第12章+核酸通论课件

第第1212章章 核酸通论核酸通论什么是核酸？什么是核酸？18681868年，年，F.Miescher，核酸最早分离自核酸最早分离自外科绷带脓细胞的外科绷带脓细胞的细胞核细胞核，并发现其含磷，并发现其含磷量超过当时发现的任何一种有机物，且量超过当时发现的任何一种有机物，且含含有很强的酸性有很强的酸性 得名核酸。得名核酸。其后核酸的其后核酸的组成和结构组成和结构被研究清楚。被研究清楚。生物功能生物功能也初步澄清。也初步澄清。核酸是机体重要核酸是机体重要组成部分组成部分是生命是生命遗传信息的携带者和传递者遗传信息的携带者和传递者，对于，对于生命的延续、物种遗传特性的保持、生长生命的延续、物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起重要作用；发育、细胞分化等起重要作用；与与生物变异生物变异（肿瘤、遗传病）也密切相关（肿瘤、遗传病）也密切相关 核酸是现代生物化学、分子生物学和核酸是现代生物化学、分子生物学和 医学的重要基础之一。医学的重要基础之一。一、核酸的发现和研究简史一、核酸的发现和研究简史（一）、一）、早期的发现早期的发现186869，F.Miescher从脓细胞核中提出含磷量高从脓细胞核中提出含磷量高的核素（的核素（nuclein），），其后从鲑鱼精子中提取出鱼精其后从鲑鱼精子中提取出鱼精蛋白和核素。蛋白和核素。1885，0.Hertwig提出核素可能负责受精和遗传。提出核素可能负责受精和遗传。1889，R.Altmann从酵母和动物组织中提取出不含从酵母和动物组织中提取出不含蛋白质的核酸。蛋白质的核酸。1894，Kossel和和A.Neumann 从胸腺中提取核酸，从胸腺中提取核酸，表明胸腺核酸与酵母核酸不同。表明胸腺核酸与酵母核酸不同。Hammars 证明酵母核酸中的糖是戊糖。证明酵母核酸中的糖是戊糖。（二）、核酸化学的研究二）、核酸化学的研究1902，E.Fischer研究糖和嘌呤而获诺贝尔化学奖研究糖和嘌呤而获诺贝尔化学奖1910，Kossel 因核酸化学研究而获诺贝尔生理学奖。因核酸化学研究而获诺贝尔生理学奖。1912，P.A.Levene 认为核酸由四种核苷酸等量聚认为核酸由四种核苷酸等量聚合而成。合而成。1929，Levene 确定胸腺核酸中的糖是确定胸腺核酸中的糖是 D-2-脱氧核脱氧核糖。糖。1943，J.N.Davidson 用化学分析方法得出结论：用化学分析方法得出结论：动、植物组织均含有两类核酸。动、植物组织均含有两类核酸。（三）、（三）、DNA 双螺旋结构模型的提双螺旋结构模型的提出建立了统一的分子生物学出建立了统一的分子生物学1944，T.Avery 肺炎双球菌转化实验。肺炎双球菌转化实验。1952，Hershey证明噬菌体感染只有证明噬菌体感染只有 DNA 进入细菌细胞。进入细菌细胞。1953，J.D.Watson 和和 F.H.Crick提出提出DNA双螺旋结构模双螺旋结构模型。型。1962年与年与M.H.F.Wilkins 共获诺贝尔生理学奖。共获诺贝尔生理学奖。1969，噬菌体小组的，噬菌体小组的 M.Delbrk、A.D.Hershey和和S.E.Luria获诺贝尔奖。获诺贝尔奖。1958年年Crick总结了当时分子生物学的成果，提出了总结了当时分子生物学的成果，提出了“中心中心法则法则”，即遗传信息从，即遗传信息从DNA传到传到RNA，再传到蛋白质，再传到蛋白质（三）（三）.DNA 双螺旋结构模型的双螺旋结构模型的提出建立了统一的分子生物学提出建立了统一的分子生物学1959，S.Ochoa和和A.Kornberg 由于酶促合成由于酶促合成 RNA 和和DNA 而获诺贝尔奖。而获诺贝尔奖。196061，F.Jacob和和J.Monod 发现发现 mRNA 并提出操并提出操纵子学说，纵子学说，1965 年与年与 P.Rous一起获诺贝尔奖。一起获诺贝尔奖。1965，M.W.Nirenberg 等破译了遗传密码等破译了遗传密码 1968，R.W.Holley .H.G.Khorana 和和 M.W.Nirenburg 共获诺贝尔共获诺贝尔 奖。奖。（四）、（四）、DNA 重组技术带来生重组技术带来生物技术重大突破物技术重大突破1970，H.O.Smith和和 K.W.Wilcox 发现类型发现类型限制性内切限制性内切酶。酶。1971，K.Danna和和D.Nathans 作出作出 SV40 DNA 的限制性图的限制性图谱谱 1978 年诺贝尔化学奖授予发现限制酶的年诺贝尔化学奖授予发现限制酶的 W.Arber、H.O.Smith和和D.Nathans。1972，P.Berg与其工作者将与其工作者将SV40 DNA与与噬菌体噬菌体DNA重组。重组。1973，S.Cohen等获得第等获得第1个个DNA重组体克隆。重组体克隆。1975，F.Sanger和和A.R.Coulson发明酶法发明酶法DNA快速测序快速测序。（四）、（四）、DNA 重组技术带来生重组技术带来生物技术重大突破物技术重大突破1977，M.Maxam 和和 W.Gilbert发明化学发明化学DNA测序。测序。1980，Berg、Gilbert和和Sanger共获诺贝尔化学奖。共获诺贝尔化学奖。1985，K Mullis发明发明PCR技术。技术。1993年与发明定位诱变的年与发明定位诱变的M.史密斯共获诺贝尔化学奖。史密斯共获诺贝尔化学奖。DNA 重组技术引起分子生物学第二次革命，使生命科学进重组技术引起分子生物学第二次革命，使生命科学进入大科学工程的时代，并带动了生物技术产业的迅猛发展。入大科学工程的时代，并带动了生物技术产业的迅猛发展。1986年，诺贝尔奖获得者年，诺贝尔奖获得者Dulbecco在在Science杂志上率先提出杂志上率先提出“人类基因组计人类基因组计划划(简称简称HGP)。1990年年10月美国政府决月美国政府决定出资定出资30亿美元，用亿美元，用15年时间年时间(19912005年年)完成完成“人类基因组计划人类基因组计划”。中国。中国9999年加入。年加入。后基因组时代后基因组时代的到来。研究重心已从揭的到来。研究重心已从揭示基因组示基因组DNADNA的序列转移到在整体水平上的序列转移到在整体水平上对基因组功能的研究。对基因组功能的研究。（五）、当前生命科学已进入后（五）、当前生命科学已进入后基因组的时代基因组的时代功能基因组学功能基因组学(functional genomics)：在整在整体水平上对基因组功能的研究体水平上对基因组功能的研究蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)：在整体水平上研究在整体水平上研究细胞内蛋白质组分及其活动规律的新学科细胞内蛋白质组分及其活动规律的新学科结构基因组学结构基因组学(structural genomics)：系统系统测定基因组所代表全部大分子的结构，目前它测定基因组所代表全部大分子的结构，目前它仅关注于蛋白质的结构仅关注于蛋白质的结构 RNA组学组学(RNomics)：研究所有编码研究所有编码RNA以及以及与其作用的分子和形成复合物的结构特征与其作用的分子和形成复合物的结构特征 最近提出最近提出蛋白质组蛋白质组计划计划（五）、当前生命科学已进入后（五）、当前生命科学已进入后基因组的时代基因组的时代（五）、当前生命科学已进入后基（五）、当前生命科学已进入后基因组的时代因组的时代生物化学与分子生物学发展的主要方向有生物化学与分子生物学发展的主要方向有 3 个：结构分子生物学、神经分子生物学、个：结构分子生物学、神经分子生物学、以及发育分子生物学。以及发育分子生物学。21 世纪这些领域世纪这些领域将会取得巨大成果。将会取得巨大成果。种类：种类：(1)(1)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(2)(2)核糖核酸核糖核酸(RNA)共同特点共同特点：（1）遗传信息的载体）遗传信息的载体（2）都由核糖、磷酸、碱基组成，只是）都由核糖、磷酸、碱基组成，只是核糖和碱基略有不同核糖和碱基略有不同二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于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。一、一、DNA1.1.分布：分布：（1 1）原核细胞：）原核细胞：DNA集中在集中在核区核区一、一、DNA（2 2）真核细胞：）真核细胞：DNA分布在分布在核核内内，组成染色，组成染色体体(染色质染色质)；线粒体、叶绿线粒体、叶绿体体等细胞器也等细胞器也含有含有DNA 一、一、DNA（3 3）病毒：）病毒：或只含或只含DNA，或只含或只含RNA，从未发现两者兼有从未发现两者兼有的病毒的病毒 一、一、DNA2.形状：形状：原核生物原核生物：环状双链环状双链DNA 质粒质粒DNA：环状双环状双链链DNA 细菌等原核生物细菌等原核生物质粒质粒质粒质粒染色染色染色染色体体体体一、一、DNA真核生物真核生物：线型双链：线型双链DNADNA，末端具有高度重末端具有高度重复序列形成的端粒结构复序列形成的端粒结构 线粒体、叶绿体等细胞器的线粒体、叶绿体等细胞器的DNA是环状双是环状双链链DNA 病毒病毒：DNA结构各异：环状双链、线型双结构各异：环状双链、线型双链、线型单链、环状单链链、线型单链、环状单链DNA大多为双链分子大多为双链分子大多数是线性链状结构，大多数是线性链状结构，少部分呈环状少部分呈环状分子量一般都很大分子量一般都很大DNA的性质的性质染色体是DNA的载体DNA可通过复制遗传给下一代可通过复制遗传给下一代人体23对染色体,分别来自于父母复制后复制后的染色的染色体体DNA组成的差异决定：组成的差异决定：细胞中细胞中蛋白质蛋白质、RNA的结构特征的结构特征子代遗传物质来自亲代：子代遗传物质来自亲代：种瓜得瓜、种豆得豆种瓜得瓜、种豆得豆。DNA控制细胞分化、个体形成控制细胞分化、个体形成 乃至个体的生老病死。乃至个体的生老病死。任何一个多细胞生物的体细胞都含有任何一个多细胞生物的体细胞都含有 完全相同的基因组完全相同的基因组DNADNA。l l各组织器官的细胞形状各异、功能不同？各组织器官的细胞形状各异、功能不同？DNA表达差异表达差异基因基因（gene）：开始、发育的意思）：开始、发育的意思古代种质（猜想古代种质（猜想)十九世纪孟德尔十九世纪孟德尔遗传颗粒（推断）遗传颗粒（推断）二十世纪初摩尔根二十世纪初摩尔根染色体是基因的载体染色体是基因的载体 蛋白质？核酸？蛋白质？核酸？1944年年DNA是基因的化学载体是基因的化学载体基因即基因即DNA上能够编译一个蛋白质或上能够编译一个蛋白质或RNA的最小单位，一个细胞内所有基因组合在的最小单位，一个细胞内所有基因组合在一起统称为一起统称为“基因组基因组”。DNA 所有功能本质上反映的是基因的功能所有功能本质上反映的是基因的功能基因基因3假基因假基因基因间隔区基因间隔区DNADNA双螺旋双螺旋Clone克隆，人工操作下的细胞无性繁殖过程。克隆，人工操作下的细胞无性繁殖过程。给予合适的条件给予合适的条件，任何一种体细胞都能变化为，任何一种体细胞都能变化为一个完整的个体一个完整的个体体细胞克隆技术。体细胞克隆技术。白白 绵羊的体细胞核体细胞核黑黑 绵羊的去核卵卵细胞细胞细胞细胞质质植植入入山羊子宫山羊子宫？多莉（1997.7.23）克隆克隆人人为什么要克隆人？为什么要克隆人？主要是采集器官，进行器官移植，主要是采集器官，进行器官移植，还可以复制死去的亲人。还可以复制死去的亲人。动物克隆的目的：动物克隆的目的：保持牲畜优良性能不发生退化；保持牲畜优良性能不发生退化；拯救濒危生物。拯救濒危生物。克隆人的方法克隆人的方法1.1.提供卵细胞、体细胞提供卵细胞、体细胞提供卵细胞、体细胞提供卵细胞、体细胞2.卵细胞去核并与体细胞融合卵细胞去核并与体细胞融合3.3.代理母亲受孕代理母亲受孕代理母亲受孕代理母亲受孕4.克隆婴儿的诞生克隆婴儿的诞生多数多数畸形、流产儿畸形、流产儿 +少数早衰少数早衰的克隆人的克隆人为什么各国政府均反对克隆人呢？为什么各国政府均反对克隆人呢？1.可预见的大量畸形儿、流产儿可预见的大量畸形儿、流产儿2.伦理危机伦理危机动摇动摇家庭观家庭观、权利义务观权利义务观“父将不父，母将不母，子将不子父将不父，母将不母，子将不子”科学的两面性科学的两面性二、二、RNA 1.种类：种类：（1 1）转移转移RNA(transfer RNA，tRNA):携带携带AA，约占总约占总RNARNA的的15%15%（2 2）核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)：参与参与核糖体组成，约占总核糖体组成，约占总RNARNA的的80%80%（3 3）信使信使RNA(messenger RNA，mRNA)：蛋白质翻译的模板，蛋白质翻译的模板，约占总约占总RNARNA的的3-5%3-5%二、二、RNA（4）小分子小分子RNA（small RNA，sRNA）:80年代以来发现新的具有特殊功能的年代以来发现新的具有特殊功能的RNA核内小核内小RNA(small nuclear RNA，snRNA)核仁小核仁小RNA(small nucleoar RNA，snoRNA)胞质小胞质小RNA(small cytoplasmic RNA，SCRNA)反义反义RNA(antisense RNA)核酶核酶(ribozyme)功能：功能：1.调控基因表达；调控基因表达；2.参与生物分子组成；参与生物分子组成；3.转录后加工，控制蛋白质合成等转录后加工，控制蛋白质合成等mRNA(信使信使RNA)约占总约占总RNA的的5%不同细胞的不同细胞的mRNA链长和分子量差异很大链长和分子量差异很大其其功功能能是是将将DNA的的遗遗传传信信息息传传递递到到蛋蛋白白质质合成基地合成基地 核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。Messenger RNAtRNA(转移转移RNA)约占总约占总RNA的的10-15%在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成中中翻翻译译AA信信息息、将将相相应应AA转运到核糖核蛋白体转运到核糖核蛋白体每一个每一个AA至少有一个相应的至少有一个相应的tRNAtRNA分子大小相似，一般为分子大小相似，一般为73-78个核苷酸个核苷酸lTransfer RNArRNA(核糖体核糖体RNA)约占全部约占全部RNA的的80%是核糖核蛋白体的主要组成部分是核糖核蛋白体的主要组成部分功能与蛋白质生物合成相关。功能与蛋白质生物合成相关。Ribosome RNA二、二、RNA2.分布：分布：原核生物和病毒：原核生物和病毒：三种三种RNARNA分布于分布于细胞质细胞质真核生物：真核生物：tRNAtRNA和和rRNArRNA主要分布于细胞质主要分布于细胞质中；细胞核中也有；中；细胞核中也有；mRNAmRNA从核中转录出来从核中转录出来到细胞质中翻译；到细胞质中翻译；RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。核糖体核糖体RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核糖体组分核糖体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与 hnRNA 的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分RNA信使信使RNARNA转运转运RNARNARNA核内小核内小胞浆小胞浆小RNARNA细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸的前体的前体的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNARNA含量含量80510-15三、核酸的生物功能三、核酸的生物功能（一）（一）DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质1944，O.Avery肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验1952，A.D Hershey 和和M.Chase 噬菌体感染噬菌体感染实验实验O.T.Avery 的细菌转化实验的细菌转化实验用用32P标志噬菌体的标志噬菌体的DNA，35S标志蛋白标志蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果只有质，然后感染大肠杆菌。结果只有32P-DNA进入细菌细胞内，进入细菌细胞内，35S-蛋白质仍留蛋白质仍留在细胞外，从而有力证明在细胞外，从而有力证明DNA是噬菌体是噬菌体的遗传物质。的遗传物质。（二）二）RNA功能的多样性功能的多样性1、参与蛋白质的合成、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰的转录后加工与修饰3、参与基因表达的调控、参与基因表达的调控4、生物催化作用、生物催化作用RNARNA在蛋白质合成中起着重要的辅助作用在蛋白质合成中起着重要的辅助作用1.mRNA信使信使RNA2.rRNA核糖体核糖体RNA3.tRNA 转运转运RNA