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1、第六章第六章 核酸的化学核酸的化学核酸核酸nucleic acidnucleic acid是生物特有的重要的大分子是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中。化合物，广泛存在于各类生物细胞中。生物体中存在两类核酸：核糖核酸生物体中存在两类核酸：核糖核酸DNADNA和脱氧核和脱氧核糖核酸糖核酸RNARNA。DNADNA主要存在于细胞核中，主要存在于细胞核中，RNARNA存在于存在于细胞质中。细胞细胞质中。细胞 中的核酸通常与蛋白质结合，以核蛋中的核酸通常与蛋白质结合，以核蛋白的方式存在。白的方式存在。现已证明，储存遗传信息的物质是现已证明，储存遗传信息的物质是DNADNA，基因是，
2、基因是DNADNA分子中的一段特定的碱基陈列顺序。分子中的一段特定的碱基陈列顺序。RNARNA在蛋白质生物合成中起重要作用，而各种复杂的在蛋白质生物合成中起重要作用，而各种复杂的生命景象是经过蛋白质来表达的。生命景象是经过蛋白质来表达的。DNADNA中储存合成蛋白中储存合成蛋白质的遗传信息，必需经过质的遗传信息，必需经过RNARNA的作用才干转变成不同的的作用才干转变成不同的蛋白质。蛋白质。参与蛋白质合成的参与蛋白质合成的RNA有有3类，核糖体类，核糖体RNArRNA、转移、转移RNAtRNA、信使、信使RNAmRNA。rRNA在细胞内与蛋白质结合构成核糖体核蛋白体在细胞内与蛋白质结合构成核糖
3、体核蛋白体，约占，约占RNA 总量的总量的80%，它是细胞内蛋白质的合成场，它是细胞内蛋白质的合成场所。所。tRNA在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸和识别在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，约占密码子的作用，约占RNA 总量的总量的15%。tRNA的种类很的种类很多，合成蛋白质的每一种氨基酸都有相对应的一种或几多，合成蛋白质的每一种氨基酸都有相对应的一种或几种种tRNA。mRNA在蛋白质的生物合成中起着传送遗传信息的作在蛋白质的生物合成中起着传送遗传信息的作用，约占用，约占RNA 总量的总量的5%。在一切细胞中，蛋白质的合。在一切细胞中，蛋白质的合成都以成都以mRNA为模板
4、。为模板。核酸广泛分布于各类生物细胞中，普通占细胞干重核酸广泛分布于各类生物细胞中，普通占细胞干重的的5%15%。在真核细胞中，在真核细胞中，95%98%的的DNA 分布于细胞核中，分布于细胞核中，DNA 与组蛋白结合成染色体的方式存在，每个染色体与组蛋白结合成染色体的方式存在，每个染色体含有一个高度紧缩的含有一个高度紧缩的DNA 分子。线粒体、叶绿体中也分子。线粒体、叶绿体中也有少量有少量DNA 存在，但不与蛋白质结合，且比细胞核中存在，但不与蛋白质结合，且比细胞核中的染色体的染色体DNA 要小得多。在原核细胞中，要小得多。在原核细胞中，DNA 存在于存在于细胞质中的核质区，通常只含有一个高
5、度紧缩的单纯细胞质中的核质区，通常只含有一个高度紧缩的单纯DNA 分子，也称为染色体但与真核细胞的染色体不分子，也称为染色体但与真核细胞的染色体不同。有关大肠杆菌的研讨阐明，它的染色体是一个环同。有关大肠杆菌的研讨阐明，它的染色体是一个环状的状的DNA 分子。在某些细菌中还存在一些游离于染色分子。在某些细菌中还存在一些游离于染色体之外的小的体之外的小的DNA 分子，称为质粒。分子，称为质粒。RNA 主要存在于主要存在于细细胞胞质质中，中，约约占占总总量的量的90%，细细胞胞核中也有少量的存在，核中也有少量的存在，约约占占总总量的量的10%。病毒是非病毒是非细细胞形状的生物，主要由蛋白胞形状的生
6、物，主要由蛋白质质和核酸和核酸组组成。在病毒内部含有核酸，或是成。在病毒内部含有核酸，或是DNA，或是，或是RNA，据，据此划分此划分为为DNA 病毒和病毒和RNA 病毒。病毒。上述两大上述两大类类核酸在核酸在细细胞内的分布情况是与它胞内的分布情况是与它们们的功的功能相一致的。能相一致的。细细胞中的胞中的DNA 起着起着储储存和存和传传送送遗传遗传信息信息的作用。的作用。细细胞胞质质中的中的RNA 在核内接受了在核内接受了DNA 的的“指令指令，到，到细细胞胞质质指点并直接参与蛋白指点并直接参与蛋白质质的合成。的合成。第一第一节 核酸的核酸的组成成核酸的根本构造核酸的根本构造单位是核苷酸，核酸
7、是由几百甚至位是核苷酸，核酸是由几百甚至几千万个核苷酸聚合而成的生物大分子，几千万个核苷酸聚合而成的生物大分子， 所以又称多所以又称多聚核苷酸。核酸聚核苷酸。核酸经部分水解可部分水解可产生核苷酸，如生核苷酸，如经完全水完全水解那么解那么产生磷酸、碱基和戊糖。每分子核苷酸含有一分生磷酸、碱基和戊糖。每分子核苷酸含有一分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。也就是子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。也就是说，核，核酸的根本酸的根本“元件是碱基、戊糖和磷酸。两元件是碱基、戊糖和磷酸。两类核酸的核酸的组成成分中，有一成成分中，有一样的，也有不同的。含氮碱基是两种母的，也有不同的。含氮碱基是两种母体化合物
8、体化合物嘌呤和呤和嘧啶的衍生物。的衍生物。核酸延续水解的降解产物一、戊糖一、戊糖核酸是按其所含戊糖不同而分核酸是按其所含戊糖不同而分为两大两大类的。的。DNA DNA 所所含的戊糖是含的戊糖是-D-2-D-2-脱氧核糖，脱氧核糖，RNA RNA 所含的戊糖是所含的戊糖是-D-D-核糖。另外，核糖。另外，RNA RNA 中中还含有少量的修含有少量的修饰戊糖，即戊糖，即D-2-O-D-2-O-甲基核糖。核酸中的甲基核糖。核酸中的这些戊糖均以些戊糖均以-呋喃型喃型环状构造存在。状构造存在。-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖二、碱基二、碱基核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。它们是含核酸中的碱基
9、有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。它们是含氮的杂环化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。氮的杂环化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。1 1、嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。、嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。DNA DNA 和和RNA RNA 中含有一样的两种主要的嘌呤碱：腺嘌呤和鸟嘌中含有一样的两种主要的嘌呤碱：腺嘌呤和鸟嘌呤，分别用呤，分别用A A 和和G G 表示。表示。RNA RNA 和和DNA DNA 均含这两种嘌呤碱均含这两种嘌呤碱基，它们都是嘌呤的基，它们都是嘌呤的2 2 位或位或6 6 位碳原子上的氢被氨基或位碳原子上的氢被氨基或酮基取代而构成的。核酸中还含有一些修饰嘌呤碱也酮基取代
10、而构成的。核酸中还含有一些修饰嘌呤碱也称稀有嘌呤碱，如次黄嘌呤、称稀有嘌呤碱，如次黄嘌呤、N6-N6-甲基腺嘌呤、甲基腺嘌呤、7-7-甲甲基鸟嘌呤等。基鸟嘌呤等。次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤1-甲基鸟嘌呤2 2、嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞、嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶，分别用嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶，分别用C C、U U 和和T T 表示。表示。RNA RNA 中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，DNADNA含有胞嘧啶和胸腺嘧含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。从构造上看，它们都是在嘧啶的啶。从构造上看，它们都是在嘧啶的2 2 位碳原子上由酮位碳
11、原子上由酮基取代氢，在基取代氢，在4 4 位碳原子上由氨基或酮基取代氢而构成位碳原子上由氨基或酮基取代氢而构成的。同样，核酸中也含有一些修饰稀有嘧啶碱，如的。同样，核酸中也含有一些修饰稀有嘧啶碱，如5-5-甲基胞嘧啶、甲基胞嘧啶、4-4-硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶核酸中含氮碱基均核酸中含氮碱基均为无色固体，无色固体，熔点高，大多在熔点高，大多在200300，在，在有机溶有机溶剂中溶解度很小，在水中中溶解度很小，在水中溶解度也不大，普通溶于稀酸或溶解度也不大，普通溶于稀酸或稀碱。用稀碱。用X 光衍射分析法已光衍射分析法已证明明了各种了各种嘌呤和呤和嘧啶的
12、三度空的三度空间构构造。造。嘧啶是平面分子，是平面分子，嘌呤也很呤也很接近平面，但稍有接近平面，但稍有翘折。折。腺嘌呤分子的立体构造单位为腺嘌呤分子的立体构造单位为nmnm3 3、磷酸：核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含、磷酸：核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与有磷酸，所以核酸呈酸性，可与Na+Na+、多胺、多胺、组组蛋白蛋白结结合。核酸中的磷酸参与构成合。核酸中的磷酸参与构成3,5-3,5-磷酸二磷酸二酯键酯键，使核，使核酸酸连连成多核苷酸成多核苷酸链链。以上三种根本以上三种根本“元件再元件再进进一步一步衔衔接，碱基与戊糖接，碱基与戊糖以糖苷以糖苷键键构成核苷
13、，核苷再与磷酸以磷酸构成核苷，核苷再与磷酸以磷酸酯键酯键构成核构成核苷酸，核苷酸是核酸的根本构造苷酸，核苷酸是核酸的根本构造单单位，相当于位，相当于“部件部件。DNARNA嘌呤碱腺嘌呤（adenine）腺嘌呤（adenine）（purine bases）鸟嘌呤（guanine）鸟嘌呤（guanine）嘧啶碱胞嘧啶（cytosine）胞嘧啶（cytosine）（pyrimidine bases）胸腺嘧啶（thymine）尿嘧啶（uracil）戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸两类核酸的根本化学组成三、核苷与核苷酸三、核苷与核苷酸1 1、核苷：核苷、核苷：核苷ribosideriboside由
14、戊糖和碱基缩合而成，由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键衔接。糖环上的并以糖苷键衔接。糖环上的C1C1与嘧啶碱的与嘧啶碱的N1 N1 或与嘌呤或与嘌呤碱的碱的N9 N9 相衔接。所以糖与碱基之间的连键是相衔接。所以糖与碱基之间的连键是N-C N-C 键，键，称为称为N-N-糖苷键。运用糖苷键。运用X-X-光衍射分析证明，核苷中的碱基光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面相互垂直。与糖环平面相互垂直。2 2、核苷酸：核苷酸是核苷中戊糖环上的羟基与磷酸、核苷酸：核苷酸是核苷中戊糖环上的羟基与磷酸脱水生成的核苷磷酸酯。由核糖核苷构成的磷酸酯称为脱水生成的核苷磷酸酯。由核糖核苷构成的磷酸酯称为核糖核苷酸简
15、称核苷酸；由脱氧核糖核苷构成的磷核糖核苷酸简称核苷酸；由脱氧核糖核苷构成的磷酸酯称为脱氧核糖核苷酸简称脱氧核苷酸。酸酯称为脱氧核糖核苷酸简称脱氧核苷酸。核苷酸有核苷酸有2-2-核苷核苷酸、酸、3-3-核苷酸和核苷酸和5-5-核苷酸；脱氧核核苷酸；脱氧核苷酸有苷酸有3-3-核苷酸和核苷酸和5-5-核苷酸。核苷酸。细胞内胞内游离存在的核苷酸都游离存在的核苷酸都是是5-5-核苷酸，核苷酸，RNARNA在在碱催化下水解可生成碱催化下水解可生成2-2-核苷酸和核苷酸和3-3-核核苷酸。苷酸。PPPPPPPP常见脱氧核苷酸的构造和命名常见脱氧核苷酸的构造和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸GMPGMP尿嘧啶核苷
16、酸尿嘧啶核苷酸UMPUMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMPCMP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸AMPAMP脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸dAMPdAMP脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸dGMPdGMP脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸dCMPdCMP脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸dTMPdTMP碱 基核 糖 核 苷 酸脱 氧 核 糖 核 苷 酸腺嘌呤(A)腺嘌呤核苷酸（adenosine monophosphate, AMP）腺嘌呤脱氧核苷酸（deoxyadenosine monophosphate, dAMP）鸟嘌呤(G鸟嘌呤核苷酸（guanosine monophosphate, GMP）鸟
17、嘌呤脱氧核苷酸（deoxyguanosine monophosphate, dGMP胞嘧啶（C）胞嘧啶核苷酸（cytidine monophosphate, CMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（deoxycytidine monophosphate, dCMP）尿嘧啶（U）尿嘧啶核苷酸（uridine monophosphate, UMP）胸腺嘧啶（T）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（deoxythymidine monophosphate, dTMP）常见的核苷酸常见的核苷酸四、细胞内的其它核苷酸四、细胞内的其它核苷酸生物细胞内除组成核酸的核苷酸外，还存在着一些游生物细胞内除组成核酸的核苷酸外，还存在着一些游离的
18、核苷酸，它们具有重要的生理功能。离的核苷酸，它们具有重要的生理功能。1 1、多磷酸核苷酸：核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，、多磷酸核苷酸：核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，构成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称为多磷酸核苷构成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称为多磷酸核苷酸。酸。细胞内的核苷三磷酸都细胞内的核苷三磷酸都是高能磷酸化合物。在生化是高能磷酸化合物。在生化反响中作为能量和磷酸基团反响中作为能量和磷酸基团的供体，以的供体，以ATP最为重要。最为重要。ATP 中含有两个高能磷酸中含有两个高能磷酸键。高能磷酸键水解时释放键。高能磷酸键水解时释放出的能量为出的能量为30kJ/mol，而普，而普通磷酸键
19、能为通磷酸键能为14kJ/mol。生。生物获得的能量可转换成物获得的能量可转换成ATP，当需求能量时，当需求能量时，ATP中的中的高能键水解，将储存的能量释放出来，可参与多种生物高能键水解，将储存的能量释放出来，可参与多种生物合成反响。合成反响。除核苷酸的磷酸基进一步磷酸化外，除核苷酸的磷酸基进一步磷酸化外，5-脱氧核苷酸也脱氧核苷酸也可以进一步磷酸化为脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷可以进一步磷酸化为脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷酸，并都具有各自的生理功能。酸，并都具有各自的生理功能。2 2、环环化核苷酸：化核苷酸：环环化核苷酸是核苷酸分子中的磷酸化核苷酸是核苷酸分子中的磷酸基基团团与核糖与核糖经
20、过经过两个两个酯键环酯键环化而成的。研化而成的。研讨较讨较多比多比较较重重要的有要的有3,5-3,5-环环化腺苷酸化腺苷酸 cAMP)cAMP)和和3,5-3,5-环环化化鸟鸟苷苷酸酸 cGMPcGMP 。cAMPcGMPcAMP 和和cGMP是是ATP和和GTP经经腺苷酸腺苷酸环环化化酶酶和和鸟鸟苷苷酸酸环环化化酶酶催化生成的，在生催化生成的，在生物物细细胞中广泛存在但含量很胞中广泛存在但含量很少。少。 cAMP的的3 位位酯键为酯键为高高能磷酸能磷酸键键，水解后可，水解后可释释放放49.7kJ/mol 自在能。自在能。cAMP具有放大激素作用信号的功能，所以在具有放大激素作用信号的功能，所
21、以在细胞代胞代谢调理中理中起重要作用。此外，起重要作用。此外，3 ,5 -环鸟苷酸也是一种具有代苷酸也是一种具有代谢调理作用的理作用的环化核苷酸，并有与化核苷酸，并有与cAMP相相对抗的生理功抗的生理功能。能。第二第二节 核酸的构造核酸的构造一、核酸的一一、核酸的一级构造构造一核苷酸的一核苷酸的衔接方式：接方式：RNARNA和和DNADNA分分别由由许多核苷多核苷酸和脱氧核苷酸按一定酸和脱氧核苷酸按一定顺序序衔接而成的多核苷酸接而成的多核苷酸链。这种种衔接都是由一个核苷酸的接都是由一个核苷酸的3 3 -羟基和另一个核苷酸的基和另一个核苷酸的5-5-磷酸基以磷酸基以酯键相相连，构，构成一个磷酸二
22、成一个磷酸二酯键，这种共种共价价键称称为33，5-5-磷酸二磷酸二酯键。RNARNA和和DNADNA都是由都是由33，5-5-磷酸二磷酸二酯键衔接而成的接而成的多核苷酸多核苷酸链。多核苷酸链可以用简单的方法表示，如用竖线代表多核苷酸链可以用简单的方法表示，如用竖线代表戊糖。戊糖。PPPPPPOHOHAAGGTU555555333333也可以用碱基序列表示核酸的一也可以用碱基序列表示核酸的一级构造，如，构造，如，AGCTAGC-,AGCTAGC-,阅读方向从左到右，所表示的碱基序列是从方向从左到右，所表示的碱基序列是从55到到33，核苷酸之，核苷酸之间的的衔接接键是是33，5-5-磷酸二磷酸二酯
23、键。在表示核酸在表示核酸酶的水解部位的水解部位时，用，用P P表示磷酸基表示磷酸基团，当，当它放在核苷符号的左它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖，表示磷酸与糖环的的5-5-羟基基结合，右合，右侧表示与表示与3-3-羟基基结合。如合。如pApCGpUp,pApCGpUp,表示表示水解后水解后C C的的3-3-羟基基连有磷酸基，有磷酸基，G G的的5-5-羟基是游离的。基是游离的。二二DNADNA的一的一级构造：构造：DNA DNA 的一的一级构造是由数量极其构造是由数量极其庞大的四种脱氧核糖大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱呤核苷酸、
24、脱氧胞氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，核苷酸，经过3,5-3,5-磷磷酸二酸二酯键衔接起来的直接起来的直线形或形或环形多聚体。形多聚体。由于核酸由于核酸链的一端是一个游离的的一端是一个游离的5-5-磷酸基，称磷酸基，称5-5-端，另一端是游离的端，另一端是游离的3-3-羟基，称基，称3-3-端，因此端，因此DNA DNA 链是有极性的。是有极性的。由于生物的由于生物的遗传信息信息储存于存于DNA DNA 的核苷酸序列中，的核苷酸序列中，生物界物种的多生物界物种的多样性就在于性就在于DNA DNA 分子四种核苷酸千分子四种核苷酸千变万万化的不同化的不同陈列之中，因此列之中，因
25、此DNADNA序列序列问题不断是分子生物不断是分子生物学家多年来要学家多年来要处理的重要的但比理的重要的但比较困困难的的问题，但是随，但是随着分子生物学的开展，如今着分子生物学的开展，如今测定定DNA DNA 的序列曾的序列曾经成成为分分子生物学子生物学实验室的一种常室的一种常规方法。方法。二二RNA的一的一级构造：构造：RNA 是是细胞内核酸的第二种主要胞内核酸的第二种主要类型，它在把型，它在把DNA 中的中的遗传信息信息变胜利能性蛋白的利能性蛋白的过程中起中介作程中起中介作用。用。RNA 是无分支的是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸种核糖核苷酸组成
26、，即腺成，即腺嘌呤核糖核苷酸，呤核糖核苷酸，鸟嘌呤核呤核糖核苷酸，胞糖核苷酸，胞嘧啶核糖核苷酸和尿核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。RNA 分子中分子中还有某些稀有碱基。有某些稀有碱基。组成成RNA 的核苷酸也是以的核苷酸也是以3 ,5 -磷酸二磷酸二酯键彼此彼此衔接起来的。但接起来的。但RNA 分子比分子比DNA 分子小得多含几十分子小得多含几十至几千个核苷酸，且不象至几千个核苷酸，且不象DNA 那那样都是双螺旋构造，都是双螺旋构造，而是而是单链线形分子。形分子。虽然然RNA 分子中核糖分子中核糖环C2
27、 上有上有一一羟基，但并不构成基，但并不构成2 ,5 -磷酸二磷酸二酯键。天然天然RNA 只需部分区域为双螺旋构造。这些双链构只需部分区域为双螺旋构造。这些双链构造是由于造是由于RNA 单链分子经过本身回折使得互补的碱基单链分子经过本身回折使得互补的碱基对相遇，经过氢键结合构成反平行右手双螺旋构造称对相遇，经过氢键结合构成反平行右手双螺旋构造称为茎，不能配对的区域构成突环为茎，不能配对的区域构成突环loop，称为环，称为环，被排斥在双螺旋构造之外。每一段双螺旋区至少需求有被排斥在双螺旋构造之外。每一段双螺旋区至少需求有46 对碱基才干坚持稳定，同样以氢键和碱基堆积力为对碱基才干坚持稳定，同样以
28、氢键和碱基堆积力为稳定要素。普通说，双螺旋区约占稳定要素。普通说，双螺旋区约占RNA 分子的分子的50%。RNA 的这种构造称为茎环构造，是各种的这种构造称为茎环构造，是各种RNA 的共同的的共同的二级构造特征。在此根底上二级构造特征。在此根底上RNA 分子进一步扭曲折叠分子进一步扭曲折叠便构成更为复杂的三级构造。便构成更为复杂的三级构造。1、tRNA的一级构造：的一级构造： tRNA把氨基酸转运到核糖体把氨基酸转运到核糖体上，每种氨基酸都有一种或几种相应的上，每种氨基酸都有一种或几种相应的tRNA，组成蛋，组成蛋白质的氨基酸有白质的氨基酸有20种，但种，但tRNA就有就有500多种，每种多种
29、，每种tRNA根据所转运的氨基酸来命名，如转运丙氨酸的，根据所转运的氨基酸来命名，如转运丙氨酸的，叫丙氨酸叫丙氨酸tRNA，写作，写作tRNAALa。从目前知的。从目前知的tRNA的的一级构造来看，虽然组成它们的核苷酸数目不同，序列一级构造来看，虽然组成它们的核苷酸数目不同，序列不同，但在一级构造上有共同点。不同，但在一级构造上有共同点。1相对分子质量很小，相对分子质量很小，Mr为为25000左右，平均沉左右，平均沉降系数为降系数为4S。2各种各种tRNA的链长都很接近，普通在的链长都很接近，普通在7393个核个核苷酸之间，其中大多数在苷酸之间，其中大多数在76个。个。3有十几个位置上的核苷酸
30、在几乎一切的有十几个位置上的核苷酸在几乎一切的tRNA 中都是不变的，即为恒定核苷酸，如第中都是不变的，即为恒定核苷酸，如第8位的位的U，第，第18、19 位的位的G 等，这些恒定核苷酸对于维持三级构造和实等，这些恒定核苷酸对于维持三级构造和实现生物功能起着重要作用。现生物功能起着重要作用。4各种各种tRNA的的3末端都末端都为-PCPCPAOH，用来接，用来接受活化的氨基酸。所以受活化的氨基酸。所以这个末端称接受末端；个末端称接受末端；5-末端末端大多大多为PG-，也有，也有PC-的。的。5碱基碱基组成中有成中有较多的稀有碱基，每个多的稀有碱基，每个tRNA 分分子中少那么含有子中少那么含有
31、2 个，多那么含有个，多那么含有19 个修个修饰核苷酸，它核苷酸，它们的功能的功能还不清楚。不清楚。2、rRNA及核糖体的构造：及核糖体的构造： rRNA是核糖体的是核糖体的组成成成分，成分，约占核糖体分量的三分之二左右，是蛋白占核糖体分量的三分之二左右，是蛋白质生物生物合成的合成的场所，普通由所，普通由1205000个核苷酸个核苷酸组成。核糖体成。核糖体由大小两个不同的由大小两个不同的亚基基组成。成。虽然原核生物和真核生物的核糖体蛋白然原核生物和真核生物的核糖体蛋白质和和rRNA的的差差别很大，但核糖体很大，但核糖体总体构造很体构造很类似。似。 rRNA修修饰碱基的含量比碱基的含量比tRNA
32、少的多，其少的多，其显著特点著特点之一是甲基化核苷的存在。之一是甲基化核苷的存在。3、mRNA的一的一级级构造：构造： mRNA是蛋白是蛋白质质合成的模合成的模板板产产生于生于细细胞核与胞核与线线粒体，然后粒体，然后进进入入细细胞胞质质及核糖体，及核糖体，种种类类很多，每一种的相很多，每一种的相对对分子分子质质量及碱基序列都不一量及碱基序列都不一样样。原核原核细细胞与真核胞与真核细细胞中的胞中的mRNA在构造上的区在构造上的区别别：原核原核细细胞胞mRNA的的5端有无帽子构造，真核端有无帽子构造，真核细细胞胞mRNA的的5端有帽子构造。端有帽子构造。帽子构造的作用：帽子构造的作用： 1 防止防
33、止mRNA被核酸被核酸酶酶降解；降解； 2 为为mRNA翻翻译译活性所必需；活性所必需； 3 与蛋白与蛋白质质合成的正确起合成的正确起始有关；始有关； 4 协协助核糖体与助核糖体与mRNA结结合，使翻合，使翻译译作用在作用在AUG起始密起始密码码子子处处开开场场。原核生物原核生物mRNA3端普通没有或端普通没有或仅仅有少于有少于10个多聚个多聚腺苷酸构造，真核生物腺苷酸构造，真核生物mRNA3端普通都有多聚核苷酸，端普通都有多聚核苷酸，有一条大有一条大约约有有200个腺苷酸残基延个腺苷酸残基延续组续组成的多聚成的多聚腺苷酸链，常称为尾巴构造。腺苷酸链，常称为尾巴构造。尾巴构造的作用尾巴构造的作
34、用1 1可维护可维护mRNAmRNA免受核酸外切酶的免受核酸外切酶的作用；作用；2 2与与mRNAmRNA的翻译活性有关；的翻译活性有关；3 3与与mRNAmRNA顺顺利经过核膜进入胞质有关；利经过核膜进入胞质有关；4 4与与mRNAmRNA从细胞核转移从细胞核转移到核糖体有关。到核糖体有关。二、核酸的空间构造二、核酸的空间构造一一DNA的空间构造的空间构造1、DNA的二级构造：的二级构造：DNA的二级构造是由两条脱的二级构造是由两条脱氧核苷酸链构成的双螺旋构造。氧核苷酸链构成的双螺旋构造。DNA双螺旋构造的特点：双螺旋构造的特点：1两条反响平行的多核苷酸链构成右手螺旋两条反响平行的多核苷酸链
35、构成右手螺旋2大沟和小沟大沟和小沟 DNA的两条多核苷酸链之间有两的两条多核苷酸链之间有两条螺旋型的凹槽。对条螺旋型的凹槽。对DNA和蛋白质的相互识别很重和蛋白质的相互识别很重 要。要。3碱基、糖和磷酸的位置。碱基、糖和磷酸的位置。4碱基对碱基对 A与与T配对，构成配对，构成2个氢键；个氢键；G与与C配对，配对，构成构成3个氢键。个氢键。5螺旋参数螺旋参数 双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm，两个相邻碱基，两个相邻碱基对之间的间隔对之间的间隔(碱基堆积间隔是碱基堆积间隔是0.34nm，每，每10个核苷个核苷酸构成螺旋的一转，每一转的高度螺距酸构成螺旋的一转，每一转的高度螺距3.4nm。6核苷酸
36、序列核苷酸序列 DNA双螺旋构造对核苷酸链上碱双螺旋构造对核苷酸链上碱基的序列无任何限制，每链可含腺苷酸、鸟苷酸、胞苷基的序列无任何限制，每链可含腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和胸苷酸等酸和胸苷酸等4种核苷酸，但各种核苷酸的陈列顺序是种核苷酸，但各种核苷酸的陈列顺序是极复杂和多样化的。极复杂和多样化的。维持维持DNA双螺旋构造稳定性的双螺旋构造稳定性的3种作用力：种作用力：1氢键氢键 A、T之间有两个氢键，之间有两个氢键，G、C之间有之间有3个个氢键，与氢键，与A、T对比，对比， G、C更稳定，因此双螺旋构造更稳定，因此双螺旋构造的稳定性与的稳定性与G+C的百分含量成正比。的百分含量成正比。2碱基堆积
37、力碱基堆积力 碱基嘌呤和嘧啶外形扁平，是碱基嘌呤和嘧啶外形扁平，是疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的堆积，疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的堆积，使其内部构成了一个强大的疏水区，与介质的水分子隔使其内部构成了一个强大的疏水区，与介质的水分子隔开，这种景象称疏水相互作用。此外，堆积的碱基对间开，这种景象称疏水相互作用。此外，堆积的碱基对间存在范德华力。因此碱基堆积力的本质是疏水相互作用存在范德华力。因此碱基堆积力的本质是疏水相互作用和范德华力，对维持和范德华力，对维持DNA双螺旋构造起主要作用。双螺旋构造起主要作用。3离子键离子键 磷酸基上的负电荷与介质中阳离子之间磷酸基上的
38、负电荷与介质中阳离子之间构成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。构成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。2、DNA的三级构造：指双螺旋构造的的三级构造：指双螺旋构造的DNA分子经分子经过进一步卷曲和折叠所构成的特定构象。过进一步卷曲和折叠所构成的特定构象。真核生物的染色体真核生物的染色体DNA多数为双链线形分子，但细多数为双链线形分子，但细菌的染色体菌的染色体DNA、某些病毒的、某些病毒的DNA、细菌质粒、真核、细菌质粒、真核生物的线粒体和叶绿体的生物的线粒体和叶绿体的DNA为双链环形为双链环形DNA。当当DNA分子在溶液中自在存在时，双螺旋呈松弛形分子在溶液中自在存在时，双螺旋呈
39、松弛形状，每状，每10个核苷酸螺旋上升一圈，此时双螺旋处于最个核苷酸螺旋上升一圈，此时双螺旋处于最低能量形状，假设将这种正常的双螺旋分子额外多转低能量形状，假设将这种正常的双螺旋分子额外多转几圈或少转几圈，就会使螺旋内部的原子偏离正常的几圈或少转几圈，就会使螺旋内部的原子偏离正常的位置，其结果在双螺旋分子存在一种额外的张力；假位置，其结果在双螺旋分子存在一种额外的张力；假设双螺旋末端是开放的，这时张力可以经过链的回转设双螺旋末端是开放的，这时张力可以经过链的回转释放出来，释放出来，DNA恢复正常的双螺旋形状，假设恢复正常的双螺旋形状，假设DNA分分子是环状的张力不能释放，内部原子只能重排，子是
40、环状的张力不能释放，内部原子只能重排，DNA就会方式扭曲，就会方式扭曲，DNA双螺旋的扭曲就称为超螺旋双螺旋的扭曲就称为超螺旋DNA。超螺旋超螺旋DNA有负超螺旋和正超螺旋两种。自然界存有负超螺旋和正超螺旋两种。自然界存在的超螺旋在的超螺旋DNA绝大多数是负超螺旋。绝大多数是负超螺旋。绝大部分双链环形绝大部分双链环形DNA可进一步扭曲成超螺旋可进一步扭曲成超螺旋DNA(又叫共价闭环又叫共价闭环DNA)。假设超螺旋。假设超螺旋DNA的一条链的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，构成松弛环形断裂，分子将释放扭曲张力，构成松弛环形DNA又又叫开环叫开环DNA。假设超螺旋。假设超螺旋DNA的两条链都断裂，
41、就的两条链都断裂，就会转化为双链线形会转化为双链线形DNA。二二RNA的空的空间构造：构造：RNA的碱基的碱基组成不像成不像DNA那那样有有A =U和和G C的的规律，大多数天然律，大多数天然RNA是一条是一条单链，由于，由于单链可以可以发生生本身回折，使一些可配本身回折，使一些可配对的碱基相遇，构成的碱基相遇，构成A =U和和G C，构成部分双螺旋区域，叫臂和茎，不能配，构成部分双螺旋区域，叫臂和茎，不能配对的碱的碱基构成基构成单链突突环，RNA中中约有有4070%的核苷酸参与双的核苷酸参与双螺旋的构成，所以螺旋的构成，所以RNA分子可以构成多分子可以构成多环多臂的二多臂的二级构造构造1、t
42、RNA的二的二级构造：构造：1965年年R.W.Holley等人等人测定定了酵母丙氨酸了酵母丙氨酸tRNA的一的一级构造后，根据碱基序列的构造后，根据碱基序列的测定和碱基配定和碱基配对原那么，提出了酵母原那么，提出了酵母tRNA的二的二级构造模构造模型型为三叶草形。迄今三叶草形。迄今为止止发现的的500余种余种tRNA都符合都符合三叶草的模型，但也有少数例外。三叶草的模型，但也有少数例外。三叶草构造的主要特征：三叶草构造的主要特征：1 1tRNAtRNA普通由普通由4 4臂臂4 4环组成。成。2 2上臂上臂是由是由tRNA3tRNA3端和端和55端附近的端附近的7 7对碱基所碱基所组成，称氨基
43、酸接受成，称氨基酸接受臂，其臂，其33端的端的C-C-AC-C-A核苷酸核苷酸段是接受氨基酸的部位。段是接受氨基酸的部位。(3)(3)下臂下臂 与反密与反密码子子环相相连，环的的顶端有由端有由I-I-G-C3G-C3个核苷酸组成的反密码子，此臂称反密码子臂。个核苷酸组成的反密码子，此臂称反密码子臂。是识别是识别mRNAmRNA上密码子的机构。上密码子的机构。4 4左臂为而氢尿嘧啶臂，与含二氢尿嘧啶的环相左臂为而氢尿嘧啶臂，与含二氢尿嘧啶的环相连。连。5右臂右臂为TC臂，与一个含有臂，与一个含有TC序列序列的的环或一个可或一个可变环相相连，可，可变环的核苷酸的数目的核苷酸的数目变化化较大，随不同
44、的大，随不同的tRNA而异。而异。tRNA中含有中含有2021对碱基碱基对，由于其双螺旋构造所，由于其双螺旋构造所占比例甚高，占比例甚高，对称性称性强，故，故tRNA的的稳定性甚定性甚强。2、tRNA的三的三级构造：构造： tRNA的的 三三级构造很像倒写构造很像倒写的的L,氨基酸臂和氨基酸臂和TC臂沿同一臂沿同一轴陈列，构成列，构成12bp的延的延续双螺旋，在与之垂直的方向，反密双螺旋，在与之垂直的方向，反密码子臂和子臂和D臂沿同臂沿同一一轴陈列，列，D环和和TC环构成倒构成倒L的的转角，两角，两环之之间的的氢键和碱基堆和碱基堆积力力稳定了定了转角的构象。角的构象。3 3、rRNArRNA的
45、二级构造：也是三叶形。从大肠杆菌核的二级构造：也是三叶形。从大肠杆菌核糖体分别出来的糖体分别出来的rRNArRNA有有23S23S、16S16S和和5S5S三种；从真核细三种；从真核细胞分别出来的胞分别出来的rRNArRNA有有5S5S、5.8S5.8S、18S18S和和28S428S4种。不同的种。不同的rRNArRNA的碱基比例和碱基序列各不一样，但分子构造根的碱基比例和碱基序列各不一样，但分子构造根本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间陈列而成。本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间陈列而成。如大肠杆菌如大肠杆菌5SrRNA5SrRNA的外形。的外形。第三节第三节 核酸的性质核酸的性质核
46、酸的性质是由核酸的组成和性质决议的，核酸的性质是由核酸的组成和性质决议的，DNADNA与与RNARNA的许多性质与组成它们的核苷酸类似，但也有某些的许多性质与组成它们的核苷酸类似，但也有某些特殊的性质。特殊的性质。一、核酸的物理性质一、核酸的物理性质DNADNA是白色纤维状固体，是白色纤维状固体，RNARNA是白色粉末或结晶。是白色粉末或结晶。 它们都是极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙它们都是极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂，核酸的钠盐比核酸溶解度大。醚、氯仿等有机溶剂，核酸的钠盐比核酸溶解度大。在生物体内，核酸与蛋白质构成核蛋白，在生物体内，核酸与蛋白质构成核蛋白，
47、DNADNA核蛋白核蛋白易溶于易溶于2moL/L2moL/L的的NaCINaCI溶液中，难溶于溶液中，难溶于0.14moL/L0.14moL/L的稀的稀NaCINaCI溶液，利用二者在溶液，利用二者在NaCINaCI溶于中溶解性的不同，可以溶于中溶解性的不同，可以分别分别DNADNA和和RNARNA。DNA是相对分子质量很大的线性分子，因此，是相对分子质量很大的线性分子，因此，DNA溶液有很大的黏度；而溶液有很大的黏度；而RNA的相对分子质量较小，其的相对分子质量较小，其黏度比黏度比DNA小。小。核酸分子中有嘌呤和嘧啶碱基，碱基的共轭体系剧核酸分子中有嘌呤和嘧啶碱基，碱基的共轭体系剧烈吸收烈吸
48、收260290nm波段紫外光，其最大吸收峰在波段紫外光，其最大吸收峰在260nm。利用这一性质，可以定性和定量测定核酸。利用这一性质，可以定性和定量测定核酸。二、核酸的化学性质二、核酸的化学性质(一一)核酸的两性性质核酸的两性性质核酸既含有呈酸性的磷酸基团，又含有呈弱碱性的核酸既含有呈酸性的磷酸基团，又含有呈弱碱性的碱基，故为两性电解质，可发生两性解离。但磷酸的碱基，故为两性电解质，可发生两性解离。但磷酸的酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，一切构成磷酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，一切构成磷酸二酯键的磷酸基团仍可解离出一个酸二酯键的磷酸基团仍可解离出一个H+，其，其pK 为为1.5；而嘌
49、呤和嘧啶碱基为含氮杂环，又有各种取代基，；而嘌呤和嘧啶碱基为含氮杂环，又有各种取代基，既有碱性解离又有酸性解离的性质，解离情况复杂，既有碱性解离又有酸性解离的性质，解离情况复杂，但总的来看，它们呈弱碱性。所以，核酸相当于多元但总的来看，它们呈弱碱性。所以，核酸相当于多元酸，具有较强的酸性，当酸，具有较强的酸性，当pK4 时，磷酸基团全部解离，时，磷酸基团全部解离，呈多阴离子形状。呈多阴离子形状。核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其解离形状随核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其解离形状随溶液的溶液的pH 而改动。当核酸分子的酸性解离和碱性解离而改动。当核酸分子的酸性解离和碱性解离程度相等，所带的
50、正电荷与负电荷相等，即成为两性离程度相等，所带的正电荷与负电荷相等，即成为两性离子，此时核、酸溶液的子，此时核、酸溶液的pH 就称为等电就称为等电isoelectric point, 简称简称pI。核酸的等电点较低，如酵母。核酸的等电点较低，如酵母RNA的的pI 为为2.02.8。根据核酸在等电点时溶解度最小的性质，把。根据核酸在等电点时溶解度最小的性质，把pH 调至调至RNA 的等电点，可使的等电点，可使RNA 从溶液中沉淀出来。从溶液中沉淀出来。根据核酸的解离性质，用中性或偏碱性的缓冲液使根据核酸的解离性质，用中性或偏碱性的缓冲液使核酸解离成阴离子，置于电场中便向阳极挪动，这就核酸解离成阴
51、离子，置于电场中便向阳极挪动，这就是电泳是电泳electrophoresis。凝胶电泳可算是当前核酸。凝胶电泳可算是当前核酸研讨中最常用的方法了。它有许多优点：简单、快速、研讨中最常用的方法了。它有许多优点：简单、快速、灵敏、本钱低。常用的凝胶电泳有琼脂糖灵敏、本钱低。常用的凝胶电泳有琼脂糖agarose凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳和聚丙烯酰胺polyacrylamide凝胶电泳。凝胶电泳。可以在程度或垂直的电泳槽中进展。凝胶电泳兼有分可以在程度或垂直的电泳槽中进展。凝胶电泳兼有分子筛和电泳双重效果，所以分别效率很高。子筛和电泳双重效果，所以分别效率很高。二核酸的变性和复性二核酸的变性和复性1
52、、变性：核酸的变性指核酸双螺旋区的氢键断裂、变性：核酸的变性指核酸双螺旋区的氢键断裂和碱基堆积力破坏，变成单链的无规那么线团，使核和碱基堆积力破坏，变成单链的无规那么线团，使核酸的某些光学性质和流膂力学性质发生改动，有时部酸的某些光学性质和流膂力学性质发生改动，有时部分或全部生物活性丧失，并不涉及共价键的断裂。分或全部生物活性丧失，并不涉及共价键的断裂。缓慢冷却加热天然DNA变性DNA当将当将DNA 的稀的稀盐溶液加溶液加热到到80100时，双螺旋构，双螺旋构造即造即发生解体，两条生解体，两条链分开，构成无分开，构成无规那么那么线团。一系。一系列物化性列物化性质也随之也随之发生改生改动：粘度降
53、低，浮力密度升高：粘度降低，浮力密度升高等，同等，同时改改动二二级构造，有构造，有时可以失去部分或全部生物可以失去部分或全部生物活性。活性。DNA 变性后，由于双螺旋解体，碱基堆性后，由于双螺旋解体，碱基堆积已不存在，已不存在，藏于螺旋内部的碱基暴藏于螺旋内部的碱基暴显露来，露来，这样就使得就使得变性后的性后的DNA 对260nm 紫外光的吸光率比紫外光的吸光率比变性前明性前明显升高添升高添加，加，这种景象称种景象称为增色效增色效应hyperchromic effect。常用增色效常用增色效应跟踪跟踪DNA 的的变性性过程，了解程，了解DNA的的变性性程度。程度。2、复性：变性、复性：变性DN
54、A 在适当条件下，两条彼此分开在适当条件下，两条彼此分开的链重新缔合的链重新缔合reassociation成为双螺旋构造的过程成为双螺旋构造的过程称为复性称为复性renaturation。DNA 复性后，许多物化性复性后，许多物化性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。复性过质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。复性过程根本上符合二级反响动力学，其中第一步是相对缓慢程根本上符合二级反响动力学，其中第一步是相对缓慢的，由于两条链必需依托随机碰撞找到一段碱基配对部的，由于两条链必需依托随机碰撞找到一段碱基配对部分，首先构成双螺旋。第二步快得多，尚未配对的其他分，首先构成双螺旋。第二步快得多，尚未配对的其他部分按碱基配对相结合，象拉锁链一样迅速构成双螺旋。部分按碱基配对相结合，象拉锁链一样迅速构成双螺旋。
