1、l1868年年 Fridrich Miescher 從膿細胞中提取核素。從膿細胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證實等人證實DNA是遺傳物質。是遺傳物質。l1953年年 Watson和和Crick發現發現DNA的雙螺旋結構。的雙螺旋結構。l1968年年 Nirenberg發現遺傳密碼。發現遺傳密碼。l1975年年 Temin和和Baltimore發發現逆轉錄酶。現逆轉錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA測序方法。測序方法。l1985年年 Mullis發明發明PCR技術。技術。l1990年年 美國啟動人類基因組計劃美國啟動人類基因組計劃(HGP)。l19

2、94年年 中國人類基因組計劃啟動。中國人類基因組計劃啟動。l2001年年 美英等國完成人類基因組計劃。美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發展簡史核酸研究的發展簡史核酸（Nucleic acid）是以核苷酸核苷酸（為基本結構單位，按照一定的順序，以3, 5-磷酸二酯鍵相連接，并通過折疊、卷曲形成的具有特定生物學功能的線形或環形多聚核苷酸鏈。核酸組成核酸組成 核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖n核酸組成核酸組成 種種 類類分分 布布功功 能能DNA原核生物：核質區原核生物：核質區真核生物

3、：真核生物：95%95%在細胞核、在細胞核、5%5%在線粒體和葉綠體在線粒體和葉綠體 遺傳信息的載體遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細胞質原核生物：細胞質真核生物：真核生物：75%75%在細胞質在細胞質15%15%在線粒體和葉綠體在線粒體和葉綠體10%10%在細胞核在細胞核 攜帶、轉移攜帶、轉移aaaamRNA肽鏈合成的模板肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分核糖體主要成分核酸的種類、分布與功能核酸的化學組成核酸由五種元素組成，即核酸由五種元素組成，即C C、H H、O O、N N、P P。其中。其中P P含量變化不大，（含量變化不大，（DNADNA平均含磷量為平均含磷量為9.9%9.9

4、%，RNARNA平均含磷量為平均含磷量為9.4%9.4%）由測定含磷量可以算出核）由測定含磷量可以算出核酸的含量。酸的含量。 核苷酸核苷酸磷磷酸酸核核苷苷戊戊糖糖堿堿基基核核糖糖脫氧核糖脫氧核糖嘌嘌呤呤嘧嘧啶啶核酸的化學組成堿堿 基基DNADNA中的中的4 4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧胸腺嘧啶啶RNARNA中的中的4 4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶尿嘧啶磷磷 酸酸堿堿 基基5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤 Gue鳥嘌呤鳥嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶

5、Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌氨基嘌呤呤Ade腺嘌呤腺嘌呤嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3n戊糖戊糖（構成（構成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構成（構成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)n脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過通過-N-糖糖苷鍵苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1與核

6、糖與核糖C-1C-1 通過通過 - -N- -糖苷糖苷鍵鍵相連形成相連形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHO HHHHC H2O HH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵酯鍵結合構成結合構成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵 核核 苷苷 酸酸 RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸鳥苷酸GMP胞

7、苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脫氧腺苷酸脫氧腺苷酸d AMP脫氧鳥苷酸脫氧鳥苷酸d GMP脫氧胞苷酸脫氧胞苷酸d CMP脫氧胸苷酸脫氧胸苷酸d TMP環化核苷酸：環化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信，是細胞信號轉導中的第二信使。號轉導中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵糖苷鍵糖苷鍵(glycosidic bond)一個環狀單糖半縮醛（或半縮酮）羥基與另一個分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羥基、胺基或巰基之間縮合形成的縮醛鍵或縮酮鍵，糖苷

8、鍵是連接提供半縮醛羥基的糖（也稱為糖基）和與之縮合的“非糖”部分（也稱糖苷配基）的化學鍵，常見的糖苷鍵有O-糖苷鍵和N-糖苷鍵。稀有核苷（P79)：1、修飾堿基+正常核糖：二氫尿嘧啶核苷（DHU）2、正常堿基+修飾核糖：2-O-甲基腺嘌呤核苷(Am)3、正常堿基+正常核糖，非正常連接：假尿嘧啶核苷（）核苷酸及其衍生物的 功能1、作為核酸的單體，是核酸(RNA和DNA）生物合成的主要原料NTP和dNTP2、體內的主要能量物質:ATP，GTP，CTP，UTP3、參與代謝和生理調節:ATP/ADP4、活化代謝物的中間載體：UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)5、作為輔酶的組成部分：NAD+，NADP+，FA

9、D，CoA6、細胞中的 第二信使：cAMP，cGMP思考題：思考題： RNA和DNA中核酸的區別？ UTP和dGTP的中文名稱？ 核酸的基本單元： 核苷酸的主要組成： DNA主要位于：；RNA主要位于： 舉出幾個含有核酸的輔酶： 舉出幾個高能化合物： 舉出幾個信號分子： 假尿嘧啶（ ）： DNA的分子結構的分子結構DNADNA分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。和排列順序。四種脫氧核苷酸通過四種脫氧核苷酸通過3,53,5- -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接連接起來的多核苷酸鏈的排列順序。起來的多核苷酸鏈的排列順序。1、DNA的一級結構:一、DNA的一級結構

10、5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵DNA單鏈的延伸單鏈的延伸 5 3 端端無分枝的長鏈無分枝的長鏈具有方向性。兩個末端分別為具有方向性。兩個末端分別為55端和端和33端；端； 在天然在天然DNADNA中，中，55端常為磷酸，端常為磷酸，33端為游離羥基。端為游離羥基。由糖由糖- -磷酸相互間隔連接，構成主鏈；堿基連接在磷酸相互間隔連接，構成主鏈；堿基連接在主鏈的核糖上，形成側鏈。主鏈的核糖上，形成側鏈。2、多聚脫氧核苷酸鏈的結構特點3、一級結構的表示方法1）線條法5 pGpCpTpTpAOH 35 pGCTTAOH 3pGCTTAOHGCTTA2）文字式3）

11、縮寫式 DNA的二級結構是指的二級結構是指DNA的的雙螺旋結構雙螺旋結構。 雙螺旋結構是雙螺旋結構是DNA的兩條鏈的兩條鏈圍著同一中心圍著同一中心軸旋繞而成的一種空間結構。軸旋繞而成的一種空間結構。 DNA的雙螺旋模型是由的雙螺旋模型是由Watson和和Crick兩兩位科學家于位科學家于1953年年提出的。提出的。1. 二級結構的概念二、 DNA的二級結構19531953年年 Watsosn & CrickWatsosn & Crick 2. 雙螺旋結構模型提出的依據A.DNAA.DNA的的X-X-射線衍射圖射線衍射圖：(1) (1) 衍射斑點呈交叉狀分布衍射斑點呈交叉狀分布(

12、2) (2) 衍射點之間的距離與層次表明有衍射點之間的距離與層次表明有0.340.34nmnm和和3.43.4nmnm的的周期性周期性M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin Xray photograph of DNA Xray photograph of DNA with high quality with high quality 1952年年B. DNA的堿基組成分析的堿基組成分析：（：（Chargaff定則定則）(1) 所有所有DNA分子中分子中A=T，G=C(2) 同一種生物的所有體細胞同一種生物的所有體細胞DNA的堿基組成相同，的堿基組成相同

13、，與年齡、健康狀況、外界環境無關，可作為該物種與年齡、健康狀況、外界環境無關，可作為該物種的特征，用的特征，用不對稱比率不對稱比率 (A+T)/(G+C) 來衡量。來衡量。(3) 親緣越近的生物，其親緣越近的生物，其DNA的堿基組成越近，即不的堿基組成越近，即不對稱比率越相近。對稱比率越相近。C C、DNADNA的堿基物化數據的堿基物化數據 如堿基的幾何大小、鍵長鍵角數據、酸堿滴如堿基的幾何大小、鍵長鍵角數據、酸堿滴定等。定等。3. 雙螺旋結構模型的基本特征雙螺旋結構模型的基本特征(1) (1) 反向平行反向平行 的雙鏈沿中心軸盤繞成的雙鏈沿中心軸盤繞成右手螺旋右手螺旋。DNADNA的的雙螺雙

14、螺旋結旋結構構(2) (2) 雙螺旋表面形成兩種凹槽：較淺的叫小溝，另一雙螺旋表面形成兩種凹槽：較淺的叫小溝，另一條叫大溝。條叫大溝。小溝位于雙螺旋的互補鏈之間,而大溝位于相毗鄰的雙股之間。這是由于連接于兩條主鏈糖基上的配對堿基并非直接相對, 從而使得在主鏈間沿螺旋形成空隙不等的大溝和小溝。(3) (3) 由糖由糖- -磷酸相互間隔連接構成的主鏈處于螺旋外側；磷酸相互間隔連接構成的主鏈處于螺旋外側；堿基則伸向螺旋內部，與中軸垂直。堿基則伸向螺旋內部，與中軸垂直。(4) (4) 雙螺旋內部的堿基按雙螺旋內部的堿基按規則配對：規則配對：A A與與T T配對，配對，形成形成2 2個氫鍵個氫鍵；G G

15、與與C C配配對，形成對，形成3 3個氫鍵個氫鍵，稱，稱為堿基互補配對，雙螺為堿基互補配對，雙螺旋的兩條鏈也呈互補關旋的兩條鏈也呈互補關系。系。 A A = = T TG CG C(5) (5) 雙螺旋直徑為雙螺旋直徑為2 2nmnm，每對脫氧核苷酸殘基沿縱軸旋轉每對脫氧核苷酸殘基沿縱軸旋轉3636，上升，上升0.340.34nmnm。所以每所以每1010個個堿基對形成一個螺旋堿基對形成一個螺旋，螺距，螺距3.43.4nmnm。4. 影響雙螺旋結構穩定性的因素影響雙螺旋結構穩定性的因素 （1 1）互補堿基之間的氫鍵）互補堿基之間的氫鍵 ( (Hydrogen Hydrogen bond)bon

16、d) 弱鍵弱鍵, 可加熱解鏈可加熱解鏈（2 2） 堿基堆集力堿基堆集力( (Base stacking forces)Base stacking forces)：堿基堆集成非極性的區域，相互間產生疏水作用和堿基堆集成非極性的區域，相互間產生疏水作用和范德華力范德華力 疏水作用力疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 范德華力范德華力（3 3）離子鍵）離子鍵 （4） 磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 在生理狀態及在溶液中，在生理狀態及在溶液中，DNADNA一般為一般為B B型型( (含水量含水量9090以上，以上，NaClNaCl濃度為濃度為2.5 2.5 M M）。 當水合的當水合

17、的DNADNA脫水時，轉變為脫水時，轉變為A A型型( (含水量含水量7575) )。 還有還有Z Z型型的的DNA(DNA(左手螺旋，左手螺旋，0.7 0.7 M MgClM MgCl2 2) )。 5.5.DNADNA雙螺旋構象的多態性雙螺旋構象的多態性DNA的分子構型的分子構型 ( B, Z, A ) 比較比較 Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子構型的分子構型 ( B, Z, A ) 比較比較 Form B Z AHelix Direction Right Left Rightbp/circle 10 12 10.7Distance/bp 0.34nm 0.38nm 0

18、.25nmDistance/helix 3.4nm 4.46nm 2.8nmDiameter/helix 2.0 nm 1.8nm 1.9nmSequence Any Poly G-C Any可能的功能可能的功能 基因表達調控基因表達調控 Z-DNA (小溝小溝, 信息少信息少) 基因關閉基因關閉 B-DNA (大溝大溝, 信息多信息多) 基因表達基因表達 PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA D.S. DNA + D.S.D

19、NA T.S. DNA + S.S. DNA6.三鏈 DNA (T.S. DNA) T. S. DNA可能的功能可能的功能 a) T. S. DNA可阻止調節蛋白與可阻止調節蛋白與 DNA結合結合, 關閉基因轉錄過程關閉基因轉錄過程 b) T. S. DNA 與基因重組與基因重組, 交換有關交換有關 c) 加入第三條加入第三條S. S. DNA 作為分子剪刀作為分子剪刀(molecular scissors), 定點切割定點切割DNA分子分子 d) 加入反義的第三條鏈加入反義的第三條鏈(anti-sence polydNt) 終止基因的表達終止基因的表達 e) 相反的觀點相反的觀點-T. S.

20、 DNA 與基因表達呈正相關與基因表達呈正相關 !? 超螺旋超螺旋: :雙螺旋進一步扭曲形成的更高層次的空間結雙螺旋進一步扭曲形成的更高層次的空間結構，包括構，包括DNADNA扭曲、超螺旋、多重螺旋扭曲、超螺旋、多重螺旋和和連環連環等。等。1. DNA超螺旋的概述 DNADNA正常的雙螺旋結構處于能量最低狀態，雙螺正常的雙螺旋結構處于能量最低狀態，雙螺旋中沒有張力而處于松弛狀態。如果這種正常雙螺旋中沒有張力而處于松弛狀態。如果這種正常雙螺旋額外增加或減少螺旋圈數，就會使雙螺旋內的原旋額外增加或減少螺旋圈數，就會使雙螺旋內的原子偏離正常的位置而產生張力，這樣正常的雙螺旋子偏離正常的位置而產生張力

21、，這樣正常的雙螺旋就發生扭曲而形成超螺旋。就發生扭曲而形成超螺旋。超螺旋總是向著抵消初超螺旋總是向著抵消初級螺旋改變的方向發展。級螺旋改變的方向發展。三、DNA的三級結構2. DNA超螺旋的特點 1 1）線狀）線狀DNADNA分子分子 雙螺旋與蛋白質雙螺旋與蛋白質結合后扭曲盤繞結合后扭曲盤繞而形成螺旋的螺而形成螺旋的螺旋結構。旋結構。positive supercoiled positive supercoiled 2 2）環狀）環狀DNADNA分子分子 雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結構雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結構所有生物的所有生物的DNA幾乎幾乎 有有5%為為 Negative Su

22、perhelix Negative Supercoiled 負超螺旋負超螺旋：當螺旋旋轉：當螺旋旋轉360360時，其相應堿基時，其相應堿基對數小對數小于于1010，二級結構處于，二級結構處于松纏松纏狀狀態。態。 正超螺旋正超螺旋：當螺旋旋轉：當螺旋旋轉360360時時，其相應堿基其相應堿基對數大對數大于于1010，二級結構處于，二級結構處于緊纏緊纏狀狀態。態。 l 拓撲異構酶拓撲異構酶 ( (topoisomerase I, II) topoisomerase I, II) 參與構型的改變參與構型的改變3、DNA超螺旋的生物學意義 DNADNA被壓縮和包裝，使其體積大大減小被壓縮和包裝，使其

23、體積大大減小 增加了增加了DNADNA的穩定性的穩定性 可能與復制和轉錄的調控有關可能與復制和轉錄的調控有關真核生物真核生物DNADNA的高度有序和高度致密的結構的高度有序和高度致密的結構 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于細胞以非常有序的形式存在于細胞核內。核內。 在細胞周期的大部分時間里，在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的以松散的染色質染色質(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體則形成高度致密的染色體(chromosome)。 DNA染色質呈現出的串珠樣結構。染色質呈現出的串珠樣結構。 染色質的基本單位是核小體染色質的基

24、本單位是核小體(nucleosome)。nDNA染色質的電鏡圖像染色質的電鏡圖像DNA：約約200bp 組蛋白：組蛋白：H1H2A，H2BH3H4n核小體的組成核小體的組成n核小體串珠樣的結構核小體串珠樣的結構RNARNA的分子結構的分子結構RNA的種類、分布、功能的種類、分布、功能核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉運轉運RNA核內不均一核內不均一RNA核內小核內小RNA胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質

25、合成模板蛋白質合成模板轉運氨基酸轉運氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉運的剪接、轉運rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質內質網定位合成蛋白質內質網定位合成的信號識別體的組分的信號識別體的組分核仁小核仁小RNA核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉運轉運RNA核內不均一核內不均一RNA核內小核內小RNA胞漿小胞漿小RNA 細胞核和胞液細胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質合成模板蛋白質合成模板轉運氨基酸轉運氨基酸成熟

26、成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉運的剪接、轉運rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質內質網定位合成蛋白質內質網定位合成的信號識別體的組分的信號識別體的組分核仁小核仁小RNARNA的結構特點1. 1. 單鏈狀，但許多區單鏈狀，但許多區域可自身進行堿基配對域可自身進行堿基配對，形成回折。，形成回折。2. 2. 堿基配對規則：堿基配對規則：A-UA-U，G-CG-C，不能配對區不能配對區域形成突起。域形成突起。3. 3. RNARNA分子比分子比DNADNA分子小得多，一般含幾分子小得多，一般含幾十至幾千個核苷酸十至幾千個核苷酸4.4.核苷酸之間的連結核苷酸之間的連結方式：方式：

27、3,5-3,5-磷酸二磷酸二酯鍵酯鍵1. tRNA功能：在蛋白質合成中負責轉運氨基酸和識別密碼子； 參與翻譯起始進程、RNA的反轉錄及基因表達調控 73-9373-93個核苷酸組成個核苷酸組成 含稀有核苷和含稀有核苷和 3 3端都為端都為CCACCA，用以接用以接受氨基酸；受氨基酸； 5 5端都為端都為pGpG或者或者pCpC 有十幾個恒定的核苷酸有十幾個恒定的核苷酸，對于維持其空間結構，對于維持其空間結構和實現生物功能起重要和實現生物功能起重要作用作用tRNA分子特點三級結構：三級結構：倒倒L L型型 倒倒L L型型：一端是一端是CCACCA，另一端是反密碼子環。另一端是反密碼子環。二級結構

28、：三葉草形二級結構：三葉草形四環四環 二氫尿嘧啶環（二氫尿嘧啶環（D D環）、反密碼環、額外環、環）、反密碼環、額外環、T T C C環環四臂四臂 氨基酸臂、二氫尿嘧啶臂、反密碼臂、氨基酸臂、二氫尿嘧啶臂、反密碼臂、T T C C臂臂 2. rRNA分子核糖體核糖體rRNArRNA原核生原核生物物7070S S3030S S1616S S5050S S2323S S、5S5S真核生真核生物物8080S S4040S S1818S S6060S S2828S S、5S5S、5.8S5.8Sv占細胞內總占細胞內總RNARNA的的8080左右，由左右，由120-5000120-5000個核苷酸組個核苷酸組成，但種類很少，只有成，但種類很少，只有3-43-4種。種。rRNA分子功能v與蛋白質結合，組成大小亞基。與蛋白質結合，組成大小亞基。v具有酶功能，如核酶。具有酶功能，如核酶。v合成蛋白質的場所。合成蛋白質的場所。大腸桿