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1、1 核酸的结构与功能 n1.1 核酸的种类分布和化学组成 n1.2 核酸的分子结构 n1.3 核酸的理化性质及其应用 1.1 核酸的种类、分布及 化学组成 1.1.1 核酸的生物学功能 1.1.2 核酸的种类和分布 1.1.3 核酸的组成 核酸是遗传变异的物质基础 n核酸是生物体内最重要的生物大分子， 是一种富含磷酸基团的高分子化合物。 任何生物 体，甚至无细胞结构的病毒和 噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体 发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程 中起着极为重要的作用。而且它与生命 的异常活动如肿瘤的发生，辐射损伤， 遗传病，代谢病等密切相关。 核酸的发现 n186869F. Miescher从
2、脓细胞核中提 出含磷量高的核素（nuclein），其后从鲑 鱼精子中提取出鱼精蛋白和核素。 n1889年，Altman等从酵母和动物的细胞 核中得到了不含蛋白质的称为核酸 (nucleic acids)的物质，其功能不清楚。 n1944年O.T. Avery等的肺炎双球菌转化实 验，证明了DNA就是遗传物质。 1.1.1核酸的生物学功能 DNA作为遗传物质的载体，负责遗传 信息的储存、传递和发布；RNA负责 遗传信息的表达。 细胞 内DNA含量很稳定，不受营养条 件、年龄等因素的影响。DNA是染色 体的主要成分，而染色体与遗传直接 有关。可作用于DNA的一些物理、化 学因素都可以引起遗传特性的
3、改变。 肺炎双球菌的转化实验 n1952年A.D.Hershey和M.Cha-se用35S和32P分 别标记T2噬菌体的蛋白质和DNA部分，感 染大肠杆菌的实验进一步证明了DNA是遗 传物质。 1.1.2 核酸的种类和分布 核酸主要存在于细胞核中(原核分布在类核)， 由几千至几万个核苷酸(nucleotide)连接成的 无分支长链高分子化合物也称多聚核苷酸 (polynucleotide) 。 核酸根据核酸的化学组成和生物学功能，将核 酸分为： 核糖核酸（ribonucleic acid RNA）和 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid DNA) 所有细胞都同时含有DNA和
4、RNA两种核酸。病 毒只含一种核酸，DNA或RNA，故有DNA 病毒和RNA病毒之分。多数细菌病毒（噬菌 体）属DNA病毒，而植物和动物病毒多为 RNA病毒。 DNA：主要存在于细胞核（真核细胞，98%以 上），是染色质的主要成分；原核生物DNA 主要存在于类核（nucleoid）中； 在核外也存在有少量DNA，如线粒体DNA、 叶绿体DNA以及细菌的质粒（plasmid，细 菌染色体外能够进行自我复制的遗传单位） 。 RNA的种类与分布 RNA主要存在于细胞质中。 mRNA 约占细胞总RNA的5%，在蛋白质合成 中起模板作用 rRNA 占细胞总RNA的80%，是核糖体的组分 ，是合成蛋白质的
5、场所 tRNA 占细胞总RNA的10-15%，蛋白质合成 中起携带活化氨基酸的作用 1.1.3 核酸的化学组成 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基（嘌呤和嘧啶） 核糖或脱氧核糖（戊糖） 核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷酸 酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱基 有嘌呤和嘧啶两类。 DNA组成： 脱氧核糖、 磷酸、A、G、C、T RNA组成： 核 糖 、磷酸、A、G、C、U 1.1.3.1 核糖和脱氧核糖 RNA中的戊糖为-D-核糖，和少量的 -D-2 O-甲基核糖；DNA中的戊糖为 -D-2-脱氧核 糖。 戊糖C-1所连的羟基与碱基形成糖苷键，糖苷 键的连接都是-构型。 戊糖的碳原子编号都
6、加上“”，以区别于碱基的 原子编号。 1.1.3.2 碱基(base) 嘧啶(pyrimidine)：胞嘧啶(cytosine，C)、胸腺 嘧啶（thymine，T)、尿嘧啶(uracil，U) ； 嘌呤(purine)：腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤 (guanine，G) ； DNA中存在：A、T、G、C； RNA中存在：A、U、G、C。 核酸分子中含有一些稀有碱基(或修饰碱基) ： 是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团 （如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物 。如：5-甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤等 。 稀有碱基在核酸中的含量少，分布也不均一。 如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体
7、DNA， RNA中以tRNA含修饰碱基最多。 1.1.3.3 核苷 戊糖与碱基缩合形成核苷，并以糖苷键连接。 嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与戊糖的C1 上的-OH形成N-C糖苷键。 X-衍射证明核苷中的碱基与糖环平面相互垂直 。 核酸中的主要核苷有8 种。 1.1.3.4 核苷酸和稀有核苷酸 核苷酸(nucleotide)是核苷的磷酸酯。 核苷酸的核糖有3个 自由羟基，可以酯化 分别生成2 -、3 -和 5 -核苷酸。 脱氧核苷只能生成 3 -和5 -脱氧核苷 酸。生物体内多为 5 -核苷酸。 稀有核苷酸：核酸中的稀有核苷酸是碱基或戊 糖被修饰后形成的。 核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形
8、式表示。 常见的为甲基化修饰以“m”（methy-）表示 ，修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方 ，修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方 ，修饰基团个数写在其右下角，修饰位置写 在右上角。 2-O-甲基腺苷 1.1.3.5细胞内的游离核苷酸及其衍生物 n细胞中还有一些游离的核苷酸及其衍生 物，其中较重要的为多磷酸核苷酸、环 式单核苷酸和辅酶类单核苷酸。 根据多磷酸核 苷酸中磷酸 数目可分为 单磷酸核苷 酸、二磷酸 核苷酸和三 磷酸核苷酸 ，如AMP、 ADP和ATP 。 环化核苷酸：cAMP和cGMP在细胞的代谢调节 中有重要作用，称为第二信使。 辅酶类核苷酸：NAD、NADP、FMN、辅酶A
9、 和FAD等辅酶都是核苷酸或其衍生物。 1.2 核酸的分子结构 1.2.1 DNA的分子结构 1.2.1.1 DNA的一级结构 DNA的一级结构指的是组成DNA分子的脱 氧核苷酸的连接方式和排列顺序。 DNA是由很多个dAMP、dGMP、dCMP 和dTMP通过3,5 -磷酸二酯键连成的无分 支双链线状或环状多核苷酸。 E. coli DNA 4106bp，1.4 106nm； 人DNA 2.9 109bp 9.9 108nm DNA一级结构 5 3 OH OH OH 5 3 RNA一级结构 核酸为多聚 核苷酸,相邻 2个核苷酸 间以3,5-磷 酸二酯键连 接 。 核酸分子的表示方法 DNA分
10、子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的 排列顺序实质上是碱基的排列顺序。 核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高度 复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级 结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序 。书写方式由5 3 端。 nt （nucleotide），代表核苷酸 bp（base pair）， 代表碱基对。 线条式：以竖线和斜线分别表示糖基和磷酸酯 键。 糖基的C-3位 糖基的C-5位 字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P代 表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和 酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列 即可。 省略了糖基，简写式中出现T的为DNA链，出 现U则为RN
11、A链。以5和3表示链的末端及 方向，分别置于简写式的左右二端。 5pApCpTpTpGpApApCpG3 DNA 5pApCpUpUpGpApApCpC3 RNA 简化为： 5pACTTGAACG3 DNA 5pACUUGAACG3RNA 简写式的5-末端均含有一个磷酸残基（与糖基 的C-5位上的羟基相连），3-末端含有一个 自由羟基（与糖基的C-3位相连），若5端 不写P，则表示5-末端为自由羟基。 Sanger测序原理 1.2.1.2 DNA的二级结构及其多态性 Watson和Crick在总结前人研究工作的基础上 ，在1953年以立体化学上的最适构型建立了 与DNA X-射线衍射资料相符的
12、分子模型 DNA双螺旋结构模型。 它可在分子水平 上阐述遗传(基因复制)的基本特征。 DNA双螺旋结构的主要依据 1949-1951年Chatgaff应用紫外分光光度法和 纸层析等技术，对不同来源的DNA进行碱基 定量分析，得出组成DNA四种碱基的比例关 系。 不同来源DNA碱基组成的比例关系 碱基组成的共同规律：不同来源的DNA中 A=T、C=G；A+G=T+C 。 Wilkins及其同事Franklin等用X-射线衍射方 法获得的DNA结构资料。 用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定， 而嘌呤和嘧啶的-NH、-CO则不能滴定，因 此它们之间形成氢键。 Norweger,Furberg研究
13、证实，戊糖糖环与 DNA分子纵轴平行，而碱基平面与纵轴垂直 。 n（2）双螺旋结构模型 nDNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成右 手双螺旋结构。螺旋表面有一条大沟和一条小 沟。大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较 大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链 之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。 n一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条 多核苷酸链上的嘧啶碱基以氢键相连， 配对原则是A=T，C G。 n碱基层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴 垂直，碱基之间距离为0.34nm。磷酸和 脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二 酯键连接。糖环平面与中轴平行。 n螺旋直径2nm；螺旋周期包含10bp；螺距 3.4n
14、m；相邻碱基对平面的间距0.34nm。 双螺旋结构的稳定因素 DNA结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。 层层堆积的芳香族碱基上的电子云交错形成了碱基 堆积力，使DNA双螺旋结构内部形成疏水核心而不 存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键； 双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子 之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而 对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。 （4）DNA双螺旋构象的多态性 在多核苷酸链中，戊糖能折叠成多种构象，同时 ，分子还可绕C-N糖苷键以及3,5 -磷酸二酯键 旋转一定角度，使得具有同样碱基配对的DNA 双螺旋可以采取不同的构象，这种构象上的差 异称为多态
15、性。 在溶液中，DNA一般为B型。在以钠、钾或铯作 反离子，相对湿度为75时，DNA分子的X-射 线衍射图显示的是A-构象。 A-构象不仅出现于脱水DNA中，还出现在RNA 分子中的双螺旋区和DNA-RNA杂交分子中。 B-DNA与A-DNA的比较 Z-DNA Wang和Rich等在研究人工 合成的d（CGCGCG）单 晶的X-射线衍射图谱时， 发现这种六聚体的构象不 同于B-构象。 它是左手双螺旋，在主链 中各个磷酸根呈锯齿（ Zigzag）状排列，因此称 Z-构象。 B-DNA与Z-DNA的比较 天然DNA分子中存在有Z-DNA区。B-DNA与Z -DNA的互变可能与基因的调控有关。 如胞嘧啶C5的甲基化，在甲基周围形成局部的 疏水区。这一区域扩伸到B-DNA的大沟中， 使B-DNA不稳定而转变为Z-DNA。这种C5甲 基化现象在真核生物中是常见的。 利用X-射线衍射技术时的样品分析条件与被测 DNA分子的天然状态相差甚远，在反映 DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。 1989年，应用扫描隧道显微镜(STM)可克服X- 射线衍射技术的缺陷（分辨率10-10m）。 STM 可将被测物放大500万倍，且能直接观测接近 天然条件下单个DNA分子的结构细节。它所 取得的DNA结构资料更具有“权威性”。STM
