生物化学-第02章-核酸的结构与功能-2012.ppt

目录目录第第2 2章章核酸的结构与功能核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid 王丽影王丽影7-316 54237659Liying_目录目录第一节.核酸的化学组成及一级结构 1学时第二节.DNA的空间结构与功能 1学时第三节.RNA的结构与功能 1学时第四节.核酸的理化性质 第五节.核酸酶1学时学时目录目录什么是核酸？什么是核酸？1869年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核核，当时发现这种物质含磷量之高超过当时发当时发现这种物质含磷量之高超过当时发现的任何一种有机物，并且现的任何一种有机物，并且含有很强的酸性含有很强的酸性，故得名核酸。故得名核酸。1909年其组成被研究清楚，年其组成被研究清楚，1944年生物功能初年生物功能初步澄清，在步澄清，在X射线衍射技术支持下射线衍射技术支持下1953年结构年结构澄清。澄清。核酸是脱氧核糖核酸（核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸与核糖核酸（RNA）的通称的通称。前言：核酸的分类与功能前言：核酸的分类与功能目录目录染色体是DNA的载体DNA可通过复制遗传给下一代可通过复制遗传给下一代(1)DNA是主要的生物遗传物质目录目录DNA的组成差异的组成差异决定决定了细胞中所有了细胞中所有蛋白质蛋白质、RNA的结构特征的结构特征子代利用遗传下来的DNA可以制造与父代相同的RNA、蛋白质，故种瓜得瓜、种豆得豆。多细胞的多细胞的DNA控制了控制了细胞分化细胞分化、个体形成个体形成乃至乃至个体的生老病死个体的生老病死。任何一个多细胞生物的体细胞都含有完全相同的DNA。目录目录体细胞体细胞克隆克隆克隆克隆技术技术由动物体内一个细胞经过无性生殖过程进而发育形成由动物体内一个细胞经过无性生殖过程进而发育形成的动物个体为克隆动物。的动物个体为克隆动物。当给予合适的条件时当给予合适的条件时，任何一种体细胞都能变化，任何一种体细胞都能变化为一个完整的个体为一个完整的个体体细胞体细胞克隆克隆克隆克隆技术技术；白绵羊的体体细胞核细胞核黑黑 绵羊的去核卵卵细胞细胞细胞细胞质质植入植入山羊子宫山羊子宫？多莉（1997.7.23）目录目录2001.1.12日第一只克隆野牛诞生。日第一只克隆野牛诞生。科学家成功地将奶牛卵子中的细胞核科学家成功地将奶牛卵子中的细胞核科学家成功地将奶牛卵子中的细胞核科学家成功地将奶牛卵子中的细胞核 剔除，植入印剔除，植入印剔除，植入印剔除，植入印度野牛皮肤细胞的细胞核。细胞核包含了所有野牛度野牛皮肤细胞的细胞核。细胞核包含了所有野牛度野牛皮肤细胞的细胞核。细胞核包含了所有野牛度野牛皮肤细胞的细胞核。细胞核包含了所有野牛成成成成 长所需的基因资料。奶牛即将分娩，不过，即将长所需的基因资料。奶牛即将分娩，不过，即将长所需的基因资料。奶牛即将分娩，不过，即将长所需的基因资料。奶牛即将分娩，不过，即将诞生的不是诞生的不是诞生的不是诞生的不是 一只奶牛，也非奶牛和野牛的杂交种，一只奶牛，也非奶牛和野牛的杂交种，一只奶牛，也非奶牛和野牛的杂交种，一只奶牛，也非奶牛和野牛的杂交种，而是一只印度野牛。而是一只印度野牛。而是一只印度野牛。而是一只印度野牛。这个试验的成功，将为挽救世这个试验的成功，将为挽救世这个试验的成功，将为挽救世这个试验的成功，将为挽救世界上大量的濒危野生动物带来界上大量的濒危野生动物带来界上大量的濒危野生动物带来界上大量的濒危野生动物带来 希望。希望。希望。希望。动物克隆的目的动物克隆的目的保持优良种性的牲畜性能不发生退化；拯救濒危生物；第一只克隆野牛第一只克隆野牛第一只克隆野牛第一只克隆野牛目录目录基因（gene 开始、发育的意思）（古代）种质（猜想)（十九世纪）孟德尔遗传颗粒（推断）（二十世纪初）摩尔根染色体是基因的载体（蛋白质？核酸？）（1944年）DNA是基因的化学载体目录目录第一节第一节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构 一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解目录目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键目录目录嘌呤嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)目录目录嘧啶嘧啶(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)目录目录n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 目录目录碱基碱基RNARNADNADNA 嘧啶环嘧啶环嘧啶环嘧啶环 嘌呤环嘌呤环嘌呤环嘌呤环尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶 U U胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T T胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶 C C鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤 GG腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤 A A目录目录稀有碱基稀有碱基嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。目录目录鸟嘌呤鸟嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤甲基次黄嘌呤目录目录戊糖戊糖核糖(in RNA)2脱氧核糖(in DNA)目录目录核苷核苷目录目录核苷酸核苷酸磷酸碱基戊糖目录目录HH2 2OOHH2 2OO碱基碱基碱基碱基磷酸磷酸磷酸磷酸戊糖戊糖戊糖戊糖糖苷键糖苷键糖苷键糖苷键酯键酯键酯键酯键目录目录核苷酸核苷酸碱基连接（糖苷键）碱基连接（糖苷键）酯酯酯酯键键（对（对DNA为为H）1122334455目录目录八种核苷酸如下表所示八种核苷酸如下表所示 M-M-单单单单(D-D-二。二。二。二。T T三）三）三）三）；P-P-磷酸磷酸磷酸磷酸RNA的名称为某（单、二、三）苷酸，DNA在某（单、二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷磷酸（脱氧腺苷酸）。稀有核苷酸与上类似；目录目录二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的大分子连接形成的大分子一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 3 的的羟羟基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 5 的的-磷磷酸酸基基团团缩缩合合形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond)。多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向性性的的线线性性分分子子，称称为为多多聚聚脱脱氧氧核核苷苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。目录目录二、二、核酸的一级结构核酸的一级结构DNA的一级结构的一级结构DNA的一级结构是指的一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序。上的核苷酸排列顺序。(核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）脱脱脱脱HH2 2OO酯酯酯酯键相连键相连键相连键相连33，55-磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键首首首首尾尾尾尾35目录目录DNA一级结构的简写形式核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与RNA结构的生物语言。戊糖3-OH3-OH5-5-磷酸磷酸PA A核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸53首端首端末端末端PPPPPP A G C T G CA G C T G C OH OH目录目录三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的磷酸二酯键的线性大分子线性大分子RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成的线性大分子，并且具有方向性成的线性大分子，并且具有方向性；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。目录目录n定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序目录目录nDNA和和RNA的区别的区别核糖核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基碱基核糖核糖核酸核酸目录目录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目录目录一、一、DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构（一）研究背景：（一）研究背景：19521952年，年，E.chargaffE.chargaff测定了测定了DNADNA中中4 4种碱基的含量，种碱基的含量，发现其中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟嘌呤发现其中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟嘌呤与与胞嘧啶胞嘧啶的数量相等。这使的数量相等。这使沃森沃森、克里克立即想、克里克立即想到到4 4种碱基之间存在着两两对应的关系。种碱基之间存在着两两对应的关系。19531953沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在19511951拍摄的一拍摄的一张十分漂亮的张十分漂亮的DNADNA晶体晶体X X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。沃森、克里克在他们的办公室里用铁皮和铁丝搭建着模型。第一沃森、克里克在他们的办公室里用铁皮和铁丝搭建着模型。第一个个DNADNA双螺旋结构的分子模型诞生了。双螺旋结构显示出双螺旋结构的分子模型诞生了。双螺旋结构显示出DNADNA分子分子在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了物种要保持稳定，细在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了物种要保持稳定，细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程碑，分子生物学时代的开端。碑，分子生物学时代的开端。他们在他们在19531953年于年于NatureNature杂志上报告了这一发现。杂志上报告了这一发现。19621962年，年，WatsonWatson、CrickCrick和和WilkinsWilkins共同分享诺贝尔奖。共同分享诺贝尔奖。目录目录n碱基互补配对碱基互补配对:鸟嘌呤鸟嘌呤/胞嘧啶胞嘧啶目录目录n碱基互补配对碱基互补配对:腺嘌呤腺嘌呤/胸腺嘧啶胸腺嘧啶目录目录uDNA分分子子由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。螺螺旋旋直直径径为为2nm，形形成成大大沟沟(majorgroove)及及 小小 沟沟(minorgroove)相间。相间。（二）（二）DNA双螺旋结构具有特征性双螺旋结构具有特征性（Watson,Crick,1953）1.DNA是反向平行、是反向平行、右手螺旋的双链结构右手螺旋的双链结构5353 以大拇指为旋转前进以大拇指为旋转前进的方向，与右手四指同的方向，与右手四指同向为右手螺旋。向为右手螺旋。反之反之为左手螺旋。为左手螺旋。目录目录u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。目录目录 DNA双链模型双链模型 目录目录u氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵向稳定性纵向稳定性。目录目录DNA 一一 股股 的的 核核 苷苷 酸酸 序序 列列 与与 另另 一一 股股 的的 序序 列列 互互 补补（A-T、G-C）。目录目录目录目录DNADNA结合蛋白质模体：结合蛋白质模体：锌指锌指螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋亮氨酸拉链亮氨酸拉链螺旋螺旋螺旋螺旋环环目录目录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目录目录二级结构二级结构B型双螺旋结构型双螺旋结构大大 部部 分分 DNA 所所 具具 有有 的的 双双 螺螺 旋旋 结结 构构，亦亦 称称 为为 B 型型 小沟小沟小沟小沟大沟大沟大沟大沟5555333355553333目录目录 在 真 核 及 原 核 细 胞 皆 有 证 据 显 示 短 的 Z 型 DNA 存 在。其他类型的DNA双螺旋zZ 型 DNA左旋、细长 目录目录旋向旋向螺距螺距(nm)碱基数碱基数（每圈）（每圈）螺旋直径螺旋直径（nm）骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型 右手右手2.3112.5平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手3.4102.3平滑平滑DNA生理条件生理条件Z型型左手左手4.5121.8锯齿型锯齿型CG序列序列n三种三种DNA构型的比较构型的比较目录目录双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。目录目录（四）（四）DNA的多链螺旋结构的多链螺旋结构在在酸酸性性的的溶溶液液中中，胞胞嘧嘧啶啶的的N-3原原子子被被质质子子化化，可可与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的N-7原原子子形形成成氢氢键键；同同时时，胞胞嘧嘧啶啶的的N-4的的氢氢原原子子也也可可与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的O-6形形成成氢氢键，这种氢键被称为键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。氢键。nHoogsteen碱基配对碱基配对 形成三股螺旋形成三股螺旋DNAHoogsteen氢氢键键，不不破破坏坏Watson-Crick氢氢键键，由此形成了由此形成了CGC的三链结构的三链结构(triplex)。目录目录n三链结构三链结构34767346目录目录DNA DNA 3 3 的的羟基末端存在羟基末端存在GTGT重复序列，重复序列，鸟鸟嘌呤之间嘌呤之间通过通过HoogsteenHoogsteen氢键形成特殊的四链氢键形成特殊的四链结构结构(tetraplextetraplex)。n四四链结构链结构目录目录端粒端粒DNADNA富含鸟嘌呤富含鸟嘌呤(G)(G)的的DNADNA序列，这些富含鸟序列，这些富含鸟嘌呤的序列在生理条件下通过嘌呤的序列在生理条件下通过G G碱基间碱基间HoogsteenHoogsteen氢键能氢键能够形成一种特殊的够形成一种特殊的DNADNA二级结构一鸟嘌呤四链体二级结构一鸟嘌呤四链体(简称简称G-G-四链体四链体)。G-G-四链体的形成或拆散可能涉及到体内的一些四链体的形成或拆散可能涉及到体内的一些重要生理过程的调控，比如：细胞凋亡、细胞增殖、信重要生理过程的调控，比如：细胞凋亡、细胞增殖、信号转导和肿瘤形成等。号转导和肿瘤形成等。4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA目录目录二、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。目录目录意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。目录目录（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形多为环状，以负超螺旋的形式存在式存在，平均每平均每200200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。目录目录（二）真核生物（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的结构的结构真真核核生生物物DNA以以非非常常有有序序的的形形式式存存在在于于细细胞胞核核内。内。在在细细胞胞周周期期的的大大部部分分时时间间里里，DNA以以松松散散的的染染色色质质(chromatin)形形式式存存在在，在在细细胞胞分分裂裂期期，则则形成高度致密的染色体形成高度致密的染色体(chromosome)。目录目录固定固定负超螺旋负超螺旋（右手拓扑结构）（右手拓扑结构）反之，则为正超螺旋自然界通常为负超螺旋。提问：提问：DNA形成形成三级结构及染色三级结构及染色体的意义何在？体的意义何在？答案：答案：压缩分子空间压缩分子空间人体每个体细胞人体每个体细胞DNA长长2m,细胞细胞直径直径0.1mm,细胞核细胞核0.05mm环状DNADNA右旋右旋右旋右旋（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型目录目录拓扑异构酶（拓扑异构酶（Topoisomerase）催化催化DNA连环数的改变连环数的改变 概念概念：能够引起拓扑异构反应的酶。：能够引起拓扑异构反应的酶。作作用用：对对DNA分分子子的的作作用用是是既既能能切切开开又又能能连连接接磷磷酸酸二二酯酯键键，使使DNA不不至至于于打打结结，适适当当时时候候又又把把切切口口封封闭闭，使使DNA的拓扑异构体发生改变的拓扑异构体发生改变。类类型型：大大肠肠杆杆菌菌至至少少有有2型型4种种拓拓扑扑异异构构酶酶。型型拓拓扑扑异异构构酶酶包包括括拓拓扑扑异异构构酶酶和和拓拓扑扑异异构构酶酶，其其功功能能是是去去除除负负超超螺螺旋旋而而松松弛弛DNA；型型拓拓扑扑异异构构酶酶包包括括拓拓扑扑异异构构酶酶和和拓拓扑异构酶扑异构酶，其功能是引入负超螺旋，其功能是引入负超螺旋。真真核核生生物物细细胞胞同同样样有有I型型拓拓扑扑异异构构酶酶和和II型型拓拓扑扑异异构构酶酶。I型型拓拓扑扑异异构构酶酶，包包括括拓拓扑扑异异构构酶酶I 和和III；II型型拓拓扑扑异异构构酶酶，包包括括拓拓扑扑异异构构酶酶II和和II。与与原原核核生生物物的的拓拓扑扑异异构构酶酶不不同同，真真核核生生物物的的拓拓扑扑异异构构酶酶I能能消消除除负负超超螺螺旋旋也也能能消消除除正正超超螺螺旋旋，拓扑异构酶拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。只消除负螺旋，但活性较低。目录目录nDNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象目录目录 原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA细菌等原核生物细菌等原核生物质粒质粒质粒质粒染色染色染色染色体体体体目录目录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目录目录DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1,H2A，H2B,H3,H4核小体核小体(nucleosome)是是染色质染色质的基本组成单位，的基本组成单位，由由DNA和蛋白质构成和蛋白质构成。核小体的组成核小体的组成:核心颗粒核心颗粒:DNA 150bp,H2A，H2B,H3,H4 连接区连接区:DNA 60bp,H1目录目录n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构目录目录目录目录近近2米长米长DNA经过多次折叠，被压缩了经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内目录目录目录目录n真核生物的染色体真核生物的染色体目录目录 端粒端粒着丝粒着丝粒端粒端粒端粒和着丝粒的结构示意图端粒和着丝粒的结构示意图基因，分散的重复序列和多重复制起点基因，分散的重复序列和多重复制起点真核生物染色体有真核生物染色体有端粒端粒和和着丝粒着丝粒两个功能区两个功能区目录目录端粒酶端粒酶 端粒酶端粒酶RNA 模板模板DNA结合蛋白结合蛋白TRF1和和TRF2端粒结构端粒结构a 端粒末端端粒末端DNA序列和端粒酶及端粒酶中的序列和端粒酶及端粒酶中的RNA序列序列 b 端粒末端结构示意图端粒末端结构示意图1端粒是染色体末端的结构端粒是染色体末端的结构 图 a图 b目录目录2着丝粒是连接两个染色单体的中心部位着丝粒是连接两个染色单体的中心部位 着丝粒着丝粒（centromere）在有丝分裂时，使染色体均等在有丝分裂时，使染色体均等有序地进入子代细胞。着丝粒是一段有序地进入子代细胞。着丝粒是一段DNA序列，富含序列，富含AT碱基对。酵母着丝粒长碱基对。酵母着丝粒长130bp，序列简单，而高等真核生物序列简单，而高等真核生物细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短序细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短序列的方向是相同的。着丝粒中的重复列的方向是相同的。着丝粒中的重复DNA序列在不同的物序列在不同的物种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒中种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒中这种比较简单的这种比较简单的DNA的确切功能依然不清楚。的确切功能依然不清楚。目录目录DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的的信信息基础。息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基基因因的的功能。功能。三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础目录目录基因基因(Gene)(Gene)即即DNADNA上能够编译一个蛋白质或上能够编译一个蛋白质或RNARNA的最小单位的最小单位，一个，一个细胞内所有基因组合在一起统称为细胞内所有基因组合在一起统称为“基因组基因组”。DNA DNA 的所有功能本质上反映的是基因的功能。的所有功能本质上反映的是基因的功能。假基因假基因(pseudogenepseudogene)具有与功能基因相似的序列，但由于有许多具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变以致失去了原有的功能，所以假基因是没有功能的基因，常突变以致失去了原有的功能，所以假基因是没有功能的基因，常用用表示。表示。基因基因组组(Genome)(Genome)一般的定义是单倍体一般的定义是单倍体细胞细胞中的全套中的全套染染色体色体为一个基因组。为一个基因组。基因基因3 3假基因假基因基因间隔区基因间隔区DNADNA双螺旋双螺旋目录目录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能StructureandFunctionofRNA目录目录RNA与与蛋蛋白白质质共共同同负负责责基基因因的的表表达达和和表表达达过过程的调控。程的调控。RNA通通常常以以单单链链的的形形式式存存在在，但但有有复复杂杂的的局局部二级结构或三级结构。部二级结构或三级结构。RNA比比DNA小的多。小的多。RNA的的种种类类、大大小小和和结结构构远远比比DNA表表现现出出多多样性。样性。目录目录nRNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能目录目录RNA在蛋白质合成中起着重要的辅助作用在蛋白质合成中起着重要的辅助作用1.mRNA信使信使RNA2.rRNA 核糖体核糖体RNA3.tRNA 转运转运RNA 4.RNA病毒以RNA为遗传物质；目录目录 mRNA的分子结构的分子结构原核生物原核生物mRNA特征特征：先导区先导区+翻译区（翻译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列真核生物真核生物mRNA特征特征：“帽帽子子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单单顺顺反反子子+“尾巴尾巴”（Poly A）一、一、mRNA是蛋白质合成中的模板是蛋白质合成中的模板目录目录原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53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顺序末端顺序顺反子顺反子：对应一：对应一条多肽链的条多肽链的DNADNA片断片断，加上起始信号，加上起始信号，终止信号称顺反子终止信号称顺反子单顺反子单顺反子mRNAmRNA ：只编码一条多肽链只编码一条多肽链的的mRNAmRNA多多顺反子顺反子mRNAmRNA ：一条编码几条不同一条编码几条不同多肽链的多肽链的mRNAmRNA。多。多是是对应于一个代谢对应于一个代谢途径中的各种蛋白途径中的各种蛋白质质目录目录原核细胞乳糖操纵子原核细胞乳糖操纵子 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵序列操纵序列 结构基因结构基因z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶y：通透酶通透酶a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶zyaOPDNAI基因基因乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构目录目录从从AUG 开开始始，每每三三个个核核苷苷酸酸为为一一组组编编码码了了一一个个氨氨基酸，称为三联体密码基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末末端端的的帽帽子子(cap)结结构构和和3-末末端端的的多多聚聚A尾尾(poly-A tail)结构。结构。n成熟的真核生物成熟的真核生物mRNA目录目录n帽子结构帽子结构:m7GpppNm（一）大部分真核细胞（一）大部分真核细胞mRNA的的5末端都以末端都以7-甲甲基鸟嘌呤基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构三磷酸核苷为起始结构 mRNA的的 帽帽 结结 构构 可可 以以 与与 帽帽 结结 合合 蛋蛋 白白(cap binding protein，CBP)结合。结合。5-5的连接特征的连接特征不再有不再有5 的游离磷酸基团的游离磷酸基团17目录目录n加帽过程加帽过程目录目录真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5“帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3 p目录目录真核生物的真核生物的mRNA 的的3-末端转录后加末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。上一段长短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物（二）在真核生物mRNA的的3 3 末端有多聚腺末端有多聚腺苷酸结构苷酸结构目录目录n加尾过程加尾过程目录目录polyApolyA片段片段指指20-25020-250个个多聚腺苷酸多聚腺苷酸polyApolyA是在是在转录后转录后经经polyApolyA聚合酶的作用而聚合酶的作用而添加上去的添加上去的原核生物的原核生物的mRNAmRNA一般一般无无polyApolyA，但某些病毒但某些病毒mRNAmRNA也有也有3-3-polyApolyApolyApolyA可能有多方面功能可能有多方面功能,与与mRNAmRNA从细胞核到细胞质的转移有从细胞核到细胞质的转移有关关；与与mRNAmRNA的半寿期有关的半寿期有关，新合成的，新合成的RNARNA其其polyApolyA链较长，而链较长，而衰老的衰老的mRNAmRNA，polyApolyA链缩短链缩短“帽子帽子”结构：结构：55-末端的末端的G G被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上甲基化的核苷酸以甲基化的核苷酸以55,55-磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连作用：作用：抗核酸酶的水解抗核酸酶的水解；与蛋白质合成起始有关；与蛋白质合成起始有关；作为作为mRNAmRNA与核糖体与核糖体40S40S亚基结合的信号亚基结合的信号n帽子结构和帽子结构和多聚多聚A A尾的功能尾的功能目录目录（三）（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成质氨基酸顺序的合成从从mRNA分分子子5 5末末端端起起的的第第一一个个AUGAUG开开始始，每每3 3个个核核苷苷酸酸为为一一组组称称为为密密码码子子(codon)或或三三联体密码联体密码(triplet code)。AUG被被称称为为起起始始密密码码子子；决决定定肽肽链链终终止止的的密码子则称为终止密码子。密码子则称为终止密码子。位位于于起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列称称为为开开放放阅阅读读框框(open reading frame,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列，决定了多肽链的氨基酸序列。目录目录mRNA编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区polyA帽子结构帽子结构UTRUTRORF目录目录（四）（四）mRNA的成熟过程是的成熟过程是hnRNA的剪接过程的剪接过程卵清蛋白卵清蛋白mRNA的成熟的成熟目录目录hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA nmRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子(exon)目录目录转转运运RNA(transfer RNA,tRNA)在在蛋蛋白白质质合合成成过过程程中中作作为为各各种种氨氨基基酸酸的的载载体体,将将氨氨基基酸酸转转呈呈给给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。二、二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体是蛋白质合成中的氨基酸载体目录目录（一）（一）tRNA中含有多种中含有多种稀有碱基稀有碱基目录目录tRNA具具有有局局部部的的茎茎环环(stem-loop)结结构构或或发卡发卡(hairpin)结构。结构。（二）（二）tRNA具有茎环结构具有茎环结构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TC环环附加叉附加叉目录目录tRNA的三叶草型二级结构的三叶草型二级结构123叶子叶子叶子叶子反密码子环反密码子环 反密码子反密码子载运氨基酸载运氨基酸载运氨基酸载运氨基酸臂臂稀有碱基稀有碱基稀有碱基稀有碱基目录目录ntRNA的倒的倒L三级结构三级结构目录目录tRNA的的3-末末端都是以端都是以CCA结尾。结尾。3-末末端的端的A与氨基酸共价与氨基酸共价连结，连结，tRNA成为了氨基酸成为了氨基酸的载体。的载体。不同的不同的tRNA可以结合不可以结合不同的氨基酸。同的氨基酸。（三）（三）tRNA的的3 3-末末端连接端连接氨基酸氨基酸目录目录tRNA的的反反密密码码子子环环上上有有一一个个由由三三个个核核苷苷酸酸构构成成的的反反密密码码子子(anticodon)。tRNA上上的的反反密密码码子子依依照照碱碱基基互互补补的的原原则则识识别别mRNA上上的的密码子。密码子。（四）（四）tRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNA的密码子的密码子目录目录氨基酸臂：氨基酸臂：该区在蛋白质合成中起该区在蛋白质合成中起携带氨基酸携带氨基酸的作用；的作用；3-3-末端为末端为CCACCA，55末端为末端为pCpC或或pGpG；由由7 7对碱基构成；对碱基构成；富含鸟嘌呤富含鸟嘌呤二氢尿嘧啶区：二氢尿嘧啶区：环由环由8-128-12个核苷酸组成；臂由个核苷酸组成；臂由3-43-4对碱基组成；对碱基组成；含有含有2 2个个二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶；反密码区反密码区：环中含有：环中含有7 7个核苷酸残基，环中个核苷酸残基，环中正中正中的的3 3个核苷酸残基称为反密码子个核苷酸残基称为反密码子；次黄嘌呤常次黄嘌呤常在在此环中此环中出现出现；臂中含有臂中含有5 5对碱基；对碱基；可变区：可变区：一般有一般有3-183-18个核苷酸组成个核苷酸组成。不同的。不同的tRNAtRNA该区变化较大该区变化较大v T T C C区：区：环由环由7 7个核苷酸组成，通过由个核苷酸组成，通过由5 5对碱基组成的双螺旋区对碱基组成的双螺旋区(T T C C臂臂)与与tRNAtRNA的其余部分相连；的其余部分相连；环中都含有环中都含有T T C C序列序列出现而得出现而得名；假尿嘧啶核苷、胸腺嘧啶核糖核苷稀有碱基在此环出现名；假尿嘧啶核苷、胸腺嘧啶核糖核苷稀有碱基在此环出现tRNA的二级结构的二级结构目录目录核核蛋蛋白白体体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是是细细胞内含量最多的胞内含量最多的RNA(80)。rRNA与与核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白结结合合组组成成核核蛋蛋白白体体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。，为蛋白质的合成提供场所。三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所目录目录沉降系数（沉降系数（S）生生物物大大分分子子在在单单位位离离心心力力场场作作用用下下的的沉沉降降速速度度称称为为沉沉降降系系数数。即即沉沉降降系系数数是是微微颗颗粒粒在在离离心心力力场场的的作作用用下下，从从静静止止状状态态到到达达极极限限速速度度所所需需要要的的时时间间。其其单位用单位用SvedbergSvedberg，即，即s s表示，表示，s=110s=110-13-13秒。秒。沉降系数（沉降系数（S S）与分子量（与分子量（M M）的关系的关系M=RTsD(1-)Svederg方程方程:目录目录Ribosomal RNABan et al.,Science289(905-920),2000 Secondary StructureOf large ribosomal RNA（18S rRNATertiary StructureOf large ribosome subunit目录目录rRNA的结构与功能特点的结构与功能特点 原核生物中：原核生物中：5S RNA 23S RNA 与与30余种蛋白质构成大亚基余种蛋白质构成大亚基16S RNA与与20余种蛋白质构成小亚基余种蛋白质构成小亚基 真核生物中：真核生物中：5S RNA 5.8S RNA 28S RNA与近与近50种蛋白质构成大亚基种蛋白质构成大亚基18S RNA与与30余种蛋白质构成小亚基余种蛋白质构成小亚基 多茎环结构，为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构上的基础多茎环结构，为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构上的基础目录目录其余几种其余几种RNARNA核内小核内小RNARNA（snRNAsnRNA）、核仁小）、核仁小RNARNA（snoRNAsnoRNA）、胞）、胞质小质小RNARNA（scRNAscRNA）、催化性小）、催化性小RNARNA（ribozymeribozyme）、）、小片段干扰小片段干扰RNARNA（small catalytic small catalytic RNA,siRNARNA,siRNA)等。等。四、四、snmRNA参与了参与了 基因表达的调控基因表达的调控目录目录RNARNA干扰（干扰（RNAiRNAi）RNARNA干扰（干扰（RNAiRNAi）：近年来的研究表明，将与）：近年来的研究表明，将与mRNAmRNA对应的正对应的正义义RNARNA和反义和反义RNARNA组成的双链组成的双链RNA(dsRNARNA(dsRNA)导入细胞，可以使导入细胞，可以使mRNAmRNA发生特异性的降解，导致其相应的基因沉默。这种转录发生特异性的降解，导致其相应的基因沉默。这种转录后基因沉默机制后基因沉默机制(post-transcriptional gene silencing,(post-transcriptional gene silencing,PTGS)PTGS)被称为被称为RNARNA干扰（干扰（RNAiRNAi）。）。经经过过DicerDicer（一一种种具具有有RNAaseRNAase IIIIII活活性性的的核核酸酸 酶酶）的的加加工工，细细胞胞中中较较长长的的双双链链RNARNA（3030个个核核苷苷酸酸以以上上）首首先先被被降降解解形形成成21212525个个核核苷苷 酸酸的的小小分分子子干干扰扰核核糖糖核核酸酸（siRNAsiRNA，short short interfering RNA interfering RNA），并有效定位目标），并有效定位目标 mRNAmRNA。目录目录long dsRNA21-23nt siRNAsDicer：Dicer酶，dsRNA特异性核酸内切酶（dsRNAspe