第二章核酸的化学2011汇总

1、目目 录录第 二 章核酸的化学核酸的化学目目 录录核核 酸（酸（nucleic acid） 是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸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 录录二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90% 90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布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, 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，决定细胞和个携带

2、遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(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。目目 录录第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目目 录录目目 录录核酸的化学组成核酸的化学组成 1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2. 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（ribose）：核

3、糖，脱氧核糖）：核糖，脱氧核糖 磷酸（磷酸（phosphate）目目 录录嘌呤（嘌呤（purine） NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤（腺嘌呤（adenine, A）NNHNHNNH2O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 目目 录录 碱基的互变异构碱基的互变异构目目 录录修饰碱基修饰碱基(modified component)(modif

4、ied component)或稀有碱基或稀有碱基（unusual componentunusual component） 目目 录录目目 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）目目 录录l戊糖戊糖 目目 录录目目 录录核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1. 核苷（核苷（ribonucleoside）的形成）的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧

5、核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷），连接形成核苷（脱氧核苷），且且都是都是糖苷键。糖苷键。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1目目 录录11N9N1目目 录录目目 录录“稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核苷。所生成的核苷。假尿苷（假尿苷（）1,C5-糖苷键糖苷键1C5目目 录录POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸（核苷酸（ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）

6、和磷酸以核苷（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）。 目目 录录NNNNNHHNHNHOOOOHOHOHOHCH2POHOOO目目 录录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：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONN

7、NNH2POOHNADP+NAD+目目 录录目目 录录环化核苷酸环化核苷酸cAMPcAMP激素的第二信使。激素的第二信使。cGMPcGMP大概也是第二信使。另外大概也是第二信使。另外cAMPcAMP也参与大肠杆菌中也参与大肠杆菌中DNADNA转录的调控。转录的调控。 目目 录录辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸 体内还有一些参与代谢的辅基和辅酶与核苷酸密切相关。体内还有一些参与代谢的辅基和辅酶与核苷酸密切相关。1 1、辅酶、辅酶I I（NADNAD+ +）：）：称为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，分子称为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，分子中除含尼克酰胺中除含尼克酰胺( (维生素维生素PP)PP)外，还含有核糖、磷酸及

8、一外，还含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸分子腺苷酸(AMP) (AMP) 2 2、辅酶、辅酶（NADPNADP+ +）：）：又称尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。又称尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录辅酶辅酶A A（CoACoA）：）： 含有腺苷酸。含有腺苷酸。目目 录录5 端端3 端端3. 3. 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目目 录录二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱

9、基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA目目 录录RNA目目 录录l核苷酸间以核苷酸间以3-53-5磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连l一端称为一端称为5-5-磷酸端（磷酸端（5-P5-P表示）表示） 一端称为一端称为3-3-羟基端（羟基端（3-OH3-OH表示）表示）l多聚核苷酸链具有方向性，表示时，多聚核苷酸链具有方向性，表示时， 需注明方向：需注明方向：5353或是或是3535A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 目目 录录目目 录录lDNA的大小

10、用碱基数目（的大小用碱基数目（base，kilobase，用于单链用于单链DNA和和RNA）或碱基对数目（）或碱基对数目（base pair，bp，或，或 kilobase pair，kbp，用于双链，用于双链DNA和和RNA）来表示。）来表示。目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA目目 录录一、一、 DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构目目 录录（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：A = TG C 碱基

11、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Erwin Chargaff （19051995）ChargaffChargaff s rule s rule： A=T, C=GA=T, C=G； AAGGCCTT（嘌呤与（嘌呤与嘧啶总数相等；嘧啶总数相等；有种属特异性有种属特异性无组织、器官特异性无组织、器官特异性不受年龄、营养、性别及其不受年龄、营养、性别及其他环境影响他环境影响（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNAD

12、NA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2nm2nm，形成大沟，形成大沟(major (major groove)groove)及小沟及小沟(minor (minor groove)groove)相间。相间。目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成

13、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; A=T; G G C C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm3.4nm，一圈，一圈1010对碱基。对碱基。目目 录录目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u碱基堆积力碱基堆积力维持双链维持双链纵纵向稳定性向稳定性。u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定横向稳定性。性。u磷酸基团上的负电荷和磷酸基团上的负电荷和介质中的阳离子形成的介质中的阳离子形成的离子键离子键。目目 录录目目 录录 该模型

14、揭示了该模型揭示了DNADNA作为遗传物质的稳定性特征作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了，最有价值的是确认了碱基配对碱基配对原则，这是原则，这是DNADNA复复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。递和表达的分子基础。 该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。个生命科学飞速发展的基石。目目 录录1 1、右手螺旋结构：、右手螺旋结构：由于由于DNADNA纤维的含水量不同，可分为

15、三种：纤维的含水量不同，可分为三种：B-DNAB-DNA、A-A-DNADNA、C-DNAC-DNA。lB-DNAB-DNA：WastonWaston and Crick and Crick提出的提出的DNADNA双螺旋结构为双螺旋结构为B-DNAB-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的另外溶液和细胞中天然状态的DNADNA可能是可能是B-DNAB-DNA。lA-DNAA-DNA：碱基与中心轴不相垂直，而呈碱基与中心轴不相垂直，而呈2020倾角。倾角。lC-DNAC-DNA：可能存在于染色体与某些病毒的可能存在于染色体与某些病毒的DNADNA中。中。三者区别见书本三者区别见书本P114P114。

16、目目 录录DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录 不同不同DNADNA纤维的空间结构纤维的空间结构 类型类型结晶状态结晶状态A ANaNa盐，相对湿度盐，相对湿度75%75%时结晶时结晶B BNaNa盐，相对湿度盐，相对湿度92%92%时结晶时结晶C C锂盐，相对湿度锂盐，相对湿度66%66%时结晶时结晶目目 录录1 9 7 91 9 7 9 年 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院年 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 R i c hR i c h 从从 d d（GpCpGpCpGpCpGpCpGpCpGpCp）一段脱氧核苷酸链）一段脱氧核苷酸链X X衍射中发现，衍射中发现，糖与

17、磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋称为糖与磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋称为Z-Z-DNADNA螺旋。螺旋。Z-DNAZ-DNA和和B-DNAB-DNA的区别见的区别见P114P114。目目 录录目目 录录lDNADNA的类型的类型类型类型 结晶状态结晶状态 螺距螺距 碱基距离碱基距离 每圈每圈 旋转旋转 (nm) (nm) bp(nm) (nm) bp数数 方向方向A A 相对湿度相对湿度75% 2.8 0.256 11 75% 2.8 0.256 11 右手右手 DNADNA钠盐钠盐B B 相对湿度相对湿度92%92% 3.4 0.34 10 3.4 0.34 10 右手右手 DNADNA

18、钠盐钠盐C C 相对湿度相对湿度66% 3.1 0.332 9.3 66% 3.1 0.332 9.3 右手右手 DNADNA锂盐锂盐Z d(GCGCGCZ d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 ) 4.44 0.37 12 左手左手目目 录录目目 录录 不同类型的不同类型的DNADNA双螺旋结构双螺旋结构目目 录录Z-DNAZ-DNA的生物功能：的生物功能：与基因表达、基因调控有关。与基因表达、基因调控有关。 目目 录录目目 录录二、二、DNADNA的三级结构的三级结构 指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭曲或再次螺旋所形成的结构。曲或再次螺旋所形

19、成的结构。l 原核生物：原核生物：大部分原核生物的大部分原核生物的DNADNA是共价封闭是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。形成超螺旋。l 真核生物：真核生物：DNADNA和蛋白质组装成染色体，染色和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是体的基本单位是核小体。核小体。目目 录录（一）（一）DNA的超螺旋结构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

20、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 录录目目 录录意义意义DNA超螺旋结构体或局部的拓扑学变化超螺旋结构体或局部的拓扑学变化及其调控对于及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过程具有转录过程具有关键作用。关键作用。 目目 录录目目 录录（二）（二）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真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp

21、 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录染色体染色质纤维核小体组蛋白DNA目目 录录染色体包装的结构模型染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数压缩倍数 7 6 40 500 （8400） DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装 真核生物DNA长度1.74m-直径5m的细胞核目目 录录（三）（三）DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基

22、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的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不

23、均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA

24、 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA目目 录录一、一、mRNA (信使信使RNA) 约占总约占总RNA的的5%， 不同细胞的不同细胞的mRNA链长和分子量差异很大，链长和分子量差异很大， 其功能

25、是将其功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成的遗传信息传递到蛋白质合成基地基地 核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。Messenger RNA目目 录录真核细胞真核细胞mRNAmRNA的特点：的特点： 33末端有多聚腺嘌呤的结构末端有多聚腺嘌呤的结构(polyA(polyA) ) 5 5末端具有帽子结构末端具有帽子结构(m(m7 7GpppN)GpppN) 一种一种 mRNAmRNA只含有一条多肽链的信息只含有一条多肽链的信息( (单顺反子）。单顺反子）。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

26、子( (exon) )目目 录录目目 录录* * mRNA结构特点结构特点1. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的5 5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-7-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 C 2 2也是也是甲基化，形成帽子结构：甲基化，形成帽子结构：m m7 7GpppNGpppNm m- -。2. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的3 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA(polyA) )结构，称为多聚结构，称为多聚A A尾。尾。目目 录录目目 录录真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA

27、-OH5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p目目 录录帽子结构帽子结构目目 录录mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性系的稳定性系翻译起始的调控翻译起始的调控 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* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互所携带的遗传信息，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。决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

28、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 录录二、二、tRNA (转移转移RNA) 约占总约占总RNA的的10-15%， 在蛋白质生物合成中翻译在蛋白质生物合成中翻译AA信息、将相应信息、将相应AA转转运到核糖核蛋白体，运到核糖核蛋白体， 每一个每一个AA至少有一个相应的至少有一个相应的tRNA， tRNA分子大小相似，一般为分子大小相似，一般为73-78个核苷酸。个核苷酸。lTransfer RNA目目 录录* 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

29、5 末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 转运转运RNA的结构与功能的结构与功能目目 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的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环目目 录录目目 录录* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* 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

30、质的翻译。白质的翻译。目目 录录目目 录录三、三、rRNA (核糖体核糖体RNA) 约占全部约占全部RNA的的80%， 是核糖核蛋白体的主要组成部分，是核糖核蛋白体的主要组成部分， 功能与蛋白质生物合成相关。功能与蛋白质生物合成相关。Ribosome RNA目目 录录* rRNA的结构的结构核蛋白体核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成的场所。原核生物原核生物16S rRNA的二级结构的二级结构目目 录录目目 录录* rRNA的种类（的种类（根据沉降系数根据沉降系数） 真核生物真核生物5S

31、rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA 原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA目目 录录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个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸

32、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 录录目目 录录目目 录录四四 、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学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 snm

33、RNAs的功能的功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。目目 录录 细胞核内小分子细胞核内小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA）：）：是细胞核内核蛋白颗粒（是细胞核内核蛋白颗粒（Small nuclear ribonucleoprotein particles，snRNPs）的组成成分，）的组成成分，参与参与mRNA前体的剪接以及成熟的前体的剪接以及成熟的mRNA由核内向由核内向胞浆中转运的过程。胞浆中转运的过程。 核仁小分子核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）：）：是类新的核酸调控分子是类新的核酸调控分子, 参

34、与参与rRNA前前体的加工以及核糖体亚基的装配。体的加工以及核糖体亚基的装配。 目目 录录 胞质小分子胞质小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA）：）：种类很多，其中种类很多，其中7S LRNA与蛋白质一起组成信号识与蛋白质一起组成信号识别颗粒（别颗粒（signal recognition particle，SRP）, SRP参与分泌性蛋白质的合成。参与分泌性蛋白质的合成。 反义反义RNA（antisense RNA）：）：由于它们可以与特异由于它们可以与特异的的mRNA序列互补配对，阻断序列互补配对，阻断mRNA翻译，能调节翻译，能调节基因表达。基因表达。 核酶：核酶

35、：是具有催化活性的是具有催化活性的RNA分子或分子或RNA片段。目片段。目前在医学研究中已设计了针对病毒的致病基因前在医学研究中已设计了针对病毒的致病基因mRNA的核酶，抑制其蛋白质的生物合成，为基因的核酶，抑制其蛋白质的生物合成，为基因治疗开辟新的途径，核酶的发现也推动了生物起源治疗开辟新的途径，核酶的发现也推动了生物起源的研究。的研究。 目目 录录 小的干涉小的干涉RNA（small interfering RNA; siRNA） 和微小和微小RNA（microRNA；miRNA）：）： 是两种序列特异性地转录后基因表达的调节是两种序列特异性地转录后基因表达的调节因子，是小因子，是小RNA

36、的最主要组成部分，它们的相关的最主要组成部分，它们的相关性密切，既具有相似性，又具有差异性。对小性密切，既具有相似性，又具有差异性。对小RNA的深入研究将使我们更深一步了解生命的奥的深入研究将使我们更深一步了解生命的奥秘。秘。目目 录录 miRNAs是一种是一种2125nt长的单链小分子长的单链小分子RNA，广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的短序列短序列RNA，它本身不具有开放阅读框（，它本身不具有开放阅读框（ORF）；）；成熟的成熟的miRNA，5端有一个磷酸基团，端有一个磷酸基团，3端为羟端为羟基。编码基。编码miRNAs的基因最初产生一个

37、长的的基因最初产生一个长的pri-RNA分子，这种初期分子还必须被剪成约分子，这种初期分子还必须被剪成约70-90个个碱基大小，具发夹结构的单链碱基大小，具发夹结构的单链RNA前体经过前体经过Dicer酶加工后生成，不同于酶加工后生成，不同于siRNA（双链）但是和（双链）但是和siRNA密切相关。密切相关。 目目 录录 miRNA在在mRNA翻译过程中起到开关作用，翻译过程中起到开关作用，它可以与靶它可以与靶mRNA结合，产生转录后基因沉默作结合，产生转录后基因沉默作用（用（post-transcriptional gene silencing，PTGS），），在一定条件下能释放，这样在一定

38、条件下能释放，这样mRNA又能翻译蛋白又能翻译蛋白质，由于质，由于miRNA的表达具有阶段特异性和组织特的表达具有阶段特异性和组织特异性，它们在基因表达调控和控制个体发育中起异性，它们在基因表达调控和控制个体发育中起重要作用。重要作用。目目 录录目目 录录 RNAi的作用机制 RNARNA干扰包括两个阶段干扰包括两个阶段: : 1 1、起始阶段、起始阶段 2 2、效应阶段、效应阶段目目 录录p起始阶段： 由外源导入或者由转基因，病毒感染等各种方式由外源导入或者由转基因，病毒感染等各种方式进入细胞的进入细胞的dsRNAdsRNA，被，被RNaseIIIRNaseIII家族中的双链特异家族中的双链

39、特异性核糖核酸酶（称为性核糖核酸酶（称为DicerDicer的酶的酶）以）以ATPATP依赖的方依赖的方式逐步被切割成式逐步被切割成21212323（25)nt25)nt的的小分子干扰核糖小分子干扰核糖核酸（核酸（small interference RNA,siRNAsmall interference RNA,siRNA) )。 生成的生成的siRNAsiRNA的的55端为磷酸基，端为磷酸基，33端为羟基端为羟基并有并有2 2个未配对的单核苷酸。个未配对的单核苷酸。目目 录录processing the dsRNA into 21-23 nt fragments3427212016smal

40、l-interfering RNAQuickTime and aGIF decompressorare needed to see this picture.step one: 目目 录录 siRNAs have a defined structure19 nt duplex2 nt 3 overhangs目目 录录p在效应阶段 siRNAsiRNA与特定的酶结合形成与特定的酶结合形成RNARNA诱导的基因沉默复合诱导的基因沉默复合体（体（RNA-induced silencing complexRNA-induced silencing complex，RISCRISC）。）。 RISCRI

41、SC复合体中含有复合体中含有siRNAsiRNA、核酸内切酶、核酸外切、核酸内切酶、核酸外切酶以及解旋酶等。酶以及解旋酶等。 RISCRISC以以ATPATP依赖的方式催化双链依赖的方式催化双链siRNAsiRNA解旋成单链，解旋成单链，由其中的反义链识别与其同源的靶由其中的反义链识别与其同源的靶mRNAmRNA并与靶并与靶mRNAmRNA配对结合。配对结合。 随后，核酸内切酶在距离随后，核酸内切酶在距离siRNAsiRNA 3 3端端1212个碱基个碱基的位置的位置切割靶切割靶RNARNA。目目 录录 切割后的切割后的靶靶RNARNA在核酸外切酶的作用下在核酸外切酶的作用下被降解掉被降解掉，

42、导致目的基因的沉默。导致目的基因的沉默。这种基因能正常转录成这种基因能正常转录成mRNAmRNA，但，但mRNAmRNA因被因被降解使基因功能被阻断，这种降解使基因功能被阻断，这种RNAiRNAi方式称方式称为转录后沉默为转录后沉默. . 目目 录录siRNAModel for RNAi目目 录录RNA InterferencedsRNADicer endonuclease21-23 bp (or nt) siRNAdestroy mRNAfind complementary mRNA(RISC complex)目目 录录RNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中snmRNAs的种类、的种类、结

43、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。 RNARNA组学组学核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节目目 录录目目 录录l 碱基含有共轭双键碱基含有共轭双键l最大吸收峰最大吸收峰260nm左右左右目目 录录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DNA40g/ml

44、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的应用的应用目目 录录二、二、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

45、：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 录录目目 录录 某些理化因素破坏了某些理化因素破坏了氢键氢键和和碱基堆积力碱基堆积力， 使核酸分子高级结构改变、理化性质及使核酸分子高级结构改变、理化性质及 生物活性发生改变。生物活性发生改变。 不涉及磷酸二酯键断裂，一级结构不变。不涉及磷酸二酯键断裂，一级结构不变。变性的实质变性的实质目目 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DNADNA的变性过程的变性过程加热加热部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规则线团无

46、规则线团 链内碱基配对链内碱基配对目目 录录DNADNA变性（加热或极端变性（加热或极端pHpH）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 录录解链曲线：解链曲线：如果在连续加热如果在连续加热DNADNA的过程中以的过程中以温度对温度对A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代表溶液在代表溶液在260nm260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线链曲线。目目 录录 Tm

47、：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，又称融解的解链温度，又称融解温度温度(melting temperature, Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。目目 录录目目 录录l一般一般DNA Tm 值在值在85 - 90 C之间。之间。目目 录录（1 1）DNA的均一性：的均一性：（2）GC含量：含量： 经验公式：经验公式： XG+C（Tm69.3）2.44（3）介质中的离子强度：）介质中的离子强度： Tm值大小与下

48、列因素有关：值大小与下列因素有关：三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 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DNADNA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) 。目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录l分子量越大复性越难；分子量越大复性越难；l浓度越大，复性越容易

49、；浓度越大，复性越容易；lDNA复性也与它本身组成和结构有关；复性也与它本身组成和结构有关； （具有很多重复序列（具有很多重复序列DNA，复性快）。，复性快）。l减色效应减色效应（低色效应）（低色效应）复性时紫外吸收减少的现象复性时紫外吸收减少的现象目目 录录在在DNA变性后的复性过程中，如果将不变性后的复性过程中，如果将不同种类的同种类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定溶液中，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及离子强度）

50、下，就可以在不同的分子间形成成杂化双链杂化双链(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，也可以在之间形成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) 目目 录录目目 录录目目 录录变性变性（加热）（加热）探针探针杂交杂交（缓慢冷却缓慢冷却）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却）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

51、录录目目 录录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否，检测某些专一序列在待检样品中存在与否，是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 。目目 录录第第 五五 节节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease目目 录录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)：

52、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：分为限制性核酸内切酶和非分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。特异性限制性核酸内切酶。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。目目 录录u参与参与DNA的合成与修复及的合成与修复及RNA合成后的剪合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程接等重要基因复制和基因表达过程 u负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，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解食物中的核酸以利

53、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 目目 录录 核核 酶酶u 催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 u 催化性催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核作为序列特异性的核酸内切酶降解酸内切酶降解mRNA。 目目 录录目目 录录 基因（基因（genegene）是指位于染色体的特定是指位于染色体的特定位置、编码特异的蛋白质或位置、编码特异

54、的蛋白质或RNARNA的一段核酸的一段核酸序列是遗传物质的结构和功能单位。序列是遗传物质的结构和功能单位。 基因组基因组(genome)(genome)代表了一个生物细代表了一个生物细胞内的全部基因。胞内的全部基因。目目 录录 基因组学基因组学(Genomics):(Genomics):指对所有基因进行基因指对所有基因进行基因组作图组作图( (包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱) )，核苷，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学。 基因组学包括两方面的内容：基因组学包括两方面的内容： 以 全 基 因 组 测

55、序 为 目 标 的以 全 基 因 组 测 序 为 目 标 的 结 构 基 因 组 学结 构 基 因 组 学(structural genomics)(structural genomics)和以基因功能鉴定为目标的和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学功能基因组学(functional genomics)(functional genomics)。目目 录录l原核生物基因组特点原核生物基因组特点l 重复序列少，多位编码区重复序列少，多位编码区l 多为操纵子形式组织多为操纵子形式组织l 有重叠基因存在有重叠基因存在l 真核生物基因组特点真核生物基因组特点l 以染色体存在以染色体存在l 重复序列多重

56、复序列多 目目 录录基因组的结构与形式基因组的结构与形式 真核生物基因组远大于原核生物的基因组，多真核生物基因组远大于原核生物的基因组，多是线性双链是线性双链DNADNA分子，与蛋白质结合构成染色体，分子，与蛋白质结合构成染色体，位于细胞核中，除配子细胞外，体细胞内的基因组位于细胞核中，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的是双份的( (即双倍体，即双倍体，diploid)diploid)，即有两份同源的，即有两份同源的基因组；原核生物基因组较小，没有核膜包裹，且基因组；原核生物基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样形式多样 。目目 录录基因组的构成基因组的构成 真核生物结构基因占整个基因组的比

57、例很小，真核生物结构基因占整个基因组的比例很小，基因组中非编码序列远远多于编码序列，非编码序基因组中非编码序列远远多于编码序列，非编码序列可占列可占90%90%。而原核生物的。而原核生物的DNADNA分子绝大部分用于编分子绝大部分用于编码蛋白质，只有一小部分是不翻译的，不翻译区码蛋白质，只有一小部分是不翻译的，不翻译区( (又称间隔区又称间隔区) )通常包含控制基因表达的序列。通常包含控制基因表达的序列。目目 录录基因重叠基因重叠 病毒基因组具有重叠基因（病毒基因组具有重叠基因（overlapping geneoverlapping gene）的结构，即多个基因在同一的结构，即多个基因在同一D

58、NADNA分子上部分或完全重分子上部分或完全重叠，该叠，该DNADNA序列能够编码两种甚至三种蛋白质分子；序列能够编码两种甚至三种蛋白质分子；而真核基因组及细菌的基因组没有这种结构。而真核基因组及细菌的基因组没有这种结构。目目 录录DNADNAIPO abc转录转录 翻译翻译 重叠基因重叠基因 (overlapping gene)蛋白蛋白A蛋白蛋白B蛋白蛋白C目目 录录基因转录基因转录 真核细胞基因转录产物为真核细胞基因转录产物为单顺反子单顺反子mRNAmRNA，即一，即一个结构基因转录生成一个个结构基因转录生成一个mRNAmRNA分子，经翻译生成一分子，经翻译生成一条多肽链。条多肽链。 原核生物功能相关的几个结构基因常常串连在原核生物功能相关的几个结构基因常常串连在一 起 ， 受 一 套 调 控 基 因 的 调 节 ， 组 成 操 纵 子一 起 ， 受 一 套 调 控 基 因 的 调 节 ， 组 成 操 纵 子（operonoperon）结构，并转录生成同一