生物化学第六章 核酸

第六章核酸第一部分核酸通论第二部分DNA的结构与功能第三部分RNA的结构与功能第四部分核酸的性质与研究第一部分核酸通论核酸的研究历史重要的DNA研究实验核酸的种类与生物学功能核酸的化学组成一、核酸的研究历史1、DNA1868年，瑞士外科医生FridrichMiescher在测定淋巴细胞蛋白质组成时,发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物,并在脓细胞核里都找到了此物质,命名为核质(Nuclein)。1879年

Kossel经过10年的努力,搞清核质中有A、T、C和G四种不同的组成部分；1889年

Altman建议将“核质”改名为“核酸”,因已认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。1909年

Levene发现酵母的核酸含有核糖。1930年

Levene发现动物细胞的核酸含有一种特殊的核糖－脱氧核糖,得出植物核酸含核糖,动物核酸含脱氧核糖的错误概念，至1938年方清楚RNA和DNA的区别。Levene还提出了核酸的“磷酸－核糖(碱基)－磷酸”的骨架结构,解决了DNA分子的线性问题,还在1935年提出“四核苷酸”,认为这四种碱基的含量是一样的。1944年，OswaldAvery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。

1950年

Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分析了DNA的组成成分,得知[A]=[T],[G]=[C],[A+G]=[C+T]1953年

Watson与Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果,提出了DNA的双螺旋模型(Doublehelix)。几星期后提出了半保留式复制模型。1957年

Meselsnhe&Stahl用密度梯度超离心法,证实半保留复制假说。1958年

Kornberg得到高纯度的DNApolymerase,这种酶需要一个模板DNA。1960年

Cairns将复制中的细菌DNA电镜照片拍了下来。1970年发现第一个DNA限制性内切酶。1972年

DNA重组技术的建立。1978年双脱氧DNA测序法的建立。1990年人类基因组计划实施。2、rRNA上世纪30年代发现细胞质和细胞核中都有核酸存在，用1924年福尔根发明的染色法去染色，只能使细胞核中的核酸染色。但两种核酸在260nm的吸收非常相似。1941年，细胞学家J.Brachet和T.Caspersor注意到细胞质中的核酸与蛋白质的合成有密切的关系。50年代，有人用电子显微镜和物理化学手段发现大肠杆菌细胞质的RNA常常存在于蛋白质合成相关的颗粒中（Ф20nm,用35S进行脉冲式标记的实验证明该颗粒是蛋白质合成的所在地），简称核糖体。核糖体得到分离后，发现里面含RNA，称rRNA。Watson等发现rRNA的G≠C，A≠U，断定是一单链分子。3、mRNA1948年有人报道，当噬菌体感染了细菌后会产生一种很不稳定的RNA，而大多数是和核糖体结合在一起。BrennerJacob等人用13C、15N标记蛋白质，用32P标记核酸的方法证实了这是一种新的RNA分子，命名为信使RNA,即mRNA(m,messenger)。1961年，Spielman创造了分子杂交法，通过32P

-mRNA-DNA杂交分子证明了mRNA的存在。4、tRNA1957年HoaglandM.B.发现一类稳定的不与核糖体结合RNA小分子。CrickF.比较了核酸和氨基酸的大小和形状后，认为不可能在空间上互补，因此他对核酸→蛋白质的信息传递作了以下预测：1)它是一种分子转换器，使信息从核酸序列转换成氨基酸序列；2)这种分子很可能是核酸；3).它不论以何种方式进入蛋白质翻译系统的模板，都必须与模板形成氢键（即配对）；4)有20种分子转换器，每种氨基酸一个；5)每种氨基酸必定还有一个对应的酶，催化与特定的分子转换器结合。1963年，Ehrenstein等人用实验证明了Hoagland发现的分子就是Crick预言的分子转换器，即tRNA。1965年Holley经过7年的努力测出酵母Ala-tRNA序列。5、遗传密码的破译1953年

Dounce假设DNA通过RNA将信息传给蛋白质，RNA上每三个核苷酸形成一个“空洞”，正好将一个个氨基酸装进去。该假说允许三联体的重叠。1954年物理学家Gamow，与Teller等人联手，也提出三联体学说，并指出不可重复的特点。1957年

Crick也提出了三联体的假说。他意识到要解决“天书”的“词法”和“句法”，必须要有一本标准词典，以便决定64种组合中的44种是无用的。即“简并密码”和“阅读框”1961年

Crick在BencerS的突变实验的基础上，用重组法得到了+++和---型，发现读框和野生型一致，从而证明了三联体的假说。1961年

Nirenberg,Matthaei&Ochoa用生物化学手段开始了密码测试，得到20种氨基酸的密码子的核酸成份。1964年

Khorana合成了U和G交替的多聚核苷酸，所对应的合成肽为VCVCVC，对照密码子的核酸成份可以最终决定。后来合成了UUGUUUGUUG…产生了poly(L),poly(C)和poly(V)。1964年

Nirenberg找到了更妙的突破口，合成三联体，它能与tNRA进行密码子－反密码子的碱基配对，从而影响肽链的合成。1966年遗传密码的破译工作基本结束，Crick绘制了密码表，提出了摆动学说（wobbleconcept)，及时收回了“同义词”不存在的假设。

1944年O.T.Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗传信息的分子，几年之后，A.Hershy和M.Chase通过噬菌体感染实验也证实DNA是遗传物质。1.肺炎球菌的转化实验（Hershy-Chase

）

肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：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：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出了O.T.Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验过程。二、重要的DNA研究实验（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。（b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。（c）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。（d）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，小鼠死掉。（e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并尽可能将混在DNA中的蛋白质除去，然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。1944年，Avery的转换转化实验orand可分离2.噬菌体感染实验

用32P标记噬菌体DNA，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（10000转/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35S标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。结果大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清中。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。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。32P标记噬菌体DNA35S标记噬菌体外壳三、核酸种类与生物功能

1、核酸种类与分布

脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）

核糖体rRNA

核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）转运tRNA

信使mRNA2、核酸的分布脱氧核糖核酸（DNA）：分布于细胞核中，为染色体主要成份。核糖核酸：（RNA）：分布于细胞质和核仁中。98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA

拟核原核核外：质粒（plasmid）

病毒：DNA病毒

3、DNA的分布4、核酸的生物功能

脱氧核糖核酸（DNA）：遗传信息的载体

核糖体rRNA：蛋白质合成场所

核糖核酸（RNA）转运tRNA：转运氨基酸

信使mRNA：转录遗传信息，指导蛋白质合成5、分子生物学的中心法则四、核酸的化学组成

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。核酸是一种线形多聚核苷酸。核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，所以核酸的基本单位是：核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖（核糖、脱氧核糖）元素组成：C、H、O、N、P

1、戊糖组成核酸的戊糖有两种，DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖，RNA所含的糖则为β-D-核糖。RiboseDeoxyribose2、碱基核苷酸含有两类碱基，或是嘧啶的衍生物，或是嘌呤的衍生物。（1）嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤（Adenine）A（鸟嘌呤）guanineG（2）嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT

在DNA和RNA中都有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。胸腺嘧啶（T）只出现在DNA分子中，尿嘧啶（U）则只出现于RNA分子中。嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸两类核酸分子的组成比较（3）杂环碱的互变异构腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨的形式存在,也可以以亚胺的形式存在；鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以酮式存在，也可以以醇式存在。在大多数细胞的内部，氨式和酮式占优势，是最稳定的。（4）稀有碱基和合成碱基核酸中也存在一些不常见的稀有碱基，大部分是上述碱基的甲基化产物。5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、5,6-双氢尿嘧、假尿嘧啶、7-甲基鸟嘌呤。Ψ假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶mG：7-甲基鸟嘌呤NNNNH2NOHCH392456781

一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症；5-氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。3、核苷（nucleoside）

核苷：戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)在每一种核苷中，糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的

-N-糖苷键与碱基连接，核糖中的碳原子的编号都带有“

’”以区别于碱基中的原子编号。AdenosineGuanosineCytidineUridine假尿苷（ψ）：核糖与尿嘧啶第5位碳原子形成C-C糖苷键5OH

几种重要的稀有核苷次黄苷（肌苷）：I

黄嘌呤核苷：X

二氢尿嘧啶核苷：D7-甲基鸟苷：m7G4、核苷酸（nucleotide）

核苷酸：核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸HHHHHHHHH5、核苷酸衍生物（1）继续磷酸化核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸，下图给出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的结构。AMPADPATP

(1)磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5’上。

磷酸之间的焦磷酸键含有很高的能量，称为高能键，是生物体内能量利用和贮存的主要物质（12千卡/每克分子高能键）。（2）NDP(nucleosidediphosphate)与dNDP

核苷二磷酸：ADP、GDP、CDP、UDP

脱氧核苷二磷酸：dADP、dGDP、dCDP、dTDP（3）NTP(nucleosidetriphosphate)与dNTP

核苷三磷酸：ATP、GTP、CTP、UTP

脱氧核苷三磷酸：dATP、dGTP、dCTP、dTTP（2）环化磷酸化

ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3’,5‘-环腺苷酸（cAMP）,同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3’,5’-环鸟苷酸（cGMP）。通常把激素称之第一信使，把cAMP（或cGMP）称之第二信使。cAMPcGMP（3）肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)IMP

GMP6、多聚核苷酸-核酸

多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’

—磷酸基形成3’,5’—

磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）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5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH

RNARNA：ribonucleicacid

核糖核酸DNA：deoxyribonucleicacid

脱氧核糖核酸嘧啶（pyrimidine）

cytosine(Cyt)胞嘧啶

thymine(Thy)胸腺嘧

uracil(Ura)尿嘧啶嘌呤（purine）

adenine(Ade)腺嘌呤

uanine(Gua)鸟嘌呤总结ribonucleside核糖核苷（不带磷酸）

adenosine(Ado)腺(嘌啉核)苷

guanosine(Guo)鸟(嘌啉核)苷

cytidine(Cyd)胞(嘧啶核)苷

thymidine(Thd)胸(腺嘧啶脱氧核)苷

uridine(Urd)尿(嘧啶核)苷ribonucletide核糖核苷酸（带磷酸）

adenosine5’-mono(di,tri)phosphaste；

AMP,ADP,ATPdeoxyribonucleoside脱氧核糖核苷

deoxyadenosine(dAdo)……deoxyribonucleotide脱氧核糖核苷酸

dAMP,dADP,dATP……dNTP第二部分DNA的结构与功能DNA的一级结构

DNA的二级结构

DNA的三级结构真核生物的染色体

DNA的功能1、DNA的碱基组成-Chargaff法则

Chargaff等在20世纪50年代用纸层析技术和紫外分光光度法研究了各种生物DNA的碱基组成。得出如下规律：嘌呤碱基等于嘧啶碱基A+G=C+T且A=T、G=C；同种生物的不同组织的碱基组成是相同的，即碱基组成没有组织和器官的特异性；不同生物的同种组织的碱基组成是不同的，即DNA的碱基组成具有种属特异性。年龄、营养状态及环境的改变不影响碱基组成。G-C含量常用来表示碱基组成。例：G+C=40%,则G=20%、C=20%、T=30%、A=30%一、DNA的一级结构碱基之间的这些定量关系对于建立DNA的三维结构以及遗传信息是如何编码在DNA中一代一代传下去是一个关键。不同来源的DNA的碱基组成（摩尔百分比）和碱基比例2、DNA的一级结构一级结构指其核苷酸的排列顺序。核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列。DNA：四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷酸链（polydeoxynucleotides）。DNA的书写顺序是5‘—3’。5’末端的磷酸基团3‘，5’-磷酸二酯键3‘末端羟基二、DNA二级结构（双螺旋结构）注：沟内碱基对的边缘是暴露给溶剂的，所以能够与特定的碱基对相互作用的分子可以通过这些沟去识别碱基对，而不必将螺旋破坏。这对于可以与DNA结合并“读出”特殊序列的蛋白质是特别重要的。1、DNA双螺旋结构的特点（1）双螺旋：

DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构;双螺旋结构上有大沟和小沟二条螺形凹沟;螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。（2）基团位置：嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3′-5′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。（3）尺度：螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，相邻核苷酸的夹角为36

。沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm（即螺旋旋转一圈，高度为3.4nm）。2.0nm小沟大沟34A（4）碱基配对原则：双螺旋内部的碱基按规则配对，碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。双螺旋的两条链是互补关系，但碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。

DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。G和C之间形成三个氢键A和T之间形成二个氢键DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定的。维持这种稳定性的主要因素包括：两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力；另外，存在于DNA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。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。2、DNA双螺旋的稳定因素3、双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理，解释了遗传物质自我复制的机制。

模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，氢键断裂，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补链，这样就得到了两对链，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。亲本链子链子链4、Dickerson十二聚体的补充

两个核苷酸之间的夹角并非都是36°，可由28至42不等，实际平均每一螺周含10.5个碱基对；组成碱基对的两个核苷酸的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片的样子，故称为螺旋桨状扭曲。这可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定；维持DNA二级结构的作用力为氢键、碱基堆积力,碱基堆积力为维持二级结构的主要作用力。(1)DNA螺旋的各种结构右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的DNA的结构，这种结构称为B-DNA。1979年，AlexanderRich发现了左手螺旋，称为Z-DNA；另外也有A-DNA、H-DNA的存在。B型结构：两条链反向平行，右手螺旋；碱基在内,碱基平面垂直于螺旋轴；戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）。A型结构:碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构:左手螺旋，只有小沟。H型结构:一些碱基与附加链或适当序列的双螺旋配对，形成三螺旋或四螺旋的DNA.以镜像重复序列排列的嘧啶区呈现三螺旋结构，称为H-DNA.5、DNA结构的多样性(2)各类双螺旋DNA的结构参数(3)双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对与水平面倾角戊糖环翘起构象糖苷键构象A－DNA右2.552.31119ºC-3’在内反式B－DNA右2.373.410.51ºC-2’在内反式Z－DNA左1.843.8129º嘧啶C-2’在内，嘌呤C-3’在内嘧啶反式嘌呤顺式C-3’内式和C-2’内式是指呋喃核糖信封式构象中C3还是C2指向C5；糖苷键构象：嘌呤六元环或嘧啶的O指向；远离糖的为反式，指向糖的为顺式。三、DNA的三级结构DNA的三级结构指DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。1、环形DNA

大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋。包括某些病毒、噬菌体、细菌质粒、真核生物线粒体和叶绿体、细菌染色体DNA。线形DNA的两端有粘末端，也可借助DNA连接酶将互补的粘末端连接成环形DNA。2、超螺旋结构

当DNA双螺旋分子以一定构象自由存在时，处于能量最低状态，为松弛型；如果额外多转或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA将恢复正常的双螺旋状态；但如果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放掉，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（双螺旋的螺旋）。

两手分别捏住线性DNA分子两端，其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当向右捻动时（即沿右手螺旋方向捻动），等于紧旋（所谓的“上劲”）。处于这样状态的DNA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，所以称为过旋。将处于松弛状态（B构型）的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“卸劲”）。处于这样状态的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状态，称为欠旋。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B构象。过旋DNA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。

向左捻向右捻松弛型正超螺旋负超螺旋3、环状DNA的拓扑学特征（1）连环数（linkingnumber）：在双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示；（2）扭曲数（缠绕数：twistingnumber）：DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目（螺周数），以T表示；（3）超螺旋数（writhingnumber）

：双螺旋链再扭曲成螺旋的周数，以W表示。三者关系：L=T+W，L值必须是整数。

DNA分子具有相同的结构，但L值不同，称它们为拓扑异构体，拓扑异构酶能够催化它们之间的转换。

4、负超螺旋

DNA负超螺旋易于解链，在DNA复制、重组和转录等过程中都需要两条链解开，所以负超螺旋利于这些功能的实施。设一段260bp，螺周数为25的DNA。(1）将此线形DNA连接成环形时，称为松弛型DNA：

L=25、T=25、W=0(2）将此线形DNA的螺旋先拧松两周（其他的周内螺旋不解链），再连接成环形时，可形成两种环形DNA：解链环形DNA：L=23、T=23、W=0（含有一个解链后形成的突环）超螺旋DNA：L=23、T=25、W=-2（为负超螺旋）

染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白，大多数真核细胞中都含有H1、H2A、H2B、H3和H4等5种组蛋白。当染色质用低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象是一条线上穿了许多“珠”子一样。“珠子”是DNA-组蛋白的复合体，称为核小体，而“线”是双螺旋DNA。每个核小体是由各2分子的H2A、H2B、H3和H4的八聚体和大约200个DNA碱基对组成，DNA大约缠绕1.75圈，有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个核小体核心颗粒。核心颗粒之间的“线”称之连接DNA，大约有54个碱基对长。第5个组蛋白H1既与连接DNA结合，又和核小体核心颗粒结合。四、真核生物的染色体1、真核细胞核内DNA被包装形成染色质H2A、H2B、H3和H4形成八聚体组蛋白和DNA形成核小体2、真核生物的染色质丝组蛋白八聚体：H2AH2BH3H4各2个分子从DNA到染色质丝，DNA压缩了近100倍，若从DNA到最后凝缩成染色体，DNA压缩了近万倍。螺旋管

与伸展开的B-DNA长度相比，DNA包装成核小体后，长度被压缩了10倍。串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管状，产生一种称之30nm纤维结构。纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约存在着多达2000个环。环可以附着在RNA-蛋白质的支架（Scaffold）上，象是被固定一样，可以形成超螺旋。超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得DNA一步一步地被压缩。

真核生物染色体DNA组装不同层次的结构3、真核双链线性DNA（dsDNA）五.DNA的功能1、DNA的基本功能:

作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是遗传繁殖的物质基础。DNA1957年转录RNA翻译ProteinDNA1970年反转录ProteinRNACrick的中心法则

蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNARNArRNA

调节功能：调节基因无产物

作用未知结构基因2、基因（gene）：又称顺反子，

DNA分子的最小功能单位（交换单位），一段有功能的DNA片段。3、基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和,包括核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA)。最简单的生物如SV40病毒的基因组仅含有5100碱基对(basepairbp），大肠杆菌基因组的大小为5700千碱基对（kbp），人的基因组则由大约3.0×109个bp组成。人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒

bp（碱基对）103104105106107108109101010111012各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小4、原核生物基因组特点由外显子组成，多为操纵子形式组织；重复序列少，多位编码区；存在重叠基因；存在回文结构，某些操纵子基因中存在一种倒转的对称性结构，即为回文结构启动子转录起始结构基因1结构基因2结构基因3转录终止子转录终止DNA5、真核生物基因组特点以染色体形式存在；含内含子，外显子与内含子间隔形成断裂基因；具有重复序列；存在回文结构，即真核细胞DNA分子中的非编码区存在一种倒转的对称性结构。

启动子外显子内含子转录终止子内容提要

DNA的碱基组成是有规律的，Chargaff得出不同生物的同种组织的碱基组成是不同的，但A=T、G=C，且其嘌呤碱基总是等于嘧啶碱基，即A+G=C+T；维持DNA双螺旋稳定性的主要作用力是两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力；生物体内存在的超螺旋大都是负超螺旋，拓扑异构酶可以催化去超螺旋反应,在某些情况下也可以引入超螺旋。在细胞内，大的DNA总是被压缩和包装。真核生物的组蛋白结合DNA形成核小体，核小体被串在一起，经一级一级压缩，形成超螺旋附在核内的RNA-蛋白支架上。习题1、比较蛋白质α-螺旋中的氢键和DNA双螺旋中的氢键在稳定构象中的作用。2、一段双链DNA包含1000个碱基对，其组成中G+C占58%，那么在DNA的该区域胸腺嘧啶残基含有多少个？3、已知每1000个核苷酸对的DNA双螺旋重为1×10-18g，计算长度为地球到月球距离（320000km）的一段双螺旋DNA的重量。4、假设每圈为10.4个碱基对，含1872个碱基对的松弛型环状B-DNA分子其连环数为多少？处于松弛型的一个环状B-DNA其连环数为500，该DNA中大约含多少碱基对？习题解答1、蛋白质α-螺旋中，一个氨基酸残基的羟基氧与旋转一圈后第二个α氨基中的氢形成氢键。这些在肽链骨架内原子上形成的氢键大致平行于该螺旋的轴，氨基酸侧链伸向骨架外，不参与螺旋内的氢键形成。双链DNA螺旋中，糖-磷酸骨架不形成氢键，而在相对的两条链中，互补的两个碱基之间形成2个或3个氢键，氢键大致垂直于该螺旋的轴。蛋白质α-螺旋中，单独的氢键是很弱，但这些键的合力稳定了该螺旋结构，尤其在蛋白疏水内部，这里的氢不与水竞争成键。DNA中氢键的主要作用是使每条链成为另一条链的模板，尽管碱基互补形成的氢键帮助稳定螺旋，但DNA双螺旋稳定的主要作用力是碱基堆积力。2、因为A+G=C+T，A=T、G=C，所以1000个碱基对中42%是A+T，21%是T，胸腺嘧啶残基T的含量为0.21×2000=420个。3、0.00094g4、(1)L=1872/10.4=180个

(2)L=T+W,松弛型DNA中W=0,双螺旋的转数等于连环数,T=500

所以:碱基=500×10.4=5200个

RNA的相关概念信使RNA（mRNA）转运RNA（tRNA）核糖体RNA（rRNA）第三部分、RNA的结构与功能一、RNA的相关概念1、组成碱基组成：A、G、C、U（A＝U/G≡C）;戊糖是核糖；分子较小,稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；2、分类

信使RNA（mRNA，其中hnRNA核不均一RNA）

转运RNA(tRNA）

核糖体RNA(rRNA，包括snRNA/asRNA）

少数RNA病毒名称符号功能核糖体RNArRNA核糖体组成成分信使RNAmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNA转运氨基酸不均一核RNAHnRNA成熟mRNA的前体小核RNASnRNA参与HnRNA的剪接转运小核仁RNASnoRNArRNA的加工和修饰小胞质RNAScRNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分RNA分类3、一般结构特点根据RNA的一些理化性质和x-射线分析，大多数天然的RNA分子是以一条单链形式存在的。

由于核糖2’-位存在羟基，RNA比之于DNA的稳定性较差。某些RNA具有稳定的二级结构：有些单链多核苷酸可以自身发生回折，在互补的碱基对之间形成双螺旋区（单链分子自身回折使得互补碱基配对而形成，不配对的区域形成突环），碱基配对规则是A-U、G-C。这样的结构称为发卡式，或茎-环结构。RNA的双螺旋区的结构类似于A-DNA的结构。RNA二、mRNA1、类型信使RNA（messengerRNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）：为细胞核内合成的mRNA的初级产物，它经剪接才成为成熟的mRNA并移到细胞质。2、mRNA的功能

把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。3、含量：占细胞总RNA的3％～5％4、原核细胞mRNA的结构特点存在多顺反子，一条mRNA链上含多个基因信息，多顺反子之间含有非翻译区；在5’-起始密码子AUG之前，存在一段嘌呤核苷酸，与16srRNA的3’端的嘧啶核苷酸互补配对；原核细胞mRNA不是很稳定5、真核生物成熟mRNA的结构特点5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“（capsequence，m’GpppNm）；5‘端帽子结构抗核酸水解酶的水解，增强mRNA的稳定性，促进核糖体与mRNA的结合，加速翻译起始速度。

3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”；3’末端多聚A的尾巴维持mRNA的稳定性，并与mRNA从核内向胞质的转位有关。在5’-起始密码子AUG较近的前导序列中一段嘧啶核苷酸，与18srRNA的3’端的嘌呤核苷酸互补配对。

细胞内分子量最小的一类核酸，占RNA总量的15％，分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。1、tRNA功能在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体。tRNA载有激活的氨基酸，并运到核糖体，将氨基酸掺入到生长肽链中。2、tRNA特点（1）tRNA分子中含有10-20%的稀有碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）和甲基化的嘌呤（mG，mA）。三、tRNA（transferRNA，tRNA）Ψ假尿嘧啶双氢尿嘧啶（2）tRNA中存在一些能局部互补配对的区域，能形成局部双链，进而形成一种茎-环状或发夹结构，由于茎环结构的存在，使tRNA形成了三叶草形的二级结构；（3）tRNA共同的三级结构：倒L型。3、tRNA的二级结构及其功能tRNA的二级结构可分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、TC（环）臂和可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。

(1)氨基酸接受区：包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，由7对碱基组成，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA（CpCpAOH），A为腺苷酸。氨基酸可与其成酯而活化，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

(2)反密码区：与氨基酸接受区相对，一般环中含有7个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子，将由此与mRNA上的密码子配对，识别特异编码氨基酸。tRNA与氨基酸的连接（3)二氢尿嘧啶区：该区含有二氢尿嘧啶。环由8-12个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成,主要防止被细胞内的核酸酶水解，起稳定tRNA的空间构象作用。(4)TC区：该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有TC;TC区主要是防止被细胞内的核酸酶水解，稳定tRNA的空间构象作用。

(5)可变区（额外环）：位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大，一般有3-18个核苷酸组成，为tRNA分类的依据之一。四、核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体（ribosome）。1、核糖体组成整个核糖体是由一大一小两个亚基组成的，含大约60％RNA、40％蛋白质。（1）原核细胞的核糖体为70S，由30S小亚基和50S大亚基组成；30S小亚基中含16SrRNA，50S大亚基中含5SrRNA、23SrRNA。（2）真核细胞的核糖体为80S，由40小亚基和60S大亚基组成；40S小亚基中含18SrRNA，60S大亚基中含5SrRNA、5.8SrRNA、28SrRNA。小亚基大亚基核糖体的组成种类原核生物真核生物核糖体70S80S小亚基30S40SrRNA16S(1542个核苷酸)18S（1874个核苷酸）蛋白质21种(占总重量的40%)33种（占总重量的50%）大亚基50S60SrRNA23S(2940个核苷酸)28S（4718个核苷酸）5S(120个核苷酸)5.85S(160个核苷酸)5S(120个核苷酸)蛋白质31种(占总重量的30%)49种(占总重量的35%)2、核糖体RNA种类大肠杆菌：16SrRNA、5SrRNA、23SrRNA动物细胞：18SrRNA、5SrRNA、5.8SrRNA、28SrRNA3、功能传统认为rRNA是构成核糖体的骨架，催化蛋白质肽键形成的是核糖体蛋白质（大亚基）上的肽基转移酶催化的。现在认为核糖体催化肽键形成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。16SrRNA常作为细菌分类的依据之一，而18SrRNA可作为真菌分类用。4、核糖体二级结构内容提要RNA包括

信使RNA（mRNA，其中hnRNA-核不均一RNA）、

转运RNA(tRNA）、核糖体RNA(rRNA，包括snRNA/asRNA）和

少数RNA病毒。mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。tRNA功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体。tRNA载有激活的氨基酸，并运到核糖体，将氨基酸掺入到生长肽链中。核糖体是蛋白质合成的车间，其中rRNA的功能是催化核糖体肽键形成，产生新生肽链。第四部分核酸的性质与研究核酸一般理化性质核酸的变性与复性核酸的分子杂交核酸的序列测定核酸酶及应用一、核酸的一般理化性质1、一般性质一般呈酸性：多元酸，较强的酸性；两性解离：既有磷酸基，又有碱基，在一定的pH条件下，可解离而带电荷，故为两性电解质，因此具有一定的等电点（p.504-506）；溶解性：微溶于水，不溶有机溶剂；

DNA为线性高分子极性化合物，粘度大，抗剪切力差，而RNA分子远小于DNA，粘度也小得多；可用电泳或离子交换（色谱）进行分离；室温条件下，DNA在碱中变性、但不水解，RNA可水解。2、颜色反应加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色加热条件下，

D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色

DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光，此性质结合凝胶电泳检测核酸。3、核酸的紫外吸收特性由于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（260nm左右），常作为核酸及其组份测定的依据，一般以A260/A280进行定性、定量。4、沉降特性

在超离心机强大引力场中，不同构象的核酸沉降速度差异很大：RNA>闭环形质粒DNA>开环形及线形DNA>蛋白质

离心后，用注射针头从离心管侧面在超螺旋DNA区带部位刺入，收集这一区带的DNA。用异戊醇抽提收集到的DNA以除去染料，然后透析除CsCl，再用苯酚抽提1-2次，即可用乙醇将DNA沉淀出来。这样得到的DNA有很高的纯度，可用于DNA重组、测定序列及绘制限制酶图谱等。在少数情况下，需要特别纯的DNA时，可以将此DNA样品再进行一次氯化铯密度梯度超离心分离。二、核酸的变性与复性1、变性DNA变性：指核酸的空间结构被破坏，氢键断裂，生物活性散失的现象。实质是DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链。变性后,核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。监测指标为A260的变化。

(2)变性因素pH（>11.3或<5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度加热、光辐射DNA的紫外吸收光谱(3)变性表征核酸变性后，生物活性部分丧失；粘度下降、浮力密度升高;增色效应,其在260nm处的紫外吸收值增加的现象;变性后,DNA的紫外吸收值约增加12%－40%,RNA约增加1.1%。熔解温度：通常将热变性过程中紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示，一般DNA的Tm值在70-85

C之间；DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关，G和C的含量高，Tm值高，因而测定Tm值，可反映DNA分子中G、C含量；

Tm=69.3+0.41（G+C)%2.热变性和Tm3.核酸的复性复性（annealing）：变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。复兴表征：DNA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，具有减色效应。退火（annealing）：将热变性的DNA骤然冷却至低温4℃时DNA不可能复性，变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此称为“退火”，比Tm低25℃为DNA复性的最佳条件。

退火温度＝Tm－25℃复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/溶液离子强度四.核酸分子杂交1、定义

DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程,称为分子杂交。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。2、杂交的种类Southern杂交（Southernbolting）：DNA与DNA杂交Northern杂交（Northernbolting）：DNA与RNA杂交Western杂交（Westernbolting）：抗体与抗原杂交3、核酸分子杂交的应用核酸的分子杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。研究DNA分子中某一种基因的位置测定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础四、核酸的序列测定双脱氧链终止法（Sanger酶法）2.Gilbert化学降解法3.自动化DNA测序的过程1、核酸酶（nucleases）

指所有可以水解核酸的酶，在细胞内催化核酸的降解。核酸酶催化的反应都是使磷酸二酯键水解，故核酸酶属磷酸二酯酶。核酸酶的本质是蛋白质，而核酶（Ribozyme）的本质是RNA。2、分类（1）DNA酶（DNases）

作用于DNA的酶称为DNA酶（DNases）；

DNaseI只作用于DNA，产生平均链长为4个核苷酸的5’-核苷酸片段（5’-端为磷酸，3’-断为OH）；

DNaseII只作用于DNA，产生平均链长为6个核苷酸的3’-核苷酸片段。五、核酸酶及其应用

（2）RNA酶（RNases）催化RNA水解的酶称作RNA酶（RNases）；RNaseI专一性水解RNA中嘧啶核苷酸的3’-磷酸基与相邻核苷酸5’-OH所形成的磷酸二酯键，产物为3’-嘧啶核苷酸及其结尾的寡核苷酸片段；T1（RNaseT1）专一性水解RNA中嘌呤核苷酸的3’-磷酸基与相邻核苷酸5’-OH所形成的磷酸二酯键，产物为3’-鸟苷酸及其结尾的寡核苷酸片段。（3）非专一性核酸酶某些核酸酶催化核苷酸链水解较广泛，即对戊糖和碱基识别能力差，