分子生物學學習課件：第一部分 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、目目 錄錄 核苷酸的結(jié)構(gòu)與功能核苷酸的結(jié)構(gòu)與功能 The Structure and Function of Nucleotides 目目 錄錄 u脫氧核糖核酸：脫氧核糖核酸： 其基本組成單位是脫氧核糖核其基本組成單位是脫氧核糖核 苷酸苷酸 (deoxyribonucleotide, DNA) u核糖核酸：核糖核酸：其基本組成單位是核糖核苷酸其基本組成單位是核糖核苷酸 (ribonucleotide, RNA) 核酸核酸(nucleic acid)是生物信息大分子是生物信息大分子 天然存在的核酸可以分為天然存在的核酸可以分為 ： 目目 錄錄 核酸的化學組成核酸的化學組成 元素組成元素組成 C、

2、H、O、N、P（P的含量相對恒定的含量相對恒定，為，為9 % 10%） 分子組成分子組成 堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖戊糖(pentose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖 磷酸磷酸(phosphate) 目目 錄錄 一、戊糖、磷酸和堿基是核苷酸的基本成分一、戊糖、磷酸和堿基是核苷酸的基本成分 核苷酸核苷酸由堿基由堿基(base)、戊糖、戊糖(pentose) 和磷酸和磷酸3種成分以共價鍵依次連接而成。種成分以共價鍵依次連接而成。 核酸在酶的作用下水解為核苷酸核酸在酶的作用下水解為核苷酸(nucleotide)。 目目 錄錄 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 核苷或

3、核苷或 脫氧核脫氧核 苷苷 核酸酶核酸酶 水解水解 核苷酶核苷酶 核糖核糖 脫氧核糖脫氧核糖 堿基堿基 戊糖戊糖 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 核苷酸由堿基核苷酸由堿基(base)、戊糖、戊糖 (pentose)和磷酸和磷酸3種成分以種成分以 共價鍵依次連接而成。共價鍵依次連接而成。 目目 錄錄 （一）核酸中的堿基分為嘧啶堿和嘌呤堿兩類（一）核酸中的堿基分為嘧啶堿和嘌呤堿兩類 核酸中常見的核酸中常見的5種堿基種堿基 嘌呤嘌呤 (purine) N N NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N NH N NH2 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A) N NH NH N NH2 O 鳥嘌呤鳥嘌呤

4、(guanine, G) 堿堿 基基: 6-氨基氨基 嘌呤嘌呤 2-氨基氨基-6-酮基嘌呤酮基嘌呤 目目 錄錄 N NH 1 3 2 4 5 6 嘧啶嘧啶(pyrimidine) 胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C) N NH NH2 O 尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U) NH NH O O 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T) NH NH O O CH3 2，4-二二 酮基嘧啶酮基嘧啶 5-甲基尿甲基尿 嘧啶嘧啶 2-酮基酮基-4-氨基嘧啶氨基嘧啶 目目 錄錄 NH N N H N O NH2 N H N N N OH NH2 G NH N H O O N N OH OH U NH

5、N H O O CH3 N N OH OH CH3 T N N N H N NH2 N H N NH N NH A N N H NH2 O NH N H NH O C 堿基可發(fā)生互變異構(gòu)堿基可發(fā)生互變異構(gòu) 體液環(huán)境下，以氨式、酮式為主！ 目目 錄錄 n嘌呤堿基的嘌呤堿基的N-1和嘧啶堿基的和嘧啶堿基的N-3的質(zhì)子解離常的質(zhì)子解離常 數(shù)決定了該數(shù)決定了該N原子在一定原子在一定pH條件下是氫的受體條件下是氫的受體 還是供體。還是供體。 n嘌呤、嘧啶既可酸性解離，又可堿性解離，體嘌呤、嘧啶既可酸性解離，又可堿性解離，體 液中以堿性解離為主。液中以堿性解離為主。 N N NH N 1 2 3 4 5

6、6 7 8 9 N NH 1 3 2 4 5 6 目目 錄錄 核酸中存在稀有堿基核酸中存在稀有堿基 核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基稀有堿基 (rare base)。稀有堿基種類很多，。稀有堿基種類很多，大多數(shù)都是甲基化堿大多數(shù)都是甲基化堿 基基（堿基、核糖上都可以）（堿基、核糖上都可以）。tRNA中含有較多的稀有中含有較多的稀有 堿基，可高達堿基，可高達10%。 DNARNA 嘌呤嘌呤m7G 7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤 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

7、甲基腺嘌呤 m7G 7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤 嘧啶嘧啶m5 C 5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶DHU 二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶 Hm5 C 5-羥甲基胞嘧啶羥甲基胞嘧啶T 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 核酸中部分稀有堿基核酸中部分稀有堿基 目目 錄錄 n核糖核苷酸：核糖核苷酸：-D-核糖核糖 n脫氧核糖核苷酸：脫氧核糖核苷酸： -D-2 -脫氧核糖脫氧核糖 戊糖是核苷酸的另一個基本成分。戊糖是核苷酸的另一個基本成分。 更為穩(wěn)定！更為穩(wěn)定！ 目目 錄錄 戊戊 糖糖 （構(gòu)成（構(gòu)成RNA） 1 2 3 4 5 OH O CH2OH OHOH 核糖核糖(ribose) （構(gòu)成（構(gòu)成DNA） OH O CH2OH OH 脫氧

8、核糖脫氧核糖(deoxyribose) H 目目 錄錄 1.堿基堿基和和戊糖戊糖縮合成核苷縮合成核苷 (nucleoside) -N-糖苷鍵糖苷鍵 嘌呤類核苷嘌呤類核苷C-1 G C) 。 p 相鄰堿基平面距離相鄰堿基平面距離0.34nm， 螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈 10對堿基對堿基，直徑為，直徑為2 nm。 目目 錄錄 u疏水作用力和氫鍵維系疏水作用力和氫鍵維系DNA雙雙 螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 p 相鄰的兩個堿基對平面在旋進過程相鄰的兩個堿基對平面在旋進過程 中發(fā)生相互重疊中發(fā)生相互重疊(overlapping)，由，由 此產(chǎn)生了疏水性的此產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積

9、力堿基堆積力(base stacking interaction)。 p 這種這種堿基堆積力堿基堆積力和互補堿基對的和互補堿基對的氫氫 鍵鍵共同維系著共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定，并且定，并且堿基堆積力在雙螺旋結(jié)構(gòu)堿基堆積力在雙螺旋結(jié)構(gòu) 的穩(wěn)定中起著更為重要的作用的穩(wěn)定中起著更為重要的作用。 目目 錄錄 n當當DNA所處環(huán)境的離子強度、相對濕度改變所處環(huán)境的離子強度、相對濕度改變 后，后，DNA結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。 n人們將人們將Watson & Crick提出的稱為提出的稱為B型型。 n當環(huán)境當環(huán)境相對濕度降低相對濕度降低后，稱為后，稱為A型型。 nZ型型是左

10、手螺旋。是左手螺旋。 nDNA空間結(jié)構(gòu)還會受核苷酸序列的影響而形空間結(jié)構(gòu)還會受核苷酸序列的影響而形 成一些特殊的二級結(jié)構(gòu)（如發(fā)夾結(jié)構(gòu)）。成一些特殊的二級結(jié)構(gòu)（如發(fā)夾結(jié)構(gòu)）。 目目 錄錄 A 型型-DNAB 型型-DNAZ 型型-DNA 螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋 螺旋直徑螺旋直徑2.55 nm2.37 nm1.84 nm 每一螺旋的堿基對數(shù)目每一螺旋的堿基對數(shù)目1110.512 螺距螺距2.53 nm3.54 nm4.56 nm 相鄰堿基對之間的垂直距離相鄰堿基對之間的垂直距離0.23 nm0.34 nm0.38 nm 糖苷鍵構(gòu)象糖苷鍵構(gòu)象反式反式反式反式

11、 嘧啶為反式嘧啶為反式,嘌呤為順式，嘌呤為順式， 反式和順式交替反式和順式交替 相鄰堿基對之間的轉(zhuǎn)角相鄰堿基對之間的轉(zhuǎn)角33 34.2 每個二聚體為每個二聚體為-60 使構(gòu)象穩(wěn)定的相對環(huán)境濕度使構(gòu)象穩(wěn)定的相對環(huán)境濕度 75%92% 堿基對平面法線與主軸的夾角堿基對平面法線與主軸的夾角 19 1 9 大溝大溝窄深窄深寬深寬深相當平坦相當平坦 小溝小溝寬淺寬淺窄深窄深窄深窄深 不同構(gòu)象不同構(gòu)象DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 目目 錄錄 （四）某些狀態(tài)下（四）某些狀態(tài)下DNA可形成多鏈結(jié)構(gòu)可形成多鏈結(jié)構(gòu) Hoogsteen氫鍵：在酸性溶液中，由于胞嘧啶氫鍵：在酸性溶液中，由于胞嘧啶 堿基氮原子的質(zhì)子化，

12、所形成的附加氫鍵。堿基氮原子的質(zhì)子化，所形成的附加氫鍵。 真核生物真核生物DNA是線性分子，它的是線性分子，它的3端是富含端是富含 GT序列的端粒。重復序列中的鳥嘌呤之間通序列的端粒。重復序列中的鳥嘌呤之間通 過過8個個Hoohsteen氫鍵形成特殊的氫鍵形成特殊的G-四鏈結(jié)構(gòu)。四鏈結(jié)構(gòu)。 這些這些G-四鏈結(jié)構(gòu)還可出現(xiàn)在某些基因的啟動四鏈結(jié)構(gòu)還可出現(xiàn)在某些基因的啟動 子序列中。子序列中。 目目 錄錄 二、二、DNA在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成超螺旋結(jié)構(gòu)在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成超螺旋結(jié)構(gòu) （一）超螺旋結(jié)構(gòu)具有不同的拓撲異構(gòu)體（一）超螺旋結(jié)構(gòu)具有不同的拓撲異構(gòu)體 DNA在雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過在雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上

13、通過盤繞和折盤繞和折 疊所形成的空間構(gòu)象稱為疊所形成的空間構(gòu)象稱為三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)。 在原核生物，超螺旋結(jié)構(gòu)被認為是三級結(jié)構(gòu)；而在原核生物，超螺旋結(jié)構(gòu)被認為是三級結(jié)構(gòu)；而 真核生物的三級結(jié)構(gòu)是核小體！真核生物的三級結(jié)構(gòu)是核小體！ 目目 錄錄 超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或或supercoil) 將將DNA的兩端固定，使之旋進過分或旋進不足，的兩端固定，使之旋進過分或旋進不足， DNA雙鏈上就會產(chǎn)生額外的張力而發(fā)生扭曲，以抵雙鏈上就會產(chǎn)生額外的張力而發(fā)生扭曲，以抵 消張力。這種扭曲稱為消張力。這種扭曲稱為DNA雙鏈的超螺旋結(jié)構(gòu)。雙鏈的超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋正超螺旋(positiv

14、e supercoil) 旋進過分的方向與旋進過分的方向與DNA雙鏈的螺旋方向相同。雙鏈的螺旋方向相同。 負超螺旋負超螺旋(negative supercoil) 旋進過分的方向與旋進過分的方向與DNA雙鏈的螺旋方向相反。雙鏈的螺旋方向相反。 松弛態(tài)松弛態(tài)DNA(relaxed DNA) 在溶液中是以在溶液中是以能量最低的狀態(tài)能量最低的狀態(tài)存在的線性存在的線性DNA 。 目目 錄錄 自然條件下的自然條件下的DNA都是以都是以負超螺旋負超螺旋的構(gòu)象存在的構(gòu)象存在 的，也就是說，的，也就是說，DNA的實際螺旋數(shù)要少于它含有的堿的實際螺旋數(shù)要少于它含有的堿 基對數(shù)目應該對應的螺旋數(shù)?；鶎?shù)目應該對應

15、的螺旋數(shù)。 負超螺旋狀態(tài)有利于解開負超螺旋狀態(tài)有利于解開DNA雙鏈。雙鏈。 DNA的復制、轉(zhuǎn)錄、組裝等許多過程都需要解的復制、轉(zhuǎn)錄、組裝等許多過程都需要解 開雙鏈才能進行。開雙鏈才能進行。 生物體可以通過生物體可以通過DNA的不同超螺旋結(jié)構(gòu)來控制的不同超螺旋結(jié)構(gòu)來控制 其功能狀態(tài)。其功能狀態(tài)。 目目 錄錄 n拓撲連環(huán)數(shù)拓撲連環(huán)數(shù)Lk：閉合環(huán)狀：閉合環(huán)狀DNA的互繞數(shù)的互繞數(shù) n扭曲數(shù)扭曲數(shù)Tw；超螺旋數(shù)（纏繞數(shù)）；超螺旋數(shù)（纏繞數(shù)）Wr nLk=Tw+Wr（Tw和和Wr可相互轉(zhuǎn)化，總和不變可相互轉(zhuǎn)化，總和不變 ） nLk0，負超螺旋減少；反之，增多，負超螺旋減少；反之，增多 目目 錄錄 （二）

16、原核生物（二）原核生物DNA和線粒體和線粒體DNA是環(huán)狀是環(huán)狀 DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 原核生物的原核生物的DNA都是閉合環(huán)狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)。都是閉合環(huán)狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 它在細胞內(nèi)緊密纏繞形成了致密的小體，稱為它在細胞內(nèi)緊密纏繞形成了致密的小體，稱為類核類核 （nucleoid）。）。 目目 錄錄 線粒體和葉綠體是真核細胞中含有核外遺傳物質(zhì)線粒體和葉綠體是真核細胞中含有核外遺傳物質(zhì) 的細胞器。線粒體的細胞器。線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA) 是一個封閉的雙鏈環(huán)狀分子。人是一個封閉的雙鏈環(huán)狀分子。人mtDNA全長全長16,569個個 堿基對，共計堿基對，共計37個基因個

17、基因, 分別編碼分別編碼13個蛋白質(zhì)、個蛋白質(zhì)、2個個 rRNA、22個個tRNA。 目目 錄錄 n核小體核小體(nucleosome)是染色質(zhì)的基本組成單位，由是染色質(zhì)的基本組成單位，由 DNA和組蛋白構(gòu)成和組蛋白構(gòu)成 。 n8個組蛋白分子（個組蛋白分子（2H2A+2H2B+2H3+2H4）構(gòu)成了）構(gòu)成了 一個八聚體的一個八聚體的組蛋白核心組蛋白核心(histone core)。 n146bp長的長的DNA以以左手螺旋左手螺旋方式在組蛋白核心上纏方式在組蛋白核心上纏 繞繞1.75圈形成核小體的圈形成核小體的核心顆粒核心顆粒(core particle)。 n2個核心顆粒之間的個核心顆粒之間的

18、DNA（50bp）與組蛋白）與組蛋白H1結(jié)結(jié) 合，使核小體構(gòu)成串珠樣結(jié)構(gòu)，也稱染色質(zhì)纖維。合，使核小體構(gòu)成串珠樣結(jié)構(gòu)，也稱染色質(zhì)纖維。 第一次折疊（壓縮第一次折疊（壓縮7倍）倍） 目目 錄錄 n染色質(zhì)纖維按左手螺旋的方式卷曲，在組蛋白染色質(zhì)纖維按左手螺旋的方式卷曲，在組蛋白H1 的參與下形成直徑為的參與下形成直徑為30nm、內(nèi)徑為、內(nèi)徑為10nm的中空螺的中空螺 線管線管(solenoid)。每周有。每周有6個核小體，組蛋白個核小體，組蛋白H1位于位于 螺線管內(nèi)側(cè)，起著穩(wěn)定螺線管的作用。螺線管內(nèi)側(cè)，起著穩(wěn)定螺線管的作用。第二次第二次 折疊（又壓縮折疊（又壓縮100倍）倍） n進一步卷曲和折疊成

19、直徑為進一步卷曲和折疊成直徑為400nm的超螺線管的超螺線管 第三次折疊（又增加第三次折疊（又增加40倍）。倍）。 n之后，染色質(zhì)超螺線管進一步壓縮成染色單體，在之后，染色質(zhì)超螺線管進一步壓縮成染色單體，在 核內(nèi)組裝成染色體。核內(nèi)組裝成染色體。 目目 錄錄 早在早在20世紀世紀30年代，人們就已經(jīng)知道了染色體是遺年代，人們就已經(jīng)知道了染色體是遺 傳物質(zhì)，也知道了傳物質(zhì)，也知道了DNA是染色體的組成部分。是染色體的組成部分。 直到直到Avery等人采用等人采用細菌轉(zhuǎn)化實驗細菌轉(zhuǎn)化實驗（1944年），后年），后 經(jīng)經(jīng)Hershey和和Chase通過通過同位素標記噬菌體同位素標記噬菌體DNA感染細菌

20、感染細菌 實驗實驗（1952年）才直接證明了年）才直接證明了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。 （一）（一）DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 目目 錄錄 DNA的遺傳信息是以的遺傳信息是以基因基因的形式存在的。的形式存在的。 基因基因(gene)是編碼是編碼RNA或多肽的或多肽的DNA片段，片段， 其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 DNA利用四種堿基的不同排列對生物體的所利用四種堿基的不同排列對生物體的所 有遺傳信息進行編碼，經(jīng)過有遺傳信息進行編碼，經(jīng)過復制復制遺傳給子代，并遺傳給子代，并 通過通過轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄和和翻譯翻譯確保生命活動中所需的

21、各種確保生命活動中所需的各種RNA 和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)有序合成。和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)有序合成。 目目 錄錄 （二）（二）DNA全部核苷酸序列組成基因組全部核苷酸序列組成基因組 基因組基因組(genome)就是一個生物體的全部遺傳信息，就是一個生物體的全部遺傳信息， 即即DNA的全部核苷酸序列。絕大多數(shù)生物個體的基因組的全部核苷酸序列。絕大多數(shù)生物個體的基因組 是是DNA，但有些病毒的基因組是，但有些病毒的基因組是RNA。 目目 錄錄 nDNA是生物遺傳信息的載體，并為基因復制和轉(zhuǎn)是生物遺傳信息的載體，并為基因復制和轉(zhuǎn) 錄提供了模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是錄提供了模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也

22、是 個體生命活動的信息基礎(chǔ)。個體生命活動的信息基礎(chǔ)。 nDNA具有高度穩(wěn)定性的特點，用來保持生物體系具有高度穩(wěn)定性的特點，用來保持生物體系 遺傳的相對穩(wěn)定性。同時，遺傳的相對穩(wěn)定性。同時，DNA又表現(xiàn)出高度復又表現(xiàn)出高度復 雜性的特點，它可以發(fā)生各種重組和突變，適應雜性的特點，它可以發(fā)生各種重組和突變，適應 環(huán)境的變遷，為自然選擇提供機會。環(huán)境的變遷，為自然選擇提供機會。 目目 錄錄 第三節(jié)第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 Structure and Function of RNA 目目 錄錄 RNA是是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。 RNA通常以單鏈線性形式存在，但是可以通通常以單鏈線

23、性形式存在，但是可以通 過鏈內(nèi)的堿基互補配對形成局部的雙螺旋結(jié)過鏈內(nèi)的堿基互補配對形成局部的雙螺旋結(jié) 構(gòu)，進而形成三級結(jié)構(gòu)。構(gòu)，進而形成三級結(jié)構(gòu)。 與與DNA相比，相比，RNA的種類、大小、結(jié)構(gòu)以及的種類、大小、結(jié)構(gòu)以及 穩(wěn)定性表現(xiàn)出了多樣化，這與它們的功能多穩(wěn)定性表現(xiàn)出了多樣化，這與它們的功能多 樣化密切相關(guān)。樣化密切相關(guān)。 目目 錄錄 種類種類細胞定位細胞定位功能功能 信使信使RNA messenger RNA (mRNA) 細胞核、細胞質(zhì)、細胞核、細胞質(zhì)、 線粒體線粒體 蛋白質(zhì)的合成模板蛋白質(zhì)的合成模板 非均一核非均一核RNA heterogeneous nuclear RNA (hnR

24、NA) 細胞核細胞核 成熟成熟mRNA的前體的前體 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNA transfer RNA (tRNA) 細胞核、細胞質(zhì)、細胞核、細胞質(zhì)、 線粒體線粒體 轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸 核糖體核糖體RNA ribosomal RNA (rRNA) 細胞核、細胞質(zhì)、細胞核、細胞質(zhì)、 線粒體線粒體 構(gòu)成核糖體構(gòu)成核糖體 非編碼小非編碼小RNA small non-coding RNA (sncRNA) 細胞核、細胞質(zhì)細胞核、細胞質(zhì) 參與參與hnRNA的剪接和的剪接和 轉(zhuǎn)運、轉(zhuǎn)運、rRNA加工、加工、 基因表達調(diào)控等基因表達調(diào)控等 目目 錄錄 一、信使一、信使RNA結(jié)構(gòu)含有氨基酸編碼序列結(jié)構(gòu)含有氨基酸編碼序

25、列 hnRNA 內(nèi)含子內(nèi)含子 ( (intron) ) mRNA * mRNA成熟過程成熟過程 外顯子外顯子 ( (exon) ) 應該說應該說 hnRNA也也 有帽子和有帽子和 polyA尾！尾！ 目目 錄錄 （一）（一）mRNA 5 -末端具有帽結(jié)構(gòu)末端具有帽結(jié)構(gòu)(cap structure) 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5 末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個 7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷形成帽子結(jié)構(gòu)：三磷酸核苷形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN。 mRNA的帽結(jié)構(gòu)的帽結(jié)構(gòu)可以與一類稱為帽結(jié)合蛋白可以與一類稱為帽結(jié)合蛋白(cap binding proteins, CBP)

26、的分子結(jié)合。這種結(jié)合對維持的分子結(jié)合。這種結(jié)合對維持 mRNA的穩(wěn)定性、將的穩(wěn)定性、將mRNA從細胞核轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中、從細胞核轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中、 以及與核糖體以及翻譯起始因子的結(jié)合等密切相關(guān)。以及與核糖體以及翻譯起始因子的結(jié)合等密切相關(guān)。 目目 錄錄 5-帽結(jié)構(gòu)是由帽結(jié)構(gòu)是由加到加到 轉(zhuǎn)錄后的轉(zhuǎn)錄后的mRNA的的5-端，形成端，形成5-5-三三 磷酸的特殊結(jié)構(gòu)，然后由磷酸的特殊結(jié)構(gòu)，然后由SAM將一個甲將一個甲 基連接在鳥嘌呤的基連接在鳥嘌呤的N-7上。與帽子結(jié)構(gòu)上。與帽子結(jié)構(gòu) 的鳥苷酸相鄰的第一、第二個核苷酸戊的鳥苷酸相鄰的第一、第二個核苷酸戊 糖的糖的C-2原子上的羥基通常也會被甲基原子上的

27、羥基通常也會被甲基 化。化。原核生物沒有這種結(jié)構(gòu)。原核生物沒有這種結(jié)構(gòu)。 目目 錄錄 （二）（二）mRNA 3 -末端具有多聚末端具有多聚A的尾結(jié)構(gòu)的尾結(jié)構(gòu) 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的3 末端是一段有末端是一段有80250 個腺苷酸的多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)，稱為個腺苷酸的多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)，稱為多聚多聚A尾尾 (poly(A)-tail) 。 多聚多聚A尾在細胞內(nèi)與尾在細胞內(nèi)與poly(A)結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白 poly(A)-binding protein, PABP相結(jié)合而存在，相結(jié)合而存在， 每每1020個腺苷酸結(jié)合一個個腺苷酸結(jié)合一個PABP單體。所以，真單體。所以，真 核細胞的核細胞的mRNA

28、的的3 -端實際上是一個端實際上是一個poly(A)和蛋和蛋 白質(zhì)多聚體形成的復合物。白質(zhì)多聚體形成的復合物。 目目 錄錄 mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移 mRNA的穩(wěn)定性維系的穩(wěn)定性維系 翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控 帽子結(jié)構(gòu)和多聚帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能尾的功能 目目 錄錄 （三）（三）mRNA含有氨基酸密碼子含有氨基酸密碼子 mRNA的功能是轉(zhuǎn)錄核內(nèi)編碼蛋白質(zhì)信息的功能是轉(zhuǎn)錄核內(nèi)編碼蛋白質(zhì)信息 的的DNA堿基排列順序，并攜帶至細胞質(zhì)，指導堿基排列順序，并攜帶至細胞質(zhì)，指導 蛋白質(zhì)合成。蛋白質(zhì)合成。 mRNA分子從分子從5 -末端的第一個末端的第一個AUG(起始密起始密 碼子碼子

29、)開始，每開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上個核苷酸為一組，決定肽鏈上 一個氨基酸，稱為一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼(triplet code)或或密密 碼子碼子(codon)。位于起始密碼子和終止密碼子之。位于起始密碼子和終止密碼子之 間的核苷酸序列稱為間的核苷酸序列稱為可讀框可讀框(open reading frame， ORF)，可讀框內(nèi)的核苷酸序列決定了多肽鏈的，可讀框內(nèi)的核苷酸序列決定了多肽鏈的 氨基酸序列。氨基酸序列。 目目 錄錄 一條完整的一條完整的mRNA包括包括5 -非編碼區(qū)、編非編碼區(qū)、編 碼區(qū)和碼區(qū)和3 -非編碼區(qū)。非編碼區(qū)。 編碼區(qū)包括起始密碼子、編碼氨基酸的

30、編碼區(qū)包括起始密碼子、編碼氨基酸的 序列和終止密碼子。序列和終止密碼子。 目目 錄錄 （一）（一） tRNA分子含有稀有堿基分子含有稀有堿基 p 含含 10 % 20% 稀有堿基，如雙氫尿嘧啶稀有堿基，如雙氫尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶、假尿嘧啶 核苷核苷(pseudouridine, )、甲基化的嘌呤。、甲基化的嘌呤。 p假尿嘧啶核苷不是雜環(huán)假尿嘧啶核苷不是雜環(huán)N-1與與C-1連，而是連，而是連，連， 是是tRNA轉(zhuǎn)錄后加工生成的：尿嘧啶從核糖上移出，再以轉(zhuǎn)錄后加工生成的：尿嘧啶從核糖上移出，再以C-5 與與C-1連。因此，連。因此，tRNA中有假尿嘧啶核苷，但不含假尿嘧啶。中有假尿嘧啶核苷，

31、但不含假尿嘧啶。 p所有稀有堿基所有稀有堿基均是均是轉(zhuǎn)錄后修飾得來的。轉(zhuǎn)錄后修飾得來的。 p使得轉(zhuǎn)運使得轉(zhuǎn)運RNA特殊，不易被降解特殊，不易被降解 二、轉(zhuǎn)運二、轉(zhuǎn)運RNA含有接納氨基酸和含有接納氨基酸和mRNA 識別序列識別序列 目目 錄錄 ntRNA具有一些互補的序列，可以形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)具有一些互補的序列，可以形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu) ，在其中一些不能配對的核苷酸膨出，形成莖環(huán)，在其中一些不能配對的核苷酸膨出，形成莖環(huán)(stem- loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)或發(fā)夾(hairpin)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 n兩側(cè)為兩側(cè)為DHU環(huán)環(huán)、TC環(huán)環(huán)；上下為；上下為氨基酸接納莖氨基酸接納莖(amino acid

32、acceptor stem)和和反密碼子環(huán)反密碼子環(huán)(anticodon loop)；還有；還有 一個一個額外環(huán)額外環(huán)(extra loop)（可變（可變是是tRNA分類的標志）。分類的標志）。 n雖然雖然DHU環(huán)和環(huán)和TC環(huán)在二級結(jié)構(gòu)還是各處一方，但由于環(huán)在二級結(jié)構(gòu)還是各處一方，但由于 氫鍵的作用，使得它們空間上接近，使得所有氫鍵的作用，使得它們空間上接近，使得所有tRNA均有均有 相似的倒相似的倒“L”三級結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)。 n5末端的末端的7個核苷酸與靠近個核苷酸與靠近3末端的序列形成了末端的序列形成了tRNA的氨的氨 基酸接納莖?；峤蛹{莖。3末端為末端為CCA-3（實際有（實際有4個未

33、成對核苷酸個未成對核苷酸 ，CCA結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)具有普遍性普遍性）。氨基酸能以酯鍵接到此羥基上）。氨基酸能以酯鍵接到此羥基上 。 目目 錄錄 目目 錄錄 （三）（三）tRNA有識別有識別mRNA密碼的反密碼子密碼的反密碼子 * tRNA的功能的功能 活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯?；罨徇\氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。 注意：與注意：與mRNA 中的中的ACG密碼相密碼相 對應的對應的tRNA反密反密 碼子是碼子是CGU（注（注 意方向！）意方向?。?5 3 目目 錄錄 * 是細胞內(nèi)含量最多是細胞內(nèi)含量最多 的的RNA（占（占80%）。）。 三、核糖體三、核糖體RNA與核糖體蛋

34、白組成核糖體與核糖體蛋白組成核糖體 目目 錄錄 * rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類（根據(jù)沉降系數(shù)） 真核生物真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA （一）原核、真核（一）原核、真核rRNA分子質(zhì)量不同分子質(zhì)量不同 目目 錄錄 核糖體的組成核糖體的組成 原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）真核生物（以小鼠肝為例） 小亞基小亞基30S40S rRNA16S1542個核苷酸個核苷酸18S1874個核苷酸個核苷酸 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)21種種占總重量的占

35、總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50% 大亞基大亞基50S60S rRNA23S 5S 2940個核苷酸個核苷酸 120個核苷酸個核苷酸 28S 5.85S 5S 4718個核苷酸個核苷酸 160個核苷酸個核苷酸 120個核苷酸個核苷酸 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35% 目目 錄錄 rRNA與與核核糖糖體體蛋白質(zhì)共同構(gòu)成蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核核糖糖體體， 是是蛋白質(zhì)生物合成的場所蛋白質(zhì)生物合成的場所：為肽鏈合成所需要：為肽鏈合成所需要 的的mRNA、tRNA、多種蛋白因子提供了相互結(jié)、多種蛋白因子提供了相互結(jié) 合的位點和相互作用的空間環(huán)境。合

36、的位點和相互作用的空間環(huán)境。 （二）（二）rRNA參與組成的核糖體是蛋白質(zhì)參與組成的核糖體是蛋白質(zhì) 翻譯的場所翻譯的場所 目目 錄錄 四、四、非信使小非信使小RNA具有多樣性具有多樣性 除了上述三種除了上述三種RNA外，細胞外，細胞內(nèi)內(nèi)存在的許多存在的許多 其他種類的小分子其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為非信使小非信使小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs 非編碼非編碼RNA(non-coding RNA)專指那些具專指那些具 有調(diào)節(jié)作用的小有調(diào)節(jié)作用的小RNA，如，如siRNA、miRNA等。等。 目目 錄錄 snmRNAs的

37、種類的種類 核內(nèi)小核內(nèi)小RNA（small nuclear RNA，snRNA） 核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA） 胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA） 催化性小催化性小RNA（small catalytic RNA） 小干擾小干擾RNA（small interfering RNA, siRNA） 微小微小RNA（microRNA，miRNA）等）等 在在hnRNA和和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運中發(fā)揮作用，的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運中發(fā)揮作用， 有的參與基因表達調(diào)控等；是現(xiàn)代生物學研究的新領(lǐng)域。有的參與基因表達調(diào)控等；是

38、現(xiàn)代生物學研究的新領(lǐng)域。 目目 錄錄 種類種類英文名稱英文名稱生物學功能生物學功能 核內(nèi)小核內(nèi)小RNA small nuclear RNA (snRNA) U含量多，參與含量多，參與hnRNA剪接剪接(切切 內(nèi)含子內(nèi)含子)，5末端有帽子結(jié)構(gòu)末端有帽子結(jié)構(gòu) 核仁小核仁小RNA small nucleolar RNA (snoRNA) 參與參與rRNA核糖核糖C-2的甲基化、的甲基化、 假尿嘧啶核苷化假尿嘧啶核苷化 胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNA small cytoplamsic RNA (scRNA) 蛋白質(zhì)的分選作用蛋白質(zhì)的分選作用 催化小催化小RNAsmall catalytic RNA RNA剪接，

39、包括核酶等剪接，包括核酶等 小干擾小干擾RNA small interference RNA(siRNA) 參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)（基因沉默、參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)（基因沉默、 基因敲減）；對外源入侵基因敲減）；對外源入侵RNA 基因的切割基因的切割 目目 錄錄 第第 四四 節(jié)節(jié) 核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 質(zhì)質(zhì) Chemical and Physical Properties of Nucleic Acids 目目 錄錄 n酸性條件下，酸性條件下，DNA比比RNA更易水解，糖苷鍵比更易水解，糖苷鍵比 磷酸酯鍵更易水解，嘌呤的糖苷鍵比嘧啶的更磷酸酯鍵更易水解，嘌呤的糖苷鍵比嘧啶的更 易水解。易水解。

40、n堿性條件下，堿性條件下，RNA的磷酸酯鍵易被水解（因為的磷酸酯鍵易被水解（因為 RNA的的C-2羥基的存在）。羥基的存在）。DNA對堿有一定的對堿有一定的 抗性?？剐?。 一、核酸具備多種基本物理化學性質(zhì)一、核酸具備多種基本物理化學性質(zhì) 核酸中的核酸中的糖苷鍵糖苷鍵和和磷酸酯磷酸酯鍵都能被酸、鍵都能被酸、 堿和酶水解。堿和酶水解。 （一）核酸可被酸、堿水解（一）核酸可被酸、堿水解 目目 錄錄 NH N N H N O NH2 N H N N N OH NH2 G NH N H O O N N OH OH U NH N H O O CH3 N N OH OH CH3 T N N N H N NH

41、2 N H N NH N NH A N N H NH2 O NH N H NH O C （二）核酸是兩性分子（堿基（二）核酸是兩性分子（堿基VS磷酸基團）磷酸基團） n 堿基可發(fā)生互變異構(gòu)堿基可發(fā)生互變異構(gòu) n 堿基在體液環(huán)境中以堿基在體液環(huán)境中以堿性解離堿性解離為主為主 n 核酸分子是核酸分子是酸性化合物酸性化合物。 目目 錄錄 n黏滯度黏滯度 ： DNA RNA dsDNA ssDNA n沉降系數(shù)沉降系數(shù)： 溶液中的核酸在離心力場中可下沉。溶液中的核酸在離心力場中可下沉。DNA分子分子 經(jīng)反復盤曲形成超螺旋后，其沉降系數(shù)增加，超螺經(jīng)反復盤曲形成超螺旋后，其沉降系數(shù)增加，超螺 旋松解后其沉降

42、系數(shù)減小。旋松解后其沉降系數(shù)減小。 目目 錄錄 n核酸的紫外吸收（核酸的紫外吸收（OD260） 單核苷酸單核苷酸 ssDNA（或（或RNA） dsDNA 目目 錄錄 1. DNA或或RNA的定量的定量 A260=1.0相當于相當于 50g/ml雙鏈雙鏈DNA 40g/ml單鏈單鏈DNA（或（或RNA） 20g/ml寡核苷酸寡核苷酸 2. 判斷核酸樣品的純度判斷核酸樣品的純度 DNA純品純品: A260/A280 = 1.8 RNA純品純品: A260/A280 = 2.0 A260的應用的應用 目目 錄錄 二、核酸二、核酸變性、復性是很多分子生物學變性、復性是很多分子生物學 技術(shù)操作的基礎(chǔ)技術(shù)

43、操作的基礎(chǔ) 定義定義：核酸的變性核酸的變性(denaturation)指在理化因素下，指在理化因素下，DNA 雙螺旋之間的雙螺旋之間的氫鍵氫鍵斷裂變成單鏈、或斷裂變成單鏈、或RNA局部氫局部氫 鍵斷裂變成線性單鏈結(jié)構(gòu)的過程鍵斷裂變成線性單鏈結(jié)構(gòu)的過程 方法：方法：過量酸、堿（酸堿變性），加熱（熱變性），變過量酸、堿（酸堿變性），加熱（熱變性），變 性試劑如尿素以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等性試劑如尿素以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等 變性后其它理化性質(zhì)變化：變性后其它理化性質(zhì)變化： A260增高（增色效應）增高（增色效應） 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 酸堿滴

44、定曲線改變酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失生物活性喪失 （一）核酸變性是雙鏈解離為單鏈的過程（一）核酸變性是雙鏈解離為單鏈的過程 目目 錄錄 （二）核酸變性時伴有增色效應（二）核酸變性時伴有增色效應 DNA的紫外吸收光譜的紫外吸收光譜 目目 錄錄 融解融解(melting)：將：將DNA的的 稀鹽溶液加熱到稀鹽溶液加熱到80100， 雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生解體，雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生解體， 即即DNA變性。變性。 增色效應增色效應(hyperchromic effect)：DNA變性過程中更變性過程中更 多的堿基得以暴露，使得多的堿基得以暴露，使得 DNA的紫外吸收度的紫外吸收度(A260)增增 加的現(xiàn)象。

45、加的現(xiàn)象。 溶解曲線溶解曲線(melting curve)： 在緩慢加熱在緩慢加熱DNA的過程中，的過程中， 監(jiān)測監(jiān)測A260值相對于的溫度變值相對于的溫度變 化，所得到的曲線?；玫降那€。 目目 錄錄 Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一變性是在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，紫外光吸收值達到最大值的紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱時的溫度稱 為為 D N A 的的 解 鏈 溫 度解 鏈 溫 度 ， 又 稱， 又 稱 熔 解 溫 度熔 解 溫 度 ( m e l t i n g temperature, Tm)。此溫度下，。此溫度下，50%的的D

46、NA雙鏈打開雙鏈打開。 影響因素影響因素： 1DNA的均一性決定熔解溫度的范圍大??；的均一性決定熔解溫度的范圍大小； 2G-C含量決定溶解溫度的高低；含量決定溶解溫度的高低； 3介質(zhì)中的離子強度（介質(zhì)中的離子強度（越高越高，所以越高越高，所以DNA制品在制品在 含鹽的緩沖溶液中保存較好含鹽的緩沖溶液中保存較好）。）。 Tm值是值是DNA變性的重要參數(shù)變性的重要參數(shù) Tm值的經(jīng)驗公式是：值的經(jīng)驗公式是：Tm = 69.3+0.41（%G+C） 目目 錄錄 （三）變性的（三）變性的DNA可以復性可以復性 DNA復性復性(renaturation)的定義的定義 當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補

47、單鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補單鏈 可重新配對結(jié)合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，或恢復局部雙螺旋可重新配對結(jié)合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，或恢復局部雙螺旋 結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象稱為復性復性。 低色效應低色效應(hypochromic effect) DNA復性時，其溶液復性時，其溶液A260降低。降低。 熱變性的熱變性的DNA經(jīng)經(jīng)后才可復性，這一過后才可復性，這一過 程稱為程稱為退火退火(annealing) 。 但是，將熱變性的但是，將熱變性的DNA迅速冷卻到迅速冷卻到4以下，以下，DNA不不 能復性，這一特性常用來保持能復性，這一特性常用來保持DNA的變性狀態(tài)。的變性狀態(tài)。 目目 錄錄 將不同來源的將不同來源的DNA混合在一起，經(jīng)熱變性后，讓其慢混合在一起，經(jīng)熱變性后，讓其慢 慢冷卻復