第章核酸的化学ppt课件

1、第 五 章核酸的化学南方医科大学南方医科大学 基因工程研讨所基因工程研讨所生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室周珏宇教学要求【教学课时】【教学课时】 4学时学时【掌握内容】【掌握内容】 常见核苷酸的构造、符号和性质；常见核苷酸的构造、符号和性质；DNA和和RNA的分子组的分子组成；核酸分成；核酸分 子中核苷酸的衔接方式、键的方向性，核酸的一级构造及子中核苷酸的衔接方式、键的方向性，核酸的一级构造及其表示法；其表示法； DNA的二级构造的特点；掌握原核生物的二级构造的特点；掌握原核生物DNA的超螺旋构的超螺旋构造；真核生造；真核生 物染色体的根本单位物染色体的根本单位-核小体的构

2、造；核小体的构造；DNA的生物学功能；的生物学功能；RNA的种的种 类与功能；信使类与功能；信使RNA和转运和转运RNA的构造特点；的构造特点；tRNA二级二级构造的特点构造的特点 与功能；与功能；DNA的变性和复性概念和特点；解链曲线与的变性和复性概念和特点；解链曲线与Tm。 【熟习内容】【熟习内容】 核蛋白体核蛋白体RNA的构造与功能；核酸分子杂交原理。的构造与功能；核酸分子杂交原理。【了解内容】【了解内容】 了解核酸酶的分类与功能。了解核酸酶的分类与功能。主 要 内 容1354核酸概述核酸概述核酸的化学组成核酸的化学组成RNA的分子构造的分子构造DNA的分子构造的分子构造核酸的理化性质与

3、分别纯化核酸的理化性质与分别纯化2核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为根本组成单位的生物大是以核苷酸为根本组成单位的生物大分子，携带和传送遗传信息。分子，携带和传送遗传信息。核核 素素(nuclein) 1869年，瑞士科学年，瑞士科学家家F.Miescher从脓细从脓细胞中提取到一种富含胞中提取到一种富含磷元素的酸性化合物磷元素的酸性化合物Friedrich Miescher米歇尔米歇尔1844-1895 1889年，奥尔特曼年，奥尔特曼(R. Altmann)初次提出了核酸初次提出了核酸(nucleic acid)的称号。的称号。 1885-1901年，年，Kossel等证

4、明核酸由等证明核酸由A、T、C、U四种碱基。四种碱基。1911-1934年年Levene等确定了核酸有两种，一种是等确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸，另一种是核糖核酸(RNA)。Albrecht Kossel科赛尔科赛尔1853-1927 Phoebus Aaron Theodor Levene 列文列文(1869-1940) Frederick Griffith格里菲斯格里菲斯(1879-1941) 利用肺炎双球利用肺炎双球菌感染小鼠的一系菌感染小鼠的一系列生物学实验，发列生物学实验，发现了一种可以在细现了一种可以在细菌之间转移的遗传菌之间转移的遗

5、传分子分子 ，即转化因子，即转化因子格里菲斯实验格里菲斯实验格里菲斯实验格里菲斯实验SI/SII/SIIISIIRSIIISIII 1944年年Avery等人经过肺炎球菌转化实验证明等人经过肺炎球菌转化实验证明DNA是携带遗传信息的分子是携带遗传信息的分子Oswald Theodore Avery埃弗里埃弗里1877-1955DNA分子中储存着遗传信息分子中储存着遗传信息 1952年，年，A.Hershey和和M.Chase经过噬菌体感染实验也证明经过噬菌体感染实验也证明DNA是遗传物质是遗传物质DNA分子中储存着遗传信息分子中储存着遗传信息Alfred Hershey阿弗雷德阿弗雷德赫希赫希

6、(1908-2019)Martha Chase 切斯切斯(19272019)RNA也是遗传物质1956年吉尔(A.Gierer)和施拉姆(G.Schraman)发现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA1957年美国的弗伦克尔-康拉特(Fraenkel-Conrat)和B.Singre用病毒重建实验证明了这一结论Heinz Ludwig Fraenkel-ConratAlfred Gierer 烟草花叶病毒是一种烟草花叶病毒是一种RNA病毒，不含病毒，不含DNA，它，它有一个圆筒状的蛋白质外有一个圆筒状的蛋白质外壳，由壳，由2130个一样的亚基个一样的亚基组成，内有一条组成，内有一条RNA分子，分子，

7、沿着内壁在蛋白质亚基之沿着内壁在蛋白质亚基之间盘旋间盘旋 Fraenkel-Conrat病毒重组实验病毒重组实验第一节核酸的化学组成核酸的分类及分布核酸的分类及分布 存在于细胞核和线粒体内。存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。存在于胞核、胞液和线粒体。(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，决议细胞和个携带遗传信息，决议细胞和个体的遗传型体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达。参与遗传信息的复制与表达。某些病毒某些病毒RNA也可作为遗传信也可作为

8、遗传信息的载体。息的载体。核酸的根本组成单位是核苷酸核酸的根本组成单位是核苷酸 (nucleotide)。碱基碱基戊糖戊糖磷酸磷酸核苷酸核苷酸核苷核苷核酸核酸DNA的根本组成单位是脱氧核糖核苷酸的根本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。RNA的根本组成单位是核糖核苷酸的根本组成单位是核糖核苷酸 。元素组成：元素组成：C、H、O、N、PP元素的含量较多并且恒定，约占元素的含量较多并且恒定，约占911%。嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 碱基碱基腺嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤鸟嘌呤G胞嘧啶胞嘧啶C胸腺嘧啶胸腺嘧啶T尿嘧啶尿嘧啶UDNA、RNA均有均有DNA有有RNA有有一、核苷酸是构成核酸的根本组成单位一、核苷酸是构成核酸的根本

9、组成单位每种核酸都含有四种碱基每种核酸都含有四种碱基 。一碱一碱 基基嘌呤嘌呤(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嘧啶嘧啶嘌呤嘌呤 除了上述五类根本的碱基外，核酸中还有一些除了上述五类根本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基。稀有碱基种含量甚少的碱基

10、，称为稀有碱基。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化碱基。类极多，大多数都是甲基化碱基。tRNAtRNA中含有中含有较多的稀有碱基。较多的稀有碱基。生物体内游离存在的嘌呤碱基生物体内游离存在的嘌呤碱基稀有碱基稀有碱基 五种碱基都能构成酮式五种碱基都能构成酮式-烯醇式或氨基烯醇式或氨基-亚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的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。碱环境的影响。 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚亚氨氨基基氨氨基基+ H+NCOHNCO-+ H+酮酮式式烯烯醇醇式式 一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床运用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶

11、和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。次黄嘌呤次黄嘌呤二戊二戊 糖糖构成构成RNA核糖核糖(ribose)构成构成DNA脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)12453OOHOHHHHCH2OHHOHOHOHHHHCH2OHHOH12345-D-呋喃核糖呋喃核糖-D-2-脱氧呋喃核糖脱氧呋喃核糖碱基和核糖或脱氧核糖经过糖苷键衔碱基和核糖或脱氧核糖经过糖苷键衔接构成核苷或脱氧核苷。接构成核苷或脱氧核苷。三核三核 苷苷nucleosideRNA 腺苷、鸟苷

12、腺苷、鸟苷 尿苷、胞苷尿苷、胞苷 DNA 脱氧腺苷、脱氧鸟苷脱氧腺苷、脱氧鸟苷 脱氧胸苷、脱氧胞苷脱氧胸苷、脱氧胞苷 核糖核苷核糖核苷脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷几种稀有核苷几种稀有核苷四核苷酸四核苷酸nucleotide 核苷酸就是核苷的磷酸酯。是核苷中的戊糖核苷酸就是核苷的磷酸酯。是核苷中的戊糖上上C5相连的羟基被磷酸分子酯化所构成的。相连的羟基被磷酸分子酯化所构成的。糖苷键酯键腺苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -HOO5l 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：l NMP，NDP，NTPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -OOPOO- -OPO- - -O

13、O一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）l 环化核苷酸环化核苷酸: cAMP，cGMPNNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMP环环化化核核苷苷酸酸的的生生成成 ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3, 5-环腺苷酸环腺苷酸cAMP，同样，同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下在鸟苷酸环化酶催化下也可生成也可生成3, 5-环鸟苷酸环鸟苷酸cGMP。通常把激素称。通常把激素称之第一信使，把之第一信使，把cAMP或或cGMP称之第二信使。称之第二信使。一个核苷酸一个核苷酸3的羟基与另一个核苷酸的羟基与另一个核苷酸5的的 - 磷 酸 基 团 缩

14、 合 构 成 磷 酸 二 酯 键磷 酸 基 团 缩 合 构 成 磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond) 多个脱氧核苷酸经过磷酸二酯键构成了具多个脱氧核苷酸经过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚核苷酸，即有方向性的线性分子，称为多聚核苷酸，即DNA链或链或RNA链链四核苷酸之间经过四核苷酸之间经过3, 5-磷酸二酯键衔磷酸二酯键衔接接 交替的磷酸基团交替的磷酸基团和戊糖构成了和戊糖构成了DNA的的骨架骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是53脱氧核糖核酸和核糖核酸的比较脱氧核糖核酸和核糖核酸的比较分类分类核糖核酸核糖核酸 （ribonucleic

15、 acid，RNA）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 （deoxyribonucleic acid，DNA）组组成成戊糖戊糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖碱基碱基A,G,CA,G,CUT磷酸磷酸Pi（磷酸二酯键）（磷酸二酯键）Pi（磷酸二酯键）（磷酸二酯键）结构结构单链，部分碱基互补，局部双单链，部分碱基互补，局部双螺旋，三叶草形等螺旋，三叶草形等双链，碱基互补，双螺旋形双链，碱基互补，双螺旋形分布分布细胞核（核仁），细胞核（核仁）， 细胞质（线细胞质（线粒体、核蛋白体、胞液）粒体、核蛋白体、胞液）细胞核（染色质），细胞质细胞核（染色质），细胞质（线粒体）（线粒体）生物功能生物功能主要参与遗传信息的传递和表

16、主要参与遗传信息的传递和表达过程，在蛋白质的生物合成达过程，在蛋白质的生物合成中起重要作用中起重要作用是基因遗传与表达的载体，是是基因遗传与表达的载体，是生物的主要遗传物质生物的主要遗传物质第二节DNA的分子构造DNA的一级构造是指脱氧核苷酸之间的衔接方的一级构造是指脱氧核苷酸之间的衔接方式和陈列顺序。式和陈列顺序。由于核苷酸间的差别主要是碱基不同，所以也由于核苷酸间的差别主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。称为碱基序列。 5533一、一、DNA的一级构造的一级构造化学式化学式PAPCPGPT或 PA-C-G-T ACGT多聚核苷酸链具有方向性，假设不特别多聚核苷酸链具有方向性，假设不特别注明

17、，普通规定从注明，普通规定从5端书写至端书写至3端。端。线条式线条式文字式文字式双链双链DNA的两条链为反向平行，必需注的两条链为反向平行，必需注明各条链的走向。明各条链的走向。核酸的表示方式核酸的表示方式 生物的遗传信息储存于生物的遗传信息储存于DNA碱基序列中，碱基序列中，生物界的多样性即寓于生物界的多样性即寓于DNA分子中的分子中的4种种脱氧核苷酸千变万化的准确陈列顺序中。脱氧核苷酸千变万化的准确陈列顺序中。 基因的遗传信息的物质根底就是基因的遗传信息的物质根底就是4种碱基种碱基的准确陈列顺序。的准确陈列顺序。 可以经过测定可以经过测定DNA序列来研讨序列来研讨DNA所载的所载的信息及其

18、功能。信息及其功能。一一DNA双螺旋构造的研讨背景双螺旋构造的研讨背景Watson & Crick建立双螺旋模型主要是遭到建立双螺旋模型主要是遭到4个方个方面的影响：面的影响：11938年年W.T.Astbury & Bernal用用X衍射技术研衍射技术研讨讨DNA。1947年拍摄了第一张年拍摄了第一张DNA的衍射照片，的衍射照片，并推断并推断DNA分子的构造是：分子的构造是：柱状；柱状；多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；核酸残基取向和分子长轴垂直，间距为核酸残基取向和分子长轴垂直，间距为3.4埃。埃。21951年年Pauling和和Corey运用化学的定

19、律来推运用化学的定律来推理，而不做详细的实验，建立了蛋白质的理，而不做详细的实验，建立了蛋白质的-螺旋螺旋模型；模型；3晶体学者晶体学者美美J. Donoh & Chargaff的指点。的指点。41952年底年底R.Franklin & Wilkins拍摄了拍摄了DNA 结晶结晶X衍射照片。衍射照片。 1951年，年，Pauling提出了蛋白质的提出了蛋白质的-螺旋构造。螺旋构造。Linus Carl Pauling鲍林鲍林(19011994) 1950 Chargaffs rulesthe content of purines was always equal to the

20、content of pyrimidines.the amounts of adenine and thymine were always equal, as were the amounts of guanine and cytosine. provided a valuable confirmation of Watson and Cricks model.Erwin Chargaff 查格夫查格夫(1905-2019) 1952年，年，Wilkins和和Franklin用高度用高度定向的定向的DNA纤维纤维作出高质量的作出高质量的X-光光衍射照片衍射照片helical10 layer L

21、ines BetweenCrossPatterns(10 ResiduesPer turn) 1953年，年，Watson和和Crick提出提出DNA的反向平的反向平行双螺旋模型行双螺旋模型 提出提出DNA双螺旋模型的是年仅双螺旋模型的是年仅25岁的岁的Watson和和37岁的岁的Crick，但不要忘记，但不要忘记Franklin及及Chargaff等人的等人的奉献，正是由于奉献，正是由于Franklin拍摄的拍摄的DNA X-射线衍射图射线衍射图成就了成就了Watson和和Crick。1962年年Watson、Crick和和Wilkins三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。三人获得了诺贝尔医学和

22、生理学奖。Wilkins Chargaff1. 两条链反向平行，围绕同两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺一中心轴构成右手双螺旋旋 (double helix)。螺旋。螺旋直径直径2nm，外表有大沟，外表有大沟和小沟。和小沟。2. 磷酸磷酸-脱氧核糖骨架位于脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含圈螺旋含10.5个碱基对个碱基对 (bp)，螺距为，螺距为3.4nm。二二 DNA双螺旋构造模型要点双螺旋构造模型要点 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行亲水性的骨架位于亲水性的骨架位于双链

23、的外侧。双链的外侧。 疏水性的碱基位于疏水性的碱基位于双链的内侧。双链的内侧。n骨架与碱基骨架与碱基3. 两条链经过碱基间的氢两条链经过碱基间的氢键相连，键相连，A对对T有两个氢有两个氢键，键，C对对G有三个氢键，有三个氢键，这种这种A-T、C-G配对的规配对的规律，称为碱基互补规那律，称为碱基互补规那么。么。4. 维持双螺旋稳定的要素：维持双螺旋稳定的要素：横向为氢键，纵向为疏横向为氢键，纵向为疏水性的碱基堆积力。水性的碱基堆积力。腺嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶碱基之间构成氢键模型碱基之间构成氢键模型 根据碱基配对原那么，当一条多核苷酸链的序列被确根据碱基配对原那么，当

24、一条多核苷酸链的序列被确定后，即可决议另一条互补链的序列。这就阐明，遗传信定后，即可决议另一条互补链的序列。这就阐明，遗传信息由碱基的序列所携带。息由碱基的序列所携带。DNA碱基配对表示图碱基配对表示图DNA二级构造的稳定要素二级构造的稳定要素1. 两条两条DNA链之间构成的氢键链之间构成的氢键hydrogen bond，使，使四种碱基构成特异配对关系，四种碱基构成特异配对关系，G-C间可构成间可构成3对氢键，对氢键，A-T之间有两对氢键之间有两对氢键 。虽然氢键是一种弱键，但。虽然氢键是一种弱键，但DNA中氢键中氢键数量多，所以氢键是比较重要的要素。数量多，所以氢键是比较重要的要素。2. 碱

25、基堆积力碱基堆积力base stacking force：双螺旋构造内：双螺旋构造内部碱基层层堆积，构成了一个强大的疏水区，消除了介质部碱基层层堆积，构成了一个强大的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响。这是维持中水分子对碱基之间氢键的影响。这是维持DNA双螺旋稳双螺旋稳定的主要要素。定的主要要素。3. 介质中的阳离子如介质中的阳离子如Na+、K+和和Mg2+可与磷酸基团可与磷酸基团上的负电荷构成离子键，降低了上的负电荷构成离子键，降低了DNA链之间的排斥力、范链之间的排斥力、范德华引力等，有利于双螺旋的稳定。德华引力等，有利于双螺旋的稳定。1. 右手螺旋右手螺旋B-DNA: 相对湿

26、度相对湿度92%，钠盐，钠盐细胞内主要的存细胞内主要的存 在方式在方式A-DNA: 相对湿度相对湿度75%，钠盐，钠盐转录时转录时DNA-RNA 杂交杂交C-DNA: 相对湿度相对湿度66%，锂盐，锂盐染色体及某些病染色体及某些病 毒的毒的DNA中中2. 左手螺旋左手螺旋Z-DNA：常存在于基因的调控区域，能够与基因：常存在于基因的调控区域，能够与基因 的表达调控有关。的表达调控有关。三三DNA双螺旋构造的多样性双螺旋构造的多样性A，B，Z型型DNA构象的比较构象的比较B型构造：型构造： 两条链反向平行，右手螺旋；两条链反向平行，右手螺旋； 碱基在内碱基在内AT，GC碱碱基平面垂直于螺旋轴；基

27、平面垂直于螺旋轴； 戊糖在外，双螺旋每转一周为戊糖在外，双螺旋每转一周为10个碱基对个碱基对bp。A型构造：型构造： 碱基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗，螺旋变粗变短，螺距变短，螺距23nm。Z型构造：型构造： 左手螺旋，只需大沟。左手螺旋，只需大沟。 在生理溶液中，在生理溶液中，B-DNA与与Z-DNA可以互变。可以互变。 1979年，Alexander Rich等人在研讨CGCGCG的晶体构造时不测地发现了具有左手螺旋的Z-DNAZ-DNAABZZ-DNA Phosphate Backbone is Kinked1957年发如今基因的调控区或染色质年发如今基因的调控区或染色质的重组部位

28、有的重组部位有DNA的三螺旋构造的三螺旋构造三、三、DNA的三级构造的三级构造 DNA多为线形，少数为环形。多为线形，少数为环形。 当双螺旋的当双螺旋的DNA分子与其他分子特别是蛋白质分子与其他分子特别是蛋白质相互作用，使相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲时，就构成双螺旋进一步扭曲时，就构成DNA的三级构造。的三级构造。 常见方式：超螺旋构造常见方式：超螺旋构造superhelix structure 正超螺旋正超螺旋 拧紧形状拧紧形状 负超螺旋负超螺旋 拧松形状天然拧松形状天然DNA主要以负超螺主要以负超螺旋构造存在，以利于基因的表达旋构造存在，以利于基因的表达 向左捻向左捻向右捻向右捻松弛

29、型松弛型正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋DNA超螺旋构造的电镜图象超螺旋构造的电镜图象 真核生物真核生物DNA以非常有序的方式存在于细胞以非常有序的方式存在于细胞核内。核内。 在细胞周期的大部分时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的以松散的染色质染色质(chromatin)方式存在，在细胞分裂期，方式存在，在细胞分裂期，那么构成高度致密的染色体那么构成高度致密的染色体(chromosome) DNA染色质呈现出的串珠样构造。染色质呈现出的串珠样构造。 染色质的根本单位是核小体染色质的根本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像真核生物染色体由真核生

30、物染色体由DNA和蛋白质构成，其根和蛋白质构成，其根本单位是本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约：约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体串珠样的构造核小体串珠样的构造H2A、H2B、H3和和H4构成构成八聚体八聚体组蛋白和组蛋白和DNA构成核小体构成核小体双链双链DNA的折叠和组装的折叠和组装DNA经过多次折叠，被紧缩了经过多次折叠，被紧缩了800010000倍，组装在直径只需为数微米的细胞核内。倍，组装在直径只需为数微米的细胞核内。真核生物的染色体真核生物的染色体基因和基因组基因和基因组基因即一段有功能的基因即一段有功能的

31、DNA片段，生物细胞片段，生物细胞中中DNA分子的最小功能单位交换单位。分子的最小功能单位交换单位。一个细胞或生物体所含的全套基因称基因一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。组。第三节 RNA的分子构造 RNA是是AMP、GMP、CMP、UMP经过经过3，5-磷酸二酯键衔接而成的多核苷酸长链，这些核磷酸二酯键衔接而成的多核苷酸长链，这些核苷酸在苷酸在RNA分子中的陈列顺序即为分子中的陈列顺序即为RNA的一级的一级构造。构造。 RNA通常以单链的方式存在，但有复杂的部分通常以单链的方式存在，但有复杂的部分二级构造或三级构造。二级构造或三级构造。 RNA比比DNA小的多。小的多。 RNA的种类、

32、大小和构造远比的种类、大小和构造远比DNA表现出多样表现出多样性。性。RNA主要分为三种类型主要分为三种类型 转运转运RNA transfer RNA，tRNA：在蛋白：在蛋白质生物合成过程中具有转运氨基酸和识别密码质生物合成过程中具有转运氨基酸和识别密码子的作用。子的作用。 核糖体核糖体RNA ribosomal RNA， rRNA ：是核糖体的构呵斥分。核糖体作为是核糖体的构呵斥分。核糖体作为RNA和蛋白和蛋白质的复合物担任细胞内蛋白质的合成，是蛋白质的复合物担任细胞内蛋白质的合成，是蛋白质合成的场所。质合成的场所。 信使信使RNAmessenger RNA， mRNA ：根：根据据DNA

33、上的遗传信息指点各种特异性蛋白质的上的遗传信息指点各种特异性蛋白质的生物合成。生物合成。 一、一、tRNA的分子构造的分子构造1.分子量较小，占总分子量较小，占总RNA15%，由，由7495nt组成组成;2.分子中还存在一些稀有核苷，如二氢尿嘧啶核苷分子中还存在一些稀有核苷，如二氢尿嘧啶核苷DHU)、5-甲基胞嘧啶核苷甲基胞嘧啶核苷m5C、假尿嘧、假尿嘧啶核苷啶核苷。这类核苷大部分位于突环部分。这类核苷大部分位于突环部分;3. 3-末端都具有末端都具有CCA序列，接受活化氨基酸序列，接受活化氨基酸;4. 半数碱基可经过本身回折，构成部分双螺旋构半数碱基可经过本身回折，构成部分双螺旋构造造“臂，

34、其间是单链构成的环状突起臂，其间是单链构成的环状突起“环环。绝大多数。绝大多数tRNA经过这样的折叠构成四臂经过这样的折叠构成四臂四环的特征性三叶草形的二级构造四环的特征性三叶草形的二级构造 。一构造特点一构造特点tRNA中含有多种稀有碱基中含有多种稀有碱基二二级构造三叶草型二二级构造三叶草型1氨基酸臂氨基酸臂amino acid arm：由由7bp组成，富含鸟嘌呤，末端为组成，富含鸟嘌呤，末端为-CCA;2二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环dihydrouridine loop, DHU loop和二氢尿嘧啶臂和二氢尿嘧啶臂D臂；臂； 3反密码环反密码环anticodon loop和和反密码臂反密码臂

35、AC臂：反密码子专注性臂：反密码子专注性识别识别mRNA的密码子；的密码子；4额外环额外环extra loop：不同的：不同的tRNA具有不同大小的额外环，具有不同大小的额外环， 所以所以是是tRNA分类的重要目的；分类的重要目的；5TC环环TC loop：与核糖体：与核糖体的结合有关。的结合有关。酵母丙氨酸酵母丙氨酸tRNAtRNA的二级构造的二级构造三三tRNA的三级构造的三级构造 在三叶草型二级构造的根底上，突环上未配对的在三叶草型二级构造的根底上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，从而构成了碱基由于整个分子的扭曲而配成对，从而构成了tRNA的三级构造。目前知的的三级构造。目

36、前知的tRNA的三级构造均为倒的三级构造均为倒L型。型。倒倒L型是型是tRNA的功能构造。的功能构造。ntRNA的倒的倒L三级构造三级构造二、二、mRNA的分子构造的分子构造 mRNA是以是以DNA为模板合成的，携带着为模板合成的，携带着DNA的遗传信息，因此称为信使的遗传信息，因此称为信使RNA。 mRNA是蛋白质合成的模板，决议着蛋白质中是蛋白质合成的模板，决议着蛋白质中氨基酸的顺序。每种蛋白质多肽链都由一种相氨基酸的顺序。每种蛋白质多肽链都由一种相应的应的mRNA来编码，因此细胞内的来编码，因此细胞内的mRNA种种类很多，大小不一。类很多，大小不一。顺反子顺反子cistron是遗传学中顺

37、反实验所确定的是遗传学中顺反实验所确定的遗传单位，相当于一种多肽链的编码基因。遗传单位，相当于一种多肽链的编码基因。在原核生物中一个在原核生物中一个mRNA分子能够为几条多肽链分子能够为几条多肽链编码。假设只为一条肽链编码那么这种编码。假设只为一条肽链编码那么这种mRNA称称为单顺反子为单顺反子mRNAmonocistronic mRNA；为两条以上的不同肽链编码的为两条以上的不同肽链编码的mRNA成为多顺反成为多顺反子子mRNApolycistronic mRNA。原核生物的原核生物的mRNA普通是多顺反子；在真核生物普通是多顺反子；在真核生物中大部分中大部分mRNA是单顺反子的。是单顺反子

38、的。一原核细胞一原核细胞mRNA的构造特点的构造特点 原核生物以支配子作为转录单位，产生多顺反子原核生物以支配子作为转录单位，产生多顺反子mRNApolycistronic mRNA，即一条，即一条mRNA链链上有多个编码区，上有多个编码区，5端和端和3端各有一段非翻译区。端各有一段非翻译区。原核生物原核生物mRNA特征：特征： 先导区先导区 + 翻译区多顺反子翻译区多顺反子+ 末端序列末端序列原核细胞原核细胞mRNA的的5端先导区总有一段富含嘌呤端先导区总有一段富含嘌呤碱基的序列，典型的是碱基的序列，典型的是5 -AGGAGGU-3，位于，位于起始密码子起始密码子AUG前约前约10个核苷酸残

39、基处。这段序个核苷酸残基处。这段序列是由列是由Shine和和Dalgarno首先发现的，故称为首先发现的，故称为Shine-Dalgarno序列简称序列简称SD序列。序列。SD序列和核糖体序列和核糖体16S rRNA的的3末端富含嘧啶碱末端富含嘧啶碱基的序列互补，这种互补序列与基的序列互补，这种互补序列与mRNA对核糖体对核糖体的快速识别有关。的快速识别有关。原核生物原核生物mRNA极不稳定，半衰期很短。极不稳定，半衰期很短。真核生物的真核生物的mRNA都是单顺反子构造。都是单顺反子构造。真核生物真核生物mRNA的构造特征：的构造特征： “帽子帽子7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸甲基鸟嘌呤核苷三磷酸+

40、5端非翻译区端非翻译区+单顺单顺反子反子+ 3端非翻译区端非翻译区+“尾巴尾巴PolyA二真核细胞二真核细胞mRNA的构造特点的构造特点“帽子构造：帽子构造：5末端的末端的N7被甲基化成甲基鸟苷被甲基化成甲基鸟苷m7G)，后者经过三个磷，后者经过三个磷酸基与一个或两个酸基与一个或两个2-O-甲甲氧核苷氧核苷N的的C5衔接。衔接。它是翻译起始时核糖体首它是翻译起始时核糖体首先识别的部位。先识别的部位。“尾巴：多聚腺尾巴：多聚腺苷酸，苷酸，20-300个个腺苷酸。腺苷酸。5-帽子构造的功能：帽子构造的功能：防止防止mRNA被核酸酶降解被核酸酶降解为为mRNA翻译活性所必需翻译活性所必需与蛋白质合成

41、的正确起始有关与蛋白质合成的正确起始有关3-polyA的功能：的功能：维护维护mRNA，免受核酸外切酶的作，免受核酸外切酶的作用用与翻译有关，没有与翻译有关，没有polyA翻译活性很翻译活性很低低与与mRNA从细胞核转移到细胞质有从细胞核转移到细胞质有关关 原核细胞原核细胞mRNA是多顺反子，真核细胞是多顺反子，真核细胞mRNA为单顺反子。为单顺反子。 绝大多数真核细胞的绝大多数真核细胞的mRNA的的3-末端有一段末端有一段polyA，5-末端有末端有“帽子构造。帽子构造。 原核生物原核生物mRNA分子中普通没有修饰成分，而分子中普通没有修饰成分，而真核生物真核生物mRNA普通都有修饰成分。普

42、通都有修饰成分。 真核生物真核生物mRNA是先在细胞核里转录成前体是先在细胞核里转录成前体mRNA，经过复杂的加工过程才干成为成熟的，经过复杂的加工过程才干成为成熟的mRNA分子，后者再转移到细胞质中指点蛋白分子，后者再转移到细胞质中指点蛋白质的合成。质的合成。原核与真核细胞的原核与真核细胞的mRNA在构造上的差别在构造上的差别核蛋白体核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是是细胞内含量最多的细胞内含量最多的RNA(80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。，为蛋白质的合成提供场所。 rRNA由本身

43、反向折叠构成部分螺旋区和突由本身反向折叠构成部分螺旋区和突环环二级构造；三级构造了解不多。二级构造；三级构造了解不多。 已发现一些已发现一些rRNA具有酶的功能，通常称为具有酶的功能，通常称为核酶核酶ribozyme。三、三、rRNA的分子构造的分子构造18S rRNA的二级构造的二级构造n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

44、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%S：沉降系数单位，为单位离心场中的沉降速度。：沉降系数单位，为单位离心场中的沉降速度。70S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体蛋白质合成时构成的复合体蛋白质合成时构成的复合

45、体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四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控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小片段干扰小片段干扰 RNA (siRNA) 微小微小RNA(microRNA)是研讨细胞中是研讨细胞中snmRNAs的种类、构造的种类

46、、构造和功能的科学。同终身物体内不同种类的细和功能的科学。同终身物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同形状下胞、同一细胞在不同时间、不同形状下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 (RNomics)小片段干扰小片段干扰RNA：是生物宿主对外源侵入的基因：是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链表达的双链RNA进展切割所产生的特定长度和特进展切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段定核酸序列的小片段RNA。它可以与外源基因表。它可以与外源基因表达的达的mRNA相结合，并诱发这些相结合，并诱发这些mRNA的降解。的降解。 微小微小RNA：mi

47、RNA是一类含是一类含19-25 nt的单链的单链RNA广泛存在于各种生物体内。它能经过与靶广泛存在于各种生物体内。它能经过与靶mRNA的的3-UTR碱基发生不完全互补配对，进展在转录碱基发生不完全互补配对，进展在转录后程度上抑制蛋白翻译。后程度上抑制蛋白翻译。核酸的理化性质与分别纯化第 四 节 分子大小：分子大小：DNA Mr 1061010或更大；或更大； RNA Mr 104106或更大或更大 dNMP平均分子量平均分子量=330 u；NMP平均分子量平均分子量=345 u) 在生物学界还常用碱基对在生物学界还常用碱基对bp，base pair来衡量来衡量核酸分子大小，千碱基对为核酸分子

48、大小，千碱基对为kbp，或简写为，或简写为kb对对于双链核酸；对于单链核酸，于双链核酸；对于单链核酸，kb指千碱基。指千碱基。1.分子量分子量molecular weight或相对分子质量或相对分子质量relative molecular mass，记为，记为Mr。Mr是一种比率，没有计量单位的概念。是一种比率，没有计量单位的概念。2.分子质量分子质量molecular mass记为记为m，它就是一个分子的质量，或者是这种物质的摩尔，它就是一个分子的质量，或者是这种物质的摩尔质量。这个分子质量质量。这个分子质量m以以u为单位表示。原子质量单位为单位表示。原子质量单位atomic mass un

49、it：u也常用道尔顿也常用道尔顿dalton，Da表示分子质量，表示分子质量，1 Dalton = 0.9921 u 假设一个分子的质量是水分子的假设一个分子的质量是水分子的1000倍，那这个分子的倍，那这个分子的Mr =18000或或m= 18000 u，可以，可以说它是一个说它是一个18ku的分子，但是的分子，但是Mr =18000u是不正确的。是不正确的。核酸电泳：可进展核酸的分别，判别核酸的纯度；测定分子大核酸电泳：可进展核酸的分别，判别核酸的纯度；测定分子大小；估计核酸的构象。小；估计核酸的构象。1琼脂糖电泳：适用于大分子核酸，普通用于琼脂糖电泳：适用于大分子核酸，普通用于DNA分析

50、分析2聚丙烯酰胺凝胶电泳：用于分析聚丙烯酰胺凝胶电泳：用于分析RNA或或Mr小于小于1000bp的的DNA 性状：性状：DNA为白色纤维状固体，而为白色纤维状固体，而RNA为白色粉末为白色粉末 溶解度：溶解度：DNA和和RNA均不溶于普通的有机溶剂，微均不溶于普通的有机溶剂，微溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大 黏度：双螺旋黏度：双螺旋DNA是相对生硬和较长的分子，所以是相对生硬和较长的分子，所以DNA溶液黏度很高。溶液黏度很高。RNA溶液的黏度比溶液的黏度比DNA小得多小得多 DNARNA dsDNA ssDNA 酸碱性质：既含酸性的磷酸基团，又含弱碱性

51、的碱基，酸碱性质：既含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质。核酸相当于多元酸，等电点较低，在为两性电解质。核酸相当于多元酸，等电点较低，在生理生理pH条件下带负电荷。条件下带负电荷。核酸在波长核酸在波长 260nm 处有剧烈的吸收，是处有剧烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决议的。这一特性常用作由碱基的共轭双键所决议的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有剧烈的紫外吸收一、核酸分子具有剧烈的紫外吸收n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱天然天然DNA变性变性DNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长波

52、长nm光光吸吸收收123n DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱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DNAdsDNA40 g/ml单链单链DNAssDNA或或RNA20 g/ml寡核苷酸寡核苷酸2. 判别核酸样品的纯度判别核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的运用的运用二、二、DNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程在某些理化要素作用下，在某些理化要素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链的过程。变性不引起共价开成两条单链的过程。变性不引

53、起共价键的断裂键的断裂n定义定义变性要素：高温、酸、碱、尿素、甲酰胺等变性要素：高温、酸、碱、尿素、甲酰胺等变性后理化性质的主要改动：变性后理化性质的主要改动：OD260增高增高粘度下降粘度下降协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA的变性的变性DNA变性的本变性的本质是双链间氢质是双链间氢键的断裂键的断裂部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像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增高的景象。增高的景象。解链曲线：在延续加热解链曲线：在延续加热DNA的过程中以温度对的过程中以温度对OD260值作图，所得的曲线

54、称为解链曲线。值作图，所得的曲线称为解链曲线。nDNA的解链曲线的解链曲线 Tm：紫外光吸：紫外光吸收值到达最大值收值到达最大值的的50%时的温度时的温度称为称为DNA的解链的解链温度，又称融解温度，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。G+C含量越高，解链温度就越高含量越高，解链温度就越高解链曲线的变化解链曲线的变化DNA的变性的变性在紫外吸收在紫外吸收上的变化上的变化影响影响Tm的要素的要素1. DNA 的均一性越的均一性越高高,Tm的温度范围越的温度范围越小。小。2. G-C含量越高含量越高, Tm的值越大，当

55、的值越大，当GC的的含量上升含量上升1%，那么，那么Tm上升上升0.4。 Tm = 69.3+0.41(G+C)%或或GC%=Tm-69.3X 2.44 3. 介质的离子强度较高时，介质的离子强度较高时，Tm的值较大的值较大 4. 酸性条件下，核酸容易脱嘌呤；碱性条件下，核酸容易变性，通常加酸性条件下，核酸容易脱嘌呤；碱性条件下，核酸容易变性，通常加NaOH降低降低Tm的值的值 5. 尿素、甲酰胺等化学试剂可以降低尿素、甲酰胺等化学试剂可以降低Tm的值，称作变性剂的值，称作变性剂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的两条互补链可恢复天的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一景象称为复性。然的双螺旋构象，这一景象称为复性。三、三、DNA复性与核酸的杂交复性与核酸的杂交热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火这一过程称为退火(annealing) 。高于高于Tm值值5 复性复性 也称退火也称退火annealing缓缓慢慢冷冷却却迅迅速速冷冷却却核酸复性后理化性质：紫外吸收核酸复性后理化性质：紫外吸收；粘度；粘度生物活性得到部分恢复生物活性得到部分恢复