分子生物學(xué)第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能課件

第二章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能3.1細(xì)胞的遺傳物質(zhì)3.1.1DNA是主要的遺傳物質(zhì)（三個(gè)階段）1928年，Griffith肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1944年，Averry肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)第一階段1952年，噬菌體感染實(shí)驗(yàn)第二階段噬菌體感染實(shí)驗(yàn)美國(guó)冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Hershey和他的學(xué)生Chase在1952年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。位于美國(guó)紐約長(zhǎng)島冷泉港，建于1890年。在財(cái)政上由美國(guó)政府、慈善部門(mén)、基金會(huì)和當(dāng)?shù)貦C(jī)關(guān)團(tuán)體支持。美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室CSHL被稱為世界生命科學(xué)的圣地與分子生物學(xué)的搖籃，名列世界上影響最大的十大研究學(xué)院榜首；不僅如此，冷泉港實(shí)驗(yàn)室依山傍水，風(fēng)景優(yōu)美，還是國(guó)際生命科學(xué)的會(huì)議中心與培訓(xùn)基地。冷泉港實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人沃森先生是ＤＮＡ雙螺旋結(jié)構(gòu)圖的發(fā)現(xiàn)者之一，諾貝爾獎(jiǎng)得主，同時(shí)也是“國(guó)際人類基因組計(jì)劃”的倡導(dǎo)者和實(shí)施者。美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室(ColdSpringHarborLaboratoryCSHL)噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程可以分為以下5個(gè)步驟：①噬菌體用尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；②噬菌體通過(guò)尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；③噬菌體的DNA一旦進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，它就能利用細(xì)菌的生命過(guò)程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；④新合成的DNA和蛋白質(zhì)外殼，能組裝成許許多多與親代完全相同的子噬菌體；⑤子代噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來(lái)，再去侵染其他細(xì)菌。噬菌體專門(mén)寄生在細(xì)菌體內(nèi)。它的頭、尾外部都有由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)確立第三階段作為遺傳物質(zhì)的DNA具有以下特性：①貯存并表達(dá)遺傳信息；②能把遺傳信息傳遞給子代；③物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；④有遺傳變異的能力。3.1.2RNA也是遺傳物質(zhì)DNA病毒病毒(病毒基因組+蛋白質(zhì)外殼)RNA病毒類病毒(只由RNA組成)

病毒重建實(shí)驗(yàn)1957年，格勒（Girer)和歇萊姆（Schramm)用石碳酸處理煙草花葉病毒（TMV），把蛋白質(zhì)去掉，只留下RNA，再將RNA接種到政黨煙草上，結(jié)果發(fā)生了花葉??；如果用蛋白質(zhì)部分侵染正常煙草，則不發(fā)生花葉病。由此證明，RNA起著遺傳物質(zhì)的作用。3.2核酸的化學(xué)組成與共價(jià)結(jié)構(gòu)3.2.1核酸種類及其成分

脫氧核糖核酸

DNA（deoxyribonucleicacid）

核酸nucleicacid

核糖核酸

RNA（ribonucleicacid）核苷酸=核苷+磷酸核苷=堿基+戊糖核酸=核苷酸+核苷酸+核苷酸+……多聚體3’,5’-磷酸二酯鍵3’,5’-磷酸二酯鍵嘧啶堿：胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）1、堿基除了5種基本堿基以外，核酸中還有一些含量較少的堿基，稱為稀有堿基，大多是甲基化的堿基。其中tRNA中有較多稀有堿基，可高達(dá)10%。目前已知的稀有堿基和核苷有近百種。2、戊糖D-核糖D-2’-脫氧核糖4、核苷酸

核苷酸=核苷+磷酸

核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化核苷酸分為核糖核苷酸、脫氧核糖核苷酸

生物體內(nèi)存在的游離核苷酸多是5’-核苷酸

3.2.2核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)

1、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能核酸是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸(polynucleotide)。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)即是指四種核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列順序，通過(guò)磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸。DNA攜帶兩類不同的遺傳信息1.編碼細(xì)胞內(nèi)組成型蛋白質(zhì)氨基酸序列的信息以及編碼RNA的信息。在這類信息中，DNA結(jié)構(gòu)序列與蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)以及RNA序列結(jié)構(gòu)之間存在著共線性關(guān)系。2.編碼重要的調(diào)控蛋白以及決定基因表達(dá)的開(kāi)啟或關(guān)閉的序列元件，這部分DNA在細(xì)胞周期的不同周期和個(gè)體發(fā)育的不同階段、不同器官、不同組織以及不同的外界環(huán)境條件下，能夠使基因選擇性表達(dá)。2、RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)也是無(wú)分支的線形多聚核糖核苷酸，主要由4種核糖核苷酸A、G、U、C以3’，5’磷酸二酯鍵連接而成。核心功能：由DNA到蛋白質(zhì)的中間傳遞體,參與蛋白質(zhì)的生物合成。其它功能①具有生物催化劑的功能，作用于RNA轉(zhuǎn)錄后的剪接加工；②與生物機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，參與基因表達(dá)調(diào)控；③與生物進(jìn)化有關(guān)。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式要點(diǎn):(1)在DNA分子中，兩股DNA鏈圍繞一假想的共同軸心形成一右手螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2.0nm。(2)鏈的骨架(backbone)由交替出現(xiàn)的、親水的脫氧核糖基和磷酸基構(gòu)成，位于雙螺旋的外側(cè)。(3)堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶堿基以其疏水的、近于平面的環(huán)形結(jié)構(gòu)彼此密切相近，平面與雙螺旋的長(zhǎng)軸相垂直。一股鏈中的嘌呤堿基與另一股鏈中位于同一平面的嘧啶堿基之間以氫鏈相連，稱為堿基互補(bǔ)配對(duì)或堿基配對(duì)(basepairing)，堿基對(duì)層間的距離為0.34nm。堿基互補(bǔ)配對(duì)總是出現(xiàn)于腺嘌呤與胸腺嘧啶之間(A=T)，形成兩個(gè)氫鍵；或者出現(xiàn)于鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶之間(G=C)，形成三個(gè)氫鍵。(4)DNA雙螺旋中的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈?zhǔn)?′→3′走向，另一股鏈?zhǔn)?′→5′走向。兩股鏈之間在空間上形成一條大溝和一條小溝，這是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA的堿基序列，與其發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。3.3.2DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的其他形式B-DNA：Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對(duì)濕度下進(jìn)行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進(jìn)行推測(cè)的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。生物體基因組內(nèi)大多數(shù)DNA都以B-DNA雙螺旋的形式存在。DNA分子還可以以多種雙螺旋結(jié)構(gòu)形式存在，包括天然的和人工合成的，這一現(xiàn)象稱為DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性（polymorphism）。包括A、B、C、等右手螺旋和Z型左手螺旋。形成原因：1.核苷酸骨架中戊糖構(gòu)象不同

2.核糖與堿基之間的C-N鍵自由旋轉(zhuǎn)

3.單核苷酸之間磷酸二酯鍵的旋轉(zhuǎn)不同右手雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)雙螺旋堿基傾堿基夾堿基間距螺距每輪堿小溝寬／nm×大溝寬nm×

角/(°)角(°)

/nm／nm基數(shù)小溝寬nm大溝寬nmB-DNA

0

36.0

0.337

3.4

10

0.57×0.75

1.17×0.85C-DNA

6

38.0

0.331

3.1

9.3

0.48×0.79

1.05×0.75D-DNA

45.0

0.3030.13×0.670.89×0.58A-DNA

20

32.7

0.256

2.8

11

1.10×0.28

0.27×1.35總之，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)平衡中，DNA分子構(gòu)象的變化與糖基和堿基之間空間相對(duì)位置有關(guān)。Z－DNA結(jié)構(gòu)：Rich研究人工合成的CGCGCG寡核酸時(shí)發(fā)現(xiàn)的。它是左手雙螺旋，與右手螺旋的不同是螺距延長(zhǎng)(4.5nm左右)，直徑變窄(1.8nm)，每個(gè)螺旋含12個(gè)堿基對(duì)，分子長(zhǎng)鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且Z－DNA只有一個(gè)螺旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在。進(jìn)一步的分析還證明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。Z-DNA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)控蛋白識(shí)別方式也發(fā)生變化。這些都暗示Z-DNA的存在不僅僅是由于DNA中出現(xiàn)嘌呤-啶嘧交替排列之結(jié)果，是生物在漫漫的進(jìn)化過(guò)程中對(duì)DNA序列與結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與篩選的結(jié)果，有其內(nèi)在而深刻的含意，只是人們還未充分認(rèn)識(shí)而已。Z－DNA的生物學(xué)意義：Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因?yàn)閆－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離很近，會(huì)產(chǎn)生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點(diǎn)。DNA解螺旋是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過(guò)程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。（4）反向重復(fù)序列有些病毒基因組由單鏈DNA或RNA組成。單鏈DNA可以由部分序列之間的堿基配對(duì)形成分子內(nèi)或分子間雙螺旋區(qū)域。DNA-DNA，RNA-RNA發(fā)夾定義：當(dāng)同一個(gè)核苷酸分子中一段堿基序列附近緊接著一段它的互補(bǔ)序列時(shí)候，核苷酸自身回折配對(duì)產(chǎn)生反平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)。由不配對(duì)的凸環(huán)區(qū)域和配對(duì)的莖區(qū)域組成定義：反向重復(fù)序列又稱回文序列，指在雙鏈DNA序列中按確定的方向閱讀雙鏈中每條鏈都是相同的DNA結(jié)構(gòu)。

5’GGTACC3’3’CCATGG5’（5）三股螺旋的DNAHoogsteen于1963年提出了DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)理論。1）分子內(nèi)DNA三螺旋結(jié)構(gòu)：通常是在一條自身回折的寡嘧啶核苷酸與寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝內(nèi)結(jié)合了第三股寡核苷酸鏈。

Pu-PuPy型：Py-PuPy型：2）分子間DNA三螺旋結(jié)構(gòu)：在一定條件下，DNA一條單鏈能插入另一條DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)大溝的待定區(qū)域，通過(guò)氫鍵形成局部分子間DNA三螺旋結(jié)構(gòu)。3）平行DNA三螺旋結(jié)構(gòu)：第三條鏈的序列與第一條鏈序列相同，方向也相同。這種結(jié)構(gòu)與基因的重組有關(guān)，又稱為R-DNA。

三螺旋DNA的生物學(xué)功能基因表達(dá)調(diào)控

通過(guò)三螺旋DNA（寡聚核苷酸形成三鏈）的形成，作用于增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)，可以專一性地干擾DNA結(jié)合蛋白的結(jié)合，增強(qiáng)或抑制基因的轉(zhuǎn)錄，從而對(duì)基因表達(dá)造成影響，是在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)的有效手段。已有實(shí)驗(yàn)室采用這種手段來(lái)治療癌癥、艾滋病、病毒性感染等一些疑難病癥。×（6）DNA的四鏈結(jié)構(gòu)

染色體3’末端一般有5~8bp的短核苷酸串聯(lián)重復(fù)序列，富含鳥(niǎo)嘌呤，可以形成鳥(niǎo)嘌呤四聯(lián)體。近似正方形的片層結(jié)構(gòu)，G-G氫鍵首尾相連(Hoogsteen配對(duì)）。人：AGGGTT四膜蟲(chóng)：GGGGTT

GGGGGGGGGGGG真核生物染色體端粒（3’端）在復(fù)制中的RNA引物在切除后空缺不易被修復(fù)，結(jié)果造成了子代DNA的5’端逐步縮短，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行了若干次分裂以后，端粒愈來(lái)愈短。四鏈結(jié)構(gòu)可以起到保護(hù)作用。有穩(wěn)定染色體和保持染色體在復(fù)制過(guò)程中的完整性的作用DNA四鏈結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義如果將一條扁形蟲(chóng)一刀兩斷，帶著頭的那一部分會(huì)再長(zhǎng)出一條尾巴來(lái)，而帶著尾巴的那一部分會(huì)再長(zhǎng)出一個(gè)頭來(lái)。如果把它切成20段，就變出20條蟲(chóng)，而且每條都是第一條的完全復(fù)制。英國(guó)諾丁漢大學(xué)科學(xué)家研究扁形蟲(chóng)的這種能力，一共培育了2萬(wàn)多條蟲(chóng)，它們都來(lái)自第一條蟲(chóng)。它們的身體和器官?zèng)]有出現(xiàn)衰老跡象。這些扁形動(dòng)物獲得永生的關(guān)鍵是端粒，這些微小的生物鐘像帽子一樣覆蓋在染色體末端。通常情況下，隨著時(shí)間推移，它們會(huì)越來(lái)越短，阻止細(xì)胞分裂、再生，致使身體衰老，但在這種扁形動(dòng)物體內(nèi)，端粒完好無(wú)損，從而使細(xì)胞數(shù)次分裂，阻止衰老。2.3.3DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性與精細(xì)結(jié)構(gòu)（1）DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性天然DNA的分子構(gòu)象以B-DNA為主，但同時(shí)在分子的某些區(qū)段還可能存在A型、B型、C型、Z型、三鏈和四鏈等多種構(gòu)象形式，這些不同的結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化之中，當(dāng)存在的條件不同時(shí)，各不同的構(gòu)象會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，造成相應(yīng)的功能發(fā)生變化，這種不同DNA結(jié)構(gòu)形式相互轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性。DNA分子構(gòu)象變化可以通過(guò)圓二色譜（CD）測(cè)定?；罴?xì)胞中，能使DNA雙螺旋構(gòu)象發(fā)生互變的因素1、環(huán)境水活度（脫水、加入乙醇或鹽），可以使B-DNA轉(zhuǎn)變?yōu)锳-DNA，2-脫氧核糖構(gòu)象變化，相鄰磷酸基團(tuán)間距縮短0.1nm，每股螺旋堿基對(duì)由10個(gè)變?yōu)?1個(gè)。2、細(xì)胞在陽(yáng)離子較多的環(huán)境，交替的GC區(qū)段一般處于B型，而在胞嘧啶被甲基化后就轉(zhuǎn)向了Z型，每股螺旋堿基對(duì)由10個(gè)變?yōu)?2個(gè)，甲基化導(dǎo)致B型親水區(qū)變?yōu)閆型疏水區(qū)，更加穩(wěn)定。（甲基化轉(zhuǎn)錄活性降低，去甲基化激活轉(zhuǎn)錄）3、Z型DNA結(jié)合蛋白能作為一種特異識(shí)別信號(hào)，使B-DNA轉(zhuǎn)化為Z-DNA?？傊珼NA在發(fā)揮生物功能的過(guò)程中，一般都會(huì)呈現(xiàn)與其生物功能相適應(yīng)的各種特異性結(jié)構(gòu)，但無(wú)論DNA結(jié)構(gòu)形式如何多樣，B-DNA仍然是DNA的最基本構(gòu)象。（2）DNA分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)（了解）1）螺旋扭轉(zhuǎn)角（雙螺旋是平均值，不同緘基組成數(shù)值不同）2）堿基對(duì)之間的移動(dòng)（不同序列造成堿基對(duì)之間轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、扭曲滑動(dòng)）3）連續(xù)A-T序列的構(gòu)象（DNA分子與蛋白質(zhì)因子的結(jié)合部位彎曲，一般至少由3個(gè)A連續(xù)序列產(chǎn)生，最大彎曲率為6個(gè)A連續(xù)排列）4）錯(cuò)配堿基對(duì)的B-DNA（存在于B-DNA中，為修復(fù)酶提供標(biāo)志）5）DNA結(jié)合蛋白影響DNA局部構(gòu)象（蛋白與

DNA相互作用，如限制酶切位點(diǎn)）2.3.4DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)（1）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)

細(xì)菌、病毒、真核生物細(xì)胞線粒體、葉綠體中，DNA都呈現(xiàn)雙鏈環(huán)狀分子，是沒(méi)有自由末端的閉合雙鏈結(jié)構(gòu)。

DNA超螺旋結(jié)構(gòu)（2）DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)DNA拓?fù)洚悩?gòu)體定義：DNA不同的空間分子構(gòu)象稱為DNA拓?fù)洚悩?gòu)體，其拓?fù)鋵W(xué)特性可用連環(huán)數(shù)(L)、盤(pán)繞數(shù)(T)、超螺旋周數(shù)(W)描述。2.4真核生物的染色體及其組裝2.4.1真核生物的染色體真核生物細(xì)胞內(nèi)染色體在間期內(nèi)以染色質(zhì)形式存在。染色質(zhì)定義：一類可被堿性染料著色的非定形物質(zhì)，以DNA作為骨架，與組蛋白和非組蛋白及少量各種RNA等共同組成絲狀結(jié)構(gòu)復(fù)合物。共性：組成相同異性：空間構(gòu)象不同真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時(shí)間里都是以染色質(zhì)的形式存在的。常染色質(zhì)染色質(zhì)異染色質(zhì)

功能和形態(tài)常染色質(zhì)：細(xì)胞間期核內(nèi)染色質(zhì)折疊壓縮程度較低，堿性染料著色淺而均勻的區(qū)域，是染色質(zhì)的主體部分。DNA主要是單拷貝和中度重復(fù)序列，是基因活躍表達(dá)部分。異染色質(zhì)：細(xì)胞間期核內(nèi)染色質(zhì)壓縮程度較高，堿性染料著色較深的區(qū)域。著絲粒、端粒、等，主要由較短和高度重復(fù)的DNA序列組成，沒(méi)有基因活性。組成型異染色質(zhì)異染色質(zhì)：（性質(zhì)）兼性異染色質(zhì)組成型異染色質(zhì)：存在于各類細(xì)胞，位置大小固定、間期高度螺旋化、染色深。兼性異染色質(zhì)（X性染色質(zhì)）：某些細(xì)胞類型、某些發(fā)育階段，由原來(lái)的常染色質(zhì)凝縮后復(fù)制較遲，并喪失了基因轉(zhuǎn)錄活性而成。XX

X

2.4.2染色體中的蛋白質(zhì)

DNA是染色體的主要化學(xué)成分，也是遺傳信息的載體，約占染色體全部成分的27%，另外組蛋白和非組蛋白占66%，RNA占6%。真核生物染色質(zhì)通常含有5種組蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4組蛋白特性（了解）1）進(jìn)化上極端保守2）有組織特異性3）肽鏈上的氨基酸分布不對(duì)稱4）組蛋白有被修飾的現(xiàn)象5）富含Lys的組蛋白H5非組蛋白蛋白質(zhì)總量60-70%包括酶類如RNA聚合酶，以及收縮蛋白，骨架蛋白，肌球蛋白等。

2.4.3核小體的形成定義：核小體是構(gòu)成真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，由四種組蛋白H2A、H2B、H3、H4構(gòu)成八聚體，作為核小體的核心顆粒，再由DNA纏繞在顆粒表面形成核小體。染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，它是由最基本的單位核小體成串排列而成的。使得染色質(zhì)中DNA、RNA和蛋白質(zhì)組織成為一種致密的結(jié)構(gòu)形式。核小體由核心顆粒(coreparticle)和連接區(qū)DNA(linkerDNA)二部分組成，在電鏡下可見(jiàn)其成捻珠狀，前者包括組蛋白H2A，H2B，H3和H4各兩分子構(gòu)成的致密八聚體(又稱核心組蛋白)，以及纏繞其上一又四分之三圈長(zhǎng)度為147bp的DNA鏈；后者包括兩相鄰核心顆粒間約60bp的連接DNA和位于連接區(qū)DNA上的組蛋白H1。核小體結(jié)構(gòu)示意圖2.4.4染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)真核生物染色體在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間都以染色質(zhì)形式存在，染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)是核小體成串排列后又層層壓縮折疊和纏繞，常染色質(zhì)壓縮1000-2000倍，異染色質(zhì)壓縮8000-10000倍，形成復(fù)雜的纖維狀結(jié)構(gòu)。2.5RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA是細(xì)胞內(nèi)的一類生物大因子，組成RNA的核苷酸以3’，5’-磷酸二酯鍵彼此連接形成無(wú)分支的多聚核糖核苷酸鏈。1）作為信息分子，遺傳信息由DNA到蛋白質(zhì)中間傳遞體的核心作用；2）作為功能分子RNA作為功能分子1）作為細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成中核蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)組分，參與蛋白質(zhì)生物合成。2）具有生物催化劑的功能，作用于初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的剪接加工；3）參與基因表達(dá)調(diào)控，與生物機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)；4）與生物進(jìn)化有關(guān)。RNA復(fù)合物功能核糖體信息體信號(hào)識(shí)別顆粒拼接體編輯體。。。2.5.1RNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與DNA的區(qū)別相似：化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及生物學(xué)功能不同：1）堿基組成和含量不同2）RNA分子中核糖都是D-核糖，而DNA中的核糖則都是D-2-脫氧核糖3）RNA分子中堿基不嚴(yán)格遵守Chargaff規(guī)則4）大多數(shù)RNA分子是多聚核苷酸單鏈，細(xì)胞內(nèi)幾乎不存在互補(bǔ)鏈，可以存在局部雙螺旋和發(fā)夾結(jié)構(gòu)5）在堿性溶液中RNA分子較敏感，易被水解成2’，3‘-環(huán)狀單核苷酸，進(jìn)而水解為2’-核苷酸和3‘-核苷酸，DNA分子不能形成2’，3‘-環(huán)狀單核苷酸磷酸酯，因此對(duì)堿性溶液穩(wěn)定6）由于RNA分子只有內(nèi)部雙鏈，Tm值低于DNA，由此產(chǎn)生的增色效應(yīng)不如DNA明顯，加熱易變性，且粘度和浮力密度小于DNA7）根據(jù)中心法則，RNA是遺傳信息的傳遞者和表達(dá)者8）某些RNA病毒，以RNA為遺傳信息載體，可以通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成DNA,使遺傳信息由RNA傳遞給DNA9）某些RNA特殊的結(jié)構(gòu)具有催化功能，能催化它自身或其他RNA分子進(jìn)行多種類型的反應(yīng)，這些RNA稱為核酶2.5.2RNA在細(xì)胞內(nèi)的分布成熟的RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)中分類（真核和原核細(xì)胞質(zhì)中）1）轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNA2）信使RNAmRNA3）核蛋白體RNArRNA細(xì)胞核內(nèi)的RNA統(tǒng)稱nRNA。組成：1）核內(nèi)mRNA、tRNA和rRNA初始轉(zhuǎn)錄混合物為mRNA、tRNA和rRNA前體，經(jīng)過(guò)加工修飾后變?yōu)槌墒斓幕钚苑肿?，迅速轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)，執(zhí)行特定功能。2）核內(nèi)小分子RNA（snRNA)獨(dú)立的RNA小分子，一般70-300nt，主要參與hnRNA和rRNA前體的加工。2.5.3細(xì)胞中RNA分類概述1）mRNA結(jié)構(gòu)存在于細(xì)胞之中，總量低于5%（總RNA)，作為蛋白質(zhì)合成的模板，決定著蛋白質(zhì)的種類。真核生物細(xì)胞mRNA是單順?lè)醋?，每種RNA只編碼一種蛋白，所以真核生物mRNA種類可以代替蛋白質(zhì)種類。具有不同程度修飾現(xiàn)象，5’帽子和3‘poly（A)。原核生物細(xì)胞mRNA是多順?lè)醋?，一個(gè)RNA分子含有集中蛋白質(zhì)信息，可以編碼多種蛋白，因此原核細(xì)胞mRNA與它們編碼的蛋白質(zhì)種類數(shù)目關(guān)系不大。2）tRNA結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞總RNA的15%，一般線性序列長(zhǎng)74-95個(gè)核苷酸，常見(jiàn)為76個(gè)核苷酸，以自由狀態(tài)或與氨基酸結(jié)合成氨酰tRNA。種類很多，目前已知一級(jí)結(jié)構(gòu)的tRNA有數(shù)百種。特點(diǎn)：1）含稀有堿基多，達(dá)總量的5-20%；2）3’端含有CCA序列，是所有tRNA與氨基酸結(jié)合部位3）所有tRNA都折疊成三葉草二級(jí)結(jié)構(gòu)和L形立體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，半衰期長(zhǎng)，24h以上。功能：蛋白質(zhì)生物合成中特異的運(yùn)載氨基酸，氨酰-tRNA是氨基酸的活化形式，在20種天然氨基酸中，都有相應(yīng)tRNA，有些氨基酸的同功tRNA多達(dá)5種.此外，tRNA在逆轉(zhuǎn)錄中還可以作為合成互補(bǔ)DNA鏈的引物，不同的逆轉(zhuǎn)錄病毒使用不同的tRNA作為引物。3）rRNA的結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中，rRNA占總RNA的80%以上。rRNA與許多小分子蛋白結(jié)合成核糖體顆粒，在細(xì)胞蛋白質(zhì)生物合成以及mRNA前體剪接中發(fā)揮作用。核糖體：由大小亞基組成，大小亞基分別由rRNA和蛋白質(zhì)組成真核生物與原核生物核糖體的組成4）snRNA核內(nèi)小RNA存在于細(xì)胞核、核質(zhì)及核仁中大小：70-300nt，在細(xì)胞內(nèi)拷貝多功能：基因轉(zhuǎn)錄初始產(chǎn)物加工特性：富含U，含量達(dá)35%，又稱U族snRNA；不以游離狀態(tài)存在，與蛋白質(zhì)結(jié)合成核蛋白體復(fù)合物（snRNP)發(fā)揮作用；比較保守，同源性高5）snoRNA核仁小分子RNA核仁區(qū)大?。簬资翈装賯€(gè)核苷酸功能：參與rRNA前體加工6）microRNA(miRNA)定義：又稱微小RNA，是植物和動(dòng)物細(xì)胞中自然產(chǎn)生的一類長(zhǎng)度為18-25bp的小分子RNA。研究歷程：1993年，Victor在秀麗隱桿線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)lin-4miRNA，不編碼蛋白。2001年，美德等國(guó)大規(guī)?？寺『脱芯抗δ埽沂玖似湔{(diào)控作用，至此命名為microRNA。功能：與mRNA3‘-UTR堿基配對(duì)，阻止mRNA翻譯使沉默基因不表達(dá)，或?qū)е履繕?biāo)mRNA降解。檢測(cè)：NorthernBlotting，Real-timePCR秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditiselegans，C.elegans）是一種可以獨(dú)立生存的線蟲(chóng)，其個(gè)體小，成體僅1.5mm長(zhǎng)，為雌雄同體，雄性個(gè)體僅占群體的0.2%，可自體受精或雙性生殖；在20℃下平均生活史為3.5天，平均繁殖力為300-350個(gè)；若與雄蟲(chóng)交配，可產(chǎn)生多達(dá)1400個(gè)以上的后代。自1965年起，科學(xué)家SydneyBrenner利用線蟲(chóng)作為分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的模式生物。遺傳背景清楚、個(gè)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生活史短、基因組測(cè)序完成等，在遺傳與發(fā)育生物學(xué)、行為與神經(jīng)生物學(xué)、衰老與壽命、人類遺傳性疾病、病原體與生物機(jī)體的相互作用、藥物篩選、動(dòng)物的應(yīng)急反應(yīng)、環(huán)境生物學(xué)和信號(hào)傳導(dǎo)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)宇航局的“阿特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)于2009年11月17日凌晨順利升空，任務(wù)是把零部件送入國(guó)際空間站和搭載百萬(wàn)秀麗隱桿線蟲(chóng)。7）非編碼mRNA主要功能：作為細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的信使，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。參與了胚胎發(fā)育、腫瘤形成與抑制、細(xì)胞生長(zhǎng)和分化、染色體失活等等。。。最近研究：一類非編碼mRNA能夠進(jìn)行剪接和3’端加尾修飾，但是不具有開(kāi)放閱讀框（ORF）。由于其具有明顯的生物功能，又稱為調(diào)控RNA2.6核酸的變性、復(fù)性與分子雜交2.6.1核酸的變性凡是破壞雙螺旋DNA兩種作用力(氫鍵和堿基堆積力)的因素都可使DNA雙螺旋解鏈，導(dǎo)致DNA變性，變性后原來(lái)隱藏在雙螺旋內(nèi)部的發(fā)色基團(tuán)，成為單鏈而暴露出來(lái)，使DNA的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列的變化。引起DNA變性的主要因素有：①加熱

Tm值：使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解開(kāi)一半鏈時(shí)的溫度。DNA的Tm值一般在82℃~95℃之間。②pH值當(dāng)pH約為12時(shí)，堿基上的酮基轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐蓟?，影響氫鍵形成，從而改變Tm值，當(dāng)pH=2～3時(shí)，堿基上的氨基發(fā)生質(zhì)子化也影響氫鍵的形成。③有機(jī)溶劑當(dāng)環(huán)境中存在甲酰胺或尿素時(shí)，它們可與DNA分子中的堿基形成氫鍵，從而使DNA分子保持單鏈狀態(tài)。在DNA變性過(guò)程中，紫外吸收光譜的變化是檢測(cè)變性最簡(jiǎn)單的定性和定量方法。核酸在260nm具有特征的吸收峰，表示為A260nm，吸收紫外光的量取決于核酸分子的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)越有序，吸收的光越少。因此，可用紫外吸收值的大小來(lái)測(cè)定DNA的含量。游離核苷酸比單鏈RNA和DNA吸收更多的光。單鏈RNA或DNA的吸收又比雙鏈DNA分子多。以50μg/mlDNA溶液在A260nm下測(cè)定，三者的A260nm數(shù)值為：雙鏈DNAA260nm=