNA)(DNA)以及核糖核酸以及核糖核酸 (RNA)(RNA)两类,两类,DNADNA所含核苷酸分子数比所含核苷酸分子数比RNARNA大得大得多。多。n n RNARNA分为三个类型,即核蛋白体分为三个类型,即核蛋白体 RNA(r
4、RNA)RNA(rRNA)、信使信使RNA(mRNA)RNA(mRNA)和转移和转移RNA(tRNA)RNA(tRNA),它们都参与,它们都参与蛋白质合成蛋白质合成上页下页章首节首脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比RNARNADNADNA组成组成戊糖戊糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖碱基碱基A,G,CA,G,CA,G,CA,G,CUUTT磷酸磷酸Pi(Pi(磷酸二酯键磷酸二酯键)Pi(Pi(磷酸二酯键磷酸二酯键)结构结构单链,部分碱基互补,局部双单链,部分碱基互补,局部双螺旋,三叶草形等螺旋,三叶草形等双链,碱基互补,双螺旋双链,碱基互补,双螺旋形形分布分布细胞核细胞核
5、(核仁核仁),细胞质细胞质(线粒线粒体、核蛋白体、胞液体、核蛋白体、胞液)细胞核细胞核(染色质染色质)细胞质细胞质(线粒体线粒体)生物功能生物功能遗传信息表达,反转录,直接遗传信息表达,反转录,直接参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成遗传的物质基础,负责遗遗传的物质基础,负责遗传信息贮存,发布,转录传信息贮存,发布,转录上页下页章首节首n nDNADNA是遗传的物质基础,负责遗传信息的贮存是遗传的物质基础,负责遗传信息的贮存和发布,遗传基因就是和发布,遗传基因就是DNADNA链上的若干核苷酸链上的若干核苷酸所组成的片段。所组成的片段。n nRNARNA负责遗传信息的表达负责遗传信息的表达,
6、直接参与蛋白质生,直接参与蛋白质生物合成,转录物合成,转录DNADNA所发布的遗传信息,并将之所发布的遗传信息,并将之翻译给蛋白质,使生命机体的生长、发育、翻译给蛋白质,使生命机体的生长、发育、繁殖和遗传得以继续进行。繁殖和遗传得以继续进行。核酸的重要性核酸的重要性上页下页章首节首核酸类物质RNA的重要功能 RNARNA种类种类功能功能mRNAmRNA将信息从基因传递到蛋白质将信息从基因传递到蛋白质 tRNAtRNA携带活化氨基酸参与蛋白质生物合成携带活化氨基酸参与蛋白质生物合成 rRNArRNA构成核蛋白体(蛋白质合成场所)构成核蛋白体(蛋白质合成场所)SnRNASnRNA参与参与mRNAm
7、RNA前体剪接加工前体剪接加工 MM1 1RNARNARNasePRNaseP的催化单体的催化单体 端粒酶端粒酶RNARNA端粒合成的模板端粒合成的模板 引物引物RNARNA起始起始DNADNA复制复制 TsRNATsRNA蛋白质分泌复合物中的一部分蛋白质分泌复合物中的一部分 返回二二.核酸的化学组成核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸及其基本结构单位核苷酸核酸的化学组成核酸的基本结构单位核苷酸上页下页章首核酸的化学组成核酸的化学组成n元素组成:C、H、O、N、PnP元素的含量较多并且恒定,约占911%。n核酸在酸、碱或酶作用下会水解成核苷酸,进一步水解可得碱基(嘌呤或嘧啶),戊糖(核糖或脱氧
8、核糖)和磷酸上页下页章首节首 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖为所含的糖为 -D-D-2-2-脱氧核糖;脱氧核糖;RNARNA所含的糖则为所含的糖则为-D-D-核糖。核糖。(一)戊糖RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose上页下页章首节首(二)碱基(嘌呤和嘧啶)嘌呤和嘧啶)上页下页章首节首常见的嘌呤和嘧啶常见的嘌呤和嘧啶上页下页章首节首(三三)核苷(核苷(nucleosidenucleoside)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1122334455(OH)1
9、122334455(OH)上页下页章首节首嘧啶核苷嘧啶核苷嘌呤核苷嘌呤核苷几种稀有核苷几种稀有核苷上页下页章首节首几种稀有核苷几种稀有核苷上页下页章首节首(四)核苷酸(四)核苷酸(nucleotide)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上页下页章首节首腺苷酸腺苷酸脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸(四)核苷酸(四)核苷酸(nucleotide)脱氧核苷酸脱氧核苷酸上页下页章首节首(四)核苷酸(四)核苷酸(nucleotide)核苷酸核苷酸上页下页章首节首(五)核苷酸衍生物(五)核苷酸衍生物上页下页章首节首n n1.1.1.1.继续磷酸化继续磷酸化继续磷酸化继
10、续磷酸化AMPADPATP(五)核苷酸衍生物(五)核苷酸衍生物上页下页章首节首2.2.环化磷酸化环化磷酸化 cAMPcGMP3.3.肌苷酸及鸟苷酸肌苷酸及鸟苷酸(特鲜味精特鲜味精)4.4.辅酶辅酶 NADNAD、NADPNADP、FMNFMNIMP GMP上页下页章首节首三.核酸的一级结构及其测定核酸的一级结构核苷酸序列分析上页下页章首核酸的一级结构n n核酸的一级结构核酸的一级结构是核酸中各核苷酸化学键连接是核酸中各核苷酸化学键连接方式即核苷酸排列顺序。方式即核苷酸排列顺序。n n核苷酸通过核苷酸通过3 3,5 5-磷酸二酯键连接起来,磷酸二酯键连接起来,以磷酸以磷酸-糖糖-磷酸磷酸-糖糖形
11、成核酸骨架形成核酸骨架上页下页章首节首5533核酸的表示方式核酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH35PAPCPGPUOH或5ACGTGCGT35ACGUAUGU3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH 若不特别注明,一般规定从5端书写至 3端 上页下页章首节首 核酸分子的核苷酸序列分析是以纯品核核酸分子的核苷酸序列分析是以纯品核酸为材料,经水解,测定核苷酸组成及比例。酸为材料,经水解,测定核苷酸组成及比例。先以先以外切酶外切酶确定确定5 5-或或3 3-末端核苷酸,再末端核苷酸,再以以内切酶内切酶将核酸链分为若干寡核苷酸段,分将
12、核酸链分为若干寡核苷酸段,分段测定核苷酸组成、比例和序列。最后将核段测定核苷酸组成、比例和序列。最后将核苷酸序列的各寡核苷酸重叠,确定整个核酸苷酸序列的各寡核苷酸重叠,确定整个核酸分子的核苷酸序列。分子的核苷酸序列。核酸序列分析上页下页章首节首DNA酶法测序n1977年sanger发明末端终止法测定DNA序列n根据sanger测序法,现在已经有各种DNA自动测序仪,DNA测序速度大大加快HGP得以提前完成上页下页章首节首DNA酶法测序上页下页章首节首DNA酶法测序上页下页章首节首平行进行四组反应,每组反应均使用相同的模板,相同的引物以及四种脱氧核苷酸;并在四组反应中各加入适量的四种之一的双脱氧
13、核苷酸,使其随机地接入DNA链中,使链合成终止,产生相应的四组具有特定长度的、不同长短的DNA链。这四组DNA链再经过聚丙烯酸胺凝胶电泳按链的长短分离开,经过放射自显影显示区带,就可以直接读出被测DNA的核苷酸序列,如下图所示:DNA酶法测序上页下页章首节首DNA酶法测序上页下页章首节首四.DNA的高级结构n nDNADNA的二级结构的二级结构n nDNADNA的三级结构的三级结构上页下页章首DNA的二级结构n nDNADNA的二级结构是的二级结构是双螺旋双螺旋结构结构,即两条多聚核苷,即两条多聚核苷酸链围绕一个共同轴,酸链围绕一个共同轴,相互盘绕在一起构成直相互盘绕在一起构成直径径 2nm2
14、nm的双螺旋,的双螺旋,互补互补的碱基的碱基(A(A和和T T互补互补 ,G G和和C C互补互补)通过氢键连接在通过氢键连接在螺旋内部,碱基平面垂螺旋内部,碱基平面垂直于右旋的螺旋轴。螺直于右旋的螺旋轴。螺旋结构中两条链走向相旋结构中两条链走向相反反上页下页章首节首2.0 nm小小沟沟大大沟沟DNA的二级结构类型上页下页章首节首B B型结构型结构 两条链反向平行,右手螺两条链反向平行,右手螺旋旋 碱基在内(碱基在内(A AT T,G GCC)碱基平面垂直于螺旋轴碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外,双螺旋每转一戊糖在外,双螺旋每转一周为周为1010碱基对(碱基对(bpbp)A A型结构型结构 碱基
15、平面倾斜碱基平面倾斜2020,螺旋变,螺旋变粗变短,螺距粗变短,螺距2 23nm3nm。Z Z型结构型结构 左手螺旋,只有小沟左手螺旋,只有小沟稳定DNA双螺旋结构的三种力量1.1.氢键:氢键:使四种碱基形成特异配对关系,使四种碱基形成特异配对关系,G-CG-C间可形成间可形成3 3对氢键,对氢键,A-TA-T之间有两对氢键之间有两对氢键 。2.2.疏水相互作用:疏水相互作用:轴向平行相邻的碱基平面自轴向平行相邻的碱基平面自发地相互靠近,从而使碱基缔合、层层堆积,发地相互靠近,从而使碱基缔合、层层堆积,形成了碱基堆积力形成了碱基堆积力 ,它是使,它是使DNADNA结构稳定的结构稳定的主要力量。
16、主要力量。3.3.离子键:离子键:磷酸残基上的负电荷与介质中的正磷酸残基上的负电荷与介质中的正离子,如离子,如NaNa+,K K+,g g等之间形成的离子键。等之间形成的离子键。上页下页章首节首n n核酸的三级结构指链状核酸分子的空间核酸的三级结构指链状核酸分子的空间构型,即其三维空间排列或组合方式。构型,即其三维空间排列或组合方式。DNA的三级结构上页下页章首节首n nDNA的三级结构主要有以下三种:DNA的三级结构上页下页章首节首n n回文结构与镜像结构回文结构与镜像结构特殊DNA的结构上页下页章首节首n n回文结构中的单链可形成发夹结构回文结构中的单链可形成发夹结构特殊DNA的结构上页下
17、页章首节首n n双链回文结构可形成十字架结构双链回文结构可形成十字架结构特殊DNA的结构上页下页章首节首DNA和基因组n nDNA通过自我复制合成出完全相同的分子,从而将遗传信息由亲代传到子代。n n转录,以DNA为模板合成RNA的过程,碱基配对。n nmRNA用于指导蛋白质的合成,mRNA的核苷酸的序列决定了蛋白质的氨基酸序列;中心法则中心法则几个基本概念n n遗传学将DNA分子中最小的功能单位称作基因n n基因:能够表达和产生基因产物(蛋白质或RNA)的DNA序列。n n为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因n nDNA中还有一些只有调节功能,而并不转录生成RNA的片断称调节基因。n n某生
18、物体所含有的全部基因称该生物体的基因组。原核生物基因组特点n n大多为结构基因n n串联基因n n基因重叠真核生物基因组特点n n重复序列n n断裂基因五五.RNA.RNA的高级结构的高级结构n nRNARNA的二级结构的二级结构n nRNARNA的三级结构的三级结构上页下页章首RNARNA的二级结构的二级结构n nRNARNA的二级结构基本上是单股分子,其二级结的二级结构基本上是单股分子,其二级结构比构比DNADNA简单的多,但也存在少数碱基配对区简单的多,但也存在少数碱基配对区域即双螺环结构。域即双螺环结构。上页下页章首节首(1 1 1 1)占总)占总)占总)占总RNARNARNARNA的
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