预防医学.pptx

第 二 章核酸的结构和功能核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcidl核核酸酸与与蛋蛋白白质质一一样样，是是生生命命活活动动中中重重要要的的生生物物大大分分子子，是是一一切切生生物物机机体体不不可可缺缺少的组成成分少的组成成分l核酸是生命遗传信息的携带者和传递者核酸是生命遗传信息的携带者和传递者 “种瓜得瓜，种豆得豆种瓜得瓜，种豆得豆”与生物变异也密切相关与生物变异也密切相关核核 酸酸(nucleic acid)是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大分为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息，是子，携带和传递遗传信息，是信息分子信息分子。蛋白质是由蛋白质是由氨基酸氨基酸组成的具有复杂空间结构的生组成的具有复杂空间结构的生物大分子，是生物最基本的组成物质之一，是生物大分子，是生物最基本的组成物质之一，是生命活动过程中各种功能的执行者，是命活动过程中各种功能的执行者，是功能分子功能分子。蛋白质蛋白质(protein)基本组成基本组成单位单位1基本组成基本组成单位单位2基本组成基本组成单位单位3基本组成基本组成单位单位n基本组成基本组成单位单位氨基酸氨基酸aaprotein基本组成基本组成单位单位1基本组成基本组成单位单位2基本组成基本组成单位单位3基本组成基本组成单位单位n基本组成基本组成单位单位核苷酸核苷酸ntnucleicacid核酸发现的历程 格里戈格里戈孟德尔（孟德尔（G.Mendel，1822.7.22-1884.1.6）出身于）出身于奥地利一个贫寒的农民家庭，从小爱劳动，念中学时就对自然奥地利一个贫寒的农民家庭，从小爱劳动，念中学时就对自然科学发生兴趣。科学发生兴趣。1843年孟德尔成为布隆的奥古斯丁教派的圣托年孟德尔成为布隆的奥古斯丁教派的圣托马斯修道院教士，马斯修道院教士，1847年在该修道院担任神父，有一段时间任年在该修道院担任神父，有一段时间任主教职务。孟德尔经过学习后，担任策奈姆初级中学校长，并主教职务。孟德尔经过学习后，担任策奈姆初级中学校长，并在该校任教，但他没有能通过维也纳大学的教师资格考试。在该校任教，但他没有能通过维也纳大学的教师资格考试。1855年他第二次参圆满教师资格考式，仍旧名落孙山。可是，年他第二次参圆满教师资格考式，仍旧名落孙山。可是，有档案表明他并非没有通过第二次考试，而是因为他在考试期有档案表明他并非没有通过第二次考试，而是因为他在考试期间生病，不得不撤回了他的申请。间生病，不得不撤回了他的申请。1855年后，孟德尔放弃了他年后，孟德尔放弃了他的成名愿望，在修道院开始了他的著名的豌豆杂交试验。的成名愿望，在修道院开始了他的著名的豌豆杂交试验。8年年后（后（1866年），在布尔诺自然历史会议上宣读了他的论文年），在布尔诺自然历史会议上宣读了他的论文植植物杂交试验物杂交试验，该文现在被推崇为当今遗传学第一篇经典论文，该文现在被推崇为当今遗传学第一篇经典论文，遗憾的是该文当时未被科学界所承认，而被埋没遗憾的是该文当时未被科学界所承认，而被埋没35年。年。1868年年他当选为那个修道院的院长，因过多的行政责任使他难以继续他当选为那个修道院的院长，因过多的行政责任使他难以继续他的科学研究，他很快就不得不全部放弃这方面工作。他的科学研究，他很快就不得不全部放弃这方面工作。1884年年1月月6日死于肾炎，终年日死于肾炎，终年62岁。岁。孟德尔做实验的后花园（1980年代摄）核酸发现的历程核酸发现的历程l1868年年，瑞瑞士士科科学学家家F.Miescher从从脓脓细细胞胞核核中分离出来，将其命名为核素（核酸）。中分离出来，将其命名为核素（核酸）。l1944年年，Avery肺肺炎炎双双球球菌菌转转化化实实验验证证明明核核酸酸是是转转化化因因子子（遗遗传传物物质质）第第一一次次得得到到直直接接证据证据l1952年年Hershey等等通通过过噬噬菌菌体体侵侵染染实实验验再再次次证证实实DNA是遗传物质是遗传物质l1953年年，Watson 和和Crick提提出出了了DNA分分子子的的双螺旋结构模型双螺旋结构模型。ForwardBackBack沃森、克里克与沃森、克里克与DNA双螺旋模型双螺旋模型Back核酸的分类和分布核酸的分类和分布 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸存在于细胞质（存在于细胞质（90）、细）、细胞核和线粒体内胞核和线粒体内存在于细胞核存在于细胞核(98%)和线粒和线粒体、叶绿体体、叶绿体 携带遗传信息，决定细胞携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型和个体的遗传型(genotype)参与细胞内参与细胞内DNA遗传信遗传信息表达息表达RNA也可作为某些病毒的遗传信息载体也可作为某些病毒的遗传信息载体DNA deoxyribonucleic acidRNAribonucleic acidl 绝大多数生物细胞都含有这两类核酸绝大多数生物细胞都含有这两类核酸 l 病毒则只含一种核酸病毒则只含一种核酸 含含DNA的称的称DNA病毒病毒；含含RNA的称的称RNA病毒病毒。第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸连续水解的降解产物核酸的基本组成单位是核酸的基本组成单位是核苷酸核苷酸核苷酸由核苷酸由碱基碱基、戊糖戊糖和和磷酸磷酸组成组成1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）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)嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基一、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嘧啶嘧啶(pyrimidine)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)碱基的互变异构体碱基的互变异构体戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)DNARNA磷酸磷酸H3PO4H3PO4戊糖戊糖脱氧脱氧核糖核糖核糖核糖碱基碱基A、G、C、TA、G、C、UDNA、RNA化学组成异同点化学组成异同点碱基碱基A、T、G、C、U戊糖戊糖核糖核糖、脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸磷酸磷酸?u核苷核苷nucleoside糖苷糖苷键键9 核糖的核糖的C-1原子原子和和嘌呤的嘌呤的N-9原子原子或嘧啶的或嘧啶的N-1原子通过原子通过缩合反应形成了缩合反应形成了N-糖苷键。糖苷键。核糖的核糖的C-1原子原子和嘌呤的和嘌呤的N-9原子或原子或嘧啶的嘧啶的N-1原子原子通过通过缩合反应形成了缩合反应形成了N-糖苷键。糖苷键。u脱氧核苷脱氧核苷deoxynucleoside 脱氧核糖的脱氧核糖的C-1原子和嘌呤的原子和嘌呤的N-9原子或嘧啶的原子或嘧啶的N-1原子原子通过缩合反应形成了通过缩合反应形成了N-糖苷键。糖苷键。核苷（脱氧核苷）中戊糖的自由羟基与磷酸核苷（脱氧核苷）中戊糖的自由羟基与磷酸通过通过磷酯键磷酯键相连接构成核苷酸（脱氧核苷酸）。相连接构成核苷酸（脱氧核苷酸）。u核苷酸核苷酸DNA：AGCT脱脱氧氧核核糖糖磷磷酸酸dAMPdGMPdCMPdTMP+RNA：AGCU核核糖糖磷磷酸酸AMPGMPCMPUMP+5-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphateu多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP NDP NTP3 3,5,5-环腺苷酸环腺苷酸cyclic AMP,cAMPu核苷酸衍生物核苷酸衍生物环化核苷酸环化核苷酸:cAMP cGMP，是细胞信号转导中的第，是细胞信号转导中的第二信使二信使5端端3端端CGA四、核酸的一级结构四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序是核苷酸的排列顺序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CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNAlDNADNA的空间结构的空间结构 构成构成DNADNA的所有原子在三维空间的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。具有确定的相对位置关系。lDNADNA的空间结构又分为二级结构和高的空间结构又分为二级结构和高级结构。级结构。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）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 Chargaff 规则：规则：F在所有物种中，腺嘌呤在所有物种中，腺嘌呤(A)的总数总是等于的总数总是等于胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）的总数的总数A=T；鸟嘌呤（；鸟嘌呤（G）的）的总数总是等于胞嘧啶（总数总是等于胞嘧啶（C）的总数）的总数G=C。A=T，G CF不同生物种属的不同生物种属的DNA碱基组成不同碱基组成不同F同一个体不同器官、不同组织的同一个体不同器官、不同组织的DNA 具有相同的碱基组成具有相同的碱基组成F在特定的物种中，其在特定的物种中，其DNA碱基组成不随机碱基组成不随机体年龄、营养状态或所处环境的不同而变化。体年龄、营养状态或所处环境的不同而变化。提出了提出了DNA分子双螺旋结构模型分子双螺旋结构模型 高质量高质量DNA分子分子X-线衍射照片线衍射照片 Chargaff 规则规则沃森、克里克与双螺旋模型沃森克里克与双螺旋模型 Watson&Crick所所做做 的的 是是 对对 已已 有有 的的 关关 于于DNA的的实实验验与与观观察察资资料料进进行行审审视视与与评评判判，再再将将它它们们融融会会在在一一起起,形形成成一一个个崭崭新新的的科科学学思思想想的的整整体。体。(To see what everyone has seen and think what no one has thought。见见人人人人之之所所见见，思思人人人人所所未思未思)两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链在在空空间间的的走走向向呈呈反反向向平平行行(anti-parallel)。两两条条链链中中一一条条链链的的5 3 方方向向是是自自上上而下，而另一条链的而下，而另一条链的5 3 方向是自下而上。方向是自下而上。两两条条链链围围绕绕着着同同一一个个螺螺旋旋轴轴形形成成右右手手螺螺旋旋(right-handed)的结构。的结构。双螺旋结构的直径为双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为，螺距为3.54nm。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成由两条多聚脱氧核苷酸链组成 3.54nm2.37nm脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸基基团团组组成成的的亲亲水水性性骨骨架架位位于于双螺旋结构的双螺旋结构的外侧外侧，疏水的碱基位于，疏水的碱基位于内侧内侧。双双螺螺旋旋结结构构的的表表面面形形成成了了一一个个大大沟沟(major groove)和一个和一个小沟小沟(minor groove)。2.核糖与磷酸位于外侧核糖与磷酸位于外侧 l亲水性骨架位于双螺旋外侧亲水性骨架位于双螺旋外侧l疏水性碱基位于内侧疏水性碱基位于内侧骨架与碱基骨架与碱基DNA双螺旋结构的俯视图双螺旋结构的俯视图DNA双螺旋结构的示意图双螺旋结构的示意图 小沟小沟大沟大沟3.DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对碱碱 基基 配配 对对 关关 系系 称称 为为 互互 补补 碱碱 基基 对对(complementary base pair)。DNA的的 两两 条条 链链 则则 互互 为为 互互 补补 链链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基对平面与螺旋轴垂直。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n大沟与小沟大沟与小沟相相邻邻两两个个碱碱基基对对会会有有重重叠叠，产产生生了了疏疏水水性性的的碱基堆积力碱基堆积力(base stacking interaction)。碱碱基基堆堆积积力力和和互互补补碱碱基基对对的的氢氢键键共共同同维维系系着着DNA结构的稳定。结构的稳定。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 n碱基堆积作用力碱基堆积作用力l计算：从地球延伸向月球（计算：从地球延伸向月球（320000km）的）的双螺旋双螺旋DNA分子的质量。分子的质量。l已知由已知由1000个核苷酸对组成的双螺旋个核苷酸对组成的双螺旋DNA分子的质量是分子的质量是10-18gl人体约含人体约含0.5gDNA，做一个有趣的比较，人，做一个有趣的比较，人体体DNA从地球向月球可以延伸多少次？从地球向月球可以延伸多少次？每对碱基对间的距离为每对碱基对间的距离为0.34nm.（0.00094g/532次次）（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性（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氢键氢键Hoogsteen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)。n三链结构三链结构鸟嘌呤之间通过鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊氢键形成特殊的的四链结构四链结构(tetraplex)。n四四链结构链结构真核生物真核生物DNA3 3-末末端是端是富含富含GT的多次重复的多次重复序列，因而自身形成了折序列，因而自身形成了折叠的四链结构。叠的四链结构。二、二、DNA的的高级结构是高级结构是超螺旋结构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 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。（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，平均每式存在，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。l真核生物的真核生物的DNADNA以非常有序的形式存在于以非常有序的形式存在于细胞核内。细胞核内。l在细胞周期的大部分时间里以松散的染在细胞周期的大部分时间里以松散的染色质形式出现，在细胞分裂期形成高度色质形式出现，在细胞分裂期形成高度致密的染色体。致密的染色体。（二）真核生物（二）真核生物DNA高度有序和高度致密的结构高度有序和高度致密的结构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核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4DNA双双螺螺旋旋盘盘绕绕核核心心组组蛋蛋白白(H2A,H2B,H3,H4)2 1.75圈圈，约约146bp,组组成成核核小小体体核核心心颗颗粒粒；核核心心颗颗粒粒之之间间由由DNA(约约 54bp)相相连连,H1组组蛋蛋白白结结合合于于该该部部位位构构成成连连接区。接区。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：端粒端粒(telomeres):染色体染色体末端膨大的粒状结构，由末端膨大的粒状结构，由染色体末端染色体末端DNA（端粒（端粒DNA）与）与DNA结合蛋白构结合蛋白构成。与染色体结构的稳定成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。瘤的发生发展相关着丝粒（着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，两个染色单体的连接位点，富含富含A、T序列。细胞分裂序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细体均等有序地进入子代细胞。胞。DNADNA是是生生物物遗遗传传信信息息的的载载体体，并并为为基基因因复复制制和和转转录录提提供供了了模模板板。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活动的信息基础。命活动的信息基础。基基因因是是携携带带遗遗传传信信息息的的DNADNA片片段段，它它们们的的序序列列信信息息意意义义及及其其在在DNADNA整整个个分分子子上上的的排排布布特特点点将将在在第第十十三三章详述。章详述。DNADNA具具有有高高度度稳稳定定性性的的特特点点，用用来来保保持持生生物物体体系系遗遗传传的的相相对对稳稳定定性性。同同时时，DNADNA又又表表现现出出高高度度复复杂杂性性的的特特点点，它它可可以以发发生生各各种种重重组组和和突突变变，适适应应环环境境的的变变迁，为自然选择提供机会。迁，为自然选择提供机会。三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA概述概述1 碱基组成：碱基组成：A G C U2 存在形式：主要是存在形式：主要是单链形式单链形式，局部双螺旋，局部双螺旋3 功能：功能：RNA与蛋白质共同负责与蛋白质共同负责参与基因表达和调控参与基因表达和调控4 类型：类型：tRNA,mRNA,rRNA（主要）（主要）RNA比比DNA小得多，但它的种类、大小和小得多，但它的种类、大小和结构都比结构都比DNA复杂的多复杂的多 RNA通通常常以以单单链链形形式式存存在在。其其二二级级结结构构的的基基本本特特点点是是:单单链链回回折折,在在碱碱基基互互补补区区局局部部形形成成双双螺螺旋旋,互互补补规规律律是是A-U，G-C，非非互互补补区区则则膨膨出出成成环环。这这种种短短的的双双螺螺旋区和环称旋区和环称发夹结构发夹结构或称或称茎环结构茎环结构。动物细胞内主要的动物细胞内主要的RNA种类及功能种类及功能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信信使使RNA(messenger RNA,mRNA)是是合合成成蛋蛋白白质的模板。质的模板。不不均均一一核核RNA(hnRNA)含含有有内内含含子子(intron)和和外外显子显子(exon)。外外显显子子是是氨氨基基酸酸的的编编码码序序列列，而而内内含含子子是是非非编编码序列。码序列。hnRNA经过剪切后成为经过剪切后成为成熟的成熟的mRNA。一、一、mRNA是蛋白质合成中的模板是蛋白质合成中的模板一一、mRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板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)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mRNAn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。n加帽过程加帽过程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端尾巴结构端尾巴结构 结结构构：mRNAmRNA端端30-20030-200多多个个腺腺苷苷酸酸残残基基 的尾巴的尾巴（poly Apoly A）。poly Apoly A不是转录产物，转录后逐不是转录产物，转录后逐 个添上去。个添上去。功能：功能：稳定稳定mRNAmRNA和维持其和维持其翻译活性翻译活性n加尾过程加尾过程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 n帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能尾的功能（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。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1.tRNA中含有多种中含有多种稀有碱基稀有碱基tRNA中的稀有碱基均是转录后修饰而成的。中的稀有碱基均是转录后修饰而成的。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。2.2.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环环额外环额外环*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的翻译。白质的翻译。ntRNA的倒的倒L三级结构三级结构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。3.tRNA的的3 3-末末端连接端连接氨基酸氨基酸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。4.tRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNA的密码子的密码子核核糖糖体体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是是细细胞胞内含量最多的内含量最多的RNA(80)。rRNA与与 核核 糖糖 体体 蛋蛋 白白 结结 合合 组组 成成 核核 糖糖 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为组分的核糖体是蛋为组分的核糖体是蛋白质合成的场所白质合成的场所n核糖体的组成核糖体的组成原核生物（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28S5.8S5S4718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%n大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体n1818S rRNA的二级结构的二级结构n蛋白质合成时形成的复合体蛋白质合成时形成的复合体四、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长长 链链 非非 编编 码码 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。短短链链（小小）非非编编码码RNA（small non-coding RNA,sncRNA）n ncRNA 功能功能 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的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色的稳定和翻译调控、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体的形成和结构稳定等细胞重要功能 n lncRNA 功能功能 lncRNA在结构上类似于在结构上类似于mRNA，但序列中不存在，但序列中不存在开放读框。许多已知的开放读框。许多已知的lncRNAs由由RNA聚合酶聚合酶转录并转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。能使基因沉默，有的则激活基因的表达。l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）位于细胞核内。内。snRNA有有5种，分别称为种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内的内含子加工剪接（第十六章）。含子加工剪接（第十六章）。核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA,snoRNA）：定位于）：定位于核仁，主要参与核仁，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 的甲基化修饰。的甲基化修饰。胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA,scRNA）：存在）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。催催化化性性小小RNA亦亦被被称称为为核核酶酶（ribozyme）。是是细细胞胞内内具具有有催催化化功功能能的的一一类类小小分分子子RNA，具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的活性，在的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。的剪接修饰中具有重要作用。小小干干扰扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是是生生物物宿宿主主对对于于外外源源侵侵入入基基因因表表达达的的双双链链RNA进进行行切切割割所所产产生生的的具具有有特特定定长长度度（2123 bp）和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNA。这这些些siRNA可可以以单单链链形形式式与与外外源源基基因因表表达达的的mRNA相结合，并诱导相应相结合，并诱导相应mRNA降解。降解。n微微RNA（microRNAs,miRNAs）是一类长度为是一类长度为22nt左右的内源性左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合主要是通过结合mRNA而选择性调控而选择性调控基因的表达。基因的表达。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五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性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核酸的理化性质核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节第四节核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱DNA或或RNA的定量的定量A260=1.0 相当于相当于 50g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA(ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA:A260/A280=1.8纯纯 RNA:A260/A280=2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用二、二、DNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致某些理化因素导致DNA双链互补碱基双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为双链解离为单链单链的过程。的过程。n定义定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA的变性的变性DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。n部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像增增色色效效应应(hyperchromic effect)：DNA变变性性时其溶液时其溶液OD260增高增高的现象。的现象。nDNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化nDNA的解的解链链曲线曲线连连续续加加热热DNA的的过过程程中中以以温温度度相相对对于于A260值值作作图图，所所得得的的曲线称为曲线称为解链曲线解链曲线。解解链链过过程程中中，紫紫外外吸吸光光度度的的变变化化达达到到最最大大变变化化值值的的一一半半时时所所对对应应的温度。的温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解链温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链解链曲线曲线的变化的变化 问题：问题：有两株菌株的有两株菌株的DNADNA样品，腺嘌呤分样品，腺嘌呤分别是别是3232，1717，其中一株是来自温泉，其中一株是来自温泉的嗜热菌。请问，哪种是嗜热菌？的嗜热菌。请问，哪种是嗜热菌？三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链当当变变性性条条件件缓缓慢慢地地除除去去后后，两两条条解解离离的的互互补补链链可可重重新新配配对对，恢恢复复原原来来的的双双螺螺旋旋结结构构，这这一一现现象称为象称为DNA复性复性(renaturation)。减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热热变变性性的的DNA经经缓缓慢慢冷冷却却后后即即可可复复性性，这这一一过程称为过程称为退火退火(annealing)。不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件可可以以在在不不同同的分子间形成的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)n核酸分子杂交核酸分子杂交DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子研究研究DNA分子中某一种基因的位置。分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。n核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用第五节第五节 核酸酶核酸酶Nuclease依据底物不同分类依据底物不同分类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。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。是指所有可以水解核酸的酶。5533外切位点外切位点外切位点外切位点内切位点内切位点内切位点内切位点参与参与DNA的合成、修复以及的合成、修复以及RNA的剪接。的剪接。清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，以以及及侵入细胞的外源性核酸。侵入细胞的外源性核酸。降解食物中的核酸。降解食物中的核酸。体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶。n核酸酶的功能核酸酶的功能Sanger和他的和他的DNA测序方法测序方法 Sanger是英国生物化学家，是英国生物化学家，1918年年8月月13日生于英格兰格洛斯特夏郡，在剑桥日生于英格兰格洛斯特夏郡，在剑桥大学圣大