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1、核苷酸与核酸核苷酸与核酸Nucleotides and Nucleic Acids1discovering nucleic acid18691869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
2、，WastonWaston和和CrickCrick建立了双螺旋模型，这是核建立了双螺旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。酸发展史上的重要里程碑。2Discovery of nucleic acidl1869年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取到一种富含磷元素的酸性物质，因存在于细胞到一种富含磷元素的酸性物质，因存在于细胞核中故称为核中故称为“核素核素”nuclein,20年后正式命名年后正式命名为核酸为核酸nucleic acids。l早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一般化早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一般化学成分，逐步证明核酸是一种线状聚合物。学成分，逐步
3、证明核酸是一种线状聚合物。l1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质3Chemical composition element:C、H、O、N、P（9%10%）Molecule:base：purin，pyridine pentose：ribose，deoxylribose phosphate4Overview of nucleic acid56-氨基嘌呤氨基嘌呤 2-氨基氨基-6-酮基嘌呤酮基嘌呤62，4-二酮基嘧啶二酮基嘧啶75-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶82-酮基酮基-4-氨基嘧啶氨基嘧啶9Ribose and Deoxyribose10Features in ribo
4、se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-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。11bases嘌呤嘧碇12Nucleoside13Nucleotide腺嘌呤脱氧核苷一磷酸腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMPdAMP14Levels of phosphate15Important derivativesl NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD lNMP，NDP，NTP16Cyclic nucleotidelcAMPlcGMP1718Prim
5、ary structureThe sequence of nucleotideThe sequence of the base。19Two kinds of nucleic 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20WastonWaston和和CrickCrickDNADNA double helix modeldouble helix model Chargaff rules：A=TG CDNA纤维的
6、纤维的X-线衍射线衍射图谱分析图谱分析 212223Hydrogen bonds in base pair forming2425 不同类型的不同类型的DNA双螺旋结构双螺旋结构 2627超螺旋结构超螺旋结构(superhelixsuperhelix 或或supercoilsupercoil)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(positive supercoilsupercoil)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(negative supercoilsu
7、percoil)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 28DNA superhelix原核生物的原核生物的DNADNA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各两个分子形成八聚各两个分子形成八聚体，被两圈体，被两圈140140-145145碱基对的碱基对的DNADNA所围绕。形成核所围绕。形成核小体。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
8、体之间的连接区，组成串珠状结构。29Circular DNACircular DNA30nucleosomenucleosomeConsists ofDNA：200bp Histones：H1H2A，H2BH3H431三、DNA functionsGeneGene：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 and transcriptedtranscrip
9、ted.G Geneene acts as a genetic basic unit.acts as a genetic basic 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。32DNA functionsDNA DNA and and gene gene carry carry genetic genetic information information as as its its basic basic function.function.The The sequence sequence in in its its molecule molecule can can
10、 be be used used as as template template for for replication and transcription.replication and transcription.DNA DNA is is genetic genetic material material and and therefore therefore varies individually.varies individually.33RNA34General 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、
11、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。35General features相同点相同点4 4种核苷酸也通过种核苷酸
12、也通过33，5-5-磷酸二酯键相磷酸二酯键相连接连接36General features in function遗传信息的传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。37CappingType 0：m7G5ppp5NpType 1：m7G5ppp5NmpNpType 2：m7G5ppp5NmpNmpNp38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
13、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39帽子结构功能帽子结构功能mRNA的的帽帽结结构构可可以以与与一一类类称称为为帽帽结结合合蛋蛋白白（cap binding proteins,CBPs）的分子结合。）的分子结合。这这种种mRNA和和CBPs复复合合物物对对于于mRNA从从细细胞胞核核向向细细胞胞质质的的转转运运、与与核核蛋蛋白白体体的的结结合合、与与翻翻译译起起始始因因子子的的结结合合以以及及mRNA稳稳定定性性的的维维持持等等均均有重要作用。有重要作用。402、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腺苷酸聚腺
14、苷酸聚合区，称为多聚合区，称为多聚A(polyA)尾部结构。尾部结构。41多聚多聚A尾功能尾功能与与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。423、Other featuresThere are modified bases in the molecules
15、.There are modified bases in the molecules.主要是主要是甲基化甲基化 mm6 6A AThe 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43hnRNA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intronExon44mRNA functionstriple
16、t code 三联体密码三联体密码或或密码子密码子(codon)。open reading frame，ORF:由由AUG及其后及其后的连续三联体密码的连续三联体密码(无终止信号无终止信号)组成的核苷组成的核苷酸序列称为酸序列称为开放阅读框开放阅读框，是多肽链的编码，是多肽链的编码序列。序列。CDS45tRNAtRNA structural featuresstructural featuresSmall 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
17、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，构成三叶草结分子中大约半数碱基相互配对，成双螺旋，构成三叶草结构构46tRNAtRNA secondary secondary stucturestuctureD 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tRNAtRNAT Tc c环：处在环：处在54-5654-56位，位，与与rRNArRNA结合，结合，维持维
18、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47tRNAtRNA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。48t 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
19、使第二次，结构基因发生变异时，可使第二次变异消除。变异消除。49rRNA structureAll All rRNAsrRNAs consist of both large and small subunits as 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
20、60S:28S+5.8S+5S+4960S:28S+5.8S+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 5051rRNA function52rRNArRNA functionfunction原核细胞原核细胞 16S 16S rRNArRNA 3 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的识的识别结合点。别结合点。5SrRNA 5SrRNA 第第40-5040-50位之间有位之间有 5CGAAC35CGAAC3与与tRNAtRNA T T c c环中
21、的环中的5GT 5GT CG3CG3识别识别53Other 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 RNAmiRNA54（一）（一）snRNAsnRNAsnRNsnRNA A长度长度（ntnt）剪接剪接hnRNAhnRNA的靶位点的
22、靶位点U U1 1U U2 2U U4 4U U5 5 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mRNAmRNA3 3 末端末端裂解裂解55（二）（二）catalytic RNA involved in RNA splicing 核核酶酶(ribozyme)或或催催化化性性RNA(catalytic RNA)。56其他小分子其他小
23、分子RNA（三）核仁小（三）核仁小RNA参与参与rRNA中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 expression57RNA组组学学研研究究细细胞胞中中RNAs的的种种类类、结结构和功能。构和功能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时间间、不不同同状状态态下下RNAs的的表表达达具具有有时间和空间特异性。时间和空间特异性。RNA组学组学58第四节 DNA的理化性质及其应用
24、变性变性复性复性增色效应增色效应减色效应减色效应解链温度解链温度杂交杂交探针探针59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60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）dsDNA611.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=
25、1.8RNA:A260/A280=2.0A A260 260 ApplicationApplication62Denaturation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。63The process of denaturation64Hyper-and hypo-chromic effects单核苷酸单核苷酸单链单链DNADNA双链双链DNADNADNADNA变性，使溶液变性，使溶液A260A260增高，称为增色效增高
26、，称为增色效应。应。在解链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。65melting temperature,Tmmelting temperature,TmTmTm：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
27、围大小；2 2G-CG-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。6667DNA renaturationDNARecovery 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 affectDNA复性时，其溶液复性时，其溶液A260降低。降低。68hybridizationhybridization杂交：不同的
28、杂交：不同的DNADNA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。69Probe探针：探针：
29、a kind of technology used for detection and probing certain nucleotide sequence.Labeled single oligonucleotide chain70Nuclease 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。71 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。72