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1、第四节RNA的结构与功能Structure and Function of RNA RNA是 DNA的转录产物。 RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链线性形式存在，但是可以通过链内的碱基互补配对形成局部的双螺旋结构，进而形成三级结构。 与 DNA相比， RNA的种类、大小、结构以及稳定性表现出了多样化，这与它们的功能多样化密切相关。真核细胞内主要 RNA的种类和功能种类 细胞定位 功能信使 RNAmessenger RNA (mRNA)细胞核、细胞质、线粒体蛋白质的合成模板非均一核 RNAheterogeneous nuclear RNA (hnRNA)细胞核
2、成熟 mRNA的前体转运 RNA transfer RNA (tRNA)细胞核、细胞质、线粒体转运氨基酸核糖体 RNA ribosomal RNA (rRNA)细胞核、细胞质、线粒体构成核糖体非编码小 RNAsmall non-coding RNA (sncRNA)细胞核、细胞质参与 hnRNA的剪接和转运、 rRNA加工、基因表达调控等信使 RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板 。不均一核 RNA(hnRNA)含有内含子 (intron)和外显子 (exon)。 外显子是氨基酸的编码序列 ，而内含子是非编码序列 。hnRNA经过剪切后成为 成熟的 mRNA。一、
3、 mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA 内含子(intron)mRNA mRNA成熟过程外显子(exon) 从 AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码 了一个氨基酸 ，称为三联体密码 (codon)。 成熟的 mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成 。 5-末端的帽子 (cap)结构和 3-末端的多聚 A尾 (poly-A tail)结构 。 5 3m7Gppp AAAAn3非翻译区5非翻译区编码区AUGUAA 成熟的真核生物 mRNAONNNNNH2OOCH3OHHHCH2HOPO-OOHNNNOH2NNOOHHHHCH2HOHOPOO-CH3PO-O5235 帽子结构 :m7GpppNm（一
4、）大部分真核细胞 mRNA的 5末端都以 7-甲基鸟嘌呤 -三磷酸核苷为起始结构 mRNA的帽结构可以与 帽结合蛋白 (cap binding protein， CBP)结合。 真核 mRNA的 5-末端 7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化 真核生物的 mRNA 的 3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸 。（二）在真核生物 mRNA的3末端有多聚腺苷酸结构mRNA核内向胞质的转移mRNA的稳定性维系翻译起始的调控 帽子结构和多聚 A尾的功能一条完整的 mRNA包括 5-非编码区、 编码区和 3-非编码区 。编码区包括起始密码子、编码氨基 酸的序列和终止密码子 。 DNAmRNA蛋白转录
5、翻译原核细胞 细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞 （四 ） mRNA的成熟过程是 hnRNA的剪接过程卵清蛋白 mRNA的成熟转运 RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体 , 将氨基酸转呈给 mRNA。由 74 95核苷酸组成；占细胞总 RNA的 15%；具有很好的稳定性。二、 tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体（一 ） tRNA分子含有稀有碱基 含 10 % 20% 稀有碱基 ，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为 G 具有 TC NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CH
6、CCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基 tRNA中常见的稀有碱基 tRNA 具有局部的茎环 (stem-loop)结构或发卡 (hairpin)结构。（二） tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构 三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环T C环附加叉 tRNA的倒 L三级结构tRNA的 3-末端都是以 CCA结尾。3-末端的 A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的 tRNA可以结合不同的氨基酸。 （三 ） tRNA的3 -末端连接氨基酸35反密码子密码子mRNA酪氨酸UACGUAACC35tRNA的反密码子环上
7、有一个由三个核苷酸构成的 反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别 mRNA上的密码子。（四 ） tRNA的反密码子识别 mRNA的密码子核蛋白体 RNA(ribosomal RNA， rRNA)是细胞内含量最多的 RNA(80 )。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成 核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、以 rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所* rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA（一）原核、真核 rRNA分子质量不
8、同核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例 ） 真核生物（以小鼠肝为例 ）小亚基 30S 40SrRNA 16S 1542个核苷酸 18S 1874个核苷酸蛋白质 21种 占总重量的 40% 33种 占总重量的 50%大亚基 50S 60SrRNA 23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质 31种 占总重量的 30% 49种 占总重量的 35%rRNA与核糖体蛋白质共同构成 核糖体 ，是蛋白质生物合成的场所：为肽链合成所需要的 mRNA、 tRNA、多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境 。（三 ） rRNA参与组
9、成的核糖体是蛋白质翻译的场所70S ribosome50S large subunit23S rRNA 5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunit 大肠杆菌的核蛋白体RNA组学是研究细胞内 snmRNA的种类、 结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下 snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系 。 四、 snmRNA参与了基因表达的调控细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子 RNA，统称为非 mRNA 小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRN
10、Asz 核内小 RNAz 核仁小 RNAz 胞质小 RNAz 催化性小 RNAz 小片段干涉 RNA 参与 hnRNA的加工剪接 snmRNAs的种类 snmRNAs的功能 核酶某些小 RNA分子具有催化特定 RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为 核酶 (ribozyme)或催化性 RNA(catalytic RNA)。 siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链 RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段 RNA。siRNA可以与外源基因表达的 mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解 。 基于此机理， 人们发明了 RNA干扰 (RNA interference
11、，RNAi)技术。 小片段干扰 RNA核酸的理化性质与分离纯化第五节 原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性一、 核酸的分子大小采用电子显微镜照相及放射自显影等技术，已能测定许多完整DNA的分子量。噬菌体T2DNA的电镜像显示整个分子是一条连续的细线，直径为2nm，长度为(494)m。由此计算其分子量约为1108。大肠杆菌染色体DNA的放射自显影像为一环状结构，其分子量约2109。真核细胞染色体中的DNA分子量更大。果蝇巨染色体只有一条线形DNA，长达4.0cm，分子量约为81010，为大肠杆菌DNA的40倍。RNA分子比DNA短得多，其分子量只达(2.31
12、10)104。二 、 核酸的溶解度与粘度RNA和DNA都是极性化合物，都微溶于水 ，而不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂 。它们的钠盐比自由酸易溶于水，RNA钠盐在水中溶解度可达4%。高分子溶液比普通溶液粘度要大得多 ，不规则线团分子比球形分子的粘度大，而线性分子的粘度更大 。粘度： DNARNA dsDNA ssDNA沉降行为 :不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异 ，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础 。三 、 核酸的酸碱及溶解度性质z 核酸为多元酸，具有较强的酸性 。核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收 ，是由 碱基的共轭双键 所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析 。四、
13、核酸的紫外吸收 碱基的紫外吸收光谱DNA或 RNA的定量A260 = 1.0 相当于 50 g/ml 双链 DNA(dsDNA)40 g/ml 单链 DNA (ssDNA or RNA)20 g/ml 寡核苷酸确定样品中核酸的纯度 纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯 RNA: A260/A280 = 2.0 紫外吸收的应用五、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下 ， DNA双链解开成两条单链 的过程 。 定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂 。协同性的 DNA解链高温或极端的 pH DNA的变性 部分变性 DNA的电镜图像增色效应 (hyperchromic ef
14、fect)： DNA变性时其溶液 OD260增高 的现象。 DNA解链时的紫外吸收变化 DNA的解链曲线连续加热 DNA的过程中以温度相对于A260值作图， 所得的曲线称为 解链曲线 。 解链过程中 ，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度 。解链温度 (melting temperature， Tm) G+C 含量越高，解链温度就越高。 解链曲线的变化六、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后 ，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构 ，这一现象称为 DNA复性 (renaturation) 。减色效应： DNA复性时，其溶液 OD260降低。热变性的 DNA经缓慢冷却后即可复性 ，这一过程称为 退火 (annealing) 。不同种类的 DNA单链分子或 RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成 杂化双链 (heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的 DNA与 DNA之间形成，也可以在 DNA和 RNA分子间或者 RNA与RNA分子间形成。这种现象称为 核酸分子杂交 。 核酸分子杂交 (hybridization) 核酸分子杂交研究 DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样
