生物化学教学课件：第九章 核酸的化学

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1、第九章 核酸的化学第一节 核酸的化学组成 一 核酸的概念 核酸是由许多核苷酸残基（或单元）按核酸是由许多核苷酸残基（或单元）按一定顺序连接组成的多核苷酸（链）一定顺序连接组成的多核苷酸（链）。 核酸的基本组成单位是核酸的基本组成单位是核苷酸（残基或单核苷酸（残基或单元）元），而核苷酸则是由，而核苷酸则是由碱基、戊糖与磷酸组成的碱基、戊糖与磷酸组成的。 核酸完全水解后的产物即为核酸完全水解后的产物即为碱基、戊糖和磷酸碱基、戊糖和磷酸三大类三大类。 核核酸酸与与蛋蛋白白质质一一样样，是是一一切切生生物物机机体不可缺少的组成部分。体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传核酸是生命遗传信

2、息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续、生物物递者，它不仅对于生命的延续、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，而且与生物变异，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。如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸是现代生物化学、分子因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。生物学和医学的重要基础之一。核酸重要性核酸重要性The central dogma 真核细胞的真核细胞的DNADNA主要分布在细胞核中，约占主要分布在细胞核中，约占总量的总量的98%98%以上。以上。 DNADNA的

3、分子量很大，而且随着生物的进化而的分子量很大，而且随着生物的进化而增加。增加。 果蝇染色体中最大果蝇染色体中最大DNADNA相对分子质量为相对分子质量为4.14.110101010, , 长长2.1cm2.1cm，哺乳动物细胞内的全部，哺乳动物细胞内的全部DNADNA含有含有5.55.510109 9个碱基对，长个碱基对，长1.87m1.87m。表表2-1 2-1 几种几种DNADNA的分子大小的分子大小 来来 源源 碱碱 基基 对对 分分 子子 量量* * 分分 子子 长长(m)(m) 病病 毒毒 多瘤病毒或多瘤病毒或SV40 4600 3.4SV40 4600 3.410106 6 1.6

4、1.6 T T2 2噬菌体噬菌体 185,000 122185,000 12210106 6 6363 牛牛 痘痘 240,000 157240,000 15710106 6 8181 细细 菌菌 类菌质体类菌质体 760,000 504760,000 50410106 6 260260 大肠杆菌大肠杆菌 3,400,000 23203,400,000 232010106 6 12001200 注：注：1 1碱基对平均分子量为碱基对平均分子量为660660，1m1m双螺旋双螺旋DNADNA含量含量29402940碱基对或碱基对或1.941.9410106 6道道尔顿。尔顿。二 核糖与脱氧核糖

5、核糖与脱氧核糖均属戊糖。 核酸因其中戊糖的差异而被分成 DNA（脱氧核糖核酸）与 RNA（核糖核酸）。三 碱基嘌呤碱与嘧啶碱嘌呤嘌呤123456798腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤9嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶12345611 DNA（脱氧核糖核酸）中含有腺嘌呤含有腺嘌呤（Ade）、鸟嘌呤（）、鸟嘌呤（Gua）、胞嘧啶）、胞嘧啶（Cyt）与胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（Thy）； RNA（核糖核酸）中含有腺嘌呤含有腺嘌呤（Ade）、鸟嘌呤（）、鸟嘌呤（Gua）、胞嘧啶）、胞嘧啶（Cyt）与尿嘧啶（尿嘧啶（Ura）。 从有机化学的角度看，碱基中有烯醇式烯醇式与酮式之间的互变异构体、与酮式之间

6、的互变异构体、氨基态与亚氨氨基态与亚氨基态之间的互变异构体基态之间的互变异构体。 在天然的核酸分子中，嘌呤、嘧啶上氢原子的位置都是比较固定的，即腺嘌呤和腺嘌呤和胞嘧啶上胞嘧啶上C6位连接的氮原子常处于氨基态位连接的氮原子常处于氨基态（-NH2），），而而鸟嘌呤和尿嘧啶上鸟嘌呤和尿嘧啶上C6位连接位连接的氧原子常为酮式（的氧原子常为酮式（C=O）。 假如它们分别异构化为亚氨基态（C=NH）或烯醇式（=C-OH）结构，那么就会由于碱基的酮会由于碱基的酮式与烯醇式结构、氨基态与亚氨基态结构分别在形式与烯醇式结构、氨基态与亚氨基态结构分别在形成氢键的能力上有一定差异，而可能在成氢键的能力上有一定差异，

7、而可能在DNA复制时复制时因这些异构化作用而引起突变因这些异构化作用而引起突变。 氨基与亚氨基的互变异构酮式与烯醇式的互变异构 微量碱基（稀有碱基）微量碱基（稀有碱基）即某些核酸中存在的少量的其它修饰碱基，其含量通常很少。 如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶、5-甲基尿嘧啶、4-硫尿嘧啶等。四 核苷与核苷酸 （一） 核苷 核苷是由核苷是由核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖与与嘌呤碱或嘧嘌呤碱或嘧啶碱啶碱生成的生成的糖苷糖苷。 它分为核糖核苷核糖核苷与脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷两大类。 一般由戊糖的第一位碳原子（由戊糖的第一位碳原子（C1）与）与嘌呤碱的第九位氮原子（嘌呤碱的第九位氮原子（N9）或嘧啶碱的）或嘧啶碱

8、的第一位氮原子（第一位氮原子（N1）以糖苷键相连）以糖苷键相连，即形成N-糖苷键。 核酸分子中的糖苷键均为-糖苷键糖苷键。核核 苷苷 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。1911（二） 核苷酸 核苷酸是核苷酸是核苷的磷酸酯核苷的磷酸酯。 它分为核糖核苷酸核糖核苷酸与与脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸两两大类大类。 已经有机合成法证实: 核苷中的核糖有2-、3-、5-这3个自由羟基，故可分别被磷酸酯化为2-、3-、5-核苷酸； 脱氧核糖有3-、5-这2个自由羟基，故可分别被磷酸酯化为3-、5-脱氧核苷酸。 自然界中存在的游离核苷酸自然界中存在的游离核苷

9、酸为为5-磷酸磷酸酯，酯，故常将核苷-5-磷酸简称为核苷核苷-磷酸磷酸（5省去）。五. 多磷酸核苷酸 多磷酸核苷酸指带有多个磷酸基团的核苷酸。 （一） ATP与ADP ATP有两个高能磷酸键。 其-磷酸残基较稳定。在1mol/L HCL中于100处理，其-、-磷酸残基即可脱落下来。 细胞中的多磷酸核苷酸常与Mg2+形成复合物而存在。 （二） 鸟嘌呤核苷四磷酸酯（ppGpp）与鸟嘌呤核苷五磷酸酯（(p)ppGpp） 它们在代谢调控中有重要作用，在大肠杆菌中，参与rRNA合成的控制。鸟苷四磷酸（ppGpp）的结构式 六 环化核苷酸（一） cAMP与cGMP cAMP即3,5-cAMP（中文名叫3，

10、5-环化腺苷酸），cGMP即3,5-cGMP（中文名叫3，5-环化鸟苷酸）。 cAMP的合成与水解过程如下： 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 ATP cAMP + Ppi cAMP 磷酸二酯酶磷酸二酯酶 cAMP + H2O 5-AMP 3，5-cAMP与3，5-cGMP的结构式 cAMP的浓度取决于这两种酶活力的高低 cAMP与cGMP存在于动、植、微生物中，含量极少，但有极重要的生理功能。 cAMP为放大激素作用信号，为放大激素作用信号，cGMP为为缩小激素作用信号缩小激素作用信号，这二者称为这二者称为二级信使二级信使。 cAMP参与大肠杆菌中DNA转录的调控。（二） 2，3-环化核苷酸它是它是

11、RNA酶解或碱解的中间产物酶解或碱解的中间产物。 七 辅酶类核苷酸 许多核苷酸的衍生物是重要的辅酶。 例如，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）（NAD（P）中有AMP结构； 3-腺苷酸（3-AMP）是辅酶A（CoASH）的组份； 异咯嗪核苷酸是黄素酶类的辅酶，FAD（有AMP结构）。第二节 核酸的结构一. 核酸的一级结构（一）核苷酸的连接方式 1. DNA、RNA均无分支。 2. DNA、RNA中每个核苷酸的3-OH与相邻核苷酸的5-磷酸基相连，形成3，5-磷酸二酯键。 链的两端：一端为一端为5-磷酸基，一端为磷酸基，一端为3-OH。 3. DNA、RNA上核苷酸中的戊糖和磷酸基团构成核酸分子的主链

12、，而碱基则为其侧链基团。 4. DNA、RNA主链上的磷酸基为酸性，在细胞的pH条件下带负电荷。 碱基相对不溶于水，故有疏水性质。（二） 核酸的一级结构及其表示法1. 核酸的一级结构 核酸的一级结构是指核苷酸沿多核苷酸链排核酸的一级结构是指核苷酸沿多核苷酸链排列的顺序列的顺序。 2. 一级结构的简单表示法 同一条核酸链无分支，其中每个核苷酸之3-OH与相邻的核苷酸之5-P以3，5-磷酸二酯键而连接起来。每个核苷酸之间只可能在碱基上有差异，而核酸分子中戊糖（或脱氧戊糖）和磷酸在核酸主链上不断重复。 故常以故常以核酸链中碱基的顺序来表示核苷酸的顺核酸链中碱基的顺序来表示核苷酸的顺序序。 （1）线条

13、式线条式 其中，A、C、G、U代表碱基，连于戊糖的C1上，垂直线代表戊糖； p则代表磷酸基，由p引出的斜线，一端与C3相连，另一端与相邻戊糖的C5相连，代表3，5-磷酸二酯键。 （2）文字式缩写文字式缩写 如 5pApCpGpU ; pA-C-G-U ; pACGU(OH) ; 当p放在表示式的左边时，则p与戊糖的C5羟基结合；而在右边时，则表示p与C3羟基结合。 各简化式的读向为从左到右，表示序列为53。 遇特殊情况，象DNA双链的两条链反向平行，则同时描述时应该注明每条链的走向。 根据所测定的根据所测定的DNA序列，可以推测出序列，可以推测出RNA或蛋白质的顺序或蛋白质的顺序。 在核酸序列

14、的测定中，最先测定的是酵最先测定的是酵母丙氨酸母丙氨酸-tRNA，是由Holley等于1965年首先测定的。 1977年，Sanger首先测定了噬菌体 X174单链DNA的全结构。二. DNA的二级结构（一） DNA双螺旋结构模型的主要依据 1. Chargaff定则（即碱基等比定律） DNA中的碱基主要有A、G、C、T，另外还有少量的稀有碱基。 20世纪五十年代，Chargaff等应用纸层析及紫外分光光度法对各种生物的碱基组成进行定量测定后发现如下规律。 （1） 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T；（2） 腺嘌呤与胸腺嘧啶的数目相等，A=T； 鸟嘌呤与胞嘧啶的数目相等，G=C；（3

15、） DNA的碱基组成有种属特异性，却无组织器官的特异性；（4） DNA的碱基组成不受年龄、营养状态与环境的改变的影响。 显然，DNA可以用作生物分类的指标。 2. X-光衍射数据 Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA有相似的X-光衍射数据，即DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链，且沿纤维长轴有0.34nm与3.4nm这两个重要的周期性变化。3. 电位滴定行为 电位滴定法证明：DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基和-NH-CO-则不能滴定，它们是用氢键联系起来的。（二） DNA双螺旋结构模型的要点 1. DNA双螺旋由两条反向平行的多核苷酸链绕一个“中心轴”呈右

16、手双螺旋。 双螺旋表面有一大沟和小沟。 习惯上，将将35方向定为正向方向定为正向。 2. 双螺旋中的两条链之间由碱基对相连，使得碱基层叠于双螺旋的内侧，而磷酸与脱氧核糖则位于双螺旋的外侧。 碱基对之间有严格的配对关系，即即A与与T之间通过两个氢键相连，之间通过两个氢键相连，G之间之间C通过三个通过三个氢键相连氢键相连。 由于各个碱基对的大小几乎相同，故无论碱基顺序任何，DNA双螺旋的直径处处均为2 nm。3. 碱基对平面与轴垂直，而戊糖平面则与轴平行、而与碱基对平面垂直。 相邻的两个碱基对平面之间的距离（即碱基堆相邻的两个碱基对平面之间的距离（即碱基堆积距离）为积距离）为0.34nm，碱基对沿

17、轴扭转，碱基对沿轴扭转36。 故双螺旋每一转沿轴上升故双螺旋每一转沿轴上升3.4nm，上升，上升10个碱个碱基对基对。4. 在DNA双螺旋中，确定了其中一条链的顺序即可知另一条链的顺序。但是，这两条单链的顺序并这两条单链的顺序并不一定相同不一定相同。（三） 维持DNA双螺旋稳定的因素1. 氢键 氢键的能量十分小，氢键的能量十分小，且氢键断裂有协同且氢键断裂有协同性性，在一定条件下只要有少数断裂，则其余的也就几乎同时断裂。 2. 碱基之间的疏水作用（即碱基堆积力） 目前认为，这是维持DNA结构稳定的最重要因素。 碱积堆积力由芳香族碱基芳香族碱基电子之电子之间相互作用间相互作用而引起。 当碱基层层

18、堆积时，DNA分子内部形成一个疏水核心疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，故使互补的碱基之间形成氢键。3. 离子键 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能够形成离子键。 这可以减少DNA双链自身不同部位之间的斥力所造成的不稳定性。 可与DNA结合的阳离子如Na+、K+、Mg2+、Mn2+在所有类型的细胞中都很多。 原核细胞DNA常与多胺（如精胺、亚精胺）结合，真核细胞DNA则多与组蛋白相结合。 亚精胺：H2N-(CH2)4-NH(CH2)3-NH2 ; 精胺：H2N-(CH2)3-NH(CH2)4-NH(CH2)3-NH2 ；4. DNA双螺旋结构很稳定，但不是绝对的 实验证明

19、： （1）室温，溶液中的DNA分子内也有一部份氢键打开，且打开的部位处于不断的变化之中； （2）碱基对氢键上的质子不断与溶液中的质子发生交换。 故DNA的结构处于不停的运动之中。（四） DNA双螺旋的类型 1. 右手双螺旋 有A-DNA、B-DNA与C-DNA双螺旋，其中B-DNA双螺旋为符合Watson-Crick式碱基配对的类型。 2. 左手双螺旋 这种DNA双螺旋具有具有Watson-Crick式碱基配式碱基配对、反向平行的糖对、反向平行的糖-磷酸主链磷酸主链。其主链呈锯齿状左其主链呈锯齿状左向盘绕向盘绕，故取名为Z-DNA。该DNA双螺旋的直径为1.8nm，螺距为4.5nm，每圈12b

20、p。 关于DNA的三级结构（略）。 DNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性 类类 型型 螺距螺距（nm）每匝碱基数每匝碱基数螺旋方向螺旋方向B-DNA（DNA-Na盐，盐，92相对湿度）相对湿度）3.610.5右右A-DNA（DNA-Na盐，盐，75相对湿度）相对湿度）2.811右右C-DNA（DNA-Li盐，盐，75相对湿度）相对湿度）3.19.3右右Z-DNA4.512左左A,B,ZA,B,Z型型DNADNA构象的比较构象的比较当双螺旋的链进一步扭曲时，再次形成当双螺旋的链进一步扭曲时，再次形成螺旋结构，称为螺旋结构，称为DNADNA的三级结构的三级结构-超螺超螺旋结构旋结构正超螺旋正

21、超螺旋-拧紧状态拧紧状态负超螺旋负超螺旋-拧松状态拧松状态参考参考 DNADNA的三级结构的三级结构正超螺旋正超螺旋：3.4nm间距内碱基对数多于间距内碱基对数多于10个。个。负超螺旋负超螺旋：3.4nm间距内碱基对数少于间距内碱基对数少于10个。个。 DNA主要以主要以负超螺旋结构存在，负超螺旋结构存在， 以利基因的表达。以利基因的表达。三 RNA的结构（一） RNA的分类与分布 RNA主要分布在细胞质中主要分布在细胞质中，它主要在蛋白质的生物合成中发挥重要作用。 主要有三种类型。 1 细胞质RNA （1） rRNA（核糖体RNA） 这部份RNA分子量最大，代谢稳定，存在于核糖体中（约占核糖

22、体的60%），占细胞总RNA的80%。 其中5.8S rRNA 乃真核生物核糖体所特有的乃真核生物核糖体所特有的。 沉降系数随分子量的增加而增加沉降系数随分子量的增加而增加。 沉降系数分子所受净离心力（离心力减去浮力）与溶剂的摩擦阻力平衡时，单位离心场的沉降速度为定值，此即沉降系数、常数。 dx/dt s= w2x 注：dx/dt为离心速度； w2x为加速度 （2）tRNA（转移RNA） 也叫受体RNA 。在蛋白质生物合成过程中，它携带活化的氨基酸掺入到正在合成的肽链的正确位置。 它占RNA总量的15%，为细胞中最小的，且种类很多。 它常常以游离状态存在于细胞质中，且每一种氨基酸都有其特异的一

23、种或几种tRNA。（3）mRNA（信使RNA） 这部分占RNA总量的5%，含量最少。它在rRNA、tRNA和mRNA这三种RNA中最不稳定，代谢活跃，更新迅速。 相对而言，原核细胞（如大肠杆菌）的mRNA半寿期较短（几秒或几分钟），而真核细胞的则较长。 原原核核生生物物的的mRNAmRNA的的半半衰衰期期长长达达几几小小时时，甚甚至至2424小小时时（？）。这这种种差差异异与与生生物物的的生生长长习性有关。习性有关。 原原核核生生物物多多为为单单细细胞胞生生物物，其其生生长长速速度度快快，细细胞胞分分裂裂旺旺盛盛，因因而而其其DNADNA可可以以在在很很短短的时间内转录出相应的的时间内转录出相

24、应的mRNAmRNA来。来。 而而真真核核生生物物生生长长速速度度也也较较慢慢，相相应应地地，真核生物的真核生物的mRNAmRNA半衰期就比原核生物长得多。半衰期就比原核生物长得多。 与与其其它它种种类类的的RNARNA相相比比，mRNAmRNA的的寿寿命命是是最短的。最短的。 mRNA的碱基组成与DNA上的相对应，在蛋白质生物合成过程中起模板作用。 每一种蛋白质对应于一种mRNA。 当然，mRNA只有结合到核糖体上才能起模板作用。2. 细胞核RNA（1） 前体RNA 为细胞质RNA的前身物，存在于核内。 如mRNA的前体即核内不均一核内不均一RNA（也叫不均一核RNA，hnRNA）。 由于其

25、加工后的产物会出细胞核入细由于其加工后的产物会出细胞核入细胞质，胞质，故为迁移性故为迁移性RNA。（2） 小分子RNA 小分子RNA的分子大小在4S8S不等，由80160个核苷酸组成。 有的小分子RNA在RNA的加工成熟过程中起作用。 有的与染色质结合，可能对基因活性起调节作用，这些小分子RNA又称为染色质RNA（chRNA）。 小分子小分子RNA始终存在于核内，故为非迁始终存在于核内，故为非迁移性移性RNA。（二） RNA的一级结构上的特殊修饰 1. RNA上碱基组成的特点 组成RNA的基本单位是AMP、GMP、CMP、UMP，相邻的核苷酸之间也是由3，5-磷酸二酯键连接起来。 RNA为单链

26、，分子中没有严格的为单链，分子中没有严格的A=U、G=C的的规律规律。 不同来源的同一类RNA或同一来源的不同类RNA，其碱基组成也都不同。 RNA中以中以tRNA上的稀有碱基最丰富上的稀有碱基最丰富，达几十种之多，而其中以各种甲基化的碱基以各种甲基化的碱基与假尿嘧啶（与假尿嘧啶（）为多）为多。 这些稀有成分可能与tRNA的生物学功能有一定的关系。2. RNA一级结构上的特殊修饰 这主要表现在真核生物上。 （1）mRNA上3-端有polyA尾巴 polyA即多聚腺苷酸即多聚腺苷酸。 除了组蛋白外，几乎所有蛋白质的mRNA其3-端都有一个polyA尾巴。 这一般与mRNA由细胞核向细胞质的移动有

27、关，也与mRNA的半衰期有关。（2）mRNA上5-端有一个帽子结构 几乎所有的mRNA之5-端都有一个帽子结构m7G-5-ppp-5-Nm。 其5-端为端为7-甲基鸟嘌呤核苷（甲基鸟嘌呤核苷（m7G），它以核糖的5-焦磷酸与相邻的核苷酸相连，形成5-5-三磷酸酯键，而这个相邻的核苷酸常常在C 2上甲基化（Nm）。帽子结构m7G-5-ppp-5-Nm结构式 5-帽子结构可能与蛋白质生物合成的正确起始作用有关，它可以协助核糖体与mRNA结合，使翻译过程在起始密码子AUG处开始。 另外，它还有抗5-核酸外切酶的降解作用，可以防止mRNA被酶解。 原核生物的原核生物的mRNA则没有这种特殊修饰则没有这

28、种特殊修饰。（三） RNA的二级结构 RNA是多核苷酸单链，其二级结构非双螺旋，但会在部分区域形成自我回折。 此时，A与U、G与C之间分别以氢键配对，从而形成“发夹结构发夹结构”，并可以进一步扭曲形成双螺旋，而未能够配对的碱基区则形成突环，被排斥出双螺旋区域。 少数病毒如呼肠狐病毒、伤瘤病毒等的RNA分子可以全部形成完整的双螺旋结构，其二级结构类似于DNA的双螺旋结构。经典举例 tRNA的的三叶草型三叶草型二级结构二级结构 该结构共分五个部分。 1 氨基酸臂（区） 有7个碱基对组成一个螺旋区，该螺旋区与4个不配对的碱基相连。 其其3-端有一序列端有一序列-CpCpA-OH，为接受活为接受活化氨

29、基酸的部位化氨基酸的部位。 2 二氢尿嘧啶环（区）二氢尿嘧啶环（区） 即即I环或环或DHU环、环、D环环。 由8-12个核苷酸组成环，以含有以含有5，6-二二氢尿嘧啶为特征，故取名为氢尿嘧啶为特征，故取名为二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环。 此环通过一个3-4bp组成的双螺旋区（D茎）与二级结构的其它部分相连。3 反密码子环（区）反密码子环（区） 由7个核苷酸组成，其中含有由含有由3个核苷个核苷酸组成的反密码子，可以和酸组成的反密码子，可以和mRNA上的密码上的密码子识别配对子识别配对，故被称为反密码子环反密码子环。 此环通过5bp组成的双螺旋区（即反密码子茎）与二级结构的其它部分相连。4 可变环（区

30、）可变环（区） 由3-21bp组成。 在不同种类的tRNA中，此环所含的核苷酸数目变化很大，通常它缺乏一个螺旋茎。 有学者提出可变环可作为分类的指标。5 TC环（区） 即假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环胸腺嘧啶核苷环。 几乎所有的tRNA中都有T- C这个序列。 它由7个碱基组成，通过5bp组成的双螺旋区（T C茎）与二级结构的其它部分相连。 6绝大多数tRNA中，除了可变环外（某些例子D环除外），尽管在碱基顺序上有很大的可变性，但具有相同的残基数。（见佐贝） 7某些位置上的核苷酸对于所有的tRNA来说都相同，或者是变化很少，叫作不变核苷酸不变核苷酸。 RNA的三级结构的三级结构倒倒L

31、型结构。型结构。 rRNA rRNA呈单呈单链存在，也有链存在，也有局部局部双螺旋双螺旋和和发卡结发卡结, ,rRNA rRNA 与蛋白质一起与蛋白质一起组成核糖体，组成核糖体，作为作为蛋白质合蛋白质合成场所成场所rRNArRNA的结构的结构第三节 核苷酸与核酸的性质 一核苷酸的性质 （一）一般性质 核苷酸为无色的粉末或结晶。 易溶于水，不溶于有机溶剂易溶于水，不溶于有机溶剂。 核苷酸具旋光性。 碱基在水中的溶解度较相应的核苷酸要低碱基在水中的溶解度较相应的核苷酸要低。 （二）紫外吸收 嘌呤、嘧啶碱共轭双键，导致碱基、核苷、核苷酸在240-290nm有强烈吸收峰。 1. 其最大值在最大值在26

32、0nm。 不同的核苷酸有其独特的紫外吸收曲线，其吸收高峰并不完全重合。 2. 选定某两波长的光吸收值之比，如OD250/OD260、OD280/OD260、D290/OD260，可鉴别不同的核苷酸。 3. 溶液pH会影响核苷酸的解离状态，从而影响紫外吸收，故测定时要严格控制溶液的pH。 由同一种碱基构成的核苷、核苷酸的光由同一种碱基构成的核苷、核苷酸的光谱彼此差别不大谱彼此差别不大，但它们与同一种碱基的光，但它们与同一种碱基的光谱相比则差异明显谱相比则差异明显。 磷酸对核苷糖环上的酯化位置对紫外吸收无多大影响，故不能以此来鉴定2-、3-、5-核苷酸。二核酸的性质 （一） 一般性质 1 核酸分子

33、中既有磷酸基团又有碱性基团，所以是两性电解质是两性电解质。 其磷酸基团的酸性强，故在pH大于或等于4时，核酸分子呈负离子状态。 2 DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，均微溶于水，但不溶于一般有机溶剂。 常用乙醇沉淀的方法来获取核酸常用乙醇沉淀的方法来获取核酸。 3 DNA的双螺旋结构使其具有一定的刚的双螺旋结构使其具有一定的刚性性，故其在水溶液中仍可保持双螺旋结构。 4 DNA分子具有一定的粘性分子具有一定的粘性。 当其变性时结构会发生由双螺旋向无规线团的转变，粘度会下降。 这是DNA变性的指标。参考 5. G-C碱基对的密度比A-T碱基对的要大，所以富含G-C碱基对的DNA其浮力密度

34、大。 公式P=0.100(G-C%) + 1.658(g/cm3)可以用来计算浮力密度，其中P代表DNA的浮力密度。 例如，设狂犬病毒DNA的浮力密度为1.732g/cm3， 则该DNA的G-C碱基对含量=(1.732-1.658)/0.100=0.740克分子 （注：此式不适用于富含5-甲基胞嘧啶的DNA） 参考6. 浮力密度的大小顺序为 RNA的的 DNA的的 蛋白质的蛋白质的。 双链DNA热变性后变成单链，此时浮力密度增加，但是单链DNA受热后浮力密度不变。 这可以用来鉴定DNA是单链的还是双链的。参考7. 盐浓度的影响 DNA-蛋白在低浓度盐溶液中，随着盐浓度的增加，DNA-蛋白的溶解

35、度增加。 另外，另外，DNA DNA 抗碱性比抗碱性比RNA RNA 强，但是二者均强，但是二者均不耐强酸、强碱。不耐强酸、强碱。（二）紫外吸收性质 由于嘌呤碱与嘧啶碱具有强烈的紫外吸收特由于嘌呤碱与嘧啶碱具有强烈的紫外吸收特性，故核酸也有强烈的紫外吸收特性性，故核酸也有强烈的紫外吸收特性。 一般在260 nm有最大的紫外光吸收值，而蛋白的最大吸收在280nm处，故可依此鉴定核酸中的蛋白质杂质。 核酸分子的紫外吸收值比其所含核苷酸核酸分子的紫外吸收值比其所含核苷酸单体的紫外吸收值的总和要低单体的紫外吸收值的总和要低20-60%，降低的程度与其分子中双链结构的多少有关。 1 增色效应 核酸在变性

36、时其在260 nm处的紫外光吸收值会增加，这种现象即增色效应。 2 减色效应 一定条件下，变性的核酸在复性时其在260 nm处的紫外光吸收值降低乃至恢复到未变性时的水平，这种现象即减色效应。 DNA双螺旋结构中堆集的碱基之间的电双螺旋结构中堆集的碱基之间的电子相互作用会导致紫外吸收值的下降子相互作用会导致紫外吸收值的下降。 这是引起减色效应的原因。 3细胞的紫外光照相（参考） 当滤纸在250-290nm处被紫外光照射时，会发出浅蓝色荧光，但是当滤纸上有嘌呤或嘧啶衍生物存在时，由于它们吸收了入射的紫外光，从而熄灭了该处的荧光而可见一暗区。三核酸的变性、复性与杂交 （一） 变性 1 变性 核酸在高

37、温、酸、碱或一些变性剂（如尿素等）的作用下，其氢键被破坏，导致有规律的双螺旋结构变成单链的、无规律的“线团”的过程，这是核酸的变性。 此时，DNA会发生增色效应，比旋下降，粘度下降，浮力密度增加，酸碱滴定曲线发生改变，同时甚至会丧失生物学活性。2Tm(T1/2) (1)Tm(T1/2) DNA的热变性过程是爆发式的的热变性过程是爆发式的，是在一个比较狭窄的温度范围内进行的，有一个相变过程。 一般将引起DNA变性的温度叫做熔点、融点、熔解温度、熔融温度(melting temperature,Tm)，具体来说Tm是指是指DNA热变性时，增色效应达到热变性时，增色效应达到50%时的温度时的温度。

38、DNA的Tm一般在70-85之间。(2)与Tm有关的因素 a. DNA的均一性 均质DNA(homogenous DNA)的熔解过程发生在一个较小的温度范围内，异质DNA(heterogenous DNA)的熔解过程则发生在一个较宽的温度范围内。故Tm可以作为衡量DNA样品均一性的标准。 例如，polyd(A-T)（即多聚腺嘌呤脱氧核苷酸-多聚胸腺嘧啶脱氧核苷酸）与一般的DNA相比均一性就强。 b. G-C碱基对的含量 在pH7.0、0.165mol/L NaCl 溶液中，DNA的Tm与其中的G-C碱基对的含量成正比，可以用如下经验公式来计算。 x（G-C）%=(Tm-69.3)*2.44 可

39、以说，DNA中中G=C含量越高，其含量越高，其Tm越越大大。c. 介质中的离子强度 离子强度低，则离子强度低，则DNA的的Tm低，熔解温度低，熔解温度的范围宽的范围宽； 离子强度高，则离子强度高，则DNA的的Tm高，熔高，熔解温度的范围窄解温度的范围窄。 故DNA保存在1mol/L NaCl 溶液中较稳定，而不应该保存在极稀的电解质溶液中，以防止变性。d. 介质中的pH 高pH条件下，DNA的碱基广泛去质子的碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力，而丧失形成氢键的能力，pH大于大于11.3时，时，DNA完全变性。完全变性。 pH小于小于5.0时，时，则则DNA容易脱嘌呤容易脱嘌呤。 e. 变性剂

40、甲酰胺、尿素和甲醛等，可以破坏氢键，可以破坏氢键，妨碍碱基堆积，使妨碍碱基堆积，使Tm下降。下降。3. RNA的变性 双链双链RNA的变性与的变性与DNA的相同的相同。 RNA具有局部的双螺旋区，也会发生双螺旋区向无规线团之间的转变，但是Tm较低，转变也不明显。 相对而言，tRNA具有的双螺旋区较具有的双螺旋区较多，则其多，则其Tm较大较大。（二） 复性 1复性 变性DNA在适当的条件下，其两条分开的单链重新缔合形成双螺旋结构，这个过程即复性。 随着复性，DNA会发生减色效应，比旋增加，粘度增加，浮力密度下降，同时会部分乃至全部恢复生物学活性。DNADNA复性复性2. 与复性有关的因素 (1)

41、 骤冷，热变性DNA不能复性；缓慢冷却，则可。 (2) 变性DNA片段越大，复性越慢。 (3) 变性DNA浓度越大，复性越易。 (4) 均质的变性DNA较异质的变性DNA复性更易。3. 一定条件下的复性速度可以用Cot来衡量（参考） Co变性DNA的原始浓度，用摩尔表示； t时间，用秒表示； Cot1/2DNA复性一半所需的时间与DNA浓度之积，此即反映了复性速度。 （三） 降解 这指多核苷酸链内共价键断裂多核苷酸链内共价键断裂的过程。 核酸的降解导致分子量降低，而变性则否。 降解也发生增色效应。 (四) 杂交分子杂交（分子杂交（Hybridization)Hybridization) 两条来

42、源不同但有核苷酸互补关两条来源不同但有核苷酸互补关系的系的DNADNA单链分子或单链分子或DNADNA单链与单链与RNARNA分分子，在去掉变性条件后，互补的区子，在去掉变性条件后，互补的区段能够退火复性形成双链段能够退火复性形成双链DNADNA分子或分子或DNA/RNADNA/RNA异质分子，这一过程称为核异质分子，这一过程称为核酸的分子杂交。酸的分子杂交。第四节 真核生物染色体DNA的结构特点 一 重复序列 真核生物染色体DNA 中有许多重复出现的核苷酸序列。 （一） 高度重复序列 这种序列的重复次数高达几百万次，基础顺序短（有学者提出为5-100bp，也有学者提出为最多10bp）。 在离

43、心管中，因密度不同而位置各异的DNA区带可以通过特殊的光学系统后而显为峰形。 高度重复序列中一般富含G=C碱基对，与细胞总DNA 中的G=C碱基对含量不同，故在CsCL密度梯度离心时会在DNA主峰旁边额外出现一个小峰，似卫星一样独立于主体DNA，故称之为卫星峰卫星峰，所含DNA为卫星卫星DNA 。 （二） 中度重复序列 重复次数达到几百到几千次，基础顺序稍长（100-300bp）。 如组蛋白、 rRNA、tRNA等的基因就是。 （三） 单一顺序 除组蛋白外，几乎所有的蛋白质都由单一顺序编码。 二 大多数真核生物的基因都有内含子 内含子一般指基因中的非编码部分，也内含子一般指基因中的非编码部分，

44、也叫居间顺序、插入顺序叫居间顺序、插入顺序。 而间隔顺序则指相邻基因之间的序列间隔顺序则指相邻基因之间的序列。 相应的，有外显子一般指基因中的编码部分。三 回文结构 回文指正读与反读意义都相同的句子回文指正读与反读意义都相同的句子。例如，斗鸡山上山鸡斗，龙隐岩中岩隐龙斗鸡山上山鸡斗，龙隐岩中岩隐龙。 对DNA结构来说，即在一个假想轴的两侧，某些碱基序列之间有倒转重复的关系。 DNA变性后，倒转重复序列之间可以形成十字结构或发夹结构。 回文结构指回文结构指 DNA上的倒转重复的序列上的倒转重复的序列。回文序列回文序列（palindromic sequence）：指）：指DNA序列中，序列中，以某

45、一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列正读以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列正读和反读都相同的双螺旋结构。旋转和反读都相同的双螺旋结构。旋转180 后对称重复。后对称重复。发卡结构发卡结构十字形结构十字形结构镜像重复镜像重复（mirror repeat）：）：DNA序列反向重复，序列反向重复，且存在于同一条链上。且存在于同一条链上。 当当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（可以形成三股螺旋（hinged DNA , H-DNA)Hoogsteen配对（参考）配对（参考）参考参考 DNADNA的存在形式的存在形式真核细胞中，线状真核细胞

46、中，线状DNADNA分子与分子与组蛋白组蛋白结合形结合形成核小体成核小体组蛋白组蛋白：分子量分子量11-21KD,11-21KD,富含赖氨酸和精富含赖氨酸和精氨酸的碱性蛋白，分为氨酸的碱性蛋白，分为H H1 1,H,H2 2A,HA,H2 2B,HB,H3 3,H,H4 4核小体：是真核生物染色体的基本结构元，核小体：是真核生物染色体的基本结构元，有一段大约有一段大约200200个碱基对的双螺旋个碱基对的双螺旋DNADNA和五和五种组蛋白组成。种组蛋白组成。核小体结构核小体结构核小体核心核小体核心：由长：由长146bp146bp的一段双螺的一段双螺旋旋DNADNA以左手超螺旋的方式缠绕在以左手超螺旋的方式缠绕在核核心颗粒心颗粒表面绕核心颗粒表面绕核心颗粒1.751.75圈，组圈，组成核小体核心。成核小体核心。核心颗粒核心颗粒：组蛋白八聚体（：组蛋白八聚体（H H2 2A A，H H2 2B B，H H3 3，H H4 4各两分子）各两分子）连接区连接区DNADNA：连接核小体核心的：连接核小体核心的DNADNA染染色色体体的的形形成成