核酸的分子结构与核苷酸代谢课件.ppt

1、目目 录录第 十章核酸的分子结构与核苷核酸的分子结构与核苷酸代谢酸代谢 and Metabolism of Nucleotides 目目 录录二十世纪是二十一世纪是物理学生命科学的世纪的世纪生命是生命 =核酸 +蛋白质二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪？目目 录录目目 录录核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，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。从高等动植物到最简单的携带和传递遗传信息。从高等动植物到最简单的病毒，都含有核酸。病毒，都含有核酸。概 述目目 录录1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中从脓细胞中提取提取“核

2、素核素”1889年年 Altmann提取得到提取得到不含蛋白质的核酸不含蛋白质的核酸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 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码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

3、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目目 录录目目 录录二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 DNADNA为双链分子，其中大多数是链为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结状结构大分子，也有少部分呈环状结构。构。真核细胞中真核细胞中90%90%以上分布于细胞以上分布于细胞核，其余分布于核外核，其余分布于核外如线粒体如线粒体、叶绿叶绿体体、等。等。主要主要分布于分布于细胞质，少量在细胞质，少量在胞核。胞核。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧

4、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DNADNA遗传信息的传递遗传信息的传递与表达。分子量要比与表达。分子量要比DNADNA小得多。小得多。RNARNA为单链分子。某些病毒为单链分子。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。根据核酸的化学组成把核酸分为两大类：目目 录录RNA又可根据分子大小和生物学功能不同，分为：信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）转运核糖核酸（Transfer RNA，tRNA）核糖体核糖核酸（Ribosomal RNA，rRN

5、A）目目 录录rRNAtRNAmRNA比例8082151635沉降系数原核5S、16S、23S；真核5S、18S、28S、5.8S4S625S代谢稳定性稳定稳定不稳定存在形式与多种蛋白质形成核糖核蛋白体，位于粗面内质网上或以单体形式存在与氨基酸结合或以游离状态存在与核糖体结合或单独存在存在部位细胞浆细胞浆细胞浆生理功能蛋白质合成的场所在蛋白质合成过程中运输活化的氨基酸蛋白质合成的模板目目 录录三三、核酸的、核酸的生物学功能生物学功能（一）DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质1944，O.Avery 肺炎双球菌转化实验1952，A.D Hershey 和M.Chase 噬菌体感染实验（二）（二

6、）RNA功能的多样性功能的多样性1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰3、参与基因表达的调控4、生物催化作用目目 录录1944年，年，Avery等发现从等发现从S型肺炎球菌中提取的型肺炎球菌中提取的DNA与与R型肺炎球菌混合后，能使某些型肺炎球菌混合后，能使某些R型菌转化型菌转化为为S型菌，且转化率与型菌，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将纯度呈正相关，若将DNA预先用预先用DNA酶降解，转化就不发生。结论是酶降解，转化就不发生。结论是：S型菌的型菌的DNA将其遗传特性传给了将其遗传特性传给了R型菌，型菌，DNA是遗传物质。从此核酸是遗传物质的重要地位被是遗传物质。从此核酸是遗传物

7、质的重要地位被确立，人们把对遗传物质的注意力从蛋白质移到确立，人们把对遗传物质的注意力从蛋白质移到了核酸上。后来发现，除少数病毒的遗传物质是了核酸上。后来发现，除少数病毒的遗传物质是RNA外，大多数生物的遗传物质是外，大多数生物的遗传物质是 DNA。目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录第一节第一节核酸的化学组成及其结构核酸的化学组成及其结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目目 录录核 酸（nucleic acid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoric acid)核苷(nucleosi

8、de)戊糖(pentose)碱 基(base)一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 磷酸磷酸 核糖核糖 核酸核苷酸核酸核苷酸 戊糖戊糖 核苷核苷 脱氧核糖脱氧核糖 嘌呤碱嘌呤碱 含氮碱含氮碱 嘧啶碱嘧啶碱 目目 录录核酸的基本构成核酸的基本构成碱基碱基戊糖戊糖核苷核苷核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸Nucleic acidNucleotideNucleoside 脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖Base Ribose Deoxyribose 嘧啶碱嘧啶碱嘌呤碱嘌呤碱胸腺嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶尿嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶Purine basesthyminecytosineuracilPyrimi

9、dine basesadenineguanine目目 录录1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）、）、S（个别核酸）（个别核酸）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)1）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

10、啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3目目 录录目目 录录腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶 DNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶 RNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶 目目 录录此外自然界还存在一些重要的碱基和稀有碱基如：次黄嘌呤（Hypoxanthine，H)、黄嘌呤（Xanthine，X）。稀有碱基：有些核酸中某些碱基的氢可被其他化学基团如甲基、羟甲基、-F、-S、乙酰基等取代，形成修饰碱基，通常含量很少，故称为。目前已发现几十种

11、稀有碱基。如7甲基鸟嘌呤（m7G)、5甲基胞嘧啶（m5C)、m7A、F5U、Nm6U等。目目 录录2 2）戊戊 糖糖-D-D-核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH目目 录录核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR3、核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成l 核苷核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。而生成的化合物。l在大多数情况下，核苷是由核糖或脱

12、氧在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的核糖的C1-C1-羟基与嘧啶碱羟基与嘧啶碱N1N1或嘌呤碱或嘌呤碱N9N9进行缩合，故生成的化学键称为进行缩合，故生成的化学键称为，N N糖苷糖苷键键由碱基和核糖（脱氧核糖）通过由碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连连接形成核苷（脱氧核苷）。接形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1目目 录录嘧啶碱：C1 N1，嘌呤碱：C1 N9。核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型碱基平面与核糖平面互相垂直目目 录录腺苷腺苷(AR)脱氧胞苷脱氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷键糖苷键 1,N1-糖苷键糖苷键11N-9N-1目目 录录1C5假尿苷（假尿苷

13、（）1,C5-糖苷键糖苷键目目 录录核苷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 4、核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名l核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸核糖核苷酸和和脱氧核糖核脱氧核糖核苷酸苷酸两大类。两大类。目目 录录核苷酸的分子结构核苷酸的分子结构目目 录录 5-5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在55位缩合的磷酸位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷

14、酸核苷和三磷酸核苷。二磷酸核苷和三磷酸核苷。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，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+目目 录录细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物核苷5-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。环核苷酸3,5-cAMP，3,5-cGMP信号分子，cAMP调节细胞

15、的糖代谢、脂代谢。核苷5多磷酸3多磷酸化合物ppGpp pppGpp ppApp核苷酸衍生物HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。目目 录录环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷目目 录录目目 录录目目 录录5 端端3 端端6 6、核苷酸的连接核苷酸的连接 核酸是由许多单核苷核酸是由许多单核苷酸聚合形成的多核苷酸链，酸聚合形成的多核苷酸链，没有分支。没有分支。核苷酸之间以核苷酸之间以3 3，55磷酸二酯键磷酸二酯键连连接形成多核苷酸链接形成多核苷酸链。核苷。核苷酸链的方向是酸链的方向是5533。CGA目目

16、 录录目目 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列顺核酸中核苷酸的排列顺序。序。一 分 子 的 核 苷 酸 的一 分 子 的 核 苷 酸 的3-3-位羟基与另一分子核苷位羟基与另一分子核苷酸的酸的5-5-位磷酸基通过脱水位磷酸基通过脱水可形成可形成3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起从而将两分子核苷酸连接起来来由于核苷酸间的差异主由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为要是碱基不同，所以也称为碱基序列碱基序列。55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 3

17、 5 A C T G C T 3 目目 录录目目 录录l核 苷 酸 单 位核 苷 酸 单 位 通 过通 过3,5-3,5-磷酸二酯磷酸二酯键连键连接起来核酸就是由许多接起来核酸就是由许多形成的不含侧链的长链形成的不含侧链的长链状化合物。状化合物。l核酸核酸具有方向性具有方向性的长链的长链状化合物，多核苷酸链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为的两端，一端称为5-5-端，另一端称为端，另一端称为3-3-端。端。目目 录录第二节第二节DNA的分子结构的分子结构Dimensional Structure of DNA目目 录录一、一、DNA的一级结构的一级结构 定义：DNA的一级结构是指在多核苷酸链

18、中各个脱氧核苷酸分子间的连接方式、核苷酸的种类数量及排列顺序。DNA是由由dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP和和dTMPdTMP四种脱四种脱氧核糖核苷酸氧核糖核苷酸通过3、5-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。意义：一级结构蕴藏了遗传信息，决定了DNA的二级结构和空间结构。目目 录录二、二、DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景目目 录录1、DNA分子中碱基组成的规律分子中碱基组成的规律Chargaff 规律规律(1950-1953年年)a.在所有生物的

19、DNA中，DNADNA分子中分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性即律性即A=T，G=C 且A+G=C+T(碱基当量规律或Chargaff 规律规律）。b.DNA的碱基组成具有种的特异性。c.DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。目目 录录2、DNA纤维和DNA晶体的X光衍射分析。Franklin、Wilkins19531953年由年由WilkinsWilkins研究小组完成的研究工作，发现了研究小组完成的研究工作，发现了DNADNA晶体的晶体的X X线衍射图谱中存在两种周期性反射，线衍射图谱中存在两种周

20、期性反射，DNA分子是由两条链排列成螺旋状，沿纤维长轴有0.34nm和3.4nm两个重要的周期性变化。目目 录录1953年，Watson和 C r i c k 根 据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。目前已知目前已知DNADNA双螺旋结构可分为双螺旋结构可分为A A、B B、C C、D D及及Z Z型等数种，除型等数种，除Z Z型为左手双螺型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。旋外，其余均为右手双螺旋。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）1 1、DNADNA分子由两条分子由两条相互平行相

21、互平行但走向相反但走向相反的脱氧多核苷酸的脱氧多核苷酸链，围绕同一中心轴以链，围绕同一中心轴以右手右手螺旋螺旋方式构成一个双螺旋形方式构成一个双螺旋形状。状。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）2 2、疏水的碱基平面层叠于螺旋的内、疏水的碱基平面层叠于螺旋的内部，亲水的脱氧核糖部，亲水的脱氧核糖-磷酸以磷酸磷酸以磷酸二酯键相连形成的骨架位于螺旋二酯键相连形成的骨架位于螺旋的外侧。的外侧。3、碱基平面与螺旋轴垂直居核糖平、碱基平面与螺旋轴垂直居核糖平面与螺旋轴平行，面与螺旋轴平行，两条链间存在两条链间存在碱基互补碱基互补：A A

22、与与T T或或G G与与C C配对形成配对形成氢键，称为碱基互补原则（氢键，称为碱基互补原则（A A与与T T为两个氢键，为两个氢键，G G与与C C为三个氢键为三个氢键）；）；目目 录录目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 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）4、相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，旋，旋转夹角转夹角36o。每。每10对对核苷酸绕螺核苷酸绕螺旋轴旋转旋轴旋转一圈，螺距为一圈，螺距为3.4nm。5、双、双螺旋直径为螺旋直径为2 2nm，形成大沟，形成大沟(major groove)及小沟及小沟

23、(minor groove)相间。大沟宽而深，小沟相间。大沟宽而深，小沟窄而浅。窄而浅。4.4.螺旋的稳定因素为螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力。氢键和碱基堆砌力。氢键氢键维持双维持双链链横向稳定性横向稳定性，碱基堆积力碱基堆积力维持维持双链双链纵向稳定性纵向稳定性。目目 录录目目 录录 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条53，另一条35目目 录录 磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。目目 录录碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一

24、起。螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持目目 录录 每圈螺旋10.4nt，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm，大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm目目 录录目目 录录(三）稳定双螺旋结构的因素三）稳定双螺旋结构的因素碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。碱基分子内能。碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。（四）（四）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录目目 录录相

25、对湿度92%：BDNA相对湿度75%：ADNA。（1）BDNA：典型的：典型的Watson-Crick双螺旋双螺旋DNA右手双螺旋每圈螺旋10.4个碱基对螺距：3.32nm（2）A-DNA右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。（3）Z-DNA左手螺旋，外形细长。天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。目目 录录三、三、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装（三级结构）中的组装（三级结构）（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

26、。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 录录连环数（连环数（linking number,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数（扭转数（twisting number,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示超螺旋数（缠绕数超螺旋数（缠绕数,writhing number,W）连环数（L）扭转数（T）缠绕数W松驰环25250解链

27、环23230超螺旋2325-2L=T+W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（二）原核生物（二）原核生物DNADNA的三级结构：的三级结构：绝大多数原核生物绝大多数原核生物的的DNADNA都是共价封都是共价封闭的环状双螺旋。闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕如果再进一步盘绕则形成麻花状的超则形成麻花状的超螺旋三级结构。螺旋三级结构。目目 录录（三）（三）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l真核生物染色体由真核生物染色体由DN

28、A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)。l在真核生物中，双螺旋的在真核生物中，双螺旋的DNADNA分子围绕一分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为珠状结构，称为核小体核小体。核小体结构属于。核小体结构属于DNADNA的三级结构。的三级结构。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录四、四、DNA的功能的功能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传信息，的形式荷载遗传信息，并作为

29、基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因基因（genegene）：从结构上定义，：从结构上定义，是指是指DNA分子分子中中具有特定生物学功能的具有特定生物学功能的特定区段，其中的核苷酸特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。排列顺序决定了基因的功能。一个生物体的全部。一个生物体的全部DNADNA序列称为序列称为基因组（基因组（genomegenome）。基因组的大小与生物基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒的复杂性有关，如病毒SV40SV40的基因组大小为的基因组大小

30、为5.15.110103 3bpbp，大，大肠杆菌为肠杆菌为5.75.710106 6bpbp，人为，人为3 310109 9bpbp。目目 录录第三节第三节 RNA的分子结构的分子结构Structure of RNA目目 录录一、一、RNARNA的碱基组成的碱基组成 RNA由四种主要碱基A、G、C、U组成。一般不含T。还含有少量稀有碱基。如假尿嘧啶核苷及甲基化碱基等。但RNA分子中的碱基没有A=U、GC的比例关系。目目 录录lRNARNA分子主要由分子主要由AMPAMP，GMPGMP，CMPCMP，UMPUMP四种核糖核苷酸组成。四种核糖核苷酸组成。RNARNA的一级结的一级结构就是指构就是

31、指RNARNA分子中核糖核苷酸的排列顺分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。序及连接方式。二、二、RNARNA的一级结构的一级结构目目 录录1、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

32、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 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

33、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RNA2、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)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mRNA的的5 末端均在转录后加上末端均在转录后加上一个一个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也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个长约末端有一个长约30200个核苷酸残基的

34、多聚腺苷酸个核苷酸残基的多聚腺苷酸(polyA)结构，结构，称为多聚称为多聚A尾（尾（polyA)。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增加增加mRNA的稳定性的稳定性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

35、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*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 5 末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 3、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*rRNArRNA

36、是细胞中是细胞中含量含量最多最多的的RNARNA，占总量，占总量的的80%80%。4、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rRNArRNA与蛋白质一起与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。白质生物合成的场所。参与组成核蛋白体，作参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场为蛋白质生物合成的场所。所。目目 录录*rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）在原核生物中，在原核生物中，rRNArRNA有三种：有三种：5S5S，16S16S，23S23S。其中，。其中，16S16S的的rRNArRNA参与构成核蛋白参与构成核蛋白

37、体的小亚基，而体的小亚基，而5S5S和和23S23S的的rRNArRNA参与构参与构成核蛋白体大亚基。成核蛋白体大亚基。在真核生物中，在真核生物中，rRNArRNA有四种：有四种：5S5S，5.8S5.8S，18S18S，28S28S。其中，。其中，18S18S的的rRNArRNA参与构成参与构成核蛋白体小亚基，其余的核蛋白体小亚基，其余的rRNArRNA参与构成参与构成核蛋白体大亚基。核蛋白体大亚基。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

38、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 录录三、三、RNARNA的二级结构的二级结构单链局部回环结构（发夹结构）单链局部回环结构（发夹结构）*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 二氢尿嘧啶环（二氢尿嘧啶环（DHU环）环）812个核苷酸

39、个核苷酸 反密码环反密码环 7个核苷酸个核苷酸 额外环（可变环、附加叉）额外环（可变环、附加叉）421个核苷酸个核苷酸 TC环环 7个核苷酸个核苷酸目目 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环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环目目 录录氨基酸臂氨基酸臂可变臂可变臂DHU臂臂反密码臂反密码臂TC臂臂目目 录录*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功的功能能活 化、活 化、搬运氨基酸搬运氨基酸到核糖体，到核糖体，参与蛋白质参与蛋白质的翻译。的翻译。四、四、RNARNA的三级结构的三级结构目目 录录五、其他

40、小分子五、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 snmRNAs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RNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中sn

41、mRNAs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 录录一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质1 1、大分子性质：核酸的分子量很大，一般为、大分子性质：核酸的分子量很大，一般为10106 610101010。核酸溶

42、液粘度大。核酸溶液粘度大。2 2、溶解性：核酸微溶于水，不溶于有机溶剂。、溶解性：核酸微溶于水，不溶于有机溶剂。3 3、核酸的酸碱性质核酸的酸碱性质 核酸中的磷酸和碱基均能发生两性解离。核酸是两性电解质。具有酸性。具有酸性。DNA等电点 44.5；RNA 等电点 22.5目目 录录4、DNA和RNA的鉴定1）二苯胺法鉴定DNA鉴定脱氧核糖在酸性条件下，DNA与二苯胺共热，产生兰紫色物质，在595nm处有最大吸收。2)地衣酚（苔黑酚）法鉴定RNA鉴定核糖RNA与浓盐酸及地衣酚共热，产生绿色化合物，在670nm处有最大吸收。目目 录录二、二、核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收碱基、核苷、核苷酸和核酸在2

43、40290nm的紫外波段有强烈的光吸收，最大吸收峰为最大吸收峰为260nm260nm。max=260nm1.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DNA 40g/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=1.8 RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低。3、判断、判断DNA是否变性是否变性在DNA的变性过程中，摩尔吸光系数增大（增色效应）在DNA的复性过程中，摩尔吸光系数减小（减色效应OD

44、260的应用的应用目目 录录目目 录录(一一)变性变性(denaturation)是指在某些理化因素作用下在某些理化因素作用下核酸双螺旋区的氢键断裂，变成两条单链，即改变了核酸的二级结构，但并不破坏核酸的一级结构，不涉及共价键断裂。三、三、核酸的变性、复性及杂交核酸的变性、复性及杂交目目 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 实质实质 破坏破坏DNADNA的空间结构的空间结构例：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

45、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：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

46、,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 变性因素：热变性 酸碱变性（pH小于4或大于11）变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛、酰胺以及某些有机溶酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。剂如乙醇、丙酮等。）变性后的理化性质：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 熔解温度（熔解温度（Tm）：）：通常将50的DNA分子发生变性即DNA的双螺旋结构失去一半时对应的温度称为解链温度。浓度50ug/mL时，双链DNA A260=1.00，完全变性（单链）A260=1.37

47、，当A260增加到最大增大值一半时，即1.185时，对应的温度即为Tm。DNA的Tm一般在7085之间DNA的变性是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。目目 录录影响影响DNA的的Tm值的因素值的因素DNA均一性。均一性高，变性的温度范围越窄，据此可分析DNA的均一性。目目 录录G-C含量与Tm值成正比。测定Tm，可推知G-C含量。G-C%=（Tm-69.3）2.44 Tm值与GC含量的关系目目 录录介质中离子强度介质中离子强度离子强度高，Tm高。增色效应增色效应增色效应：在DNA的变性过程中，DNA由于碱基对失去重叠，260nm处的紫外吸收值明显升高，这种现象称为。同时DNA的生物

48、活性丧失，粘度下降，沉降系数增加，比旋下降。目目 录录(二二)复性复性(renaturation)去除变性因素后，变性DNA在适当（一般低于Tm2025）条件下，两条链重新缔合成双螺旋结构，这种现象称为或退火。减色效应：变性DNA复性时，其紫外吸收值降低，一系列理化性质得到恢复。复性过程：1、成核作用（nucleation）2、拉拉链作用（zippering）目目 录录DNA的复性的复性 复性的条件复性的条件 .足够高的盐浓度足够高的盐浓度 .适当的温度适当的温度 .恰当的复性时间恰当的复性时间目目 录录复性机制：10-20bp成拉链热变性DNA在缓慢冷却时可以复性，快速冷却不能复性。DNA片

49、段越大，复性越慢；DNA浓度越大，复性越快。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）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

50、间或者RNA与与RNA分子间形成。分子间形成。(三三)核酸核酸分子杂交分子杂交(hybridization)目目 录录 相同或不同来源的相同或不同来源的DNA分子间或分子间或DNA和和RNA分子间，如果含有彼此互补的序列，通过分子间，如果含有彼此互补的序列，通过变性和复性处理，变性和复性处理，DNADNA同源序列间及同源序列间及DNARNA异源序列间都可形成异源序列间都可形成DNA-DNA杂杂合体或合体或DNARNA杂合体，称为。杂合体，称为。根据核酸分子杂交的原理，人工制备或从根据核酸分子杂交的原理，人工制备或从基因组中分离一段已知序列的基因组中分离一段已知序列的DNA，使之带上，使之带上标