1、P76一、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 1868年年 Fridrich Miescher从外科绷带的从外科绷带的脓细胞核脓细胞核中提取中提取“核素核素” 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
2、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含磷量极高含磷量极高的酸性物质的酸性物质肺炎球菌转化实验图解肺炎球菌转化实验图解III S型细胞型细胞（有毒）（有毒）II R型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAase降降解后的解后的DNAII R型细胞接受型细胞接受III S型型DNA只有只有II R型型大多数大多数仍为仍为II R型型少数少数II R型细胞被转化型细胞被转化产生产生III S型荚膜型荚膜S（光滑有荚膜）（光滑有
3、荚膜）SRRR（粗糙无荚膜）（粗糙无荚膜）+DNA二、核酸的分类及分布、功能二、核酸的分类及分布、功能脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 核糖核酸核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) 98%98%以上分布于细胞核，其余分以上分布于细胞核，其余分布于核外布于核外如线粒体，叶绿体，质如线粒体，叶绿体，质粒等。粒等。携带遗传信息，决定细胞和个体携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型的基因型(genotype)。分布于胞核、胞液（分布于胞核、胞液（90%90%）。）。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。某些病毒某些病毒
4、RNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体的载体。主要元素组成：主要元素组成： 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的的含量较为稳定，占含量较为稳定，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P79戊戊 糖糖 为了区别于碱基上的原子编号，核糖上的碳原子编号为了区别于碱基上的原子编号，核糖上的碳原子编号的右上方加上的右上方加上“ ”,如如1，3，5等。等。-D-2-脱氧核糖脱氧核糖-D-核糖核糖碱碱 基基嘌呤嘌呤腺嘌
5、呤腺嘌呤6-氨基嘌呤氨基嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶2-氧氧-4-氨基嘧啶氨基嘧啶尿嘧啶尿嘧啶2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-甲基甲基-2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶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）。）。l戊糖与碱基脱水戊糖与碱基脱水形成形成C-NC-N糖苷键糖苷键。P79碱基、核苷、核苷酸的概念和关系碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (i
6、n DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核酸核酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧
7、胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH核苷酸的结构和命名核苷酸的结构和命名核核苷苷和和磷磷酸酸以以磷磷酸酸酯酯键键连连接接稳定PPPPPPPP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）常见核苷酸的结构和命名常见核苷酸的结构和命名l核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。核酸中也存在一些不常
8、见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的甲基化产物。7-甲基-GtRNA细胞内游离核苷酸及其衍生物细胞内游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸-AMP辅酶或辅基（辅酶或辅基（NAD+、NADP + 、FAD、CoA等，等，均含有均含有AMP）环核苷酸环核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶,辅酶辅酶I)(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)P178 5 -NMP 5 -NDP 5 -NTPN=A、G、C、U 5 -dNMP 5 -dNDP 5 -dNTP N=A
9、、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物腺苷酸及其多磷酸化合物 AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphateATPATP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。ATPATP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
10、应。种需能的生化反应。 ATP ATP 也是一种很好的也是一种很好的磷酰化剂磷酰化剂。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的有机分子有机分子，也可以是，也可以是酶酶。磷。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化学反应的激活激活步骤。步骤。葡萄糖、脂肪酸降解cAMPcAMP和和cGMP cGMP cAMP(3cAMP(3,5,5- -环化环化腺腺苷酸苷酸) )和和cGMP(3cGMP(3,5,5- -环化环化鸟苷酸鸟苷酸) )的主要的主要功能是作为功能是作为细胞的细胞的第二信使。第二信使。 cAMPc
11、AMP和和cGMPcGMP的环状的环状磷酯键是一个磷酯键是一个高能高能键。键。 在在pH7.4, cAMPpH7.4, cAMP和和cGMPcGMP的水解能约为的水解能约为43.9 KJ/mol43.9 KJ/mol，比，比ATPATP水解能高得多。水解能高得多。环核苷酸环核苷酸三三 、核苷酸的生物学功能、核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体作为核酸的单体 细胞中的携能物质细胞中的携能物质（如（如ATP、GTP、CTP、UTP） 酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NAD+、NADP + 、FAD、CoA等，均含有等，均含有AMP ） 细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMP
12、、cGMP） 活性代谢物（活性代谢物（UDPG等）等）合成蛋白质, 活化糖分子磷脂酰胆碱、磷脂磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及纤维酰乙醇胺以及纤维素素 2、稀有核苷酸：稀有碱基、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷核苷/核苷酸核苷酸 3、核苷酸的其他形式、核苷酸的其他形式n多磷酸核苷（多磷酸核苷（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，等）胆碱，等） 1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。小结：小结：
13、RNA结构图一、一级结构一、一级结构（primary structure）一级结构一级结构是指核酸分子中是指核酸分子中核苷酸核苷酸的排列顺序及的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。1、核苷酸的连接方式、核苷酸的连接方式： 3 , 5 磷酸二酯键磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式、核酸的基本结构形式：多核苷酸链：多核苷酸链n信息量：信息量：4nn末端：末端： 5 端、端、 3 端端n多核苷酸链的方向：多核苷酸链的方向： 5端端3端端(由左至右由左至右)3、表示方法、表示方法：结构式、线条式、文字缩写：结构式、线条式、文字缩写5 5 3 3
14、核酸分子中核苷酸之间核酸分子中核苷酸之间的共价键的共价键3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键DNADNA、RNARNA的一级结构的一级结构 DNADNA一级结构一级结构5 3 OHOHOH5 3 RNARNA一级结构一级结构P82线条式线条式文字式文字式P83DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则 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以以氢键氢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 Wilkins 和和Franklin发现不同来源发现不同来源DNA纤维具有相似纤维具有
15、相似X-线衍射线衍射图谱图谱;DNA含有两条含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链,且且有沿纤维长轴有沿纤维长轴0.34和和3.4nm两个重要周期性两个重要周期性变化变化,说明说明DNA可能有共同的分子模型可能有共同的分子模型. 二、二、DNA的二级结构的二级结构（一）（一）DNA的二级结构的二级结构（secondary structure）1、碱基、碱基组成组成规则规则(Chargaff规则规则)nA=T，G=C； A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等嘌呤与嘧啶的总数相等)n有种属有种属特异性特异性n无组织、器官特异性无组织、器官特异性n不受年龄、营养、
16、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 P871953年年Watson（美国印第美国印第安纳洲立大学的生物化学安纳洲立大学的生物化学博士）博士）和和Crick（英国物理英国物理学家）在英国剑桥大学卡学家）在英国剑桥大学卡文迪许实验室文迪许实验室 提出了提出了 DNA的双螺旋结的双螺旋结 构模型，阐明了构模型，阐明了DNA半保半保留复制模式，从而开辟了留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元分子生物学研究的新纪元。1962年年获得了诺贝尔生获得了诺贝尔生理医学奖理医学奖 DNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单链组单链组成。成。 DNADNA的双螺旋结构是分子的双螺旋
17、结构是分子中两条中两条DNADNA单链之间基团单链之间基团相互识别相互识别和和作用作用的结果。的结果。 双螺旋结构双螺旋结构是是DNADNA二级结二级结构的最基本形式。构的最基本形式。不朽的旋转楼梯不朽的旋转楼梯DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链( (简简称称DNADNA单链单链) )组成。两条链沿着同一根轴平行盘组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成绕，形成右手右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为向相反，即其中一条链的方向为5 5 端端3 3 端，端
18、，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3 3 端端5 5 端。端。（2 2）嘌呤和嘧）嘌呤和嘧啶碱基位于螺啶碱基位于螺旋的旋的内侧内侧，磷，磷酸和脱氧核糖酸和脱氧核糖基位于螺旋基位于螺旋外外侧侧。碱基环平。碱基环平面与螺旋轴垂面与螺旋轴垂直，糖基环平直，糖基环平面与碱基环平面与碱基环平面成面成9090角。角。DNA的双螺旋结构的双螺旋结构（3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的直径约为直径约为2nm2nm，每，每条链相邻两个碱条链相邻两个碱基平面之间的距基平面之间的距离为离为0.34 nm0.34 nm，每，每1010个核苷酸形成个核苷酸形成一个螺旋，其螺一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转矩（即螺旋旋转
19、一圈的高度）为一圈的高度）为3.4 nm3.4 nm。（4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相互结合的力链相互结合的力是链间碱基对形成的是链间碱基对形成的氢键氢键。 碱基结合具有严格的配对规律碱基结合具有严格的配对规律: :A A与与T T结合，结合，G G与与C C结合，这种配对关结合，这种配对关系，称为系，称为碱基互补。碱基互补。 A A和和T T之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。 在在DNADNA分子中，嘌呤碱基的总数分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。与嘧啶碱基的总数相等。P85（5 5）螺旋表面形成）螺旋表面形成大大沟
20、沟(major groove)(major groove)及及小沟小沟(minor groove)(minor groove)，彼此相间，彼此相间排列。排列。 小沟较浅；大沟较小沟较浅；大沟较深，是深，是蛋白质识别蛋白质识别DNADNA碱基序列的基础碱基序列的基础。（6 6）氢键氢键维持双链横维持双链横向稳定性，向稳定性，碱基堆积碱基堆积力力维持双链纵向稳定维持双链纵向稳定性。性。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双螺旋结构在生理条件下很稳定稳定。 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，
21、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； 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，降低了基团的负电荷，降低了DNADNA链之间的排斥力等。链之间的排斥力等。 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点是很长长，分子质量很，分子质量很大大，一般在，一般在1061010。l大肠杆菌
22、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1.7mmDNA的双螺旋结构的双螺旋结构的意义的意义 该模型揭示了该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了特征，最有价值的是确认了碱基配对碱基配对原则，这原则，这是是DNA复
23、制、转录和反转录复制、转录和反转录的分子基础，亦是的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。遗传信息传递和表达的分子基础。 该模型的提出是该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。个生命科学飞速发展的基石。DNA双螺旋的多样性双螺旋的多样性P86左 DNA的二级结构存在的二级结构存在3种主要类型，即：种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。其中，。其中， B-DNA的二级结构稳定，在细胞中是主要存在的二级结构稳定，在细胞中是主要存在形式；形式； A-DN
24、A是是B-DNA的重要变构形式；的重要变构形式； Z-DNA是左手螺旋。是左手螺旋。 B-DNA是活性最高的构象，是活性最高的构象，A-DNA 的活性次之，的活性次之，Z-DNA的的活性最低。活性最低。 在细胞中在细胞中DNA的三种构型是动态变化的，以此调控染色体的三种构型是动态变化的，以此调控染色体的动态结构变化和基因的复制、转录。的动态结构变化和基因的复制、转录。三种三种DNA双螺旋构象比较双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型外型 粗短粗短 适中适中 细长细长螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直径螺旋直径 2.3nm 2.0nm 1.8nm碱基夹角碱基
25、夹角 32.70 34.60 60.00糖苷键构象糖苷键构象 反式反式 反式反式 C、T反式，反式，G顺式顺式大沟大沟 很窄很深很窄很深 很宽较深很宽较深 平坦平坦小沟小沟 很宽、浅很宽、浅 窄、深窄、深 较窄很深较窄很深每对碱基对之间的距离每对碱基对之间的距离 0.25nm 0.34nm 0.37nm每圈碱基数每圈碱基数 11 10 12螺距螺距2.8nm 3.4nm 4.5nm碱基对与水平倾角碱基对与水平倾角 200 00 90多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对T-A-TC-G-CP89，17DNA分子间的分子间的三链结构三链结构DNA分子内分子内的三链
26、结构的三链结构DNA的三链结构可能与的三链结构可能与基因表达调控基因表达调控有关，第三股链的存在有关，第三股链的存在阻碍了一些阻碍了一些调控蛋白调控蛋白或或RNA聚合酶聚合酶与与DNA的结合的结合。（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。层次的空间构象。 包括：包括：线线状状DNADNA形成的纽结、超螺旋和多重形成的纽结、超螺旋和多重螺旋，螺旋，环环状状DNADNA形成的结、超螺旋和连环等。形成的结、超螺旋和连环等。大多数原核生物大多数原核生物 ：1 1）只含有）只含有一个一个共价封共价封闭闭的
27、的环状环状双螺旋分子双螺旋分子2 2）超螺旋结构超螺旋结构：双螺：双螺旋基础上的螺旋化旋基础上的螺旋化正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)(positive supercoil): :盘绕方向与双螺旋方同相同盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil): :盘绕方向与双螺旋方向相反盘绕方向与双螺旋方向相反 原核细胞原核细胞的的DNA存在类核结存在类核结构中不含组蛋白，与构中不含组蛋白，与精胺精胺（spermine）和和亚精胺亚精胺(spermidine)结合结合,呈环状超螺旋结构呈环状超螺旋结构螺螺
28、旋旋和和超超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋（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。组蛋白核心组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4H2B ,H2A ,H3 ,H4DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白（以负超螺旋缠绕在组蛋白（碱性蛋白碱性蛋白:组氨酸和组氨酸和精氨酸较多）精氨酸较多）上上H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间P88真核生物染色体真核生物染色体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA （2nm）核小体链（核小体链（ 11nm，每个核小体，每个核小体200b
29、p）纤丝（纤丝（ 30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（ 1400nm， 每个染色体含每个染色体含10个玫瑰花个玫瑰花200bp）（三）（三）DNA的功能的功能DNA的基本功能的基本功能是以是以基因基因的形式荷载的形式荷载遗传信息，并作为基因遗传信息，并作为基因复制复制和和转录转录的的模板模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础活动的信息基
30、础。基因基因从结构上定义，从结构上定义，是指是指DNA分子分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。决定了基因的功能。 结构与功能的关系结构与功能的关系遗传上稳定是相对的；遗传上稳定是相对的； 变异是绝对的。变异是绝对的。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是是单链分子单链分子，因此在，因此在RNARNA分子中，分子中，嘌呤嘌呤（A A、G G）的总数不一定等于的总数不一定等于嘧啶嘧啶（U U、C C）的总数。）的总数。 RNARNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能分子中，部分区域也能形成双螺旋
31、结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为为“发夹型发夹型”结构。结构。 在在RNARNA的双螺旋结构的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象中，碱基的配对情况不象DNADNA中中严格。严格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，也可以和配对外，也可以和U U 配对配对。G-U G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, RNA, 其二其二级结构有明显的差异。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，还存在一些稀有碱基稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分这类
32、碱基大部分位于突环部分. .P91，20茎环发卡三级结构三级结构原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点先导区先导区+翻译区（翻译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端序列末端序列（一）（一）信使信使RNA的结构与功能的结构与功能* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按所携带的遗传信息，按碱基互补配对碱基互补配对原原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的则，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。氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻
33、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mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 * * 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 末端均在末端均在转录后转录后加上加上一个一个7-甲基甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的鸟苷，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 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。P885 帽子结构帽子结构3
34、 多聚多聚A尾尾5 非编码区非编码区3 非编码区非编码区编码区编码区起始密码子UAG,UGA终止密码子真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点 “帽子帽子”（m7G-5 ppp5 -N-3 p）+单顺反子单顺反子+“尾巴尾巴”（Poly A）AAAAAAA-OH5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 pN原有第一个碱基帽子帽子：7-甲基鸟苷以甲基鸟苷以5-5-三磷酸连接三磷酸连接到到mRNA的的5端，端，2-OH甲基化。甲基化。与防止与防止mRNA降解；降解；与翻译起始有关。与翻译起始有关。尾巴作用：尾巴作用：20-250bp，能控制能控制mRNA通
35、过核通过核膜进入胞浆；与延长膜进入胞浆；与延长mRNA寿命有关寿命有关。P89* 真核生物真核生物mRNA成熟过程成熟过程内含子内含子( (intron) )hnRNA 外显外显子子( (exon) )mRNA mRNA寿命寿命：暂时需要的基因产物，暂时需要的基因产物，半衰期几秒到几分钟，半衰期几秒到几分钟，哺乳动物哺乳动物平均半衰期平均半衰期3h，每代细胞需更新，每代细胞需更新10次左右，次左右，细菌细菌半衰半衰期期1.5分钟。分钟。（二）（二）tRNA的结构与功能的结构与功能 (原核生物原核生物60种种tRNA ，真核生物，真核生物100-120种种)NHNHOOHHHH双氢尿嘧啶双氢尿嘧
36、啶(DHU)次黄嘌呤次黄嘌呤(I)假尿嘧啶假尿嘧啶( )P89* 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3 末端末端5 末端末端* tRNA的的一级结构一级结构特点特点 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 * tRNA的三级结构的三级结构倒倒“L”型型反密码子环反密码子环* tRNA的功能的功能：活化、搬运活化、搬运氨基酸氨基酸到核到核糖体，参与蛋白质的翻译糖体，参与蛋白质的翻译。tRNA
37、小结小结1、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对2、5端一般为鸟嘌呤核苷酸，端一般为鸟嘌呤核苷酸，3端为端为CCA-OH3。3、二级结构为、二级结构为“三叶草三叶草”型（型（cloverleaf pattern）n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mRNA的三联体密码形成的三联体密码形成碱基互补配对碱基互补配对，解读遗，解读遗传密码，称为传密码，称为反密码子反密码子（anticodon）。）。 次黄嘌呤次黄嘌呤I常出现于反密码子中。常出现于反密码子中。n氨基酸臂氨基酸臂：3末端的末端的CCA-OH3单链
38、单链用于连接该用于连接该tRNA转运的氨基酸。转运的氨基酸。 n二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环（DHU）：识别氨酰）：识别氨酰-tRNA合成酶合成酶nTC环环：识别核蛋白体（核糖体）：识别核蛋白体（核糖体）4、“倒倒L”型三级结构型三级结构ACCDHU环环T 环环反密码环反密码环5额外环额外环（三）（三）rRNA的结构与功能的结构与功能核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物原核生物（以大肠杆菌为例）（以大肠杆菌为例）真核生物真核生物（以小鼠肝为例）（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%3
39、3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%P9116S rRNA5S rRNA23S rRNA30S subunit50S subunit70S prokaryoticribosome18S rRNA5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA40S subunit60S subunit80S eukaryoticribosomeProkaryot
40、icEukaryoticL2L3L32S1S2S3S21L132 proteins oflarge subunit(L1 L32)21 proteins ofsmall subunit(S1 S21)L2L3L50S1S2S3S33L150 proteins oflarge subunit(L1 L50)33 proteins ofsmall subunit(S1 S33)rRNA的分子结构的分子结构特征特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNA低低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能，与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能，作为蛋白质合成的场所作为蛋白质合成的场所5sRNA5sRNA的
41、二级结构的二级结构小结小结P97 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） 二、高分子性质二、高分子性质n 粘度粘度 DNARNA（DNA分子长度大）分子长度大）n 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（分子大小单位：分子量（道尔顿道尔顿D， 1D就表示一个单位的分子质量，碳12原子质量的1/12 ）、碱基对数目（、碱基对数目（bp）、离心沉降常数）、离心沉降常数（S，单位离心力场中分子沉降的速率，单位离心力场中分子沉降的速率，1S=1*10-13s秒，血红蛋白秒，血红蛋白4S） n 沉
42、淀行为沉淀行为加盐加盐（中和（中和电荷电荷DNA核蛋白难溶于核蛋白难溶于0.14mol/LNaCl溶液，但可溶于高浓度溶液，但可溶于高浓度1-2mol/L NaCl溶液，而溶液，而RNA 核蛋核蛋白则易溶于白则易溶于0.14mol/L NaCl溶液）溶液）；乙醇乙醇紫外吸收紫外吸收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
43、应用的应用 三、紫外吸收三、紫外吸收n 最大吸收波长：最大吸收波长：260nmn 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 四、变性、复性、分子杂交四、变性、复性、分子杂交1、DNA变性变性（DNA denaturation）：）：DNA变性变性是指在理化因素作用下，是指在理化因素作用下，DNA分子中的氢键断裂，分子中的氢键断裂，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形成单链的过程。变性后的变性后的DNA一级结构（一级结构（3-5磷酸二酯键）没有改变。磷酸二酯键）没有改变。DNA的变性的变性(denaturation)
44、方法：方法：过量酸、碱、加热，过量酸、碱、加热，变性试剂变性试剂如尿素、酰如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化： ODOD260260增高；粘度下降；比旋度下降；浮力密增高；粘度下降；比旋度下降；浮力密度升高；酸碱滴定曲线改变；生物活性改变度升高；酸碱滴定曲线改变；生物活性改变DNADNA变性的本质是双链间变性的本质是双链间氢键氢键的断裂的断裂DNADNA变性变性增色效应：增色效应：DNADNA变性时其溶液变性时其溶液ODOD260260增高的现象增高的现象。 当当DNADNA的的稀盐稀盐溶液加热到溶液加热
45、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，形成无规线团。即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。 80 90 100 100%50%OD260（254） Tm 变性温度范围变性温度范围融解温度（融解温度（melting temperaturemelting temperature, ,TmTm）：）：DNADNA热变性过程热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（融解温度（TmTm）或解链温度、变性温度。）或解链温度、变性温度。 实验室常用的方法实验室常用的方法热变性热变性P99影响影响
46、TmTm值的因素值的因素(1)(1)溶液溶液的性质的性质(2)DNA(2)DNA的性质和组成的性质和组成大肠杆菌大肠杆菌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 小结小结（1）变性后理化性质改变）变性后理化性质改变nDNA溶液的粘度降低溶液的粘度降低n浮力密度增加浮力密度增加n旋光偏振光改变旋光偏振光改变n紫外吸收增加（高色效应）紫外吸收增加（高色效应）高色效应高色效应（hyperochromic effect）：）：DNA变性后，变性后，在在260nm处的紫外吸收增高，称为高色效应或增处的紫外吸收增高，称为高色效应或增色效应。色效应。 （2）变性后
47、的）变性后的DNA一级结构（一级结构（3-5磷酸二酯键）磷酸二酯键）没有改变。没有改变。（3）融解温度（）融解温度（melting temperature,Tm）：）：DNA热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（时溶液的温度称为融解温度（Tm）GC含量越高，含量越高，Tm越大越大DNA越长，越长，Tm越大越大溶液离子强度增高，溶液离子强度增高，Tm值增加值增加DNA越纯，相变范围越小越纯，相变范围越小 2、DNA复性复性DNA复性复性(renaturation)的定义的定义:在适当条件下，在适当条件下，变性变性DNADNA的两条互
48、补链可恢复天然的双螺旋构象，的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为这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火(annealing)(annealing) 。减色效应减色效应（hypochromic effect ）:DNA复性时，复性时，其溶液其溶液OD260降低。降低。DNADNA复性复性在在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
49、程度的程度的碱基配对碱基配对关系，在适宜的条件（温度关系，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分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为分子间形成。这种现象称为核酸核酸分子杂交。分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) p105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
50、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异序列基因芯片技术的基础基因芯片技术的基础 核酸探针（核酸探针（nucleic acid probe）:能特异性的探测带某一能特异性的探测带某一特定序列的特定序列的DNA或或RNA分子的标记核酸分子。分子的标记核酸分子。3、核酸分子杂交、核酸分子杂交(hybridization) n由不同来源的核酸单链形成由不同来源的核酸单链形成杂化双链杂化双链的过程的过程n分子杂交技术的应用分子杂交技术的应用： 基因克隆筛选基因克隆筛选; 酶切图谱制作
