1、第二章核酸的结构与功能第二章核酸的结构与功能 Structure and Function of Nucleic Acid 1.核酸的发现史核酸的发现史 2.核苷酸及其连接核苷酸及其连接 3.DNA的结构与功能的结构与功能 4.RNA的结构与功能的结构与功能 5.核酸的某些理化性质及研究方法核酸的某些理化性质及研究方法 6.小结小结 DNA与与RNA比较比较 蛋白质与核酸比较蛋白质与核酸比较核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。1.核酸的发现史核酸的发现史1.1 核酸的发现和研究
2、史核酸的发现和研究史 1868年年 瑞士外科医生瑞士外科医生Friedrich Miescher首次脓首次脓细胞的胞核中提取到核酸与蛋白质的结合物，当时细胞的胞核中提取到核酸与蛋白质的结合物，当时称为核素称为核素(nuclein)，它含磷量极高，酸性很强。，它含磷量极高，酸性很强。1871年他发表了第一篇有关核酸的论文。年他发表了第一篇有关核酸的论文。1928年年Griffith等研究肺炎双球菌的转化实验中提等研究肺炎双球菌的转化实验中提出出“转化因子转化因子”这一物质。这一物质。1944年年Avery提取出提取出“转化因子转化因子”，并证实它就是，并证实它就是DNA，说明传递遗传信息的物质是
3、，说明传递遗传信息的物质是DNA。1952年年Hershey等人用放射性同位素标记技术证明等人用放射性同位素标记技术证明DNA是遗传的物质基础。是遗传的物质基础。20世纪世纪50年代，年代，Chargaff应用紫外分光光度法结应用紫外分光光度法结合纸层析简单技术，发现合纸层析简单技术，发现DNA碱基组成的规律。碱基组成的规律。Wilkins小组用小组用X光衍射法研究了光衍射法研究了DNA的晶体结构。的晶体结构。发现发现DNA分子中的核苷酸是排列成螺旋状，其螺分子中的核苷酸是排列成螺旋状，其螺距为距为3.4nm,每个螺距内含有每个螺距内含有10个碱基对，每个碱个碱基对，每个碱基形成一个平面，而两
4、个平面之间的距离为基形成一个平面，而两个平面之间的距离为0.34nm.Norweger等研究表明：等研究表明：DNA分子中核苷酸的戊分子中核苷酸的戊糖环平面平行于糖环平面平行于DNA螺旋的主轴，而碱基平面于螺旋的主轴，而碱基平面于此轴垂直。此轴垂直。1953年年Watson和和Crick提出了提出了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
5、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1.2 核酸的分类及分布核酸的分类及分布 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。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(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，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的
6、基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。1.3 核酸的化学组成核酸的化学组成 1.3.1 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）1.3.2 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)2.核苷酸及其连接核苷酸及其连接 2.1 碱基碱基 2.2 戊糖戊糖 2.3 磷酸磷酸 2.4 核苷核苷 2.5 核苷酸核苷酸 2.6 核苷酸的连接核苷酸的连接2.1
7、 碱基（碱基（base）参与核苷酸组成的主要碱基参与核苷酸组成的主要碱基：嘌呤嘌呤(purine，Pu)：腺嘌呤：腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶嘧啶(pyrimidine,Py):胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)DNA和和RNA中的碱基组成中的碱基组成 参与核苷组成的稀有碱基参与核苷组成的稀有碱基表：表：DNA和和RNA中的碱基组成中的碱基组成DNARNA腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymi
8、ne,T)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)2.2 戊糖戊糖(pentose)-D-核糖核糖(ribose)RNA中存在中存在 -D-2-脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)DNA中存在中存在2.3 磷酸磷酸(phosphate)磷酸的结构磷酸的结构表：两类核酸分子组成比较表：两类核酸分子组成比较 碱碱 基基戊戊 糖糖磷酸磷酸 嘌嘌 呤呤 嘧嘧 啶啶 核核 糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 DNADNAA A、G G C C、T T 脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸RNARNA A A、G G C C、U U 核核 糖糖磷酸磷酸 两类核酸分子组成比较两类核酸分子组成比较2.4 核苷核苷(nucleoside
9、)定义定义：核糖或脱氧核糖的核糖或脱氧核糖的C-1与嘧啶的与嘧啶的N-1或嘌或嘌呤的呤的N-9相连接构成的化合物。相连接构成的化合物。举例举例：腺苷和脱氧腺苷的结构腺苷和脱氧腺苷的结构 胞苷和脱氧胞苷的结构胞苷和脱氧胞苷的结构 DNA和和RNA中的脱氧核苷和核苷中的脱氧核苷和核苷表：表：DNA和和RNA中的脱氧核苷和核苷中的脱氧核苷和核苷DNARNA腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)脱氧腺苷脱氧腺苷(dA）腺苷腺苷(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)脱氧鸟苷脱氧鸟苷(dG)鸟苷鸟苷(G)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)脱氧胞苷脱氧胞苷(dC)胞苷胞苷(C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymin
10、e)脱氧胸苷脱氧胸苷(dT)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)尿苷尿苷(U)2.5 核苷酸核苷酸(nucleotide)2.5.1 生物体内的游离核苷酸生物体内的游离核苷酸 2.5.2 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 2.5.3 环化核苷酸环化核苷酸 2.5.4 辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸 2.5.1生物体内的游离核苷酸生物体内的游离核苷酸 2.5.1.1 构成核酸的核苷酸构成核酸的核苷酸 2.5.1.2 生物体内存在的游离核苷酸：生物体内存在的游离核苷酸：黄嘌呤核苷酸黄嘌呤核苷酸(XMP)次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸(IMP)2.5.1.1 构成核酸的核苷酸构成核酸的核苷酸 定义定义 核糖或脱氧核糖上
11、的羟基与磷酸脱水缩合形成的化合物核糖或脱氧核糖上的羟基与磷酸脱水缩合形成的化合物,称为核苷酸称为核苷酸。举例举例2-核苷酸、核苷酸、3-核苷酸、核苷酸、5-核苷酸核苷酸3-脱氧核苷酸，脱氧核苷酸，5-脱氧核苷酸脱氧核苷酸 命名命名核苷酸或核苷一磷酸核苷酸或核苷一磷酸(NMP)脱氧核苷酸或脱氧核苷一磷酸脱氧核苷酸或脱氧核苷一磷酸(dNMP)mono-:单一单一,deoxy-:脱氧脱氧 构成核酸的核苷酸一览表构成核酸的核苷酸一览表 表：构成核酸的核苷酸表：构成核酸的核苷酸 DNARNA腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸(dAMP）腺苷一磷酸腺苷一磷酸(AMP)鸟嘌呤鸟嘌呤(gu
12、anine,G)脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸(dGMP)鸟苷一磷酸鸟苷一磷酸(GMP)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸(dCMP)胞苷一磷酸胞苷一磷酸(CMP)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸(dTMP)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)尿苷一磷酸尿苷一磷酸(UMP)说明：说明：mono-:单一单一,deoxy-:脱氧脱氧 2.5.1.2 生物体内存在的游离核苷酸：生物体内存在的游离核苷酸：黄嘌呤核苷酸黄嘌呤核苷酸(XMP)次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸(IMP)体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸
13、的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPNADP+NAD+2.5.2 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 2.5.2.1 定义定义核苷酸在核苷酸在5-磷酸上进一步磷酸化形成的多磷酸磷酸上进一步磷酸化形成的多磷酸化合物为多磷酸核苷酸。化合物为多磷酸核苷酸。2.5.2.1 举例举例 ADP：腺苷二磷酸或二磷酸腺苷：腺苷二磷酸或二磷酸腺苷ATP：腺苷三磷酸或三磷酸腺苷：腺苷三磷酸或三磷酸腺苷(di-：二的、：二的、tri-：三的：三的)2.5.2.3 常见的多磷酸核苷酸
14、一览表常见的多磷酸核苷酸一览表 2.5.2.4 多磷酸核苷酸的相互转换图多磷酸核苷酸的相互转换图 2.5.2.5 能量的转移图能量的转移图 2.5.2.6 三三磷酸核苷的功能一览表磷酸核苷的功能一览表 2.5.2.1 举例举例 ADP：腺苷二磷酸或二磷酸腺苷：腺苷二磷酸或二磷酸腺苷 2.5.2.1 举例举例ATP：腺苷三磷酸：腺苷三磷酸或三磷酸腺苷或三磷酸腺苷表：常见的多磷酸核苷酸表：常见的多磷酸核苷酸核苷二磷酸核苷二磷酸(NMP)三磷酸核苷三磷酸核苷(NTP)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)腺苷二磷酸腺苷二磷酸(ADP)三磷酸腺苷三磷酸腺苷(ATP)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)鸟苷二
15、磷酸鸟苷二磷酸(GDP)三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷(GTP)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)胞苷二磷酸胞苷二磷酸(CDP)三磷酸胞苷三磷酸胞苷(CTP)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)胸苷二磷酸胸苷二磷酸(TDP)三磷酸胸苷三磷酸胸苷(TTP)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)尿苷二磷酸尿苷二磷酸(UDP)三磷酸尿苷三磷酸尿苷(UTP)2.5.2.3 常见的多磷酸核苷酸一览表常见的多磷酸核苷酸一览表 2.5.2.4 多磷酸核苷酸的相互转换图多磷酸核苷酸的相互转换图 2.5.2.5 能量的转移图能量的转移图 表：三磷酸核苷的功能表：三磷酸核苷的功能 dATP、dGTP、dCTP、dTTP：DN
16、A合成的原料合成的原料ATP、GTP、CTP、UTP：RNA合成的原料合成的原料ATP：生物体内能量的直接供体生物体内能量的直接供体GTP：参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成CTP：参与磷脂的生物合成参与磷脂的生物合成UTP：参与糖原的生物合成参与糖原的生物合成2.5.2.6 三磷酸核苷的功能一览表三磷酸核苷的功能一览表2.5.3 环化核苷酸环化核苷酸2.5.3.1环化核苷酸的结构环化核苷酸的结构和和cAMP模型模型2.5.3.2cAMP、cGMP的功能的功能-充当第二信充当第二信使使第一信使：激素本身是第一信使。第一信使：激素本身是第一信使。因激素是多细胞在细胞间传递信息的一因激素是多
17、细胞在细胞间传递信息的一种化学信使。种化学信使。第二信使：将细胞外信息传递到细胞内第二信使：将细胞外信息传递到细胞内的物质，在生物体内具有广泛的调节作用的物质，在生物体内具有广泛的调节作用2.5.3.1环化核苷酸的结构环化核苷酸的结构2.5.3.1cAMP模型模型2.5.4 辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸 2.5.4.1 辅酶辅酶A 2.5.4.2 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+结构图结构图和和模型图模型图 2.5.4.3 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 2.5.4.1 辅酶辅酶A 2.5.4.2 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+结构图结构图和和模型图模型图
18、 2.5.4.3 黄素黄素腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸2.6 核苷酸的连接核苷酸的连接 2.6.1 磷酸二酯链磷酸二酯链 形成形成:构成核酸的磷酸二酯键为构成核酸的磷酸二酯键为3,5-磷酸二酯链磷酸二酯链 分解分解:磷酸二酯键可被许多核酸水解酶作用而磷酸二酯键可被许多核酸水解酶作用而 水解，水解，如核糖核酸酶如核糖核酸酶I、多种限制性内切酶等。、多种限制性内切酶等。2.6.2 多核苷酸链多核苷酸链部分部分RNA链链部分部分DNA链链几个概念几个概念 2.6.3 多腺苷酸多腺苷酸 2.6.1 磷酸二酯链磷酸二酯链 形成形成:构成核酸的磷酸二酯键为构成核酸的磷酸二酯键为3,5-磷酸二酯链磷酸二酯链
19、 分解分解:磷酸二酯键可被许多核酸水解酶作用而磷酸二酯键可被许多核酸水解酶作用而 水解，如核糖核酸酶水解，如核糖核酸酶I、多种限制性内切酶等。、多种限制性内切酶等。2.6.2 多核苷酸链多核苷酸链有关核苷酸链的几个概念有关核苷酸链的几个概念 寡核苷酸：寡核苷酸：十几个或几十个核苷酸连接起十几个或几十个核苷酸连接起来的分子来的分子 核酸：核酸：由几十多到上千个核苷酸彼此相连由几十多到上千个核苷酸彼此相连而成的多核苷酸链而成的多核苷酸链 5-末端与末端与3-末端末端 核苷酸残基核苷酸残基 2.6.3 多腺苷酸多腺苷酸3.DNA的结构与功能的结构与功能 3.1 DNA的碱基组成的碱基组成 3.2 D
20、NA的一级结构的一级结构 3.3 DNA的二级结构的二级结构 3.4 DNA的三级结构的三级结构 3.5 DNA的生物学功能的生物学功能3.1 DNA的碱基组成的碱基组成 Chargaff规则的内容规则的内容.所有所有DNA：A=T、G=C，即，即A+G=T+C.DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同种的的碱基组成具有种的特异性，即不同种的DNA碱基组成不一样碱基组成不一样.对同一生物物种，对同一生物物种，DNA的碱基组成没有组织和器的碱基组成没有组织和器官的特异性官的特异性.DNA的碱基组成不随年龄、营养状况及环境的改的碱基组成不随年龄、营养状况及环境的改变而改变变而改变 Chargaff规
21、则的意义规则的意义 该规则为后来建立该规则为后来建立DNA双螺旋结构模型奠定的基双螺旋结构模型奠定的基础，础，并为阐明并为阐明DNA的生物学功能提供了重要依据。的生物学功能提供了重要依据。3.2 DNA的一级结构的一级结构 定义：定义：脱氧核苷酸在长链上的排列顺序就是脱氧核苷酸在长链上的排列顺序就是DNA的一级结构的一级结构。不同种不同种DNA之间的千差万别只是在碱基排列顺序不同。之间的千差万别只是在碱基排列顺序不同。DNA的一级结构也称为核苷酸序列或碱基序列。的一级结构也称为核苷酸序列或碱基序列。举例：举例：1977年测定了由年测定了由5375个核苷酸组成的噬菌体个核苷酸组成的噬菌体X174
22、 DNA的核苷酸顺序。人的的核苷酸顺序。人的DNA包含包含3109个碱基对个碱基对(如如 果连接起来其长度约为地球到月亮的距离，即果连接起来其长度约为地球到月亮的距离，即20万英万英里里)，因此它所容纳的信息量极大。，因此它所容纳的信息量极大。核酸的一级结构核酸的一级结构 定义：定义：核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA3.3 DNA的二级结构的二级结构 3.3.1 右手双螺旋结构右手双螺旋结构 3.3.2 DNA的其它构象的其它构象3.3.1 右手双螺旋结
23、构（右手双螺旋结构（B-DNA）3.3.1.1 提出提出:Watson和和Crick于于1953年根据年根据 DNA晶体的晶体的X-射线衍射图谱和射线衍射图谱和Chargaff规则等数据规则等数据提出。提出。X-射线衍射原理图射线衍射原理图和和DNA晶体的晶体的X-射线衍射图谱射线衍射图谱 3.3.1.2 要点：要点：1.由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构。构成右手双螺旋结构。2.两股单链两股单链糖糖-磷酸磷酸构成骨架，居双螺旋外侧。碱构成骨架，居双螺旋外侧。碱基位于双螺旋内侧，并与中心轴垂直。基位于双螺旋内侧，并与中心轴
24、垂直。3每圈螺旋含每圈螺旋含10个核苷酸残基，螺距：个核苷酸残基，螺距：3.4nm,直直径径:2nm,有两个沟：大沟有两个沟：大沟(major groove)及小沟及小沟(minor groove)相间。相间。4.碱基严格配对碱基严格配对:A与与T、C与与G互补碱基与互补链互补碱基与互补链 5.DNA双螺旋结构稳定因素：双螺旋结构稳定因素：碱基堆积力、氢键、离子链碱基堆积力、氢键、离子链u氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性，碱基堆积力碱基堆积力维维持双链持双链纵向稳定性纵向稳定性。3.3.1.3 意义意义 DNA双螺旋结构支配了近代核酸结构功能的研双螺旋结构支配了近代核酸结构功能的研
25、究和发展，是生物科学发展史上的杰出贡献。究和发展，是生物科学发展史上的杰出贡献。3.3.2 DNA的其它构象的其它构象:DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNA Structures:A,B and ZDNA Structures:B-DNAd(CGCGAATTCGCG)d(CGCGAATTCGCG)3.3.2.1 A-DNADNA Structures:A-DNAd(AGCTTGCCTTGAG)d(CTCAAGGCAAGCT)3.3.2.2 Z-DNA DNA Structures:Z-DNAd(CGCGCGCGCGCG)d(CGCGCGCGCGCG)3.3.2.3 小结小结表：各种
26、表：各种DNA双螺旋结构参数双螺旋结构参数 结构参数结构参数A型型B型型C型型Z型型螺旋方向螺旋方向右右 右右右右左左螺距螺距(nm)3.09 3.38 3.1 4.46每圈碱基数每圈碱基数1110.49.312相邻两个碱基间上与距相邻两个碱基间上与距离离(nm)0.280.3380.330.74碱基倾角碱基倾角(0)1619667螺旋直径螺旋直径(nm)2.31.931.921.81小结小结：不同构象只是螺距、直径、每圈含有的碱基数目不同：不同构象只是螺距、直径、每圈含有的碱基数目不同3.4 DNA的三级结构的三级结构 3.4.1 DNA超级螺旋图片超级螺旋图片:3.4.2 原核生物：原核生
27、物：超螺旋的结构超螺旋的结构 3.4.3真核生物：真核生物：3.4.3.1 核小体核小体-DNA双螺旋盘绕在组蛋白双螺旋盘绕在组蛋白 上形成的一种超螺旋结构。上形成的一种超螺旋结构。核小体的模型 3.4.3.2 核小体是染色体的核心小粒核小体是染色体的核心小粒 3.4.1 DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋
28、方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过程具有关键作用。转录过程具有关键作用。3.4.1 DNA超级螺旋图片超级螺旋图片:3.4.1 DNA超级螺旋图片超级螺旋图片 3.4.2 原核生物：原核生物：超螺旋的结构超螺旋的结构 3.4.2 原核生物：原核生物：超螺旋的结构超螺旋的结构 3.4.3真核生物：真核生物：DNA在真核生物细胞核内在真核生物细胞核内的组装的组装真核生
29、物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 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，H2BH3H43.4.3.1 核小体核小体-DNA双螺旋盘绕在组蛋白上形成双螺旋盘绕在组蛋白上形成的一种超螺旋结构的一种超螺旋结构。3.4.3.2 核小体核小体是染色体的核心小粒是染色体的核心小粒 从核小体到染色体从核小体到染色体 140bp的双螺旋的双螺旋DNA缠绕于缠绕于4种组蛋白形成的八聚体外面种组蛋白形成的八聚体外面-核小体核小体理论：理论：140bp0.34nm47.6nm，实际核小体，
30、实际核小体为直径为直径9nm，DNA分子分子长度被压缩了长度被压缩了56倍。倍。60bp的双螺旋的双螺旋DNA及及组蛋白组蛋白1-间隔区间隔区 每每6个核小体通过间隔个核小体通过间隔区相连区相连-空心螺线管空心螺线管 空心螺线管外径空心螺线管外径30nm,螺距螺距10nm，DNA分子长分子长度又被压缩了度又被压缩了6倍。倍。120个螺线管又盘绕个螺线管又盘绕-超螺线管（染色体的单超螺线管（染色体的单位纤维）位纤维）超螺线管直径超螺线管直径400nm，高，高30nm，长，长1060nm,DNA分子长度又被压缩了分子长度又被压缩了40倍。倍。超螺线管进一步螺旋或盘旋超螺线管进一步螺旋或盘旋-染色单
31、体染色单体 染色单体实际长度为染色单体实际长度为210nm,DNA分子长度又被压缩分子长度又被压缩56倍。倍。人体每个细胞中长约人体每个细胞中长约1.7米的米的DNA双螺旋链双螺旋链 经许多核小体组成的串珠样纤维经多层次螺旋经许多核小体组成的串珠样纤维经多层次螺旋化，最终压缩了约化，最终压缩了约8400倍形成染色单体。倍形成染色单体。46个染个染色单体长仅色单体长仅200m左右，储于细胞核中。左右，储于细胞核中。3.5 DNA的功能的功能 DNA的功能的功能-起着贮存和传递遗传信息的作用起着贮存和传递遗传信息的作用 基因基因 基因就是基因就是DNA的功能片断。或者说基因是一断的功能片断。或者说
32、基因是一断DNA顺顺序。序。如如recA基因，编码基因，编码RecA蛋白（重组蛋白蛋白（重组蛋白A），该蛋白），该蛋白可水解切断可水解切断lexA阻遏蛋白，使阻遏蛋白，使DNA损伤得以修复。又损伤得以修复。又如如:recB、recC 基因分别编码核酸外切酶基因分别编码核酸外切酶V的一个亚基，该酶在基因重的一个亚基，该酶在基因重组中发挥作用。组中发挥作用。基因组基因组 即一个配子即一个配子(精子精子)、一个单倍细胞或一个病毒所包含的、一个单倍细胞或一个病毒所包含的全套基因。全套基因。人类基因组计划人类基因组计划 人类基因组结构的研究在医学上可用于阐明基因缺陷，人类基因组结构的研究在医学上可用于阐
33、明基因缺陷，进行遗传性疾病或产前诊断。进行遗传性疾病或产前诊断。4.RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA 4.1 RNA的碱基组成及其基本结构的碱基组成及其基本结构 4.2 RNA的类型的类型 4.3 tRNA的结构与功能的结构与功能 4.4 mRNA的结构与功能的结构与功能 4.5 rRNA的结构与功能的结构与功能 4.6 小核小核RNA和反义和反义RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线
34、粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAt
35、RNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA 4.1 RNA的碱基组成及其基本结构的碱基组成及其基本结构 4.1.1 RNA的碱基组成的碱基组成 4种主要的碱基种主要的碱基：A、G、C、U 多种稀有碱基多种稀有碱基4.1.2 RNA的一级结构的一级结构 1965年年Holley第一
36、个测定了酵母丙氨酸转运核糖第一个测定了酵母丙氨酸转运核糖核酸为核酸为77个核苷酸顺序。个核苷酸顺序。1981年我国第一个成功能年我国第一个成功能人工合成了该人工合成了该tRNA，证实了核酸结构的研究结果是，证实了核酸结构的研究结果是正确的。正确的。1976年测定了年测定了5396个核苷酸组成的噬菌体个核苷酸组成的噬菌体MS2RNA的核苷酸顺序。的核苷酸顺序。4.1.3 RNA的二级结构的二级结构 单链、局部双螺旋结构单链、局部双螺旋结构(发夹结构发夹结构)RNA的碱基组成没有严格规律的碱基组成没有严格规律碱基配对：碱基配对：A-U、G-C单链、局部双螺旋结构单链、局部双螺旋结构(发夹结构发夹结
37、构)4.2 RNA的类型的类型 表：表：RNA的类型的类型 名称名称英英 文文简简 写写转运核糖转运核糖RNAtransfer RNAtRNA信使核糖信使核糖RNAmessenger RNAmRNA 核蛋白体核蛋白体RNAribosomal RNArRNA小核小核RNAsmall nuclear RNAsnRNA核内不均一核内不均一RNAhnRNA 4.3 tRNA的结构与功能的结构与功能 转运核糖核酸（转运核糖核酸（tRNA）4.3.1 基本情况：基本情况：分子量小、种类多、分子量小、种类多、含有较多的稀有碱基含有较多的稀有碱基 4.3.2 二级结构二级结构 形状形状：三叶草形三叶草形 特点
38、特点：3-末端具有末端具有-CCA结构结构 反密码环反密码环(摆动配对摆动配对与与识别作用识别作用）4.3.3 三级结构：三级结构：倒L形 4.3.4 功能：功能：在蛋白质生物合成中起着转运氨基酸在蛋白质生物合成中起着转运氨基酸的作用的作用*tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020%稀有碱基，如稀有碱基，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 转运转运RNA的结构与功能的结构与功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊
39、烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 4.3.2.1 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4.3.2.1 二级结构二级结构 形状形状：三叶草形三叶草形4.3.2.2 二级结构二级结构 特点特点：3-末端具有末端具有-CCA结构结构4.3.2.3 二级结构二级结构 反密码环反密码环(摆动配对摆动配对）4.3.2.3 二级结构二级结构 反密码环反密码环(识别作用识别作用）4.3.3 三级结构：*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能活化、
40、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。4.3.3 三级结构：倒L形 4.4 mRNA的结构与功能的结构与功能 信使核糖核酸信使核糖核酸(mRNA)4.4.1基本情况：基本情况：分子量大、种类多、含量少、最分子量大、种类多、含量少、最不稳定不稳定4.4.2 特点特点 5-帽子结构帽子结构：可能与蛋白质生物合成的起始有关可能与蛋白质生物合成的起始有关 3-polyA结构结构：可能与可能与mRNA的稳定性有关的稳定性有关 4.4.3 原核与真核原核与真核mRNA比较比较 4.4.4 功能：功能：作为蛋白质生物合成的直接模板作为蛋白质生物合成的直接模板信使信
41、使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子(exon)*mRNA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。4.4.2 特点特点 5-帽子结构帽子结构：可能与蛋白质生物合成的起始有关可能与蛋白质
42、生物合成的起始有关 3-polyA结构结构：可能与可能与mRNA的稳定性有关的稳定性有关帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA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*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，抄录并传送至核糖体，用以补配对原则，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。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
43、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 4.4.3 原核与真核原核与真核mRNA比较比较表：遗传密码第一个碱第一个碱基基第二个碱基第二个碱基UCAG第三个碱第三个碱基基U苯丙氨酸苯丙氨酸(UUU)苯丙氨酸苯丙氨酸(UUC)亮氨酸亮氨酸(UUA)亮氨酸亮氨酸(UUG)丝氨酸丝氨酸(UCU)丝氨酸丝氨酸(UCC)丝氨酸丝氨酸(UCA)丝氨酸丝氨酸(UCG)酪氨酸酪氨酸(UAU)酪氨酸酪氨酸(UAC)无意义无意义(UAA)无意义无意义(UAG)半胱氨酸半胱氨酸(UGU)半胱氨酸半胱氨酸(UGC)无意义无意义(UGA)色氨酸色氨酸(UGG)UCAGC亮氨酸亮氨酸(C
44、UU)亮氨酸亮氨酸(CUC)亮氨酸亮氨酸(CUA)亮氨酸亮氨酸(CUG)脯氨酸脯氨酸(CCU)脯氨酸脯氨酸(CCC)脯氨酸脯氨酸(CCA)脯氨酸脯氨酸(CCG)组氨酸组氨酸(CAU)组氨酸组氨酸(CAC)谷氨酰胺谷氨酰胺(CAA)谷氨酰胺谷氨酰胺(CAG)精氨酸精氨酸(CGU)精氨酸精氨酸(CGC)精氨酸精氨酸(CGA)精氨酸精氨酸(CGG)UCAGA异亮氨酸异亮氨酸(AUU)异亮氨酸异亮氨酸(AUC)异亮氨酸异亮氨酸(AUA)蛋氨酸蛋氨酸(AUG)苏氨酸苏氨酸(ACU)苏氨酸苏氨酸(ACC)苏氨酸苏氨酸(ACA)苏氨酸苏氨酸(ACG)天冬氨酸天冬氨酸(AAU)天冬氨酸天冬氨酸(AAC)赖氨酸
45、赖氨酸(AAA)赖氨酸赖氨酸(AAG)丝氨酸丝氨酸(AGU)丝氨酸丝氨酸(AGC)精氨酸精氨酸(AGA)精氨酸精氨酸(AGG)UCAGG缬氨酸缬氨酸(GUU)缬氨酸缬氨酸(GUC)缬氨酸缬氨酸(GUA)缬氨酸缬氨酸(GUG)丙氨酸丙氨酸(GCU)丙氨酸丙氨酸(GCC)丙氨酸丙氨酸(GCA)丙氨酸丙氨酸(GCG)天冬酰胺天冬酰胺(GAU)天冬酰胺天冬酰胺(GAC)谷氨酸谷氨酸(GAA)谷氨酸谷氨酸(GAG)甘氨酸甘氨酸(GGU)甘氨酸甘氨酸(GGC)甘氨酸甘氨酸(GGA)甘氨酸甘氨酸(GGG)UCAG4.4.4 功能：功能：作为蛋白质生物合成的直接模板作为蛋白质生物合成的直接模板4.5 rRNA
46、的结构与功能的结构与功能 核蛋白体核糖核酸核蛋白体核糖核酸(rRNA)4.5.1基本情况：基本情况：含量最多、含量最多、结构最复杂结构最复杂、组成复杂组成复杂 4.5.2原核细胞核蛋白体组成原核细胞核蛋白体组成 4.5.3真核细胞核蛋白体组成真核细胞核蛋白体组成 4.5.4功能：功能：作为蛋白质生物合成的场所作为蛋白质生物合成的场所*rRNA的结构的结构4.5.1基本情况：基本情况：含量最多、含量最多、结构最复杂结构最复杂、组成复杂组成复杂*rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成的场所。*rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉
47、降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA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
48、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%4.5.2原核细胞核蛋白体组成原核细胞核蛋白体组成4.5.2原核细胞核蛋白体组成原核细胞核蛋白体组成4.5.3真核细胞核真核细胞核蛋白体组成蛋白体组成 4.6 小核小核RNA和反义和反义RNA 4.6.1 小核小核RNA 存在于真核细胞的细胞核内，为小分子核糖核酸，存在于真核细胞的细胞核内，为小分子核糖核酸，长度为长度为106-189个核苷酸。个核苷酸。作用作用：参与参与hnRNA 的剪接的剪接和转运。和转运。hnRNA：核内不均一核内不均一RNA，是成熟，是成熟mRNA的前体。的前体。4
49、.6.2 反义反义RNA 最初在原核生物中发现，真核生物是否存在反义最初在原核生物中发现，真核生物是否存在反义基因尚未证实。基因尚未证实。反义反义RNA是反义基因转录合成的一段是反义基因转录合成的一段RNA序列。序列。作用作用：通过互补的碱基与特定的通过互补的碱基与特定的mRNA的结合的结合，从而抑制从而抑制mRNA的翻译。的翻译。snmRNAs的种类的种类核内小核内小RNA;RNA;核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNA;RNA;催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的功能的功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。snmRNA
50、s 除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子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)RNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中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5.核酸的某些理化性质及其研究核酸的某些理化性质及其研究The P
