生物化學(xué)教學(xué)課件：第一章 核苷酸、多聚核苷酸與核酸

第一章核苷酸、多聚核苷酸與核酸

第二章氨基酸、多肽與蛋白質(zhì)第一章核苷酸、多聚核苷酸與核酸

Nucleotide，PolynucleotidesANDNucleicAcids核酸研究的歷史1869年Miescher，發(fā)現(xiàn)了不溶于稀酸和鹽溶液的沉淀物，并在所有細(xì)胞的核里都找到了此物質(zhì)，故命名“核質(zhì)(Nuclein)”。1879年Kossel經(jīng)過10年的努力，闡明除蛋白質(zhì)外核質(zhì)中有四種不同的組成部分：A、T、C和

G。1889年Altman建議將“核質(zhì)”改名為“核酸”，因?yàn)橐呀?jīng)認(rèn)識到“核質(zhì)”乃“核酸”與蛋白質(zhì)的復(fù)合體。1944年Avery研究肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化因子，證明DNA是細(xì)菌遺傳性狀的轉(zhuǎn)化因子。Avery–MacLeod–McCartyexperimentFrederickGriffith，1928年發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化因子Griffith'sexperiment1952年，美國冷泉港

Hershey-Chase噬菌體浸染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)1950年Chargaff,E分析了DNA的組成成分，得知[A]=[T]，[G]=[C]，[A+G]=[C+T]。

MauriceHF

WilkinsRosalindFranklinDNA

X-ray

2．DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（double-helicalstructure）

1953年Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是上個(gè)世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。3、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義1957年Meselsnhe&Stahl用密度梯度超離心法，證實(shí)半保留復(fù)制假說。1958年Kornberg得到高純度的DNA聚合酶，這種酶需要一個(gè)模板DNA,并且能夠復(fù)制DNA1960年Cairns將復(fù)制中的細(xì)菌DNA拍電鏡照片。1961年Brenner,Jacob等人用13C，15N標(biāo)記蛋白質(zhì)，用32P標(biāo)記核酸的方法證實(shí)了一種新的RNA分子，命名為信使(messenger)RNA,即mRNA。1965年

Holley經(jīng)過7年的努力測出酵母Ala-tRNA序列。1970年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)DNA限制性內(nèi)切酶。1972年DNA重組技術(shù)的建立。1978年雙脫氧DNA測序法的建立。80年代RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。90年代：RNA干擾技術(shù)20世紀(jì)初：ZFN基因組編輯技術(shù)2010年：Talen基因組編輯技術(shù)2013年：CRISPR基因組編輯技術(shù)張峰核苷酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)TheStructureandFunctionofNucleotides核酸是存在于細(xì)胞中的一類大分子酸性物質(zhì)，包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。RNA主要參與遺傳信息的表達(dá)，而DNA則是遺傳信息的載體。

DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四種脫氧核糖核苷酸所組成。DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序及連接方式。RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四種核糖核苷酸組成。RNA的一級結(jié)構(gòu)就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列順序及連接方式。核糖核酸（ribonucleicacid-RNA）:轉(zhuǎn)移RNA(transferRNA-tRNA)、信使RNA(messengerRNA-mRNA)、核糖體RNA（ribosomalRNA-rRNA）功能：三者共同參與遺傳信息的表達(dá)。小分子細(xì)胞核RNA（snRNA）、染色質(zhì)RNA（chRNA）、反義RNA（antisenseRNA）、雙鏈RNA（dsRNA）、細(xì)胞質(zhì)小RNA（scRNA）、具有催化活性的RNA（ribozyme）、各種病毒RNA脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid-DNA）功能：遺傳信息的載體，負(fù)責(zé)遺傳信息的貯存和發(fā)布。核酸的種類與分布

核酸的分布核酸的化學(xué)組成

元素組成C、H、O、N、P（9%~10%）

分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(pentose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)核酸核苷酸磷酸核苷或脫氧核苷核酸酶水解核苷酶核糖脫氧核糖堿基戊糖嘌呤嘧啶（一）核酸中的堿基核酸中常見的5種堿基嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿

基:嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)五種堿基的酮基或氨基受介質(zhì)的影響，G、U、T可形成酮－烯醇互變異構(gòu)體，體液近中性條件下以酮式為主。

A、C可形成氨基－亞氨基互變異構(gòu)體，體液近中性條件下以氨式為主。使堿基間能形成氫鍵。嘌呤或嘧啶既可堿性解離又可酸性解離，液近中性條件下以堿性解離為主。堿基可發(fā)生互變異構(gòu)烯醇式酮式氨式亞氨式酮式酮式烯醇式氨式烯醇式亞氨式核酸中存在稀有堿基

核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基(rarebase)。稀有堿基種類很多，大多數(shù)都是甲基化堿基。tRNA中含有較多的稀有堿基，可高達(dá)10%。

DNARNA嘌呤m7G7-甲基鳥嘌呤

N6，N6-2m6AN6，N6-二甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤m7G7-甲基鳥嘌呤嘧啶m5C5-甲基胞嘧啶DHU二氫尿嘧啶Hm5C5-羥甲基胞嘧啶T胸腺嘧啶核酸中部分稀有堿基N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基

tRNA中常見的稀有堿基

（二）

核苷酸中的戊糖核糖核苷酸：β-D-核糖脫氧核糖核苷酸：β-D-2-脫氧核糖

戊糖是核苷酸的另一個(gè)基本成分。

戊

糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H（三）核苷：

核苷是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮合而生成的化合物。

在大多數(shù)情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的C1′β-羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進(jìn)行縮合，故生成的化學(xué)鍵稱為β，N糖苷鍵。

腺苷(AR)脫氧胞苷(dCR)β1′,N9-糖苷鍵β1′,N1-糖苷鍵β1′β1′N9N1

“稀有核苷”是由“稀有堿基”所生成的核苷。假尿苷（ψ）β1′,C5-糖苷鍵β1′C5（四）核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名核苷酸是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩大類。

由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。最常見者為5’-核苷酸（5’

常被省略）。

腺苷(AR)脫氧胞苷(dCR)1234512345含有一個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP）；含有兩個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷二磷酸（NDP）；含有三個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷三磷酸（NTP）。腺苷一磷酸AMP核苷酸的多種功能：①作為合成核酸的原料：如用ATP，GTP，CTP，UTP合成RNA，用dATP，dGTP，dCTP，dTTP合成DNA。②作為能量的貯存和供應(yīng)形式：除ATP之外，還有GTP，UTP，CTP等。

5′-核苷酸又可按其在5′位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

三磷酸腺苷繼續(xù)磷酸化核苷酸的多種功能：③參與代謝或生理活動的調(diào)節(jié)：如環(huán)核苷酸cAMP和cGMP作為激素的第二信使。④參與構(gòu)成酶的輔酶或輔基：如在NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN，CoA中均含有核苷酸的成分。⑤作為代謝中間物的載體：如用UDP攜帶糖基，用CDP攜帶膽堿，膽胺或甘油二酯，用腺苷攜帶蛋氨酸（SAM）等。2.環(huán)化磷酸化

cAMP

cGMP環(huán)核苷酸分子：第二信使核苷酸的多種功能：④參與構(gòu)成酶的輔酶或輔基：如在NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN，CoA中均含有核苷酸的成分。⑤作為代謝中間物的載體：如用UDP攜帶糖基，用CDP攜帶膽堿，膽胺或甘油二酯，用腺苷攜帶蛋氨酸（SAM）等。FADNAD、NADPHSCoA3.輔酶：NAD、NADP、FAD、HSCoA三、核苷酸的理化性質(zhì)是其分離鑒定的基礎(chǔ)核苷酸一般為白色粉末或結(jié)晶狀物，平均分子量約為340。溶于水，水溶液呈酸性。不溶于丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑。（一）核苷酸的紫外吸收特征可用于

其定性定量分析1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應(yīng)用（二）

核苷酸的解離特征可用

于其分離純化核苷酸分子在特定溶液中各基團(tuán)的解離常數(shù)（pK）和等電點(diǎn)（pI）均為特征性常數(shù)。這些特性賦予核苷酸以層析和電泳行為的差異，因此被廣泛用于核苷酸的分離和純化。例如，薄層層析、離子交換層析、毛細(xì)管電泳等技術(shù)都可用于分離和純化核苷酸。

第二節(jié)多聚核苷酸Polynucleotides一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物多個(gè)核苷酸（nucleitide）通過3，5-磷酸二酯鍵（phosphodiesterbond）連接、形成的鏈狀聚合物，即多聚核苷酸（polynucleotides）（一）3,5-磷酸二酯鍵是核酸的基本結(jié)構(gòu)鍵

一分子的核苷酸的3′-位羥基與另一分子核苷酸的5′-位磷酸基通過脫水可形成3′,5′-磷酸二酯鍵，從而將兩分子核苷酸連接起來。

5端3端CGA（二）多聚核苷酸鏈有方向性AGP5PTPGPCPTPOH3（三）書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3二、多聚核苷酸鏈在細(xì)胞內(nèi)通過復(fù)制和轉(zhuǎn)錄而合成生物體內(nèi)的DNA鏈或RNA鏈的合成是在包括DNA聚合酶或RNA聚合酶在內(nèi)的一組酶共同參與下完成的。這個(gè)合成過程以dNTP或NTP為原料，以單鏈DNA鏈為模板，逐步地完成從5-末端到3-末端的合成。

三、多聚核苷酸鏈可在體外經(jīng)多種方式合成

（一）DNA聚合酶鏈反應(yīng)是當(dāng)前獲得DNA片段最常用技術(shù)（PCR技術(shù)）（二）單鏈寡脫氧核糖核苷酸鏈可利用亞磷酰胺三酯方法合成

（三）核糖核苷酸鏈可利用體外轉(zhuǎn)錄體系合成四、核苷酸的排列順序就是多聚核苷酸鏈的一級結(jié)構(gòu)

多聚核苷酸鏈的核苷酸從5-末端到3-末端的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5端3端CGA第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)和功能

StructureandFunctionofDNA

一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是右手雙螺旋（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景：夏爾加夫（Chargaff,Erwin)奧地利-美國生物化學(xué)家。四十年代后期，夏爾加夫是定量確定存在于核酸分子中的各種氮堿的科學(xué)家之一。他采用紙層析法和紫外法仔細(xì)分析了DNA的組成成分，對各種核酸分子進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)通常每種核酸分子里腺嘌呤的數(shù)目同胸腺嘧啶的數(shù)目相等；鳥嘌呤的數(shù)目則和胞嘧啶的數(shù)目相等。這一發(fā)現(xiàn)對克里克和沃森建立沃森-克里克DNA結(jié)構(gòu)模型是非常有益的。

1950～1953，夏爾加夫（Chargaff,Erwin)研究小組對DNA的化學(xué)組成進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：①DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，差異越大；②相同物種，不同組織器官中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；③DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。這一規(guī)律被稱為Chargaff原則或叫堿基組成規(guī)律。1951年發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。Watson和Crick綜合對DNA的知識，提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(二)B型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）兩條鏈反向平行，繞同一軸相互纏繞成右手螺旋；（2）親水的磷酸和戊糖交替處于螺旋外圍，疏水的堿基處于內(nèi)部，形成堿基對；

(3)雙螺旋的直徑為2nm，螺距為3.4nm；每個(gè)螺旋有10個(gè)堿基對，每兩個(gè)堿基對間相對旋轉(zhuǎn)角度為36°（4）兩條鏈間存在堿基互補(bǔ)：A與T或G與C配對形成氫鍵，稱為堿基互補(bǔ)原則（A與T為兩個(gè)氫鍵，G與C為三個(gè)氫鍵）；一條鏈的核苷酸序列可以決定另一條互補(bǔ)鏈的核苷酸序列。氫鍵的定義：氫原子與電負(fù)性大、半徑小的原子X以共價(jià)鍵結(jié)合，若與電負(fù)性大的原子Y（與X相同的也可以）接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X-H…Y形式的一種特殊的分子間或分子內(nèi)相互作用，稱為氫鍵。（與可以是同一種類原子，如水分子之間的氫鍵）堿基配對及氫鍵形成（5）螺旋的穩(wěn)定因素為：

氫鍵和堿基堆積力（堿基之間的范德華力）；兩條互補(bǔ)鏈間堿基對形成氫鍵，橫向穩(wěn)定。相鄰的兩個(gè)堿基對在旋轉(zhuǎn)過程中會彼此重疊，產(chǎn)生具有疏水性的堿基堆積力，維持縱向穩(wěn)定。對雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定更為重要。（三）DNA構(gòu)象有多態(tài)性1DNA雙螺旋分子的鈉鹽結(jié)晶結(jié)構(gòu)一共發(fā)現(xiàn)了三種，分別命名為A、B和C型。2其中B型與Watson-Crick提出的模型一致，是在相對濕度92％下得到的，這是DNA雙螺旋在水性環(huán)境和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。3A和C型在降低相對濕度的條件下形成，它們的螺距都比B型要短。溝槽、旋轉(zhuǎn)角度等都有變化。4右手螺旋。

Z型DNA首先在富含GC的DNA短片段中發(fā)現(xiàn)，后來證明天然DNA中也有。它是一種左旋螺旋。在細(xì)胞中可能有助解鏈和調(diào)控基因表達(dá)的作用。二、DNA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?fù)洚悩?gòu)體DNA在雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過盤繞和折疊所形成的空間構(gòu)象稱為三級結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)將DNA的兩端固定，使之旋進(jìn)過分或旋進(jìn)不足，DNA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DNA雙鏈的超螺旋結(jié)構(gòu)。松弛態(tài)DNA（relaxedDNA）在溶液中是以能量最低的狀態(tài)存在的線性DNA

。

負(fù)超螺旋(negativesupercoil)自然界中閉合雙鏈DNA，即細(xì)胞中的環(huán)狀DNA，一般呈負(fù)超螺旋。DNA雙螺旋為右旋螺旋。由于右旋螺旋不足，導(dǎo)致部分堿基不形成配對。在拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用下，分子通過整體拓?fù)鋵W(xué)上的右旋來補(bǔ)足右旋螺旋的不足。旋進(jìn)過分的方向與DNA雙鏈的螺旋方向相反在數(shù)學(xué)上呈1：1，即分子整體右旋一圈來補(bǔ)雙螺旋上的一圈不足。自然條件下的DNA都是以負(fù)超螺旋的構(gòu)象存在的，也就是說，DNA的實(shí)際螺旋數(shù)要少于它含有的堿基對數(shù)目應(yīng)該對應(yīng)的螺旋數(shù)。負(fù)超螺旋狀態(tài)有利于解開DNA雙鏈。DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、組裝等許多過程都需要解開雙鏈才能進(jìn)行。生物體可以通過DNA的不同超螺旋結(jié)構(gòu)來控制其功能狀態(tài)。

正超螺旋(positivesupercoil)為雙螺旋旋轉(zhuǎn)過度，通過分子整體的左旋來去除過度的螺旋。正超螺旋旋進(jìn)過分的方向與DNA雙鏈的螺旋方向相同

（二）原核生物DNA和線粒體DNA是環(huán)狀DNA的結(jié)構(gòu)原核生物的DNA都是閉合環(huán)狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)。它在細(xì)胞內(nèi)緊密纏繞形成了致密的小體，稱為類核（nucleoid）。線粒體和葉綠體是真核細(xì)胞中含有核外遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器。線粒體DNA(mitochondrialDNA,

mtDNA)是一個(gè)封閉的雙鏈環(huán)狀分子。人mtDNA全長16,569個(gè)堿基對，共計(jì)37個(gè)基因,分別編碼13個(gè)蛋白質(zhì)、2個(gè)rRNA、22個(gè)tRNA。核小體(nucleosome)是染色質(zhì)的基本組成單位，由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成。雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質(zhì)八聚體進(jìn)行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結(jié)構(gòu)，稱為核小體。核小體結(jié)構(gòu)屬于DNA的三級結(jié)構(gòu)。完整的核小體由兩部分組成：即核小體核心（nucleosomecore），以及連接各核心顆粒之間的區(qū)域稱連接區(qū)（linker）。（三）真核生物DNA與組蛋白組成高度有序的染色質(zhì)核小體是染色質(zhì)的基本組成單位，由DNA和5種組蛋白（H1,H2A,H2B,H3,H4）組成。兩分子組蛋白H2A,H2B,H3,H4構(gòu)成八聚體核心蛋白，長度150bpDNA纏繞在八聚體上構(gòu)成核小體核心顆粒。

DNA和H1構(gòu)成連接區(qū)，連成染色質(zhì)絲，使染色質(zhì)DNA體積壓縮6～7倍。染色質(zhì)纖維進(jìn)一步壓縮成染色單體，在核內(nèi)組裝成染色體。此過程DNA被壓縮幾千倍,將2米長的DNA組裝在核內(nèi)。細(xì)胞周期大部分時(shí)間核DNA以松散的染色質(zhì)存在，分裂期以致密的染色體存在。

DNA雙螺旋→核小體→串珠狀多核小體細(xì)絲（染色質(zhì)絲）→

中空螺線管（直徑30nm)→超螺線管（染色質(zhì)纖維直徑400nm

）→染色單體三、DNA是生物遺傳信息的載體早在20世紀(jì)30年代，人們就已經(jīng)知道了染色體是遺傳物質(zhì)，也知道了DNA是染色體的組成部分。直到Avery等人采用細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（1944年），后經(jīng)Hershey和Chase通過同位素標(biāo)記噬菌體DNA感染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)（1952年）才直接證明了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（一）DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)基因（gene）是生物遺傳信息的攜帶者。

它是編碼一種蛋白質(zhì)或一條多肽鏈或一種RNA的DNA的功能片段。

它是一個(gè)功能性遺傳單位，也是一個(gè)突變單位或重組單位。DNA是生物遺傳信息的載體，并為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄提供了模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。１DNA具有高度穩(wěn)定性的特點(diǎn)，用來保持生物體系遺傳的相對穩(wěn)定性。２DNA又表現(xiàn)出高度復(fù)雜性的特點(diǎn)，它可以發(fā)生各種重組和突變，適應(yīng)環(huán)境的變遷，為自然選擇提供機(jī)會。（二）DNA全部核苷酸序列組成基因組基因組(genome)是指細(xì)胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質(zhì)，是所有染色體上全部基因和基因間的DNA的總和?；蚪M是一個(gè)十分穩(wěn)定的體系。1同一種系不同個(gè)體的染色體數(shù)目是相同的。2各染色體上有相同數(shù)量的基因和基因分布。3也有基本相同的核苷酸順序。一個(gè)有機(jī)體從它的發(fā)生、發(fā)展到衰老、死亡，不同細(xì)胞、組織和器官的基因組是基本穩(wěn)定不變的.絕大多數(shù)生物個(gè)體的基因組是DNA；但有些病毒的基因組是RNA。

第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能

StructureandFunctionofRNA一、mRNA的結(jié)構(gòu)與功能約占總RNA的3%-5%，含量最少，種類最多。成熟mRNA不含內(nèi)含子，hnRNA含有。mRNA從DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并作為蛋白質(zhì)合成的模板，決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。RNA是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。RNA通常以單鏈線性形式存在，但是可以通過鏈內(nèi)的堿基互補(bǔ)配對形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成三級結(jié)構(gòu)。與DNA相比，RNA的種類、大小、結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性表現(xiàn)出了多樣化，這與它們的功能多樣化密切相關(guān)。原核生物mRNA真核生物mRNA

多順反子

單順反子

轉(zhuǎn)錄后不需加工

轉(zhuǎn)錄后需加工成熟直接翻譯成蛋白質(zhì)

翻譯成蛋白質(zhì)

半衰期短

半衰期長

數(shù)秒

數(shù)小時(shí)2、原核生物mRNA的結(jié)構(gòu)（1）５’端：翻譯起始序列:

SD序列；３’端：翻譯終止序列.英文名稱：Shine-Dalgarnosequence;

SDsequenceSD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列.SD序列在細(xì)菌mRNA起始密碼子AUG上游10個(gè)堿基左右處,有一段富含嘌呤的堿基序列,能與細(xì)菌16SrRNA3’端識別,幫助從起始AUG處開始翻譯.（2）少量的間隔序列（3）無帽無尾(4)包括起始密碼子和終止密碼子（5）中間編碼序列。5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、真核mRNA的成熟hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA去除內(nèi)含子

外顯子(exon)（一）mRNA5-末端添加帽子結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核成熟的mRNA分子具有典型的5′-端的7-甲基鳥苷三磷酸帽子。5′帽子結(jié)構(gòu)是在核內(nèi)轉(zhuǎn)錄后由鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶催化，加上7-甲基鳥苷三磷酸，形成5′—5′的連接，不再有末端的5′磷酸結(jié)構(gòu)。同時(shí)與帽子結(jié)構(gòu)相鄰的第一個(gè)和第二個(gè)核苷酸中戊糖C-2′通常也被甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。

真核mRNA的5-末端7-甲基鳥嘌呤核苷帽狀結(jié)構(gòu)及核糖甲基化m7GpppNm-帽子結(jié)構(gòu)作用帽子結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(CBP)結(jié)合形成復(fù)合物：1)使mRNA從胞核向胞質(zhì)轉(zhuǎn)移2)與翻譯過程相關(guān)因子結(jié)合3)保護(hù)mRNAmRNA3-末端加ployA尾

大多數(shù)真核mRNA的3末端是一段有80~250個(gè)腺苷酸的多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾(poly(A)-tail)

。多聚A尾在細(xì)胞內(nèi)與poly(A)結(jié)合蛋白[poly(A)-bindingprotein,PABP]相結(jié)合而存在，每10～20個(gè)腺苷酸結(jié)合一個(gè)PABP單體。所以，真核細(xì)胞的mRNA的3-端實(shí)際上是一個(gè)poly(A)和蛋白質(zhì)多聚體形成的復(fù)合物。

真核生物mRNA3’-端的polyA結(jié)構(gòu)是在mRNA轉(zhuǎn)錄好后由polyA轉(zhuǎn)移酶催化加入的。mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移保護(hù)mRNA翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能（二）mRNA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DNA堿基排列順序，并攜帶至細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。

mRNA分子從5-末端的第一個(gè)AUG(起始密碼子)開始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上一個(gè)氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcode)或密碼子(codon)。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe，ORF)，可讀框內(nèi)的核苷酸序列決定了多肽鏈的氨基酸序列。一條完整的mRNA包括5-非編碼區(qū)、編碼區(qū)和3-非編碼區(qū)。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。二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：tRNA（一）tRNA的二級結(jié)構(gòu)：

三葉草二級結(jié)構(gòu)模型。主要特征：

1.四臂三環(huán)；

2.氨基酸臂3′端有

CCAOH的共有結(jié)構(gòu)；

3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）；

三葉草二級結(jié)構(gòu)模型。

4.反密碼環(huán)上的反密碼子

與mRNA相互作用；

5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目

可以變動；

6.TψC環(huán)含有T和ψ；

7.含較多修飾堿基。N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基tRNA中常見的稀有堿基tRNA有識別mRNA密碼的反密碼子*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。（二）tRNA的三級結(jié)構(gòu)：二十世紀(jì)七十年代初科學(xué)家用X線射衍技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)tRNA的三級結(jié)構(gòu)為倒L形。tRNA三級結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是氨基酸臂與TψC臂構(gòu)成L的一橫，-CCAOH3’末端就在這一橫的端點(diǎn)上，是結(jié)合氨基酸的部位，而二氫尿嘧啶臂與反密碼臂及反密碼環(huán)共同構(gòu)成L的一豎，反密碼環(huán)在一豎的端點(diǎn)上，能與mRNA上對應(yīng)的密碼子識別，二氫尿嘧啶環(huán)與TψC環(huán)在L的拐角上。形成三級結(jié)構(gòu)的很多氫鍵與tRNA中不變的核苷酸密切有關(guān)，這就使得各種tRNA三級結(jié)構(gòu)都呈倒L形的。在tRNA中堿基堆積力是穩(wěn)定tRNA構(gòu)型的主要因素。*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核糖體RNA與核糖體蛋白組成核糖體*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）

真核生物

5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA

原核生物

5SrRNA23SrRNA16SrRNA（一）原核、真核rRNA分子質(zhì)量不同（二）核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%rRNA與核糖體蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體，是蛋白質(zhì)生物合成的場所：為肽鏈合成所需要的mRNA、tRNA、多種蛋白因子提供了相互結(jié)合的位點(diǎn)和相互作用的空間環(huán)境。（三）rRNA參與組成的核糖體是蛋白質(zhì)翻譯的場所四、非信使小RNA具有多樣性

其他小分子RNA統(tǒng)稱：非mRNA小RNA（snmRNAs）

snmRNAs包括：核內(nèi)小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞質(zhì)小RNA（scRNA）、催化性小RNA（核酶）、小片段干擾RNA（siRNA）1、核內(nèi)小RNA：snRNA

snRNA主要存于細(xì)胞核中，占細(xì)胞RNA總量的0.1~1%，與蛋白質(zhì)以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在。由于其分子量較小，約含70～300個(gè)核苷酸，故稱之為核內(nèi)小RNA(smallnuclearRNA，snRNA)。

snRNA至少有15種之多，其中有7種均富含尿苷酸(U)，含量可高達(dá)35％，故稱其為U族snRNA，即U-snRNA。包括U1、U2、U3、U4、U5、U6及U7-snRNA。其他則稱為非U族snRNA。每分子snRNA與7～8種蛋白質(zhì)分子結(jié)合，以小核糖核蛋白(snRNP)顆粒的形式存在和執(zhí)行功能。

snRNA的作用：在hnRNA和rRNA的加工、細(xì)胞分裂和分化、構(gòu)成染色質(zhì)等方面有重要作用。１現(xiàn)已知，U1、U2、U4、U5、U6snRNP是mRNA前體加工時(shí)必不可少的因素，２U7-snRNP參與組蛋白的mRNA3’端的成熟過程，斷裂基因的發(fā)現(xiàn)1974年，30歲的Sharp開始在麻省理工大學(xué)（MIT）任教，并于1979年成為那里的生物學(xué)教授。直至70年代中期，生物學(xué)家們都認(rèn)為脫氧核糖核酸是一串不間斷的基因，但1977年夏普與羅伯茨各自發(fā)現(xiàn)了“斷裂”（split）基因——攜帶遺傳指令的DNA碎片所組成的外顯子（exons）被不攜帶遺傳指令的碎片間隔開。而這種斷裂基因也被稱為基因內(nèi)區(qū)（introns）。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了人們對基因變異以及一些遺傳疾病的認(rèn)識。他與另一位獨(dú)立研究出相近成果的英國生物學(xué)家理查德?約翰?羅伯茨（RichardJohnRoberts）共同獲得了1993年諾貝爾生理學(xué)-醫(yī)學(xué)獎。Phillip

SharpRichardJ.Roberts1978年，在麻省理工學(xué)院任職的同時(shí)，夏普幫助成立了一家私立基因工程公司，“美國生物基因公司”（Biogen,Incorporated）。該公司現(xiàn)已搬至馬薩諸塞州（Massachusetts）的劍橋（Cambridge）。199420042014真核mRNA的成熟hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA去除內(nèi)含子

外顯子(exon)RNA的剪接，以mRNA的剪接為例３、U3-snRNP參與rRNA前體的加工。所以說，snRNA既非任何其他RNA的前體，亦非其他RNA代謝的中間產(chǎn)物。而是具有獨(dú)特功能并且獨(dú)立存在的實(shí)體。2小片段干擾RNA（siRNA）

小片段干擾RNA（siRNA）是宿主對外源侵入的基因所表達(dá)的RNA鏈進(jìn)行切割，產(chǎn)生的具有特定長度和特定序列的小片段RNA。這些siRNA與外源侵入的基因所表達(dá)的mRNA相結(jié)合，通過同源RNA－RNA相互作用，并誘發(fā)這些靶mRNA的降解。利用這一機(jī)制發(fā)展起來的RNA干擾技術(shù)是研究基因功能的有力工具。2005年諾貝爾生理學(xué)-醫(yī)學(xué)獎3、核酶1981年，ThomasCech

發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。具有自身催化作用的RNA稱為核酶，大部分核酶參加RNA合成后的加工和成熟。核酶通常具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，如錘頭結(jié)構(gòu)。TheNobelPrizeinChemistry1989

第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)ChemicalandPhysicalPropertiesofNucleicAcids

一、核酸的理化性質(zhì)（一）核酸一般理化性質(zhì)1.為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性。2.DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，不溶于有機(jī)溶劑。

3.DNA溶液的粘度極高，而RNA溶液要小得多。

4.RNA能在室溫條件下被稀堿水解而DNA對堿穩(wěn)定。5.利用核糖和脫氧核糖不同的顯色反應(yīng)鑒定DNA與RNA。（二）核酸是兩性分子堿基可發(fā)生互變異構(gòu)堿基在體液環(huán)境中以堿性解離為主（三）核酸溶液具有高分子性質(zhì)黏滯度：DNA〉RNAdsDNA〉ssDNA沉降系數(shù)：溶液中的核酸在離心力場中可下沉。DNA分子經(jīng)反復(fù)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系數(shù)減小。（四）核酸具有紫外線吸收特性嘌呤和嘧啶堿基具有共軛雙鍵，核酸的紫外吸收（OD260）單核苷酸〉ssDNA（或RNA）〉dsDNA1.DNA或RNA的定量A260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:A260/A280=1.8RNA純品:A260/A280=2.0A260的應(yīng)用二、核酸變性、復(fù)性定義：核酸的變性（denaturation）指DNA雙螺旋之間的氫鍵斷裂變成單鏈、或RNA局部氫鍵斷裂變成線性單鏈結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致核酸的理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的過程方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等（一）核酸變性是雙鏈解離為單鏈的過程DNA變性后的性質(zhì)改變：①增色效應(yīng)：指DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現(xiàn)象。解鏈過程，暴露的堿基不斷增加。②旋光性下降。③粘度降低。④生物學(xué)功能喪失或改變。DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂（二）核酸變性時(shí)伴有增色效應(yīng)DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液A260增高的現(xiàn)象。熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線（融解曲線）。Tm：DNA變性是個(gè)突變過程，變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，類似結(jié)晶的熔解。將260nm紫外吸收的增加量達(dá)到最大增量一半時(shí)所對應(yīng)的溫度稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)或叫解鏈溫度。影響因素：1．DNA均一性決定融解溫度范圍大?。?．G-C堿基對含量決定融解溫度高低；3．介質(zhì)中的離子強(qiáng)度影響變性。Tm值是DNA變性的重要參數(shù)（三）變性的DNA可以復(fù)性

DNA復(fù)性(renaturation)的定義當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)單鏈可重新配對結(jié)合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，或恢復(fù)局部雙螺旋結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液A260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后才可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)。（四）利用變性、復(fù)性可進(jìn)行分子雜交將不同來源的DNA混合在一起，經(jīng)熱變性后，讓其慢慢冷卻復(fù)性。若這些異源DNA之間在某些區(qū)域具有互補(bǔ)的序列，復(fù)性時(shí)就會形成雜化雙鏈（heteroduplex）。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA單鏈之間形成，也可在RNA單鏈之間形成，甚至還可以在DNA單鏈和RNA單鏈之間形成，其前提條件是兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交（hybridization）。DNA-DNA雜交雙鏈分子變性復(fù)性不同來