5第六章核酸化学.ppt

第六章第六章 核酸核酸§§1 1 核酸概述核酸概述一、核酸的发现与早期研究一、核酸的发现与早期研究Ø 18681868年，年，瑞士的内科医生瑞士的内科医生Friedrich Friedrich MiescherMiescher从外从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为含磷元素的酸性化合物，将其称为核素核素( (nucleinnuclein) )；；后后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的质即是现在所知的核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid) Ø 19441944年年, ,Oswald Avery,Colin MacleodOswald Avery,Colin Macleod和和MaclynMaclyn McCartyMcCarty发现，一种发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病性的有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌肺炎球菌中提取的核酸中提取的核酸DNA(deoxyribonucleic acid,DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸) )，可使另一种，可使另一种无夹膜，表面粗糙、不无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为的遗传性状发生改变，转变为有有夹膜，具有致病性的肺炎球菌夹膜，具有致病性的肺炎球菌，且转化率与，且转化率与DNADNA纯度纯度呈呈正相关正相关，若将，若将DNADNA预先用预先用DNADNA酶降解，转化就不发生。

酶降解，转化就不发生该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；识，确立了核酸是遗传物质的重要地位； Ø DNADNA遗传作用的进一步肯定遗传作用的进一步肯定来自来自Alfred HersheyAlfred Hershey和和Martha ChaseMartha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究即对一个感染大肠杆菌的病毒的研究即用放谢性同位素用放谢性同位素3232P P标记噬菌体标记噬菌体DNADNA，，3535S S标记其蛋白质外标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是3232P P标记的标记的DNADNA，，而不是而不是3535S S标记的蛋白质，并且新繁殖标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含生成的噬菌体不含3535S S，，只含只含3232P P Ø 19531953年年, ,WatsonWatson和和CrickCrick创立的创立的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，不仅，不仅阐明了阐明了DNADNA分子的结构特征，而且提出了分子的结构特征，而且提出了DNADNA作为执行生物作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的遗传功能的分子，从亲代到子代的DNADNA复制复制(replication)(replication)过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入入分子水平分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。

为辉煌的里程碑 后来的研究又发现了后来的研究又发现了另一类核酸另一类核酸：：核糖核核糖核酸酸RNARNA(ribonucleic(ribonucleic acid) acid)，，RNARNA在遗传信在遗传信息的传递中起着重要的作用从此，核酸息的传递中起着重要的作用从此，核酸研究的进展日新月异，如今，由核酸研究研究的进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地崭新的天地二、核酸的种类、分布和含量二、核酸的种类、分布和含量 ( (一一) ) 种类种类 DNA(DNA(Deoxyribonucleic acid DNADeoxyribonucleic acid DNA) )，，脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸RNARNA（（Ribonucleic acid RNARibonucleic acid RNA）：）：核糖核酸核糖核酸RNARNA主要有下几种：主要有下几种：1 1、、rRNArRNA (ribosome RNA ) (ribosome RNA )，，核糖体核糖体RNARNA，，细胞中最主要的细胞中最主要的RNARNA，，占细胞中总占细胞中总RNA80%RNA80%左右。

大肠杆菌左右大肠杆菌rRNArRNA中有三种，分别是：中有三种，分别是：16SrRNA16SrRNA、、23SrRNA23SrRNA、、5SrRNA5SrRNA；；真核细胞真核细胞rRNArRNA中有四种，分别中有四种，分别是：是：28SrRNA28SrRNA、、18SrRNA18SrRNA、、5.8SrRNA5.8SrRNA、、5SrRNA5SrRNA核糖体是蛋白核糖体是蛋白质合成的场所质合成的场所 2 2、、tRNAtRNA (transfer RNA) (transfer RNA)，，转移转移RNARNA，，是细胞中最小的一种是细胞中最小的一种RNARNA分子，占细胞总分子，占细胞总RNARNA的的15%15%左右是结构研究最清楚的一类左右是结构研究最清楚的一类RNARNA在蛋白质的生物合成中，在蛋白质的生物合成中，tRNAtRNA起起携带氨基酸携带氨基酸的作用  3 3、、mRNA (messenger RNA)mRNA (messenger RNA)，，信使信使RNARNA，，占细胞总占细胞总RNARNA的的5%5%左右，含量最少，代谢活跃左右，含量最少，代谢活跃mRNAmRNA在蛋白质的生物合成中起在蛋白质的生物合成中起模板作用模板作用。

它将它将DNADNA的遗传信息传递给蛋白质的遗传信息传递给蛋白质 另外，在细胞质里还存在另外，在细胞质里还存在胞质小胞质小RNA(sc RNA).RNA(sc RNA). 上述上述RNARNA存在于存在于细胞质细胞质，另外在，另外在细胞核细胞核里面还存在一些里面还存在一些RNARNA，，如核不均一如核不均一RNARNA（（hnRNAhnRNA）、）、核内小核内小RNARNA（（snRNAsnRNA）、）、核仁小核仁小RNARNA、、反义反义RNARNA（（asRNAasRNA））等 （二）分布（二）分布（三）含量（三）含量  DNADNA含量恒定，含量恒定，RNARNA含量与含量与细胞生长状态细胞生长状态有关三、核酸的功能三、核酸的功能1 1、核酸是生物体遗传变异的物质基础，、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNADNA是大多是大多数生物体的数生物体的遗传物质遗传物质2 2、、RNARNA主要参与蛋白质的生物合成主要参与蛋白质的生物合成3 3、、RNARNA的功能多样性主要有：参与基因表达的调的功能多样性主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNARNA是遗传是遗传信息的载体。

信息的载体4 4、核酸与分子病、核酸与分子病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一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成除含除含C、、H、、O、、N外，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素外，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S，二，二是核酸中是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占元素的含量较多并且恒定，约占9～～11%因此，核酸定量测定的核酸定量测定的经典方法，是以测定经典方法，是以测定P含量来代表核酸量含量来代表核酸量  核酸是一种线形多聚核苷酸核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其基本其基本结构单位是核苷酸结构单位是核苷酸(nucleotide)§§ 2 2 核酸的结构核酸的结构 二、基本结构单二、基本结构单位位——核苷酸核苷酸碱基碱基∶ ∶是一类含氮杂环有机小分子（五种）是一类含氮杂环有机小分子（五种）1 1、碱基、碱基（（nitrogenous base））Ø 核核苷苷酸酸中中的的碱碱基基均均为为含含氮氮杂杂环环化化合合物物，，它它们们分分别别属属于于嘌嘌呤呤衍衍生生物物和和嘧嘧啶啶衍衍生生物物核核苷苷酸酸中中的的嘌嘌呤呤碱碱( (purinepurine) )主主要要是是鸟鸟嘌嘌呤呤(guanine,G)(guanine,G)和和腺腺嘌嘌呤呤(adenine,A)(adenine,A)，，嘧嘧啶啶碱碱( (pyrimidinepyrimidine) )主主要要是是胞胞嘧嘧啶啶(cytosine,C)(cytosine,C)、、尿尿嘧嘧啶啶( (uracil,Uuracil,U) )和和胸胸腺腺嘧嘧啶啶(thymine,T)(thymine,T)。

腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶Ø 核酸中五种碱基中的核酸中五种碱基中的酮基酮基和和氨基氨基，均位于碱基环中氮原，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式子的邻位，可以发生酮式- -烯醇式或氨基烯醇式或氨基- -亚氨基之间的结构亚氨基之间的结构互变这种互变这种互变异构互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要在基因的突变和生物的进化中具有重要作用  有些核酸中还含有有些核酸中还含有修饰碱基修饰碱基(modified component)(modified component)或或稀有稀有碱基碱基（（unusual componentunusual component），），这些碱基大多是在上述嘌呤这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被或嘧啶碱的不同部位被甲基化甲基化( (methylationmethylation) )或进行其它的化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物学修饰而形成的衍生物一般这些碱基在核酸中的含量稀少，一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一在各种类型核酸中的分布也不均一DNADNA中的修饰碱基主要见中的修饰碱基主要见于于噬菌体噬菌体DNADNA，，如如5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(m(m5 5C)C)，，5-5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶hmhm5 5C C；；RNARNA中以中以tRNAtRNA含修饰碱基最多，如含修饰碱基最多，如1-1-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤(m(m1 1A)A)，，2,2-2,2-二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤(m(m2 22 2G)G)和和5,6-5,6-二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶(DHU)(DHU)等。

等 Ø 嘌呤和嘧啶环中含有嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键共轭双键，对，对260nm260nm左左右波长的紫外光有较强的吸收右波长的紫外光有较强的吸收碱基的这一特碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析定性和定量分析. . 2 2、戊糖、戊糖 核酸中的戊糖有核酸中的戊糖有核糖核糖(ribose)(ribose)和和脱氧核糖脱氧核糖( (deoxyribosedeoxyribose) )两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中糖核苷酸中为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C C原子编号都加上原子编号都加上““ ′′””，如，如C1′C1′表示糖的第一位碳原表示糖的第一位碳原子核糖的结构如下：子核糖的结构如下：3 3、、核核苷苷（（nucleoside））•核苷是核糖与碱基核苷是核糖与碱基(嘌呤碱或嘧啶碱嘌呤碱或嘧啶碱)结合物•嘌呤核苷是嘌呤核苷是嘌呤的第嘌呤的第9位位N与核糖或与核糖或脱氧核糖第脱氧核糖第1´位位碳碳连接连接；；•嘧啶核苷是嘧啶核苷是嘧啶的的第嘧啶的的第1位位N与核糖或与核糖或脱氧核糖第脱氧核糖第1´位碳位碳连接连接；； 腺嘌呤脱氧核苷（腺嘌呤脱氧核苷（dA））鸟嘌呤脱氧核苷（鸟嘌呤脱氧核苷（dG）） 胞嘧啶脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷（（dC)胸腺嘧啶脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷(dT)腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷 (A)鸟嘌呤核苷鸟嘌呤核苷 (G)尿嘧啶核苷（尿嘧啶核苷（U））胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷 (C) 核苷核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。

糖苷键糖苷键：二者的连接是：二者的连接是C-NC-N键，称键，称N-N-糖苷键糖苷键4 4、核苷酸、核苷酸（（nucleotide））戊糖核苷酸：核苷酸：核苷的磷酸酯核苷的磷酸酯脂脂 键键（（DNA为为H））核糖核苷酸核糖核苷酸 (2´ 、、3´和和5´ 位位)；； 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸（（3´和和5´位位)碱基连接（核苷键）碱基连接（核苷键）1`1`2`2`3`3`4`4`5`5`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核苷键核苷键核苷键核苷键酯键酯键酯键酯键核苷酸：核苷酸：AMP、、GMPCMP UMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dCMP,dTMP修饰核苷：修饰核苷：     如如5-甲基甲基 胞嘧啶：胞嘧啶：m5dCMP•稀有核苷酸与上类似M-M-M-M-单单单单( ( ( (D-D-D-D-二、二、二、二、T T T T－－－－三）三）三）三） ；；；；P-P-P-P-磷酸磷酸磷酸磷酸RNARNA的名称为某（单、二、三）苷酸的名称为某（单、二、三）苷酸DNADNA在某（单、二、三）前加脱氧两字在某（单、二、三）前加脱氧两字如如AMPAMP称腺苷称腺苷——磷酸磷酸( (或腺苷酸），或腺苷酸），dAMPdAMP称为脱氧腺苷称为脱氧腺苷——磷酸（脱氧腺苷酸）。

磷酸（脱氧腺苷酸）( (脱氧脱氧) )核苷二磷酸、核苷二磷酸、( (脱氧脱氧) )核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构 ADPADP、、 ATPATP是是生生物物体体中中重重要要的的能能量量转转换体ddNTPddNTP在在 DNADNA的的序序列列测测定定中使用3 ´ 5 ´ －环化腺苷酸－环化腺苷酸（（cAMP））许多激素是通过许多激素是通过cAMPcAMP发发挥功能的，所以它被称挥功能的，所以它被称为激素作用的为激素作用的第二信使第二信使，，激素是第一信使激素是第一信使环化核苷酸环化核苷酸cAMPcAMP、、cGMPcGMP：：被称为第二信使，有放大激素的作用被称为第二信使，有放大激素的作用 辅辅酶酶：：NADNAD+ +、、NADPNADP+ +、、FADFAD、、FMNFMN、、HSCHSC0 0A A是是核核酸酸的的衍衍生生物物，，在在物物质代谢和能量代谢中起重要作用质代谢和能量代谢中起重要作用三、核酸的一级结构三、核酸的一级结构核酸的一级结构是指单核苷酸之间的连接方式•DNA、RNA都是由许多核苷酸通过3´、5´磷酸二酯键将前一个核苷酸与后一个核苷酸连接起来，形成无分支的多核苷酸链。

•在链的一端的一个戊糖的3´位上OH是游离存在的，另一端的戊糖其5位上连有一个磷酸基团呈单磷酸酯状态，这两个末端分别称为3´末端及5´末端核核酸酸分分子子中中核核苷苷酸酸的的连连接接方方式式 ：： 3 3‘,5,5’- -磷酸二酯键磷酸二酯键DNA一级结构的简写形式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5`3`首端首端末端末端PPPPPP A G C T G CA G C T G C OH OH（一）、（一）、DNADNA的高级结构的高级结构   1 1、、DNADNA的碱基组成（的碱基组成（ChargaffChargaff法则）法则） 本世纪本世纪2020年代，年代，LeveneLevene研究了核酸的化学结构并提出四研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；核苷酸假说；4040年代末，年代末，Avery,HersheyAvery,Hershey和和ChaseChase的实验严的实验严密地证实了密地证实了DNADNA就是遗传物质；就是遗传物质；5050年代初，年代初，ChargaffChargaff应用应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNADNA作碱基定量分析，发现作碱基定量分析，发现DNADNA碱基组成有如下规律：碱基组成有如下规律： 四、核酸的高级结构四、核酸的高级结构不同生物来源的不同生物来源的DNADNA四种碱基比例关系四种碱基比例关系DNA来源来源腺嘌呤腺嘌呤（（A））胸腺嘧啶胸腺嘧啶（（T））鸟嘌呤鸟嘌呤（（G））胞嘧啶胞嘧啶（（C））（（A+T））/（（G+C））大肠杆菌大肠杆菌25.424.824.125.71.01小麦小麦27.327.122.822.71.21鼠鼠28.628.421.421.51.33猪：肝猪：肝29.429.720.520.51.43胸腺胸腺30.028.920.420.7脾脾29.629.220.420.8酵母酵母31.332.918.717.51.0791. 1. 同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNA碱基组成相同；碱基组成相同；2. 2. 同一种生物同一种生物DNADNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；或者环境变化而改变；3. 3. 几乎所有的几乎所有的DNADNA，，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同量与胸腺嘧啶摩尔含量相同［［A A］］ = =［［T T］］，，鸟嘌呤摩尔含鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同量与胞嘧啶摩尔含量相同［［G G］］ = =［［C C］］，，总的嘌呤摩尔含总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同量与总的嘧啶摩尔含量相同［［A A］＋［］＋［G G］］= =［［C C］＋［］＋［T T］］。

4. 4. 不同生物来源的不同生物来源的DNADNA碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在A A＋＋T/GT/G＋＋C C比比值的不同这些结果后来为值的不同这些结果后来为DNADNA的双螺旋结构模型提供了一的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证个有力的佐证DNADNA碱基组成规律：碱基组成规律： 2 2、、  DNADNA的二级结构的二级结构——双螺旋结构双螺旋结构Watson, CrickWatson, Crick （（19531953）在）在ChargaffChargaff法则及法则及Wilkins,FranklinWilkins,Franklin的的X X线衍射工作基础上提出线衍射工作基础上提出DNADNA的双螺旋（的双螺旋（double helixdouble helix））结构模型：结构模型： DNADNA双螺旋结构模型的要点双螺旋结构模型的要点(1) DNA(1) DNA分子是由两条反平行的多聚脱氧核苷酸链，分子是由两条反平行的多聚脱氧核苷酸链，绕同一中心轴盘旋形成的右手螺旋结构；绕同一中心轴盘旋形成的右手螺旋结构；(2) (2) 每条主链由脱氧核糖与磷酸通过每条主链由脱氧核糖与磷酸通过3 3´ ´、、5 5´ ´磷酸二酯磷酸二酯键连接而成，并位于螺旋外侧。

碱基位于螺旋内侧，键连接而成，并位于螺旋外侧碱基位于螺旋内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直螺旋表面有两条螺旋形碱基平面与螺旋中心轴垂直螺旋表面有两条螺旋形的凹槽的凹槽∶∶大沟和小沟大沟和小沟•(3) (3) 双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm2nm，，沿中心轴，每一个沿中心轴，每一个螺旋周期有螺旋周期有1010个核苷酸对，螺距是个核苷酸对，螺距是3.4nm3.4nm，，碱碱基对之间的距离为基对之间的距离为0.34nm0.34nm•(4) (4) 两链间的碱基以氢键互相配对两链间的碱基以氢键互相配对A A与与T T配有配有两个氢键，两个氢键，G G与与C C配有三个氢键配有三个氢键DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化起稳定作起稳定作用的有哪些力呢？用的有哪些力呢？答案：答案：疏水作用力疏水作用力（主要）（主要）（主要）（主要）（又称（又称碱基堆积力碱基堆积力）） 氢键氢键 范德华力范德华力DNADNA的双螺旋结构如图所示的双螺旋结构如图所示: :碱基配对的结构如图所示碱基配对的结构如图所示: : DNADNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。

它直接解释了生物遗然科学史上的重大贡献它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即进入一个崭新的时代即分子生物学时代分子生物学时代DNADNA二级结构的多态性二级结构的多态性 所谓所谓DNADNA二级结构的多态性，是指二级结构的多态性，是指DNADNA不仅具有不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明结构，说明DNADNA的结构是的结构是动态的动态的，而不是静态的而不是静态的DNADNA双螺旋的不同构型：双螺旋的不同构型：(1) (1) B-DNAB-DNA螺旋：螺旋：标准的标准的  Watson, CrickWatson, Crick双螺旋，细双螺旋，细胞胞正常状态下正常状态下DNADNA存在的构型存在的构型2) (2) A-DNAA-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在75%75%相对湿度的钠盐中的构型相对湿度的钠盐中的构型3)(3) C-DNAC-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在66%66%相对湿度的锂盐中的构型相对湿度的锂盐中的构型。

4) (4) Z-DNAZ-DNA螺旋：螺旋：左手的左手的DNADNA螺旋，这种螺旋可能在基螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用因表达或遗传重组中起作用双螺旋双螺旋碱基倾碱基倾角／（角／（°））碱基夹碱基夹角（角（°））碱基间距碱基间距/nm螺距螺距／／nm每轮碱每轮碱基数基数  大沟大沟  小沟小沟B-DNA036.00.343.610.5很宽、较深很宽、较深窄、深窄、深Z-DNA9 9-60.00.384.5612平坦平坦较窄、很深较窄、很深A-DAN2032.70.2562.811很窄、很深很窄、很深很宽、浅很宽、浅C-DNA6380.3313.19.3较宽、较深较宽、较深很窄、很深很窄、很深 3 3、、  DNADNA的三级结构的三级结构: :超螺旋超螺旋Ø 双螺旋双螺旋DNADNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺超螺旋旋是是DNADNA三级结构的主要形式三级结构的主要形式 Ø自从自从19651965年年VinogradVinograd等人发现多瘤病毒的环形等人发现多瘤病毒的环形DNADNA的超的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环共价封闭环(covalently closed circle,CCC)(covalently closed circle,CCC)分子，这种双螺旋环分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为状分子再度螺旋化成为超螺旋结构超螺旋结构( (superhelixsuperhelix或或supercoilsupercoil) )。

Ø 有些单链环形染色体有些单链环形染色体( (如如φφ×174)174)或双链线形染色体或双链线形染色体( (如噬菌体入如噬菌体入) )，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式对于真核生物来说，虽然其染色体多体变为超螺旋形式对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其为线形分子但其DNADNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间均与蛋白质相结合，两个结合点之间的的DNADNA形成一个形成一个突环突环(loop)(loop)结构结构，类似于，类似于CCCCCC分子，同样具分子，同样具有超螺旋形式有超螺旋形式 Ø超螺旋按其方向分为超螺旋按其方向分为正超螺旋正超螺旋和和负超螺旋负超螺旋两种真核生两种真核生物中，物中，DNADNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋研究发现，所有的超螺旋研究发现，所有的DNADNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNADNA拓扑异构拓扑异构酶酶产生的核小体结构如图所示核小体结构如图所示: :染色体组装的层次如下图所示：染色体组装的层次如下图所示：（二）、RNA（核糖核酸）的结构天然RNA是单链线形分子，只有局部区域为双螺旋结构。

RNA分子的基本结构是一条线性的多核苷酸链，由四种核糖核苷酸以3‵，5‵-磷酸二酯键连接而成•rRNA (Ribosomal RNAs ，核糖体，核糖体RNA)，，占80%以上：：与蛋白质构成核糖体，催化肽键的形成与蛋白质构成核糖体，催化肽键的形成•mRNA (Messenger RNAs ，信使，信使RNA) ，，占5%：是以：是以DNA为模板合成的，又是合成蛋白质的模板为模板合成的，又是合成蛋白质的模板•tRNA (Transfer RNAs ，转运，转运RNA)，，占15%：在蛋白质在蛋白质合成中转运氨基酸和识别密码子合成中转运氨基酸和识别密码子1 1、原核、原核mRNAmRNA的一级结构的特点的一级结构的特点∶∶在5‵末端和3‵末端无特殊结构原核mRNA一般为多顺反子 顺反子顺反子∶∶是指是指mRNAmRNA上对应于上对应于DNADNA上一个上一个完整基因完整基因的的一段核苷酸序列一段核苷酸序列 在在mRNAmRNA分子内部，每一个顺反子的编码区是从起始密分子内部，每一个顺反子的编码区是从起始密码码(AUG)(AUG)开始，到终止密码开始，到终止密码(UAG)(UAG)为止。

各个顺反子的为止各个顺反子的编码区之间、编码区之间、5 5‘端的第一个顺反子的编码区之前端的第一个顺反子的编码区之前以以及及3 3’端的最后一个顺反子编码区之后，都含有一段端的最后一个顺反子编码区之后，都含有一段非编码区非编码区 2 2、真核、真核mRNAmRNA的一级结构的特点的一级结构的特点∶∶ 真核的真核的mRNAmRNA一般为单顺反子，即一条一般为单顺反子，即一条mRNAmRNA链只链只翻译产生一条多肽链翻译产生一条多肽链其结构模式为其结构模式为∶ ∶ 5’-“帽子”-5’非编码区-编码区-3’非编码区-3 ’-多聚腺苷酸（polyA）尾5'-5'-帽子结构帽子结构甲基化的鸟苷酸经焦磷酸与另一个核苷酸甲基化的鸟苷酸经焦磷酸与另一个核苷酸5 5‵‵端相连，形端相连，形成成5 5‵‵，，5 5‵‵- -磷酸二酯键，称为磷酸二酯键，称为““帽帽””结构，有抗结构，有抗5 5‵‵- -核核酸外切酶的降解作用，在蛋白质合成过程中，有助于核糖酸外切酶的降解作用，在蛋白质合成过程中，有助于核糖体对体对mRNAmRNA的识别和结合，使得翻译得以正确起始的识别和结合，使得翻译得以正确起始。

3 ‵-多聚腺苷酸（polyA）尾3‵ ‵-末端有一段末端有一段20～～250个左右的多聚腺苷酸个左右的多聚腺苷酸（（poly A），称为），称为“尾尾”结构多聚腺苷酸（多聚腺苷酸（poly A) )尾是在转录后经尾是在转录后经poly A聚合酶专一性作用添加上的聚合酶专一性作用添加上的 poly A尾巴尾巴可以可以延长延长mRNAmRNA的寿命，从而可以增加蛋白的寿命，从而可以增加蛋白质合成的数量此外，还有助于质合成的数量此外，还有助于mRNAmRNA穿过穿过核膜，进入细胞质执行其模板功能核膜，进入细胞质执行其模板功能3 3、、RNARNA的空间结构的空间结构( (以以tRNAtRNA为例为例) )（（1 1））RNARNA的二级结构的二级结构 单链RNA分子自身回折，形成局部双螺旋区，未配对的部分则形成突环，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对这种单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环” 相间分布的花形结构就是RNARNA的二级结构的二级结构tRNA的结构特点：•（（1 1）分子量在）分子量在25kd25kd左右，由左右，由7070－－9090个核苷酸组成，个核苷酸组成，沉降系数在沉降系数在4S4S左右；左右；•（（2 2））碱基组成中有较多的碱基组成中有较多的稀有碱基稀有碱基；；•（（3 3））3 3‵ ‵末端都为末端都为……C Cp pC Cp pAOHAOH用来接受活化的氨基酸。

用来接受活化的氨基酸所以这个末端称接受末端；所以这个末端称接受末端；•（（4 4））5 5‵ ‵末端大多为末端大多为p pG G……, ,也有也有p pC C……的；的；•（（5 5））tRNAtRNA的二级结构都呈三叶草形双螺旋的二级结构都呈三叶草形双螺旋区构区构成了叶柄，突环区好象是三叶草形的三片小叶成了叶柄，突环区好象是三叶草形的三片小叶tRNAtRNA的二级结构呈三叶草形的二级结构呈三叶草形三叶草形结构由三叶草形结构由氨基酸臂氨基酸臂、、二氢尿嘧二氢尿嘧啶环啶环、、反密码环反密码环、、额外环额外环和和TψC环环等等5个部分组成个部分组成• （（1 1））氨基酸臂（氨基酸臂（amino acid armamino acid arm））由由7 7对碱基组成，富含鸟对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为嘌呤，末端为CCACCA，，接受活化的氨基酸接受活化的氨基酸• （（2 2））二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环( (dihydrouridinedihydrouridine loop) loop)由由8 8一一1212个核苷酸个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名通过由组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。

通过由3 3－－4 4对碱基组成对碱基组成的双螺旋区的双螺旋区( (也称二氢尿嘧啶臂也称二氢尿嘧啶臂) )与与tRNAtRNA分子的其余部分相连分子的其余部分相连• （（3 3））反密码环反密码环( (anticodonanticodon loop) loop)由由7 7个核苷酸组成环中部个核苷酸组成环中部为反密码子，由为反密码子，由3 3个碱基组成次黄嘌呤核苷酸个碱基组成次黄嘌呤核苷酸( (也称肌苷酸，也称肌苷酸，缩写成缩写成I)I)常出现于反密码子中反密码环通过由常出现于反密码子中反密码环通过由5 5对碱基组成对碱基组成的双螺旋区的双螺旋区( (反密码臂反密码臂) )与与tRNAtRNA的其余部分相连反密码子可识的其余部分相连反密码子可识别信使别信使RNARNA的密码子的密码子•（（4 4））额外环（额外环（extra loop extra loop ））由由3 3一一1818个核苷酸组成不同的个核苷酸组成不同的tRNAtRNA具有不同大小的额外环，所以是具有不同大小的额外环，所以是tRNAtRNA分类的重要指标分类的重要指标•（（5 5））假尿嘧啶核苷－胸腺嘧啶核糖核苷环假尿嘧啶核苷－胸腺嘧啶核糖核苷环( (TψCTψC环环) )由由7 7个核苷个核苷酸组成，通过由酸组成，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( (TψCTψC臂臂) )与与tRNAtRNA的其的其余部分相连。

除个别例外，几乎所有余部分相连除个别例外，几乎所有tRNAtRNA在此环中都含有在此环中都含有TψCTψC •细胞内细胞内tRNAtRNA的种类很多，每一种氨基酸都的种类很多，每一种氨基酸都有一种或一种以上与其相对应的有一种或一种以上与其相对应的tRNAtRNA，，tRNAtRNA的二级结构都呈三叶草形的二级结构都呈三叶草形•由于双螺旋结构所占比例甚高，由于双螺旋结构所占比例甚高，tRNAtRNA的二的二级结构十分稳定级结构十分稳定（（2 2））tRNAtRNA的的 三级结构：三级结构： 倒倒"L""L"形形所有的所有的tRNAtRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的这有利于携带的氨基酸的tRNAtRNA进入核糖体的特定部位进入核糖体的特定部位  RNA的二级花形结构在细胞中进一步回折扭曲，使分子内部的自由能达到最小，在二级结构中突环上未配对的碱基由于RNA链的再度扭曲与另一突环上的未配对碱基相遇，形成新的氢键配对关系，其结果是平面花形结构变成立体花形结构 核酸的性质是由其结构决定的核酸的结构特点核酸的性质是由其结构决定的。

核酸的结构特点是分子大是分子大, ,有一些可解离的基团有一些可解离的基团, ,具有共轭双键等具有共轭双键等这些特点决定了核酸及其组分核苷酸性质的基础这些特点决定了核酸及其组分核苷酸性质的基础第三节、核酸及核苷酸的性质第三节、核酸及核苷酸的性质一、物理性质一、物理性质1 1、、性状性状：：RNARNA及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色的粉末或结晶；的粉末或结晶；DNADNA则为疏松的石棉一样的纤维状固体则为疏松的石棉一样的纤维状固体2 2、、溶解性溶解性：：RNARNA和和DNADNA都是极性的化合物，一般说来，这些化合物都微溶都是极性的化合物，一般说来，这些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂它们的钠盐易溶于水于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂它们的钠盐易溶于水 DNADNA和和RNARNA在生物细胞内都与蛋白质结合成核蛋白在生物细胞内都与蛋白质结合成核蛋白DNADNA核蛋白与核蛋白与RNARNA核蛋核蛋白的溶解度受溶液的盐浓度的影响而不同白的溶解度受溶液的盐浓度的影响而不同DNADNA蛋白在低浓度的盐溶液中蛋白在低浓度的盐溶液中随盐浓度的增加而增加，在随盐浓度的增加而增加，在1 1mol/Lmol/L的的NaClNaCl溶液中溶解度比纯水高溶液中溶解度比纯水高2 2倍，在倍，在0.140.14mol/Lmol/L的的NaClNaCl溶液中溶解度最低，仅为水的溶液中溶解度最低，仅为水的1%1%，几乎不溶解；而，几乎不溶解；而RNARNA蛋白在盐溶液中其溶解度受盐浓度的影响较小，在蛋白在盐溶液中其溶解度受盐浓度的影响较小，在0.140.14mol/Lmol/L的的NaClNaCl溶解溶解度较大。

因此，在核酸的提取中，常用此法将两种核蛋白分开，然后用度较大因此，在核酸的提取中，常用此法将两种核蛋白分开，然后用蛋白质变性剂去除蛋白质蛋白质变性剂去除蛋白质3 3、、粘性粘性：核酸的水溶液粘度很大，：核酸的水溶液粘度很大，粘度粘度DNADNA大于大于RNARNA核酸变性后，粘度核酸变性后，粘度下降二、核酸的水解二、核酸的水解三、核酸的两性电离与等电点三、核酸的两性电离与等电点 核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸具有核酸具有两性电离的性质两性电离的性质但核酸中磷酸基的酸但核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性DNADNA的的pIpI约约为为4 4～～5 5，，RNARNA的的pIpI约为约为2.02.0～～2.52.5，在，在pH7pH7～～8 8电泳时电泳时泳向正极泳向正极四、四、UVUV吸收吸收 核酸分子中含有嘌呤碱和嘧啶碱，因而具有紫外吸收的的性质，核酸分子中含有嘌呤碱和嘧啶碱，因而具有紫外吸收的的性质，共轭双键强烈吸收共轭双键强烈吸收260-290nm260-290nm波段，在波段，在260260nmnm处核酸紫外吸收最强处核酸紫外吸收最强。

核酸的紫外吸收是核酸定量测定的基础核酸的紫外吸收是核酸定量测定的基础 五、核酸的变性五、核酸的变性1 1、变性的概念、变性的概念核酸双螺旋区的氢键断裂，空间结构被破坏，形成单链无核酸双螺旋区的氢键断裂，空间结构被破坏，形成单链无规则线团状，并不涉及共价键的断裂规则线团状，并不涉及共价键的断裂多核苷酸骨架上共价键（多核苷酸骨架上共价键（3’，，5’-磷酸二酯键）的断裂称为磷酸二酯键）的断裂称为核酸的降解核酸的降解2 2、结果：、结果：A、、增色效应：增色效应：                 260nm紫外吸收增加；紫外吸收增加；                                         B、粘度下降、浮力密度上升；、粘度下降、浮力密度上升；                C、生物学性能部分或全部丧失生物学性能部分或全部丧失3 3、引起变性的因素：、引起变性的因素： 凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等，均可引起核酸分子变性（温度、温度、pH、有机溶剂、有机溶剂）4、热变性与Tm    DNA变性是在一个很窄的变性是在一个很窄的温度范围内发生的。

温度范围内发生的通常通常将核酸加热变性过程中，将核酸加热变性过程中，紫外光吸收值达到最大值紫外光吸收值达到最大值的的50%时的温度时的温度称为核酸称为核酸的解链温度，由于这一现的解链温度，由于这一现象和结晶的融解相类似，象和结晶的融解相类似，又称又称融解温度融解温度（（Tm ））在在Tm时，核酸分子内时，核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏的双螺旋结构被破坏影响Tm的因素：1））DNA的均一性的均一性；；2））G-C含量含量：：Tm与与G-C含量成正比含量成正比3）介质中的离子强）介质中的离子强度：度：离子强度低，离子强度低，Tm低，低，融点范围也融点范围也较宽较宽六、核酸的复性概念：概念：变性变性DNA在适当条件下，可使两条在适当条件下，可使两条彼此分开的链彼此分开的链重新缔合重新缔合成双螺旋结构的成双螺旋结构的过程过程,它是变性的一种逆转过程它是变性的一种逆转过程复性后，许多物化性质可得到恢复，生物复性后，许多物化性质可得到恢复，生物学活性部分恢复学活性部分恢复热变性热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为此过程称之为退火退火影响因素：温度、影响因素：温度、DNADNA片段大小、片段大小、DNADNA浓浓 度、碱基重复序列多少、离子浓度。

度、碱基重复序列多少、离子浓度DNA变性与复性变性与复性分子杂交分子杂交Ø 不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的链之间，即形成所谓的杂化双链杂化双链( (heterodupheterodup lexlex) )，，这个过程称为这个过程称为杂交杂交( (hybridization)hybridization)Ø 杂交可以发生于杂交可以发生于DNADNA与与DNADNA之间，也可以发生于之间，也可以发生于RNARNA与与RNARNA之间和之间和DNADNA与与RNARNA之间 例如，一段天然的例如，一段天然的DNADNA和这段和这段DNADNA的缺失突变体的缺失突变体( (假定这种突变是假定这种突变是DNADNA分子中部丢失了若干碱基对分子中部丢失了若干碱基对) )一起杂交，电子显微镜下可以看到杂化双链中部鼓一起杂交，电子显微镜下可以看到杂化双链中部鼓起小泡。

测定小泡位置和长度，可确定缺失突变发起小泡测定小泡位置和长度，可确定缺失突变发生的部位和缺失的多少生的部位和缺失的多少Ø 核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能常用手段之一，不仅可用来检验核酸的缺失、常用手段之一，不仅可用来检验核酸的缺失、插入，还可用来考察不同生物种类在核酸分子插入，还可用来考察不同生物种类在核酸分子中的共同序列和不同序列以确定它们在进化中中的共同序列和不同序列以确定它们在进化中的关系的关系1 1、蛋白质作为生物功能的主要载体，承担着哪些主要、蛋白质作为生物功能的主要载体，承担着哪些主要生生物学功能物学功能？？2 2、蛋白质这个重要的生物大分子的化学组成是什么？其、蛋白质这个重要的生物大分子的化学组成是什么？其基本组成单位基本组成单位在结构和性质上有何特点？在结构和性质上有何特点？3 3、蛋白质的基本组成单位、蛋白质的基本组成单位--------氨基酸是如何形成大分子氨基酸是如何形成大分子蛋白质的？蛋白质生物大分子的蛋白质的？蛋白质生物大分子的空间结构空间结构是如何来描是如何来描述的？述的？4 4、为什么要了解蛋白质的空间结构？蛋白质的、为什么要了解蛋白质的空间结构？蛋白质的结构与功结构与功能之间能之间有何关系？决定蛋白质结构的因素是什么？有何关系？决定蛋白质结构的因素是什么？1 1、组成蛋白质的氨基酸的结构是如何影响蛋白质的？、组成蛋白质的氨基酸的结构是如何影响蛋白质的？2 2、什么是肽？它们有那些功能？、什么是肽？它们有那些功能？3 3、在蛋白质的结构中什么类型的键是最重要的？、在蛋白质的结构中什么类型的键是最重要的？4 4、蛋白质结构的四个水平是什么？、蛋白质结构的四个水平是什么？5 5、什么是蛋白质的变性？它们是如何发生的？、什么是蛋白质的变性？它们是如何发生的？6 6、什么是别构效应、什么是别构效应1 1、核酸的种类、基本组成单位是什么？、核酸的种类、基本组成单位是什么？ RNARNA的三种主要形式是什么？它们分别承担什么的三种主要形式是什么？它们分别承担什么样的生物功能？样的生物功能？2 2、、DNADNA的结构是如何发现的？的结构是如何发现的？Watson Watson 和和CrickCrick运用什么信息决定了运用什么信息决定了DNADNA的结构？的结构？3 3、、DNADNA和和RNARNA的一级结构和二级结构分别有何的一级结构和二级结构分别有何特征？特征？4 4、什么是、什么是DNADNA的变性和复性？有何特征？的变性和复性？有何特征？。