1、第二講第二講 核酸的基本結構和功能核酸的基本結構和功能分子生物學實驗室分子生物學檢驗技術分子生物學檢驗技術課件課件12l18681868年，年，F. MiescherF. Miescher從從細胞核中細胞核中分離得分離得到一種到一種酸性物質酸性物質，現在被稱為核酸。，現在被稱為核酸。l核酸是一類重要的生物大分子，擔負著核酸是一類重要的生物大分子，擔負著生命信息的儲存與傳遞。生命信息的儲存與傳遞。l核酸是現代生物化學、分子生物學的重核酸是現代生物化學、分子生物學的重要研究領域，是基因工程操作的核心分要研究領域，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可分離可分離

2、4l19521952年，年， 噬菌體感染大腸桿菌試驗。噬菌體感染大腸桿菌試驗。l以上兩個試驗證明了以上兩個試驗證明了DNADNA是遺傳物質，是遺傳物質，物種的所有特征都編碼在物種的所有特征都編碼在DNADNA分子中。分子中。l以后又發現了以后又發現了RNARNA病毒，它們的遺傳病毒，它們的遺傳信息編碼在信息編碼在RNARNA分子中。分子中。l有人說：給我一個愛因斯坦的細胞，有人說：給我一個愛因斯坦的細胞，我就可以克隆出許許多多的愛因斯我就可以克隆出許許多多的愛因斯坦。坦。-一個細胞中含有這種生物所一個細胞中含有這種生物所有的遺傳信息。有的遺傳信息。5核酸有多少種？核酸有多少種？ 兩種：兩種：

3、1. DNA 2. RNA1. DNA 2. RNA DNA- DNA-D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic A Acid-cid-脫氧核糖脫氧核糖核酸核酸 RNA-RNA-R Riboibon nucleic ucleic A Acid-cid-核糖核糖核酸核酸 稍后講核酸的組成時將看出稍后講核酸的組成時將看出DNADNA和和RNARNA的區別和聯系。的區別和聯系。6l 98核中（染色體中）核中（染色體中）l 真核真核 線粒體（線粒體（mtDNA）l 核外核外 l 葉綠體（葉綠體（ctDNA）lDNA 擬核擬核l 原核原核 l 核外：質粒（核外：質粒（pla

4、smid）l 病毒：病毒：DNA病毒病毒7RNARNA有有3 3種，主要存在于細胞質中種，主要存在于細胞質中 l tRNA-轉運轉運RNA-蛋白質合成時搬運氨基酸的工具蛋白質合成時搬運氨基酸的工具l rRNA-核蛋白體核蛋白體RNA-構成蛋白質的合成場所構成蛋白質的合成場所l mRNA信使信使RNA-蛋白質合成的模板蛋白質合成的模板2 2種核酸的功能可以這樣理解：種核酸的功能可以這樣理解：1. DNA1. DNA編碼了遺傳信息。即編碼了遺傳信息。即DNADNA分子分子中蘊藏著該物種全部遺傳特征。中蘊藏著該物種全部遺傳特征。2. RNA2. RNA使使DNADNA上編碼的遺傳信息兌現。上編碼的遺

5、傳信息兌現。8核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸堿基堿基戊糖戊糖核酸的元素組成：核酸的元素組成： C H O N C H O N P P 核酸的基本結構單位是核苷酸核酸的基本結構單位是核苷酸：即： 核酸=核苷酸-核苷酸-核苷酸=（核苷酸）n請比較：蛋白質的基本結構單位是氨基酸 蛋白質=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+ +堿基堿基 9 組成核酸的戊糖有兩種。組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為所含的糖為 -D-2-脫氧核糖；脫氧核糖；RNA所含的糖則為所含的糖則為-D-核糖。核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD

6、-核糖D-2-脫氧核糖己糖：如己糖：如C6H12O6-葡萄糖葡萄糖10NNNHNNH2l腺嘌呤腺嘌呤AdenineNHNNHNONH2l鳥嘌呤鳥嘌呤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. 核酸的基本結構單位是？核酸的基本結構單位是？2. 核酸有多少種？核酸有多少種？3. DNA大多存在于細胞的什么地方？大多存在于細胞的什么地方？4. RNA多數存在于細胞的哪里？多數存在于細胞的哪里？5. 核苷酸可以完全水解成哪核苷酸可以完全水解成哪3個部分？個部分？6. 常見的堿基

7、有多少種？常見的堿基有多少種？7. A U C G T 各代表什么？各代表什么？8.組成組成DNA的戊糖和組成的戊糖和組成RNA的戊糖一樣嗎？的戊糖一樣嗎？9.下圖是嘌呤還是嘧啶？下圖是嘌呤還是嘧啶？14核苷核苷 戊糖戊糖+ +堿基堿基 糖與堿基之間的糖與堿基之間的C-NC-N鍵，稱為鍵，稱為C-NC-N糖苷鍵糖苷鍵(OH)(OH)15胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2次黃苷（肌苷）次黃苷（肌苷）I黃嘌呤核苷黃嘌呤核苷

8、X二氫尿嘧啶核苷二氫尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式7-甲基鳥苷 m5GOHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine16核苷酸核苷酸 核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖戊糖+ +堿基堿基+ +磷酸磷酸HHHHHHH H H核苷酸核苷酸17l繼續磷酸化繼續磷酸化O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATPl剛才那兩個圖是剛才那兩個圖是DNADNA還是還是RNA?RNA?18l cAMPl cGMP19IMP GMP20l上一個核苷酸的上一個核苷酸的C C3 3-OH -OH 與下一個核苷酸的與下一個

9、核苷酸的5 5- -磷磷酸基形成酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵553321l上一個核苷酸的上一個核苷酸的C C3 3-OH -OH 與下一個核苷酸的與下一個核苷酸的5 5- -磷磷酸基形成酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵55332223l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；表示）；3-3-羥基端（常用羥基端（常用3 3-OH-OH表示）表示）l 多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須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 24一級結構一級結構 DNADNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于生物界物種的多樣性即寓于DNADNA分子中四種核苷酸千變萬分子中四種核苷酸千變萬化的不同排列組合之中?；牟煌帕薪M合之中。 252. 基因與基因組基因與基因組基因（基因（genegene）：一段）：一段有功能有功能的的DNADNA片段，生物細胞中片段，生物細胞中DNADNA分子的最小功

11、能單位（交換單位）。分子的最小功能單位（交換單位）。 蛋白質（蛋白質（mRNA mRNA 蛋白質）蛋白質）產物產物 tRNA tRNA RNA RNA rRNA rRNA 調節功能：調節基因調節功能：調節基因無產物無產物 作用未知作用未知結構基因結構基因26基因組（基因組（genomegenome）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質的總和。傳物質的總和。包括：核基因組（擬核包括：核基因組（擬核/ /核核DNADNA）及核外（質粒）及核外（質粒/ /質體質體DNADNA） bp bp（堿基對（堿基對） 103 104 105 106 107 108 10

12、9 1010 1011 1012人人兩棲兩棲類類魚類魚類藻類藻類酵母酵母細菌細菌E.ColE.Coli i病毒病毒質粒質粒各種細胞、病毒和細菌質粒中基因組的大小各種細胞、病毒和細菌質粒中基因組的大小273. 原核生物基因組特點原核生物基因組特點l 重復序列少，多位編碼區重復序列少，多位編碼區l 多為操縱子形式組織多為操縱子形式組織l 有重疊基因存在有重疊基因存在4. 真核生物基因組特點真核生物基因組特點l 以染色體存在以染色體存在l 重復序列多重復序列多 基因組計劃基因組計劃人類基因組計劃（人類基因組計劃（Human Genome Project， HGP ）酵母基因組計劃酵母基因組計劃 （Y

13、GP）大腸桿菌（大腸桿菌（E.Coli）28二、二、DNA的二級結構的二級結構 DNA的雙螺旋模型的雙螺旋模型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礎上，根據的基礎上，根據DNADNA結晶結晶的的X-X-衍射圖譜和分子模衍射圖譜和分子模型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA雙雙螺旋結構模型螺旋結構模型，并對模，并對模型的生物學意義作出了型的生物學意義作出了科學的解釋和預測?？茖W的解釋和預測。l在在DNADNA分子中，嘌呤堿基分子中，嘌呤堿基的總數與嘧啶堿基的總的總數與嘧啶堿基的總數相等。數相等。

14、29DNA雙螺旋模型要點雙螺旋模型要點B型結構型結構 兩條鏈兩條鏈反向平行，右手螺旋反向平行，右手螺旋 堿基在內（堿基在內（AT，GC）堿堿基平面垂直于螺旋軸基平面垂直于螺旋軸 磷酸、戊糖在外構成骨架，磷酸、戊糖在外構成骨架，雙螺旋每轉一周雙螺旋每轉一周 為為10堿基對堿基對（bp）A型結構（了解）型結構（了解） 堿基平面傾斜堿基平面傾斜20，螺旋變粗，螺旋變粗變短，螺距變短，螺距23nm。Z型結構（了解）型結構（了解） 左手螺旋，只有小溝左手螺旋，只有小溝2.0 nm小小溝溝大大溝溝3031雙螺旋雙螺旋DNADNA的結構參數的結構參數類型旋轉方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉堿基對數目堿基

15、對間垂直距離（nm）堿基對與水平面傾角ADNABDNAZDNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.272007雙螺旋穩定的力雙螺旋穩定的力 氫鍵氫鍵 堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力）堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力） 離子鍵等離子鍵等 則則DNA變性劑（熱、變性劑（熱、pH、脲、脲/酰胺、有機溶劑）酰胺、有機溶劑）3233lDNA雙螺旋的進一步扭曲構成三級結構，負超螺旋 原核 雙鏈環狀DNA（dcDNA） 病毒 單鏈環狀DNA（scDNA） 單鏈線性DNA（ssDNA） 3435真核真核 雙鏈線性雙鏈線性DNA（dsDNA）3637第四節第四節 R

16、NARNA的結構與功能的結構與功能一、一、RNA的結構特點的結構特點1. 堿基堿基: A、G、C、U （AU/GC） 2. 多為單鏈，分子較小多為單鏈，分子較小3. 分三類：分三類：mRNA 信使信使RNA，蛋白質翻譯的模板，蛋白質翻譯的模板 tRNA-蛋白質翻譯時蛋白質翻譯時轉運氨基酸的工具轉運氨基酸的工具（15%） rRNA -構成構成蛋白質合成的場所蛋白質合成的場所（80%）4. 少數病毒是少數病毒是RNA病毒（基因由病毒（基因由RNA編碼）編碼）二、二、RNARNA的功能：的功能：總體上，總體上，DNADNA編碼遺傳編碼遺傳信息；信息；RNARNA將其兌現。將其兌現。38tRNA的三級

17、結構的三級結構三葉草形，三葉草形，重要功能區：重要功能區：反密碼環反密碼環 氨基酸臂氨基酸臂39第五節第五節 核酸的性質核酸的性質一、一般的理化性質一、一般的理化性質l 兩性解離兩性解離 / 一般呈酸性（在中性溶液中帶負電荷），微一般呈酸性（在中性溶液中帶負電荷），微 溶于水，不溶于有機溶劑溶于水，不溶于有機溶劑l線性大分子（粘度高。抗剪切力差）線性大分子（粘度高?？辜羟辛Σ睿﹍可用電泳或離子交換（色譜）進行分離可用電泳或離子交換（色譜）進行分離l室溫條件下，室溫條件下，DNA在堿中變性，但不水解，在堿中變性，但不水解，RNA水解水解l加熱條件下，加熱條件下，D核糖濃鹽酸苔黑酚核糖濃鹽酸苔黑酚

18、 綠色綠色 D2脫氧核糖酸二苯胺脫氧核糖酸二苯胺 藍紫色藍紫色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，由于嘌呤堿在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨特的紫外線吸收因而具有獨特的紫外線吸收光譜，一般在光譜，一般在260nm260nm左右有左右有最大吸收峰，可以作為核酸最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測定的及其組份定性和定量測定的依據。依據。l以以A A260260/A/A280280進行定性、定量進行定性、定量lDNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙錠（錠（EBEB），在紫外下發出熒），在紫

19、外下發出熒光光411. 1. 變性變性l穩定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結構破壞，變成單鏈穩定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結構破壞，變成單鏈結構的過程。核酸的的一級結構結構的過程。核酸的的一級結構( (堿基順序堿基順序) )保持不變。保持不變。l變性表征變性表征 生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應）收增加（增色效應）l變性因素變性因素 pHpH（11.311.3或或5.05.0） 變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）變性劑（脲、甲酰胺、甲醛） 低離子強度低離子強度 加熱加熱42lDNADNA的變性過程的變性過程是突變性的，它在很窄

20、的溫度區間內完成。因是突變性的，它在很窄的溫度區間內完成。因此，通常將紫外吸收的增加量達最大量一半時的溫度稱熔解此，通常將紫外吸收的增加量達最大量一半時的溫度稱熔解溫度，用溫度，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之間。之間。DNADNA的的T Tm m值與分子中的值與分子中的G G和和C C的的含量有關。含量有關。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而測定值高。因而測定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中G, G, C C含量，可通過經驗公式計算：（含量，可通過經驗公式計算：（G+C)%=(

21、Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.442. 熱變性和熱變性和Tm43443. 核酸的復性核酸的復性l變性核酸的互補鏈在適當的條件下，重新締合成為雙變性核酸的互補鏈在適當的條件下，重新締合成為雙螺旋結構的過程稱為螺旋結構的過程稱為復性復性。lDNADNA復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復，具有減色效應。般只能得到部分的恢復，具有減色效應。l將熱變性的將熱變性的DNADNA驟然冷卻至低溫時，驟然冷卻至低溫時，DNADNA不可能復性。不可能復性。變性的變性的DNADNA緩慢冷卻時可復性，因此又稱為緩慢冷卻時可復性，因此又稱為“退火退火”。 退火溫度退火溫度T Tm m2525l復性影響因素復性影響因素 片段濃度片段濃度/ /片段大小片段大小/ /片段復雜性（重復序列數目）片段復雜性（重復序列數目）/ / 溶液離子強度溶液離子強度 45464.4.分子雜交分子雜交lDNADNA單鏈與在某些區域有互補序列的異源單鏈與在某些區域有互補序列的異源DNADNA單鏈單鏈或或RNARNA鏈形成雙螺旋結構的