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1、概概 述述核酸的组成核酸的组成DNA的结构的结构RNA的结构与功能的结构与功能核酸的性质核酸的性质第二章第二章 核酸的化学核酸的化学1核酸的发现核酸的发现核酸的发现核酸的发现1868年，瑞士科学家米歇尔（年，瑞士科学家米歇尔（F.Miescher,医生医生)从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从细胞核中分离出一种含磷很多的酸性化合物，称其为核素（从细胞核中分离出一种含磷很多的酸性化合物，称其为核素（nuclein），），核素实际上就核素实际上就是我们现在所指的核蛋白。是我们现在所指的核蛋白。一、概一、概 述述分子组成：分子组成： 核蛋白核蛋白蛋白质蛋白质 核
2、酸核酸 单核苷酸单核苷酸 磷酸磷酸 核苷核苷 核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖 嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶水解水解核酸是核糖或脱氧核糖与瞟呤或嘧啶碱间形成核苷，核苷间以磷酸连接而成的多个核核酸是核糖或脱氧核糖与瞟呤或嘧啶碱间形成核苷，核苷间以磷酸连接而成的多个核苷酸组成的一类生物大分子。苷酸组成的一类生物大分子。故核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体，故核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体，呈酸性，因最初从细胞核中发现，故称核酸。呈酸性，因最初从细胞核中发现，故称核酸。核酸的概念核酸的概念2核酸的种类和分布核酸的种类和分布脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸DNADNA细胞核染色
3、体中（真核）细胞核染色体中（真核）细胞核染色体中（真核）细胞核染色体中（真核）类核结构中（原核）类核结构中（原核）类核结构中（原核）类核结构中（原核）核糖核酸核糖核酸核糖核酸核糖核酸 RNARNA细胞质中细胞质中细胞质中细胞质中(m,t,r)(m,t,r)核酸的主要功能核酸的主要功能DNADNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体是遗传信息的载体是遗传信息的载体RNARNA在蛋白质的合成中起重要作用在蛋白质的合成中起重要作用在蛋白质的合成中起重要作用在蛋白质的合成中起重要作用 一、概一、概 述述核酸的重要性：对生物遗传和蛋白质生物合成；对肿核酸的重要性：对生物遗传和蛋白质生物合成；对肿瘤的发病机瘤
4、的发病机制（病理）和治疗，所有病毒都是核蛋白制（病理）和治疗，所有病毒都是核蛋白 ribonucleic acid message, transfer, ribosomaldeoxy-ribonucleic acid3二、核酸的组成二、核酸的组成元素元素：C、H、O、N、P分子分子：4-D-核糖 -D-2-脱氧核糖戊戊 糖糖核酸的结构之核酸的结构之环的下方基团在链的右侧，上方左侧；环的下方基团在链的右侧，上方左侧；D型指与型指与1C最远的不对称最远的不对称C的羟基为的羟基为D构型；构型；b b指半缩醛羟基与指半缩醛羟基与4C羟基在糖环异侧；羟基在糖环异侧；a a和和b b不是对映体，不是对映体
5、，b bD、b bL才是对映体。才是对映体。5碱碱 基基AGCUT关于碱基：关于碱基：1、瞟呤碱和嘧啶碱有酮式、瞟呤碱和嘧啶碱有酮式和烯醇式互变异构和烯醇式互变异构,且处于且处于平衡，表示时两种均可。平衡，表示时两种均可。2、两类核酸含主要碱基、两类核酸含主要碱基4个即两个瞟呤碱和两个嘧个即两个瞟呤碱和两个嘧啶碱，所含瞟呤碱相同啶碱，所含瞟呤碱相同（腺瞟呤（腺瞟呤A和鸟瞟呤和鸟瞟呤G),所所含嘧啶碱不同含嘧啶碱不同,DNA所含为所含为胞嘧啶胞嘧啶C和胸腺嘧啶和胸腺嘧啶T,RNA所含为胞嘧啶所含为胞嘧啶C和尿嘧啶和尿嘧啶U，故，故DNA和和RNA组成上有组成上有两点区别两点区别:核糖和碱基。核糖
6、和碱基。3、有些核酸中含有除这五、有些核酸中含有除这五个碱基外的其它修饰碱基，个碱基外的其它修饰碱基，修饰碱基一般含量很少，修饰碱基一般含量很少，故称稀有碱基。故称稀有碱基。核酸的结构之核酸的结构之6腺苷腺苷腺苷腺苷(A)(A)脱氧胸苷脱氧胸苷脱氧胸苷脱氧胸苷( (dTdT或或或或T)T)核酸初步水解得核苷酸核酸初步水解得核苷酸,核苷酸用核苷酸酶水解核苷酸用核苷酸酶水解,得磷酸和核苷得磷酸和核苷,核苷酸是核酸的组成单位核苷酸是核酸的组成单位,而核而核苷和磷酸是组成核苷酸的基本物质苷和磷酸是组成核苷酸的基本物质.再用核苷酶或酸水解得核糖磷酸酯和碱基再用核苷酶或酸水解得核糖磷酸酯和碱基,故碱基与糖
7、环相故碱基与糖环相连连.糖苷键为糖苷键为C-N键，瞟呤碱的键，瞟呤碱的9位、嘧啶碱的位、嘧啶碱的1位（位阻）位（位阻），核苷用碱基第一字母表示，脱氧核苷，核苷用碱基第一字母表示，脱氧核苷+d表示表示核酸的结构之核酸的结构之核核 苷苷 （糖苷）（糖苷）7核核 苷苷 酸酸磷酸和糖环连接，有机合成实验表明磷酸可与糖环上所有羟基成酯键磷酸和糖环连接，有机合成实验表明磷酸可与糖环上所有羟基成酯键但分析表明自然界中核苷酸多为但分析表明自然界中核苷酸多为5核苷酸。核苷酸。核酸的结构之核酸的结构之8核核苷苷酸酸（AMP）Adenosine monophosphate9edensi:n三磷酸腺苷三磷酸腺苷10脱
8、氧鸟苷三磷酸脱氧鸟苷三磷酸11核苷酸的连接方式核苷酸的连接方式核酸的一级结构核酸的一级结构OB2OB1PPOH12345核苷酸连接成核酸。以核苷酸连接成核酸。以3位羟位羟基与磷酸成酯键形成多核苷基与磷酸成酯键形成多核苷酸链，具有极其规整排列和明酸链，具有极其规整排列和明确走向一级结构确走向一级结构核酸的结构之核酸的结构之12脱氧核苷酸的排列顺序 核酸中的可变成分（碱基）的排列顺序一级结构的表示方法 线条式/字母式/结构式 pdApdCpdGpdT pdA-dC-dG-T1.DNA的一级结构的一级结构DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按
9、一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。三、三、 DNA的结构的结构13pA-U-G-CpdG-dC-dA-dT(T)141.1.多核苷酸链内或链间通过氢键多核苷酸链内或链间通过氢键多核苷酸链内或链间通过氢键多核苷酸链内或链间通过氢键折叠卷曲形成的特定空间构象折叠卷曲形成的特定空间构象折叠卷曲形成的特定空间构象折叠卷曲形成的特定空间构象2.2.DNADNA分子由两条分子由两条分子由两条分子由两条方向方向方向方向相反互相相反互相相反互相相反互相平行的多核苷酸链构成，链由平行的多核苷酸链构成，链由平行的多核苷酸链构成，链由平行的多核苷酸链构成，链由3 3 - -5 5 磷酸二酯键将带
10、有不同碱基的磷酸二酯键将带有不同碱基的磷酸二酯键将带有不同碱基的磷酸二酯键将带有不同碱基的糖环连接成糖糖环连接成糖糖环连接成糖糖环连接成糖- -磷酸骨架，都是磷酸骨架，都是磷酸骨架，都是磷酸骨架，都是右手螺旋，有共同螺旋轴。螺旋右手螺旋，有共同螺旋轴。螺旋右手螺旋，有共同螺旋轴。螺旋右手螺旋，有共同螺旋轴。螺旋表面有一所谓大沟和一小沟。表面有一所谓大沟和一小沟。表面有一所谓大沟和一小沟。表面有一所谓大沟和一小沟。（大沟由一个完整的螺旋构成，（大沟由一个完整的螺旋构成，（大沟由一个完整的螺旋构成，（大沟由一个完整的螺旋构成，小沟由螺旋的两个骨架构成）小沟由螺旋的两个骨架构成）小沟由螺旋的两个骨架
11、构成）小沟由螺旋的两个骨架构成）2.DNA二级结构二级结构( (双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构) ) 19531953年年年年Watson&CrickWatson&Crick19621962诺贝尔生理学诺贝尔生理学诺贝尔生理学诺贝尔生理学- -医学奖医学奖医学奖医学奖含氮碱基含氮碱基碱基对碱基对糖磷酸骨架糖磷酸骨架153.模型认为两条链上的碱基均在主链内侧，按碱基配对原则（模型认为两条链上的碱基均在主链内侧，按碱基配对原则（A-T、C-G），之所以这样），之所以这样配对系配对系1）.A-T间两对氢键，间两对氢键，G-C间三对氢键；间三对氢键；2）.分子相对大的瞟呤碱与小的嘧啶碱配对分
12、子相对大的瞟呤碱与小的嘧啶碱配对与与DNA空间尺寸吻合，形成整个分子长度内空间尺寸吻合，形成整个分子长度内2nm（20A）的螺旋直径。）的螺旋直径。16DNA的双螺旋结构4.糖环平面位于链骨架内且与螺旋轴糖环平面位于链骨架内且与螺旋轴平行，磷酸酯键链在糖环外侧（亲平行，磷酸酯键链在糖环外侧（亲水）。每对成对碱基处于与螺旋轴水）。每对成对碱基处于与螺旋轴基本垂直的同一平面内，相邻碱基基本垂直的同一平面内，相邻碱基对平面间距为对平面间距为0.34nm，这种平行及，这种平行及合适合适的间距使相邻碱基平面间的的间距使相邻碱基平面间的p p电子云在一定程度上互相交盖，形电子云在一定程度上互相交盖，形成所
13、谓的碱基堆积力，堆积的结果成所谓的碱基堆积力，堆积的结果使双螺旋每旋转一圈有使双螺旋每旋转一圈有10对碱基对对碱基对每转的高度（螺矩高度）为每转的高度（螺矩高度）为3.4nm（蛋白质螺矩（蛋白质螺矩0.54nm，每，每3.6氨基酸氨基酸为一圈，氨基酸间距为一圈，氨基酸间距0.15nm）。）。17多数的多数的DNA为双螺旋的线形分子，有些为双螺旋的线形分子，有些DNA如病毒如病毒DNA、细胞器内的、细胞器内的DNA会形成环状构象会形成环状构象超螺旋有右手超螺旋和左手超螺旋，前者称负超螺旋后者为正超螺旋超螺旋有右手超螺旋和左手超螺旋，前者称负超螺旋后者为正超螺旋3.DNA的三级结构的三级结构线形或
14、环状的线形或环状的DNA双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：更高层次的空间构象。包括：线状线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的纽结、超形成的纽结、超螺旋和连环等。螺旋和连环等。18线状DNA形成的超螺旋超螺旋的形成可能是由于超螺旋的形成可能是由于DNA结构因某种分子力学上的关系扭曲而导致。例如：人体结构因某种分子力学上的关系扭曲而导致。例如：人体染色质染色质DNA先缠绕组蛋白形成所谓的核粒（核小体），许多核粒由先缠绕组蛋白形成所谓的核粒（核小体），许多核粒由DNA
15、链连接成佛珠，链连接成佛珠，佛珠还可以进一步盘绕压缩成更高层次，佛珠还可以进一步盘绕压缩成更高层次，DNA大分子可被压缩近一万次。大分子可被压缩近一万次。19环状环状DNA形成的超螺旋形成的超螺旋20信信使使mRNA（5%）：单单链链，将将遗遗传传信息传递到蛋白质的合成基地；信息传递到蛋白质的合成基地；转转移移tRNA（10-15%）：将将氨氨基基酸酸运运送到核糖体的特定部位；送到核糖体的特定部位；核糖体核糖体rRNA（80%）：）：单链螺旋，单链螺旋，不稳定，功用不清。不稳定，功用不清。四、四、RNA的结构的结构21RNA的的一级结构一级结构是由数量不一的四种核糖核苷酸是由数量不一的四种核糖
16、核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过按一定顺序，通过3-5磷酸二酯键连成的线形分子磷酸二酯键连成的线形分子,表示方法与表示方法与DNA相同。相同。RNA的的二级结构二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。研究表明大多数研究表明大多数RNA为单链，在许多区域自身发生回折，在回折部分形为单链，在许多区域自身发生回折，在回折部分形成区域双螺旋，在螺旋内能够配对的碱基按照碱基配对原则（成区域双螺旋，在螺旋内能够配对的碱基按照碱基配对原则（A-U、G-C）成对，不能配对的区域则形成环状突起。）成对，不能配对的区域则形成环状突起。RNA的的三级结构三级结
17、构是在茎（线形部分）、环（回折部分）是在茎（线形部分）、环（回折部分）结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。、RNA的结构22tRNA的的一级结构一级结构由由7493个（多为个（多为76个）核苷酸组成单链个）核苷酸组成单链；具有不变的（恒定的）核苷酸具有不变的（恒定的）核苷酸:U8、G18、G19；含较多的修饰核苷酸含较多的修饰核苷酸。tRNA的二级结构的二级结构三叶草结构三叶草结构具有四臂四环具有四臂四环,3端为端为CCAOH序列序列,5端为端为PGtRNA的的三级结构三级结构倒倒L形结构形结构（）（）tRNA的结构的结构23tRNA的三叶草结构可变
18、环可变环可变环可变环18,1981.两端环绕，形成四臂四环两端环绕，形成四臂四环2.3端共同的端共同的CCA-OH，氨基酸臂，氨基酸臂3.二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（D）环和臂）环和臂4.反密码子环和臂（反密码子环和臂（anticodon）5.可变环（碱基个数多变）可变环（碱基个数多变）6.T 环和臂环和臂鸟鸟尿尿7bp24tRNA的三级结构的三级结构(Kim,S.H.et,al.Science,vol.,185.p.435,1974)氨基酸臂和氨基酸臂和TC臂臂D臂和反密码子臂臂和反密码子臂TC环环反密码子环反密码子环转角转角着陆着陆携带携带D+AntiA+TD环环25tRNA的三级结构特点的三
19、级结构特点(倒倒“L”结构结构)L端是端是3端端CCA，另一端为反密码子，两端之间距离，另一端为反密码子，两端之间距离7nm。分子中的碱基对间有维持三级结构的氢键，碱基对中除分子中的碱基对间有维持三级结构的氢键，碱基对中除按按Watson-Crick标准配对外，还有其他非标准配对。标准配对外，还有其他非标准配对。tRNA三级结构分子中，对称性结构占分子的三级结构分子中，对称性结构占分子的40。tRNA的倒的倒“L”结构为一切结构为一切tRNA所共有，但有些所共有，但有些tRNA的的精细结构存在差异，如拐角大小、精细结构存在差异，如拐角大小、CCA末端伸展度、肽链末端伸展度、肽链折叠松紧、反密码
20、子构象等。折叠松紧、反密码子构象等。26（）（）mRNA的结构（单链）的结构（单链）1、“帽子帽子”指指7-甲基鸟苷以不寻常的甲基鸟苷以不寻常的5，5三磷酸连接到三磷酸连接到mRNA的的5端并在第一或第二个核苷酸核端并在第一或第二个核苷酸核糖的糖的2上羟甲基化，表示为上羟甲基化，表示为m7G5ppp5NmP。帽子结构对翻译活性很重要。帽子结构对翻译活性很重要。2、3原原核生物没有或只有少于核生物没有或只有少于10个多聚腺苷酸链，而真核生物细胞个多聚腺苷酸链，而真核生物细胞mRNA有大约有大约200多个，这种多个，这种polyA与与mRNA顺利通过核膜进入胞浆相关联，亦与顺利通过核膜进入胞浆相关
21、联，亦与mRNA从细胞核转移到核糖体的过程相关联。从细胞核转移到核糖体的过程相关联。27rRNA是核糖体的组成成分（约是核糖体的组成成分（约60）,核核糖体种类和大小用糖体种类和大小用S表示。表示。 30S（亚基）（亚基）16S原核生物原核生物 70S 23S 50S 5S 40S 18S真核生物真核生物 80S 28S 60S 5.8S 5S(3)rRNA的结构的结构（大肠杆菌）（大肠杆菌）28rRNA的二级结构rRNA链内约有一半核苷酸形成碱基配对，配对部分形成螺旋，未配对部分形成突环，链内约有一半核苷酸形成碱基配对，配对部分形成螺旋，未配对部分形成突环，另外链内长距离的碱基互补使相隔较远
22、的部分配对，形成复杂的多环多臂构象。另外链内长距离的碱基互补使相隔较远的部分配对，形成复杂的多环多臂构象。29、DNA与基因与基因遗传特性由遗传特性由DNA中的核苷酸顺序决定，通过复制传给子代。中的核苷酸顺序决定，通过复制传给子代。DNA通过转录通过转录产生相应的产生相应的mRNA，由，由tRNA翻译成相应氨翻译成相应氨基酸用于蛋白质合成；基酸用于蛋白质合成；基因：基因：DNA分子中最小的功能单位，以三个一组的三联体形分子中最小的功能单位，以三个一组的三联体形式表达式表达(遗传密码子遗传密码子)。结构基因：为结构基因：为RNA或蛋白质编码的基因；或蛋白质编码的基因；调节基因：不转录生成调节基因
23、：不转录生成RNA片段；片段；基因组：某生物体所含全部基因。基因组：某生物体所含全部基因。五、五、DNA和基因组和基因组以核蛋白存在的核酸以核蛋白存在的核酸,是基本遗传物质是基本遗传物质,或遗传的分子基础或遗传的分子基础,在蛋白质的生物合成上占在蛋白质的生物合成上占有有重要地位因而在个体生长繁殖遗传变异和转化等一些列生命现象种起决定作用。重要地位因而在个体生长繁殖遗传变异和转化等一些列生命现象种起决定作用。核核酸酸的的遗遗传传学学功功能能30AAG AAA GUU AUU UUC UUU GAG UAU AGUDNAmRNA蛋蛋白白质质转录转录翻译翻译遗传信息的转录和翻译遗传信息的转录和翻译T
24、TCTTTCAA TAAAAG AAA CTCATATCA赖赖赖赖缬缬异亮异亮苯丙苯丙 苯丙苯丙谷谷酪酪丝丝31大部分为结构基因，每个基因在大部分为结构基因，每个基因在DNA分子中只出现一至几次；分子中只出现一至几次；功能相关的基因常串联在一起，功能相关的基因常串联在一起，转录在同一转录在同一mRNA分子中；分子中；有基因重叠现象。有基因重叠现象。、原核生物基因组的特点、原核生物基因组的特点32有重复序列：有重复序列： 单拷贝序列单拷贝序列 中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列有断裂基因有断裂基因、真核生物基因组的特点、真核生物基因组的特点33.一般理化性质一般理化性质晶形晶形晶
25、形晶形DNA为为白色纤维状固体；白色纤维状固体；RNA为白色粉末状固体为白色粉末状固体溶解性溶解性溶解性溶解性均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在70%乙醇中乙醇中形成沉淀；形成沉淀；粘度粘度DNA粘度粘度很大很大RNA粘度粘度小得多小得多旋光性旋光性均很强均很强六、核酸的理化性质六、核酸的理化性质34密度：密度： RNARNA双链双链双链双链DNADNA； 环状环状环状环状DNADNA 开环、线状开环、线状开环、线状开环、线状DNADNA 单链单链单链单链DNADNA 双链双链双链双链DNADNA 沉降速度：沉降速度： RNARNA 环状环状环状环状DNADNA
26、开环、线状开环、线状开环、线状开环、线状DNADNA密度及沉降特性密度及沉降特性35.核核酸酸的的紫紫外外吸吸收收36.核酸结构的稳定性核酸结构的稳定性碱基对间的氢键A-TA-T两对、两对、G-CG-C三对三对碱基堆积力p p电子云重叠电子云重叠环境中的正离子DNADNA双螺旋及双螺旋及RNARNA螺旋区外侧磷酸基团带负电螺旋区外侧磷酸基团带负电螺旋内的碱基疏水作用螺旋外表面的水膜37概念：双螺旋区氢键断裂，空间结构概念：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团。破坏，形成单链无规则线团。变性后呈现增色效应、粘度下降、密变性后呈现增色效应、粘度下降、密度升高、生物学功能全部或部分丧失
27、。度升高、生物学功能全部或部分丧失。热变性和热变性和热变性和热变性和T Tmm将紫外吸收的增加量达到最大量一半将紫外吸收的增加量达到最大量一半时的温度，称熔解温度（时的温度，称熔解温度（Tm）。）。.核酸的变性核酸的变性38G-C对含量对含量（G+C）%=（Tm-69.3）2.44溶液的离子强度溶液的离子强度离子强度降低，离子强度降低，Tm下降，在纯水中下降，在纯水中DNA室温下可变性室温下可变性pHpH升高，去质子无法形成氢键，升高，去质子无法形成氢键，pH11.3，DNA完全变性完全变性变性剂变性剂甲酰胺、尿素、甲醛破坏氢键，妨碍碱基堆积，甲酰胺、尿素、甲醛破坏氢键，妨碍碱基堆积，使使Tm
28、下降。下降。影响热变性的因素：影响热变性的因素：39DNA 的变性和复性40影响因素：影响因素：单链片段浓度越高，复性速度越快；单链片段浓度越高，复性速度越快； 片段小易复性；片段小易复性；片段内重复序列多，复性快；片段内重复序列多，复性快；热变性后迅速降温不能复性，缓慢降温热变性后迅速降温不能复性，缓慢降温 并维持在并维持在Tm-25度左右最易复性度左右最易复性( (退火退火);维持一定的离子浓度，复性加快。维持一定的离子浓度，复性加快。、核酸的复性、核酸的复性变性核酸的互补链在适当条件下重新缔变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。合成双螺旋的过程。41 来源不同的具有互补碱基序列的多核来源不同的具有互补碱基序列的多核苷酸片段在溶液中冷却时，可再形成双螺苷酸片段在溶液中冷却时，可再形成双螺旋结构。旋结构。 、核酸的杂交、核酸的杂交42核酸的分子杂交43
