1、一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究簡史 核酸是活細(xì)胞中重要的大分子，含有細(xì)胞生存和繁殖所需要的全部信息。第1頁/共67頁（一）、核酸的發(fā)現(xiàn) 1968年，瑞士F.Miescher，細(xì)胞核化學(xué)的創(chuàng)始人和DNA的發(fā)現(xiàn)者 從膿細(xì)胞分離得到細(xì)胞核，并從中提取出一種含磷量很高的酸性化合物，稱為核素（nuclein)第2頁/共67頁（二）、核酸的早期研究 1910年，Kossel因其在核酸化學(xué)研究中的成就而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎（鑒定核酸中的大部分堿基） 技術(shù)上的突破帶來理論研究的重大發(fā)展（顯微紫外分光光度研究、組織化學(xué)實驗、亞細(xì)胞部分分離、化學(xué)分析等證明DNA存在于細(xì)胞核，RNA存在于細(xì)胞質(zhì)，是生物共同的重要組成成分）第3頁

2、/共67頁（三）、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立 DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNADNA二級結(jié)構(gòu)的一種重要形式，它二級結(jié)構(gòu)的一種重要形式，它是是WatsonWatson和和CrickCrick兩位科學(xué)家于兩位科學(xué)家于19531953年提出來的一年提出來的一種結(jié)構(gòu)模型。種結(jié)構(gòu)模型。第4頁/共67頁DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景：雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景：l 1950195019531953，ChargaffChargaff研究小組對研究小組對DNADNA的化學(xué)的化學(xué)組成進行了研究，發(fā)現(xiàn)：組成進行了研究，發(fā)現(xiàn)： DNA DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠(yuǎn)

3、，差異越大；遠(yuǎn)，差異越大； 相同物種，不同組織器官中相同物種，不同組織器官中DNADNA堿基組成相同，堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變； DNA DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即規(guī)律性，即A=TA=T、G=CG=C、A+G=T+CA+G=T+C。這一規(guī)律被。這一規(guī)律被稱為稱為ChargaffChargaff原則原則。 第5頁/共67頁v1953年由Wilkins研究小組完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。 v在中心形成的一個交叉的圖斑指

4、示了螺旋結(jié)構(gòu)的存在。頂端和底部的深帶對應(yīng)于重復(fù)出現(xiàn)的堿基。DNA的Xray照片第6頁/共67頁（四）、生物技術(shù)的興起 20世紀(jì)70年代前期誕生了DNA重組技術(shù)（DNA recombinant technology） 三項關(guān)鍵技術(shù)：DNA切割技術(shù)（工具酶）、分子克隆（用細(xì)菌質(zhì)粒重組體得到克?。┖涂焖贉y序（酶法測序、化學(xué)測序） 80年代RNA研究出現(xiàn)第二個高潮（核酶、反義RNA、mRNA編輯，RNA的世界.）第7頁/共67頁（五）、人類基因組計劃開辟了生命科學(xué)新紀(jì)元 1986年，諾貝爾獎得主H.Dulbecco在Science雜志上率先提出“人類基因組計劃”（簡稱HGP）; 1990年10月，美國

5、政府出資30億美元，計劃用15年時間完成“人類基因組計劃”，中國1999年加入，承擔(dān)1%的測序任務(wù);第8頁/共67頁 測序技術(shù)的突破導(dǎo)致提前完成測序任務(wù)，生命科學(xué)進入”后基因組時代“（post-genome era），出現(xiàn)“功能基因組學(xué)”(functional genomics)、“蛋白質(zhì)組學(xué)”（proteomics）、“結(jié)構(gòu)基因組學(xué)”（structural genomics）、“RNA組學(xué)”(RNomics)或“核糖核酸組學(xué)”(ribonomics)等新學(xué)科。back第9頁/共67頁二、核酸的種類和分布 大分子酸性物質(zhì)：核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。DNA 是主要的遺傳信

6、息的載體， RNA主要參與遺傳信息的表達(dá)； RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。 DNA 多為雙鏈結(jié)構(gòu)（D-2-脫氧核糖，ATGC），RNA為單鏈結(jié)構(gòu)（D-核糖，AUGC）第10頁/共67頁 原核生物染色體DNA、質(zhì)粒DNA、真核生物細(xì)胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈DNA；真核生物染色體是線型雙鏈DNA，末端有高度重復(fù)序列形成的端粒結(jié)構(gòu)； 動物病毒DNA通常是環(huán)狀雙鏈或線型雙鏈；植物病毒基因組大多是RNA，DNA較少見。第11頁/共67頁vRNA分子的種類較多，分子大小變分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化?；^大，功能多樣化。 v主要的主要的RNA種類有種類有rRNA

7、、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。等。第12頁/共67頁細(xì)胞核和細(xì)胞核和胞胞 液液線粒體線粒體功功 能能核蛋白體核蛋白體RNArRNAmt tRNA核蛋白體組成成分核蛋白體組成成分信使信使RNAmRNAmt mRNA蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNAtRNAmt tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸不均一核不均一核RNAhnRNA成熟成熟mRNA的前體的前體小核小核RNAsnRNA參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運的剪接、轉(zhuǎn)運小胞漿小胞漿RNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組成成分識別體的組成成分RNA

8、的分類back第13頁/共67頁三、核酸的生物功能 DNADNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復(fù)制以及的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復(fù)制以及基因信息的轉(zhuǎn)錄提供模板?；蛐畔⒌霓D(zhuǎn)錄提供模板。 l DNADNA分子中具有特定生物學(xué)功能的片段稱為分子中具有特定生物學(xué)功能的片段稱為基因（基因（genegene）。一個。一個生物體的全部生物體的全部DNADNA序列稱為序列稱為基因組（基因組（genomegenome）?；蚪M的大小與生?；蚪M的大小與生物的復(fù)雜性有關(guān)，如病毒物的復(fù)雜性有關(guān)，如病毒SV40SV40的基因組大小為的基因組大小為5.15.110103 3bpbp

9、，大腸桿，大腸桿菌為菌為5.75.710106 6bpbp，人為，人為3 310109 9bpbp。第14頁/共67頁（一）DNA是主要的遺傳物質(zhì)1928年格雷費斯首次報告了其著名的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗。即已經(jīng)被滅活的有毒的光滑型肺炎球菌（S型）能在動物體內(nèi)使無毒的粗糙莢膜型肺炎球菌（R型）變成有毒的S型。第15頁/共67頁第16頁/共67頁DNA是遺傳物質(zhì)的證明轉(zhuǎn)化實驗 1944年艾佛里(Avery)和他的同事從兩種肺炎球菌提取液中獲得純化DNA(R和S)，進行細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗。該實驗首次證明DNA是遺傳物質(zhì)。細(xì)菌轉(zhuǎn)化機制細(xì)菌轉(zhuǎn)化機制第17頁/共67頁DNA是遺傳物質(zhì)的證明噬菌體實驗 蔡斯何西用同位素3

10、5和32標(biāo)記噬菌體，并用標(biāo)記的噬菌體感染細(xì)菌，進一步證明了DNA是遺傳物質(zhì)。第18頁/共67頁（二）RNA參與蛋白質(zhì)的生物合成第19頁/共67頁（三）RNA功能的多樣性 控制蛋白質(zhì)合成； 作用于RNA轉(zhuǎn)錄后加工與修飾； 基因表達(dá)與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)； 生物催化與其他細(xì)胞持家功能； 遺傳信息的加工與進化。 總之，與遺傳信息的表達(dá)和表達(dá)調(diào)控有關(guān)。第20頁/共67頁本章重點：核苷酸、脫氧核糖核酸、核糖核酸知識點：1、核酸的早期研究和雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；2、核酸的種類，分類和生物學(xué)功能。back第21頁/共67頁第十三章 核酸的結(jié)構(gòu)第22頁/共67頁核酸的水解產(chǎn)物 磷酸磷酸 核糖核糖 核酸核苷酸核酸核苷酸 戊

11、糖戊糖 核苷核苷 脫氧核糖脫氧核糖 嘌呤堿嘌呤堿 含氮堿含氮堿 嘧啶堿嘧啶堿 第23頁/共67頁一、核苷酸（一）、堿基（一）、堿基1. 嘧啶堿：嘧啶堿：尿嘧啶尿嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶第24頁/共67頁2. 嘌呤堿：嘌呤堿： 腺嘌呤腺嘌呤 鳥嘌呤鳥嘌呤第25頁/共67頁第26頁/共67頁互變異構(gòu)第27頁/共67頁3.稀有堿基：稀有堿基： 大多數(shù)是甲基化堿基，大多數(shù)是甲基化堿基，tRNA中含有較多的中含有較多的稀有堿基，可高達(dá)稀有堿基，可高達(dá)10%第28頁/共67頁（二）核苷核苷核苷是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮合而生成的化合物。合而生成的化合物。在大多數(shù)情況下

12、，核苷是由核糖或在大多數(shù)情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的脫氧核糖的C1 -羥基與嘧啶堿羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿或嘌呤堿N9進行縮合，故生成的進行縮合，故生成的化學(xué)鍵稱為化學(xué)鍵稱為-N糖苷鍵糖苷鍵。第29頁/共67頁-D-D-核糖核糖 -D-2-D-2-脫氧核糖脫氧核糖第30頁/共67頁腺苷腺苷(AR) 脫氧胞苷脫氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷鍵糖苷鍵 1,N1-糖苷鍵糖苷鍵1 1 N9N1第31頁/共67頁l “稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有堿基稀有堿基”所生成的核苷。所生成的核苷。假尿苷（假尿苷（） 1,C5-糖苷鍵糖苷鍵1 C5第32頁/共67頁（三）、核苷酸（三）、核苷酸v 核苷酸核苷

13、酸是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸核糖核苷酸和和脫脫氧核糖核苷酸氧核糖核苷酸兩大類。兩大類。 v 由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成2-核苷酸、核苷酸、3-核苷酸和核苷酸和5-核苷酸。最常核苷酸。最常見者為見者為5-核苷酸（核苷酸（5 常被省略）。常被省略）。 第33頁/共67頁核苷酸的分子結(jié)構(gòu)核苷酸的分子結(jié)構(gòu)第34頁/共67頁v 5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5位縮合的磷酸基的多少，位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷分為一磷酸核苷（核苷酸

14、）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。酸核苷。 第35頁/共67頁第36頁/共67頁核苷酸的命名及縮寫符號核苷酸的命名及縮寫符號 脫氧脫氧堿基堿基磷酸基數(shù)目磷酸基數(shù)目磷酸磷酸dAMPGDTTCU第37頁/共67頁環(huán)核苷酸的分子結(jié)構(gòu)環(huán)核苷酸的分子結(jié)構(gòu)環(huán)一磷酸腺苷環(huán)一磷酸腺苷 環(huán)一磷酸鳥苷環(huán)一磷酸鳥苷 第38頁/共67頁back第39頁/共67頁二、核酸的共價結(jié)構(gòu)二、核酸的共價結(jié)構(gòu)（一）、核酸中核苷酸的（一）、核酸中核苷酸的連接方式連接方式 一分子的核苷酸的一分子的核苷酸的3-位羥基與另一分子位羥基與另一分子核苷酸的核苷酸的5-位磷酸基位磷酸基通過脫水可形成通過脫水可形成3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵，從而將

15、兩分子核苷酸連從而將兩分子核苷酸連接起來。接起來。第40頁/共67頁多核苷酸鏈：多核苷酸鏈：l核酸就是由許多核酸就是由許多核苷酸單核苷酸單位位通過通過3 3,5,5- -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接起來形成的不含側(cè)鏈連接起來形成的不含側(cè)鏈的長鏈狀化合物。的長鏈狀化合物。 l核酸核酸具有方向性具有方向性的長鏈狀的長鏈狀化合物，多核苷酸鏈的兩化合物，多核苷酸鏈的兩端，一端稱為端，一端稱為5 5- -端，另端，另一端稱為一端稱為3 3- -端。端。DNA RNA第41頁/共67頁（二）（二）DNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)lDNADNA分子是由dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP和dTMPdT

16、MP四種脫氧核糖核苷酸通過3 3,5,5- -磷酸二酯鍵連接起來的直線形或環(huán)形多聚體。第42頁/共67頁（三）（三）RNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu)l RNARNA分子主要是由AMPAMP，GMPGMP，CMPCMP，UMPUMP四種核糖核苷酸通過3 3-5-5- -磷酸二酯鍵連接起來的無分支的線型多聚體。l RNARNA的種類很多（tRNAtRNA、mRNAmRNA、rRNArRNA等），結(jié)構(gòu)各不一樣。第43頁/共67頁mRNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能lmRNAmRNA在真核生物中的初級產(chǎn)物稱為在真核生物中的初級產(chǎn)物稱為HnRNAHnRNA。 l大多數(shù)真核成熟的大多數(shù)真核成熟的mRNAmRNA分子

17、具有典型的分子具有典型的5 5- -端的端的7-7-甲基鳥苷三磷酸（甲基鳥苷三磷酸（m7GTPm7GTP）帽子結(jié)構(gòu)）帽子結(jié)構(gòu)和和3 3- -端的多聚腺苷酸端的多聚腺苷酸(polyA)(polyA)尾巴結(jié)構(gòu)尾巴結(jié)構(gòu)。 （ messenger RNA ）第44頁/共67頁l mRNAmRNA分子中帶有遺傳密碼，其功能是為蛋白質(zhì)的合成提供模板。 l mRNAmRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)翻譯合成時代表一個特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體稱為遺傳密碼（codencoden） 第45頁/共67頁真核生物真核生物mRNA 5-端帽子結(jié)構(gòu)端帽子結(jié)構(gòu)第46頁/共67頁真核生物真核生物mRNA

18、 3-端的端的polyA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)back第47頁/共67頁三、三、DNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu) （一）DNADNA堿基組成的ChargaffChargaff原則原則l A=T A=T、l G=C G=C、l A+C=T+G A+C=T+Gl A+G=T+C A+G=T+C第48頁/共67頁（二）DNA的二級結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型l 目前已知目前已知DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A A、B B、C C、D D及及Z Z型等數(shù)種，除型等數(shù)種，除Z Z型為左手雙型為左手雙螺旋螺旋外，外，其余均為右手雙螺旋其余均為右手雙螺旋。第49頁/共67頁B型雙螺旋型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)特征 第

19、50頁/共67頁堿堿基基配配對對及及氫氫鍵鍵形形成成第51頁/共67頁第52頁/共67頁lB B型雙螺旋DNADNA的結(jié)構(gòu)特點： l1. 1. 為右手反平行雙螺旋； l2. 2. 主鏈位于螺旋外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)； l3. 3. 兩條鏈間存在堿基互補：A A與T T或G G與C C配對形成氫鍵，稱為堿基互補原則（A A與T T為兩個氫鍵，G G與C C為三個氫鍵）； l4. 4. 螺旋的穩(wěn)定因素為氫鍵和堿基堆砌力； l5. 5. 螺旋的螺距為3.4nm3.4nm，直徑為2nm2nm。 第53頁/共67頁（三）、（三）、DNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) 超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)l（1 1）原核生物）原核生物

20、DNADNA的三的三級結(jié)構(gòu)：級結(jié)構(gòu)： l絕大多數(shù)原核生物的絕大多數(shù)原核生物的DNADNA都是共價封閉的環(huán)都是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋。如果再進一狀雙螺旋。如果再進一步盤繞則形成麻花狀的步盤繞則形成麻花狀的超螺旋三級結(jié)構(gòu)。超螺旋三級結(jié)構(gòu)。 第54頁/共67頁第55頁/共67頁（2）真核生物中的核小體結(jié)構(gòu)：）真核生物中的核小體結(jié)構(gòu)：l在真核生物中，在真核生物中，雙螺旋的雙螺旋的DNADNA分子分子圍繞一蛋白質(zhì)八圍繞一蛋白質(zhì)八聚體進行盤繞，聚體進行盤繞，從而形成特殊的從而形成特殊的串珠狀結(jié)構(gòu)，稱串珠狀結(jié)構(gòu)，稱為為核小體核小體。核小。核小體結(jié)構(gòu)屬于體結(jié)構(gòu)屬于DNADNA的的三級結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)。核小體核小體

21、第56頁/共67頁第57頁/共67頁DNA的高級結(jié)構(gòu)從核小體至染色體 back第58頁/共67頁四、RNA的高級結(jié)構(gòu)l在RNARNA通常以單鏈形式存在，但可自身回折形成局部雙螺旋（二級通常以單鏈形式存在，但可自身回折形成局部雙螺旋（二級結(jié)構(gòu)），進而折疊（三級結(jié)構(gòu)）；結(jié)構(gòu)），進而折疊（三級結(jié)構(gòu)）；l除除tRNAtRNA外，幾乎全部細(xì)胞中的外，幾乎全部細(xì)胞中的RNARNA都與蛋白質(zhì)形成核蛋白復(fù)合物都與蛋白質(zhì)形成核蛋白復(fù)合物（四級結(jié)構(gòu)）；（四級結(jié)構(gòu)）；lRNARNA承擔(dān)重要的細(xì)胞功能（核糖體、信息體、信號識別顆粒、拼接承擔(dān)重要的細(xì)胞功能（核糖體、信息體、信號識別顆粒、拼接體、編輯體等）；體、編輯體等）；lRNARNA病毒是具有感染性的病毒是具有感染性的RNARNA復(fù)合物。復(fù)合物。第59