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1、第第5 5章章核核酸酸第一节概第一节概 述述 核酸（核酸（nucleic acidNAnucleic acidNA）是一类重要）是一类重要的生物大分子，担负着生命遗传信息的储的生物大分子，担负着生命遗传信息的储存与传递。存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。研究领域，是基因工程操作的核心分子。1868 F.Miescher从从脓脓细细胞胞的的细细胞胞核核中中分分离离出出了了一一 种种含含磷磷酸酸的的有有机机物，当时称为核素（物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（后称为核酸（nucleic acid）。）。
2、1928 Griffith 细菌毒性实验细菌毒性实验.1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质。是遗传物质。1952 Hershey,Chase-噬菌体标记实验噬菌体标记实验。1953 Watson和和Crick提出提出DNA结构的双螺旋模型。结构的双螺旋模型。1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。提出遗传信息传递的中心法则。1973 Boyer，Cohen-DNA Cloning(克隆）。克隆）。1976 DNA Sequencing(序列分析）。序列分析）。1990 Human Genome Project（人类基因组计划）（人类
3、基因组计划）。核酸的研究历史核酸的研究历史肺炎球菌（肺炎球菌（pneumococcuspneumococcus）19281928年细菌学家年细菌学家Griffith Griffith 细菌毒性实验细菌毒性实验 光滑型细胞光滑型细胞（有毒）（有毒）粗糙型细胞粗糙型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAase降降解后的解后的DNA粗糙型细胞接粗糙型细胞接受光滑型受光滑型DNA只有粗糙型只有粗糙型大多数仍大多数仍为粗糙型为粗糙型少数光滑型少数光滑型细胞被转化细胞被转化SSRRR+DNA19441944年年AveryAvery细菌转化实验细菌转化实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1952年美国年美
4、国Hershey 噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1868 F.Miescher从从脓脓细细胞胞的的细细胞胞核核中中分分离离出出了了一一 种种含含磷磷酸酸的的有有机机物，当时称为核素（物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（后称为核酸（nucleic acid）。）。1928 Griffith 细菌毒性实验细菌毒性实验.1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质。是遗传物质。1952 Hershey,Chase-噬菌体标记实验噬菌体标记实验。1953 Watson和和Crick提出提出DNA结构的双螺旋模型。结构的双螺旋模型。1958 Cr
5、ick提出遗传信息传递的中心法则。提出遗传信息传递的中心法则。1973 Boyer，Cohen-DNA Cloning(克隆）。克隆）。1976 DNA Sequencing(序列分析）。序列分析）。1990 Human Genome Project（人类基因组计划）（人类基因组计划）。核酸的研究历史核酸的研究历史n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体不不可可缺缺少少的组成部分。的组成部分。n核酸是生命遗传信息的携带者和传递者核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不，它不仅对于仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化
6、等起着重要的作用，持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异而且与生物变异（如肿瘤、遗传病、代谢病（如肿瘤、遗传病、代谢病等）也密切相关。等）也密切相关。n核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一要基础之一。5.1 核酸与生命遗传核酸与生命遗传n核酸包括脱氧核糖核酸核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA).n所有生物细胞内均含有这两类物质。所有生物细胞内均含有这两类物质。DNA 主要存在细胞核内，在主要存在细胞核内，在线粒体和植物叶绿素体中也有线粒体和植物叶绿素体中也有少量存在，它是遗传信息的真少量存在，它是遗传
7、信息的真正携带者，兼具有存储和传递正携带者，兼具有存储和传递遗传信息的双重功能；遗传信息的双重功能；RNA主要分布于细胞质中，主要分布于细胞质中，它的主要功能是将它的主要功能是将DNA的遗传的遗传信息翻译和表达成具有各种功信息翻译和表达成具有各种功能的蛋白质。能的蛋白质。5.2 5.2 核酸的分类和组成核酸的分类和组成n核酸分为两大类核酸分为两大类.n脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）nDeoxyribonucleic AcidDeoxyribonucleic Acidn核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）nRibonucleic AcidRibonucleic Acid。5.2.1 5
8、.2.1 核酸的分类核酸的分类nDNADNA分子含有生物物分子含有生物物种的所有遗传信息，种的所有遗传信息，相对分子质量一般都相对分子质量一般都很大。很大。如人细胞核中如人细胞核中的的DNADNA分子至少含九分子至少含九千万个核苷酸。千万个核苷酸。nDNADNA为双链分子为双链分子，其，其中大多数是链状结构中大多数是链状结构大分子，也有少部分大分子，也有少部分呈环状结构。呈环状结构。脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）nRNARNA主要是负责主要是负责DNADNA遗传信息的遗传信息的翻译和表达翻译和表达，相，相对分子质量要比对分子质量要比DNADNA小得
9、多。小得多。RNARNA为单链分子。为单链分子。RNA的类别的类别n根据根据RNA的功能，可以分为：的功能，可以分为：nmRNA（信使（信使RNA）ntRNA （转移（转移RNA）nrRNA （核糖（核糖RNA）mRNA(信使信使RNA)n约占总约占总RNA的的5%。n不同细胞的不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。的链长和分子量差异很大。n它它的的功功能能是是将将DNA的的遗遗传传信信息息传传递递到到蛋蛋白白质合成基地质合成基地 核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。Messenger RNAtRNA(转移转移RNA)n约占总约占总RNA的的10-15%。n它它在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成中中
10、起起翻翻译译氨氨基基酸酸信信息息，并并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。的作用。n已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。ntRNA分分子子的的大大小小很很相相似似，链链长长一一般般在在73-78个个核苷酸核苷酸之间。之间。lTransfer RNArRNA(核糖体核糖体RNA)n约占全部约占全部RNARNA的的80%80%，n是核糖核蛋白体的主要组成部分是核糖核蛋白体的主要组成部分。nrRNA rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。的功能与蛋白质生物合成相关。Ribosome RNA5.2.2 5.2.2 核酸的组成核酸
11、的组成n核酸核酸（DNADNA和和RNARNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是构单元是核苷酸核苷酸。n核苷酸核苷酸本身由本身由核苷和磷酸核苷和磷酸组成组成,n核苷核苷则由则由戊糖和碱基戊糖和碱基形成形成DNADNA与与RNARNA结构相似，但在组成成份上略有不同结构相似，但在组成成份上略有不同(表表5.1)5.1)。n 表表5.1 DNA5.1 DNA和和RNARNA的基本化学组成的基本化学组成 n化学组成化学组成 DNA RNA DNA RNAn 嘌呤碱嘌呤碱 腺嘌呤腺嘌呤(A)(A)腺嘌呤腺嘌呤(A)(A)n碱基碱基 鸟嘌呤鸟嘌呤(G)(G)鸟嘌
12、呤鸟嘌呤(G)(G)n 嘧啶碱嘧啶碱 胞嘧啶胞嘧啶(C)(C)胞嘧啶胞嘧啶(C)(C)n 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)(T)尿嘧啶尿嘧啶(U)(U)n 戊戊 糖糖 D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖 D-D-核糖核糖n 酸酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸1 1核酸的结构单元核酸的结构单元核苷酸核苷酸n腺嘌呤（腺嘌呤（Adenine，A）（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基1 1核苷酸核苷酸（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基n鸟嘌呤鸟嘌呤(Guanine,G)1 1核苷酸核苷酸n尿嘧啶尿嘧啶(Uracil,U)（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基1 1核苷酸核苷酸n胞嘧啶胞嘧啶(Cytosine,C
13、)（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基1 1核苷酸核苷酸n胸腺嘧啶胸腺嘧啶(Thymine,T)（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基1 1核苷酸核苷酸碱基的结构特征碱基的结构特征nDNADNA中中存存在在的的碱碱基基：腺腺嘌嘌呤呤(A)(A)、鸟鸟嘌嘌呤呤(G)(G)、胞胞嘧啶嘧啶(C)(C)、胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T);(T);nRNARNA中中存存在在的的碱碱基基：腺腺嘌嘌呤呤(A)(A)、鸟鸟嘌嘌呤呤(G)(G)、胞胞嘧啶嘧啶(C)(C)、尿嘧啶尿嘧啶(U);(U);n碱碱基基都都具具有有芳芳香香环环的的结结构构特特征征。嘌嘌呤呤环环和和嘧嘧啶啶环均呈平面或接近于平面的结构。环均呈平
14、面或接近于平面的结构。n碱碱基基的的芳芳香香环环与与环环外外基基团团可可以以发发生生酮酮式式烯烯醇醇式或胺式式或胺式亚胺式互变异构。亚胺式互变异构。胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构1 1核苷酸核苷酸碱基的结构特征碱基的结构特征n嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱分分子子中中都都含含有有共共轭轭双双键键体体系系，在在紫紫外外区区有有吸吸 收收（260 260 nmnm左右）。左右）。1 1核苷酸核苷酸（2 2）戊糖）戊糖n组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖为所含的糖为-D-2-D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNARNA所含的糖则为所含
15、的糖则为-D-D-核糖。核糖。12121 1核苷酸核苷酸（3 3）核苷）核苷(nucleoside)(nucleoside)n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。nX-X-射线分析证明：核苷中的碱基近似地垂直于糖的平面。射线分析证明：核苷中的碱基近似地垂直于糖的平面。1 1核苷酸核苷酸（4）核苷酸）核苷酸 nucleotiden核苷酸是核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷的磷酸酯。作为作为DNA或或RNA结构单元的核苷酸结构单元的核苷酸分别是分别是5-磷酸磷酸-脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和5-磷酸磷酸-核糖核苷。核糖核苷。1 1核苷酸核苷酸(5)(5)修饰成
16、分修饰成分n核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。化产物。二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 （DHU）修饰碱基的简写符号修饰碱基的简写符号(为为1时可以不写时可以不写)取代基用下列小写英文字母表示取代基用下列小写英文字母表示:甲基m 乙酰基ac 氨基n 甲硫基ms 羟基o或h 硫基s 异戊烯基i 羧基c 例：例：2 2核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：构如下：（1）ATP(腺
17、嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸)2核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATPATP的性质的性质nATP ATP 分子的最显著特点是分子的最显著特点是含有两含有两个高能磷酸键个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可可以释放出大量自由能。以释放出大量自由能。nATP-ADP+Pi ATP-ADP+Pi n AMP+PPi AMP+PPin -30.5 KJ/mol -30.5 KJ/molATPATP的性质的性质nATP ATP 水解释放出来的能量用于水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化推动生物体内各种需能的生化反应。反应。nA
18、TPATP也也是是一一种种很很好好的的磷磷酰酰化化剂剂。磷磷酰酰化化反反应应的的底底物物可可以以是是普普通通的的有有机机分分子子，也也可可以以是是酶酶。磷磷酰酰化化的的底底物物分分子子具具有有较较高高的的能能量量（活活化化分分子子），是是许许多多生生物物化学反应的激活步骤。化学反应的激活步骤。ATPATP的性质的性质nATP ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体是生物体内最重要的能量转换中间体。nATP+HATP+H2 2O-O-ADP+Pi+H+ATP ATP 可以应用酶法和化学法进行合成可以应用酶法和化学法进行合成(2)GTP(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)nG
19、TPGTP是是生生物物体体内内游游离离存存在在的的另另一一种种重重要要的的核核苷苷酸酸衍衍生生物物。它它具具有有ATP ATP 类类似似的的结结构构,也也是是一一种种高高能能化化合合物。物。nGTPGTP主主要要是是作作为为蛋蛋白白质质合合成成中中磷磷酰酰基基供供体体。在在许许多多情况下情况下,ATP,ATP 和和 GTP GTP 可以相互转换可以相互转换。（3 3）cAMP cAMP 和和 cGMP cGMPncAMP(3,5-cAMP(3,5-环环腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷一一磷磷酸酸)和和 cGMP(cGMP(3,5-3,5-环环鸟鸟嘌嘌呤呤核核苷苷一一磷磷酸酸)的的主主要要功功能能是是作作为
20、为细细胞胞之之间间传传递递信信息的信使。息的信使。（3）cAMP 和和 cGMP cGMPncAMP 和和 cGMP 的环的环状磷酯键是一个高能键。状磷酯键是一个高能键。在在 pH 7.4 条件下条件下,cAMP 和和 cGMP 的水解的水解能约为能约为43.9 kj/mol，比，比 ATP 水解能高得多。水解能高得多。3 3多聚核苷酸多聚核苷酸n多多聚聚核核苷苷酸酸是是通通过过核核苷苷酸酸的的5-5-磷磷酸酸基基与与另另一一分分子子核核苷苷酸酸的的C C3 3-OH-OH形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键相相连连而而成的链状聚合物。成的链状聚合物。n由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为由脱氧核糖核苷酸聚
21、合而成的称为DNADNA链；链；n由核糖核苷酸聚合而成的则称为由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNARNA链。链。多聚核苷酸的特点多聚核苷酸的特点n在在多多聚聚核核苷苷酸酸中中，两两个个核核苷苷酸酸之之间间形形成成的的磷磷酸酸二二酯键通常称为酯键通常称为5-35-3磷酸二酯键。磷酸二酯键。n多多聚聚核核苷苷酸酸链链一一端端的的C C5 5带带有有一一个个自自由由磷磷酸酸基基，称称为为5-5-磷磷酸酸端端（常常用用5-P5-P表表示示）；另另一一端端C C3 3带带有有自自由由的的羟羟基基，称称为为3 3-羟羟基基端端（常常用用3-OH3-OH表表示）。示）。n多多聚聚核核苷苷酸酸链链具具有有方方向
22、向性性，当当表表示示一一个个多多聚聚核核苷苷酸酸链链时时，必必须须注注明明它它的的方方向向是是5353或或是是3535。方向性方向性n在多聚核苷酸（在多聚核苷酸（DNADNA或或RNARNA）链）链中，由于构成核苷酸单元的戊中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：构也可表示为：n在在讨讨论论有有关关核核酸酸问问题题时时，一一般般只只关关心心其其中中碱碱基基的的种种类类和和顺顺序序，所所以以上上式式可可以以进一步简化为：进一步简化为：5-PA
23、PCPGPT-3 n 或5-ACGT-35.3 5.3 核酸的结构核酸的结构DNADNA的结构的结构一级结构一级结构:DNA:DNA核苷酸链中脱氧核苷核苷酸链中脱氧核苷 酸的组成和排列顺序。酸的组成和排列顺序。二级结构：二级结构：DNADNA的两条多聚链间通过的两条多聚链间通过 氢键形成的双螺旋结构。氢键形成的双螺旋结构。三级结构：三级结构：DNADNA双链进一步折叠卷曲双链进一步折叠卷曲 形成的构象。形成的构象。5.3 5.3 核酸的结构核酸的结构n5.3.15.3.1核酸的一级结构核酸的一级结构 核酸碱基顺序及其生物学意义核酸碱基顺序及其生物学意义n多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定
24、的多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即一定的核苷酸顺序，即碱基顺序碱基顺序。如含有。如含有8 8个核苷个核苷酸单元的碱基顺序可表示为：酸单元的碱基顺序可表示为：5-ACGCTGTA-3.5-ACGCTGTA-3.DNADNA的一级结构的一级结构 由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP核苷酸单体通过3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5533n核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。nDNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子的碱基顺序本身就是遗传信息
25、存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于形式。生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。n而而mRNA(mRNA(信息信息RNA)RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。5.3.2 DNA5.3.2 DNA的双螺旋结构及的双螺旋结构及其生物学意义其生物学意义n19531953年年，J.J.WatsonWatson和和F.F.Crick Crick 在在前前人人研研究究工工作作的的基基础础上上，根根据据DNADNA结
26、结晶晶的的X-X-衍衍射射图图谱谱和和分分子子模模型型，提提出出了了著著名名的的DNADNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型，并并对对模模型型的的生生物物学学意意义义作作出出了了科科学学的的解解释和预测。释和预测。（1）Chargaff定则 （1950s,E.Chargaff发现）I.I.DNADNA碱基组成符合：碱基组成符合：A=TA=T；G=CG=C；A+G=T+CA+G=T+C。II.II.不对称比率：不对称比率：A+T/G+CA+T/G+C；III.III.物种不同，物种不同，DNADNA碱基组成不同；碱基组成不同；IV.IV.物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，物种亲缘愈接近，碱基组成也愈
27、接近，该比该比V.V.率越相近似。率越相近似。VI.VI.具有种的特异性，没有器官和组织的特具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNADNA的碱基组成。的碱基组成。1提出提出DNA双螺旋结构模型的根据双螺旋结构模型的根据 1 1DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点nDNADNA分分子子由由两两条条DNADNA单单链组成。链组成。nDNADNA的的双双螺螺旋旋结结构构是是分分子子中中两两条条DNADNA单单链链之之间间基基团团相相互互识识别别和和作作用用的结果。的结果。n双双螺螺旋旋结结构构是是DNADNA二二级级
28、结构的最基本形式。结构的最基本形式。DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点n（1 1）DNADNA分分子子由由两两条条多多聚聚脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸链链(简简称称DNADNA单单链链)组组成成。两两条条链链沿沿着着同同一一根根轴轴平平行行盘盘绕绕，形形成成右右手手双双螺螺旋旋结结构构。螺螺旋旋中中的的两两条条链链方方向向相相反反，即即其其中中一一条条链链的的方方向向为为5353，而而另另一一条条链链的的方向为方向为3535。n（2 2）嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱基基位位于于螺螺旋旋的的内内侧侧，磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖基基位位于于螺螺旋旋外外侧侧。碱碱基基环环平平面面与与螺螺
29、旋旋轴轴垂垂直直，糖糖基基环环平平面面与与碱碱基基环环平平面成面成9090角。角。DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点q（3 3）螺旋横截面的直）螺旋横截面的直径约为径约为2 nm2 nm，每条链，每条链相邻两个碱基平面之相邻两个碱基平面之间的距离为间的距离为0.34 nm0.34 nm，每每1010个核苷酸形成一个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度螺旋旋转一圈）高度为为3.4 nm3.4 nm。q由于碱基对排列的方向由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据性，使得碱基对占据的空间是不对称的，的空间是不对称的，因此，在双螺旋的表因此，在双螺旋的表面形成大小
30、两个凹槽，面形成大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，分别称为大沟和小沟，二者交替出现。二者交替出现。DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点2.0 nm小小沟沟大大沟沟DNADNA双螺旋结构双螺旋结构的要点的要点n（4 4）两条）两条DNADNA链相互结合以链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（规律，即腺嘌呤（A A）与胸腺）与胸腺嘧啶（嘧啶（T T）结合，鸟嘌呤）结合，鸟嘌呤（G G）与胞嘧啶（）与胞嘧啶（C C）结合，）结合，这种配对关系，称为这种配对关系
31、，称为碱基互碱基互补补。A A和和T T之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。n在在DNADNA分分子子中中，嘌嘌呤呤碱碱基基的的总总数与嘧啶碱基的总数相等数与嘧啶碱基的总数相等。2 2DNADNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性nDNADNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。n维持这种稳定性的因素包括：维持这种稳定性的因素包括：n两条两条DNADNA链之间形成的氢键；链之间形成的氢键；由于双螺旋结构由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；
32、间氢键的影响；介质中的阳离子（如介质中的阳离子（如NaNa+、K K+和和MgMg2+2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNADNA链之间链之间的排斥力；的排斥力；范德华引力等。范德华引力等。n改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。3.DNA的双螺旋结构稳定因素的双螺旋结构稳定因素 氢键氢键 碱基堆积力碱基堆积力 磷酸基上负电荷被胞内组蛋磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和白或正离子中和 碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中DNA的存在形式4.DNA的双螺旋结构的意义的双螺旋结构的意义 该该模模型型揭揭示
33、示了了DNADNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，这这是是DNADNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和和表表达达的的分分子子基基础础。该该模模型型的的提提出出是是上上个个世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生生命命科科学学飞速发展的基石。飞速发展的基石。DNA双螺旋构双螺旋构象的类型象的类型DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对DNA分子内分子内的三链结构的三链结构 多
34、聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNA分子间的分子间的三链结构三链结构5.3.3 DNA的三螺旋结构的三螺旋结构三螺旋结构特点三螺旋结构特点n组成三螺旋的单链，一般都是单一的嘧啶碱基或组成三螺旋的单链，一般都是单一的嘧啶碱基或者嘌呤碱基者嘌呤碱基n中间的碱基必须是嘌呤碱基中间的碱基必须是嘌呤碱基n每一条单链至少由八个核苷酸组成每一条单链至少由八个核苷酸组成n在生物体内存在的可能性不大在生物体内存在的可能性不大 DNA DNA的三级结构的三级结构-超螺旋超螺旋1 1）超螺旋是指双螺）超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再旋进一步扭曲或再螺旋的构象。螺旋的构象。2 2）正超螺旋（紧过）正超螺旋（紧过旋）和负
35、超螺（变旋）和负超螺（变松，欠旋）。松，欠旋）。3 3）人类）人类4646条染色体条染色体的的DNADNA总长可达总长可达1.7m1.7m，经过螺旋化，经过螺旋化压缩，实际总长只压缩，实际总长只有有200nm200nm。5.3.4 RNA5.3.4 RNA一级结构的特点一级结构的特点nRNARNA一级结构研究最多的是一级结构研究最多的是tRNAtRNA、rRNArRNA以及一些小以及一些小分子的分子的RNARNA。其中。其中ntRNAtRNA分子具有以下特点：分子具有以下特点：n分子量分子量2500025000左右，大约由左右，大约由70709090个核苷酸组成。个核苷酸组成。n分子中含有较多
36、的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。RNARNA的高级结构特点的高级结构特点nRNARNA是是单单链链分分子子，因因此此，在在RNARNA分分子子中中，并并不不遵遵守守碱碱基基种种类类的的数数量量比比例例关关系系，即即分分子子中中的的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。nRNARNA分分子子中中，部部分分区区域域也也能能形形成成双双螺螺旋旋结结构构，不不能能形形成成双双螺螺旋旋的的部部分分，则则形形成成突突环环。这这种种结构可以形象地称为结构可以形象地称为“发夹型发夹型”结构。结构。n在在RNARNA的的双双螺螺旋旋结结构构中中，碱碱基基的的配配对对情
37、情况况不不象象DNADNA中中严严格格。G G 除除了了可可以以和和C C 配配对对外外，也也可可以以和和U U 配配对对。G-U G-U 配配对对形形成成的的氢氢键键较较弱弱。不不同同类类型型的的RNA,RNA,其其二二级级结构有明显的差异。结构有明显的差异。ntRNAtRNA中中除除了了常常见见的的碱碱基基外外，还还存存在在一一些些稀稀有有碱碱基基，这这类类碱碱基基大大部部分分位位于于突突环环部部分分.5.4 5.4 核酸的性质核酸的性质n5.4.1 5.4.1 含氮碱基的性质含氮碱基的性质n嘌嘌呤呤碱碱基基和和嘧嘧啶啶碱碱基基是是核核酸酸中中最最重重要要的的组组分分。它它们们的的性性质质
38、对对于于核核酸酸的的性性质质和和生生物物功功能能具具有有重重要影响作用。要影响作用。n含含氮氮碱碱基基具具有有芳芳香香环环的的结结构构特特点点。由由于于环环上上极极性性基基团团（如如羰羰基基、氨氨基基等等）的的存存在在，碱碱基基能能够够发发生生酮酮式式烯烯醇醇式式或或氨氨式式亚亚氨氨式式的的互互变变异异构构。因因此此，碱碱基基既既有有芳芳香香环环的的特特性性，也也具具有有氨氨、酮酮和烯醇等相应的化学性质。和烯醇等相应的化学性质。1 1，含氮碱基的碱性，含氮碱基的碱性 n嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。n环内氨基的环内氨基的p pK Ka a值约为值约为9.5(9
39、.5(如尿嘧啶为如尿嘧啶为9.59.5，腺嘌呤的，腺嘌呤的为为9.8)9.8)。n碱基环外的氨基（存在于碱基环外的氨基（存在于A A、G G和和C C）的碱性很弱，在）的碱性很弱，在生理生理pHpH（7.47.4）条件下不能被质子化。这种情况与苯）条件下不能被质子化。这种情况与苯胺分子中的氨基相似。胺分子中的氨基相似。n因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡献。因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡献。2 2，碱基环的亲电取代反应，碱基环的亲电取代反应n由由于于含含氮氮碱碱基基中中的的嘌嘌呤呤环环和和嘧嘧啶啶环环具具有有芳芳香香环环的的结结构特点，因而可以发生环上的构特点，因而可以发生
40、环上的亲电取代反应亲电取代反应。n环环上上的的氮氮原原子子在在亲亲电电取取代代反反应应中中具具有有定定位位基基的的功功能能。嘧嘧啶啶环环中中反反应应活活性性最最高高的的是是C C5 5，嘌嘌呤呤环环中中反反应应活活性性最高的是最高的是C C8 8。（1 1）腺嘌呤核苷的溴代）腺嘌呤核苷的溴代（2 2）尿嘧啶核苷的氯代）尿嘧啶核苷的氯代3 3碱基环的亲核加成反应碱基环的亲核加成反应 碱基环中各个原子上的电子云密度分布是不均匀，在一定条件碱基环中各个原子上的电子云密度分布是不均匀，在一定条件下可发生亲核加成反应。下可发生亲核加成反应。n（1 1）水解反应）水解反应n含有羰基的碱基（含有羰基的碱基（
41、G G、C C、T T和和U U），具有酰胺键的），具有酰胺键的结构特点，因此在碱性条件下，能够发生水解开结构特点，因此在碱性条件下，能够发生水解开环反应。环反应。n腺嘌呤碱基不含羰基，对碱比较稳定。腺嘌呤碱基不含羰基，对碱比较稳定。（2 2）与肼的反应）与肼的反应n嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。n此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反应，因此此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反应，因此在核酸分析中有重要应用价值。在核酸分析中有重要应用价值。4.4.碱基环氮原子的烷基化反应碱基环氮原子的烷基化反应 n在一定条件下，碱基
42、环上的氮原子可以发生烷基化反应。在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。n在同样条件下，在同样条件下，U U和和T T基本上不起反应。应用基本上不起反应。应用CHCH2 2N N2 2作为烷基化剂，作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。则所有碱基都能发生上述反应。5 5环外氨基的反应环外氨基的反应 n环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。n胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变DNA
43、DNA的碱基组的碱基组成。成。n腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄嘌呤核苷（嘌呤核苷（I I）和黄嘌呤核苷（）和黄嘌呤核苷（X X）。）。n这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致DNADNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。6 6光聚合反应光聚合反应 n胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：n在在DNADNA分分子子中中，如如果果两两个个胸胸腺腺嘧嘧
44、啶啶碱碱基基相相邻邻，在在紫紫外外光光照照射射下下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。7 7环外氧的烷基化反应环外氧的烷基化反应n由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为稳定的烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为稳定的烯醇醚。烯醇醚。n鸟嘌呤核苷烷基化形成鸟嘌呤核苷烷基化形成6-6-甲氧基鸟嘌呤核苷甲氧基鸟嘌呤核苷后，不再与后，不再与C C配对，而与配对，而与T T配对。配对。n这种情况将引起这种情况将引起DNADNA的复制、转录及信息表的复制、转录及信息表
45、达出现错误。达出现错误。5.4.2 核酸的性质核酸的性质n1 1核酸的两性性质及等电点核酸的两性性质及等电点n与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。n由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNADNA的等电的等电点为点为4 44.54.5，RNARNA的等电点为的等电点为2 22.52.5。nRNA
46、RNA的等电点比的等电点比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核糖基分子中核糖基2-OH2-OH通通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNADNA没有这种作用。没有这种作用。2 2核酸的水解核酸的水解n（1 1）酸或碱水解）酸或碱水解 n核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。nDNADNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA几乎可以完全水解几乎可以
47、完全水解，生成，生成2-2-或或3-3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNADNA在同样条件下则不受影响在同样条件下则不受影响。这种水解性能上的差别，与这种水解性能上的差别，与RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的邻基的邻基参与作用有很大的关系。在参与作用有很大的关系。在RNARNA水解时，水解时，2-OH2-OH首先进首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。在碱的作用形成水解产物。（2 2）酶水解）酶水解n生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷酸
48、链中的磷酸二酯键。聚核苷酸链中的磷酸二酯键。n以以DNADNA为底物的为底物的DNADNA水解酶（水解酶（DNasesDNases）和以）和以RNARNA为底物的为底物的RNARNA水解酶（水解酶（RNasesRNases）。）。n根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。n核酸外切酶核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-3-端或端或5-5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间的作用方式刚好和外切酶相反，它
49、从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。开始，在某个位点切断磷酸二酯键。n在在分分子子生生物物学学研研究究中中最最有有应应用用价价值值的的是是限限制制性性核核酸酸内内切切酶酶。这这种种酶酶可可以以特特异异性性的的水水解解核核酸酸中中某某些些特特定定碱碱基基顺顺序序部位。部位。(3)(3)核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收n在核酸分子中，由于嘌在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，特的紫外线吸收光谱，一般在一般在260nm260nm左右有最左右有最大吸收峰，可以作为核大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量酸及
50、其组份定性和定量测定的依据。测定的依据。3 3核酸的变性、复性与杂交核酸的变性、复性与杂交n(1)(1)核酸的变性核酸的变性n核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序碱基顺序)保持不变。保持不变。n能能够够引引起起核核酸酸变变性性的的因因素素很很多多。温温度度升升高高、酸酸碱碱度度改改变、甲醛和尿素等