1、1核苷酸与核酸核苷酸与核酸2discovering nucleic acid 18691869年，瑞士科学家年，瑞士科学家MiescherMiescher在外科绷带上得到一在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物，命名为种含磷酸很高的酸性化合物，命名为“核质核质”。18891889年，年，AltmannAltmann制备了不含蛋白质的核酸制品，制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了核酸这个名称。首先使用了核酸这个名称。1928192819321932年，确立了核酸在生命现象中的地位。年，确立了核酸在生命现象中的地位。19531953年，年，WastonWaston和和CrickCrick建立
2、了双螺旋模型，这是建立了双螺旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。核酸发展史上的重要里程碑。5Overview of nucleic acid遗传信息的存储和携带者脱氧核糖核酸遗传信息表达核糖核酸核酸6 6-氨基嘌呤氨基嘌呤 2-氨基氨基-6-酮基嘌呤酮基嘌呤72，4-二酮基嘧啶二酮基嘧啶85-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶92-酮基酮基-4-氨基嘧啶氨基嘧啶10Ribose and Deoxyribose11Features in ribose 共同点：大多是呋喃糖 与碱基连接都是-构型，C-1位的构型为-羟基；不同点：RNA是D-核糖，DNA是D-2-脱氧核糖 种类 4种，部分RNA还有D-2-O-
3、甲基核糖 还发现有几个己糖 如RNA中有甘露糖、半乳糖 ，DNA中有葡萄糖。12bases嘌呤嘧碇13Nucleoside14Nucleotide腺嘌呤脱氧核苷一磷酸腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMPdAMP15Levels of phosphate16Important derivativesl NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD lNMP，NDP，NTP17Cyclic nucleotidelcAMPlcGMP1819Primary structureThe sequence of nucleotideThe sequence of the base。20Two kinds of nu
4、cleic acids 核糖核酸核糖核酸 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 RNA DNA单链多聚核糖核苷酸单链多聚核糖核苷酸 单链或双链多聚脱氧核糖核酸单链或双链多聚脱氧核糖核酸 组成成分核糖组成成分核糖 组成成分组成成分脱氧核糖脱氧核糖功能功能 功能功能21WastonWaston和和CrickCrickDNADNA double helix modeldouble helix model Chargaff rules：A=TG CDNA纤维的纤维的X-线衍射线衍射图谱分析图谱分析 222324Hydrogen bonds in base pair forming2526 不同类型的不同类型的DN
5、A双螺旋结构双螺旋结构 2728超螺旋结构超螺旋结构(superhelix(superhelix 或或supercoil)supercoil)DNADNA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)(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 29DNA superhelix 原核生物的原核生物的DNADNA
6、可以形成超螺旋。可以形成超螺旋。真核生物中真核生物中DNADNA的三级结构与蛋白质有关。的三级结构与蛋白质有关。和和DNADNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。组蛋白组蛋白H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4各两个分子形成八各两个分子形成八聚体，被两圈聚体，被两圈140140-145-145碱基对的碱基对的DNADNA所围绕。形成所围绕。形成核小体。核小体。H1H1位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构。位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构。30Circular DNACircular DNA31nucleosomenucleosome Consi
7、sts ofDNA：200bp Histones：H1H2A，H2BH3H432三、DNA functions GeneGene：A unit or a fragment in DNA A unit or a fragment in DNA molecules,which is able to be replicated molecules,which is able to be replicated and transcripted.and transcripted.G Gene acts as a genetic basic unit.ene acts as a genetic basic
8、 unit.是生物遗传是生物遗传繁殖的物质基础。繁殖的物质基础。33DNA functionsDNA and gene carry genetic information DNA and gene carry genetic information as its basic function.The sequence in its as its basic function.The sequence in its molecule can be used as template for molecule can be used as template for replication and t
9、ranscription.replication and transcription.DNA is genetic material and therefore DNA is genetic material and therefore varies individually.varies individually.34RNA35General features in structure 组成组成RNARNA分子的分子的4 4种核苷酸种核苷酸A A、G G、C C、U;U;核糖核糖22位都有羟基位都有羟基;一般分子较小，核苷酸数目变异多，一般分子较小，核苷酸数目变异多，70-70-几几千个，人
10、的千个，人的DNA 280DNA 280万万kb;kb;大多数大多数RNARNA分子都成线状单链，局部单链分子都成线状单链，局部单链折叠形成双螺旋，类似于折叠形成双螺旋，类似于A-DNAA-DNA双螺旋，双螺旋，形成发夹结构，三叶草结构；形成发夹结构，三叶草结构；总量多于总量多于DNADNA，哺乳细胞，哺乳细胞RNA10pg,RNA10pg,而而DNADNA至多至多6.38pg6.38pg。36General features 相同点相同点 4 4种核苷酸也通过种核苷酸也通过33，5-5-磷酸二酯键相磷酸二酯键相连接连接37General features in function 遗传信息的传
11、递体遗传信息的传递体 也是遗传信息的储存体也是遗传信息的储存体 远古时生命可能起源于远古时生命可能起源于RNA,RNA,因为因为RNARNA可以可以自身复制；自身复制；RNARNA还具有某些蛋白质的功能还具有某些蛋白质的功能 参与基因的调控。参与基因的调控。38Capping Type 0：m7G5ppp5Np Type 1：m7G5ppp5NmpNp Type 2：m7G5ppp5NmpNmpNp39帽子结构功能帽子结构功能 保护保护mRNAmRNA不被核酸外切酶水解不被核酸外切酶水解 与核糖体识别结合，与翻译起始相关与核糖体识别结合，与翻译起始相关40帽子结构功能帽子结构功能mRNA的帽结
12、构可以与一类称为帽结合蛋白的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding proteins,CBPs）的分子结合。）的分子结合。这种这种mRNA和和CBPs复合物对于复合物对于mRNA从细胞核从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合以及起始因子的结合以及mRNA稳定性的维持等均稳定性的维持等均有重要作用。有重要作用。412、Poly A tail 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个末端有一个20-200腺苷酸腺苷酸聚合区，称为多聚聚合区，称为多聚A(polyA)尾部结构。尾部结构。42多聚多聚A尾功能尾功能 与
13、与mRNAmRNA寿命有关，使其保持相对稳定性寿命有关，使其保持相对稳定性 Poly(A)在细胞内与在细胞内与Poly(A)结合蛋白结合蛋白（PABP)相结合而存在，每相结合而存在，每1020个碱基个碱基结合一个结合一个PABP单体。单体。所以，真核细胞的所以，真核细胞的mRNA的的3-端实际上是端实际上是一个一个Poly(A)和蛋白质多聚体形成的复合物。和蛋白质多聚体形成的复合物。433、Other features There are modified bases in the molecules.There are modified bases in the molecules.主要是主
14、要是甲基化甲基化 mm6 6A A The molecule contains both coding and none The molecule contains both coding and none coding regions.coding regions.可有编码区和非编码区可有编码区和非编码区44hnRNA是成熟是成熟mRNA的前体的前体(不均一核不均一核RNA)hnRNA成熟成熟mRNA的前体的前体,有内含子序列有内含子序列 intron Exon45mRNA functions triplet code 三联体密码三联体密码或或密码子密码子(codon)。open readi
15、ng frame，ORF:由由AUG及其及其后的连续三联体密码后的连续三联体密码(无终止信号无终止信号)组成的核组成的核苷酸序列称为苷酸序列称为开放阅读框开放阅读框，是多肽链的编，是多肽链的编码序列。码序列。CDS46tRNAtRNA structural featuresstructural features Small single chain molecule consisting of 70-90 nt；containing 1020%rare bases，如，如 DHU，mG,mA甲基化使分子疏水甲基化使分子疏水 T C；3 末端为末端为 CCA-OH，为氨基酸臂；，为氨基酸臂；5
16、末端总是磷酸化，大多数为末端总是磷酸化，大多数为pG；分子中大约半数碱基相互配对，成双螺旋，构成三叶草分子中大约半数碱基相互配对，成双螺旋，构成三叶草结构结构47tRNAtRNA secondary stucturesecondary stucture D D环：含有环：含有2 2个二氢尿嘧啶修饰碱基个二氢尿嘧啶修饰碱基 不同长度的碱基形成的不同长度的碱基形成的D D环可适合不环可适合不 同的氨基酰同的氨基酰tRNAtRNA T Tc c环：处在环：处在54-5654-56位，位，与与rRNArRNA结合，结合，维持维持tRNAtRNA的高级结构起作用；的高级结构起作用；反密码子环：一般由反密
17、码子环：一般由7 7个碱基组成，个碱基组成，中间中间3 3各构成反密码子各构成反密码子48tRNAtRNA三级结构特点三级结构特点 一端是一端是CCA,CCA,另一端是反密码子环；另一端是反密码子环；D D环和环和T T c c环处在环处在L L的转角上，空间位置上的转角上，空间位置上比较接近。比较接近。49t tRNARNA functionsfunctions 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。译。起始起始tRNA 延长延长tRNA 校正校正tRNA，结构基因发生变异时，可使第二，结构基因发生变异时，可使第二次变异消除。次变异消除。50rR
18、NA structure All rRNAs consist of both large and small subunits as All rRNAs consist of both large and small subunits as they work.they work.ProProeukaryote:原核细胞原核细胞 70S70S 大大 50S:23S +5S +3150S:23S +5S +31种蛋白质种蛋白质 小小 30S:16S +2130S:16S +21种蛋白质种蛋白质 Eukaryote:80S80S 大大 60S:28S+5.8S+5S+4960S:28S+5.8S+
19、5S+49种蛋白质种蛋白质 小小 40S:18S+3340S:18S+33种蛋白质种蛋白质 5152rRNA function53rRNArRNA functionfunction 原核细胞原核细胞 16S rRNA 316S rRNA 3端有一保守序列端有一保守序列 ACCUCCACCUCC与与mRNAmRNA的翻译起始区相互补，是的翻译起始区相互补，是mRNAmRNA的的识别结合点。识别结合点。5SrRNA 5SrRNA 第第40-5040-50位之间有位之间有 5CGAAC35CGAAC3与与tRNA T tRNA T c c环中的环中的5GT 5GT CG3CG3识别识别54Other
20、 RNA molecules 核内小核内小RNAsnRNA参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运 U含量高，约含量高，约100-200碱基碱基 5种种 U1,U2,U4,U5,U6 核仁小核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修饰的加工和修饰 胞质小胞质小RNAscRNA 蛋白质内质网定位合成信等蛋白质内质网定位合成信等 与蛋白质组成信号肽识别颗粒与蛋白质组成信号肽识别颗粒催化性小催化性小RNAsi RNAmiRNA55（一）（一）snRNAsnRNAsnRNsnRNA A长度（长度（ntnt）剪接剪接hnRNAhnRNA的靶位点的靶位点U U1 1U U2 2U U4 4U U5 5
21、U U6 6U U7 716516518918914514511511510610663635 5-端端 内含子腺苷酸分支点内含子腺苷酸分支点 5 5 端，补充分支点端，补充分支点转酯化反应，转酯化反应，3 3 剪接点，剪接点，使外显子连接使外显子连接转酯化反应转酯化反应组蛋白组蛋白H H3 3前体的前体的mRNA3mRNA3 末端末端裂解裂解56（二）（二）catalytic RNA involved in RNA splicing 核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。57其他小分子其他小分子RNA（三）核仁小（三）核仁小RNA参与参与rRNA中
22、核苷酸残基的中核苷酸残基的修饰修饰（四）（四）interference RNA regulation post transcription（五）（五）microRNA regulation of protein expression58RNA组学研究细胞中组学研究细胞中RNAs的种类、结的种类、结构和功能。构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下胞在不同时间、不同状态下RNAs的表达具的表达具有时间和空间特异性。有时间和空间特异性。RNA组学组学59第四节 DNA的理化性质及其应用 变性变性 复性复性 增色效应增色效应 减色效应减色
23、效应 解链温度解链温度 杂交杂交 探针探针60核酸是两性化合物核酸是两性化合物 互变异构 碱基在体液环境中以碱性解离为主 核酸分子是酸性化合物 酮式烯醇 氨基亚氨基61共轭双键 260260nmnm波长的紫外吸收强。波长的紫外吸收强。核酸的紫外吸收（核酸的紫外吸收（A260）单核苷酸单核苷酸 ssDNA（或（或RNA）dsDNA621.quantificationA260=1.0相当于相当于50g/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.Judgement of the purityDNA:A260/A280=1.8RNA:A260/A280
24、=2.0A A260 260 ApplicationApplication63Denaturation 双链分开和重新形成双链这样的过程称为双链分开和重新形成双链这样的过程称为变性和复性。变性和复性。破坏氢键形成的因素都可能使破坏氢键形成的因素都可能使DNADNA变性，变性，如过量的酸、碱或加热。如过量的酸、碱或加热。64The process of denaturation65Hyper-and hypo-chromic effects 单核苷酸单核苷酸单链单链DNADNA双链双链DNADNA DNADNA变性，使溶液变性，使溶液A260A260增高，称为增色效增高，称为增色效应。应。在解链
25、曲线中的中点称为中点解链温度，在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或解链温度或解链温度(Tm)Tm)。变性和复性是可逆的。变性和复性是可逆的。66melting temperature,Tmmelting temperature,Tm TmTm：变性是在一个相当窄的温度范围内完变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的大值的50%50%时的温度称为时的温度称为DNADNA的解链温度，的解链温度，又称融解温度又称融解温度(影响因素影响因素：1 1DNADNA均一性决定熔解温度范围大小；均一性决定熔解温度范围大小；2 2G-CG-
26、C碱基对含量决定熔解温度高低；碱基对含量决定熔解温度高低；3 3介质中的离子强度影响变性。介质中的离子强度影响变性。6768DNA renaturation DNA Recovery of the double helix structure.复性。复性。The process of DNA renaturation after heated denaturation.退火退火(annealing)。减色效应减色效应 Hypochromic affect DNA复性时，其溶液复性时，其溶液A260降低。降低。69hybridizationhybridization 杂交：不同的杂交：不同的DN
27、ADNA链放在同一溶液中作变性链放在同一溶液中作变性处理，或把单链处理，或把单链DNADNA和和RNARNA放在一起，局部放在一起，局部的碱基配对，就可以形成局部双链，的碱基配对，就可以形成局部双链，在不同在不同的分子间形成杂化双链（的分子间形成杂化双链（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DNADNA与与DNADNA之间形之间形成，也可以在成，也可以在DNADNA和和RNARNA分子之间或者分子之间或者RNARNA和和RNARNA分子之间形成。分子之间形成。这一过程称为这一过程称为核酸分子杂核酸分子杂交交。70Probe 探针：探针：a kind
28、of technology used for detection and probing certain nucleotide sequence.Labeled single oligonucleotide chain71Nuclease digests nucleic acids.DNA酶酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶(ribonuclease,RNase)：专一降解专一降解RNA。72 Nuclease核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切酶。
