第02章核酸备课用.ppt

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1、目目 录录第 二 章核酸的结构和功能核酸的结构和功能目目 录录核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大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。分子，携带和传递遗传信息。目目 录录一、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年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码 1975年年 Temi

2、n和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动 2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架目目 录录二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞

3、核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。目目 录录第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目目 录录核酸的化学组成核酸的化学

4、组成 1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)目目 录录嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基目目 录录NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOO

5、CH3目目 录录戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)目目 录录核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1.核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1目目 录录胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNO HH ON

6、NNH2H ONNO HH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHH OCH2H OCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHH OCH2OHHOHHOHHH OCH2目目 录录POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 2.核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生

7、物活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPNADP+NAD+目目 录录5 端端3 端端3.3.核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA目目 录录二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端

8、端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA目目 录录 DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构 DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义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的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 原核生物原核生

9、物DNA的高级结构的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 DNA的功能的功能目目 录录一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构目目 录录（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目目 录录目目 录录James Watson(L)and Francis Crick(R),and the model they built of the s

10、tructure of DNA.Image from the Internet目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNADNA分子由两条分子由两条相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脱氧多核苷酸链的脱氧多核苷酸链组成，两链以组成，两链以-脱氧核糖脱氧核糖-磷磷酸酸-为骨架，以为骨架，以右手螺旋右手螺旋方方式绕同一公共轴盘。螺旋直式绕同一公共轴盘。螺旋直径为径为2 2nm，形成大沟，形成大沟(major g ro o v e)及 小 沟及 小 沟(m i n o r groove)相间。相间。目目 录录目目 录录（二）（二）D

11、NA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成側，与对側碱基形成氢键配氢键配对对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。目目 录录目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定横向稳定性性，碱基堆积力碱基堆积力维持双维持双链链纵向稳定性纵向稳定性。目目 录录目目 录录碱基互补配对碱

12、基互补配对 目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录目目 录录1.B-DNAatson和Crick是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92相对湿度下进行X射线衍射图谱为依据进行推设的。在这一条件下得出的DNA称B构象。这也是最常见的最常见的DNA构象构象，简称B-DNA。是DNA纳盐。2.A-DNA 及其他右手螺旋DNA A构象:钠、钾或铯作反离子，相对湿度75，DNA分子的X射线衍射图。不仅出现于脱水脱水DNA中中，还出现在RNA分子中的双螺旋区域的DNARNA杂交分子中。C构象:锂作反离子，相对湿度66。仅在实验室中观察到，还未在生物仅在实验室中观察到，还

13、未在生物体中发现。体中发现。如果DNA分子中G-C碱基对较少，这些分子将取D和和E构象构象。这些研究表明DNA的分子结构不是一成不变的，在不同的条件下可以有所不同。不同构象的DNA都有共同的一点：即它们都是右手双螺旋；两条反向平行的核苷酸链通过atson-Crick碱基配对结合在一起；链的重复单位是单核苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。2.2.3 DNA结构的多态性 右手螺旋：右手螺旋：A-DNA，B-DNA，C-DNA，D-DNA，E-DNA，左手螺旋：左手螺旋：Z-DNA目目 录录3.Z-DNA 1979年，Wang和Rich等人在

14、研究人工合成的CGCGCG单晶的X射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z 构象（Zigzag）。这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且ZDNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。轴心线在碱基对之外。目目 录录ABZHandednessPitchBase Inclination12目目 录录二、二、DNA分子的高级结构分子的高级结构（一）单链核酸形成的二级结构（一）单链核酸形成的二级结构 有些病毒基因组由单链有些病毒基因组由单链DNA或或RN

15、A组成。单链组成。单链核酸也可由于部分序列之间的碱基配对而形成分子核酸也可由于部分序列之间的碱基配对而形成分子内或分子间的双螺旋区域。内或分子间的双螺旋区域。当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反平行的双螺旋结构，成为发夹产生一个反平行的双螺旋结构，成为发夹（hairpin）。）。目目 录录目目 录录（二）反向重复序列与二级结构（二）反向重复序列与二级结构反向重复序列反向重复序列(inverted repeat)又称回文结构，指在双链又称回文结构，指在双链

16、DNA序列中按确序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同的相同的。5 5GGTACC3GGTACC3 3 3CCATGG5CCATGG5在在DNADNA中，如果两条互补链分开，每条链中，如果两条互补链分开，每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成一个发夹。两个相对的发夹结构形成了一个一个发夹。两个相对的发夹结构形成了一个十字形结构。十字形结构。目目 录录 回文结构DNA序列中以某一中心区域为对称轴，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，与另一侧片段对称重复。回文结构能形成十字结构和发夹结构十字结构和发夹结构目目 录录AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG 存在于同一股上的某些存在于同一股上的某些DNADNA区段的反向区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。列，不能形成十字型或发夹结构。*