章核酸结构与功能

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1、MOLECULAR BIOLOGY 分子生物学分子生物学 达尔文在达尔文在物种起源物种起源一书中提出了物种进化的自然一书中提出了物种进化的自然选择学说，第一次指出了生物性状的可遗传性、在自然选选择学说，第一次指出了生物性状的可遗传性、在自然选择压力下的可变性以及不同物种之间的相关性。择压力下的可变性以及不同物种之间的相关性。 孟德尔认为生物体内有某种遗传颗粒或遗传单位，能够孟德尔认为生物体内有某种遗传颗粒或遗传单位，能够从亲代传递到子代，这种遗传单位控制着特定的生物性状。从亲代传递到子代，这种遗传单位控制着特定的生物性状。后来，这种控制遗传性状的遗传单位被命名为基因。后来，这种控制遗传性状的遗

2、传单位被命名为基因。 德国植物学家施莱登德国植物学家施莱登和动物学家施旺于和动物学家施旺于1839年提年提出了细胞学说。出了细胞学说。 Walter Sutton提出了染色体遗传学说，即细胞核内提出了染色体遗传学说，即细胞核内的染色体有两套，在减数分裂时，每个配子得到一套染的染色体有两套，在减数分裂时，每个配子得到一套染色体；该学说认为基因是染色体的一部分。色体；该学说认为基因是染色体的一部分。Thomas Hunt Morgan证明了基因的确存在于染色体上。证明了基因的确存在于染色体上。 Friedrich Miescher在研究细胞核内的化合在研究细胞核内的化合物时发现了物时发现了DNA。

3、 Oswald Avery 和他的同和他的同事们通过实验证实了事们通过实验证实了DNA是是携带遗传信息、构成染色体携带遗传信息、构成染色体的生物大分子。的生物大分子。Complex pathway DNA与蛋白质。与蛋白质。DNA是基因的载体，是生命的是基因的载体，是生命的 后台指挥者。后台指挥者。蛋白质相当于活跃于生命前台的演员，生命的一切性状通过蛋蛋白质相当于活跃于生命前台的演员，生命的一切性状通过蛋白质来表现。白质来表现。Milestones of modern biochem.One of the greatest projects of human being15 years, 6

4、countries, 25 research centers, and thousands of scientists Laid a basis for structural genomics, functional genomics and comparison genomicsProvided information about human evolution, medicine and diseases内内 容容核酸结构与功能核酸结构与功能核酸代谢核酸代谢DNA生物合成生物合成 复制复制RNA生物合成生物合成 转录转录 蛋白质生物合成蛋白质生物合成 翻译翻译表达与调控表达与调控基因工程基

5、因工程细胞信号转导细胞信号转导第二章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid核核 酸酸(nucleic acid) 生物信息大分子生物信息大分子 包括包括DNA 和和RNA 基本组成单位是核苷酸基本组成单位是核苷酸 携带和传递遗传信息携带和传递遗传信息核酸的分类及分布核酸的分类及分布 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

6、, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸储存和携带遗传信息，决定细储存和携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型胞和个体的基因型(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。核酸的发现和重要的相关研究核酸的发现和重要的相关研究1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞核中提取从脓细胞核中提取“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 Niren

7、berg破译了破译了遗传密码遗传密码1975年年 Temin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第一节第一节核酸核酸的化学组成及其一级结构的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure o

8、f Nucleic Acid核酸核酸在核酸酶的作用下水解成在核酸酶的作用下水解成核苷酸核苷酸核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷或核苷或脱脱氧氧核核苷苷核酸酶核酸酶水解水解核苷酶核苷酶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖碱基碱基戊糖戊糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）与蛋白质比较，其组成上有与蛋白质比较，其组成上有两个特点两个特点: 一般一般不不含元素硫含元素硫 (S) P元素的含量较多并且恒定元素的含量较多并且恒定 (约占约占9-10%)2. 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱，

9、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)核苷酸由碱基核苷酸由碱基(base)、戊糖、戊糖(pentose)和和磷酸磷酸3种成分以种成分以共价键共价键依次连接而成。依次连接而成。组成核酸的碱基有组成核酸的碱基有嘌呤碱嘌呤碱和和嘧啶碱嘧啶碱两类两类每种核酸的主要碱基都有每种核酸的主要碱基都有四种四种 嘌呤嘌呤 (purine) 腺嘌呤腺嘌呤 (adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤 (guanine, G)碱碱 基基嘧啶嘧啶 (pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymi

10、ne, T) 五种五种碱基的酮基或氨基，均位于杂环上氮原子的碱基的酮基或氨基，均位于杂环上氮原子的邻位。因此都能形成酮式烯醇式或氨基亚氨基的邻位。因此都能形成酮式烯醇式或氨基亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。的影响。核酸中存在稀有碱基核酸中存在稀有碱基 核核酸酸中中还还有有一一些些含含量量甚甚少少的的碱碱基基，称称为为稀稀有有碱碱基基(rare base)。稀稀有有碱碱基基种种类类很很多多，大大多多数数都都是是甲甲基基化化碱基碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达中含有较多的稀有碱基，可高达10%。 DNARNA嘌呤

11、嘌呤m7G 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 N6，N6-2 m6A N6，N6-二甲基腺嘌二甲基腺嘌呤呤N6-m6A N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤N6-m6A N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤m7G 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤嘧啶嘧啶m5 C 5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶DHU 二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶hm5 C 5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶T 胸腺嘧啶胸腺嘧啶核酸中部分稀有碱基核酸中部分稀有碱基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-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 稀有碱基稀有碱基 戊戊 糖糖12345（构成（构成RNA） -D-核糖核糖(ribose)（构成（构成D

12、NA） -D-2-脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)核苷核苷(ribonucleoside)： R + B 嘌嘌呤呤碱碱N-9或或嘧嘧啶啶碱碱N-1与与核核糖糖或或脱脱氧氧核核糖糖C-1 通通过过N- -糖糖苷苷键键相相连连形形成成核核苷苷或或脱脱氧氧核苷核苷。11核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷

13、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 含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 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，cGMPAMPAMPADPADPATPATPcAMPcAMPNADP+NAD+二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键连接形成的大分子键连接形成的大分子 一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 羟基羟基与另一个核苷酸与另一

14、个核苷酸5 -磷酸基团磷酸基团缩合形成缩合形成磷酸二酯键磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 许多脱氧核苷酸通过许多脱氧核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键构成了具有构成了具有方方向性向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸多聚脱氧核苷酸(polydeoxy-nucleotide)，即，即DNA。5端3端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三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的线磷酸二酯键的线性大分子性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过聚合反应形成也是多个核苷酸分

15、子通过聚合反应形成的线性大分子，并且具有方向性。的线性大分子，并且具有方向性。 RNA的嘧啶是胞嘧啶和的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶尿嘧啶 RNA的戊糖是的戊糖是核糖核糖DNA 与与RNA的区别的区别核酸核酸碱基碱基核糖核糖DNAA、G、C、T脱氧脱氧核糖核糖RNAA、G、C、U核糖核糖四、核酸的一级结构四、核酸的一级结构定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。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端端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

16、3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或kilobase，用于单链用于单链DNA和和RNA) 或碱基对或碱基对(base pair或或 kbp,用于双链用于双链DNA)来表示。来表示。 小的核酸片段小的核酸片段 (50bp) 常被称为常被称为寡核苷酸寡核苷酸(oligonucleotide)。 自然界中的自然界中的DNA和和RNA的长度可以高达几十的长度可以高达几十万个碱基。万个碱基。 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 DNADNA的空的空间结构构

17、(spatial structure) 构成构成DNA的所有原子在三的所有原子在三维空空间具有确具有确定的相定的相对位置关系。位置关系。 二二级结构构 (secondary structure) 高高级结构构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的功能的功能基本内容基本内容一、一

18、、 DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构（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：1. A=T，G=C；2.不同生物种属的不同生物种属的DNA碱基碱基 组成不同；组成不同；3.同一个体的不同器官或同一个体的不同器官或 组织的组织的DNA碱基组成相同。碱基组成相同。4.一种生物一种生物DNA碱基组成不随碱基组成不随 生物体的年龄、生物体的年龄、 营养状态或营养状态或 环境变化而改变。环境变化而改变。不同生物来源的不同生物来源的DNA碱基组成碱基组成(摩尔，摩尔，mole)与碱基比（与碱基比（mole比）比） 来

19、源来源AGCTA/TG/CG+C嘌呤嘌呤/嘧啶嘧啶人人30.419.919.930.11.011.039.81.01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猪猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01酵母酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00大肠杆菌大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌结核杆菌15.134.935.4

20、14.61.030.9970.31.00 包括包括5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 比值偏离比值偏离1 ：1是实验误差所致是实验误差所致 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 用来阐明用来阐明DNA结构结构的关键的的关键的X射线衍射照片。射线衍射照片。它证明了它证明了DNA是螺旋形是螺旋形结构。照片中心的十字结构。照片中心的十字形的形的X射线反射图形表明射线反射图形表明了螺旋的形式；位于顶了螺旋的形式；位于顶端和底部的很深的黑色端和底部的很深的黑色区域表明相距区域表明相距0.34nm的的嘌呤和嘧啶碱基是规

21、则嘌呤和嘧啶碱基是规则的相邻叠加的，并垂直的相邻叠加的，并垂直于螺旋轴。于螺旋轴。1953年年，Watson和和Crick提提出出了了B型型DNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。（二）（二）DNA双螺旋结构要点双螺旋结构要点:1. 反向平行、右手螺旋的双链结构反向平行、右手螺旋的双链结构 螺旋螺旋直径直径2nm，每圈螺旋含，每圈螺旋含10个碱基对个碱基对(bp) ，螺距为螺距为3.4nm。脱氧核糖基。脱氧核糖基-磷酸基骨架磷酸基骨架位于螺旋位于螺旋外侧外侧，碱基位于碱基位于内侧内侧，分子表面存在一，分子表面存在一个个大沟大沟(major groove)和一个和一个小沟小沟(minor groo

22、ve） DNA双链模型双链模型 2. DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对 两两条条链链通通过过碱碱基基间间的的氢氢键键相相连连，A对对T有有两两个个氢氢键键，C对对G有有三三个个氢氢键键，这这种种A-T、C-G配配对对的的规规律律，称称为为碱碱基基互互补补规规则则。碱碱基基平平面面与与螺旋的长轴垂直。螺旋的长轴垂直。3. 维持双螺旋稳定的因素维持双螺旋稳定的因素： 横横向向为为互互补补碱碱基基间间的的氢氢键键，纵纵向向为为碱碱基基平面间的平面间的疏水性堆积力疏水性堆积力。碱基互补碱基互补 TAGC碱基互补配对碱基互补配对（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性

23、B型型DNA双双螺螺旋旋是是核核酸酸二二级级结结构构的的重重要要形形式式。当当改改变变了了溶溶液液的的离离子子强强度度和和相相对对湿湿度度时时，DNA螺螺旋旋结结构构可可以以改改变变，除除B型型外外，还还有有Z型型及及A型型。 在在体体内内，不不同同构构象象的的DNA可可能能与与基基因因表表达达的调控有关。的调控有关。三种三种类型类型DNA双螺旋的比较双螺旋的比较类类型型螺旋螺旋方向方向螺距螺距(nm)每圈每圈bp数数螺旋螺旋直径直径骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型右手右手螺旋螺旋2.55112.55平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手螺旋螺旋3.4102平滑平滑随机随机DNA生理生理

24、条件下条件下Z型型左手左手螺旋螺旋4.56121.84锯齿锯齿型型CG间隔排列间隔排列区段区段（四）（四）DNA的多链螺旋结构的多链螺旋结构Hoogsteen氢键氢键 在酸性的溶液中，胞嘧啶的在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，原子被质子化，可与鸟嘌呤的可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键。形成氢键。 不不破破坏坏Watson-Crick氢氢键键，由由此此形形成成了了CGC的三链结构的三链结构 (triplex)。 第三股链的碱基与第三股链的碱基与Watson-Crick碱碱基对中的嘌

25、呤碱形成基对中的嘌呤碱形成Hoogsteen配对。配对。C GC+ 其他的其他的Hoogsteen配对：配对： TAA C GG TAT三链结构的三链结构的DNA四螺旋四螺旋DNA的结构的结构： 见于多聚鸟苷酸链见于多聚鸟苷酸链 结构单元是鸟嘌呤四联体结构单元是鸟嘌呤四联体 碱基间以非正常的碱基间以非正常的G-G氢键相连氢键相连 首尾相接形成环形结构首尾相接形成环形结构四螺旋四螺旋DNA的形成的形成二、二、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双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)。

26、正超螺旋正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相同双螺旋方向相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反意义意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构DNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物（二）真核生物DNA高度有序和致密的结构高度有序和致密的结构 真真核核生生物

27、物染染色色质质由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，其其基基本单位是本单位是核小体核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像核小体的组成核小体的组成 DNA： 约约200bp组蛋白：组蛋白： H1, H2A, H2B, H3, H4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

28、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。但但是是各种生物的各种生物的H1、H2A、H2B的相似性很少。的相似性很少。 核核小小体体又又进进一一步步盘盘曲曲成成直直径径为为30nm的的中中空空的的染色质纤维，称为染色质纤维，称为螺线管螺线管。 螺螺线线管管再再经经卷卷曲曲形形成成染色单体染色单体。人：有人：有46条染色体条染色体 DNA总长约总长约2m 经经过过折折叠叠压压缩缩，46条条染染色色体体总总长长亦亦不不过过200nm左右。左右。真核生物的染色体真核生物的染色体真核生物的线粒体、叶绿体真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是也是环状超螺旋结构环状超螺旋结构

29、 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(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。三、三、 DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的信息基础。的信息基础。基

30、基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基基因的功能。因的功能。 生物体的遗传物质是生物体的遗传物质是DNA的证明：的证明：实验一实验一、肺炎双球菌的转化实验、肺炎双球菌的转化实验 1928年，英国科学家年，英国科学家F.Griffith做了一个做了一个非常有意义的实验。非常有意义的实验。 格里菲斯的肺炎双球菌转化实验格里菲斯的肺炎双球菌转化实验The Avery-MacLeod-McCarty experiment Hershey-Chase experiment 分别用放射性同位素标记噬菌体分别用放

31、射性同位素标记噬菌体35S标标记记蛋蛋白质白质32P标记标记 DNA35S 标记外壳蛋白质标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞32P 标记标记 DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞感染后放射标记进入大肠杆菌细胞基因组基因组 DNA分子的全序列。包含了所有编码分子的全序列。包含了所有编码RNA和蛋白和蛋白质的序列及非编码序列。质的序列及非编码序列。 肺支原体肺支原体 8.1 105 E.coli 4.6 106 酿酒酵母酿酒酵母 1.2 107 线虫线虫 9.7 107 拟南芥拟南芥 1.2 108 果蝇果蝇 1.4 108 人人 2.8 109第

32、三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA通常以单链形式存在，但也有复杂的通常以单链形式存在，但也有复杂的局部二级结构或三级结构。局部二级结构或三级结构。种类较多种类较多功能多样功能多样分子大小不一分子大小不一结构各具特点结构各具特点细胞核细胞核和胞液和胞液线粒体线粒体功功 能能核糖体核糖体RNArRNAmt rRNA核糖体组成核糖体组成成分成分信使信使RNAmRNAmt mRNA蛋白质合成蛋白质合成的模板的模板转运转运RNAtRNAmt tRNA转运氨基酸转运氨基酸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细胞核

33、和胞液细胞核和胞液功功 能能不均一不均一核核 RNAhnRNA成熟成熟mRNA的前的前体体核内小核内小RNAsnRNA参与参与hnRNA的剪的剪接、转运接、转运核仁小核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修的加工和修饰饰胞质小胞质小RNAscRNA蛋白质内质网定位蛋白质内质网定位合成的信号识别体合成的信号识别体的组成部分的组成部分RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能 mRNA含量最少含量最少(约占总约占总RNA的的15%) 种类最多种类最多 半衰期最短半衰期最短(几分钟到数小时几分钟到数小时) 初级转录产物被称为不均一核初级转录产物被称为不均一核RNA (heterogeneous n

34、uclear RNA, hnRNA) 经过加工修饰成为成熟的经过加工修饰成为成熟的mRNA 。 一、一、mRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板1. 5 末端的末端的帽结构帽结构: 以以7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷为起始结甲基鸟嘌呤三磷酸核苷为起始结构，这种构，这种m7GpppN结构被称为结构被称为帽结构帽结构(cap sequence)* 真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点帽子结构分类帽子结构分类帽结构分为三种帽结构分为三种(甲基化位置的差别甲基化位置的差别)：帽帽0：m7G(5 )ppp(5 )N1帽帽1：m7G(5 )ppp(5 )N1m帽帽2: m7G(5 )ppp(5 )N1m

35、N2m帽子结构：帽子结构：m7G（5 )ppp(5 )N1m（帽（帽1）帽帽2结构：结构：m7G(5 )ppp(5 )N1mN2m5 帽结构的作用：帽结构的作用： mRNA的的 帽帽 结结 构构 可可 与与 帽帽 结结 合合 蛋蛋 白白 (cap binding proteins, CBPs) 结合。结合。 参与翻译的起始参与翻译的起始 保护保护mRNA免受免受RNase的水解的水解 与与mRNA从从细胞核向细胞质转运有关。细胞核向细胞质转运有关。2. 3 末端多聚末端多聚A尾结构：尾结构： 大多数大多数mRNA的的3 末端有一段由几十个末端有一段由几十个到百余个腺苷酸聚合而成的多聚腺苷酸结构

36、，到百余个腺苷酸聚合而成的多聚腺苷酸结构，称为称为多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾(poly A tail) 与与poly A结合蛋白结合蛋白(polyA-binding protein, PABP)相结合而存在。相结合而存在。3 末端多聚末端多聚A尾结构的作用：尾结构的作用： 与与mRNA 由核内向胞质的转位有关由核内向胞质的转位有关 增加增加mRNA的稳定性的稳定性 参与翻译起始的调控参与翻译起始的调控3. mRNA的功能的功能 抄抄录录核核内内DNA遗遗传传信信息息的的碱碱基基排排列列顺顺序序，并并转送至细胞质，作为转送至细胞质，作为蛋白质合成的直接模板蛋白质合成的直接模板。DNAmRNA蛋白蛋

37、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 mRNA分子从分子从5 末端的末端的AUG开始，每开始，每3个核个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联三联体密码体密码(triplet code)或密码子或密码子(codon)。 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为序列称为开放阅读框开放阅读框(open reading frame, ORF) ,决定了多肽链的氨基酸序列决定了

38、多肽链的氨基酸序列 。* 真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点1）5 末端的末端的帽结构；帽结构；2）3 -末端多聚末端多聚A尾结构；尾结构；3）携带遗传密码子。）携带遗传密码子。 原核细胞和线粒体原核细胞和线粒体mRNA没有没有5 -帽和帽和3 -多聚多聚A尾结尾结构构hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA 外显子外显子(exon)4. mRNA的成熟的成熟卵清蛋白卵清蛋白mRNA的成熟的成熟二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能 氨基酸的载体氨基酸的载体 (carrier) 蛋白质生物合成中的结合体蛋白质生物合成中的结合体 (adaptor) 有有4050多种多种 分

39、子量最小的一类核酸分子量最小的一类核酸(7495个核苷酸个核苷酸) 约占细胞总约占细胞总RNA的的15%左右左右 具有较好的稳定性具有较好的稳定性1. tRNA含有多种稀有碱基含有多种稀有碱基 (10%20%) 2. tRNA具有茎环结构具有茎环结构二级结构二级结构三叶草形三叶草形 DHU环环 反密码反密码(子子)环环 T C环环 氨基酸接纳茎氨基酸接纳茎(臂臂) 附加叉附加叉 三级结构三级结构 倒倒L形形3. tRNA的的3 -末末端连接氨基酸端连接氨基酸 3 端均为端均为CCAOH4. tRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNA的密码子的密码子 反向互补结合反向互补结合 mRNA: 5-

40、UAC-3 tRNA: 3-AUG-5 (注：书写注：书写5-GUA-3）tRNA的功能：的功能： 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质翻译活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质翻译* tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3末端为末端为 CCA-OH* tRNA的二级结构特点的二级结构特点 三叶草形，含有三叶草形，含有DHU环、环、 T C环、环、反密码环、氨基酸接纳茎等反密码环、氨基酸接纳茎等* tRNA的三级结构特点的三级结构特点倒倒L形形 细胞内含量最多的细胞内含量最多的RNA (80%以上以上) 蛋白质合成场所即核糖体的组成成分蛋白质

41、合成场所即核糖体的组成成分 大亚基大亚基 rRNA + 核糖体蛋白核糖体蛋白核糖体核糖体 （ribosome) 小亚基小亚基三、以三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合为组分的核糖体是蛋白质合成的场所成的场所* 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 原核生物原核生物大亚基大亚基： 5S rRNA 5S rRNA 5.8S rRNA 23S rRNA 28S rRNA 小亚基小亚基： 18S rRNA 16S rRNA 原核生物核糖体原核生物核糖体真核生物核糖体真核生物核糖体核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以

42、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28S5.85S5S4718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% 真真 核核 生生 物物 18S rRNA的的二级结构二级结构l5端结构域端结构域l中心结构域中心结构域l主结构域主结构域l3端结构域端

43、结构域16S rRNA的的二级结构二级结构*rRNA的功能：的功能： 参与构成核蛋白体参与构成核蛋白体 核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体是蛋白质合成的场所 为为肽肽链链合合成成所所需需要要的的mRNA、tRNA以以及及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合的的位位点点和和相相互互作用的空间环境。作用的空间环境。四四 、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控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

44、, snmRNAs)。 snmRNAsRNA组学组学 研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。的种类、结构和功能。snmRNAs的表达具有时间和空间特异性：的表达具有时间和空间特异性： 在同一生物体内不同种类的细胞中表达不同在同一生物体内不同种类的细胞中表达不同 同一细胞在不同时间、不同状态下表达不同同一细胞在不同时间、不同状态下表达不同 snmRNAs的种类的种类核内小核内小RNA(snRNA) 核仁小核仁小RNA(snoRNA)胞质小胞质小RNA(scRNA)催化性小催化性小RNA（small catalytic RNA)小片段干涉小片段干涉 RNA (siRNA) snmR

45、NAs的功能的功能 参与参与hnRNA加工、转运加工、转运 参与参与rRNA的转录后加工的转录后加工 参与基因表达调控参与基因表达调控核酶核酶(ribozyme)： 具有催化作用的小具有催化作用的小RNA，也被称为催化性也被称为催化性RNA。小干扰小干扰RNA (siRNA) 是宿主对外源侵入的基因表达的双链是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序列的小分子进行切割所产生的特定长度和序列的小分子RNA。 可以与外源基因表达的可以与外源基因表达的mRNA相结合，并相结合，并诱发这些诱发这些mRNA的降解。的降解。 RNA干扰干扰 ( RNA interference，R

46、NAi ) 技术已成为研究基因功能的有力工具。技术已成为研究基因功能的有力工具。RNA干涉干涉 (RNA i)： RNAi广泛存在于从低等生物到哺乳动物体内。广泛存在于从低等生物到哺乳动物体内。RNAi主要通过在转录后主要通过在转录后(post-transcriptional)水水平阻断基因的表达，并借此研究基因的功能。同时平阻断基因的表达，并借此研究基因的功能。同时它也提供了一个治疗疾病的新途径。它也提供了一个治疗疾病的新途径。五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中 表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性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

47、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 核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节 较强的酸性较强的酸性 DNA粘度极大粘度极大 RNADNA ssDNAds DNA 不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异 在碱性条件下，在碱性条件下，DNA稳定，稳定，RNA不稳定不稳定核酸的一般理化性质核酸的一般理化性质 核酸在波长核酸在波长 260nm 处

48、有强烈的吸收，是由处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。所决定的。 这一特性常用作核酸的定性和定量分析。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收嘌呤和嘧啶环中均含有嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键共轭双键在在260nm有最大吸收峰有最大吸收峰在在260nm的的紫外吸收光密度值称紫外吸收光密度值称OD值值1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40 g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20 g/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:

49、 OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用二、二、DNA的变性是双链解离为单链的过程的变性是双链解离为单链的过程定义定义：在某些理化因素在某些理化因素(温度、温度、pH、离子强度、离子强度)作用下，作用下，DNA双链的互补碱基对之间双链的互补碱基对之间的氢键断裂，使的氢键断裂，使DNA双链解离为单链。双链解离为单链。这种现象称为这种现象称为DNA变性变性(denaturation) DNA变性只改变其二级结构，而不改变性只改变其二级结构，而不改变其核苷酸序列。变其核苷酸序列。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间

50、氢键的断裂方法：方法： 过量酸、碱，加热，过量酸、碱，加热， 变性试剂如尿素、酰胺；变性试剂如尿素、酰胺； 某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。某些有机溶剂如乙醇、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： OD260增高增高 粘度明显下降粘度明显下降 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例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变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OD260增高的现象。增高的现象。热变性热变性解链曲线解链曲线：如果在连续加热：如果在连续加热D

51、NA的过程中以温度对的过程中以温度对A260（absorbance，A。A260代表溶液在代表溶液在260nm处的吸光处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。 Tm：解解链链过过程程中中，紫紫外外吸吸光光度度的的变变化化A260达达到到最最大大变变化化值值的的一一半半时时所所对对应应的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度度，又称融解温度又称融解温度(melting temperature, Tm)。 Tm就是就是DNA的热变性过程中，的热变性过程中，50% 的的DNA双链打开时的温度。双链打开时的温度。 Tm值的高低与以下因素有关：值的高低与以下因

52、素有关： 所含碱基中的所含碱基中的G和和C所占比例所占比例 DNA分子大小分子大小 pH 离子强度离子强度三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复天然的双螺旋构象，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OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过经缓慢冷却后即可复性，这一过 程称为程称为退火退火(annealing) 。在在DNA变变性性后

53、后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要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，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂杂化化双双链链(heteroduplex)。这这种种现现象称为核酸分子杂交。象称为核酸分子杂交。 DNA DNA DNA RNA RNA RNA核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) 核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用u 研究研究DNA分子中

54、某一种基因的位置分子中某一种基因的位置u 鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性u 检测待检样品中是否存在某些专一序列检测待检样品中是否存在某些专一序列u 是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 第第 五五 节节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease 核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：核酸内切酶：分为分为限

55、制性核酸内切酶限制性核酸内切酶和非特和非特异性限制性核酸内切酶。异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。限制性核酸内切酶：限制性核酸内切酶： 有严格的序列依赖性，是基因工程中的重有严格的序列依赖性，是基因工程中的重要工具酶。要工具酶。u参参与与DNA的的合合成成与与修修复复及及RNA合合成成后后的的剪剪接接等重要基因复制和基因表达过程等重要基因复制和基因表达过程 u负负责责清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 u在消化液中降解食物中的核酸以利吸收在消化液中降

56、解食物中的核酸以利吸收 u体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 核酸酶的功能核酸酶的功能 核核 酶酶uCech和和Altman由于核酶的发现由于核酶的发现1989年获年获Nobel 化学奖。化学奖。 u某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解的活降解的活性，这些具有催化作用的小性，这些具有催化作用的小RNA称为核酶，称为核酶，或催化性或催化性RNA。 催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解特异性降解RNA。