1、生化第二章核酸的结构和功能优选生化第二章核酸的结构和功能核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史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，其余分以上分布于细胞核，其余分布于线粒体、叶绿体、质粒等。布于线粒体、叶绿体、质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。deoxyribonucleic acid,DNAribonucleic 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，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。某些病毒某些
2、病毒RNARNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体。的载体。第一节第一节核酸的化学组成以及一级结构核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 1.1.元素组成元素组成C C、H H、O O、N N、P P（9 910%10%）2.2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)(phosphate)n核酸组成核
3、酸组成 DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。）。（一）DNA双螺旋结构的研究背景1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。大多数核酶通过催化转磷酸酯和磷酸二酯键水解反应参与RNA自身剪切、加工过程假尿嘧啶（）核苷 的糖苷键不是C-N键，而是C-C键 是翻译进行的场所，含大小亚基参与hnRNA的剪接
4、、转运RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。DNA分子为右手螺旋结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。DNA的空间结构(spatial structure)DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNARNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。嘌呤(purine，Pu)5 pApCpTpGpCpT-OH 3使mRNA免遭核酸酶的攻击戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成rough endoplasmic reticu
5、lum碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)N
6、HNHOOCH3n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+H+NCOHNCO-+H+酮式烯醇式决定于环境PH值与杂环的质子解离常数G,T,UA,C戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)脱氧核糖的化学稳定性比核糖好核苷：核苷：AR,GR,UR,CRAR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCRdAR,dGR,dTR,dCR核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成戊糖与含氮碱
7、基脱水缩合而生成-N-糖苷键糖苷键n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连糖苷键相连形成脱氧核苷形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。NNNN9NH2OOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基处于反式构象 嘧啶嘧啶N-1-1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过-N-糖苷键相连形成糖苷键相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷糖苷键糖苷键OHOCH2OHOHNNNH2O1 1 1 1假尿嘧啶（）核苷 的糖苷键不是C-N键，而是C-C键糖苷键糖苷键POOOHOHOCH2OHOHN
8、NNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMPAMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸酸酐键酸酐键(高能磷酸键)Euk中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起B 脱氧核糖和碱基生化第二章核酸的结构和功能多核苷酸链解聚脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR戊糖与含氮碱基脱
9、水缩合而生成tRNA盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。二、DNA的变性(denaturation)mRNA的碱基序列可以指导多肽链的合成DNA的空间结构(spatial structure)1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶。稀有碱基（rare base）是指除A、G、C、U外的一些碱基Euk中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起DNA分子是反向平行的互补双链结构；一、核酸的一般理化性质戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成生物体内mRNA
10、的丰度最小（2-5%）、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。一、DNA的二级结构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l 含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：ATPATP，GTPGTP，UTP-GlcUTP-Glcl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP:cAMP，cGMPcGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADPNADP+NA
11、DNAD+能量分子第二信使辅酶的结构成分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结合到人类某种神经细胞表面的受体，引发一连串信号传递，主要是cAMP 及其下游的磷酸化及去磷酸化反应，最后导致该神经元细胞反应迟钝。Nature(2002)418:734腺苷腺苷Nature(2002)418:734腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶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Why?5 端端3 端端核苷酸的连接核苷酸的连接 CGA一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基与羟基与另一个核苷酸另一个核苷酸5 5 的的-磷酸基磷酸基团 缩 合 形 成团 缩 合 形 成 磷
12、酸 二 酯 键磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷性分子，称为多聚脱氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链。链。核苷酸的连接核苷酸的连接 一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基与羟基与另一个核苷酸另一个核苷酸5 5 的的-磷酸基磷酸基团 缩 合 形 成团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性
13、的线酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷性分子，称为多聚脱氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链。链。交替的磷酸基团和戊糖构成交替的磷酸基团和戊糖构成了了DNA的骨架的骨架 (backbone)。RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子磷酸二酯键的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有形成的线性大分子，也具有5 3 方向性方向性;RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成构成RNA的四种基本核苷酸是的四种基本核
14、苷酸是AMP、GMP、CMP和和UMP。二、核酸的一级结构二、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，所以也称为碱基序列。以也称为碱基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 A C T G C T核酸具有方向性，一端称为核酸具有方向性，一端称为5-5-端，另一端称为端，另一端称为3-3-端端 单 链单 链 D N A 和和 R N A 分 子 的 大 小 常 用 核 苷 酸 数 目分 子 的 大 小
15、 常 用 核 苷 酸 数 目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱表示；双链核酸分子的大小常用碱基基(base或或kilobase)数目来表示。数目来表示。小 的 核 酸 片 段小 的 核 酸 片 段(5 0 b p)常 被 称 为 寡 核 苷 酸常 被 称 为 寡 核 苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的。自然界中的DNA和和RNA的长度可以的长度可以高达几十万个碱基。高达几十万个碱基。长链非编码RNA（long non-coding RNA,lncRNA）RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。两条来源不同的单链核酸（DNA或
16、RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，在适宜的条件（温度及离子强度）下，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。一、核酸的一般理化性质胸腺嘧啶(thymine,T)携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。Tyr-tRNATyr:结合了Tyr的tRNA它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。第三节 RNA的结构与功能2001年 美英等国完成人类基因组计划。DNA纤维的X-线衍射图谱分析DNA变性是指()Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。稀有碱基（rare bas
17、e）是指除A、G、C、U外的一些碱基原核生物基因表达的特异性哺乳动物基因组序列中4%9%的序列产生的转录本是lncRNARNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。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snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。核酸具有方向性，一端称为5-端，另一端称为3-端RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。rough endoplasmic reticulum5,5-三磷酸结构脱氧核糖(deoxyribose)胞嘧啶(cytosine,C)脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。胸腺嘧
18、啶(thymine,T)二、DNA的高级结构是超螺旋结构大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。Pentaglucose and basic group着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。决定于环境PH值与杂环的质子解离常数各种mRNA3末端和5末端都有相同的结构位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(open reading frame,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。54nm，一圈10对碱基为生物反应功能与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的
19、发生发展相关。戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成真核生物基因表达的特异性嘌呤N-9 与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。解链温度(melting temperature，Tm)ribonucleic acid,RNA第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNAD N A 的 空 间 结 构 又 分 为 二 级 结 构的 空 间 结 构 又 分 为 二 级 结 构(secondary structure)和高级结构。和高级结构。nDNA的空间结构的空间结构(s
20、patial structure)构成构成DNA的所有原子在三维空间的相对的所有原子在三维空间的相对位置关系。位置关系。一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景l Chargaff Chargaff 规则规则 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析 A-TA-T、G-CG-C以以氢键配对较合理氢键配对较合理 DNA DNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 l不同生物种属的不同生物种属的DNA的碱基组成不同的碱基组成不同l同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的DNA碱碱基组成相同基组成相同l对于一
21、特定组织的对于一特定组织的DNA，其碱基组分，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化不随年龄、营养状态和环境而变化lA=T，G CR.Franklin&M.Wilkins（层析和紫外吸收光谱）（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）l DNA分子是反向平行的互补双分子是反向平行的互补双链结构；链结构；l DNA分子为右手螺旋结构分子为右手螺旋结构l 螺旋直径为螺旋直径为2.37nm，相邻碱，相邻碱基平面距离基平面距离0.34nm，螺旋一螺旋一圈螺距圈螺距3.54nm，一圈，一圈10对碱对碱基基1.1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成由两条多
22、聚脱氧核苷酸链组成 2.核糖与磷酸位于外侧核糖与磷酸位于外侧 骨架：骨架：-脱氧核糖脱氧核糖-磷酸磷酸-碱基：碱基：“挂挂”在主链骨架上在主链骨架上l 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。侧，疏水的碱基位于内侧。l 双螺旋结构的表面形成了一个双螺旋结构的表面形成了一个大沟大沟(major groove)和一个小和一个小沟沟(minor groove)。为什么为什么DNA要保存在要保存在 TE溶液中？溶液中？磷酸骨架在中性pH 下，会带有许多负电荷，导致两股DNA 相互排斥分离而变性，要加入镁离子稳定之，
23、因此DNA 能溶在纯水中。真核细胞核中含带有强正电性的组蛋白(histone)，与DNA 结合成复杂的结构，并中和掉核酸的负电荷。TE是含阳离子弱碱性缓冲液,对DNA的碱基有保护性(DNA在TE中保存的稳定性较好,不易破坏其完整性或产生开环及断裂)DNA双螺旋结构的示意图双螺旋结构的示意图 DNA双螺旋结构的俯视图双螺旋结构的俯视图n大沟与小沟大沟与小沟C-1C-1C-1C-1碱基互补配对碱基互补配对:A=T;G Cl DNA的两条链则互为互补链的两条链则互为互补链(complementary strand)。l 碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基对平面与螺旋轴垂直。3.DNA双链之间形成了互补碱基
24、对双链之间形成了互补碱基对l 碱基堆积力：碱基平碱基堆积力：碱基平面之间的疏水作用力面之间的疏水作用力l 氢键：垂直螺旋轴居氢键：垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对碱基形成氢键配对 4.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定双螺旋结构的稳定 相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNA双双螺 旋 结螺 旋 结构 受 环构 受 环境 的 离境 的 离
25、子 强 度子 强 度和 相 对和 相 对湿 度 的湿 度 的影响影响（四）（四）DNA的多链结的多链结构构nHoogsteen氢键氢键l 在酸性的溶液中，胞嘧啶的在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与原子被质子化，可与鸟嘌呤的鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的的氢原子也可与鸟嘌呤的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称形成氢键，这种氢键被称为为Hoogsteen氢键。氢键。l Hoogsteen氢键，不破坏氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此氢键，由此形成了形成了CGC的三链结构的三链结构(triplex)。n三链结构三
26、链结构7634mRNA的所有碱基都有编码氨基酸的作用54nm，一圈10对碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。嘧啶(pyrimidine，Py)DNA解链时的紫外吸收变化嘌呤(purine，Pu)H2ADNA分子为右手螺旋结构tRNA的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料A C T G C TA+G=C+TATP的生理功能不包括()DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成含核苷酸的生物活性物质：双链DNA的折叠和组装各种mRNA3末端和5末端都有相同的结构tRNA含
27、有茎环结构嘌呤N-9 与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。*tRNA的二级结构鸟嘌呤之间通过鸟嘌呤之间通过8 8个个Hoogsteen氢键形成特氢键形成特殊的四链结构殊的四链结构(tetraplex)。n四链结构四链结构真核生物真核生物DNA3 3-末端末端是富含是富含GT的多次重复序的多次重复序列，因而自身形成了折叠列，因而自身形成了折叠的四链结构。的四链结构。二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA
28、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DNADNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于化及其调控对于DNADNA复制和复制和RNARNA转录过程具转录过程具有关键作用。有关键作用。原核生物原核生物DNA多为环状多为环状的双螺旋分子的双螺旋分子，以，以负超螺旋的形式存在，平均每负超螺旋的形式存在，平均
29、每200200碱基就有一个碱基就有一个超螺旋形成。超螺旋形成。（二）（二）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 真核生物染色体由真核生物染色体由DNADNA和蛋和蛋白质构成，其基本单位是白质构成，其基本单位是 核小核小体体(nucleosome)(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNADNA：约：约200bp 200bp 组蛋白：组蛋白：H1H1H2AH2A，H2BH2BH3H3H4H4 DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。nDNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像真
30、核生物中的核小体结构：真核生物中的核小体结构：DNA DNA 双螺旋形成超双螺旋形成超螺旋结构，再与核螺旋结构，再与核内的蛋白质结合，内的蛋白质结合，形成核小体的结构形成核小体的结构DNA DNA 缠绕八聚体缠绕八聚体 1.751.75圈，然后与圈，然后与H1H1连接，形成串珠状连接，形成串珠状结构结构n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构n双链双链DNA的折叠和组装的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了经过多次折叠，被压缩了800080001000010000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。n真核生物的染色体真核生物的染色体两个功能区：两个功能区：端
31、粒端粒(telomeres):染色体末端染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末膨大的粒状结构，由染色体末端端DNA（端粒（端粒DNA）与）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。肿瘤的发生发展相关。着丝粒（着丝粒（centromere）:两个两个染色单体的连接位点，富含染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。入子代细胞。三、三、DNA的功能的功能DNADNA的基本功能是以基因的形式荷载遗的基本功能是以基因
32、的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，是指基因从结构上定义，是指DNADNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。基因（基因（genegene）:DNA:DNA分子中具有特定生物学功分子中具有特定生物学功能的片段能的片段基因组（基因组（genomegenome）：一个生物体的全部）：一个生物体的全部DNADNA序序列称。列称。基因组的大小与生物的复杂性有关
33、，如病毒基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40SV40的基因组大小为的基因组大小为5.15.110103 3bpbp，大肠杆菌为，大肠杆菌为5.75.710106 6bpbp，人为，人为3 310109 9bpbp。第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA通常以单链形式存通常以单链形式存在，但也可形成局部的在，但也可形成局部的双螺旋结构。双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子的种类较多，分子大小变化较大，功分子大小变化较大，功能多样化。能多样化。RNA与蛋白质共同负责与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程基因的表达和表达
34、过程的调控。的调控。为什么为什么RNARNA在碱性条件下容易被水解而在碱性条件下容易被水解而断裂？断裂？RNA种类种类缩写缩写细胞内位置细胞内位置功能功能核糖体核糖体RNA rRNA细胞质细胞质核糖体组成成分核糖体组成成分信使信使RNAmRNA细胞质细胞质蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运转运RNAtRNA细胞质细胞质转运氨基酸转运氨基酸微微RNAmicroRNA细胞质细胞质翻译调控翻译调控胞质小胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质细胞质信号肽识别体的组成成分信号肽识别体的组成成分不均一核不均一核RNAhnRNA细胞核细胞核成熟成熟mRNA的前体的前体核小核小RNAsnRNA细胞核细胞核
35、参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运核仁小核仁小RNAsnoRNA核仁核仁rRNA的加工和修饰的加工和修饰线粒体核糖体线粒体核糖体RNA mt rRNA线粒体线粒体核糖体组成成分核糖体组成成分线粒体信使线粒体信使RNAmt mRNA线粒体线粒体蛋白质合成模板蛋白质合成模板线粒体转运线粒体转运RNAmt tRNA线粒体线粒体转运氨基酸转运氨基酸一一、信使、信使RNA(messenger RNA)信使信使RNA(messenger RNA,mRNA)是细胞内合成蛋白质是细胞内合成蛋白质的模板。的模板。生物体内生物体内mRNA的丰度最小（的丰度最小（2-5%）、种类最多、大小）、种类最多、大小
36、也各不相同、寿命最短。也各不相同、寿命最短。mRNA的初级产物为的初级产物为不均一核不均一核RNA(hnRNA)，含有内含，含有内含子子(intron)和外显子和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟的经过剪切后成为成熟的mRNA。交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。各种mRNA3末端和5末端都有相同的结构腺嘌呤(adenine,A)它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。稀有碱基（rare base）是指除A、G、C、U外的一些碱基嘧啶(pyrimidine，Py)解链温度(melting temperature，Tm)A+G=C+T稀有碱基（r
37、are base）是指除A、G、C、U外的一些碱基（一）DNA双螺旋结构的研究背景多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定50S大亚基 三个突起（二）DNA双螺旋结构模型要点大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2的羟基也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppN-。mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。22
38、0nm参与hnRNA的剪接、转运tRNA中含有多种稀有碱基*mRNA mRNA结构特点结构特点1.1.大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的5 5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-7-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 C 2 2的羟的羟基也是甲基化，形成帽子结构：基也是甲基化，形成帽子结构：m m7 7GpppN-GpppN-。2.2.大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的3 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A A尾。尾。ONNNNNH2OOCH3OHHHCH2HOPO-OOHNN
39、NOH2NNOOHHHHCH2HOHOPOO-CH3PO-O5235n帽子结构帽子结构:m7GpppNmmRNA的帽结构可以与帽结合蛋白的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。结合。使使mRNA免遭核酸酶的攻击免遭核酸酶的攻击与帽结合蛋白复合体结合，参与与帽结合蛋白复合体结合，参与mRNA和核糖和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成体的结合，启动蛋白质的生物合成5 pppGp5 GpppGppppG PPi鸟苷酸鸟苷酸转移酶转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶甲基转移酶SAM帽子结构的生成帽子结构的生成5 ppGp磷酸酶磷酸酶 Pi5,5-三磷酸结构三磷酸
40、结构加尾加尾(adding tail)尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。尾部修饰是和转录终止同时进行的过程。poly A的有无与长短，是维持的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活作为翻译模板的活性，以及增加性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其，其poly A长度为长度为100至至200个核苷酸之间，也有少数例外。个核苷酸之间，也有少数例外。mRNA的多聚的多聚A尾在细胞内与尾在细胞内与poly(A)结合蛋白结合蛋白（poly(A)-binding protein，PABP）结合）结合 编码区：编码区：m
41、RNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（苷酸三联体称为遗传密码（coden）位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框开放阅读框(open reading frame,ORF)，决定了多，决定了多肽链的氨基酸序列肽链的氨基酸序列。功能功能:为蛋白质的合成提供模板为蛋白质的合成提供模板n原核生物基因表达的特异性原核生物基因表达的特异性基因表达在真核细胞和原核细胞中表现基因表达在真核细胞和原
42、核细胞中表现出不同的时空特性出不同的时空特性n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性二、转运二、转运RNA(transfer RNA)RNA(transfer RNA)转运转运RNA(transfer RNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给将氨基酸转呈给mRNA。由由7495核苷酸组成；核苷酸组成；占细胞总占细胞总RNA的的15%；具有很好的稳定性。具有很好的稳定性。NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异
43、戊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（rare base）是指除是指除A、G、C、U外的外的一些碱基一些碱基1.tRNA中含有多种稀有碱基中含有多种稀有碱基tRNA分子中的稀有碱基分子中的稀有碱基均是转录后修饰而成的均是转录后修饰而成的双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤tRNA分子中的几种重要的稀有碱基分子中的几种重要的稀有碱基*tRNA 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 DHUDHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TCTC环环氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环2.tRNA含有茎环结构含有茎环结构*
44、tRNA tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形 tRNA的的3-末末端为端为CCA结尾。结尾。3-末末端的端的A与氨基酸以与氨基酸以酯键相连酯键相连生成氨基酰生成氨基酰-tRNA。不同的不同的tRNA结合不同的结合不同的氨基酸。氨基酸。3.tRNA的的3-末末端连接氨基酸端连接氨基酸反密码环可以与mRNA上的密码子互补配对，将合适的氨基酸携带到合适的位置tRNAtRNA的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料中转运氨基酸原料4.tRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNA的密码子的密码子 tRNATyr:可以和Tyr结合的
45、tRNA Tyr-tRNATyr:结合了Tyr的tRNA 命名原则：命名原则：三、核蛋白体三、核蛋白体RNA(ribosomal RNA)RNA(ribosomal RNA)*rRNArRNA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。rRNArRNA是细胞中含量最是细胞中含量最多的多的RNARNA，占总量的，占总量的80%80%。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
46、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%S:沉降系数沉降系数 核糖体及核糖体及rRNA的结构的结构 Euk中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起 (游离、多聚游离、多聚)是翻译进行的场所是翻译进行的场所，含大小亚基，含大小亚基 Prok.protein 约占细
47、胞的约占细胞的10，RNA占总占总RNA的的 80，Euk中相对比例小些中相对比例小些 细菌中常以多聚核糖体的形式细菌中常以多聚核糖体的形式 3、核糖体的活性位点、核糖体的活性位点 30S小亚基小亚基 头部头部 基底部基底部 中间有一豁口中间有一豁口 50S大亚基大亚基 三个突起三个突起 长链非编码长链非编码RNA（long non-coding RNA,lncRNA）n非编码非编码RNA（Non-coding RNA,ncRNA）不编码蛋白质但具有重要生物学功能的不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。分子。短链（小）非编码短链（小）非编码RNA（small non-coding RN
48、A,sncRNA）四、四、其他非编码其他非编码RNA参与基因表达的调控参与基因表达的调控参与转录调控、参与转录调控、RNA的剪切和修饰、的剪切和修饰、mRNA的稳的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能和结构稳定等细胞重要功能 n lncRNA 功能功能 lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，ln
49、cRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程。哺乳动物基因组序列中哺乳动物基因组序列中4%9%的序列产生的转录本是的序列产生的转录本是lncRNAl核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小干涉小干涉 RNA l微微 RNAn短链非编码短链非编码RNA亦称为非编码小亦称为非编码小RNA（small non-messenger RNA）核内小核内小RNA（small nuclear RNA,snRNA）位于细胞核内。）位于细胞核内。snRNA有有5种，分别称为种，分别称为U1、U2、U4、U5、
50、U6，它们与多，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接的内含子加工剪接（第十六章）。（第十六章）。核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA,snoRNA）：定位于核）：定位于核仁，主要参与仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如的加工和修饰，如rRNA中核糖中核糖C-2 的甲的甲基化修饰。基化修饰。胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA,scRNA）：存在于）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）
