生物化学03核酸化学PPT课件

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1、目目 录录第一节第一节 核酸概述核酸概述第二节第二节 核酸基本构件单位核酸基本构件单位核苷酸核苷酸第三节第三节 DNADNA的分子结构的分子结构第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质第六节第六节 基因和基因组基因和基因组第七节第七节 DNADNA超螺旋和染色体结构超螺旋和染色体结构第1页/共83页第一节第一节 核酸概论核酸概论一、核酸的一、核酸的研究历史和重要性研究历史和重要性二、核酸的二、核酸的种类和分布种类和分布三、三、DNADNA储存遗传信息的储存遗传信息的证实证实第2页/共83页 核酸分类和分布核酸分类和分布 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（

2、deoxyribonucleic acid, deoxyribonucleic acid, DNADNA）: :遗传信息的贮存和携带者，遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNADNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的中均有各自的DNADNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNADNA存在于称为类核的结构存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNADNA。 核糖核酸核糖

3、核酸（ribonucleic acid, ribonucleic acid, RNARNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的细胞内的RNARNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNARNA本身就是遗本身就是遗传信息储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为传信息储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNARNA分子，还发现有些分子，还发现有些RNARNA具生物催化作用具生物催

4、化作用（ribozymeribozyme）。）。第3页/共83页核酸的研究历史和重要性核酸的研究历史和重要性 18691869 MiescherMiescher从脓细胞的细胞核中分离出了一从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核种含磷酸的有机物，当时称为核素素（nucleinnuclein）, ,后称为核酸后称为核酸（nucleic acidnucleic acid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的细胞中的分布。分布。 1944 1944 AveryAvery 等成功进行肺炎球菌转化试验；等成功进行肺炎球菌转化试验；19521

5、952年年HersheyHershey等的实验表明等的实验表明3232P-DNAP-DNA可进入噬菌体内，可进入噬菌体内， 证明证明DNADNA是遗传物质。是遗传物质。 19531953 WatsonWatson和和CrickCrick建立了建立了DNADNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。 19581958 CrickCrick提出遗传信息传递的中心法则，提出遗传信息传递的中心法则， 6060年代年代 RNARNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码

6、，逆转录酶）。研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。第4页/共83页核酸的研究历史和重要性（续）核酸的研究历史和重要性（续）历史 7070年代年代 建立建立DNADNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。 8080年代年代 RNA研究出现第二次高潮研究出现第二次高潮：ribozyme、反义反义RNA、“RNA世界世界”假说等假说等等等。 9090年代以后年代以后 实施人类基因组计划实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学新纪元。生命科学进开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：入后基因时代： 功

7、能基因组学功能基因组学（functional genomics） 蛋白质组学蛋白质组学（proteomics） 结构基因组学结构基因组学（structural genomics） RNA组学组学（Rnomics）或核糖核酸组学或核糖核酸组学（ribonomics）第5页/共83页第二节第二节 核酸的基本结构单位核酸的基本结构单位核苷核苷酸酸一、核苷酸的化学组成与命名一、核苷酸的化学组成与命名 1 1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 2 2、常见碱基的结构与命名法常见碱基的结构与命名法 3 3、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名 4

8、 4、稀有核苷酸稀有核苷酸二、核苷酸的二、核苷酸的生物学功能生物学功能三、三、磷酸二酯键和多核苷酸磷酸二酯键和多核苷酸第6页/共83页5-磷酸核苷酸的基本结构OO（N = A、G、C、U、T）HH(O)H1 2 NOHCH2HH5 4 3 PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基第7页/共83页碱基、核苷、核苷酸的概念和关碱基、核苷、核苷酸的概念和关系系 Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilC

9、UTPurihesAdenineGuanineAG戊糖戊糖核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷碱基碱基第8页/共83页基本碱基结构和命名基本碱基结构和命名嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)Uracil (U)Thymine (T)第9页/共83页核苷酸的结构和命名 腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate 脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMPGMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMPCMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶

10、核苷酸（UMPUMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMPdGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMPdCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMPdTMP）HOH第10页/共83页PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMPGMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMPUMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMPCMP）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMPAMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMPdAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMPdGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMPdCM

11、P）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMPdTMP）第11页/共83页几种稀有核苷几种稀有核苷假尿苷（假尿苷（ ）O O2 2 - -甲基腺甲基腺嘌呤核苷嘌呤核苷N N6 6- -二甲基腺嘌呤核二甲基腺嘌呤核苷（苷（m m2 26 6A A）二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHUDHU）核苷核苷HHHH5CH3CH3H3C第12页/共83页二二 、核苷酸的生物学功能、核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体作为核酸的单体 一些多磷酸核苷酸是一些多磷酸核苷酸是细胞中的细胞中的携能物质携能物质 （如（如ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、GTPGTP） 一些核苷酸是许多一些核苷酸是许多酶的辅助因子

12、的结构成分酶的辅助因子的结构成分 一些核苷酸一些核苷酸细胞通讯的细胞通讯的通讯媒介通讯媒介 （如（如cAMPcAMP、cGMPcGMP、ppGppppGpp）第13页/共83页 三磷酸核苷酸三磷酸核苷酸 5-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U脱氧三磷酸核苷酸脱氧三磷酸核苷酸 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T (d)AMP Adenosine monophosphate (d)ADP Adenosine diphosphate (d)ATP Adenosine triphosphate(O)H腺苷酸及其多磷酸化合物腺苷酸及其多磷酸化合物高能化合物高能化合

13、物（脱氧）三磷酸核苷（脱氧）三磷酸核苷酸酸第14页/共83页OPOOHOA (G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)cAMP(cGMP)的结构的结构Cyclic adenylie (Guanine)acidCyclic adenylie (Guanine)acid第15页/共83页5 5 3 3 核酸分子中核苷酸之核酸分子中核苷酸之间的共价键间的共价键3 3 -5 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键第16页/共83页 第三节第三节 DNADNA的分子结构的分子结构 一、一、DNA DNA 一级结构一级结构 二、二、DNADNA碱基组成的碱基组成的特点和规律特点和规律三、三、DNADNA的的二级

14、结构二级结构第17页/共83页肺炎球菌转化实验图解 R R型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞R型细胞接型细胞接受受S型型DNADNA大多数大多数仍为仍为R型型少数少数 R型细胞被型细胞被转化产生转化产生S型荚膜型荚膜SR+DNA证实证实DNA储存遗传信息的实验之一储存遗传信息的实验之一DNAaseDNAase降降解后的解后的DNA后代只有后代只有 R型型RS S型细胞型细胞（有毒）（有毒）第18页/共83页 Hershey-Chase实验放射性蛋白衣壳32P实验35S实验非放射性细胞放射性细胞非放射性蛋白衣壳放射性DNA注射DNA剪切搅拌使衣壳离开细菌细胞离心作用使细胞与衣壳分离非放

15、射性DNA细菌细胞蛋白衣壳DNA第19页/共83页一、一、DNA DNA 的一级结构的一级结构 DNADNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（方式（3 3 -5-5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和排列顺序叫做）和排列顺序叫做DNADNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为构的走向的规定为5 5 33 。不同的。不同的DNADNA分子分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。不同的遗传信息。 一级结构的表示法一级结构的表示法 结构式，线条式，字母式结构式，线条式，字母式5 5

16、3 3 535 5 5 5 3 3 第20页/共83页DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法53结构式结构式53 p p p pOH3ACTG1线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3字母式字母式53第21页/共83页二、二、DNADNA碱基组成特点和规律碱基组成特点和规律 不同物种间不同物种间DNADNA碱基组成一般是不同的；碱基组成一般是不同的； 一个给定物种的一个给定物种的DNADNA碱基组成不因个体的年龄、营养状态和环境改变而碱基组成不因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变改变 ； DNADNA碱基组成的碱基组成的ChargaffChargaff定则定则：腺嘌呤和胸腺嘧啶

17、的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=TA=T；鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即；鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即 G=CG=C；嘌呤的总数等；嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即于嘧啶的总数，即 A+G=C+TA+G=C+T。第22页/共83页DNADNA、RNARNA的一级结构 DNADNA一级结构一级结构53OHOHOH53RNARNA一级结构一级结构第23页/共83页三、三、DNADNA的二级结构的二级结构（1） DNADNA的的双螺旋结构双螺旋结构(Watson-Crick(Watson-Crick模型模型) )（2） DNADNA双螺旋结构双螺旋结构特征及意义特征及意义

18、（3） DNADNA双螺旋的双螺旋的多态性多态性（4 4）其它）其它DNADNA螺旋结构螺旋结构James WatsonFrancis Crick第24页/共83页DNADNA的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成53535353磷酸磷酸脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基T-AT-A碱基对碱基对C-GC-G碱基对碱基对小沟小沟大沟大沟第25页/共83页DNADNA的双螺旋模型特点的双螺旋模型特点 a. a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。相互盘绕而形成。 b. b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为磷酸和脱

19、氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A AT T，G GC C配对（配对（碱基碱基配对原则配对原则，ChargaffChargaff定律定律） c. c. 螺旋直径螺旋直径2nm2nm，相邻碱基平面垂直距离，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,0.34nm,螺旋结构每螺旋结构每隔隔1010个碱基对个碱基对(base pair, bp)(base pair, bp)重复一次，间隔为重复一次，间隔为3.4nm3.4nm第26页/共83页 碱基之间的氢键碱基之间的氢键 碱基堆集力碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白磷酸基上负电

20、荷被胞内组蛋白或正离子中和或正离子中和 碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构稳定因素稳定因素小沟小沟大沟大沟大沟大沟小沟小沟第27页/共83页DNADNA的双螺旋结构模型的双螺旋结构模型的意义的意义 DNADNA双螺旋结构模型的主要特征受到许多化双螺旋结构模型的主要特征受到许多化学和生物学证据的支持，它揭示了学和生物学证据的支持，它揭示了DNADNA作为遗传作为遗传物质的稳定性特征（物质的稳定性特征（碱基配对、双链互补、反碱基配对、双链互补、反向平行向平行），这是是），这是是DNADNA复制、转录和反转录的分复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表

21、达的分子基础。子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之该模型的提出是本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。生命科学飞速发展的基石。第28页/共83页DNADNA的局部构象的局部构象脱氧核糖五元环的折叠脱氧核糖五元环的折叠核苷残基的顺式和反式核苷残基的顺式和反式主链中单键的旋转主链中单键的旋转第29页/共83页DNADNA双螺旋的不同构象双螺旋的不同构象A-DNAA-DNAZ-DNAZ-DNAD-DNAD-DNAC-DNAC-DNAB-DNAB-DNA第30页/共

22、83页三种三种DNADNA双螺旋构象比较双螺旋构象比较A-DNAA-DNAZ-DNAZ-DNAB-DNAB-DNAA B A B Z Z外型外型 粗短粗短 适中适中 细长细长螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm碱基直升 0.28nm 0.34nm 0.37nm碱基夹角 32.70 34.60 60.00每圈碱基数 11 10.5 12轴心与碱基对关系2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基倾角 200 60 10糖苷键构象 反式 反式 C、T反式，G顺式大沟 很窄很深 很宽较深 平坦小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深第31页/共83

23、页DNADNA双螺旋三种不同的构象双螺旋三种不同的构象A-DNAA-DNAZ-DNAZ-DNAB-DNAB-DNA第32页/共83页DNADNA的回文顺序（的回文顺序（palindromepalindrome） -T-T-A-G-C-A-C-G-T-G-C-T-A-A-T-T-A-G-C-A-C-G-T-G-C-T-A-A- -A-A-T-C-G-T-G-C-A-C-G-A-T-T- -A-A-T-C-G-T-G-C-A-C-G-A-T-T-5335回文结构(序列):指DNA序列中，以某一中心为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构,即对称轴一侧的片段旋转180 后，与另一侧片

24、段相重复。DNADNA二级结构的多样性二级结构的多样性二重旋转对称轴第33页/共83页DNADNA分子中十字形结构的形成分子中十字形结构的形成富于富于ATAT富于富于ATAT 具有回文结构的多核苷酸链由于同一条链内有互补序列，因而在单链具有回文结构的多核苷酸链由于同一条链内有互补序列，因而在单链DNA或或RNA中能形成发卡结构，在双链中能形成发卡结构，在双链DNA内能形成十字型结构。内能形成十字型结构。DNADNA二级结构的多样性二级结构的多样性第34页/共83页DNADNA二级结构的多样性二级结构的多样性HollidayHolliday结构结构第35页/共83页DNA分子内的三分子内的三链结

25、构链结构 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶Hoogsteen碱基配对碱基配对T-A-TT-A-TC-G-CC-G-C多聚多聚嘌呤嘌呤多聚多聚嘧啶嘧啶DNA分子间分子间的三链结构的三链结构DNADNA二级结构的多样性二级结构的多样性第36页/共83页第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构一、一、RNA一级结构一级结构 和和类别类别二、二、tRNA 的分子结构的分子结构三、三、mRNA的分子结构的分子结构四、四、rRNA的分子结构的分子结构第37页/共83页RNARNA的一级结构的一级结构 RNARNA分子中各核苷之间的连接方分子中各核苷之间的连接方式（式（3 3 -5-5 磷酸二酯键磷酸

26、二酯键）和排列顺序）和排列顺序叫做叫做RNARNA的一级结构的一级结构OHOHOH53 RNARNA与与DNADNA的差异的差异 DNADNA RNARNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCUAGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基第38页/共83页2 2、其它、其它RNA: RNA: 有催化活性的有催化活性的RNA (ribozymeRNA (ribozyme，核酶，核酶) ) 有调节功能的有调节功能的RNARNA 如：反义如：反义RNA(antisense RNA)RNA(antisense RNA) 非编码非编码RNA(noncoding

27、 RNA,ncRNA)RNA(noncoding RNA,ncRNA) ，如如微微RNA(micro RNARNA(micro RNA，miRNA)miRNA)和小干和小干扰扰RNARNA（small interfering RNAsmall interfering RNA，siRNAsiRNA）RNA的类别的类别1、与与 遗传信息的传递和表达有关的遗传信息的传递和表达有关的RNARNA 信使信使RNA（messenger RNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；在蛋白质合成中起模板作用； 核糖体核糖体RNA（ribosoal RNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体与蛋白质结合构成核

28、糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；核糖体是蛋白质合成的场所； .转移转移RNA（transfor RNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。作用。第39页/共83页tRNA tRNA 的结构的结构二级结构二级结构特征特征： 单链单链 三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环三级结构三级结构 特征：特征： 在二级结构基础上在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒进一步折叠扭曲形成倒L L型型第40页/共83页酵母酵母tRNA tRNA AlaAla 的二级结构的二级结构DHUDHU环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨

29、基酸臂可变环可变环T TCC环环CCAAla35第41页/共83页tRNAtRNA的三级结构的三级结构DHU loopT C loopAnticodon loopCCATerminus5 5 3 3 第42页/共83页 rRNArRNA的分子结构的分子结构特征特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5s rRNA5s rRNA的二级结构的二级结构第43页/共83页 mRNAmRNA的分子结构的分子结构原核生物原核生物mRNAmRNA特征特征： 先导区先导区+ +翻译区（翻译区（多顺反子多顺反子）+ +

30、末端序列末端序列真核生物真核生物mRNAmRNA特征特征： “帽子帽子”（m m7 7G-5G-5 ppp5ppp5 -N-3-N-3 p p）+ +单顺反单顺反子子+ +“尾巴尾巴”（Poly APoly A）第44页/共83页原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序顺反子（顺反子（cistroncistron）：核酸分子中为一条多肽链编码的区段，个顺反）：核酸分子中为一条多肽链编码的区段，个顺反子实际上就是一个基因（子实际上就是一个基因（genegene）顺反子顺反子顺反子顺反子多顺反子多顺反子mRNA

31、(polycistronic mRNA )第45页/共83页真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5 “帽子”PolyA 3 单顺反子单顺反子mRNA(monocistronic mRNA)m7G-5ppp-N-3 p顺反子顺反子第46页/共83页第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质 一、核酸的一、核酸的两性解离性质两性解离性质及及核酸电泳核酸电泳 二、核酸的二、核酸的紫外吸收紫外吸收（max=260nmmax=260nm） 三、核酸的三、核酸的变性、复性和分子杂交变性、复性和分子杂交 四、核酸的四、核酸的熔解温度熔解温度（TmTm） 五、核酸的五、核酸

32、的沉降性质沉降性质第47页/共83页核核苷苷酸酸的的解解离离曲曲线线pK1 = 0.9第一磷酸基pK3 = 6.2第二磷酸基pK2 = 3.7含氮环腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸pK1 = 0.7第一磷酸基pK3 = 6.1第二磷酸基pK2 = 3.7含氮环烯醇式羟基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸pK1 = 0.8第一磷酸基pK3 = 6.3第二磷酸基pK2 = 4.3含氮环胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸pK1 = 1.0第一磷酸基pK3 = 6.4第二磷酸基烯醇式羟基尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸pH离子化离子化程度程度小牛胸线小牛胸线DNADNA的的滴定曲线滴定曲线pH第48页/共83页核酸的两性解离性质及核酸的

33、电核酸的两性解离性质及核酸的电泳泳 核酸分子中既有碱性基团，核酸分子中既有碱性基团，又含有磷酸基团，因磷酸的酸又含有磷酸基团，因磷酸的酸性强，核酸在生理性强，核酸在生理pHpH条件下表条件下表现为酸性。现为酸性。 核酸在一定核酸在一定pHpH的缓冲溶液的缓冲溶液中带有电荷，因此可以利用电中带有电荷，因此可以利用电泳的方法对其进行分离和并研泳的方法对其进行分离和并研究其特性。究其特性。DNA相对分子质量标准物相对分子质量标准物电泳图谱电泳图谱-+ DNA/Hind产物产物(kp)第49页/共83页DNADNA的紫外吸收光的紫外吸收光谱谱天然天然DNADNA变性变性DNADNA核苷酸总吸收值核苷酸

34、总吸收值1 12 23 32202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123第50页/共83页DNADNA的变性过程的变性过程加热加热部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规则线团无规则线团 链内碱基配对链内碱基配对第51页/共83页核酸核酸的变性、复性和杂交的变性、复性和杂交变性变性（加热）（加热）探针探针(probe)杂交杂交（缓慢冷却）（缓慢冷却）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却） 变性变性：在物理、化学在物理、化学因素影响下，因素影响下， DNADNA碱基对碱基对间的氢键断裂，双螺旋解间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，开，这是一个是跃变过程，伴

35、有伴有A A2 6 02 6 0增加（增加（增色效增色效应应）,DNA,DNA的功能丧失。的功能丧失。 复性复性：在一定条件下，：在一定条件下，变性变性DNA DNA 单链间碱基重新单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴配对恢复双螺旋结构，伴有有 A A2 6 02 6 0减 小 （减 小 （ 减 色 效减 色 效应应）,DNA的功能恢复。的功能恢复。第52页/共83页DNA分子复杂度计算分子复杂度计算完全变性完全变性DNADNA的复性反应可表示为：的复性反应可表示为：dcdt=k kc2cco=11+k kcot上式的积分得：上式的积分得：cco= =1 12 2= =1 12 21 11+1

36、+k kc co ot t1/21/2当反应完成一半时，即当反应完成一半时，即 时，时，1k k= =Kcot1/21/2=整理得：整理得：K K反应的动力学常数反应的动力学常数c以核苷酸摩尔表示的单链以核苷酸摩尔表示的单链DNADNA浓度浓度复性速度微分复性速度微分dcdt式中式中 此式表示此式表示DNADNA复性反应的初始浓度复性反应的初始浓度c co o与反应完成一半所需时间的乘积是个常数。与反应完成一半所需时间的乘积是个常数。 c co ot t1/21/2或或K K亦称亦称DNADNA的复杂度的复杂度(complexity,C)(complexity,C)，K K值因值因DNADNA

37、分子量的增大而增大。分子量的增大而增大。第53页/共83页各种不同的各种不同的DNA分子的分子的复性复性动力学曲动力学曲线线1 1350035001.71.710105 54.24.210106 6基因组基因组(bp)(bp)c co ot t1/21/2=K,=K,为为DNADNA分子复杂度分子复杂度, ,是是各物种各物种DNADNA含量的一种衡量含量的一种衡量100%C0T1/2复性部分复性部分第54页/共83页分子杂交的原理示意图分子杂交的原理示意图 不同来源的不同来源的DNADNA单链间单链间或单链或单链DNADNA与与RNARNA之间只要有碱之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形基配

38、对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子成局部双螺旋区，称核酸分子杂交杂交 (hybridization(hybridization） 制备特定的探针（制备特定的探针（probeprobe）通过杂交技术可进行基因的检通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。测和定位研究。 实例：实例：southernsouthern印迹法印迹法 第55页/共83页SoutherSouthern n印迹法印迹法DNADNA分子分子限制片段限制片段限制性酶切割限制性酶切割琼脂糖电泳琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记与放射性标记DNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影带有带有DN

39、ADNA片片段的凝胶段的凝胶凝胶凝胶滤膜滤膜用缓冲用缓冲液转移液转移DNA吸附有吸附有DNADNA片段的膜片段的膜第56页/共83页TmTm：熔解温度熔解温度（melting melting temperaturetemperature）Poly d(A-T)DNAPoly d(G-C) DNADNA的变性发生在一个很的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热窄的温度范围内，通常把热变性过程中变性过程中A A260260达到最大值达到最大值一半时的温度称为该一半时的温度称为该DNADNA的的熔解温度，用熔解温度，用TmTm表示。表示。 T mT m 的的 大 小 与大 小 与 D N AD N

40、 A 分 子 中分 子 中（G+CG+C）的百分含量成正相）的百分含量成正相关，测定关，测定TmTm值可推算核酸碱值可推算核酸碱基组成及判断基组成及判断DNADNA纯度纯度。某些某些DNADNA的的TmTm值值60801001 .01 .41 .2100%A A260260t 0CTmTmTmTmTmTm123123第57页/共83页沉降系数（S） 生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。其单位用Svedberg，即S表示，S=110-13秒。 沉降系数（S）与分子量（M）的关系Svederg方程:M =R

41、TSD(1-)第58页/共83页第六节第六节 基因和基因组基因和基因组 染色体上为一条功能性多肽或一个染色体上为一条功能性多肽或一个RNARNA编码，以及规定各种基因选择性表达的信编码，以及规定各种基因选择性表达的信息的一个息的一个DNADNA片段称为片段称为基因基因(gene)(gene)，一个细胞中所有基因和基因间的总和称为，一个细胞中所有基因和基因间的总和称为基因组基因组(genome)(genome)。现在亦把能独立地传递遗传信息的的病毒。现在亦把能独立地传递遗传信息的的病毒DANDAN、质粒、质粒DNADNA或或RNARNA分子称为病分子称为病毒基因组和质粒基因组。毒基因组和质粒基因

42、组。 顺反子顺反子(cistron)(cistron)是遗传学中定义的遗传单位，一个顺反子就是为一条功能性多肽是遗传学中定义的遗传单位，一个顺反子就是为一条功能性多肽编码的基因。编码的基因。一、一、DNADNA的碱基组成和序列特征的碱基组成和序列特征二、二、DNADNA序列的遗传信息序列的遗传信息第59页/共83页DNADNA的碱基组成和序列组织的碱基组成和序列组织碱基组成特点碱基组成特点: : a. A=T,G=C;a. A=T,G=C;（ChargaffChargaff规则规则） b. b. 同一物种同一物种GCGC含量相同含量相同, ,种间差异显著种间差异显著; ; c. c. 含有修饰

43、化碱基含有修饰化碱基, ,主要是甲基化主要是甲基化; ; d. d. 原核生物碱基组成均匀，真核生物碱基原核生物碱基组成均匀，真核生物碱基组成显示出极大的不均匀性。组成显示出极大的不均匀性。真核序列组织特点真核序列组织特点: : a. a. 存在着四类序列：高度重复序列、中度重复序列、存在着四类序列：高度重复序列、中度重复序列、单一序列、反向重复序列单一序列、反向重复序列 b. b. 大多数蛋白质基因和基因是割（断）裂基因，含有大多数蛋白质基因和基因是割（断）裂基因，含有一些称为内含子（一些称为内含子（intronintron）而且转录后被切除的序列）而且转录后被切除的序列 c. c. 基因间

44、存在着转录或不转录的间隔区；基因间存在着转录或不转录的间隔区； d. d. 存在着假基因（存在着假基因（pseudogenepseudogene）, ,这些序列与真基因这些序列与真基因具高度的同源性，但由于突变而不能表达。具高度的同源性，但由于突变而不能表达。氯化铯中的浮力密度氯化铯中的浮力密度光光吸吸收收DNADNA主带主带1.700卫星卫星DNADNA1.692(ACAAACT)n1.688(AtAAACT)n1.671(ACAAAtT)n 果蝇的卫星果蝇的卫星DNA(satellite DNA)DNA(satellite DNA)第60页/共83页DNADNA序列和遗传信息序列和遗传信息

45、反式行为因子反式行为因子(trans-acting-factor):规定各种蛋白质和规定各种蛋白质和RNARNA结结构的信息构的信息顺式行为元件顺式行为元件(cis-acting-element):规定各种基因选择性表规定各种基因选择性表达的信息达的信息 DNADNA的核苷酸序列通过的核苷酸序列通过mRNAmRNA规规定蛋白质的氨基酸序列，同时定蛋白质的氨基酸序列，同时信息的转换还要通过蛋白质以信息的转换还要通过蛋白质以外的因子外的因子, ,如如tRNAtRNA、核糖体等来、核糖体等来完成完成 储存在储存在DNADNA的精细结构中，直接的精细结构中，直接表现为特定的空间结构，即表现为特定的空间

46、结构，即“密码结密码结构域构域”，通过，通过DNADNA有关序列形成特异有关序列形成特异性结构与有关蛋白质因子结合来体现性结构与有关蛋白质因子结合来体现 思考：思考：人类基因组计划人类基因组计划(HGP)(HGP)的重要研究结果之的重要研究结果之一是人类基因总数在一是人类基因总数在3-3.53-3.5万个之间，远远低于原来万个之间，远远低于原来估计的估计的1010万个，也远远少于其他一些生物，而人又万个，也远远少于其他一些生物，而人又是地球上最复杂最有智慧的生物，如何解释这个事是地球上最复杂最有智慧的生物，如何解释这个事实？实？第61页/共83页真核染色体的端粒真核染色体的端粒(telomer

47、e)AACCCCTTGGGGTTGGGGTTG35 端粒是真核染色体的末端序列，端粒是真核染色体的末端序列，由一段十分简单的串联重复序列组由一段十分简单的串联重复序列组成，如人的端粒重复单位为成，如人的端粒重复单位为TTAGGG,TTAGGG,四膜虫为四膜虫为GGGGTTGGGGTT。端粒的生物学功。端粒的生物学功能是保持染色体的稳定，它决定着能是保持染色体的稳定，它决定着细胞的寿命。细胞的寿命。染色体DNAG-四 联体富含富含G G的端粒序列形成的不寻常结构的端粒序列形成的不寻常结构a.a.单链形式单链形式 b.b.回折结构回折结构 c c、d.d.四链结构四链结构abcd第62页/共83页

48、第七节第七节 DNADNA的超螺旋和染色体结的超螺旋和染色体结构构一、一、DNADNA的拓扑学结构的拓扑学结构 拓扑学（拓扑学（topologytopology）：数学的一个分支，研究一种物体在不断变）：数学的一个分支，研究一种物体在不断变形情况下的某些不变的性质。形情况下的某些不变的性质。二、二、DNADNA在体内的包装和染色体结构在体内的包装和染色体结构第63页/共83页一、一、DNADNA的拓扑结构的拓扑结构1超螺旋超螺旋DNA（supercoiled DNA）2 2原核生物拓朴异构酶原核生物拓朴异构酶（topoisomerase） ( ( (1)1)1)1)1)1) 超螺旋超螺旋超螺旋

49、超螺旋超螺旋超螺旋DNADNADNA的形成的形成的形成的形成的形成的形成 (2) (2) (2) 超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述 ( ( () ) ) DNADNADNA超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义超螺旋结构形成的重要意义 (1) (1) (1) 拓朴异构酶拓朴异构酶拓朴异构酶I I I (2) (2) (2) 拓朴异构酶拓朴异构酶拓朴异构酶II II II DNADNA的拓扑学结构的拓扑学结构指双螺旋指双螺旋DN

50、ADNA分子通过分子通过扭曲和折叠所形成的扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同特定构象，包括不同二级结构单元间的相二级结构单元间的相互作用、单链和二级互作用、单链和二级结构单元间的相互作结构单元间的相互作用以及用以及DNADNA的拓扑特征。的拓扑特征。第64页/共83页螺螺旋旋和和超超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋第65页/共83页L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手

51、旋转拧松两匝后的线形DNADNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成超螺旋的拓超螺旋的拓扑学公式：扑学公式：L=T+W或或 = + 链分开链分开第66页/共83页超螺旋状态超螺旋状态的定量描述的定量描述公式公式1 1： Lk=Tw+WrLk=Tw+Wr LkLk连系数连系数（linking numberlinking number），DNADNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数（右手为绕的次数（右手为“+ +”，左手为左手为“- -”） 。 （具有不同连系数的同一种（具有不同连系数的同一种DNADNA分子称为这种分子称为这种DNADNA分子的拓扑异构体

52、）分子的拓扑异构体） TwTwDNADNA双链的互相缠绕数双链的互相缠绕数（twisting numbertwisting number） WrWr超螺旋数或螺旋轴的缠绕数超螺旋数或螺旋轴的缠绕数（writhing numberwrithing number）公式公式2 2： = =（Lk-LkLk-Lk0 0）/Lk/Lk0 0 超螺旋度超螺旋度（degree of supercoilingdegree of supercoiling） LkLk0 0 松驰态松驰态DNADNA连环数连环数 Lk Lk 超螺旋态超螺旋态DNADNA连环数连环数L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152

53、010523L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋12148231613第67页/共83页DNADNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义 使使DNADNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中； 推动推动DNADNA结构的转化以满足功能上的需要。如负结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。变性，利于复制和转录。第68页/共83页原核生物两类拓扑异构酶原核生物两类拓扑异构酶 除连环数（除连环数（L L）不同外其他性质均相同的）不同外其他性质均相同的DNADNA

54、分子称为拓扑异构体分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。DNADNA拓扑异构酶通过改变拓扑异构酶通过改变DNADNA的的L L值而影响其拓扑结构。值而影响其拓扑结构。 拓扑异构酶拓扑异构酶I I通过使通过使DNADNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNADNA转变成松弛型转变成松弛型环状环状DNADNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即使每催化一次可消除一个负超螺旋，即使L L增加，增加，反应无需供给能量。反应无需供给能量。 拓扑异构酶拓扑异构酶IIII则刚好相反，可使松弛型环状则刚好相反，可使松弛型环状DNADNA转变成负超螺旋转变成负超

55、螺旋DNADNA，每催化一次，每催化一次，L L 减少，减少，可引入负超螺旋。可引入负超螺旋。拓扑异构酶拓扑异构酶IIII亦称促旋酶，它可以使亦称促旋酶，它可以使DNADNA的两条链同时的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATPATP提供能量。提供能量。 细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNADNA保持在一定的超螺旋水保持在一定的超螺旋水平。平。第69页/共83页原核拓扑异构酶I的作用机制 拓扑异构酶拓扑异构酶I I通通过使过使DNADNA的一条链发生的一条链发生断裂和再连接，能使断裂和

56、再连接，能使超螺旋超螺旋DNADNA转变成松弛转变成松弛型环状型环状DNADNA，每催化一每催化一次可消除一个负超螺次可消除一个负超螺旋，即使旋，即使L L增加，增加，反反应无需供给能量。应无需供给能量。切割穿越断口L=n+1L=n两端连接第70页/共83页原核拓扑异构酶II的作用机制 拓扑异构酶II可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA,每催化一次，L 减少，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。DNA双链断裂DNA双链穿过重复起始DNA的释放DNA双链重新连接 第71页/共83页二、二、DNADNA在体内的包

57、装和染色体的结构在体内的包装和染色体的结构 染色体（染色体（chromosomechromosome）的本质是病毒、细菌、真核细胞或细胞器中储存）的本质是病毒、细菌、真核细胞或细胞器中储存遗传信息的核酸分子。染色体中含有几乎等量的遗传信息的核酸分子。染色体中含有几乎等量的DNADNA和蛋白质，蛋白质的主和蛋白质，蛋白质的主要成分是组蛋白和少量作为调节因子的非组蛋白。要成分是组蛋白和少量作为调节因子的非组蛋白。 真核生物真核生物DNADNA和组蛋白形和组蛋白形成核小体，再组装成染色体。细菌染色体成核小体，再组装成染色体。细菌染色体DNADNA被压缩成被压缩成“拟核拟核”结构。结构。组蛋白和组蛋白

58、和DNADNA结合结合成核小体成核小体第72页/共83页核小体盘绕及染色质示意图核小体盘绕及染色质示意图第73页/共83页真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNADNA （2nm2nm）核小体链（核小体链（ 11nm11nm，每个核小体，每个核小体200bp200bp）纤丝（纤丝（ 30nm30nm，每圈，每圈6 6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm 300nm ，6 6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm700nm，每圈，每圈3030

59、个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（ 1400nm1400nm， 每个染色体含每个染色体含1010个玫瑰花个玫瑰花200bp200bp）第74页/共83页从DNA到染色体DANDAN（直径（直径2nm 2nm ）组蛋白组蛋白螺旋管螺旋管（直径（直径30nm30nm）核小体核小体（直径（直径11nm11nm）染色质丝染色质丝（直径（直径300nm300nm）染色单体染色单体（直径（直径700nm700nm）中期染色质中期染色质第75页/共83页细菌拟核（细菌拟核（nucleoid nucleoid ）的突环结）的突环结构构RNA-RNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNADNA结结合

60、碱性蛋白质组成合碱性蛋白质组成平均一个突环平均一个突环含有约含有约40kpDNA40kpDNA第76页/共83页噬菌体噬菌体T2T2结构结构头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉第77页/共83页动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒第78页/共83页 沉降系数沉降系数（sedimentation coefficient） 生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗

61、粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。数学定义式为： 沉降系数单位沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于1 11010-13-13到到2002001010-13-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用SvedbergSvedberg单位，单位，用即用即S S表示。表示。沉降系数（沉降系数（s s）与相对分子量（）与相对分子量（MrMr）的关系）的关系: :Mr =RTsD(1-)Svedberg方

62、程:d /dt 2 s =s =第79页/共83页离离心心机机结结构构示示意意图图转头转头转头腔转头腔沉降样品沉降样品驱动马达驱动马达真空真空冷冻冷冻第80页/共83页问答题1、某DNA样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量。 2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。3、DNA双螺旋结构有些什么基本特点？这些特点能解释哪些最重要的生命现象？4、tRNA的结构有何特点？有何功能？5、DNA和RNA的结构有何异同？6、简述核酸研究在生命科学发展中的重大意义？6、计算（1）分子量为3 105的双股DNA分子的长度；（2）这种DNA一分子占有的体积；（3）这种DNA一分子占有的螺旋圈数。（一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为618） 名词解释 变性和复姓分子杂交 增色效应和减色效应 回文结构Tm cAMP Chargaff定律第81页/共83页核酸作业核酸作业1、教材P168第4题2、教材P168第9题3、通过查阅资料简述RNA功能及研究进展。第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页