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1、第二章第二章核酸的结构与功能核酸的结构与功能n第一节第一节遗传物质的本质遗传物质的本质n第二节第二节核酸的化学组成核酸的化学组成n第三节第三节DNA的二级结构的二级结构n第四节第四节DNA分子的高级结构分子的高级结构n第五节第五节RNA的结构与功能的结构与功能n第六节第六节核酸的变性、复性与分子杂交核酸的变性、复性与分子杂交第一节第一节遗传物质的本质遗传物质的本质 1 1、 遗传物质必须具有的特性遗传物质必须具有的特性 a a、贮存并表达遗传信息、贮存并表达遗传信息 b b、能把信息传递给子代、能把信息传递给子代 c c、物理和化学性质稳定、物理和化学性质稳定 d d、具有遗传变化的能力、具有
2、遗传变化的能力 DNADNA的特征的特征 各各异异的的碱碱基基序序列列储储存存大大量量的的遗遗 传信息传信息 碱基互补是其复制、转碱基互补是其复制、转 录表达遗传信息的基础录表达遗传信息的基础 生理状态下物理、化学性质生理状态下物理、化学性质 稳定稳定 有突变和修复能力，可稳定遗有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础传是生物进化的基础1kb DNA1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息一、一、DNA携带两类不同的遗传信息携带两类不同的遗传信息2、DNADNA携带两种遗传信息携带两种遗传信息 a a、编码蛋白质和、编码蛋白质和RNARNA的信息的信息( (编码
3、编码tRNAtRNA、rRNArRNA) ) 6464个三联体密码子个三联体密码子 三个终止密码子三个终止密码子 编码氨基酸的编码氨基酸的6161个密码子由简并性、通用性个密码子由简并性、通用性 b b、编码基因选择性表达的信息、编码基因选择性表达的信息 * * 原核生物的结构基因占原核生物的结构基因占GenomeGenome的比例很大的比例很大 x174phage 5386bp x174phage 5386bp 结构基因用去结构基因用去5169bp5169bp 比例达比例达9696* * 真核生物的结构基因占真核生物的结构基因占GenomeGenome的比例很小的比例很小 哺乳动物中结构基因
4、只占哺乳动物中结构基因只占10101515 其其余余8080以以上上的的DNADNA起起什什么么作作用用目目前前还还无无法法精精确确解解释释，但但可可以以肯肯定其中大部分定其中大部分DNADNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息序列是编码基因选择性表达的遗传信息 表现在：表现在： 细胞周期的不同时相中细胞周期的不同时相中 个体发育不同阶段个体发育不同阶段 不同的器官和组织不同的器官和组织 不不同同的的外外界界环环境境下下各各种种基基因因的的表表达达与与否否以以及及量的差异量的差异 所以又称调控序列所以又称调控序列二、二、RNARNA也可作为遗传物质也可作为遗传物质 *RNA病毒病毒传染媒介是病
5、毒染媒介是病毒颗粒（病毒基因粒（病毒基因组RNA、蛋白、蛋白质外壳）外壳）TobaccoMosaicVirus(TMV)*类病毒（病毒（viroid）:使高等植物使高等植物产生疾病的生疾病的传染性因子染性因子只由只由RNA组成组成三、三、是否存在核酸以外的遗传物质是否存在核酸以外的遗传物质 PrionPrion ( (proteinaccousproteinaccous infections particle) infections particle) 引起引起的风波的风波朊病毒蛋白质样的感染因子朊病毒蛋白质样的感染因子羊羊搔搔痒痒病病(scripie)Prion 复制复制?转录转录?翻译翻译
6、?人类库鲁（人类库鲁（ kuru） 病病牛海绵状脑炎牛海绵状脑炎(疯牛病疯牛病)均由均由传染性病原蛋白颗粒传染性病原蛋白颗粒引起引起统称统称Prion (朊病毒朊病毒)第二节第二节核酸的化学组成核酸的化学组成核核苷苷酸酸的的结结构构左左边边是是电电脑脑模模型型，右右边边是是简简化化的的表表示示法法酯键糖苷键嘧啶嘧啶Pyrimidines嘌呤嘌呤Purines一、一、含氮碱基、核苷、核苷酸含氮碱基、核苷、核苷酸 碱基碱基NitrogenousbasesUracil(U) 核苷（核苷（nucleotide）糖苷键糖苷键Glycosidicbond嘧啶的嘧啶的1 1位位N N原子、嘌呤的原子、嘌呤的
7、9 9位位N N原子原子核糖是戊糖核糖是戊糖RNA核糖核苷核糖核苷DNA脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷19 核苷酸（核苷酸（nucleotideacid）核苷的磷酸酯核苷的磷酸酯 脱氧核糖核脱氧核糖核苷酸苷酸 核糖核苷酸核糖核苷酸Deoxynucleotides其中其中和和、和和之间是之间是高高能磷酸键能磷酸键dNTPRibonucleotides核糖核苷三磷酸缩写为核糖核苷三磷酸缩写为NTPNTP二、二、DNA分子的一级结构分子的一级结构(DNAsequence)1 1、 多聚核苷酸链多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸主链是核糖和磷酸 侧链为碱基侧链为碱基由由3 3,5,5磷酸二酯键磷酸二酯键连连接接
8、2 2、 链的方向：链的方向：同一个磷酸同一个磷酸基基 的的3 3酯键到酯键到5 5酯键酯键的方向的方向 (5(53) )5-UCAGGCUA-3=UCAGGCUA默认书写顺序默认书写顺序53353 3、 DNADNA一级结构的特点一级结构的特点 a a、脱氧核糖是其显著特点、脱氧核糖是其显著特点 DNADNA极其稳定的根本原因极其稳定的根本原因DNADNA在高在高pHpH值时磷酸酯键非常稳定值时磷酸酯键非常稳定只是碱基存在构像的变化变化只是碱基存在构像的变化变化酮式酮式烯醇式烯醇式酮式酮式烯醇式烯醇式RNA RNA 在高在高pHpH时则稳定性很差时则稳定性很差OH自由的自由的5-OH2,3-
9、环式单核苷酸环式单核苷酸碱由于由于2 2OHOH导致的水解导致的水解 b b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平 面的面的C C、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的 主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在基团在 生理条件下离解为负离子生理条件下离解为负离子 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象4 4、 一级结构的概念一级结构的概念 指指DNADNA分子中的核苷酸排列顺序分子中的核苷酸排列顺序 不同
10、生物借此贮存遗传信息不同生物借此贮存遗传信息 决定决定DNADNA的二级结构和高级结构的二级结构和高级结构第三节第三节DNA的二级结构的二级结构一、一、DNA双螺旋模型的提出（双螺旋模型的提出（doublehelixmodel）* * 依据依据 a a、 1938. W. T. 1938. W. T. AstburyAstbury 首次用首次用X X射线分析射线分析DNADNA b b、 1950 1950 ChargaffChargaff A + G / T + C = 1 A + G / T + C = 1 A+T G + C A+T G + C c c、 1952 Alexander T
11、odd1952 Alexander Todd 发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键联接发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键联接 d d、 1952 1952 M.H.F.WilkinsM.H.F.Wilkins & Rosalind Franklin & Rosalind Franklin 得到了高度定向的得到了高度定向的DNADNA纤维的纤维的X-X-射线照片射线照片 发现原子长轴存在发现原子长轴存在0.340.34和和3.4nm3.4nm两种周期性两种周期性 此此外外，之之前前的的密密度度测测定定表表明明螺螺旋旋由由两两条条多多核核苷苷酸酸链链组成，且直径恒定（组成，且直径恒定（2nm)2
12、nm)。*提出提出1953. 1953. WatsosnWatsosn & Crick & Crick 右手右手 B- DNA Double helix ModelB- DNA Double helix Model 每一单链具有每一单链具有 5 5 3 3极极性性 两条单链极性两条单链极性相反相反, ,反向平行反向平行 两条单链间以氢两条单链间以氢键键 连接连接 以中心为轴以中心为轴，向向 右右 盘盘 旋旋 （直径直径2nm2nm） 双双 螺螺 旋旋 中中 存存 在在大，小大，小 沟沟* * 双螺旋的主链双螺旋的主链PhosphodiesterBackboneC-GT-A碱基互补碱基互补 直径
13、直径20* * 双螺旋模型参数双螺旋模型参数 螺距为螺距为34（任一条（任一条链绕轴一周所升降的距离）一周所升降的距离） 每圈有每圈有1010个核苷酸个核苷酸 （碱基）（碱基） 有大沟和小沟有大沟和小沟 配对碱基并不充满双配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称占据的空间不对称 两个碱基之间的垂两个碱基之间的垂直直 距离是距离是3.43.4。螺旋转。螺旋转角是角是36度度Pitch34Rise3.4Width20MajorGrooveMinorGroove10.4bp/turnTwist36大、小沟的差异大、小沟的差异 大大沟沟中中碱碱基基差差异异容容易易识识
14、别别 ，往往往往是是蛋白质因子结合特异蛋白质因子结合特异DANDAN序列的位点序列的位点 小沟相对体现的信息较少小沟相对体现的信息较少二、二、影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素 l氢键氢键(Hydrogen bond 46 (Hydrogen bond 46 kckc / mol) / mol)消除消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力单链上磷酸基团间的静电斥力弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线性线性,方向方向) l磷酸酯键磷酸酯键( (phosphoesterphosphoester bond 8090 bond 8090 kckc / /
15、mol)mol)l0.2 mol / L Na0.2 mol / L Na+ +生理盐条件生理盐条件强键强键,需酶促解链需酶促解链* * 维持稳定性的因素维持稳定性的因素l碱基堆积力碱基堆积力(非特异性结合力非特异性结合力)( 1 ( 1 kckc / mol 0.6kc / mol ) / mol 0.6kc / mol ) nn范德华力（范德华力（Van de Van de waalswaals force force） (1.7A/嘌呤环与嘧啶环嘌呤环与嘧啶环作用半径作用半径)(0.34nm/碱基对间距碱基对间距)3.4A疏水作用力疏水作用力(Hydrophobicinteraction
16、)不溶于水的非极性分子在水中相互联合不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成串结合的趋势力成串结合的趋势力.即熵即熵值值(Entrophy)S上升上升-热力学上的稳定态热力学上的稳定态成为碱基间的部分堆积力成为碱基间的部分堆积力(磷酸骨架磷酸骨架,氨基氨基,酮基周围水分子间的有序排列酮基周围水分子间的有序排列)非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合熵值熵值上升上升(Sgoingup)l磷酸基团间的静电斥力磷酸基团间的静电斥力l碱基内能增加碱基内能增加(温度温度),使氢键使氢键因碱基排列有序状态的破坏因碱基排列有序状态的破坏而减弱而减弱* * 不稳
17、定因素不稳定因素三、双螺旋结构的基本形式三、双螺旋结构的基本形式 B-DNA B-DNA 资料来自相对湿度为资料来自相对湿度为9292所得到的所得到的DNADNA钠盐纤维钠盐纤维 此外人们还发现了此外人们还发现了A A、C C、D D、E E等右手双螺旋和左手双螺旋等右手双螺旋和左手双螺旋 Z Z构象等形式构象等形式DNADNA结构的多态性：几种不同的结构的多态性：几种不同的DNADNA双螺旋结构以及同双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内参数存在差异的现象一种双螺旋结构内参数存在差异的现象 原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键磷酸二酯键原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键磷酸二酯键
18、的两个的两个P-OP-O键、糖苷键、戊糖环各个键键、糖苷键、戊糖环各个键戊糖的构象戊糖的构象ADNABDNAABZHandednessBaseInclinationABZ大大沟沟宽宽小小沟沟窄窄小小沟沟窄窄大大沟沟变变深深小小沟沟宽宽深深大大沟沟不不存存在在小小沟沟窄窄而而深深1、反向重复序列与二级结构、反向重复序列与二级结构 反反向向重重复复序序列列（inverted inverted repeatitiverepeatitive sequence sequence or or inverted inverted repeats repeats IRIR）又又称称回回文文序序列列（廻廻文文）
19、：指指两两段段同同样样的的核核苷苷酸酸序序列列同同时时存存在在于于一一个个分分子子中中，但但具具有有相相反反的的方向方向. . 有时也有不完全相同的情况有时也有不完全相同的情况, RNA, RNA和和DNADNA中都可能存在中都可能存在. .此此外外还还可可有有directed directed repeatitiverepeatitive sequence sequence -正正向向重重复复序列序列第四节第四节 DNADNA序列的高级结构序列的高级结构C反向重复序列间间隔较短或无间隔反向重复序列间间隔较短或无间隔反向重复序列间间隔较长反向重复序列间间隔较长* * 较短的回文序列可能是作为一
20、种信号较短的回文序列可能是作为一种信号 如：如：限制性内切酶的识别位点限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点一些调控蛋白的识别位点 2、三螺旋、三螺旋DNA DNA (TribleHelixDNA,T.SDNA) 例如限制性内切酶例如限制性内切酶 EcoREcoR的识别位点的识别位点 55GAATTCGAATTC33 3 3CTTAAGCTTAAG55（1 1） 发现和证实发现和证实 1953年年Watson&CrickD.SDNAmodel证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体潜在的专一与潜在的专一与DNA(蛋白质蛋白质)结合的能力结合的能力形成形成T.
21、SDNA可能性可能性 这些发现促进了三螺旋这些发现促进了三螺旋DNADNA的研究的研究 （2 2） 形成条件形成条件 第二股中间链必须是嘌呤链第二股中间链必须是嘌呤链 第三股链至少长于八个核苷酸第三股链至少长于八个核苷酸 1957Felsenfeld等等 发现一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核发现一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核 苷酸双链能够形成三链苷酸双链能够形成三链 如：如： polyA/polyUpolydA/polydTpolyd(AG)/polyd(CT) 1987年年MirkinMirkin . S . M . S . M证明证明plasmidDNA在在pH=4.3的溶液中的溶液中,有有T.
22、SDNA的存在的存在 三螺旋三螺旋DNADNA的概念提出的概念提出PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAa、D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA （3 3） 组成形式组成形式三链三链螺旋螺旋双链螺旋双链螺旋双链双链DNA的同源回文序列形成的三链的同源回文序列形成的三链DNA（镜向重复）（镜向重复）Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA b、分子分子组成成PY/PU+PU(偏碱性介质中稳定偏碱性介质
23、中稳定)GG、AA、GAPY/PU+PY(偏酸性介质中稳定偏酸性介质中稳定)常见类型常见类型GCATl第三条链位于第三条链位于B-DNA的的Majorgroove中中 H-DNAH-DNA 两种异构体两种异构体T.S.DNA的连接键的连接键WatsonbondingATGC(D.S.DNA)H+Hoogsteen氢键氢键GC+(质子化质子化)(第三链第三链,pH小于小于7)三股三股螺旋螺旋DNA结构特点总结结构特点总结第三条单链第三条单链DNA分子分子位于位于B-DNA大沟内大沟内与与B-DNA以以Hoogsteen键连接键连接AT,GC两两氢键配对，氢键配对，C必需质必需质子化子化poly(
24、Py):(Pu):(Py)为常见类型为常见类型TriblehelixMajorgroovePy:Pu:Py3ed * * 可能功能可能功能 可可能能与与基基因因调调控控区区域域的的功功能能和和染染色色体体重组有关重组有关3、四股螺旋四股螺旋DNA(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)发现发现 1958.Poly(G)X-rayphotograph碱基形成环状氢键连接结构碱基形成环状氢键连接结构Tetrable Helix DNA 均有形成均有形成四股螺旋四股螺旋DNA的可能的可能5-TTAGGGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5Poly(G),
25、4(dG)染色体端粒高度重复的染色体端粒高度重复的DNA序列序列着丝点附近的高度重复序列着丝点附近的高度重复序列形成条件串联重复的鸟苷酸形成条件串联重复的鸟苷酸已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构结结 构构 特特 点点碱基之间靠碱基之间靠Hoogsteen键连接键连接GGGG基本结构单元鸟嘌呤四联体基本结构单元鸟嘌呤四联体可能的功能可能的功能A、稳定真核生物染色体结构稳定真核生物染色体结构B、保证保证DNA末端准确复制末端准确复制C、与与DNA分子的组装有关分子的组装有关D、与染色体的与染色体的meiosis&mitosis有关有关Hoogste
26、enBonding5-TTAGGGTTAGGGTTAGGGT3-AATCCCAATCCCGGGTA4、超螺旋（、超螺旋（superhelixORsupercoil）最早在最早在SV40SV40和多瘤病毒和多瘤病毒 中发现中发现 超螺旋是所有线性或环超螺旋是所有线性或环 形形DNADNA的共有的重要特征的共有的重要特征ThesupercoilsoftheSV40minichromosomecanberelaxedtogenerateacircularstructure,whoselossofhistonesthengeneratessupercoilsinthefreeDNA.（1）、）、超螺旋
27、结构的方向性超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠紧缠overwindingoverwinding (右旋右旋)正超螺旋（正超螺旋（positive positive supercoiledsupercoiled ）导致左手超螺旋导致左手超螺旋以一根绳子做实验：以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变解除外加捻转的协变B-DNA松缠松缠unwindingunwinding(左旋左旋)负超螺旋
28、（负超螺旋（NegativeSupercoiled）导致右手超螺旋导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的旋以解除外加捻转的协变协变 超螺旋的形成总是要向着抵消超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展初级螺旋改变的方向发展所有生物的所有生物的DNA几乎几乎有有5%为为NegativeSuperhelix（2）、超螺旋状态的描述）、超螺旋状态的描述可用数学公式描述可用数学公式描述Vinograd方程式方程式L=T+W(=+)？L连接数（连接数（Linki
29、ngnumber）双链双链DNA的交叉数，的交叉数，不发生链断裂时，不发生链断裂时，L为定值为定值T盘绕数（盘绕数（Twistingnumber）双链双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数的缠绕数，初级螺旋圈数W超盘绕数超盘绕数（Writhingnumber）直观上为双螺旋在空间的转动数直观上为双螺旋在空间的转动数W=负值（负值（negativesuperhelix）W=正值正值(positivesuperhelix）420bp*B-DNA是是力学上稳定力学上稳定的结构的结构(10bp/helix)*螺旋数改螺旋数改变的结果之变的结果之一是产生超一是产生超螺旋螺旋或是在或是在B_DNA中保中保留一单
30、链区留一单链区域，但须能量的功给域，但须能量的功给DNA在水溶液中在水溶液中,构型偏构型偏B型状态型状态DNA以以10.5bp/helix为最稳定构型为最稳定构型小于小于10.5bp/helix向正超螺旋发展向正超螺旋发展(紧缩态紧缩态)大于大于10.5bp/helix向负超螺旋发展向负超螺旋发展(松弛态松弛态)天然的天然的DNA都是负超螺旋都是负超螺旋但一些生命活动过程中存在正超螺旋但一些生命活动过程中存在正超螺旋B-DNA的变化情况：的变化情况：basebase3.4埃埃EB7.0埃埃basebasebasebase局部局部局部局部DNADNA的紧缩的紧缩的紧缩的紧缩（3 3）、体外可产生
31、正超螺旋）、体外可产生正超螺旋溴化乙锭（溴化乙锭（EthidiumbromideEB）放线菌素放线菌素Da a、EBEB的插入只改变盘绕数的插入只改变盘绕数T T使其降低使其降低 但但L L值不变值不变W WL LT TL L值不变值不变T T值降低值降低W W正值正值产生正超螺旋产生正超螺旋360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinserted负负SuperhelixOC,L,DNA正正SuperhelixEB对超螺旋结构的影响对超螺旋结构的影响（4）、拓扑异构酶）、拓扑异构酶l拓扑异构体：只在连接数上有差别的同种拓扑异构体：只在连接数上有差别的同种DAN分子称为分
32、子称为这种这种DNA的拓扑异构体的拓扑异构体l拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomerase）：催化：催化DNA由一种拓扑异由一种拓扑异构体转变成另一种拓扑异构体的酶类构体转变成另一种拓扑异构体的酶类拓扑异构酶的类别和特性拓扑异构酶的类别和特性被切割的被切割的DNADNA链链 1 1 2 21 1 2 2对对ATPATP的需求的需求 否否 否否 是是 是是依赖于依赖于DNADNA的的ATPATP酶酶 否否 否否 是是 是是产生负超螺旋产生负超螺旋 否否 否否 是是 否否松弛负超螺旋松弛负超螺旋 是是 是是 否否 是是松弛正超螺旋松弛正超螺旋 否否 是是 是是 是是性质性质型型型型原核生物原
33、核生物原核生物原核生物真核生物真核生物真核生物真核生物改变超螺旋的方式改变超螺旋的方式结合到结合到一条链一条链上形成上形成复合物复合物切断一切断一条链形条链形成酶和成酶和蛋白的蛋白的复合体复合体共价连接共价连接Tyrosine-5P一条链一条链穿越穿越重新重新连接连接L=2L=3、拓扑异构酶拓扑异构酶 ( (topoisomerasetopoisomerase I) I) 结果：连接数增加一个结果：连接数增加一个增加一个负超增加一个负超、拓拓扑扑异异构构酶酶TopII旋旋转转酶酶(gyrasegyrase) ) Top Top亚类之一亚类之一 引入负超螺旋引入负超螺旋作用于双链作用于双链涉及双
34、链的涉及双链的 断裂和连接断裂和连接每次使每次使DNADNA的连接数的连接数改变改变2 2、拓扑异构酶的生物学功能、拓扑异构酶的生物学功能b、防止细胞、防止细胞DNA的过度超螺旋的过度超螺旋多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋维持在维持在5%水平水平所以所以一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如：复制叉前面正超的消除如：复制叉前面正超的消除转录酶前正超的消除，后面负超
35、的产生转录酶前正超的消除，后面负超的产生第五节第五节 RNA的结构与功能的结构与功能StructureandFunctionofRNADNADNARNARNA戊戊戊戊 糖糖糖糖 脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖核核核核 糖糖糖糖碱碱碱碱 基基基基AAGCTGCTAGCUAGCU磷磷磷磷 酸酸酸酸 磷磷磷磷 酸酸酸酸磷磷磷磷 酸酸酸酸结结结结构构构构 双双双双 链链链链单单单单 链链链链存在部位存在部位存在部位存在部位 主要在细胞核主要在细胞核主要在细胞核主要在细胞核主要在细胞质主要在细胞质主要在细胞质主要在细胞质功功功功能能能能 储存、复制和传递储存、复制和传递储存、复制和传递储存、复制和传递
36、与遗传信息表达与遗传信息表达与遗传信息表达与遗传信息表达 遗传信息遗传信息遗传信息遗传信息有关有关有关有关DNA与与RNA的区别的区别dAMPdAMP、dGMPdGMPAMPAMP、GMPGMP、 dCMPdCMP、dTMPdTMPCMPCMP、UMPUMP核苷酸种类核苷酸种类核苷酸种类核苷酸种类RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能一一、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA内含子内含子( (intron) )mRNA*mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子( (exon) )* * mRNA结构特点结构特点1.帽帽：大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录
37、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C2也是甲基化，形成帽子结构：也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.尾：大多数真核尾：大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺末端有一个多聚腺苷酸苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。3.编码区：核苷酸残基编码区：核苷酸残基帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位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*mRNA的功能的功能把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则，抄
38、抄录录并并传传送送至至核核糖糖体体，用用以以决决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。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tRNA的一级结构特点的一级结构特点分子量小，分子量小，稀有碱基稀有碱基多多含含1020%稀有碱基，如稀有碱基，如DHU3末端为末端为CCA-OH5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的结构与功能的结构与功能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
39、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tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形四四臂臂三三环环:氨基酸臂氨基酸臂DHU(臂臂)环环反密码反密码(臂臂)环环额外环额外环(可变臂可变臂)TC(臂臂)环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环*tRNA的三级结构的三级结构倒倒L形形*tRNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的翻译。白质的翻译。*rRNA的含量多的含量多rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*rRNA的功能的功能参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所
40、。*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5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（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
41、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%mRNAmRNAtRNAtRNArRNArRNA细胞中含量细胞中含量细胞中含量细胞中含量1%5%5%10%80%90%1%5%5%10%80%90%分子量分子量分子量分子量大小悬殊大小悬殊大小悬殊大小悬殊分子量最小分子量最小分子量最小分子量最小 (0.361.1)10(0.361.1)106 674957495个核苷酸个核苷酸个核苷酸个核苷酸沉降系数沉降系数沉降系数沉降系数 6S25S6S25S4S5.8S18S28S4S5.8S18S28S结构特征结构特
42、征结构特征结构特征存在场所存在场所存在场所存在场所胞核、质或核糖体胞核、质或核糖体胞核、质或核糖体胞核、质或核糖体 细胞质或核糖体细胞质或核糖体细胞质或核糖体细胞质或核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体功能作用功能作用功能作用功能作用三种三种三种三种RNARNA分子的结构特征和功能作用分子的结构特征和功能作用分子的结构特征和功能作用分子的结构特征和功能作用基本上呈线形，基本上呈线形，基本上呈线形，基本上呈线形，局部呈双链，形局部呈双链，形局部呈双链，形局部呈双链，形成发夹式结构。成发夹式结构。成发夹式结构。成发夹式结构。呈三叶草形呈三叶草形呈三叶草形呈三叶草形线形，某些节线形，某些节线形，某些节线形
43、，某些节段可能呈双螺段可能呈双螺段可能呈双螺段可能呈双螺旋结构。旋结构。旋结构。旋结构。作为合成蛋白作为合成蛋白作为合成蛋白作为合成蛋白质的模板质的模板质的模板质的模板运输活化的氨基运输活化的氨基运输活化的氨基运输活化的氨基酸到核糖体上酸到核糖体上酸到核糖体上酸到核糖体上为核糖体的为核糖体的为核糖体的为核糖体的组成成分组成成分组成成分组成成分四四、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学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(smallnon-messengerRNAs
44、,snmRNAs)。snmRNAssnmRNAs的的种类种类核内小核内小RNARNA核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNARNA催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。RNARNA组组学学研研究究细细胞胞中中snmRNAs的的种种类类、结结构构和和功功能能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时间间、不不同同状状态态下下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。 RNARNA组学组学核核酸酸的的理理化化性性质
45、质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第第六六节节n两性电离两性电离n紫外吸收紫外吸收n变性变性n复性复性n分子杂交分子杂交+带正电荷的核酸带正电荷的核酸带负电荷的核酸带负电荷的核酸兼性离子兼性离子酸酸碱碱一两性电离一两性电离二紫外吸收二紫外吸收1.DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（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:OD260/OD280=1.8RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0OD260
46、的应用的应用目目录录三、三、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺以及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目目录录DNADNA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例
47、：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。热变性热变性解解链链曲曲线线：如如果果在在连连续续加加热热DNADNA的的过过程程中中以以温温度度对对A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代代表表溶溶液液在在260nm260nm处处的的吸吸光光率率）值值作作图图，所所得得的的曲曲线线称称为为解解链曲线链曲线。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
48、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，又又称称融融解解温温度度(melting temperature, Tm)。其其大大小小与与G+C含量成正比。含量成正比。四、四、DNA的复性的复性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DNADNA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，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过
49、程称为退火退火(annealing)。在在DNA变变性性后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与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这这种种现现象象称称为为核核酸酸分子杂交。分子杂交。五核酸分子杂交五核酸分子杂交(hybridization)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分子分子核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性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品中存在与检测某些专一序列在待检样品中存在与否否是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础本章内容结束，谢谢！本章内容结束，谢谢！
