第四章核酸化学

1、第四章第四章 核酸化学核酸化学 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” 。 1889年，年，R Altmann 提出提出“核酸核酸”。 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 1958年年Crick提出中心法则提出中心法则 ：DNA-RNA-Pr 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DNADNA

2、测序方法测序方法一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1985年年 Mullis发明发明PCR技术技术PCR(Polymerase chain reaction)-聚合酶链式反应聚合酶链式反应1986年年H Dulbecco在在Science杂志上提出杂志上提出“人类基人类基因组计划（因组计划（HGP-human genome project）”1990年美国出资年美国出资30亿启动人类基因组计划亿启动人类基因组计划(HGP) 中国担任中国担任1的测序任务的测序任务1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架美

3、、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布、功能二、核酸的分类及分布、功能(DNA)（RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 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。分布于分布于细胞细胞核、核、细胞细胞液。液。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)(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的传递，某遗传信息的传递，某些病毒些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。主要元素组成：主要元素

4、组成： C、H、O、N、P(911%)与蛋白质比较，核酸与蛋白质比较，核酸一般不含一般不含S，而，而P的含量较的含量较为稳定，占为稳定，占9-11%。 二、基本构成单位：核苷酸二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成三部分构成1、戊糖类型、戊糖类型戊糖是呋喃环状结构，五元环结构戊糖是呋喃环状结构，五元环结构D-核糖核糖 ，1、2、3、5OHD-2-脱氧核糖，脱氧核糖，1、3、5OHC2脱去一个氧脱去一个氧2、碱基类型、碱基类型嘌呤碱基嘌呤碱基嘧啶碱基嘧啶碱基腺嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤鸟嘌呤G胞嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶尿嘧啶u胸腺嘧啶

5、胸腺嘧啶T胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构l嘌呤碱和嘧嘌呤碱和嘧啶碱分子中啶碱分子中都含有共轭都含有共轭双键体系，双键体系，在紫外区有在紫外区有吸收吸收（260 260 nmnm左右）。左右）。4、DNA和和RNA组成的差别组成的差别胸腺嘧啶只存在于胸腺嘧啶只存在于DNADNA中，但是中，但是tRNAtRNA中也存在少量；尿嘧啶只存在于中也存在少量；尿嘧啶只存在于RNARNA中。植物中。植物DNADNA中有相当量的中有相当量的5-5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体DNADNA中，中，5-5-甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。甲基胞嘧啶

6、代替了胞嘧啶。嘌呤碱的衍生物如茶叶碱、可可碱、咖啡碱、植物激素嘌呤碱的衍生物如茶叶碱、可可碱、咖啡碱、植物激素l 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键键，称为，称为N-N-糖苷键糖苷键( (- -糖苷键糖苷键) )。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH22 2）核苷的分类）核苷的分类核糖核苷：核糖核苷：ARAR（腺嘌呤核苷）（腺嘌呤核苷）, GR, UR, CR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dARdAR（

7、腺嘌呤脱氧核苷）（腺嘌呤脱氧核苷）, dGR, dTR, dCR, dGR, dTR, dCR91116 6、核苷酸的结构与命名、核苷酸的结构与命名 核苷中戊糖上的羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷中戊糖上的羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷和磷酸以核苷和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接。连接。核糖核苷酸：核糖核苷酸：22核糖核苷酸、核糖核苷酸、33核糖核苷酸、核糖核苷酸、55核糖核苷酸。核糖核苷酸。脱氧核糖核苷酸：脱氧核糖核苷酸：33脱氧核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸、55脱氧脱氧核糖核苷酸。核糖核苷酸。一般生物体内游离存在的多是一般生物体内游离存在的多是55核糖核苷酸核糖核苷酸5位置l 核酸中也存在一些

8、不常见的稀有碱基。稀有碱基核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。碱基的甲基化产物。tRNA中含有较多稀有碱基。中含有较多稀有碱基。 8、核苷酸的其他形式、核苷酸的其他形式n多磷酸核苷酸（多磷酸核苷酸（NDP、NTP)n环化核苷酸（环化核苷酸（cAMP、cGMP等）等）n辅酶或辅基（辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有等，均含有AMP）n活性代谢物（活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱）胆碱）ATPATP的性质的性质 ATP ATP 分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。两个高能磷酸键。A

9、TPATP水解时水解时, , 可以释放出大量自由能。可以释放出大量自由能。 ATP ATP 是生物体内最重要的能量是生物体内最重要的能量转换中间体转换中间体。ATP ATP 水解释放出水解释放出来的能量用于推动生物体内各来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。种需能的生化反应。 ATP ATP 也是一种很好的磷酰化剂也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。化学反应的激活步骤。 神经

10、和肌肉活动的直接供能物质是神经和肌肉活动的直接供能物质是ATP，但是，但是ATP在细胞中的含量是很低的，只能维持肌肉剧烈在细胞中的含量是很低的，只能维持肌肉剧烈活动一秒的消耗，但是其中活动一秒的消耗，但是其中磷酸肌酸磷酸肌酸的含量很高，的含量很高，是是ATP的几倍，而且可以优先供给的几倍，而且可以优先供给ADP合成合成ATP之之用，在肌肉紧张活动时，磷酸肌酸可以使得用，在肌肉紧张活动时，磷酸肌酸可以使得ATP稳稳定在较高的水平。定在较高的水平。cAMPcAMP和和cGMPcGMP cAMP(3cAMP(3,5,5- -环化腺环化腺苷酸苷酸) )和和cGMP(3cGMP(3,5,5- -环化鸟苷

11、酸环化鸟苷酸) )的主要的主要功能是作为细胞的功能是作为细胞的第二信使。第二信使。 cAMPcAMP和和cGMPcGMP的环状的环状磷酯键是一个高能磷酯键是一个高能键。在键。在pH7.4, cAMPpH7.4, cAMP和和cGMPcGMP的水解能约的水解能约为为43.9 KJ/mol43.9 KJ/mol，比，比ATPATP水解能高得多。水解能高得多。磷酸酯健磷酸酯健磷酸酯健磷酸酯健一、一级结构（一、一级结构（primary structureprimary structure）定义：定义：一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代

12、表了遗传顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。信息。1 1、核苷酸的连接方式：、核苷酸的连接方式： 3 3 , 5, 5 磷酸二酯键磷酸二酯键2 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链、核酸的基本结构形式：多核苷酸链n信息量：信息量：4 4n nn末端：末端： 5 5 端、端、 3 3 端端n多核苷酸链的方向：多核苷酸链的方向： 55端端33端端( (由左至右由左至右) )3 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写、表示方法：结构式、线条式、文字缩写竖线式竖线式文字式文字式字母式字母式碱基碱基戊糖戊糖磷酸基团磷酸基团5-3磷酸二酯健磷酸二酯健5-34、DNA的一级结构：四种脱氧核糖核苷酸

13、通过的一级结构：四种脱氧核糖核苷酸通过3 5 磷磷酸二酯键酸二酯键成的直线或环形多聚体。成的直线或环形多聚体。5、RNA的一级结构：四种核糖核苷酸通过的一级结构：四种核糖核苷酸通过3 5 磷酸二磷酸二酯键连接成的无分支的线形多聚核糖核苷酸。酯键连接成的无分支的线形多聚核糖核苷酸。tRNA：含较多稀有碱基，增加识别和疏水作用，：含较多稀有碱基，增加识别和疏水作用， 3 端端 为为CPCPAOH， 5 为为PG或或PC。rRNA：rRNA的甲基化发生在核糖上，可作为核糖体的的甲基化发生在核糖上，可作为核糖体的 骨架，分别与骨架，分别与mRNA、tRNA作用，催化肽键形成，作用，催化肽键形成，促使蛋

14、白质合成进行。促使蛋白质合成进行。mRNA：原核生物：原核生物mRNA为多顺反子，一条链上有多个为多顺反子，一条链上有多个 编码区。编码区。 真核生物真核生物mRNA为单顺反子，为单顺反子， 5 端有帽子结构，端有帽子结构， 3 端为多聚核苷酸即端为多聚核苷酸即polyA尾巴。尾巴。 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规规则：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以以氢氢键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 DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景富兰克林 二、二、DNA的空间结构的空间结构（一）（一

15、）DNA的二级结构（的二级结构（secondary structure）1、碱基组成规则、碱基组成规则(Chargaff规则规则)1）A=T，GC；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等嘌呤与嘧啶的总数相等)3）有种属特异性，无组织、器官特异性。）有种属特异性，无组织、器官特异性。4）不受年龄、营养、性别及其他环境等影响）不受年龄、营养、性别及其他环境等影响 。2）不同生物品种的）不同生物品种的DNA分子，分子，A/G和和T/C比值差别比值差别很大，很大， 比值因物种而异。比值因物种而异。A+TG+C DNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单单链组成。链组成。 DNADNA的双螺旋结构是分

16、的双螺旋结构是分子中两条子中两条DNADNA单链之间单链之间基团相互识别和作用基团相互识别和作用的结果。的结果。 双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级二级结构的最基本形式。结构的最基本形式。double helix model2 2、DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点（1 1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为链的方向为5 5 端端3 3 端，而另一条链的方端，而另一条链的方向为向为3 3 端端5 5

17、端。端。（2 2）嘌呤和嘧啶碱基）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼位于螺旋外侧，彼此通过此通过3 3 , 5, 5 磷酸二磷酸二酯键连接成酯键连接成DNADNA分子分子骨架，两条链配对骨架，两条链配对时偏向一侧，形成时偏向一侧，形成大沟和小沟。大沟和小沟。小沟小沟较浅；大沟较深，较浅；大沟较深，是蛋白质识别是蛋白质识别DNADNA碱碱基序列的基础，碱基序列的基础，碱基环平面与螺旋轴基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面垂直，糖基环平面与 碱 基 环 平 面 成与 碱 基 环 平 面 成9090角。角。（3 3）双螺旋的平均）双螺旋的平均直

18、径约为直径约为2nm2nm，相，相邻两个碱基对之邻两个碱基对之间的距离即碱基间的距离即碱基堆积距离为堆积距离为0.34 0.34 nmnm，沿中心轴旋，沿中心轴旋转一周有转一周有1010个核个核苷酸，其螺矩苷酸，其螺矩（即螺旋旋转一（即螺旋旋转一圈的高度）为圈的高度）为3.4 3.4 nmnm。34 （4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相链相互结合的力是链间碱基互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结对形成的氢键。碱基结合按照碱基互补配对规合按照碱基互补配对规律律:A:A与与T T结合，结合，G G与与C C结结合。合。A A和和T T之间形成两个之间形成两个氢键，氢键，G G与与C C

19、之间形成三之间形成三个氢键。个氢键。 在在DNADNA分子中，嘌呤碱分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的基的总数与嘧啶碱基的总数相等。总数相等。（5 5）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。3、双螺旋结构模型、双螺旋结构模型(double helix model)Watson-Crick双螺旋结构模型：双螺旋结构模型：B-DNA其它双螺旋形式其它双螺旋形式Z-DNA（左手双螺旋）（左手双螺旋） A-DNA DNA double helix类型类型 helix type bp/turn rotation/bp vertical

20、rise/bp helical d A 11 +34.7 2.56A 23A B 10 +34.0 3.38A 19A C 9.33 +38.6 3.32A 19A Z 12 -30.0 5.71A 18A4 4、DNADNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性 DNADNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间形链之间形成的成的氢键，碱基堆积力氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构双螺旋结构内部形成的疏水区内部形成的疏水区，消除了介质中，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响水分子对碱基之间氢键的影响. .

21、 介质中的介质中的阳离子阳离子（如（如NaNa+ +、K K+ +和和MgMg2+2+）中和了磷酸）中和了磷酸基团的负电荷，基团的负电荷，降低了降低了DNADNA链之间的排斥力链之间的排斥力等。等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。定性。 天然存在的天然存在的DNA分子最显著的特分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在点是很长，分子质量很大，一般在1061010。l大肠杆菌染色体由大肠杆菌染色体由400万碱基对万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋组成的双螺旋DNA单单分子。其长度为分子。其长度为1.4106nm，相当于，相当于

22、1.4mm，而直径为，而直径为20nm，相当原子，相当原子的大小。的大小。l黑腹果蝇最大染色体由黑腹果蝇最大染色体由6.2107bp组成，长组成，长2.1cml多瘤病毒的多瘤病毒的DNA由由5100bp组成组成 ，长长1.7mm（二）（二）DNADNA的三级结构的三级结构双螺旋进一步扭曲双螺旋进一步扭曲, ,形成一种比双螺旋更高形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状层次的空间构象。包括：线状DNADNA形成的纽形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状结、超螺旋和多重螺旋、环状DNADNA形成的结、形成的结、超螺旋和连环等超螺旋和连环等松弛环状松弛环状超螺旋超螺旋解链环状解链环状突环突环大多数

23、原核生物大多数原核生物 ：1 1）共价封闭的环状）共价封闭的环状双螺旋分子双螺旋分子2 2）超螺旋结构：在）超螺旋结构：在双螺旋基础上的进一双螺旋基础上的进一步螺旋化。步螺旋化。正超螺旋正超螺旋(positive (positive supercoil):supercoil):盘绕方向盘绕方向与双螺旋方同相同与双螺旋方同相同负超螺旋负超螺旋(negative (negative supercoil):supercoil):盘绕方向盘绕方向与双螺旋方向相反与双螺旋方向相反 超螺旋超螺旋DNA更易形成，它更易形成，它具有更为致密的结构，可具有更为致密的结构，可以将很长的以将很长的DNA分子压缩分子

24、压缩在一个极小的体积内，在在一个极小的体积内，在生物体内绝大多数生物体内绝大多数DNA是是以超螺旋形式形成的。以超螺旋形式形成的。（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核小体核小体(nucleosome)： 由由DNA和组蛋白构成。和组蛋白构成。DNA：以负超螺旋缠：以负超螺旋缠绕在组蛋白上绕在组蛋白上组蛋白核心：组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4H2B ,H2A ,H3 ,H4H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间DNA的存在形式的存在形式（四）（四）DNA的功能的功能DNA的基本功能是以基因的形式携带遗的基本功能是以基因的形式携带遗传信息，并作为

25、基因复制和转录的模板，是传信息，并作为基因复制和转录的模板，是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。信息基础。基因：是指基因：是指DNA分子中的特定区段，其分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 三、三、RNA的分子结构的分子结构RNARNA的结构特点的结构特点 RNARNA是单链线形分子，因此在是单链线形分子，因此在RNARNA分子中，分子中，嘌呤嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数的总数不一定等于嘧啶的总数。 RNARNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不

26、能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为种结构称为“发夹型发夹型”结构结构。 在在RNARNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNADNA中严格。中严格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，也可以配对外，也可以和和U U 配对配对。G-U G-U 配对形成的氢键较弱。不同类配对形成的氢键较弱。不同类型的型的RNA, RNA, 其二级结构有明显的差异。其二级结构有明显的差异。 tRNAtRNA中除了常见的碱基外，还存在一些中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱稀有碱基基，这类碱基大部分位于，这类碱基大部分位

27、于突环部分突环部分. .（一）信使（一）信使RNA的结构与功能的结构与功能* * 真核生物真核生物mRNA的的结构特点结构特点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，形成是甲基化，形成帽子结构帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端末端有一个多聚腺苷酸有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾尾。5帽子结构帽子结构3polyA，多聚多聚A尾尾hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA 外显外显子子(

28、(exon) )* 真核生物真核生物mRNA成熟过程成熟过程mRNAmRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNAmRNA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 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能7 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，补配对原则，转录转录并传送至核糖体，用以并传送至核糖体，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内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运m

29、RNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 （二）（二）tRNA的结构与功能的结构与功能*1、 tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基，稀有碱基，如如 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 NHNHOOHHHH双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶(DHU)假尿嘧啶假尿嘧啶( )次黄嘌呤次黄嘌呤(I)2 2、tRNAtRNA的二级结构的二级结构较稳定，双螺旋结构所占比例高较稳定，双螺旋结构所占比例高三叶草形三叶草形氨基酸臂：氨基酸臂： 七对碱基组成，富含鸟嘌呤，七对碱基组成，富含鸟嘌呤，3 3末端的末端的CCA-CCA-OH

30、OH，用于接受，用于接受tRNAtRNA转运的氨基酸。转运的氨基酸。 二氢尿嘧啶环（二氢尿嘧啶环（DHUDHU环）：含有两个环）：含有两个DHCDHC，识别氨酰识别氨酰-tRNA-tRNA合合成酶。成酶。反密码环：反密码环：反密码环中部的三个碱基可以与反密码环中部的三个碱基可以与mRNAmRNA的三联体的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子（anticodonanticodon）。次黄嘌呤核苷酸）。次黄嘌呤核苷酸I I常出现于反密码子中。常出现于反密码子中。额外环：不同的额外环：不同的tRNAtRNA环具有不同大小的额外环，所以

31、是环具有不同大小的额外环，所以是tRNAtRNA分类的指标。分类的指标。假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷- -胸腺嘧啶核糖核苷环（胸腺嘧啶核糖核苷环（TCTC环）：环）：识别核蛋识别核蛋白体（核糖体），所有的白体（核糖体），所有的tRNAtRNA中都存在中都存在TCTC环环。氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环ACCDHU环环T 环环反密码环反密码环5额外环额外环氨基酸臂氨基酸臂酵母酵母tRNA的二级结构的二级结构* 3、三级结构：、三级结构：“倒倒L”型型* t tRNARNA的功能：活化、搬运氨基酸到核的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。糖体，参与蛋白质的翻译。（三）（三）rRNA的结构与

32、功能的结构与功能原核生物（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%核蛋白体的组成核蛋白体的组成* rRNArRNA的功能的

33、功能: :组成核蛋白体，作为蛋白质合成的场所。组成核蛋白体，作为蛋白质合成的场所。（四）其他小分子（四）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，细胞的不同部位存在外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子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),或或非编码蛋白质的非编码蛋白质的RNA(non-coding RNA, ncRNA) 。 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

34、片段干涉 RNARNA功能：功能：参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。ncRNA在在基因表达以及应激信号传导等方面起着重要的在在基因表达以及应激信号传导等方面起着重要的调节作用。因此，有人也将其称为调节调节作用。因此，有人也将其称为调节RNA（regulatory RNA）。）。 小片段干扰小片段干扰RNA RNA （siRNAsiRNA；又称；又称“引导引导RNAsRNAs”，guide RNAsguide RNAs）：一些小的双链）：一些小的双链RNARNA可以高效、特异可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使的阻断体内特定基因表达，促使mRNAmRNA降解，诱使细

35、降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为胞表现出特定基因缺失的表型，称为RNARNA干扰（干扰（RNA RNA interferenceinterference，RNAiRNAi，也译作，也译作RNARNA干预或干涉）。干预或干涉）。它是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。它是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。RNAiRNAi的作用机制：包括起始阶段和效应阶段。的作用机制：包括起始阶段和效应阶段。（1 1）在起始步骤，生物宿主将外源基因表达的）在起始步骤，生物宿主将外源基因表达的双链双链RNARNA进行切割，产生具有特定长度（进行切割，产生具有特定长度（19-19-21nt21nt）和序

36、列的小片段）和序列的小片段RNARNA；（2 2）在）在RNAiRNAi效应阶段，效应阶段，siRNAsiRNA双链结合一个核双链结合一个核酶复合物从而形成所谓酶复合物从而形成所谓RNARNA诱导沉默复合物诱导沉默复合物（RISCRISC）。激活）。激活RISCRISC需要一个需要一个ATPATP依赖的将依赖的将siRNAsiRNA解双链的过程。激活的解双链的过程。激活的RISCRISC通过碱基配对通过碱基配对定位到同源定位到同源mRNAmRNA转录本上，并在距离转录本上，并在距离siRNA3siRNA3端端1212个碱基的位置切割个碱基的位置切割mRNAmRNA。RNARNA组学研究细胞中组

37、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 一、酸性化合物一、酸性化合物n 两性解离，但酸性强两性解离，但酸性强n 电泳行为电泳行为泳向正极（泳向正极（pH7-8）n核酸的水解：酸水解核酸的水解：酸水解糖苷键和磷酸酯健都能被酸水糖苷键和磷酸酯健都能被酸水解，糖苷键更易被酸水解；碱水解解，糖苷键更易被酸水解；碱水解RNA的磷酸键酯易的磷酸键酯易被碱水解，被碱水解，DN

38、A不易被碱水解；酶水解：磷酸二酯酶，不易被碱水解；酶水解：磷酸二酯酶，核酸酶。核酸酶。 二、大分子性质二、大分子性质n 沉淀行为沉淀行为加盐（中和电荷）；乙醇加盐（中和电荷）；乙醇n 粘度粘度 DNARNAn 超离心沉降超离心沉降n 凝胶过滤凝胶过滤n 分子大小单位：分子量（道尔顿，分子大小单位：分子量（道尔顿，D）、）、碱基对数目（碱基对数目（bp）、离心沉降常数（）、离心沉降常数（S） 三、紫外吸收三、紫外吸收n 最大吸收波长：嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双最大吸收波长：嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使得碱基、核苷和核苷酸在键，使得碱基、核苷和核苷酸在240290nm的的紫外波有一段强烈的吸收峰，

39、最大吸收峰在紫外波有一段强烈的吸收峰，最大吸收峰在260nm。n 核酸定量分析核酸定量分析n 核酸定性分析核酸定性分析紫外吸收紫外吸收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 四、核酸的变性、复性、分子杂交四、核酸的变性、复性、分子杂交（一）（一）核酸（核酸（DNA）变性）变性1、定义：核酸变性是指在理化因素作

40、用下，、定义：核酸变性是指在理化因素作用下，DNA双螺旋区双螺旋区的氢键断裂，碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链的氢键断裂，碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链分开形成单链的过程，不涉及共价键的断裂分开形成单链的过程，不涉及共价键的断裂 。【核酸的降解：多核苷酸骨架上共价键即核酸的降解：多核苷酸骨架上共价键即3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键的断裂。的断裂。】2 2、变性方法、变性方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酮等。4 4、变性后其它理化性质变化：、变性后其它理化性质变化：ODOD

41、260260增高；浮力增高；浮力密度升高；粘度下降；比旋度下降；酸碱滴定密度升高；粘度下降；比旋度下降；酸碱滴定曲线改变；生物活性改变。曲线改变；生物活性改变。3 3、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。4 4、变性的特点：爆发式的，变性作用发生在一个、变性的特点：爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内，有一个相变的过程。很窄的温度范围内，有一个相变的过程。DNADNA变性图变性图增色效应（增色效应（hyperochromic effect）：）：DNA变性变性后，在后，在260nm处的紫外吸收增高，称为增色效应处的紫外吸收增高，称为增色效应或高色效应

42、。或高色效应。 当当DNADNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80-10080-100时，双螺旋结构时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规则线团。即发生解体，两条链彼此分开，形成无规则线团。 80 90 100 100%50%OD260（254） Tm 变性温度范围变性温度范围实验室常用的方法实验室常用的方法热变性热变性5 5、融解温度（、融解温度（melting temperature,melting temperature,TmTm）：加热变性使）：加热变性使DNADNA双螺旋结构失去一半时的温度。双螺旋结构失去一半时的温度。影响影响TmTm值的因素：值的因素：DNADNA均

43、一性强，溶解温度的范均一性强，溶解温度的范围越小围越小 ；G GC C含量越高，含量越高，TmTm越大；越大；溶液离子强溶液离子强度较高，度较高，TmTm值也较高。值也较高。大肠杆菌大肠杆菌DNADNA在不同浓度在不同浓度KClKCl溶液下的溶液下的熔融温度曲线熔融温度曲线(二二)、DNA复性复性DNA复性复性(renaturation) :在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为一现象称为复性复性。热变性的热变性的DNADNA经缓慢冷却后即可复性，这一过经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为程称为退火退

44、火(annealing)(annealing) 。减色效应减色效应（hypochromic effect ）:DNA复性时，复性时，其溶液的吸光值降低。其溶液的吸光值降低。DNADNA复性图复性图在在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类变性后的复性过程中，如果将不同种类的的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要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，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（温度及离子强度）下，就可以在不在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成同的分子间形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之间形之间形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分分子间形成。这种现象称为子间形成。这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交。（三）核酸分子杂交（三）核酸分子杂交(hybridization) 核核酸酸的的杂杂交交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: :研究基因的位置研究基因的位置确定两种核酸序列的相似性确定两种核酸序列的相似性检测样品中的特异序列检测样品中的特