核苷酸与核酸

1、目目 录录第第 六六 章章核苷酸与核酸核苷酸与核酸目目 录录核核 酸酸(nucleic acid) 是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。目目 录录核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展 n1869年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” n1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质n1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构n1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码n1975年年 Temin

2、和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶n1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法n1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术n1990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) n1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动n2001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目目 录录第一节第一节核酸概述核酸概述The Generality of Nucleic Acids 目目 录录一、核酸的基本结构单位是核苷酸一、核酸的基本结构单位是核苷酸核酸核酸在核酸酶的作用下水解成在

3、核酸酶的作用下水解成核苷酸。核苷酸。 二、核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成二、核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸核苷酸由碱基由碱基(base)、戊糖、戊糖(pentose)和和磷酸磷酸3种成分以共价键依次连接而成。种成分以共价键依次连接而成。目目 录录核酸的化学组成核酸的化学组成 元素组成元素组成C、H、O、N、P（9%10%） 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)目目 录录核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷或核苷或脱氧核脱氧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

4、核糖脱氧核糖碱基碱基戊糖戊糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶目目 录录（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤碱两类（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤碱两类1核酸中常见的核酸中常见的5种碱基种碱基嘌呤嘌呤 (purine) NNN HN123456789NNN HNN H2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NN HN HNN H2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基:目目 录录NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3目目 录录2核酸中存在

5、稀有碱基核酸中存在稀有碱基 核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基稀有碱基(rare base)。稀有碱基种类很多，大多数都是甲基化碱。稀有碱基种类很多，大多数都是甲基化碱基。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，N6-二甲基腺嘌呤二甲基腺嘌呤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

6、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目目 录录（二）核苷酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两类（二）核苷酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两类n核糖核苷酸：核糖核苷酸：-D-D-核糖核糖n脱氧核糖核苷酸：脱氧核糖核苷酸： -D-2-D-2 - -脱氧核糖脱氧核糖目目 录录戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H目目 录录（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸1.碱基碱基和和戊糖戊糖缩合成核苷缩合成核苷

7、 -N-糖苷键糖苷键 2.糖苷键是可以旋转糖苷键是可以旋转 碱基位置存在顺式和反式结构碱基位置存在顺式和反式结构目目 录录OHOHHOHHHHOCH2NHNNNONH2OHOHHOHHHHOCH2NHNNNONH2OHOHHOHHHHOCH2NNHOOOHHHOHHHHOCH2NNHOO 顺式鸟嘌呤核苷顺式鸟嘌呤核苷反式鸟嘌呤核苷反式鸟嘌呤核苷反式胞嘧啶核苷反式胞嘧啶核苷反式胞嘧啶脱氧核苷反式胞嘧啶脱氧核苷目目 录录POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O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（脱氧核苷）和

8、磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷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）。 （四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸（四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸目目 录录 腺嘌呤核苷三磷酸腺嘌呤核苷三磷酸 ATP腺嘌呤脱氧核苷一磷酸腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMP环式腺苷一磷酸环式腺苷一磷酸cAMP环式鸟苷一磷酸环式鸟苷一磷酸cGMP鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸 ppGpp目目 录录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l 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 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核

9、苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+目目 录录 三、核苷酸通过三、核苷酸通过3 3 ,5,5 - -磷酸二酯键连接磷酸二酯键连接成多聚核苷酸成多聚核苷酸（一）（一）3 , 5 -磷酸二酯键是核酸的基本结构键磷酸二酯键是核酸的基本结构键目目 录录 3 , 5 -磷酸二酯键磷酸二酯键目目 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 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T

10、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（一）（一）RNA是单链多聚核糖核苷酸是单链多聚核糖核苷酸 （二）（二）DNA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（三）组成（三）组成DNA和和RNA成分不同成分不同（四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸（四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本结构的基本结构目目 录录五、核苷酸还有其他功能五、核苷酸还有其他功能脱氧核苷酸脱氧核苷酸主要的作用是主要的作用是DNA的组成成的组成成分，为数不多的参与代谢的调节。分，为数不多的参与代谢的调节。核糖核苷酸核糖核

11、苷酸除了是除了是RNA的组成成分外，的组成成分外，还以多种方式参与细胞内的生理和生化过程。还以多种方式参与细胞内的生理和生化过程。目目 录录第二节第二节DNADNA的三维结构的三维结构The Three Dimensional Structure of DNA 目目 录录DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构qDNA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qDNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点nDNA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qDNA的超螺旋结构的超螺旋结构q原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构qDNA在真核生物

12、细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装nDNA的功能的功能基本内容基本内容目目 录录一、一、 DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构目目 录录（一）（一）Waston和和Crick提出提出DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则：A = T G C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键以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 目目 录录目目 录录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） 来源来源AGCTA/TG

13、/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15.134.935.414.61.030.9

14、970.31.00 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目目 录录uDNA分子由两条分子由两条相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脱氧多核苷酸链的脱氧多核苷酸链组成，两链以组成，两链以-脱氧核糖脱氧核糖-磷磷酸酸-为骨架，以为骨架，以右手螺旋右手螺旋方方式绕同一公共轴盘。螺旋直式绕同一公共轴盘。螺旋直径为径为2nm，形成大沟，形成大沟(major groove)及小沟及小沟(minor groove)相间。相间。（二）（二） DNA双螺旋结构具有特征性双螺旋结构具有特征性 （Watson, Crick, 1953）目目 录录u碱基垂直螺旋轴居

15、双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成側，与对側碱基形成氢键配氢键配对对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T; G C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。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 目目 录录u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定横向稳定性性，碱基堆积力碱基堆积力维持双维持双链链纵向稳定性纵向稳定性。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（三）（三）DNA双螺旋结构具有多样

16、性双螺旋结构具有多样性目目 录录目目 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B 型型Z 型型外型外型粗短粗短中中细长细长螺旋方式螺旋方式右手右手右手右手左手左手直径直径26 A20 A18 A每螺旋的碱基对数每螺旋的碱基对数1110.512每碱基对的升距每碱基对的升距2.6 A3.4 A3.7 A螺距螺距2.533.544.56糖苷键构型糖苷键构型反式反式反式反式嘧啶反式，嘌呤嘧啶反式，嘌呤顺式顺式大沟大沟窄深窄深宽深宽深平坦平坦小沟小沟宽浅宽浅窄深窄深较窄、很深较窄、很深轴心与碱基对的关系轴心与碱基对的关系不穿过碱基对不穿过碱基对穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱

17、基对不穿过碱基对A、B和和Z型型DNA分子的比较分子的比较 目目 录录（四）某些（四）某些DNA 具有更复杂的螺旋结构具有更复杂的螺旋结构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酸链形成四螺旋DNA目目 录录 碱基序列依赖性的局部碱基序列依赖性的局部DNA 可形成发夹形或十字形结构可形成发夹形或十字形结构3.在特异碱基序列基础上在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构局部可形成特殊结构 目目 录录二、二、DNA的三级结构是超螺旋结构的三级结构是超螺旋结构DNA的超螺旋结构

18、的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)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。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 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 目目 录录意义意义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。 目目 录录（一）原核生物（一）原核生物DN

19、A的是环状超螺旋结构的是环状超螺旋结构目目 录录（二）真核生物的线粒体、叶绿体（二）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 真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体DNA(mtDNA)是一个封闭的双链环状分子。人是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA全长全长16,569个碱基对，共计个碱基对，共计37个基因个基因, 分别编码分别编码13个蛋个蛋白质、白质、2个个rRNA、22个个tRNA。目目 录录（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型环状环状DNA的三种拓扑异构体示意图的三种拓扑异构

20、体示意图1核酸分子具有拓扑核酸分子具有拓扑同分异构体同分异构体 目目 录录n比超螺旋（比超螺旋（specific superhelix），也称为超也称为超螺旋密度（螺旋密度（superhelical density）。以符号）。以符号表示：表示：（LkTw）/Tw，或Lk/Lk0可用于比较可用于比较DNA拓扑同分异构体的超螺旋拓扑同分异构体的超螺旋的方向和多少的方向和多少目目 录录2拓扑连环数可定量和定性地描述拓扑连环数可定量和定性地描述DNA拓扑同分异构体拓扑同分异构体 Lk Tw + WrLkLk为拓扑连环数为拓扑连环数(linking number)(linking number)，即闭

21、合环状，即闭合环状DNADNA双链的互绕数双链的互绕数(interwinding(interwinding number) number)；TwTw为为DNADNA某种构象某种构象双螺旋应有的双螺旋周数或扭曲数双螺旋应有的双螺旋周数或扭曲数(twisting number)(twisting number)，此，此值只与值只与DNADNA的碱基对数及构象有关，的碱基对数及构象有关，B B型型DNADNA的的TwTw值等值等于碱基对数除以于碱基对数除以1010；WrWr为超螺旋数或缠绕数为超螺旋数或缠绕数(writhing (writhing number)number)。对。对B B型型DNA

22、DNA来说，来说，TwTw和和WrWr的正负表示螺旋的的正负表示螺旋的方向，右手螺旋为正，左手螺旋为负。方向，右手螺旋为正，左手螺旋为负。 目目 录录3拓扑异构酶（拓扑异构酶（Topoisomerase）催化）催化DNA连环数的改变连环数的改变 概念概念：能够引起拓扑异构反应的酶。：能够引起拓扑异构反应的酶。作用作用：对：对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变的拓扑异构体发生改变。 类型类型：大肠杆菌至少有：大肠杆菌至少有2型型4种拓扑异

23、构酶。种拓扑异构酶。型拓扑型拓扑异构酶包括拓扑异构酶异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶和拓扑异构酶 ，其功能是去除，其功能是去除负超螺旋而松弛负超螺旋而松弛DNA ；型拓扑异构酶包括拓扑异构酶型拓扑异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶和拓扑异构酶，其功能是引入负超螺旋，其功能是引入负超螺旋 。 真核生物细胞同样有真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶型拓扑异构酶和和II型拓扑异构酶型拓扑异构酶。I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I 和和III；II型拓扑异构酶，型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶包括拓扑异构酶II和和II。与原核生物的拓扑异构酶不同，。与原核生物的拓扑异构酶不同，真核生物

24、的拓扑异构酶真核生物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋，能消除负超螺旋也能消除正超螺旋，拓扑异构酶拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。只消除负螺旋，但活性较低。 目目 录录三、真核生物三、真核生物DNA与组蛋白组成高度有与组蛋白组成高度有序的染色体序的染色体（一）核小体（一）核小体(nucleosome)是是染色质染色质的基本的基本组成单位，由组成单位，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目目 录录 核小体的结构示意图核小体的结构示意

25、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 组蛋白组蛋白分子质量在分子质量在11kD到到21kD之间，组蛋白中之间，组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白，种组蛋白，但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生物中生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功组蛋白氨基酸序列

26、高度保守，提示功能是相同的。但是各种生物的能是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相的相似性很少。似性很少。 目目 录录（二）（二）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 端粒端粒着丝粒着丝粒端粒端粒端粒和着丝粒的结构示意图端粒和着丝粒的结构示意图基因，分散的重复序列和多重复制起点基因，分散的重复序列和多重复制起点（三）真核生物染色体有（三）真核生物染色体有端粒端粒和和着丝粒着丝粒两个两个功能区功能区目目 录录端粒酶端粒酶

27、端粒酶端粒酶RNA 模板模板DNA结合蛋白结合蛋白TRF1和和TRF2端粒结构端粒结构a 端粒末端端粒末端DNA序列和端粒酶及端粒酶中的序列和端粒酶及端粒酶中的RNA序列序列 b 端粒末端结构示意图端粒末端结构示意图1端粒是染色体末端的结构端粒是染色体末端的结构 图 a图 b目目 录录2着丝粒是连接两个染色单体的中心部位着丝粒是连接两个染色单体的中心部位 着丝粒着丝粒（centromere）在有丝分裂时，使染色体均等）在有丝分裂时，使染色体均等有序地进入子代细胞。着丝粒是一段有序地进入子代细胞。着丝粒是一段DNA序列，富含序列，富含AT碱基对。酵母着丝粒长碱基对。酵母着丝粒长130bp，序列简

28、单，而高等真核生，序列简单，而高等真核生物细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短物细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短序列的方向是相同的。着丝粒中的重复序列的方向是相同的。着丝粒中的重复DNA序列在不同的序列在不同的物种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒物种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒中这种比较简单的中这种比较简单的DNA的确切功能依然不清楚。的确切功能依然不清楚。 目目 录录四、四、DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因

29、复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。 目目 录录（一）肺炎球菌转化证明（一）肺炎球菌转化证明DNADNA传递遗传信息传递遗传信息 （二）细胞中全部遗传信息称为基因组（二）细胞中全部遗传信息称为基因组基因组基因组（genome）就是一个细胞或病毒的全部遗就是一个细胞或病毒的全部遗传信息。绝大多数生物个体的基因组是传信息。绝大多数生物个体的基因组是DNA，

30、但有些病，但有些病毒的基因组是毒的基因组是RNA。 （三）常染色质与异染色质的（三）常染色质与异染色质的DNADNA活性不同活性不同常染色质常染色质（euchromatin），相对比较伸展，是基相对比较伸展，是基因表达活跃区域。对因表达活跃区域。对DNase敏感。敏感。异染色质异染色质（heterochromatin），折叠压缩程度较折叠压缩程度较高，是转录不活跃的区段，占染色质的高，是转录不活跃的区段，占染色质的10%，如着丝粒、，如着丝粒、端粒等。端粒等。目目 录录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能 RNA Structure and Function目目 录录动物细胞内主要的动

31、物细胞内主要的RNARNA种类及功能种类及功能细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功能功能核蛋白体核蛋白体RNArRNAmtRNA核蛋白体组成成分核蛋白体组成成分(不均一核不均一核RNA)hnRNA成熟成熟mRNA的前体的前体信使信使RNA mRNAmtRNA蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运转运RNAtRNAmtRNA转运氨基酸转运氨基酸细胞内小细胞内小RNA 核内小核内小RNAsnRNA参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运 核仁小核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修饰的加工和修饰 胞质小胞质小RNAscRNA蛋白质内质网定位合成信号等蛋白质内质网定位合成信号等目目 录录二、信使二

32、、信使RNA具有共同的基本结构框具有共同的基本结构框 架和编码功能架和编码功能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) )目目 录录目目 录录（一）（一）5 -端具有共同的帽结构端具有共同的帽结构大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也是甲基也是甲基化，形成帽子结构：化，形成帽子结构：m7GpppNm-。mRNA的帽结构的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding protei

33、ns, CBPs）的分子结合。这种）的分子结合。这种mRNA和和CBPs复合物对于复合物对于mRNA从细胞核向细胞从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合以及的结合以及mRNA稳定性的维持等均有重要作用。稳定性的维持等均有重要作用。目目 录录帽子结构帽子结构真核真核mRNA的的5 -末端末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状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 真核真核mRNA的的5 -末端末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状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）3 -末端具有多聚末端具有多

34、聚A尾结构尾结构 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷末端有一个多聚腺苷酸酸poly(A)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾尾。Poly(A)在细胞内与在细胞内与Poly(A)结合蛋白结合蛋白Poly(A) binding protein, PABP)相结合而存在，每相结合而存在，每1020个碱基结合一个个碱基结合一个PABP单体。所以，真核细胞的单体。所以，真核细胞的mRNA的的3 -端实际上是一个端实际上是一个Poly(A)和蛋白质多聚和蛋白质多聚体形成的复合物。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

35、控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能目目 录录（三）信使（三）信使RNA中间序列编码多肽链中间序列编码多肽链mRNA把把DNA所携带的遗传信息，按碱基所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以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。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，称为三三联体密码联体密码(triplet code)或或密码子密码子(codon)。由。由AUG及其后的连续三联

36、体密码及其后的连续三联体密码(无终止信号无终止信号)组组成的核苷酸序列称为成的核苷酸序列称为开放阅读框开放阅读框(open reading frame，ORF)，是多肽链的编码序列。，是多肽链的编码序列。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分子含有较多稀有碱基分子含有较多稀有碱基 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

37、为G 具有具有 T C 三、转运三、转运RNA具有特征性的分子结构具有特征性的分子结构目目 录录NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,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 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 1. DHU环环 2. 反密码环反密码环 3. 额外环额外环 4.TC环环 5. 氨基酸臂氨基酸臂氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环（二）二） tRNA的二级结构形似三叶草的二级结构形似三叶草目目 录录 氨基酸臂氨基酸臂T环环额

38、外环额外环三联密码子三联密码子环环 酵母丙氨酸酵母丙氨酸tRNA二级结构二级结构目目 录录（三）（三） tRNA的三级结构的三级结构是倒是倒L型型* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。目目 录录 AUAACACCGCGGCUUUUGAAAACGGGGGGUCGA C A CGUGUCGGTAUG CCUCAAAADDGCGCAUUCmGmAYC5G7G22OH-35757065605550403530252015105pA1G2G7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

39、三级结构及氢键的位置目目 录录* rRNA的结构的结构四、核糖体四、核糖体RNA的结构更复杂的结构更复杂目目 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 rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA 原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA（一）原核生物的有（一）原核生物的有3种种rRNA，真核生物有，真核生物有4种种rRNA目目 录录（二）原核生物和真核生物的核糖体均由（二）原核生物和真核生物的核糖体均由容易解聚的大、小两个亚基组成。容易解聚的大、小两个亚基组成。原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真

40、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与核糖体与核糖体蛋白质共同构成蛋白质共同构成核核糖体糖体，是蛋白质生物合成的场所是蛋白质生物合成的场所：为肽

41、链合成所需要：为肽链合成所需要的的mRNA、tRNA、多种蛋白因子提供了相互、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。结合的位点和相互作用的空间环境。（三）核糖体是蛋白质合成的场所（三）核糖体是蛋白质合成的场所目目 录录五、细胞内尚有大量其他小分子五、细胞内尚有大量其他小分子RNA除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs目目 录录snmRNAs的种类的种类核内小核内小RNA

42、RNA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 目目 录录（一）细胞核内小（一）细胞核内小RNARNA参与参与mRNAmRNA前体的剪接过程前体的剪接过程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末端裂解目目 录录（二）催化性（二）催化性RNA也参与特殊也参与特殊RNA剪接剪接 一些小一些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解的活性，降解的

43、活性，在在RNA合成后的剪接中具有重要作用。这种具有催化合成后的剪接中具有重要作用。这种具有催化作用的小作用的小RNA亦被称为亦被称为核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA (catalytic RNA) 。（三）核仁小（三）核仁小RNA参与参与rRNA中核苷酸残基的中核苷酸残基的修饰修饰（四）小干扰（四）小干扰RNA参与转录后调控参与转录后调控目目 录录RNA组学研究细胞中组学研究细胞中snmRNAs的种类、的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、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 间 、 不 同 状 态 下同 一 细 胞 在 不 同

44、时 间 、 不 同 状 态 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。 RNA组学组学目目 录录第第 四四 节节核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质Physical-chemical Characters of Nucleic Acids目目 录录目目 录录n核酸的核酸的酸碱及溶解度性质酸碱及溶解度性质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、核酸可被酸、碱水解一、核酸可被酸、碱水解目目 录录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

45、水解。碱和酶水解。 目目 录录NHNNHNONH2NHNNNOHNH2GNHNHOONNOHOHUNHNHOOCH3NNOHOHCH3TNNNHNNH2NHNNHNNHANNHNH2ONHNHNHOC二、核酸是两性化合物二、核酸是两性化合物（一）碱基可发生互变异构（一）碱基可发生互变异构目目 录录 （二）碱基在体液环境中以碱性解离为主（二）碱基在体液环境中以碱性解离为主 （三）核酸分子是酸性化合物（三）核酸分子是酸性化合物目目 录录三、核酸溶液有高分子性质三、核酸溶液有高分子性质n粘度粘度 ：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

46、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、核酸有紫外线吸收的特性四、核酸有紫外线吸收的特性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

47、= 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用目目 录录五、核酸具有五、核酸具有变性、复性和杂交行为变性、复性和杂交行为定义定义：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

48、性丧失（一）核酸变性时空间构象破坏（一）核酸变性时空间构象破坏目目 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目目 录录例：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。目目 录录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DNA的过程中以温度的过程中以温度对对A260(absorbance, A, A260代表溶液在代表溶液在260nm处的吸光率处的吸光率)值作图，所得的曲线称为解链曲线值作图，所得的曲线称为解链曲线。目目

49、录录 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为时的温度称为DNA的解链温度，又称融的解链温度，又称融解温度解温度(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。（二）（二）TmTm值是值是DNADNA变性的重要参数变性的重要参数目目 录录（三）变性的核酸可以复性与

50、分子杂交（三）变性的核酸可以复性与分子杂交 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的两条互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为恢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程称为退火退火(annealing) 。1变性的核酸可复性变性的核酸可复性 目目 录录2. 具有同源序列的核酸分子可相互杂交具有同源序列的核酸分子可相互杂交在在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种

51、类的变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之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（温度及间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链离子强度）下，就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这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，也之间形成，也可以在可以在DNA和和RNA分子之间或者分子之间或者RNA和和RNA分子之间形成。分子之间形成。这种现象称为这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交（hybridyzation）。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D