生物化学第三章核酸化学

1、第三章第三章核酸化学核酸化学主要内容主要内容v2.12.1 核酸化学研究史核酸化学研究史v2.22.2 核酸的分类和组成核酸的分类和组成v2.32.3 核酸的结构核酸的结构v2.42.4 核酸的性质核酸的性质本章掌握的内容本章掌握的内容核酸的分类核酸的分类(DNA 、 RNA)和组成和组成(碱基、戊糖、磷酸碱基、戊糖、磷酸)核酸的结构（一级结构、二级结构、空间结构）和功能核酸的结构（一级结构、二级结构、空间结构）和功能核酸的性质：水解、两性、吸光性、变性与复性核酸的性质：水解、两性、吸光性、变性与复性分子杂交、基因与基因组、探针、增色减色效应等概念分子杂交、基因与基因组、探针、增色减色效应等概

2、念思思 考考 题题v什么是核酸，核酸包括哪些？有什么功能？什么是核酸，核酸包括哪些？有什么功能？vDNA由什么组成的？其一级结构及空间结构？由什么组成的？其一级结构及空间结构？vRNA由什么组成的？其一级结构及空间结构？由什么组成的？其一级结构及空间结构？v根据根据DNA和和RNA的结构特点，分析一下其性质？的结构特点，分析一下其性质？2.1 核酸化学研究史核酸化学研究史环境科学与工程系环境科学与工程系Friedrich Miescher worked at the Physiological Laboratory of the University of Basel and in Tbing

3、en and is most well known for his discovery of the nucleic acids. (DNA Pioneers and Their Legacy by Lagerkvist, 1998, Yale University Press, ISBN 0-300-07184-1). To read excerpts from this book, click DNA Pioneers . Friedrich Miescher (1844-1895)米歇尔米歇尔Friedrich Miescher（18441895） 米歇尔，瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔

4、大学的生理学研究室。米歇尔，瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔大学的生理学研究室。以发现核酸而闻名世界。以发现核酸而闻名世界。 米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才歌手，在学校的学习成绩很好。歌手，在学校的学习成绩很好。1865年米歇尔成为一名医学生，年米歇尔成为一名医学生，1868年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。 1868年，米歇尔

5、感兴趣研究年，米歇尔感兴趣研究白细胞白细胞。为了得到足够的白细胞，。为了得到足够的白细胞，他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘稠的物质，并经实验证明含有磷和氮，称为稠的物质，并经实验证明含有磷和氮，称为核素核素。随后的研究证明这。随后的研究证明这一物质具有酸性，故称为一物质具有酸性，故称为核酸核酸。这是米歇尔首次发现了重要的生命物。这是米歇尔首次发现了重要的生命物质之一质之一核酸。核酸。 4 在在1869年，年，F. Mischer从细胞核中分离得到一种含磷很高的强从细胞核中分离得到一种含磷很高的强酸性物质，即

6、现在被称为核酸的物质。酸性物质，即现在被称为核酸的物质。4 1939年，年，E. Knapp等第一次用实验方法证实核酸是等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传生命遗传的的基础物质基础物质。4 1944年年 Avery等人通过等人通过细菌转化试验细菌转化试验证明了证明了DNA是遗传物质。是遗传物质。4 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的的双螺旋结构双螺旋结构4 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码4 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序测序方法方法4 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 1944年年O.T.Ave

7、ry等人通过实验证明等人通过实验证明DNA是一个携带遗是一个携带遗传信息的分子，几年之后，传信息的分子，几年之后，A.Hershy和和M.Chase通过噬菌通过噬菌体感染实验也证实体感染实验也证实DNA是遗传物质。是遗传物质。 肺炎病菌有二种，一种是肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌光滑型肺炎双球菌：有荚膜、：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出：无荚膜、

8、菌落粗糙且无毒。下图给出了了O.T.Avery等人具体的等人具体的过程。过程。（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。使小鼠致死。（b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。对小鼠无害。（c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。再注入小鼠体内，对小鼠无害。（d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。鼠死掉。 （e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中从加热杀死的

9、光滑型肺炎双球菌中提取提取DNA，并尽可能将混在，并尽可能将混在DNA中的蛋白中的蛋白质除去，质除去，然后将然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。 用用32P标记噬菌体标记噬菌体DNA，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器（10000转转/分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性。用用高速离心机使细菌沉淀，分析沉

10、淀和上清中的放射性。用35S标记噬菌体的蛋白质外壳标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。进行同样的验证实验。 。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒于复制的遗传信息是通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。导入细菌内的。 B. 噬菌体感染实验噬菌体感染实验-1952年年Hershey和和Chase32P标记标记 噬菌体噬菌体DNA35S标记标记 噬菌体噬菌体外壳外壳核酸核酸

11、脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）Deoxyribonucleic Acid核糖核酸（核糖核酸（RNA）Ribonucleic Acid2.22.2 核酸分类和组成核酸分类和组成2.2.1 核酸的分类核酸的分类p分布：分布：90%以上分布于细胞以上分布于细胞核，其余分布于核外核，其余分布于核外如线粒如线粒体、叶绿体、质粒等。体、叶绿体、质粒等。p功能：功能：DNA分子含有生物分子含有生物物种的所有遗传信息。物种的所有遗传信息。p 结构特点：结构特点：DNA为双链分为双链分子，其中大多数是链状结构子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状大分子，也有少部分呈环状结构。结构。脱氧核糖核酸（

12、脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（核糖核酸（RNA）分布分布：胞核、胞液。胞核、胞液。功能：功能： RNA主要是负责主要是负责DNA遗传信息的遗传信息的翻译和表达翻译和表达，分子分子量要比量要比DNA小得多。某些病毒小得多。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载也可作为遗传信息的载体。体。结构特点：结构特点： RNA为单链分子。为单链分子。 RNA的类别的类别环境科学与工程系环境科学与工程系根据根据RNA的功能（的功能（P85）mRNA（messenger）tRNA（transfer）rRNA（ribosomal）约占总约占总RNA的的3-5%，代谢活跃，寿命短。，代谢活跃，寿命短。它的功能是将它的

13、功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质的遗传信息传递到蛋白质合成基地合成基地 核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。r约占总约占总RNA的的10-15%。r它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。用。r已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA，细胞内有细胞内有50种以上。种以上。约占总约占总RNA的的80%。单链螺旋，代谢稳定，。单链螺旋，代谢稳定，M最大的最大的RNA（106）。）。是核糖核蛋白体的主要组成部分。是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA 的功能

14、与蛋白质生物合成相关。的功能与蛋白质生物合成相关。2.2.2 核酸的化学组成（核酸的化学组成（P64） 磷磷酸酸 核核糖糖 核核酸酸核核苷苷酸酸 戊戊糖糖 核核苷苷 脱脱氧氧核核糖糖 嘌嘌呤呤碱碱 含含氮氮碱碱 嘧嘧啶啶碱碱 戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)-D-型型含氮碱基含氮碱基嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶嘧

15、啶(pyrimidine)NNH132456尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U，RNA)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T，DNA)NHNHOOCH3胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O稀有碱基稀有碱基NNHNHNNOCH3CH3NHNHOOHHHHNNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤4-硫尿嘧啶硫尿嘧啶 核苷（核苷（nucleoside） u 核苷核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。合物。u 在大多数情况下，核苷是由核糖

16、或脱氧核糖的在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1 -羟基羟基与与嘧啶碱嘧啶碱N1或或嘌呤碱嘌呤碱N9进行缩合，故进行缩合，故生成的化学键称为生成的化学键称为,N糖苷键糖苷键。 腺苷腺苷(A) 脱氧胞苷脱氧胞苷(dC)8975613425124631,N9-糖苷键糖苷键 1,N1-糖苷键糖苷键“稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核苷所生成的核苷1C5存在于存在于tRNA中，少量中，少量5-核糖尿嘧啶。是一种碳核糖尿嘧啶。是一种碳苷。又称假尿苷（苷。又称假尿苷（ ）1,C5-糖苷键糖苷键2.2.3 核苷酸（核苷酸（nucleotide）p核苷酸核苷酸是由核苷与磷酸经脱水

17、缩合后生成的是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯磷酸酯类类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。 p 由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2-核苷酸核苷酸、3-核苷酸核苷酸和和5-核苷酸核苷酸。最常见者为。最常见者为5-核苷酸（核苷酸（5 常常被省略）。被省略）。 核苷酸的分子结构核苷酸的分子结构5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷三磷酸核苷。酸核苷。 核酸的直接合成原料、能量代

18、谢等功能。核酸的直接合成原料、能量代谢等功能。核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸dAMPGDT(DNA)TCU(RNA)AMP、ADP、ATP；dAMP、dADP、dATP。2.2.4 核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物ATP是生物体内分布最广和最重要的一种是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下核苷酸衍生物。它的结构如下：O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP) ATP 含有含有两个高能磷酸键两个高能磷酸键。ATP水解时水解时, 可以释放出大量可以释放出大量自由能（自由

19、能（30.51KJ/mol）。）。 ATP 是生物体内是生物体内最重要最重要的的能量转换中间体能量转换中间体。用于推动生物。用于推动生物体内各种需能的生化反应。体内各种需能的生化反应。 ATP 也是一种很好的也是一种很好的磷酰化剂磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。GTP （鸟嘌呤核糖核苷三磷酸）（鸟嘌呤核糖核苷三磷酸）uGTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。

20、是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有它具有ATP 类似的结构类似的结构, 也是一种高能化合物。也是一种高能化合物。uGTP主要是作为主要是作为蛋白质合成中磷酰基蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下供体。在许多情况下, ATP 和和 GTP 可以相互转换。可以相互转换。环核苷酸的分子结构环核苷酸的分子结构环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷含氮激素的作用机制含氮激素的作用机制第二信使学说第二信使学说激素与细胞膜上专激素与细胞膜上专一性受体结合一性受体结合经经过复杂化学反应过复杂化学反应促使细胞内的促使细胞内的ATP转变为转变为cAMP（第二（第二信使），激素将其信使

21、），激素将其所携带的信息传递所携带的信息传递给给cAMP，引起靶细，引起靶细胞的各种生物效应胞的各种生物效应。 2.3 核酸的结构核酸的结构2.3.1 核酸的一级结构核酸的一级结构 一分子的核苷酸的一分子的核苷酸的3-位羟基位羟基与另一分子核苷酸的与另一分子核苷酸的5-位位磷酸基磷酸基通过脱水可形成通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键，从而将两分，从而将两分子核苷酸连接起来。子核苷酸连接起来。 多核苷酸链多核苷酸链 环境科学与工程系环境科学与工程系z核酸就是由许多核酸就是由许多核苷酸核苷酸单位单位通过通过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键连接起来形成的不含键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。

22、侧链的长链状化合物。z核酸具有核酸具有方向性方向性的长链的长链状化合物，多核苷酸链状化合物，多核苷酸链的两端，的两端，一端称为一端称为5-端，端，另一端称为另一端称为3-端。端。多聚核苷酸的特点多聚核苷酸的特点z在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为二酯键通常称为3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键。z多聚核苷酸链一端的多聚核苷酸链一端的C5带有一个自由磷酸基，带有一个自由磷酸基，称为称为5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P表示）表示）；另一端；另一端C3带带有自由的羟基，称为有自由的羟基，称为3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH表表示）。示）。z

23、多聚核苷酸链具有多聚核苷酸链具有方向性方向性，当表示一个多聚核，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是苷酸链时，必须注明它的方向是53或是。或是。z DNA由由 dATP、dGTP、dCTP和和dTTP DNA的一级结构的一级结构就是指就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。的排列顺序及连接方式。z RNA由由 ATP，GTP，CTP，UTP RNA的一级结构的一级结构就是指就是指RNA分子中核糖核苷酸的排分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。列顺序及连接方式。 1）线条法2）文字式2.3.2 DNA的空间结构的空间结构A 双螺旋二级结构双螺旋二级结构

24、DNA双螺旋结构双螺旋结构是是DNA二级结构的一种重要形二级结构的一种重要形式，它是式，它是Watson和和Crick两位科学家于两位科学家于1953年提年提出来的一种结构模型。出来的一种结构模型。A.DNA的的X-射线衍射图：射线衍射图：(1) 衍射斑点呈交叉状分布衍射斑点呈交叉状分布(2) 衍射点之间的距离与层次表明有衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和和3.4nm的的周期性周期性(3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin Xray photograph of DNA wi

25、th high quality 罗莎林德罗莎林德弗兰克林弗兰克林Rosalind Franklin （1920-1958）Rosalind Franklin（1920-1958）英国物理化学家。英国物理化学家。1920年生于伦敦，年生于伦敦，15岁就立志要当科学家。她早岁就立志要当科学家。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，获得博士学位之后，年，获得博士学位之后，她前往法国学习她前往法国学习X射线衍射技术。射线衍射技术。1951年，她回到英国，在伦敦大年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位。学国王学院取得了一个职位。此后，弗兰克林加入到

26、了研究此后，弗兰克林加入到了研究DNA结构的行列并加盟到威尔金斯小组。结构的行列并加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了能她凭着独特的思维，设计了能从更多方面了解物质不同现象的实验方法，获取了在不同温度下的从更多方面了解物质不同现象的实验方法，获取了在不同温度下的DNA的的X射线衍射图。她把这些各种局部的结构形状汇总，使得射线衍射图。她把这些各种局部的结构形状汇总，使得DNA的衍射图片越来越全面。的衍射图片越来越全面。1952年年5月她终于获得了一张清晰的月她终于获得了一张清晰的DNA的的X光衍射照片。光衍射照片。因此，弗兰克林与威尔金斯提出了因此，弗兰克林与威尔金斯提出了DNA的结的结

27、构可能是双螺旋结构的假设。为构可能是双螺旋结构的假设。为Crick和和Watson进一步论证进一步论证DNA的的双螺旋结构奠定了基础。双螺旋结构奠定了基础。 环境科学与工程系环境科学与工程系 1951年年 Franklin和和 Wilkins利用利用X-射线衍射方法分析了射线衍射方法分析了DNA的晶体，得到了的晶体，得到了DNA X-射线衍射图。从衍射图推测出射线衍射图。从衍射图推测出，螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性，第一个，螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性，第一个周期出现在周期出现在0.34nm，。这对于确定。这对于确定DNA的结构是至关重要的线索。的结构是至关重要的线索。B. DNA的碱基组

28、成分析：（的碱基组成分析：（Chargaff定则）定则）(1) 所有所有DNA分子中分子中A=T，G=C(2) 同一种生物的所有体细胞同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相的碱基组成相同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可作 为 该 物 种 的 特 征 ， 用作 为 该 物 种 的 特 征 ， 用 不 对 称 比 率不 对 称 比 率 (A+T)/(G+C) 来衡量。来衡量。(3) 亲缘越近的生物，其亲缘越近的生物，其DNA的碱基组成越近，的碱基组成越近，即不对称比率越相近。即不对称比率越相近。C C、DNADNA的碱基物化数据的碱基物化数据 如碱基的几

29、何大小、键长键角数据、酸碱滴如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。定等。DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称简称DNA单链单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结右手双螺旋结构构。螺旋中的两条链。螺旋中的两条链方向相反方向相反，即其中一条链的方向为，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为，而另一条链的方向为35。DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点 （2）嘌呤碱和嘧啶嘌呤碱和嘧啶碱基碱基位位于螺旋的于螺旋的内侧内侧，磷酸和磷酸和脱氧核糖基脱氧核糖基

30、位于螺旋位于螺旋外外侧侧。碱基环平面与螺旋。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成碱基环平面成90角。角。DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点 （3）螺旋螺旋横截面横截面的直径的直径约为约为2 nm，每条链相邻，每条链相邻两个碱基平面之间的距两个碱基平面之间的距离为离为0.34 nm，每，每10个核个核苷酸形成一个螺旋，其苷酸形成一个螺旋，其螺距螺距（即螺旋旋转一圈）（即螺旋旋转一圈）高度为高度为3.4 nm。DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（4）双螺旋的力是链间的碱双螺旋的力是链间的碱基对所形成的基对所形成的氢键氢键。 碱基的相互结合具有严格的碱基的相互

31、结合具有严格的配对规律，配对规律，A-T，G-C结合，结合，这种配对关系，称为碱基互这种配对关系，称为碱基互补。补。A T间形成两个氢键，间形成两个氢键，G C 间间 三个氢键。三个氢键。 在在DNA分子中，分子中，嘌呤碱基的嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。总数与嘧啶碱基的总数相等。DNADNA右双螺旋结构模型要点总结右双螺旋结构模型要点总结1 1、右双螺旋，反向平行、右双螺旋，反向平行2 2、碱基在内，主链在外、碱基在内，主链在外3 3、碱基互补，、碱基互补，A AT T，GCGC4 4、螺旋一圈，十对碱基、螺旋一圈，十对碱基5 5、结构稳定，副键维系、结构稳定，副键维系6 6、大沟小沟

32、，调节关键、大沟小沟，调节关键DNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性DNA双螺旋结构在生理条件下是双螺旋结构在生理条件下是很稳定很稳定的。的。维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间链之间形成的形成的氢键和碱基堆积力氢键和碱基堆积力；另外，存在于另外，存在于DNA分子中的一些弱键在维持双分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离离子键及范德华力。子键及范德华力。改变改变介质条件和环境温度介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳，将影

33、响双螺旋的稳定性。定性。 双螺旋结构模型提供了双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理，解释了复制的机理，解释了遗传遗传物质自我复制的机制物质自我复制的机制。 模型是两条链，而且碱基模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，氢键断裂，互补。复制之前，氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作两条链彼此分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的互为一个模板复制出一条新的互补链，这样就得到了两对链，补链，这样就得到了两对链，解决了一个基本的生物学问题解决了一个基本的生物学问题遗传复制中样板的分子基础。遗传复制中样板的分子基础。环境科学与工程系环境科学与工程系 在在Watson和和Crick 的的 DNA双螺旋模型

34、公布之后，通过对双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序列的寡核苷酸的合成的已知序列的寡核苷酸的X-射线晶体衍射图的研究发现，射线晶体衍射图的研究发现，存在着存在着B型、型、A型和型和Z型型DNA。B-DNA和和A-DNA都是右手双螺都是右手双螺旋结构，而旋结构，而Z-DNA是左手双螺旋结构。是左手双螺旋结构。B 三级结构三级结构环境科学与工程系环境科学与工程系定义：定义： DNA的三级结构指的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以构单元间、单链与二级结构单

35、元间的相互作用以及及DNA的拓扑特征。的拓扑特征。超螺旋是超螺旋是DNA三级结构的三级结构的一种类型。超螺旋即一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。双螺旋的螺旋。 用两手分别捏住线性用两手分别捏住线性DNA分子的两端，捻动其中的一端或两端分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当同时向相反的方向捻动。当向右捻动向右捻动时（即沿右手螺旋方向捻动），时（即沿右手螺旋方向捻动），等于等于紧旋紧旋（所谓的（所谓的“上劲上劲”）。处于这样状态的）。处于这样状态的DNA分子相对于它分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为过旋

36、过旋。 当将处于松弛状态（当将处于松弛状态（B构型构型）的双螺旋）的双螺旋向左捻动向左捻动时（即沿右手时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于螺旋相反方向捻动），等于解旋解旋（所谓的（所谓的“ 卸劲卸劲”）。处于这样状）。处于这样状态的态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之状态，所以称之欠旋。欠旋。 当将线性过旋或欠旋的双螺旋当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维

37、持B构象。构象。过旋过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺旋，称为负超螺旋。旋，称为负超螺旋。v意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过程具转录过程具有关键作用。有关键作用。 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNA的三级结构的三级结构 绝大多数原核生物绝大多数原核生物的的DNA都是共价封都是共价封闭的环状双螺旋。闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕如果再进一步盘绕则形成则形成麻花状的超麻花状的超螺旋三级结构。螺旋三级结构。 在真核生物

38、中，在真核生物中，双螺旋的双螺旋的DNA分分子围绕一子围绕一蛋白质蛋白质八聚体八聚体进行盘绕，进行盘绕，从而形成特殊的从而形成特殊的串珠状结构，称串珠状结构，称为为核小体核小体。核小。核小体结构属于体结构属于DNA的三级结构。的三级结构。DNA的存在形式的存在形式 DNA的功能的功能& DNA的基本功能是作为的基本功能是作为遗传信息的载体遗传信息的载体，为生为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。模板。& 遗传学将遗传学将DNA分子中最小的功能单位称为分子中最小的功能单位称为基因基因（gene）。某物种所含有的全套遗传物质称为该。某物种所含有的全套遗传

39、物质称为该生物体的生物体的基因组（基因组（genome）。基因组的大小与。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小的基因组大小为为5.1103bp，大肠杆菌为，大肠杆菌为5.7106bp，人为，人为3109bp。2.3.3 RNA的空间结构与功能的空间结构与功能rRNA通常以通常以单链单链形式存在，但也可形成形式存在，但也可形成局局部的双螺旋部的双螺旋结构。结构。r RNA分子的种类较多，分子大小变化较分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。大，功能多样化。rRNA种类：种类：rRNA、mRNA、tRNA、hnRNA、snRNA、asRNA等。等

40、。 2.3.3.1 mRNA的结构与功能的结构与功能mRNA可形成可形成局部局部双螺旋结构的二级结构。双螺旋结构的二级结构。mRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为HnRNA。大多数真核成熟的大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的分子具有典型的5-端的端的7-甲基鸟苷三磷酸（甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构和帽子结构和3-端的端的多聚腺苷酸（多聚腺苷酸（polyA）尾巴结构。尾巴结构。 mRNA一级结构的特点一级结构的特点 真核细胞真核细胞mRNA的的3-末端有一段长达末端有一段长达200个核苷个核苷酸左右的聚腺苷酸酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为称为 “尾结构尾结

41、构” ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为 帽结构帽结构 。真核生物真核生物mRNA 5-端帽子结构端帽子结构6 大多数真核细胞大多数真核细胞mRNA在在3-末端有一段长约末端有一段长约200核苷酸的核苷酸的polyA。polyA是在转录后经是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。6原核生物的原核生物的mRNA一般无一般无polyA，但某些病毒，但某些病毒mRNA也有也有3-polyA。6 polyA可能有多方面功能：可能有多方面功能：与与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关。从细胞核到细胞质的转移有关。与与mRNA的半衰期有关。

42、的半衰期有关。6 新合成的新合成的mRNA, polyA链较长，而衰老的链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩链缩短。短。帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能v帽子结构帽子结构可保护可保护mRNA免受核酸酶从免受核酸酶从5端的端的降解作用，并在翻译起始中具有促进核糖降解作用，并在翻译起始中具有促进核糖体与体与mRNA的结合、加速翻译起始速度的的结合、加速翻译起始速度的作用。作用。v多聚多聚A尾尾可增加可增加mRNA的稳定性和维持其翻的稳定性和维持其翻译活性。译活性。mRNA的功能的功能r mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供的合

43、成提供模板模板。r mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为核苷酸三联体称为遗传密码遗传密码（coden） mRNA的功能的功能把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转

44、录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 2.3.3.2 tRNA的结构与功能的结构与功能 tRNA是分子最小，但含有是分子最小，但含有稀有碱基最多稀有碱基最多的的RNA，其稀有碱基的含量可多达其稀有碱基的含量可多达20%。 tRNA是是保守性最强保守性最强的的RNA稳定的三叶草结构。稳定的三叶草结构。 tRNA是是单链单链核酸，但其分子中的某些局部也可核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。形成双螺旋结构。活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。tRNA的二级结构的二级结构 （P57）&tRNA的二级结构由于局部

45、双螺旋的形成而呈现的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草三叶草”形，故称为形，故称为“三叶草三叶草”结构。结构。& tRNA的的“三叶草三叶草”形结构包括形结构包括“一臂三环一臂三环”： 氨基酸臂、氨基酸臂、D臂、反密码子臂、臂、反密码子臂、TC臂臂 D环、反密码子环、环、反密码子环、可变环可变环、 TC环。环。1 12 23 3反密码子环反密码子环 反密码子反密码子tRNA的三叶草型二级结构的三叶草型二级结构（1）氨基酸接受区）氨基酸接受区包含有包含有tRNA的的3-末端和末端和5-末端末端， 3-末端的最后末端的最后3个核苷酸残基都是个核苷酸残基都是CCA，A为核苷。氨基酸可与其成为

46、核苷。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。携带氨基酸的作用。（2）反密码区反密码区与氨基酸接受区相对的一般与氨基酸接受区相对的一般含有含有7个核苷酸残基的区域，个核苷酸残基的区域，其中正中的其中正中的3个核苷酸残基个核苷酸残基称为反密码称为反密码（3 3）二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶。该区含有二氢尿嘧啶。（4） T C区区 该区与二氢尿嘧啶区该区与二氢尿嘧啶区相对，相对， 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷胸腺嘧胸腺嘧啶核糖核苷环啶核糖核苷环(T C)由由7个核苷个核苷酸组成，通过由酸组成，通过由5对碱基组成的对碱基组成的双螺旋区双螺旋区(T C

47、臂臂)与与tRNA的其的其余部分相连。除个别例外，几乎余部分相连。除个别例外，几乎所有所有tRNA在此环中都含有在此环中都含有T C 。（5）可变区可变区 位于反密码区与位于反密码区与T C区之间，区之间，不同的不同的tRNA该区变化较大。该区变化较大。 tRNA的三级结构的三级结构倒倒L形形2.3.3.3 rRNA的结构与功能的结构与功能 rRNA是细胞中是细胞中含量最多含量最多的的RNA，占总量的，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起与蛋白质一起构成核蛋白体构成核蛋白体，作为，作为蛋白质生物蛋白质生物合成的场所。合成的场所。在原核生物中，在原核生物中，rRNA有三种：有三种：5S，16S，

48、23S。其中，。其中，16S的的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，而参与构成核蛋白体的小亚基，而5S和和23S的的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。参与构成核蛋白体大亚基。在真核生物中，在真核生物中，rRNA有四种：有四种：5S，5.8S，18S，28S。其中，其中，18S的的rRNA参与构成核蛋白体小亚基，其余参与构成核蛋白体小亚基，其余的的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。参与构成核蛋白体大亚基。动物细胞核糖体动物细胞核糖体rRNA有四类：有四类：5S rRNA，5.8S rRNA，18S rRNA，28S rRNA 许多许多rRNA的一级结构及由一级结构推导的一级结构及由一级结构推导 出来的

49、二级结构出来的二级结构都已阐明，但是对许多都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。的功能迄今仍不十分清楚。大肠杆菌大肠杆菌16S rRNA的二级结构的二级结构核酶核酶v 具有自身催化作用的具有自身催化作用的RNA称为核酶（称为核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分），核酶通常具有特殊的分子结构，如锤头结构。子结构，如锤头结构。v含氮碱基具有芳香环的结构特点。由于环上极性含氮碱基具有芳香环的结构特点。由于环上极性基团（如羰基、氨基等）的存在，碱基能够发生基团（如羰基、氨基等）的存在，碱基能够发生酮式酮式烯醇式或氨式烯醇式或氨式亚氨式的互变异构。因此亚氨式的互变异构。因此，碱基

50、既有芳香环的特性，也具有氨、碱基既有芳香环的特性，也具有氨、酮和烯醇酮和烯醇等相应的化学性质。等相应的化学性质。2.4.1 含氮碱基的性质含氮碱基的性质胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构含氮碱基的碱性含氮碱基的碱性p嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。p环内氨基环内氨基的的pKa值约为值约为9.5。p碱基环外的氨基（存在于碱基环外的氨基（存在于A、G和和C）的碱性很弱，）的碱性很弱，在生理在生理pH条件下不能被质子化。这种情况与苯胺分条件下不能被质子化。这种情况与苯胺分子中的氨基相似。子中的氨基相似。p因此嘌呤和嘧啶碱基的因此嘌

51、呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡献。碱性主要是环内氨基的贡献。碱基环氮原子的烷基化反应碱基环氮原子的烷基化反应在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。在同样条件下，在同样条件下，U和和T基本上不起反应。应用基本上不起反应。应用CH2N2作为烷基作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。化剂，则所有碱基都能发生上述反应。HNN+H2NOCH3NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NNH2ORCH32.4.2 核酸的两性性质及等电点核酸的两性性质及等电点与蛋白质相

52、似，核酸分子中既含有与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸性基团（磷酸基）酸基）也含有也含有碱性基团（氨基），碱性基团（氨基），因而核酸也具因而核酸也具有两性性质。有两性性质。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比等电点比较低。较低。如如DNA的等电点为的等电点为44.5，RNA的等电点的等电点为为22.5。RNA的等电点比的等电点比DNA低低的原因，是的原因，是RNA分子中核分子中核糖基糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。

53、DNA没有这种作用。没有这种作用。2.4.3 核酸的水解核酸的水解A 酸或碱水解酸或碱水解 核酸分子中的核酸分子中的磷酸二酯键磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。可在酸或碱性条件下水解切断。 DNA和和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别对酸或碱的耐受程度有很大差别。 例如，在例如，在0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNA几乎可以完全水几乎可以完全水解解，生成，生成2-或或3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNA在同样条件下则不受影在同样条件下则不受影响。响。这种水解性能上的差别，与这种水解性能上的差别，与RNA核糖基上核糖基上2-OH的邻的邻基参与作用有很大的关系。在基参与作用有很大的关系

54、。在RNA水解时，水解时，2-OH首先进首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。在碱的作用形成水解产物。B 酶水解酶水解磷酸二酯键磷酸二酯键 以以DNA为底物的为底物的DNA水解酶（水解酶（DNase） 以以RNA为底物的为底物的RNA水解酶（水解酶（RNase）。）。根据作用方式又分作两类：根据作用方式又分作两类：核酸外切酶核酸外切酶 核酸内切酶核酸内切酶在分子生物学研究中最有应用价值的是在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性限制性核酸内切酶。核酸内切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中这种酶可以特异性的水解

55、核酸中某些特定碱基顺序部位。某些特定碱基顺序部位。2.4.4 核酸的紫外吸收（核酸的紫外吸收（P61） 在核酸分子中，由于在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系共轭双键体系，因而，因而具有独特的紫外线吸具有独特的紫外线吸收光谱，一般在收光谱，一般在260nm左右有最大吸左右有最大吸收峰，可以作为核酸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量及其组份定性和定量测定的依据。测定的依据。2.4.5 核酸的变性、复性与杂交核酸的变性、复性与杂交A 核酸的变性核酸的变性(P92)定义：定义：核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的苷酸链间的氢键

56、断裂氢键断裂，变成单链结构的过程。，变成单链结构的过程。实质：实质：变性核酸将失去其部分或全部的生物活变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构所以它的一级结构(碱基顺序碱基顺序)保持不变。保持不变。主要因素主要因素：能够引起核酸变性的因素很多。温能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。可引起核酸的变性。RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有所引起的性质变化没有DNA那样明显。那样明显。利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。况。 例如例如:天然状态的天然状态的DNA在完全变性后，在完全变性后， 紫外吸收紫外吸收(260 nm)值增加值增加2540% 。 而而RNA变性后，约增加变性后，约增加1.1%。 核酸变性后，核酸变性后，260nm的紫外吸收明显增加，这的紫外吸收明显增加，这种现象称为种现