04第三章多聚核苷酸与核酸

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1、目目 录录第第 三三 章章多聚核苷酸与核酸多聚核苷酸与核酸Polynucleotides AND Nucleic Acids目目 录录多聚核苷酸多聚核苷酸(Polynucleotides) 多多聚聚核核苷苷酸酸是是核核苷苷酸酸通通过过3 ，5 -磷磷酸酸二二酯酯键键连连接接的的聚聚合合物物，是是核核酸酸(nucleic acid)分子中的基本形式。分子中的基本形式。目目 录录n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid,

2、 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，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信息转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒的复制与表达。某些病毒RNARNA也可也可作为遗传信息的载体作为遗传信息的载体目目 录录第一节第一节多聚核苷酸多聚核苷酸Polynucleotides目目 录录一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物多多个个核核苷苷酸酸（nucleitide）通通过过3 ，5 -磷磷酸酸二二酯酯键键（phosphodiester bond）连连接接、形形 成成 的的 链链 状

3、状 聚聚 合合 物物 ， 即即 多多 聚聚 核核 苷苷 酸酸（polynucleotides）。）。 目目 录录 3 , 5 -磷酸二酯磷酸二酯键键（一）（一）3 , 5 -磷酸二酯键是核酸的基本结磷酸二酯键是核酸的基本结构键构键目目 录录5 端端3 端端CGA（二）多聚核苷酸（二）多聚核苷酸链有方向性链有方向性 目目 录录A G P5 P T PG PC PT P OH 3 （三）书写方法（三）书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录目目 录录（四）核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类（四）核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类nRNA是单链多聚核

4、糖核苷酸是单链多聚核糖核苷酸 nDNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸是单链或双链多聚脱氧核糖核酸目目 录录二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和转录而合成转录而合成生生物物体体内内的的DNA链链或或RNA链链的的合合成成是是在在包包括括DNA聚聚合合酶酶或或RNA聚聚合合酶酶在在内内的的一一组组酶酶共共同同参参与与下下完完成成的的。这这个个合合成成过过程程以以dNTP或或NTP为为原原料料，以以单单链链DNA链链为为模板，逐步地完成从模板，逐步地完成从5 -末端到末端到3 -末端的合成。末端的合成。以以DNA为为模模板板合合成成DNA链链和和RNA链链的的过过程程分

5、分别别称称为为复制复制（第十六章）和（第十六章）和转录转录（第十七章）。（第十七章）。 目目 录录三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成 （一）（一）DNA聚合酶链反应是当前获得聚合酶链反应是当前获得DNA片段最片段最常用技术常用技术（二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺（二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺三酯方法合成三酯方法合成 （三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成（三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成 目目 录录（一）（一）DNA聚合酶链反应是当前获得聚合酶链反应是当前获得DNA片片段最常用技术段最常用技术DNA聚聚合合酶酶链链反反应应

6、（DNA polymerase chain reaction，PCR）是是在在体体外外条条件件下下复复制制DNA片片段段的的方方法法。将将专专用用的的DNA聚聚 合合 酶酶 （ DNA polymerase） 、 dNTP、 一一 对对 引引 物物（primer）及及模模板板DNA混混合合在在一一起起，经经过过多多个个升升温温解解链链-降降温温退退火火-恒恒温温延延伸伸的的循循环环过过程程，DNA聚聚合合酶酶将将合合成成出出与与模模板板完全相同的双链完全相同的双链DNA片段。片段。每每一一个个循循环环过过程程都都将将被被复复制制的的DNA片片段段数数目目按按指指数数增增长长，因因此此采采用用P

7、CR技技术术获获得得DNA的的过过程程，又又称称为为体体外外扩扩增增（in vitro amplification）技术，应用极广（第二十三章）。）技术，应用极广（第二十三章）。目目 录录（二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷（二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺三酯方法合成酰胺三酯方法合成该该合合成成通通常常是是在在DNA自自动动合合成成仪仪的的固固相相载载体体上上完完成成的的，连连接接一一个个核核苷苷酸酸需需要要4个个步步骤骤。然然后后，通通过过氨氨水水高高温温处处理理将将核苷酸链从固相载体上分离下来。核苷酸链从固相载体上分离下来。利利用用DNA自自动动合合成成仪仪合合成成的的寡寡核核

8、苷苷酸酸DNA单单链链一一般般为为几十个核苷酸。几十个核苷酸。值值得得注注意意的的是是，该该方方法法中中的的合合成成方方向向是是从从3 -末末端端向向5 -末末端端合合成成。用用于于基基因因检检测测的的寡寡核核苷苷酸酸探探针针（probe）以以及用于及用于PCR反应的反应的引物引物都是利用该方法得到的。都是利用该方法得到的。 目目 录录（三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成（三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成利利用用体体外外转转录录体体系系（in vitro transcription system）合合成成RNA（链链）是是分分子子生生物物学学常常用用技技术术。这这种种体体外外转转录录

9、体体系系是是现现代代发发展展起起来来的的体体外外转转录录（in vitro transcription）技技术术在在含含有有RNA聚聚合合酶酶（转转录录酶酶）、必必要要的的蛋蛋白白质质因因子子、核核苷苷三三磷磷酸酸等等条条件件的的体体外外无无细细胞胞体体系系中中，加加入入DNA模模板板，模模仿仿体体内内转转录、生成录、生成RNA的过程（第二十四章）。的过程（第二十四章）。利利用用真真核核细细胞胞核核抽抽提提物物（nuclear extract）建建立立再再造造体体系系是是当当前前生生物物技技术术商商家家提提供供体体外外转转录录商商品品试试剂剂盒盒（kit）的的主主要来源。要来源。目目 录录四、

10、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷酸四、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷酸链的一级结构链的一级结构 n定义定义多多聚聚核核苷苷酸酸链链的的核核苷苷酸酸从从5 -末末端端到到3 -末末端的排列顺序。端的排列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。5 5 端端3 端端CGA目目 录录第二节第二节DNA的结构和功能的结构和功能 Structure and Function of DNA 目目 录录一、一、 DNA的二级结构是右手双螺旋的二级结构是右手双螺旋目目 录录（一）（一）DNA的碱基组成遵循的碱基组成遵循Chargaff法则法则 Ch

11、argaff 规则规则不同种属生物的不同种属生物的DNA碱基组成不同；碱基组成不同；同一个体不同器官、不同组织的同一个体不同器官、不同组织的DNA具具有相同的碱基组成；有相同的碱基组成；对于一个特定的组织的对于一个特定的组织的DNA，其碱基组，其碱基组份不随其年龄、营养状态和环境而变化；份不随其年龄、营养状态和环境而变化；腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等。与胞嘧啶的摩尔数相等。A = TG C 目目 录录不同生物来源的不同生物来源的DNA碱基组分的相对比例碱基组分的相对比例来源来源AGCTA/TG/CG+C嘌嘌呤呤/嘧啶大大肠杆菌杆菌

12、26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00猪猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01牛胸腺牛胸腺28.221.522.527.81.010.9644.00.99牛脾牛脾27.922.722.127.31.011.0144.71.04牛精子牛精子28.722.222.027.21.061.0144.21.04人人30.419.919.930.11.011.039.81.01 包括包括5-甲基胞甲基胞嘧

13、啶 比比值偏离偏离1 ：1是是实验误差所致差所致目目 录录uDNA是是反反向向平平行行、右右手手螺螺旋旋的的双链结构双链结构p两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链相相互互平平行行但但走走向向相相反反，围围绕绕着着同同一一个个螺螺旋旋轴轴形形成成右右手手双双螺旋结构螺旋结构p由由脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸基基团团构构成成的的亲亲水水性性骨骨架架（backbone）位位于于双双螺螺旋旋结结构构的的外外侧侧，而而疏疏水水的的碱碱基基位位于于内内侧侧。 直直径径为为2 nm，螺距为，螺距为3.4 nmp从从外外观观上上看看，DNA双双螺螺旋旋结结构构的的表表面面存存在在一一个个大大沟沟（major gr

14、oove）和和一一个个小沟小沟（minor groove）（二）（二） DNA二级结构是右手双螺旋二级结构是右手双螺旋（Watson, Crick, 1953）目目 录录uDNA双双链链之之间间具具有有碱碱基基互互补关系补关系p碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配对形式：配对形式：A=T; G C）p相相邻邻碱碱基基平平面面距距离离0.34nm，螺螺旋旋一一圈圈螺螺距距3.4nm，一一圈圈10对对碱碱基基目目 录录 DNA双链模型双链模型 目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 TAGC目目 录录u疏疏水水作作用用力力和和氢

15、氢键键维维系系DNA双螺旋结构的稳定双螺旋结构的稳定p相相邻邻的的两两个个碱碱基基对对平平面面在在旋旋进进过过程程 中中 发发 生生 相相 互互 重重 叠叠（overlapping），由由此此产产生生了了疏疏水水性性的的碱碱基基堆堆积积力力（base stacking interaction）。）。p这这种种碱碱基基堆堆积积力力和和互互补补碱碱基基对对的的氢氢键键共共同同维维系系着着DNA双双螺螺旋旋结结构构的的稳稳定定，并并且且碱碱基基堆堆积积力力在在双双螺螺旋旋结结构构的的稳稳定定中中起起着着更更为为重重要要的作用。的作用。目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构有多种类型双螺旋结构有多种类

16、型目目 录录 不同类型的不同类型的DNA双螺旋结构双螺旋结构 目目 录录A 型型-DNAB 型型-DNAZ 型型-DNA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55 nm2.37 nm1.84 nm每一螺旋的碱基每一螺旋的碱基对数目数目1110.512螺距螺距2.53 nm3.54 nm4.56 nm相邻碱基对之间的垂直距离相邻碱基对之间的垂直距离0.23 nm0.34 nm0.38 nm糖苷糖苷键构象构象反式反式反式反式嘧啶为反式反式,嘌嘌呤呤为顺式，式，反式和反式和顺式交替式交替 相相邻碱基碱基对之之间的的转角角33 34.2 每个二聚体每个二聚

17、体为-60 使构象稳定的相对环境湿度使构象稳定的相对环境湿度 75%92%碱基对平面法线与主轴的夹角碱基对平面法线与主轴的夹角19 1 9 大沟大沟窄深窄深宽深深相当平坦相当平坦小沟小沟宽浅浅窄深窄深窄深窄深不同构象不同构象DNA的结构参数的结构参数目目 录录（四）某些状态下（四）某些状态下DNA可形成多链结构可形成多链结构1. Hoogsteen碱基配对碱基配对 形成三股螺旋形成三股螺旋DNA H-DNA的结构的结构 目目 录录 Watson-Grick和和Hoogsteen DNA螺旋中碱基对间氢键的位置螺旋中碱基对间氢键的位置目目 录录2 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋条多聚鸟嘌呤核苷

18、酸链形成四螺旋DNA目目 录录二、二、DNA在二级结构基础上形成超螺旋结构在二级结构基础上形成超螺旋结构（一）超螺旋结构具有不同的拓扑异构体（一）超螺旋结构具有不同的拓扑异构体 DNA在双螺旋结构基础上通过在双螺旋结构基础上通过盘绕和折盘绕和折叠所形成的空间构象称为叠所形成的空间构象称为三级结构三级结构。目目 录录超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)将将DNA的的两两端端固固定定，使使之之旋旋进进过过分分或或旋旋进进不不足足，DNA双双链链上上就就会会产产生生额额外外的的张张力力而而发发生生扭扭曲曲，以以抵抵消张力。这种扭曲称为消张力。这种扭曲称为DNA双链的超

19、螺旋结构。双链的超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)旋进过分的方向与旋进过分的方向与DNA双链的螺旋方向相同双链的螺旋方向相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)旋进过分的方向与旋进过分的方向与DNA双链的螺旋方向相反双链的螺旋方向相反 松弛态松弛态DNA（relaxed DNA）在溶液中是以能量最低的状态存在的线性在溶液中是以能量最低的状态存在的线性DNA 。 目目 录录目目 录录自自然然条条件件下下的的DNA都都是是以以负负超超螺螺旋旋的的构构象象存存在在的的，也也就就是是说说，DNA的的实实际际螺螺旋旋数数要要少少于于它它含含有有的的

20、碱碱基对数目应该对应的螺旋数。基对数目应该对应的螺旋数。负超螺旋状态有利于解开负超螺旋状态有利于解开DNA双链。双链。DNA的的复复制制、转转录录、组组装装等等许许多多过过程程都都需需要要解解开双链才能进行。开双链才能进行。生生物物体体可可以以通通过过DNA的的不不同同超超螺螺旋旋结结构构来来控控制制其功能状态。其功能状态。 目目 录录（二）原核生物（二）原核生物DNA和线粒体和线粒体DNA是环状是环状DNA的结构的结构原原核核生生物物的的DNADNA都都是是闭闭合合环环状状的的双双螺螺旋旋结结构构。它它在在细细胞胞内内紧紧密密缠缠绕绕形形成成了了致致密密的的小小体体，称称为为类类核核（nuc

21、leoidnucleoid）。）。 目目 录录线线粒粒体体和和叶叶绿绿体体是是真真核核细细胞胞中中含含有有核核外外遗遗传传物物质质的的细细胞胞器器。线线粒粒体体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)是是一一个个封封闭闭的的双双链链环环状状分分子子。人人mtDNA全全长长16,569个个碱碱基基对对，共共计计37个个基基因因, 分分别别编编码码13个个蛋蛋白白质质、2个个rRNA、22个个tRNA。目目 录录核核小小体体(nucleosome)是是染染色色质质的的基基本本组组成成单单位，由位，由DNA和蛋白质构成和蛋白质构成 。1双链双链DNA缠绕在组蛋白核心上构成核小体缠绕

22、在组蛋白核心上构成核小体DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4（三）真核生物（三）真核生物DNA与组蛋白组成高度有序与组蛋白组成高度有序的染色质的染色质目目 录录 核小体的结构示意图核小体的结构示意图a. 组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心 b. 核小体核小体 c. 直径直径30nm纤维的剖面图显示纤维的剖面图显示H1的位置的位置 d. 核小体组成串珠样的染色质核小体组成串珠样的染色质acbd目目 录录目目 录录2组蛋白是小分子量的碱性蛋白质组蛋白是小分子量的碱性蛋白质 组组蛋蛋白白分分子子质质量量在在11kD到到21kD之之间间，组组蛋蛋白白中中富富含含精精氨

23、氨酸酸和和赖赖氨氨酸酸。各各种种真真核核细细胞胞都都有有5种种组组蛋蛋白白，但但分分子子质质量量和和氨氨基基酸酸的的顺顺序序有有些些差差异异。在在所所有有真真核核生生物物中中H3，H4组组蛋蛋白白氨氨基基酸酸序序列列高高度度保保守守，提提示示功功能能是是相相同同的的。但但是是各各种种生生物物的的H1、H2A、H2B的的相相似似性很少。性很少。 目目 录录核小体核小体进一步组装成染色质进一步组装成染色质/染色体染色体1核小体组成核小体组成30nm纤维纤维 2螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体 目目 录录目目 录录三、三、DNA是生物遗传信息的载体是生物遗

24、传信息的载体早早在在20世世纪纪30年年代代，人人们们就就已已经经知知道道了了染染色色体体是是遗遗传物质，也知道了传物质，也知道了DNA是染色体的组成部分。是染色体的组成部分。直直到到Avery等等人人采采用用细细菌菌转转化化实实验验（1944年年），后后经经Hershey和和Chase通通过过同同位位素素标标记记噬噬菌菌体体DNA感感染染细细菌实验菌实验（1952年）才直接证明了年）才直接证明了DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础。 （一）（一）DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础 目目 录录DNA的遗传信息是以的遗传信息是以基因基因的形式存在的。的形式存在的。基基因因（gene）是是编

25、编码码RNA或或多多肽肽的的DNA片片段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA利利用用四四种种碱碱基基的的不不同同排排列列对对生生物物体体的的所所有有遗遗传传信信息息进进行行编编码码，经经过过复复制制遗遗传传给给子子代代，并并通通过过转转录录和和翻翻译译确确保保生生命命活活动动中中所所需需的的各各种种RNA和蛋白质在细胞内有序合成。和蛋白质在细胞内有序合成。 目目 录录（二）（二）DNA全部核苷酸序列组成基因组全部核苷酸序列组成基因组 基基因因组组（genome）就就是是一一个个生生物物体体的的全全部部遗遗传传信信息息，即即DNA的的全全部部核

26、核苷苷酸酸序序列列。绝绝大大多多数数生生物物个个体体的的基基因组是因组是DNA，但有些病毒的基因组是，但有些病毒的基因组是RNA。 目目 录录不同生物体的基因组不同生物体的基因组物种物种总DNA（kbp）染色体数染色体数基因数基因数大大肠杆菌杆菌4 63914 405酵母酵母12 068166 200线虫虫97 00012/1119 000拟南芥南芥125 0001025 500果果蝇180 0001813 600水稻水稻480 0002457 000小鼠小鼠2 500 0004030 00035 000人人3 200 0004630 00035 000玉米玉米3 000 00020鸡2 10

27、0 00078注：注：1. 酵母染色体数是酵母染色体数是单倍体数，野生酵母株通常含倍体数，野生酵母株通常含8倍体或更多倍体或更多 2. 除酵母外的真核生物的染色体数均除酵母外的真核生物的染色体数均为双倍体数双倍体数 3. 雌性雌性线虫染色体是虫染色体是12条，雄性条，雄性11条条目目 录录nDNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。个体生命活动的信息基础。nDNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对

28、稳定性。同时，遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。环境的变迁，为自然选择提供机会。 目目 录录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能 Structure and Function of RNA目目 录录RNA是是DNA的转录产物。的转录产物。 RNA通通常常以以单单链链线线性性形形式式存存在在，但但是是可可以以通通过过链链内内的的碱碱基基互互补补配配对对形形成成局局部部的的双双螺螺旋旋结结构，进而形成三级结构。构，进而形成三级结构。与与DNA相相比比，

29、RNA的的种种类类、大大小小、结结构构以以及及稳稳定定性性表表现现出出了了多多样样化化，这这与与它它们们的的功功能能多多样化密切相关。样化密切相关。目目 录录真核细胞内主要真核细胞内主要RNA的种类和功能的种类和功能种种类细胞定位胞定位功能功能信使信使RNAmessenger RNA (mRNA)细胞核、胞核、细胞胞质、线粒体粒体蛋白蛋白质的合成模板的合成模板非均一核非均一核RNAheterogeneous nuclear RNA (hnRNA)细胞核胞核 成熟成熟mRNA的前体的前体转运运RNA transfer RNA (tRNA)细胞核、胞核、细胞胞质、线粒体粒体转运氨基酸运氨基酸核糖体

30、核糖体RNA ribosomal RNA (rRNA)细胞核、胞核、细胞胞质、线粒体粒体构成核糖体构成核糖体非非编码小小RNAsmall non-coding RNA (sncRNA)细胞核、胞核、细胞胞质参与参与hnRNA的剪接和的剪接和转运、运、rRNA加工、加工、基因表达基因表达调控等控等目目 录录一、信使一、信使RNA结构含有氨基酸编码序列结构含有氨基酸编码序列hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子( (exon) )目目 录录（一）（一）mRNA 5 -末端具有帽结构末端具有帽结构大大多多数数真真核核mRNA的的5 末末端

31、端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C-2 也也会会被甲基化，形成帽子结构：被甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。mRNA的的帽帽结结构构可可以以与与一一类类称称为为帽帽结结合合蛋蛋白白（cap binding proteins, CBP）的的分分子子结结合合。这这种种结结合合对对维维持持mRNA的的稳稳定定性性、将将mRNA从从细细胞胞核核转转运运到到细细胞胞质质中中、以以及及与与核核糖糖体体以以及及翻翻译译起起始始因因子的结合等密切相关。子的结合等密切相关。目目 录录 真核真核mRNA的的5 -末端末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状

32、结构及核糖甲基化甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化 目目 录录（二）（二）mRNA 3 -末端具有多聚末端具有多聚A的尾结构的尾结构 大大多多数数真真核核mRNA的的3 末末端端是是一一段段有有80250个个腺腺苷苷酸酸的的多多聚聚腺腺苷苷酸酸结结构构，称称为为多多聚聚A尾尾(poly(A)-tail) 。多多 聚聚 A尾尾 在在 细细 胞胞 内内 与与 poly(A)结结 合合 蛋蛋 白白poly(A)-binding protein, PABP相相结结合合而而存存在在，每每1020个个腺腺苷苷酸酸结结合合一一个个PABP单单体体。所所以以，真真核核细细胞胞的的mRNA的的3 -端端实实际际

33、上上是是一一个个poly(A)和和蛋白质多聚体形成的复合物。蛋白质多聚体形成的复合物。 目目 录录mRNA核内向胞质的转移核内向胞质的转移mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能尾的功能目目 录录（三）（三）mRNA含有氨基酸密码子含有氨基酸密码子mRNA的的功功能能是是转转录录核核内内编编码码蛋蛋白白质质信信息息的的DNA碱碱基基排排列列顺顺序序，并并携携带带至至细细胞胞质质，指指导导蛋白质合成。蛋白质合成。 mRNA分分子子从从5 -末末端端的的第第一一个个AUG(起起始始密密码码子子)开开始始，每每3个个核核苷苷酸酸为为一一组组

34、，决决定定肽肽链链上上一一个个氨氨基基酸酸，称称为为三三联联体体密密码码(triplet code)或或密密码码子子(codon)。位位于于起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列称称为为开开放放阅阅读读框框(open reading frame，ORF)，可可读读框框内内的的核核苷苷酸酸序序列列决决定定了了多肽链的氨基酸序列。多肽链的氨基酸序列。目目 录录一一条条完完整整的的mRNA包包括括5 -非非编编码码区区、编编码码区区和和3 -非编码区。非编码区。编编码码区区包包括括起起始始密密码码子子、编编码码氨氨基基酸酸的的序序列列和和终终止止密密码子。码子。

35、 目目 录录DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 目目 录录（一）（一） tRNA分子含有稀有碱基分子含有稀有碱基 含含 10 % 20% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 二、转运二、转运RNA含有接纳氨基酸和含有接纳氨基酸和mRNA识别序列识别序列目目 录录N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿

36、嘧啶 稀有碱基稀有碱基 目目 录录tRNA中常见的稀有碱基中常见的稀有碱基 目目 录录氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环（二二）tRNA有有“三三叶叶草草”样样二二级级结结构构和和倒倒“L”形形三三级级结构结构环环氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环目目 录录 环环氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环反密码子反密码子tRNA三级结构及氢键的位置三级结构及氢键的位置目目 录录氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环有有些些氨氨基基酸酸只只有有一一种种tRNA作作为为载载体体，而而另另外外的的一一些些氨氨基基酸酸则则需需要要几几种种tRNA作为载体。作为载体。 目目 录录（三）（三）tRNA有识别有识别

37、mRNA密码的反密码子密码的反密码子* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。目目 录录* rRNA的结构的结构三、核糖体三、核糖体RNA与核糖体蛋白组成核糖体与核糖体蛋白组成核糖体目目 录录* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数） 真核生物真核生物 5S rRNA 28S rRNA5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物原核生物 5S rRNA23S rRNA16S rRNA（一）原核、真核（一）原核、真核rRNA分子质量不同分子质量不同目目 录录核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核

38、生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S 5.85S 5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%目目 录录rRNA与与核核糖糖体体蛋蛋白白质质共共同同构构成成核核糖糖体体，是是蛋蛋白白质质生生物

39、物合合成成的的场场所所：为为肽肽链链合合成成所所需需要要的的mRNA、tRNA、多多种种蛋蛋白白因因子子提提供供了了相相互互结结合的位点和相互作用的空间环境。合的位点和相互作用的空间环境。（三）（三）rRNA参与组成的核糖体是蛋白质参与组成的核糖体是蛋白质翻译的场所翻译的场所目目 录录四、非信使小四、非信使小RNA具有多样性具有多样性除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞内内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，统统称称为为非非信信使使小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs非非编编码码RNA(non-cod

40、ing RNA)专专指指那那些些具具有调节作用的小有调节作用的小RNA，如，如siRNA、miRNA等。等。 目目 录录snmRNAs的的种类种类核内小核内小RNA（small nuclear RNA，snRNA）核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA）催化性小催化性小RNA（small catalytic RNA）小干扰小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）微微RNA（microRNA，miRNA）等）等在在hnRNA和和rRNA的的转转录录后后加加

41、工工、转转运运中中发发挥挥作作用用，有的参与基因表达调控等；是现代生物学研究的新领域。有的参与基因表达调控等；是现代生物学研究的新领域。目目 录录真核细胞内重要的真核细胞内重要的snmRNAs种类英文名称生物学功能核内小RNAsmall nuclear RNA (snRNA)参与hnRNA剪接，包括U1、U2、U4、U5、U6核仁小RNAsmall nucleolar RNA (snoRNA) 参与rRNA核糖C-2的甲基化 胞质小RNAsmall cytoplamsic RNA (scRNA) 催化小RNAsmall catalytic RNA RNA剪接，包括核酶等小干扰RNAsmall

42、interference RNA(siRNA) 参与转录后调节；对外源入侵RNA基因的切割目目 录录（一）核内小（一）核内小RNA与核糖核蛋白结合共同参与与核糖核蛋白结合共同参与mRNA前体加工前体加工snRNA长度（nt）剪接hnRNA的靶位点U1U2U4U5 U6U7165189145115106635-端 内含子腺苷酸分支点 5端，补充分支点转酯化反应，3剪接点，使外显子连接转酯化反应组蛋白H3前体的mRNA3末端裂解高等真核细胞高等真核细胞snRNA的特征的特征 目目 录录（二）催化性小（二）催化性小RNA参与参与RNA剪接加工剪接加工 一一些些小小RNA分分子子具具有有催催化化特特定

43、定RNA降降解解的的活活性性，在在RNA合合成成后后的的剪剪接接中中具具有有重重要要作作用用。这这种种具具有有催催化化作作用用的的小小RNA亦亦被被称称为为核核酶酶(ribozyme)或或催催化化性性RNA (catalytic RNA) 。（三）核仁小（三）核仁小RNA参与参与rRNA甲基化修饰甲基化修饰（四）小干扰（四）小干扰RNA特异阻断体内同源基因的表达特异阻断体内同源基因的表达目目 录录第第 四四 节节核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质Chemical and Physical Properties of Nucleic Acids目目 录录n核酸的核酸的酸碱及溶解度性质酸碱及

44、溶解度性质q核酸为多元酸，具有较强的酸性核酸为多元酸，具有较强的酸性。q可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇一、核酸具备多种基本物理化学性质一、核酸具备多种基本物理化学性质核酸中的核酸中的糖苷键糖苷键和和磷酸酯磷酸酯键都能被酸、键都能被酸、碱和酶水解。碱和酶水解。 （一）核酸可被酸、碱水解（一）核酸可被酸、碱水解目目 录录（二）核酸是两性分子（二）核酸是两性分子n碱基可发生互变异构碱基可发生互变异构n碱基在体液环境中以碱性解离为主碱基在体液环境中以碱性解离为主n核酸分子是酸性化合物核酸分子是酸性化合物目目 录录（三）核酸溶液具有高分子性质（三）核酸溶液具有高

45、分子性质n黏滞度黏滞度 ：DNA RNAdsDNA ssDNAn沉降系数沉降系数：溶液中的核酸在离心力场中可下沉。溶液中的核酸在离心力场中可下沉。DNA分子分子经反复盘曲形成超螺旋后，其沉降系数增加，超螺经反复盘曲形成超螺旋后，其沉降系数增加，超螺旋松解后其沉降系数减小。旋松解后其沉降系数减小。目目 录录（四）核酸具有紫外线吸收特性（四）核酸具有紫外线吸收特性n核酸的紫外吸收（核酸的紫外吸收（OD260） 单核苷酸单核苷酸 ssDNA（或（或RNA） dsDNA 目目 录录目目 录录1. DNA或或RNA的定量的定量A260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DN

46、A（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2. 判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: A260/A280 = 1.8RNA纯品纯品: A260/A280 = 2.0A260的应用的应用目目 录录二、核酸二、核酸变性、复性是很多分子生物学变性、复性是很多分子生物学技术操作的基础技术操作的基础定义定义：核酸的变性（核酸的变性（denaturation）指）指DNA双螺旋之间双螺旋之间的氢键断裂变成单链、或的氢键断裂变成单链、或RNA局部氢键断裂变成局部氢键断裂变成线性单链结构的过程线性单链结构的过程 方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素以及某些有过量酸，碱，加热，变性试

47、剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等机溶剂如乙醇、丙酮等变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：A260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失（一）核酸变性是双链解离为单链的过程（一）核酸变性是双链解离为单链的过程目目 录录DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂目目 录录（二）核酸变性时伴有增色效应（二）核酸变性时伴有增色效应DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液A260增高的现象。增高的现象。目目 录录热变性热变性解解链链曲曲线

48、线：如如果果在在连连续续加加热热DNA的的过过程程中中以以温温度度对对A260值值作图，所得的曲线称为解链曲线作图，所得的曲线称为解链曲线。目目 录录 Tm：变变性性是是在在一一个个相相当当窄窄的的温温度度范范围围内内完完成成，在在这这一一范范围围内内，紫紫外外光光吸吸收收值值达达到到最最大大值值的的50%时时的的温温度度称称为为 DNA的的 解解 链链 温温 度度 ， 又又 称称 熔熔 解解 温温 度度 (melting temperature, Tm)。影响因素影响因素：1DNA均一性决定熔解温度范围大小；均一性决定熔解温度范围大小；2G-C碱基对含量决定熔解温度高低；碱基对含量决定熔解温

49、度高低；3介质中的离子强度影响变性。介质中的离子强度影响变性。Tm值是值是DNA变性的重要参数变性的重要参数Tm值的经验公式是：值的经验公式是：Tm = 69.3+0.41（%G+C） 目目 录录（三）变性的（三）变性的DNA可以复性可以复性 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补单链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补单链可重新配对结合成为双螺旋结构，或恢复局部双螺旋可重新配对结合成为双螺旋结构，或恢复局部双螺旋结构。这一现象称为结构。这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液A260降低。降低。热变性的热

50、变性的DNA经缓慢冷却后才可复性，这一过经缓慢冷却后才可复性，这一过程称为程称为退火退火(annealing) 。目目 录录（四）利用变性、复性可进行分子杂交（四）利用变性、复性可进行分子杂交将将不不同同来来源源的的DNA混混合合在在一一起起，经经热热变变性性后后，让让其其慢慢慢慢冷冷却却复复性性。若若这这些些异异源源DNA之之间间在在某某些些区区域域具具有有互互补补的的序序列，复性时就会形成列，复性时就会形成杂化双链（杂化双链（heteroduplex）。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA单单链链之之间间形形成成，也也可可在在RNA单单链链之之间间形形成成，甚甚至至还还可

51、可以以在在DNA单单链链和和RNA单单链链之之间间形形成成，其其前前提提条条件件是是两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的 碱碱 基基 配配 对对 关关 系系 。 这这 种种 现现 象象 称称 为为 核核 酸酸 分分 子子 杂杂 交交（hybridization）。目目 录录目目 录录DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子目目 录录目目 录录核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用 （1）Southern印迹印迹可检测可检测DNA （2）Northern印迹印迹用于检测用于检测RNA此外，此外，斑点印迹杂交斑点印迹杂交

52、(Dot blot)和和DNA芯片芯片(DNA micray)技术也是技术也是利用核酸杂交原理设计的。利用核酸杂交原理设计的。目目 录录三、核酸与其他分子的相互作用三、核酸与其他分子的相互作用从从开开始始合合成成到到完完全全降降解解，核核酸酸无无时时无无刻刻地地与与其其周周围围环环境境中中的的分分子子发发生生各各种种各各样样的的相相互互作作用用（interaction）。这这些些分分子子可可以以是是有有机机小小分分子子，也也可可以以是是生生物物大大分分子子。这这些些相相互互作作用用可可以以是是特特异异性性的的，也也可可以以是是非非特特异异性性的的。作作用用方方式式可可以以是是共共价价的的，也也

53、可可以以是是非非共共价价的的。作作用用部部位位可可以是核酸的碱基，也可以是磷酸骨架或戊糖。以是核酸的碱基，也可以是磷酸骨架或戊糖。核酸与蛋白质的相互作用最为常见。核酸与蛋白质的相互作用最为常见。 目目 录录四、核酸的化学修饰四、核酸的化学修饰核核酸酸化化学学修修饰饰（chemical modification）可可发发生生在在碱碱基基、戊戊糖糖，甚甚至至磷磷酸酸基基。构构成成tRNA的的稀稀有有碱碱基基就就是是化化学学修修饰饰的的结结果果。最最常常见见的的碱碱基基化化学学修修饰是饰是甲基化甲基化（methylation）。）。DNA的磷酸骨架中还能够发生的磷酸骨架中还能够发生磷硫酰化修饰磷硫酰

54、化修饰，从而，从而解释了为什么硫元素结合到解释了为什么硫元素结合到DNA骨架上会使之降解的奥骨架上会使之降解的奥秘。秘。 目目 录录第第 五五 节节核酸（水解）酶核酸（水解）酶 Nucleases目目 录录n核酸酶核酸酶(nuclease)是所有水解核酸的酶的统称。是所有水解核酸的酶的统称。n核酸酶种类多，功能多样。核酸酶种类多，功能多样。n在在细细胞胞内内，核核酸酸酶酶的的主主要要生生理理功功能能是是参参与与DNA的的损损伤伤修修复复、转转录录后后加加工工、核核酸酸降降解解等等核核酸酸代代谢谢过过程，也是相关的分子生物学操作中常用工具酶。程，也是相关的分子生物学操作中常用工具酶。 目目 录录

55、（一）按底物专一性分类（一）按底物专一性分类nDNA酶酶 (deoxyribonuclease, DNase)：专一降解专一降解DNAnRNA酶酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解专一降解RNA一、核酸酶有多种一、核酸酶有多种目目 录录 （二）按对底物作用方式不同分类（二）按对底物作用方式不同分类核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶核酸外切酶（三）按对底物二级结构的专一性分类（三）按对底物二级结构的专一性分类双链酶：双链酶：作用于双链核酸作用

56、于双链核酸单链酶：单链酶：作用于单链核酸作用于单链核酸目目 录录二、核糖核酸酶是一类二、核糖核酸酶是一类RNA内切酶内切酶（一）胰核糖核酸酶识别嘧啶核苷酸（一）胰核糖核酸酶识别嘧啶核苷酸（二）核糖核酸酶（二）核糖核酸酶T1识别鸟嘌呤核苷酸识别鸟嘌呤核苷酸（三）核糖核酸酶（三）核糖核酸酶T2识别腺嘌呤核苷酸识别腺嘌呤核苷酸目目 录录 3种核酸酶作用位点种核酸酶作用位点目目 录录三、不同脱氧核糖核酸酶有不同的作用三、不同脱氧核糖核酸酶有不同的作用方式和产物方式和产物（一）胰脱氧核糖核酸酶（一）胰脱氧核糖核酸酶可切割单链可切割单链/双链双链DNA（二）脾脱氧核糖核酸酶（二）脾脱氧核糖核酸酶产物是产物是3 -磷酸末端的寡磷酸末端的寡聚核苷酸聚核苷酸（三）（三）3 外切酶活性是外切酶活性是BAL 31核酸酶的主要功能核酸酶的主要功能（四）限制性内切核酸酶具有位点特异性（四）限制性内切核酸酶具有位点特异性目目 录录四、四、N-糖苷酶可移去碱基糖苷酶可移去碱基N-糖糖苷苷酶酶（glycosidase）有有多多种种，各各种种非非特特异异或或碱碱基基特特异异的的糖糖苷苷酶酶可可以以水水解解核核苷苷酸酸的的N-糖糖苷苷键，去除核苷酸的碱基。键，去除核苷酸的碱基。