第二章核酸1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 核酸,Nucleic Acid,第二章 核 酸,引 言：核酸概述,第一节：核酸的种类、分布与功能,第二节：,核酸的化学组成,第三节：核酸的分子结构,第四节：核蛋白体,第五节：核酸的重要理化性质与分析技术,第六节:基因组学简介,核酸的发现：,1868年，,瑞士青年科学家 F.Miescher,引 言：核酸概述,从外科绷带上脓细胞的,细胞核中分离得到一种,含,磷,较高的,酸,性物质，,称之为核素（nuclein）,核素实质是一种核糖核蛋白,核酸的研究历史：,1889年，,Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入“核酸”这一名词。,20世纪20年代,测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。,1943年，,E.Chargaff的工作：嘌呤:嘧啶=1:1由此推理出碱基配对的理论。,1944年，,Avery的肺炎双球菌转化实验，证明遗传物质即为DNA。,1953年，,Watson-Crick建立了DNA的双螺旋结构模型。,1953,Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型,1962年获得诺贝尔生理学或医学奖,(25y),(35y),1953年，J.Watson和F.Crick 在前人研究工作的基础上提出了著名的DNA双螺旋结构模型，这被认为是,20世纪中最伟大的成就之一,，给生命科学带来了深远的影响，并为分子生物学的发展奠定了基础。,1958,Crick提出遗传信息传递的,中心法则,1986年Dulbecco在Science上率先提出人类基因组计划人类基因组DNA的全序列测定,人类细胞23对染色体，人类基因组有3x10,9,碱基对。,1990年美国政府决定出资30亿美元，用15年时间完成。,中国1999年加入，承担1%的任务,核酸测序技术的发明,第二章 核 酸,引 言：核酸概述,第一节：核酸的种类、分布与功能,第二节：,核酸的化学组成,第三节：核酸的分子结构,第四节：核蛋白体,第五节：核酸的重要理化性质与分析技术,第六节:基因组学简介,第一节 核酸的种类、分布与功能,一、核酸的种类与分布,（一）核酸的种类（RNA、DNA、）,脱氧核糖核酸,（deoxyribonucleic acid-,DNA,）,核糖核酸,（ribonucleic acid-,RNA,）:转移RNA(transfer RNA-,tRNA,)、信使RNA(messenger RNA-,mRNA,)、核糖体RNA（ribosomal RNA-,rRNA,）,小分子细胞核RNA（,snRNA,）、染色质RNA,（chRNA）、,反义RNA,（antisense RNA）、,双链RNA,（dsRNA）、,细胞质小RNA,（scRNA）、,具有催化活性的RNA,（ribozyme）、,各种病毒RNA、,miRNA、siRNA,双链,RNA,经酶切后会形成很多小片段，称为si,RNA,，这些小片段一旦与信使,RNA,(,m,RNA,)中的同源序列互补结合，会导致m,RNA,失去功能，即不能翻译产生蛋白质，也就是使基因“沉默”了。,_,RNAi,真核生物,原核生物,DNA,细胞核,（95%）,线型双链，一般与组蛋白结合成染色体,线粒体、叶绿体,（5%）:,环状双链,环状双链,主要集中在核质区（拟核）,质粒DNA,(染色体以外的DNA),RNA,细胞质,（75%）,线粒体、叶绿体15%）,细胞核（10%）,细胞质,（二）核酸的分布,二、核酸的生物学功能,（,一）DNA是主要的遗传物质,1928年，英国科学家,Griffith,发现肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒性是由细胞表面中的多糖所决定的。,肺炎球菌有两种不同的品系：,*光滑型（,S型,）：有荚膜（多糖类）、致病,*粗糙型（,R型,）：无荚膜、不致病,（,一）DNA是主要的遗传物质,1944年，,O.T.Avery,（美）,肺炎链球菌的,转化,实验,首次,证明DNA是细菌遗传性状的转化,因子。,十多年后证明DNA是遗传物质,1944,Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质,or,and,可分离,前4个实验设计与,Griffith相同,在上述实验的基础上，将从S型球菌中提取的核酸、蛋白质及多糖分别注射R型小鼠，证明了核酸的遗传转化功能。,转化作用：,感受态的微生物或离体培养的细胞获得外源DNA并产生新的性状特征。,（,一）DNA是主要的遗传物质,1952年，美国冷泉港,Hershey-Chase,噬菌体浸染细菌的实验。,(侵染大肠杆菌的病毒),35,S,32,P,Fig.3-2,The Hershey-Chase experiment.,1944,年,，,O.T.Avery,（美）,肺炎链球菌的转化实验；,1952,年，,美国冷泉港,Hershey-Chase,噬菌体侵染细菌的实验,DNA是遗传物质,（二）RNA生物学功能,RNA的功能：,1.参与(,控制,)蛋白质的合成,rRNA(75-80%),tRNA(10-15%),mRNA(2-5%),2.,遗传物质,3.具有生物催化剂功能,4.调节功能:如 miRNA,siRNA等,第二章 核 酸,引 言：核酸概述,第一节：核酸的种类、分布与功能,第二节：核酸的化学组成,第三节：核酸的分子结构,第四节：核蛋白体,第五节：核酸的重要理化性质与分析技术,第六节:基因组学简介,（一）DNA是主要的遗传物质,遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。,经典实验：,细菌转化实验：,1944,，,Avery,等。,噬菌体感染实验：,1952,，,Hershey&Chase,(二)RNA的功能：,1.参与(,控制,)蛋白质的合成:,rRNA(75-80%)tRNA(10-15%)mRNA(2-5%)snRNA 参与mRNA转 录后加工,2.遗传物质,3.具有生物催化剂功能,4.调节功能:如 miRNA,siRNA等,第二节：核酸的化学组成,一、核酸的元素组成,基本元素：,C H O N,P,核酸的元素组成有两个特点：,1.一般不含S。,2.P含量较多，并且恒定（9%-10%）。因此，实验室中用,定磷法,进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）,二、核酸的化学组成,将核酸在酸、碱或酶的催化下逐步降解，分别鉴定降解产生的中间产物和最终产物：,核酸（DNA和RNA）的基本结构单元是,核苷酸,。,核酸是由,核苷酸按,特定顺序连接而成的多聚核苷酸长链。,O,O,H,H,(,O,)H,1,2,N,OH,H,H,4,3,CH,2,5,P,O,-,O,O,O,-,磷酸,(phosphoric acid),核苷,(nucleoside),戊糖,(pentose),碱基,(base),核苷酸,（一）碱基,核酸中碱基有两类：,嘌呤碱,嘧啶碱,它们是含氮的杂环化合物，,具有弱碱性,1、碱基的种类及结构,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,6-氨基嘌呤,2-氨基-6-氧嘌呤,2，4-二氧嘧啶,5-甲基-2，4-二氧嘧啶,2-氧-4-氨基嘧啶,基 本 碱 基,RNA：,A、G、C、U碱基,DNA：,A、G、C、T碱基,稀有碱基（,tRNA中最多,）,核酸中除了5类基本的碱基外，还有一些含量甚少的碱基，称为,稀有碱基，大多数为甲基化碱基。,DHU,m,5,C,hm,5,C,7-甲基鸟嘌呤,I,m,G,次黄嘌呤,（二）戊糖,DNA,RNA,RNA中修饰戊糖,D-2-O-甲基核糖,戊糖与碱基之间脱水缩合以,型的,C-N糖苷键,连接形成核苷,。,其中,戊糖与嘌呤之间,是戊糖的C,1,与嘌呤的N,9,脱水缩合成C,1,-N,9,糖苷键。,戊糖与嘧啶之间,是戊糖的C,1,与嘧啶的N,1,脱水缩合成C,1,-N,1,糖苷键。,（三）核苷,胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,已公认：氢原子在碱基上有固定的位置,DNA,RNA中主要的碱基、核苷,戊糖 碱基 核苷,RNA,D-核糖,A 腺嘌呤核苷,G 鸟嘌呤核苷,C 胞嘧啶核苷,U,尿嘧啶核苷,DNA,D-2-脱氧核糖 A 脱氧腺嘌呤核苷,G 脱氧鸟嘌呤核苷,C 脱氧胞嘧啶核苷,T,脱氧胸腺嘧啶核苷,核糖,核苷,脱氧核,糖核苷,修饰核苷,核酸中还存在少量修饰核苷，有三种：,由,稀有碱基,参与，如：5-甲基脱氧胞苷，,次黄嘌呤核苷,由,稀有戊糖,参与，如：,2,-O-甲基胞苷,碱基与戊糖连接方式特殊,，如：,假尿苷（,）,C,1,-C,5,5-甲基脱氧胞苷,2-O-甲基胞苷,次黄嘌呤核苷,假尿苷（,）,DNA的甲基化导致基因沉默,胸腺嘧啶核糖核苷,稀有核苷（tRNA）,（四）核苷酸,核苷中的戊糖羟基被磷酸,酯化,，就形成核苷酸。,核糖有3个自由羟基，可分别被酯化生成2,-，3,-和5,-核糖核苷酸。,脱氧核糖有2个自由羟基，可生成3,-，5,-脱氧核糖核苷酸。,作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-脱氧核糖核苷酸和5-核糖核苷酸。,DNA,RNA中主要的碱基、核苷和核苷酸,戊糖 碱基 核苷 核苷酸,RNA,D-核糖 A 腺苷 5-腺苷酸（AMP）,G 鸟苷 5-鸟苷酸（GMP）,C 胞苷 5-胞苷酸（CMP）,U 尿苷 5-尿苷酸（UMP）,DNA,D-2-脱氧核糖 A 脱氧腺苷 5-脱氧腺苷酸（dAMP）,G 脱氧鸟苷 5-脱氧鸟苷酸（dGMP）,C 脱氧胞苷 5-脱氧胞苷酸（dCMP）,T 脱氧胸苷 5-脱氧胸苷酸（dTMP）,修饰核苷酸,核酸中还含有少量的由,修饰核苷,与磷酸形成的核苷酸称为修饰核苷酸。,核酸的化学组成,核 酸（nucleic acid),核苷酸(nucleotide),磷酸(phosphoric acid),核苷(nucleoside),戊糖(pentose),碱基(base),含核苷酸的生物活性物质,(酶的辅酶)：,NAD,+,、NADP,+,、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸,：,NMP,，,NDP,，,NTP,环化核苷酸,:,cAMP,，,cGMP,AMP,cAMP,NADP,+,NAD,+,（五）、核苷酸的衍生物,N,O,C,H,2,O,O,H,O,H,N,N,N,N,H,2,P,O,O,H,O,P,O,O,H,O,H,ADP,N,O,C,H,2,O,O,H,O,H,N,N,N,N,H,2,P,O,O,H,O,P,O,O,H,O,P,O,O,H,O,H,ATP,核苷四磷酸,核苷五磷酸（见P55）,（1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。,(5-NTP 和 5-dNTP 分别为RNA,DNA合成的前体。UTP,CTP,GTP分别参与糖原、磷脂和蛋白质的合成),（2）在能量转化中起重要作用，,ATP,是生物体内,能量的通用货币,。,（3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。,（4）参与细胞中的代谢与调节，,作为细胞之间传递信息的信使。,（cAMP、cGMP）。,核苷酸的生物学作用,（六）多聚核苷酸,多聚核苷酸,是通过核苷酸的5,-磷酸基与另一分子核苷酸的C,3,-OH形成,磷酸二酯键,相连而成的链状聚合物。,(牛脾和蛇毒磷酸二酯酶的水解实验),由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链；,由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,有方向性,多聚核苷酸的特点,在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为,35,磷酸二酯键。,多聚核苷酸链一端的,C,5,带有一个自由磷酸基，称为,5-,磷酸端（常用,5-P,表示）；另一端,C,3,带有自由的羟基，称为,3-,羟基端（常用,3 -OH,表示）。,多聚核苷酸链具有方向性,，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是,53,或是,35,。,第三节 核酸的分子结构,DNA的分子结构,DNA的一级结构,DNA的二级结构,DNA的三级结构,RNA的分子结构,RNA的一级结构,RNA的高级结构,一、DNA的分子结构,（一）DNA的一级结构,1.定义：指DNA分子中多个脱氧核苷酸的排列顺序。即数目庞大的四种碱基的排列顺序。,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界,物种的多样性,即寓于DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,2.DNA的碱基组成（Chargaff定则）：,（1）在所有的DNA中，A=T，G=C 即A+G=T+C,（2）DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成(以,不对称比率,A+T/G+C表示)，但同一生物体内没有组织和器官的特异性。,A=T,G=C,这一规律的发现，提示了,A,与,T,，,G,与,C,之间碱基互补,的可能性。,3.DNA一级结构的表示方法：,（1）结构式表示法：（2）线条式表示法：,（3）字母式表示法：,书与文献,5,3,DNA测序的生物学意义,DNA是遗传信息的储存者和发布者，遗传信息是由碱基序列体现的，碱基序列略有改变，即可引起遗传信息的显著改变。所以DNA测序是研究DNA功能的基础，非常重要。,DNA测序的实验方法,（20世纪70年代三大进展促进了DNA的测序工作,限制性核酸内切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离法；DNA的克隆技术,）,酶法,（双脱氧链终止法-Sanger）和,化学法,（Maxam and,Gilbert,法）,4.DNA一级结构的研究方法,DNA的化学法测序,片段5,-,32,P-GCATGCAT-3,待测DNA片段，经特异性切割后：,G G+A C C+T,3,T,A,C,G,T,A,C,G,5,G切割后：,32,P,32,P-GCAT,G+A切割后：,32,P-GC,32,P-GCAT,32,P-GCATGC,32,P,C切割后：,32,P-G,32,P-GCATG,C+T切割后：,32,P-G,32,P-GCA,32,P-GCATG,32,P-GCATGCA,双脱氧链终止法-Sanger,核酸测序原理,2001 年2月16日,人类基因组计划（HGP）完成,测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列（1n:3 X 10,9,bp）,目前估计，3 x 10,9,bp中,仅,5,编码蛋白质,95,不编码蛋白质,主要内容,核酸种类,核酸元素组成,核酸分子组成,核酸功能,DNA的一级结构,核酸测序技术,1953年J.Watson和F.Crick,根据Chargaff 规律和DNA 的Na盐纤维的X光衍射分析,提出了提出了著名的DNA双螺旋结构模型,双螺旋结构是DNA二级结构最基本的形式,。,(二)DNA的二级结构,1、DNA的双螺旋结构,2DNA双螺旋结构的特点,（1）两条反向平行的多脱氧核苷酸链围绕同一中心轴以,右手,盘绕成双螺旋结构，螺旋表面,具大沟和小沟。,（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以,3-5 磷酸二酯键,连接，形成DNA分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,（3）螺旋横截面的,直径约为2 nm,，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其,螺矩,（即螺旋旋转一圈）,高度为3.4 nm。,2.0 nm,小沟,大沟,（4）双螺旋内部的碱基按规则配对，,碱基,的相互结合具有严格的,配对,规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为,碱基互补。,A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。,双螺旋的两条链是互补关系。,3.DNA双螺旋结构提出的生物学意义,该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了,碱基配对,原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础,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。,推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。,1962,年，沃森和克里克与莫里斯,威尔金斯一起因发现,DNA,双螺旋结构赢得了诺贝尔奖。,Fig.,3-4,Watson and Cricks paper in Nature 1953.,4、双螺旋结构的稳定因素,DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的，维持这种稳定性的因素包括：,氢键,A=T,，,G,C,。,氢键虽然是弱键，但大量氢键的总作用力是很大的。,碱基形状扁平，分布于双螺旋内侧。大量的碱基层层堆积，相邻碱基的平面十分接近，这样，芳香环上N原子,电子云交错产生一定的吸引力，就是,碱基堆积力,。,碱基呈疏水性，双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响，利于碱基之间形成氢键。,所以,碱基堆积力是DNA双螺旋稳定的,最主要因素,。,碱基堆积力,另外，各种阳离 子，如多胺，组蛋白，Na,+,K,+,Mg,2+,能与DNA分子中带负电荷的磷酸基团作用，降低了两条DNA链之间的静电排斥力，也有助于双螺旋的稳定,改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。,2.0 nm,小沟,大沟,DNA双螺旋结构特点,双螺旋结构的稳定因素,双螺旋结构类型,5、二级结构的其它类型,Watson和Crick提出的DNA双螺旋构象现在称为,B-DNA,它代表DNA钠盐在相对湿度,92%,制得的纤维的结构，比较接近生理条件下细胞内大部分DNA的构象。,DNA还有其它双螺旋构象类型:,A,C,D,E,Z,型。另外还有,三股螺旋DNA。,A-DNA,DNA钠盐在相对湿度75%以下制得的纤维具有不同于B-DNA的结构特点，称为A-DNA。A-DNA也是,反平行双链形成的右手双螺旋。,RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构,Z-DNA,1978年，Rich等人将人工合成的六聚体DNA片断d(CGCGCG)制成晶体，并进行了X-衍射分析，发现此片断是,反平行左手双螺旋结构,，称为左旋DNA,或称Z-DNA。,天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA,(由于在Z-DNA中磷酸根距离太近,具有相斥作用,则导致不稳定-潜在的解链位点)。,Z-DNA与B-DNA可互相转化，并处于某种平衡状态，一旦这种平衡状态被破坏，基因表达可能失控，推测Z-DNA可能和基因表达的调控有关。,三股螺旋DNA（triplex),DNA的二级结构除了双螺旋结构，还存在三条链形成的螺旋结构，即三股螺旋结构。,K.Hoogsteen 1963首先描述了三股螺旋结构(,Ts-DNA,),ts-DNA,TAT,Hoogsteen氢键,Ts-DNA,H-DNA,CGC,+,三股螺旋结构,通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸,-,寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：,几种,DNA,螺旋结构的参数,类,型,碱基倾角,碱基间距,（,nm,）,每圈碱基数,螺,距,(nm),螺旋直径,（,nm,）,B-DNA,A-DNA,Z-DNA,0-1,19-20,9,6,o,0.34,0.23,0.38,0.331,10,11,12,9.3,3.32-3.4,2.46-2.53,4.56,3.1,2.0-2.37,2.55,1.8-1.84,C-DNA,D-DNA,tsDNA,A-DNA,噬菌体,174,DNA为单链,核酸的化学组成与分子组成,核酸的分子结构,DNA的一级结构,DNA的二级结构及类型、维持二级结构稳定的作用力（,B-DNA,）,复习,1、定义,：,DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。,超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。,超螺旋,是,DNA,三级结构的主要形式（,-,双螺旋的螺旋）,（三）DNA的三级结构,B-DNA双螺旋中每10个核苷酸长度旋转一周，这时双螺旋中没有张力，处于能量最低状态。,当将此线型DNA连接成环状时，此环状DNA为,松弛型,。,超螺旋的形成,以一段由,260,个碱基对组成的线型,B-DNA,（,螺周数,260/10.4=25,）为例,如果将这种正常双螺旋拧松两周，就会使双螺旋内的原子偏离正常位置，产生张力。,如果双螺旋的末端是开放的，则张力可通过链的转动而释放出来，,DNA,将恢复正常的双螺旋状态。,但若拧松两周后再连成环状，则张力按两种方式分布。,生物体内绝大多数的DNA都以超螺旋形式存在,(2)几个拓扑学名词：,连环数,(linking number,，,L,),：,指一条链以右手螺旋绕另一条链的次数。,扭转数,（,twisting number,T,）：,Watson-Crick,螺旋数目。,超螺旋数,（缠绕数，,writhing number,W,）,L=T+W,W0,即L0,即LT,正超螺旋（右手）,解链环形,L=23,T=23,W=0,松弛环形,L=25,T=25,W=0,负超螺旋,L=23,T25,W=-2,DNA分子相同，但,L值,不同，所以称它们为拓扑异构体。,拓扑异构酶,能够催化它们之间的转换。,(3).比连环差,比连环差以,表示。用它表示DNA的超螺旋程度。,=（L-L,0,）/L,0,L,0,表示松弛环形DNA的L值，如在上述超螺旋中，L=23，L,0,=25 所以=-0.08,可以视为DNA的超螺旋密度,。天然DNA的超螺旋密度一般在-0.03到-0.09。负号表示超螺旋周为,左手螺旋。,DNA负超螺旋易于解链，在DNA复制、重组和转录等过程中都需要两条链解开，所以负超螺旋利于这些功能的实施；,另外超螺旋结构的DNA具有更紧密结构，利于组装。,(3)超螺旋的生物学意义,天然DNA主要以负超螺旋形式存在。,2.0 nm,小沟,大沟,DNA双螺旋结构特点,（4）,双螺旋结构的稳定因素,（3）,双螺旋结构类型,（,A,/,B,/C/D/,Z,/,H,）,DNA的一级结构：,Chargaff定则；测序意义,DNA的三级结构：,超螺旋,真核生物 DNA（线形双链）的三级结构,Fig.3-8,Structure of DNA(146bp)wrapped around a nucleosome core.The DNA is bound in a left-handed solenoidal supercoil that circumnavigates the histone complex 1.8 times.,146bpDNA,以,左手螺旋,在,组蛋白核心,上缠绕1.8圈。,RNA的一级结构,1965年Holley第一个测定了,酵母丙氨酸转运核糖核酸,为77个核苷酸顺序。,1981年我国第一个成功的用人工合成了该tRNA，证实了核酸结构的研究结果是正确的。,1976年测定了5396个核苷酸组成的噬菌体MS2RNA,的核苷酸顺序。,二、RNA的分子结构,（一）RNA,一级结构的特点,RNA,一级结构研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。组成RNA的核苷酸也是以3-5 磷酸二酯键连接。其中,1.tRNA,一级结构具有以下特点：,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。,分子中含有较多的修饰成分。,3-末端都具有CpCpA,OH,的结构。5 端多为pG,也有pC。,tRNA概述,（,转移RNA，transfer RNA-,tRNA,）,约占总RNA的10-15%。,它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸,转运,到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。,tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-93个核苷酸之间,分子量,为4S左右。,2.mRNA,（,信使RNA，messenger RNA-,mRNA,),约占总RNA的5%。,不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。,它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质，指导蛋白质的合成。,AAAAA,真核生物与原核生物mRNA 结构的区别：,1、,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的多聚腺苷酸(,polyA,)，,称为“,尾巴结构,”。原核生物mRNA一般没有polyA，但某些病毒mRNA有。,polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。,polyA可能有多方面功能,与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成RNA的polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。,AAAAAAA-OH,5,“,帽子,”,Poly,A,3,顺反子,m,7,G-5,ppp-N-3,p,2、,真核细胞mRNA的5-末端有一个“帽子结构”，原核细胞mRNA没有。,帽子结构是一个7-甲基鸟苷通过焦磷酸与mRNA的5,-末端核苷酸相连，形成5,5,-三磷酸连接。,生物体共有三种帽子：,m,7,G,5,ppp,5,Np,(O,型,),m,7,G,5,ppp,5,N,m,pNp,(I,型,),m,7,G,5,ppp,5,N,m,pN,m,pNp,(II,型,),帽子结构的形成,帽子结构的功能,封闭mRNA5,端，使其没有游离的5,-P,从而阻止核酸外切酶的降解，使mRNA更稳定。,帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始有关。作为mRNA与核糖体40S亚基结合的信号。,3、真核生物mRNA一般为单顺反子，即一个mRNA只含有一条多肽链的信息，指导一条肽链的生物合成。而原核生物mRNA一般为多顺反子。,3.rRNA,(,核糖体RNA，ribosomal RNA-,rRNA,）,约占全部RNA的80%，,是核糖核蛋白体的主要组成部分。,rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与 mRNA、tRNA作用，催化肽键的形成。,(1992年,H.F.Noller等证明23SrRNA有核酶活性,催化肽键的形成),（,见蛋白质生物合成,）,rRNA,动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。与tRNA不同，,rRNA的甲基化多发生在核糖上。,真核生物的rRNA中修饰核苷比原核生物多。,rRNA的结构特点,rRNA是单链分子,G-C碱基对与A-U碱基对的总量不等,rRNA单链分子可以自行折叠,形成螺旋区（,茎,）和环区,所有的螺旋区和环区都是保守的,所有来源的rRNA都有四个结构域,每个结构域中都包括有,茎和环,他们通过碱基对的相互作用彼此靠近,绝大多数rRNA碱基的功能仍不清楚,其中许多没有配对的碱基可能和rRNA与其他RNA结合有关,由于rRNA分子的柔性很大,目前对之三级结构的研究较困难,*,rRNA,的种类（根据沉降系数）,真核生物,5S rRNA,28S rRNA,5.8S rRNA,18S rRNA,原核生物,5S rRNA,23S rRNA,16S rRNA,rRNA的甲基化多发生在核糖上。,原核生物,核糖体（S),亚基（S),rRNA(S),真核生物,80,60,40,28,5.8,5,18,50,70,30,23,5,16,（以大肠杆菌为例）,蛋白质,21种,31种,49种,33种,（以小鼠肝为例）,核蛋白体的组成,(二)RNA的高级结构特点,RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的,嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。,RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构（,类似A-DNA双螺旋结构,），不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为,“发夹型”结构,或,茎环结构。,在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。,G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。,G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。,tRNA中,除了常见的碱基外，还存在一些,稀有碱基,，这类碱基大部分位于突环部分.,tRNA,的高级结构,1、tRNA,的二级结构,tRNA,的二级结构大都呈,“三叶草”,形状，在结构上具有某些共同之处，,一般可将其分为四臂四环,：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、T,C,（环）,臂,和可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。,(1)氨基酸接受区,包含有tRNA,的3,-末端和5,-末端，3,-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为腺苷酸。,氨基酸可与其成酯，,该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。,(2)反密码区,与氨基酸接受区相对，一般环中含有,7,个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。其中环正中的3个核苷酸残基称为,反密码子,。,（3)二氢尿嘧啶区,该区含有二氢尿嘧啶。环由8-12个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成。,(4)T,C,区,该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷酸胸腺嘧啶核糖核苷酸环(,T,C)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(,T,C臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有,T,C,。,(5),可变区,位于反密码区与,T,C,区之间，不同的tRNA该区变化较大，一般有3-18个核苷酸组成。,假尿苷,胸腺嘧啶核糖核苷,稀有核苷（tRNA）,2、tRNA,的三级结构,在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA,的三级结构均为,倒L形。,稳定因素：,碱基堆积力和氢键,siRNA和miRNA介绍：,小的干涉RNA（small interfering RNA;siRNA）和微小RNA（microRNA；miRNA）是两种序列特异性地转录后基因表达的调节因子，是小RNA的最主要组成部分，它们的相关性密切，既具有相似性，又具有差异性。,小的干涉RNA（,siRNA,）是在RNA干涉过程中人工体外合成的小片段RNA，由约20个碱基对组成。SiRNA在RNA沉默通道中起中心作用，是对特定,（特异性强）,信使RNA（mRNA）进行,降解,的指导要素。,RNA干涉（,RNAi,）在实验室中是一种强大的实验工具，通过这种方式，利用具有同源性的,双链RNA,（dsRNA）诱导序列特异的目标基因的沉默，迅速阻断基因活性。,(,在2002年度Science评选的10大科学成就中RNAi名列榜首,06年获诺贝尔生理学和医学奖,),可以简化/替代基因敲除,miRNAs,是一种2125nt长的,单链,小分子RNA，其结构特征如下：广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的短序列RNA，它本身不具有开放阅读框（ORF）；成熟的miRNA，5端有一个磷酸基团，3端为羟基，,这也,是它与相同长度的功能RNA降解片段的区分标志。,是由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成，不同于,siRNA（双链）,但是和siRNA密切相关。,miRNA表达的,时序性,和,组织特异性,提示人们miRNA的分布可能决定组织和细胞的功能特异性，也可能参与了复杂的基因调控，对组织的发育起重要作用。,第二章 核 酸,引 言：核酸概述,第一节：核酸的种类、分布与功能,第二节：,核酸的化学组成,第三节：核酸的分子结构,第四节：核蛋白体,第五节：核酸的重要理化性质与分析技术,第六节:基因组学简介,核酸与蛋白质复合物的结构,生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。,DNA分子十分巨大，将它组装在有限的空间内，需要高度组织，用压缩比来表示。即：,DNA分子长度与组装后特定结构长度之比称为压缩比。,1,.病毒：,病毒颗粒主要由蛋白质和核酸及脂质、糖类组成。,动物病毒主要为DNA病毒，植物病毒主要为RNA病毒。核酸是遗传物质，而蛋白质与病毒宿主的专一性有关，同时可以保护核酸免受损伤。,头部,颈圈,尾部,基板,尾丝,尖钉,核酸位于病毒粒子的中心,蛋白质包围在核酸外面,形成衣壳,并决定病毒粒子的外形。,病毒的侵染性由核酸引起,蛋白质无侵染性,仅起保护作用或识别宿主细胞表面位点。,噬菌体T,2,结构,2.细菌的拟核,细菌基因组为双链环状DNA，与碱性蛋白和少量RNA结合，形成突环结构。其DNA分子的长度大约是其菌体长度的1000倍。所以,细菌DNA在细胞内紧密缠绕形成致密的小体，称为拟核（nucleoid）.,3.真核生物的染色体(,核蛋白,),DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即,核小体 念珠状结构 核小体链进一步盘绕、折叠形成染色质丝 组成突环 玫瑰花结 螺线圈 由螺线圈组装成染色单体。,真核生物的染色质丝,组蛋白八聚体：H2A H2B H3 H4各2个分子,从DNA到染色质丝，DNA压缩了近100倍，若从DNA到最后凝缩成染色体，DNA压缩了近万倍。,第二章 核 酸,引 言：核酸概述,第一节：核酸的种类、分布与功能,第二节：,核酸的化学组成,第三节：核酸的分子结构,第四节：核蛋白体,第五节：核酸的重要理化性质与分析技术,第六节:基因组学简介,一、核酸的一般物理性质,DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末状固体，都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂,。,（用乙醇从溶液中沉淀核酸）,DNA和RNA在细胞中常以核蛋白形式存在，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同。,DNA核蛋白 RNA核蛋白,0.14mol/LNaCl -+,1-2mol/LNaCl +-,DNA溶液的粘度很大，而RNA溶液的粘度小得多。核酸发生变性或降解后其粘度降低。,核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。,第五节、核酸的重要理化性质与分析技术,二、,核酸的两性性质及等电点,与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有弱碱性基团碱基，因而核酸也具有两性性质。,由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱基呈现弱碱性，所以核酸的等电点比较低。,（当核酸分子内的酸性解离和碱性解离相等，本身所带的正电荷与负电荷相等时，此时核酸溶液的pH值即为核酸的等电点pI）,如DNA的等电点为44.5，RNA的等电点为22.5。核酸在其等电点时溶解度最小。,RNA,的等电点比,DNA,低的原因，是,RNA,分子中核糖基,2-OH,通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。,DNA,没有这种作用。,三、核酸的水解,1.核酸的酸解,核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断（,降解,）。,酸对核酸的作用因酸的浓度、温度和作用时间不同而不同。,嘌呤碱基比嘧啶碱基易被水解下来,。,2、核酸的碱解,DNA和RNA对,碱,的耐受程度有很大差别。例如，在,稀碱,（0.3-1 mol/L NaOH）溶液中，在室温至37,0,C条件下RNA几乎可以完全水解，生成2-或3-磷酸核苷；DNA在同样条件下则不受影响，若加温至100,0,C，4个小时也可得到小分子的寡聚脱氧核苷酸。,在RNA水解时，2-OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。,2、核酸的酶解,生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。,以DNA为底物的DNA水解酶（DNases）和以RNA为底物的RNA水解酶（RNases）。,根据作用方式又分作两类：核酸,外切酶,和核酸,内切酶,。,核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-端或5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。（小球菌核酸酶即可外切又可内切）,在分子生物学研究中最有应用价值的是,限制性核酸内切酶,。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。,四、核酸的紫外吸收,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm,左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组分,定性和定量,测定的依据。,纯DNA:OD,260,/OD,280,=1.8,RNA:OD,260,/OD,280,=2,*样品中若含有杂蛋白及苯酚，则A260/A280明显降低。,应用：,纯度鉴定,含量测定,五核酸的变性、复性与杂交,1、核酸的变性（denaturation）与变性因素,核酸的