第1章 核酸的分子结构、性质和功能

1943年Oswald Avery等对肺炎球菌的转化做进 一步的实验说明遗传物质是DNA，不是蛋白质。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
1952年Hershey Chase的噬菌体 转导实验则彻底 证明了DNA是遗 传物质。1969年 他获得诺贝尔医 学生理奖。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
mRNA是细胞内合成蛋白质的模板，但 真核细胞和原核细胞的mRNA在组成核 特点上有很大不同。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
在真核生物中，最初由DNA转录生成 的RNA(称为mRNA前体)不能直接作 为蛋白质合成的模板，经过加工后才 能做模板使用的mRNA称为成熟 mRNA，只有成熟的mRNA才被运输 到细胞质中指导蛋白质的合成。
三链核酸（H-DNA）
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
另外在DNA重组时候也可能发生局部的三链结 构，线形染色体的末段的回折也会形成四链结 构等。
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这种DNA的三级结构在细胞中是天 然存在的，确切的生理功能还不十 分清楚，有待于进一步研究。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
RNA的二级结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
RNA的二级结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
RNase P的 二级结构
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tRNA的二级结构
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16 S rRNA 和 5S rRNA 的二级结构
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(二) 引物RNA 和指导RNA
引物RNA 是指DNA复制时作为聚合 酶起始引物而合成的一段RNA。 指导RNA 是指mRNA在转录后的编 辑中负责核苷酸插入或删除的RNA 分子。
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(三) 端粒RNA和核酶RNA
端粒RNA
端粒RNA，是端粒酶的重要组成部分， 参与线性染色体的末端复制。端粒酶 与细胞的衰老死亡有一定的关系。
因此DNA被认为是细胞内最重要的物质， 其中包含的秘密还需要人类去探索揭开。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
DNA中包含有外星人写入的信息？
澳大利亚天体生物学家保罗· 戴维斯在 2004年8月7日最新一期《新科学家》 杂志上发表了一个惊人观点：外星文明 也许早将他们的“兴衰史”和对人类的 “欢迎词”写进了我们的细胞DNA中， 只有当人类的科技发展到某个特定阶段， 才能读懂DNA中那些由外星人留下的 “加密信息”！
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
DNA中包含有外星人写入的信息？
ConTACTinG humAns musT be frusTrATinG if They miss The messAGe ThAt‘s stArinG Them in The fACe, says Paul Davies ……
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
核仁小RNA(snoRNA)，它们与rRNA
前体的加工有关，包括断裂、甲基化、
假尿嘧啶核苷的形成。另一特点是，
snoRNA不是由其单独的基因所编码，
而是由切除的内含子片段加工而成，
有近 200种类型 。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
小胞浆RNA (scRNA, small cytosol RNA)又称为7SL RNA， 长约300个核苷酸，主要存在于 细胞浆中，是蛋白质定位于粗面 内质网上所需的信号识别体 (signal recognization particle)的 组成成分。
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在对前体mRNA进行加工的过程中，会 产生一系列大小不同的mRNA，这些中 间产物称为核内不均一RNA (heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)。
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原核细胞 的mRNA 结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
DNA一级结构的两 种表示方法
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
不同物种的DNA差异就在于各自DNA 的一级结构不同，即组成DNA的脱氧 核苷酸的数目和排列顺序不同。
基因组计划就是测定不同物种DNA 含有的核苷酸数量和排列顺序。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
RNA分子的单链、环状结构与双螺旋结构 之间的相互作用产生了RNA复杂的三级结 构。
不同的RNA分子 的三级结构是不 同的。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
另外，在一些复杂的超分子结构中，
RNA分子和蛋白质结合，执行一定的
生理功能，其中的RNA分子还要与蛋
白质分子相互作用，如核糖体、核酶。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
一、mRNA、tRNA、rRNA
(一) mRNA和hnRNA 1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA 的概念。在真核细胞中，基因DNA位于细胞 核内，而蛋白质是在细胞质中合成的，因此 要有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至 细胞质中。后来的研究发现证实，这种中间 物就是mRNA。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
本章主要内容
第一节 DNA的结构和功能
第二节 RNA的结构和功能
第三节 核酸Biblioteka Baidu分子杂交
第四节 反义核酸和药物
第五节 病毒核酸
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第一节 DNA的结构和功能
一、DNA的一级结构与种属的差异
DNA的一级结构就是指脱氧核糖核苷酸通过 3’，5’磷酸二酯键连接起来的线性多聚体 以及脱氧核糖核苷酸的排列顺序。
三、DNA的三级结构
DNA的三级结构 是指在DNA双螺 旋的结构基础上， DNA进一步扭曲 所形成的特定的 空间结构。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
超螺旋是DNA三级 结构的主要形式。 超螺旋又有正、负 之分。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
正常细胞内有一种酶叫做“拓扑异构酶”，专门 负责改变DNA的拓扑结构。DNA在复制、转录等 的时候，其空间拓扑结构均要发生变化。
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(三) 核糖体RNA(rRNA)
核糖体RNA (ribosomal RNA)是细胞内含 量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%以 上。核糖体的另外一个主要成分是蛋白质， 有几十种，核糖体大亚基中的蛋白称为rpl， 在小亚基中的称rps。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
再次强调，DNA这些空间结构的变 化都是属于局部变化！不是整条 DNA链都超螺旋！
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
四、DNA的三链结构
是指DNA中单链与双 链之间、双链与双链 之间的相互作用而形 成的三链或四链结构。 这时碱基之间的配对 方式不是常见的 Watson-Crick式的。 最常见的是分子内的 局部H-DNA结构。
第1章 核酸的分子结 构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
核酸研究的历史
核酸的发现：1868年
结构的研究：19世纪末期和20世纪初期 功能的研究：20世纪上半叶
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
1928年Frederick Griffith的肺炎球菌转化实验首 先发现了遗传物质
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
现在发现，不同物种的DNA含有的成 分是不同的，细菌噬菌体的DNA几乎 都被用来编码基因，而较高等的生物 中，不编码的DNA比例逐渐提高，原 来称之为“垃圾DNA”，现在发现有 重要的功能。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
DNA中包含有哪些信息？
一方面是生物生长发育所必需的基因，另 外含有调节这些基因需要的指令。 另外，目前还发现人类的多种疾病、肿瘤 的发生等都与DNA有关。
1957年由Crick提出假说，认为在蛋白 质合成过程中，应该有一种小分子在 氨基酸和mRNA模板之间起着接头作 用，后来在实验中的确发现。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
tRNA分子有100多种，各携带一种氨基 酸，将其转运到核糖体中参与蛋白质的 合成。tRNA由70～120个核苷酸构成， 三级结构上均有一些共同特点。
√ microRNA（miRNA）：小RNA √ small interfering RNAs (siRNAs)：小干 扰RNA， √ 核酶 催化RNA √ 反义RNA（antisense RNA）
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√ tmRNA √ 核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA， hnRNA） √ 核内小RNA （small nuclear RNA, snRNA） √ 胞浆小RNA (small cytoplasmic RNA, scRN) 主要存在于细胞质内。 √ snoRNA (snoRNA)：核仁小RNA， √ 引物RNA √ 指导RNA （guide RNA，gRNA） √ 端粒RNA
二、DNA的二级结构----双螺旋模型
就是指两条 脱氧多核苷 酸链反向平 行排列所形 成的双螺旋 结构。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
A
B
Z
核酸的二级结构有多种形式
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
这些不同的形态均是DNA的结构发生改变的结构， 以适应DNA行使不同的功能。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
DNA的结构 的变化，一 般都发生在 染色体DNA 正在行使其 功能的局部 区域，而不 是全部。
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单链核酸还可以形成一些特殊的二级结构
发卡结构(茎环结构)
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
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十字型结构
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核糖体 的组成
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二、其他RNA分子
(一) 核内小RNA和细胞质中的小RNA
小核RNA(small nuclear RNA，snRNA)存在于真 核细胞的细胞核内，是一类称为小核核蛋白体复 合体(snRNP)的组成成分，有U1，U2，U4，U5， U6snRNA等，均为小分子核糖核酸，其功能是在 hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的 剪接，并且在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过 程中也起着十分重要的作用。
第二节 RNA的结构
RNA的一级结构概念与DNA 的一级结构概念相同，不同 的是RNA是一种单链分子， 分子量也比较小。
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
RNA的二级结构主要是分子内的局部双链， 形成类似A-DNA的二级结构，这种结构有助 于保持RNA分子的结构稳定；不能形成双链 的区域则形成环状突起。
1953年到了 DNA的双螺旋 结构被揭示出 来之后，绝大 多数的人认为 DNA是遗传物 质了。
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后来又发现了RNA病毒，它们以RNA为遗传物质
HIV
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
近来发现的朊病毒， 是否说明，除了DNA RNA外，蛋白质也有 可能充当遗传物质？
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核糖体
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核糖体的 50S亚基结构
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一种核酶
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
四膜虫中的核酶
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目前发现RNA分子的种类和功能都比以 前所想象的要丰富的多。
mRNA tRNA rRNA
真核细胞的mRNA结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
真核与原核的mRNA差异还体现在：
mRNA的5'端的特殊结构－－帽子结构 mRNA的3'端的特殊结构－－尾巴结构
mRNA刚被转录出来时内含子的有无？
一条mRNA中包含几个开放阅读框(ORF)?
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
(二) tRNA
各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
tRNA典型的 三叶草结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
tRNA的 三级结构
第1章 核酸的分子结构、性质和功能
tRNA几个特点
♥携带氨基酸的氨基酸臂－3'末端 ♥反密码子臂－反密码子环 ♥含有较多的稀有密码子 ♥额外环是分类的重要指标 ♥同功tRNA－携带同种氨基酸的tRNA ♥副密码子(第二套遗传密码)－决定 tRNA携带何种氨基酸的序列特征