(122)第二章 核酸141

1、第一节第一节 核酸概述核酸概述 第二节第二节 核酸的种类、分布与化学组成核酸的种类、分布与化学组成 第三节第三节 核酸的分子结构核酸的分子结构 第四节第四节 核酸的理化性质核酸的理化性质 第六节第六节 病毒和核蛋白病毒和核蛋白 第五节第五节 核酸的生物学功能核酸的生物学功能主要内容主要内容: :l早在早在18681868年，瑞士年，瑞士F. MiescherF. Miescher从细胞核中从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。的物质。l19391939年，年，E. KnappE. Knapp等第一次用实验方法证实等第一次用实验方法证实核酸

2、是生命遗传的基础物质。核酸是生命遗传的基础物质。 l核酸与蛋白质一样，是一类非常重要的生物大分核酸与蛋白质一样，是一类非常重要的生物大分子，是一切子，是一切生物机体不可缺少的组成部分生物机体不可缺少的组成部分。从简。从简单的病毒到高等的动、植物都含有核酸。单的病毒到高等的动、植物都含有核酸。l核酸是生命核酸是生命遗传信息的携带者和传递者遗传信息的携带者和传递者，它不仅，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。物变异，如

3、肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。l因此，核酸化学是现代生物化学、分子生物学和因此，核酸化学是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。医学的重要基础之一。l核酸分为两大类核酸分为两大类: :1.1.脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA） D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic A Acidcid2.2.核糖核酸（核糖核酸（RNARNA） R Riboibon nucleic ucleic A Acidcid核酸的种类和分布核酸的种类和分布lDNADNA分子含有生物物种分子含有生物物种的的所有遗传信息所有遗传信息，分，分子量一般都很大。子量一般都很大。l

4、DNADNA为为双链分子双链分子，其中，其中大多数是链状结构大大多数是链状结构大分子，也有少部分呈分子，也有少部分呈环状结构。环状结构。l主要存在于主要存在于细胞核细胞核中中lRNARNA主要是负责主要是负责DNADNA遗传信遗传信息的息的翻译和表达翻译和表达，分子量，分子量要比要比DNADNA小得多。小得多。lRNARNA为为单链分子单链分子。l主要分布于主要分布于细胞质细胞质中。中。l细胞质细胞质RNARNA可分为三种：可分为三种：mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNAl约占总约占总RNARNA的的3%-5%3%-5%。l不同细胞的不同细胞的mRNAmRNA链长和分子量差异很

5、大。链长和分子量差异很大。lmRNAmRNA功能是将功能是将DNADNA的遗传信息的遗传信息传递传递到蛋白到蛋白质合成基地质合成基地核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。lMessenger RNAl约占总约占总RNARNA的的10-15%10-15%。l它在蛋白质生物合成中起它在蛋白质生物合成中起翻译翻译氨基酸信氨基酸信息，并将相应的氨基酸息，并将相应的氨基酸转运转运到核糖核蛋到核糖核蛋白体的作用。白体的作用。l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tRNAtRNA。lRNARNA分子的大小很相似，链长一般在分子的大小很相似，链长一般在73-73-7878个核苷酸之间。个核苷

6、酸之间。lTransfer RNATransfer RNAl约占全部约占全部RNARNA的的75%-80%75%-80%，l是是核糖核蛋白体核糖核蛋白体的主要组成部分。的主要组成部分。lrRNA rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。的功能与蛋白质生物合成相关。lRibosome RNA 核酸分子都含有核酸分子都含有C C、H H、O O、N N和和P P五种元五种元素，个别核酸分子中还含有微量素，个别核酸分子中还含有微量S S。其中。其中P P的含量比较接近和恒定，一般为的含量比较接近和恒定，一般为9%-9.2%9%-9.2%，这是这是定磷法定磷法测定核酸含量的依据。测定核酸含量的依据。(

7、(一）核酸的元素组成一）核酸的元素组成l核酸（核酸（DNADNA和和RNARNA）是一种线性多聚核苷）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是酸，它的基本结构单元是核苷酸核苷酸。l核苷酸本身由核苷酸本身由核苷核苷和和磷酸磷酸组成组成, , l而核苷则由而核苷则由戊糖戊糖和和碱基碱基形成形成lDNADNA与与RNARNA结构相似，但在组成成份上略结构相似，但在组成成份上略有不同。有不同。（二）核酸的组成单位（二）核酸的组成单位-核苷酸核苷酸l 嘧啶l 书84页l 嘌呤 l 书83页l 鸟嘌呤l 次黄嘌呤l 黄嘌呤（1 1）组成核苷酸的碱基）组成核苷酸的碱基l腺嘌呤腺嘌呤AdenineNNNHNN

8、H2（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基l鸟嘌呤鸟嘌呤guanineNHNNHNONH2（1 1）组成核苷酸的碱基）组成核苷酸的碱基l尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOO（1 1）组成核苷酸的碱基）组成核苷酸的碱基l胞嘧啶胞嘧啶cytosineNNHNH2O（1 1）组成核苷酸的碱基）组成核苷酸的碱基l胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymineNHNHOOl碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。均呈平面或接近于平面的结构。l碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式- -烯醇式烯醇式或胺式或胺式- -亚

9、胺式互变异构。亚胺式互变异构。l嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（紫外区有吸收（260 nm260 nm左右）左右） 胺胺 式式 亚亚 胺胺 式式 互互 变变 异异 构构 胺胺 式式 亚亚 胺胺 式式 互互 变变 异异 构构嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共分子中都含有共轭双键体系，在轭双键体系，在紫外区有吸收紫外区有吸收（260 nm260 nm左右）左右）l组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖为所含的糖为-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖；RNARNA所含的糖则为所含的糖则为-D-D-核糖核

10、糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖l糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2l核苷酸是核苷的磷酸酯。作为核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNADNA或或RNARNA结构单元的核苷酸分别是结构单元的核苷酸分别是5-5-磷酸磷酸- -脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和5-5-磷酸磷酸- -核糖核苷。核糖核苷

11、。OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸l核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。 ATP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：构如下：O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)lATP ATP 分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷

12、酸键。两个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时, , 可以可以释放出大量自由能释放出大量自由能。lATP ATP 是生物体内最重要的是生物体内最重要的能量能量转换中间体转换中间体。ATP ATP 水解释放出水解释放出来的能量用于推动生物体内各来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。种需能的生化反应。lATP 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普通磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。化学

13、反应的激活步骤。lGTPGTP是生物体内游离存在的另一种重要的是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有核苷酸衍生物。它具有ATP 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。lGTPGTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下在许多情况下, ATP , ATP 和和 GTP GTP 可以相互转可以相互转换。换。 lcAMP(3cAMP(3,5,5- - 环腺嘌呤核苷环腺嘌呤核苷一磷酸一磷酸) )和和 cGMP( 3cGMP( 3,5,5- -环环鸟嘌呤核苷一磷酸鸟嘌呤核苷一磷酸) )的主要功的主要功能是作为细

14、胞之间传递信息的能是作为细胞之间传递信息的信使。信使。lcAMP cAMP 和和 cGMP cGMP 的环状磷酯键的环状磷酯键是一个高能键。在是一个高能键。在 pH 7.4 pH 7.4 条条件下件下, cAMP , cAMP 和和 cGMP cGMP 的水解的水解能约为能约为43.9 kj /mol43.9 kj /mol，比，比 ATP ATP 水解能高得多。水解能高得多。l多聚核苷酸是通过核苷酸的多聚核苷酸是通过核苷酸的5 5- -磷酸基与磷酸基与另一分子核苷酸的另一分子核苷酸的C C3 3-OH-OH形成磷酸二酯形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。键相连而成的链状聚合物。l由脱氧核糖核

15、苷酸聚合而成的称为由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNADNA链；链；l由核糖核苷酸聚合而成的则称为由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNARNA链。链。l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5-35-3磷酸二酯键。磷酸二酯键。l多聚核苷酸链一端的多聚核苷酸链一端的C C5 5带有一个自由磷酸基，带有一个自由磷酸基，称为称为5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；另一端表示）；另一端C C3 3带有自由的羟基，称为带有自由的羟基，称为3-3-羟基端（常用羟基端（常用3 3-OH-OH表示）。表示）。l多聚核苷酸链具有

16、方向性，当表示一个多聚核多聚核苷酸链具有方向性，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5353或是或是3535。l在多聚核苷酸（在多聚核苷酸（DNADNA或或RNARNA）链中，由于构成核苷酸单元的）链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核核苷酸差别的实际上只是戊糖和磷酸基是相同的，体现核核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：所以上式可以进

17、一步简化为： 5PAPCPGPT 3 或或 5 ACGT 3lPP5335PP53P53ACGTl多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即一定的核苷酸顺序，即碱基顺序碱基顺序。l核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。lDNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于式。生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中

18、。核苷酸千变万化的不同排列组合之中。lmRNA(mRNA(信息信息RNA)RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白质的的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。（一）（一）DNADNA的碱基组成（的碱基组成（ChangaffChangaff定则）定则） 1950195019531953年，年，E.ChargaffE.Chargaff应用纸层析及紫外分应用纸层析及紫外分光光度法在研究各种生物的光光度法在研究各种生物的DNADNA碱基组成后碱基组成后 ，提，提出了出了ChangaffChangaff定则定则，阐明，阐明DNADNA碱基组成的普遍

19、规碱基组成的普遍规律如下：律如下： (1) (1)来自同一种生物的体细胞的来自同一种生物的体细胞的DNADNA的碱基组成是的碱基组成是相同的，无组织和器官的特异性。来自不同生物相同的，无组织和器官的特异性。来自不同生物DNADNA碱基组成有很大差异，可用碱基组成有很大差异，可用“不对称比不对称比率率”A+T/G+CA+T/G+C来表示。这说明来表示。这说明DNADNA碱基组成具有种碱基组成具有种的特异性。的特异性。（一）（一）DNADNA的碱基组成的碱基组成 (2)(2)亲缘相近的生物，其碱基组成相似亲缘相近的生物，其碱基组成相似，即不对称比率，即不对称比率相近似。相近似。 (3)(3)在同一

20、种生物内，其在同一种生物内，其DNADNA分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的数量相等数量相等(A=T);(A=T);鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等(G=C)(G=C)。进。进而而 可知，可知，同一生物同一生物DNADNA分子中的嘌呤碱总量与嘧啶碱分子中的嘌呤碱总量与嘧啶碱总量相等总量相等(A+G=C+T)(A+G=C+T)。 (4)DNA (4)DNA的碱基组成一般不受年龄、营养状态、环境条件的碱基组成一般不受年龄、营养状态、环境条件的影响。因而的影响。因而可将可将DNADNA碱基组成作为生物分类的指标。碱基组成作为生物分类的指标。 8787页表页表4-44-4

21、l19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. Crick F. Crick 在前人研究工作在前人研究工作的基础上，根据的基础上，根据DNADNA结晶的结晶的X-X-衍射图谱和分子模衍射图谱和分子模型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，并对模，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。型的生物学意义作出了科学的解释和预测。lDNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单链组成。单链组成。lDNADNA的双螺旋结构是分子中两条的双螺旋结构是分子中两条DNADNA单链之间基团单链之间基团相互识别和作用的结果。相互识别和作用的结果。l双螺

22、旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级结构的最基本形式。二级结构的最基本形式。l（1 1）DNADNA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( (简简称称DNADNA单链单链) )组成。组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为即其中一条链的方向为5353，而另一条链的，而另一条链的方向为方向为3535。 （2 2）嘌呤碱和嘧）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基螺旋外侧。碱基环

23、平面与螺旋轴环平面与螺旋轴垂直，糖基环平垂直，糖基环平面与碱基环平面面与碱基环平面成成9090角。角。（3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的直径约为直径约为2 nm2 nm，每，每条链相邻两个碱基条链相邻两个碱基平面之间的距离为平面之间的距离为0.34 nm0.34 nm，每，每1010个个核苷酸形成一个螺核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度旋旋转一圈）高度为为3.4 nm3.4 nm。l（4 4）两条链借碱基之间的氢）两条链借碱基之间的氢链和碱基堆积力牢固地连结。链和碱基堆积力牢固地连结。碱基的相互结合具有严格的碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（配对规律，

24、即腺嘌呤（A A）与）与胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）结合，鸟嘌呤）结合，鸟嘌呤（G G）与胞嘧啶（）与胞嘧啶（C C）结合，）结合，这种配对关系，称为这种配对关系，称为碱基互碱基互补。补。A A和和T T之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。l在在DNADNA分子中，分子中，嘌呤碱基的总嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。数与嘧啶碱基的总数相等。lDNADNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。l维持这种稳定性的因素包括：维持这种稳定性的因素包括：l（1 1）氢键：氢键：互补碱基对之间的氢键，但作用比互补碱基对之

25、间的氢键，但作用比较微弱，不是主要力量。较微弱，不是主要力量。 l（2 2）碱基堆积力：碱基堆积力：由于芳香族碱基的由于芳香族碱基的电子之电子之间相互作用而引起的。现在普遍认为这种碱基堆间相互作用而引起的。现在普遍认为这种碱基堆积力是稳定积力是稳定DNADNA的主要力量。的主要力量。l（3 3）离子键：离子键：由磷酸残基上的负电荷与介质中由磷酸残基上的负电荷与介质中阳离子之间形成的。这可减少双链间的静电斥力阳离子之间形成的。这可减少双链间的静电斥力而稳定双螺旋结构。而稳定双螺旋结构。l双链双链DNADNA分子常为线形，少数分子常为线形，少数DNADNA分子的首尾以共价键连分子的首尾以共价键连接

26、成环状，在细胞内，这些双链环状接成环状，在细胞内，这些双链环状DNADNA再做多次扭曲再做多次扭曲而形成麻花状的三级结构，也叫超卷曲而形成麻花状的三级结构，也叫超卷曲(supercoil)(supercoil)或或超螺旋超螺旋(superhelix)(superhelix)结构，核小体中的结构，核小体中的DNADNA的扭曲方式的扭曲方式即属于三级结构的构象即属于三级结构的构象。l核酸的三级结构包括线状双链中的可能出现的纽结和超核酸的三级结构包括线状双链中的可能出现的纽结和超螺旋、多重螺旋和分子内单链形成的环以及环状螺旋、多重螺旋和分子内单链形成的环以及环状DNADNA中中的结、超螺旋和连环体等

27、拓扑学状态。的结、超螺旋和连环体等拓扑学状态。 lDNADNA的三螺旋结构与双螺旋结构相似，的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通过都是通过DNADNA单链之间形成氢键实现单链之间形成氢键实现的。的。lRNARNA的一级结构是以的一级结构是以3 3 ，5-5-磷酸二酯键连接磷酸二酯键连接而成的多聚核糖核苷酸链。而成的多聚核糖核苷酸链。l 大多数天然大多数天然RNARNA分子是一条单链，某些区域发生分子是一条单链，某些区域发生自身回折，回折部分的一些碱基互相靠近且互补自身回折，回折部分的一些碱基互相靠近且互补配对形成链内氢键，构成双螺旋；不能配对碱基配对形成链内氢键，构成双螺旋；不能配对碱基则形成

28、环状突起。则形成环状突起。 lRNARNA有许多种，细胞内主要有三种主要类型有许多种，细胞内主要有三种主要类型RNARNA，即即tRNAtRNA，rRNArRNA，mRNAmRNA。 1.tRNA1.tRNA一级结构的特点一级结构的特点 1963 1963年年CrickCrick提出提出tRNAtRNA存在。存在。tRNAtRNA 约占细胞中约占细胞中RNARNA总量总量10%10%15%15%。 tRNA tRNA都具有共同特征：都具有共同特征： 分子量分子量2500025000左右，大约由左右，大约由7070 90 90个核苷酸组成个核苷酸组成 分子中含有较多修饰（稀有）碱分子中含有较多修

29、饰（稀有）碱 基，多为基，多为A A，U U，C C，G G的甲基或二的甲基或二 甲基衍生物。甲基衍生物。 5- 5-端呈磷酸化，通常是端呈磷酸化，通常是pGpG； 3- 3-末端具有末端具有CpCpAOHCpCpAOH的结构。的结构。 约有约有50%50%的核苷酸的碱基配对，的核苷酸的碱基配对， 呈双螺旋结构；不成对碱基形成呈双螺旋结构；不成对碱基形成 四个突环。四个突环。2.mRNA2.mRNA一级结构的特点一级结构的特点19601960年发现年发现mRNAmRNA，占细胞，占细胞RNARNA总量的总量的3%3%5%5%。真核。真核细胞细胞mRNAmRNA的的3 3- -末端有一段长达末端

30、有一段长达200200个核苷酸左右个核苷酸左右的的聚腺苷酸聚腺苷酸(polyA)(polyA)，称为，称为 “尾结构尾结构” ，5 5 - -末端末端有一有一个甲基化的鸟苷酸，称为个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构帽结构” 。l绝大多数真核细胞绝大多数真核细胞mRNAmRNA在在3 3- -末端有一末端有一段长约段长约200200核苷酸的核苷酸的polyApolyA。polyApolyA是在转是在转录后经录后经polyApolyA聚合酶的作用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的原核生物的mRNAmRNA一般无一般无polyApolyA，但某些病，但某些病毒毒mRNAmRNA也有也有3

31、 3- polyA- polyA。 polyA polyA可能有多方面功能可能有多方面功能, ,与与mRNAmRNA从细胞从细胞核到细胞质的转移有关；与核到细胞质的转移有关；与mRNAmRNA的半寿的半寿期有关，新合成的期有关，新合成的mRNAmRNA，polyApolyA链较长，链较长，而衰老的而衰老的mRNAmRNA， polyApolyA链缩短链缩短 动物细胞核糖体动物细胞核糖体rRNArRNA有四类：有四类：5SrRNA5SrRNA，5.8SrRNA5.8SrRNA，18SrRNA18SrRNA，28SRNA28SRNA。许多。许多rRNArRNA的一级结构及由一级结构推导的一级结构及

32、由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNArRNA的功能迄今仍不的功能迄今仍不十分清楚。十分清楚。约占细胞约占细胞RNARNA总量的总量的75%75%80%80%。它与蛋白质结合构成核。它与蛋白质结合构成核糖体糖体(ribosome)(ribosome)。核糖核蛋白体是合成蛋白质的细胞器。它。核糖核蛋白体是合成蛋白质的细胞器。它由大小两个亚基组成。由大小两个亚基组成。 RNA RNA高级结构特点：高级结构特点：lRNARNA是是单链分子单链分子，因此，在，因此，在RNARNA分子中，分子中，并并不遵守碱基种类的数量比例关系不遵守碱基种类的数量比例

33、关系，即，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。碱基的总数。lRNARNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为环。这种结构可以形象地称为“发夹型发夹型”结构。结构。 RNA RNA的高级结构特点：的高级结构特点：l在在RNARNA的双螺旋结构中，的双螺旋结构中，碱基的配对情况碱基的配对情况不象不象DNADNA中严格中严格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，配对外，也可以和也可以和U U 配对。配对。G-U G-U 配对形

34、成的氢键配对形成的氢键较弱。不同类型的较弱。不同类型的RNA, RNA, 其二级结构有明其二级结构有明显的差异。显的差异。ltRNAtRNA中除了常见的碱基外，还存在一些中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部，这类碱基大部分位于突环部分分. .l下面以下面以tRNAtRNA为例具体介绍为例具体介绍 tRNAtRNA的二级结构都呈的二级结构都呈“ 三叶草三叶草” 形状，形状，在结构构上具有某些共在结构构上具有某些共同之处，一般可将其分同之处，一般可将其分为为五臂四环。五臂四环。包括氨基包括氨基酸接受区、反密码区、酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、二氢尿嘧啶区、T

35、 T C C区区和可变区。除了氨基酸和可变区。除了氨基酸接受区外，其余每个区接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个均含有一个突环和一个臂臂 1.tRNA1.tRNA的二级结构的二级结构(1)(1)氨基酸接受区氨基酸接受区包含有包含有tRNAtRNA的的3 3- -末端末端和和5 5- -末端，末端， 3 3- -末端末端的最后的最后3 3个核苷酸残基都个核苷酸残基都是是CCACCA。氨基酸可与其成。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。中起携带氨基酸的作用。(2)(2)反密码区反密码区与氨基酸接受区相对的与氨基酸接受区相对的一般含有一般含有7 7个核苷酸

36、残基个核苷酸残基的区域，其中正中的的区域，其中正中的3 3个个核苷酸残基称为反密码核苷酸残基称为反密码子子 (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 (4)T C C区区 该区与二氢尿嘧啶区相对，该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷- -胸腺嘧啶胸腺嘧啶核糖核苷环核糖核苷环( (T T C)C)由由7 7个个核苷酸组成，通过由核苷酸组成，通过由5 5对对碱基组成的双螺旋区碱基组成的双螺旋区( (T T C C臂臂) )与与tRNAtRNA的其余部的其余部分相连。分相连。 (5)(5)可变区可变区 位于反密码区与位于反密码区与T T

37、C C区之区之间，不同的间，不同的tRNAtRNA该区变化该区变化较大。较大。 在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的知的tRNAtRNA的三级结构均为倒的三级结构均为倒L L型型 l与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。l由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨

38、基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNADNA的等电点为的等电点为4 44.54.5，RNARNA的等电点为的等电点为2 22.52.5。lRNARNA的等电点比的等电点比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核糖基分子中核糖基2-2-OHOH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，DNADNA没有这没有这种作用。种作用。 l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，因而共轭双键体系，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2

39、60nm260nm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。 l1. 1. 核酸的变性核酸的变性l核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构它的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。l能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、能够引起

40、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可引起酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。核酸的变性。 l当当DNADNA的稀盐溶液加的稀盐溶液加热到热到80-10080-100时，双时，双螺旋结构即发生解体，螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形两条链彼此分开，形成无规线团。成无规线团。lDNADNA变性后，它的一变性后，它的一系列性质也随之发生系列性质也随之发生变化，如生物活性丧变化，如生物活性丧失、粘度下降、浮力失、粘度下降、浮力密度增大、沉降系数密度增大、沉降系数增加、紫外吸收增加、紫外吸收(260 (260 nm)nm)值升高值升高, , 粘度降粘度降低等

41、。低等。 增增色色效效应应lRNARNA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DNADNA那样明显。那样明显。l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。l核酸变性后，由于双螺旋解体，碱基堆积已不核酸变性后，由于双螺旋解体，碱基堆积已不存在，藏于螺旋内部的碱基暴露出来，这样就存在，藏于螺旋内部的碱基暴露出来，这样就使得变性后的使得变性后的DNADNA对对260nm260nm紫外光的吸光率比变紫外光的吸光率比变性前明显升高（例如，天然状态的性前明显升高（例如，天然状态的DNAD

42、NA在完全在完全变性后，紫外吸收值增加变性后，紫外吸收值增加252540%40%；而；而RNARNA变性变性后，约增加后，约增加1.1%1.1%），这种现象称为），这种现象称为增色效应增色效应. . lDNADNA的变性过程是突变性的，它在很窄的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起的温度区间内完成。因此，通常将引起DNADNA变性的温度称为变性的温度称为“熔点熔点”或解链温或解链温度，用度，用T Tm m表示。表示。l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分子中的值与分子中的G G和和C C

43、的含量有关。的含量有关。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmTm值，值，可反映可反映DNADNA分子中分子中G, CG, C含量，可通过经含量，可通过经验公式计算：验公式计算：l （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 l2.2.核酸的复性核酸的复性l核酸热变性后，双螺旋结构中的两条核酸热变性后，双螺旋结构中的两条DNADNA单链单链分开为单链，如果把此热溶液迅速冷却，则分开为单链，如果把此热溶液迅速冷却，则两条单链继续保持分开；若将此热溶液缓慢两条单链继续保持分开；若将此热溶液缓慢冷却冷却( (称退火处

44、理称退火处理) )，则两条单链可发生特异，则两条单链可发生特异的重组合而恢复双螺旋。这一过程叫复性的重组合而恢复双螺旋。这一过程叫复性( (冷冷却重组却重组) ) l变性变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此分开的单在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。为复性。DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。但是生物活性一般只能得到部分的恢复。lDNADNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。复性的程度、速率与复性过程的条件有关。l将热变性的将热变性

45、的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能不可能复性。但是将变性的复性。但是将变性的DNADNA缓慢冷却时，可以复缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，容易。此外，DNADNA的复性也与它本身的组成和的复性也与它本身的组成和结构有关。结构有关。 减减色色效效应应l变性的核酸复性后，其溶液的变性的核酸复性后，其溶液的A260A260值减值减小，最多可减小至变性前的小，最多可减小至变性前的A260A260值，这值，这种现象程减色效应。种现象程减色效应。 l3.3.核酸的杂交核酸的杂交l热变性的热变性的

46、DNADNA单链，在复性时并不一定与单链，在复性时并不一定与同源同源DNADNA互补链形成双螺旋结构，它也可互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源以与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单单链形成双螺旋结构。链形成双螺旋结构。l这样形成的新分子称为杂交这样形成的新分子称为杂交DNADNA分子。分子。DNADNA单链与互补的单链与互补的RNARNA链之间也可以发生链之间也可以发生杂交。杂交。l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。究中具有重要意义。 l1.1.酸或碱水解酸或碱水解 l核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解

47、切核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。断。lDNADNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA几乎可以完全水解，生几乎可以完全水解，生成成2-2-或或3-3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNADNA在同样条件下则不受影在同样条件下则不受影响。这种水解性能上的差别，与响。这种水解性能上的差别，与RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的邻基参与作用有很大的关系。在的邻基参与作用有很大的关系。在RNARNA水解时，水解时，2-2-OHOH首先进攻磷酸基

48、，在断开磷酯键的同时形成环状磷首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。 l生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。酸链中的磷酸二酯键。l以以DNADNA为底物的称为底物的称DNADNA水解酶（水解酶（DNasesDNases）和以）和以RNARNA为底物的称为底物的称RNARNA水解酶（水解酶（RNasesRNases）。）。l根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。l核酸外切酶的

49、作用方式是从多聚核苷酸链的一端（核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-3-端或端或5-5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。切断磷酸二酯键。l在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内切酶。这在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。 l1.1.分离原则分离原则l2.DNA2.DNA的提

50、取的提取l3.RNA3.RNA的提取的提取l P112-113 P112-113 一一.DNA.DNA的复制与生物遗传信息的保持的复制与生物遗传信息的保持 一一.DNA.DNA的复制与生物遗传信息的保持的复制与生物遗传信息的保持lDNADNA复制的要点是：复制的要点是：l1 1）在复制开始阶段，）在复制开始阶段，DNADNA的双螺旋拆分成两条的双螺旋拆分成两条单链。单链。l2 2）以）以DNADNA单链为模板，按照碱基互补配对的原单链为模板，按照碱基互补配对的原则则, , 在在DNADNA聚合酶催化下，合成与模板聚合酶催化下，合成与模板DNADNA完全完全互补的新链，并形成一个新的互补的新链，

51、并形成一个新的DNADNA分子。分子。l3) 3) 通过通过DNADNA复制形复制形成的新成的新DNADNA分子分子, , 与原来的与原来的DNADNA分子分子完全相同。完全相同。 经过经过一个复制周期后，一个复制周期后，子代子代DNADNA分子的两分子的两条链中，一条来自条链中，一条来自亲代亲代DNADNA分子，另分子，另一条是新合成的，一条是新合成的，所以又称为半保留所以又称为半保留复制。复制。l二、二、RNARNA与生物遗传与生物遗传信息的表达信息的表达 首先，首先，DNADNA通过转录作通过转录作用，将其所携带的遗传用，将其所携带的遗传信息（基因）传递给信息（基因）传递给m R N A

52、 , m R N A , 在 三 种在 三 种 R N A R N A（mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA）的共同作用下，完成蛋的共同作用下，完成蛋白质的合成。白质的合成。生物的遗传信息从生物的遗传信息从 DNA DNA传递传递给给mRNAmRNA的过程称为的过程称为转录转录。然。然后根据后根据mRNAmRNA链上的遗传信息链上的遗传信息合成蛋白质，这个过程称为合成蛋白质，这个过程称为翻译和表达翻译和表达。19581958年年CrickCrick将生物遗传信息的这种传递将生物遗传信息的这种传递方式称为方式称为中心法则中心法则。DNARNA蛋白质转录反转录翻译复制复制l基因转

53、录是以基因转录是以DNADNA为模板合成与其碱基顺为模板合成与其碱基顺序互补的序互补的mRNAmRNA的过程。的过程。l细胞生长周期的某个阶段，细胞生长周期的某个阶段，DNADNA双螺旋解双螺旋解开成为转录模板，在开成为转录模板，在RNARNA聚合酶催化下，聚合酶催化下，合成合成mRNAmRNA。mRNAmRNA不能自我复制不能自我复制，即其本，即其本身不能作为复制模板，因此在转录过程身不能作为复制模板，因此在转录过程中即使出现某些差错，也不会遗传下去。中即使出现某些差错，也不会遗传下去。lmRNA mRNA 是是DNADNA的转录本，携带有合成蛋白的转录本，携带有合成蛋白质的全部信息。质的全

54、部信息。蛋白质的生物合成实际蛋白质的生物合成实际上是以上是以mRNAmRNA作为模板进行的作为模板进行的。lmRNAmRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（种碱基（A A、G G、C C和和U U）以特定顺序排列成三个一组的三）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。l这种代表遗传信息的三联体称为这种代表遗传信息的三联体称为密码子或三联体密码子密码子或三联体密码子。 l因此因此 mRNA mRNA 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨分子的碱基顺序即表示

55、了所合成蛋白质的氨基酸顺序。基酸顺序。l mRNAmRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。的每一个密码子代表一个氨基酸。2020种基本氨基种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子是肽链合成起始密码子是肽链合成起始密码子, , 三个是终止密码子，以保证蛋三个是终止密码子，以保证蛋白质合成能够有序地进行。白质合成能够有序地进行。 l三三. .遗传变异的化学本质遗传变异的化学本质lDNADNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异。生物特征或性状发生变异。l