第六章核酸的化学

1、第六章第六章 核酸的化学核酸的化学核酸（核酸（nucleic acid）是生物特有的重要的大分子化合）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。物，广泛存在于各类生物细胞中。生物体中存在两类核酸：生物体中存在两类核酸：核糖核酸（核糖核酸（dna）和脱氧核）和脱氧核糖核酸（糖核酸（rna）。dna主要存在于细胞核中，主要存在于细胞核中，rna存存在于细胞质中。细胞在于细胞质中。细胞 中的核酸通常与蛋白质结合，以中的核酸通常与蛋白质结合，以核蛋白的形式存在。核蛋白的形式存在。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dna，基因是基因是dna分子中的一段特定的碱基

2、排列顺序。分子中的一段特定的碱基排列顺序。rna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，而各种复杂的生命现象是通过蛋白质来表达的。生命现象是通过蛋白质来表达的。dna中储存合成蛋中储存合成蛋白质的遗传信息，必须通过白质的遗传信息，必须通过rna的作用才能转变成不的作用才能转变成不同的蛋白质。同的蛋白质。参与蛋白质合成的参与蛋白质合成的rna有有3类，类，核糖体核糖体rna（rrna）、转移）、转移rna（trna）、信使）、信使rna（mrna）。）。rrna在细胞内与蛋白质结合构成核糖体（核蛋白在细胞内与蛋白质结合构成核糖体（核蛋白体），体），约占约占rna

3、总量的总量的80%，它是细胞内蛋白质的合成它是细胞内蛋白质的合成场所。场所。trna在在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸和识别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，密码子的作用，约占约占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递遗传信息的作在蛋白质的生物合成中起着传递遗传信息的作用，用，约占约占rna 总量的总量的5%。在所有细胞中，蛋白质的合在所有细胞中，蛋白质的合成都以成都以mrna为模板。为模板。核酸广泛分布于各类生物细

4、胞中，一般占细胞干重核酸广泛分布于各类生物细胞中，一般占细胞干重的的5%15%。在在真核细胞真核细胞中，中，95%98%的的dna 分布于分布于细胞核中，细胞核中，dna 与组蛋白结合成染色体的形式存在与组蛋白结合成染色体的形式存在，每个染色体，每个染色体含有一个高度压缩的含有一个高度压缩的dna 分子。分子。线粒体、叶绿体中也线粒体、叶绿体中也有少量有少量dna 存在，但不与蛋白质结合存在，但不与蛋白质结合，且比细胞核中，且比细胞核中的染色体的染色体dna 要小得多。在要小得多。在原核细胞原核细胞中，中，dna 存在于存在于细胞质中的核质区，通常细胞质中的核质区，通常只含有一个高度压缩的单纯

5、只含有一个高度压缩的单纯dna 分子分子，也称为染色体（但与真核细胞的染色体不，也称为染色体（但与真核细胞的染色体不同）。有关大肠杆菌的研究表明，它的染色体是一个同）。有关大肠杆菌的研究表明，它的染色体是一个环状的环状的dna 分子分子。在某些细菌中还存在一些游离于染。在某些细菌中还存在一些游离于染色体之外的小的色体之外的小的dna 分子，称为分子，称为质粒质粒。rna 主要存在于细胞质中，约占总量的主要存在于细胞质中，约占总量的90%，细胞，细胞核中也有少量的存在，约占总量的核中也有少量的存在，约占总量的10%。病毒是非细胞形态的生物，主要由蛋白质和核酸组病毒是非细胞形态的生物，主要由蛋白质

6、和核酸组成。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，据此划分为此划分为dna 病毒和病毒和rna 病毒。病毒。上述两大类核酸在细胞内的分布状况是与它们的功上述两大类核酸在细胞内的分布状况是与它们的功能相一致的。细胞中的能相一致的。细胞中的dna 起着贮存和传递遗传信息起着贮存和传递遗传信息的作用。细胞质中的的作用。细胞质中的rna 在核内接受了在核内接受了dna 的的“指指令令”，到细胞质指导并直接参与蛋白质的合成。，到细胞质指导并直接参与蛋白质的合成。第一节第一节 核酸的组成核酸的组成核酸的基本结构单位是核苷酸，核酸的基本结构单位是核苷酸，核酸是由几

7、百甚至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， 所以又称所以又称多多聚核苷酸聚核苷酸。核酸经部分水解可产生核苷酸，如经完全。核酸经部分水解可产生核苷酸，如经完全水解则产生磷酸、碱基和戊糖。每分子核苷酸含有一水解则产生磷酸、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。也就是说，分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。也就是说，核酸的基本核酸的基本“元件元件”是碱基、戊糖和磷酸是碱基、戊糖和磷酸。两类核酸。两类核酸的组成成分中，有相同的，也有不同的。含氮碱基是的组成成分中，有相同的，也有不同的。含氮碱基是两种母体化合物嘌呤和嘧啶

8、的衍生物。两种母体化合物嘌呤和嘧啶的衍生物。核核酸酸（多多聚聚核核苷苷酸酸）核核苷苷酸酸（碱碱基基戊戊糖糖磷磷酸酸）核核苷苷（碱碱基基戊戊糖糖）磷磷酸酸碱碱基基（嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱）戊戊糖糖（核核糖糖和和脱脱氧氧核核糖糖）核酸连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为两大类的。核酸是按其所含戊糖不同而分为两大类的。dna 所所含的戊糖是含的戊糖是-d-2-脱氧核糖，脱氧核糖，rna 所含的戊糖是所含的戊糖是-d-核糖。另外，核糖。另外，rna 中还含有少量的修饰戊糖，即中还含有少量的修饰戊糖，即d-2-o-甲基核糖。核酸中的这些戊糖均以甲基核糖。核酸中的这些戊糖均

9、以-呋喃型环状呋喃型环状结构存在。结构存在。oohohohhhhhhoch2oohhohhhhhhoch2-d-d-核糖核糖-d-2-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：、嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。dna 和和rna 中含有相同的两种主要的嘌呤碱：腺嘌呤和鸟中含有相同的两种主要的嘌呤碱：腺嘌呤和鸟嘌呤，分别用嘌呤，分别用a 和和g 表示。表示。rna 和和dna

10、均含这两种嘌均含这两种嘌呤碱基，它们都是嘌呤的呤碱基，它们都是嘌呤的2 位或位或6 位碳原子上的氢被氨位碳原子上的氢被氨基或酮基取代而形成的。核酸中还含有一些修饰嘌呤基或酮基取代而形成的。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、碱（也称稀有嘌呤碱），如次黄嘌呤、n6-甲基腺嘌呤、甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤等。甲基鸟嘌呤等。hnnnnh321456789onnnnh321456789oh3cnnnnh321456789oh3ch2n次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤1-甲基鸟嘌呤2 2、嘧啶碱：、嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞嘧啶、尿嘧啶和胸

11、腺嘧啶，分别用嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶，分别用c、u 和和t 表示。表示。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，dna含有胞嘧啶和含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。从结构上看，它们都是在嘧啶的胸腺嘧啶。从结构上看，它们都是在嘧啶的2 位碳原子位碳原子上由酮基取代氢，在上由酮基取代氢，在4 位碳原子上由氨基或酮基取代氢位碳原子上由氨基或酮基取代氢而形成的。同样，核酸中也含有一些修饰（稀有）嘧而形成的。同样，核酸中也含有一些修饰（稀有）嘧啶碱，如啶碱，如5-甲基胞嘧啶、甲基胞嘧啶、4-硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等nn123456nn123456ohnh2nhn123456o

12、hoch3nhn123456oho嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶核酸中含氮碱基均为无色固体，核酸中含氮碱基均为无色固体，熔点高，大多在熔点高，大多在200300，在，在有机溶剂中溶解度很小，在水中有机溶剂中溶解度很小，在水中溶解度也不大，一般溶于稀酸或溶解度也不大，一般溶于稀酸或稀碱。用稀碱。用x 光衍射分析法已证明光衍射分析法已证明了各种嘌呤和嘧啶的三度空间结了各种嘌呤和嘧啶的三度空间结构。构。嘧啶是平面分子，嘌呤也很嘧啶是平面分子，嘌呤也很接近平面，接近平面，但稍有翘折。但稍有翘折。腺嘌呤分子的立体结构（单位为腺嘌呤分子的立体结构（单位为nmnm）3 3、磷酸：、磷酸：核酸是含磷的生物大分子，核

13、酸是含磷的生物大分子，任何核酸都任何核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与na+、多胺、组蛋白、多胺、组蛋白结合结合。核酸中的磷酸参与形成。核酸中的磷酸参与形成3,5-磷酸二酯键，使核磷酸二酯键，使核酸连成多核苷酸链。酸连成多核苷酸链。以上三种基本以上三种基本“元件元件”再进一步连接，再进一步连接，碱基与戊糖碱基与戊糖以糖苷键形成核苷，核苷再与磷酸以磷酸酯键形成核以糖苷键形成核苷，核苷再与磷酸以磷酸酯键形成核苷酸，苷酸，核苷酸是核酸的基本结构单位，相当于核苷酸是核酸的基本结构单位，相当于“部部件件”。嘌呤碱（purine bases）嘧啶碱（pyrimidine b

14、ases）戊糖dna腺嘌呤（adenine）鸟嘌呤（guanine）胞嘧啶（cytosine）胸腺嘧啶（thymine）d-2-脱氧核糖rna腺嘌呤（adenine）鸟嘌呤（guanine）胞嘧啶（cytosine）尿嘧啶（uracil）d-核糖两类核酸的基本化学组成三、核苷与核苷酸三、核苷与核苷酸1 1、核苷：、核苷：核苷（核苷（riboside）由戊糖和碱基缩合而成，）由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键连接。糖环上的并以糖苷键连接。糖环上的c1与嘧啶碱的与嘧啶碱的n1 或与嘌呤或与嘌呤碱的碱的n9 相连接。所以糖与碱基之间的连键是相连接。所以糖与碱基之间的连键是n-c 键，键，称为称为n-糖

15、苷键。应用糖苷键。应用x-光衍射分析证明，核苷中的碱光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。基与糖环平面互相垂直。2 2、核苷酸：、核苷酸：核苷酸是核苷中戊糖环上的羟基与磷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。由核糖核苷形成的磷酸酯称为脱水生成的核苷磷酸酯。由核糖核苷形成的磷酸酯称为核糖核苷酸（简称核苷酸）；由脱氧核糖核苷形成的磷核糖核苷酸（简称核苷酸）；由脱氧核糖核苷形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- -核苷酸核苷酸和和5 5- -核苷酸核苷酸；脱氧核苷酸；脱

16、氧核苷酸有有3 3- -核苷酸核苷酸和和5 5- -核核苷酸苷酸。细胞内游离存。细胞内游离存在的核苷酸都是在的核苷酸都是5 5- -核核苷酸苷酸，rnarna在碱催化下在碱催化下水解可生成水解可生成2 2- -核苷酸核苷酸和和3 3- -核苷酸核苷酸。pppppppp常见（脱氧）核苷酸的结构和命名常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（gmp）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（ump）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（cmp）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（amp）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（damp）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dgmp）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dcmp）脱氧

17、胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dtmp）碱 基腺嘌呤(a)鸟嘌呤(g胞嘧啶（c）尿嘧啶（u）胸腺嘧啶（t）核 糖 核 苷 酸腺嘌呤核苷酸（adenosine monophosphate, amp）鸟嘌呤核苷酸（guanosine monophosphate, gmp）胞嘧啶核苷酸（cytidine monophosphate, cmp）尿嘧啶核苷酸（uridine monophosphate, ump）脱 氧 核 糖 核 苷 酸腺嘌呤脱氧核苷酸（deoxyadenosine monophosphate, damp）鸟嘌呤脱氧核苷酸（deoxyguanosine monophosphate,

18、 dgmp胞嘧啶脱氧核苷酸（deoxycytidine monophosphate, dcmp）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，还存在着一些生物细胞内除组成核酸的核苷酸外，还存在着一些游离的核苷酸，它们具有重要的生理功能。游离的核苷酸，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，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称为多磷酸核苷形成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称

19、为多磷酸核苷酸。酸。oohohhhhhch2oooooopppohohohhon(碱基）核苷一磷酸（nmp)核苷二磷酸（ndp)核苷三磷酸（ntp)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。在生化反应中作为能量和磷酸基团反应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，当需要能量时，当需要能量时，atp

20、中的中的高能键水解，将贮存的能量释放出来，可参与多种生高能键水解，将贮存的能量释放出来，可参与多种生物合成反应。物合成反应。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、环化核苷酸：、环化核苷酸：环化核苷酸是核苷酸分子中的磷酸环化核苷酸是核苷酸分子中的磷酸基团与核糖通过两个酯键环化而成的。研究较多比较基团与核糖通过两个酯键环化而成的。研究较多比较重要的有重要的有3,5-3,5-环化腺苷酸（环化腺

21、苷酸（camp)camp)和和3,5-3,5-环化环化鸟苷酸（鸟苷酸（cgmpcgmp）。）。oohohhhhch2opoohnnnn321456789nh2oohohhhhch2opoohhnnnn321456789h2nocampcgmpcamp 和和cgmp是是atp和和gtp经腺苷酸环化酶和鸟经腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶催化生成的，在苷酸环化酶催化生成的，在生物细胞中广泛存在但含量生物细胞中广泛存在但含量很少。很少。 camp的的3 位酯键为位酯键为高能磷酸键，水解后可释放高能磷酸键，水解后可释放49.7kj/mol 自由能。自由能。camp具有放大激素作用信号的功能，所以在细胞代谢调

22、节具有放大激素作用信号的功能，所以在细胞代谢调节中起重要作用。此外，中起重要作用。此外，3 ,5 -环鸟苷酸也是一种具有代环鸟苷酸也是一种具有代谢调节作用的环化核苷酸，并有与谢调节作用的环化核苷酸，并有与camp相对抗的生理相对抗的生理功能。功能。第二节第二节 核酸的结构核酸的结构一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构（一）核苷酸的连接方式：（一）核苷酸的连接方式：rna和和dna分别由许多核苷分别由许多核苷酸和脱氧核苷酸按一定顺序酸和脱氧核苷酸按一定顺序连接而成的多核苷酸链。这连接而成的多核苷酸链。这种连接都是由一个核苷酸的种连接都是由一个核苷酸的3 -羟基和另一个核苷酸的羟基和另一个核苷酸的

23、5-磷磷酸基以酯键相连，形成一个酸基以酯键相连，形成一个磷酸二酯键，这种共价键称磷酸二酯键，这种共价键称为为3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键。rna和和dna都是由都是由3，5-磷酸二磷酸二酯键连接而成的多核苷酸链。酯键连接而成的多核苷酸链。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级结构，如，也可以用碱基序列表示核酸的一级结构，如，agctagc-, ,阅读方向从左到右，所表示的碱基序列是阅读方向从左到右，所表示的碱基序列是从从5到到3，核苷酸之间的连接键

24、是，核苷酸之间的连接键是3，5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。在表示核酸酶的水解部位时，用在表示核酸酶的水解部位时，用p表示磷酸基团，当表示磷酸基团，当它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖环的它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖环的5-羟基结羟基结合，右侧表示与合，右侧表示与3-羟基结合。如羟基结合。如papcgpup,表示水解表示水解后后c的的3-羟基连有磷酸基，羟基连有磷酸基，g的的5-羟基是游离的。羟基是游离的。（二）（二）dnadna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的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核

25、苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸和和脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过，通过3,5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于核酸链的一端是一个游离的由于核酸链的一端是一个游离的5-磷酸基，称磷酸基，称5-端，端，另一端是游离的另一端是游离的3-羟基，称羟基，称3-端，因此端，因此dna 链是有极链是有极性的性的。由于生物的遗传信息贮存于由于生物的遗传信息贮存于dna 的核苷酸序列中，的核苷酸序列中，生物界物种的多样性就在于生物界物种的多样性就在于dna 分子四种核苷酸千变分子四种核苷酸千变万化的不同排列

26、之中，因此万化的不同排列之中，因此dna序列问题一直是分子序列问题一直是分子生物学家多年来要解决的重要的但比较困难的问题，生物学家多年来要解决的重要的但比较困难的问题，但是随着分子生物学的发展，现在测定但是随着分子生物学的发展，现在测定dna 的序列已的序列已经成为分子生物学实验室的一种常规方法。经成为分子生物学实验室的一种常规方法。（二）（二）rna的一级结构：的一级结构：rna 是细胞内核酸的第二种主要类型，它在把是细胞内核酸的第二种主要类型，它在把dna 中的遗传信息变成功能性蛋白的过程中起中介作中的遗传信息变成功能性蛋白的过程中起中介作用。用。rna 是是无分支无分支的的线形多聚核糖核

27、苷酸线形多聚核糖核苷酸，主要由四，主要由四种核糖核苷酸组成，即种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸腺嘌呤核糖核苷酸，鸟嘌呤核鸟嘌呤核糖核苷酸糖核苷酸，胞嘧啶核糖核苷酸胞嘧啶核糖核苷酸和和尿嘧啶核糖核苷酸尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖核糖。rna 分子中还有某些分子中还有某些稀有碱基稀有碱基。组成组成rna 的核苷酸也是以的核苷酸也是以3 ,5 -磷酸二酯键磷酸二酯键彼此彼此连接起来的。但连接起来的。但rna 分子比分子比dna 分子小得多分子小得多（含几（含几十至几千个核苷酸），且不象十至几千个核苷酸），且不象dna 那样都是双螺

28、旋结那样都是双螺旋结构，而是构，而是单链线形分子单链线形分子。尽管。尽管rna 分子中核糖环分子中核糖环c2 上有一羟基，但上有一羟基，但并不形成并不形成2 ,5 -磷酸二酯键磷酸二酯键。天然天然rna 只有只有局部区域为双螺旋结构局部区域为双螺旋结构。这些双链结。这些双链结构是由于构是由于rna 单链分子通过自身回折使得互补的碱基单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇，通过氢键结合形成对相遇，通过氢键结合形成反平行右手双螺旋结构反平行右手双螺旋结构（称（称为为茎茎），），不能配对的区域形成突环不能配对的区域形成突环（loop，称为，称为环环），），被排斥在双螺旋结构之外。每一段双螺旋区至少

29、被排斥在双螺旋结构之外。每一段双螺旋区至少需要有需要有46 对碱基才能保持稳定对碱基才能保持稳定，同样以氢键和碱基堆积力为，同样以氢键和碱基堆积力为稳定因素。一般说，稳定因素。一般说，双螺旋区约占双螺旋区约占rna 分子的分子的50%。rna 的这种结构称为的这种结构称为茎环结构茎环结构，是各种，是各种rna 的共同的的共同的二级结构特征。在此基础上二级结构特征。在此基础上rna 分子进一步扭曲折叠分子进一步扭曲折叠便形成更为复杂的三级结构。便形成更为复杂的三级结构。1、trna的一级结构的一级结构： 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

30、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，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。从目前已知的。从目前已知的trna的一级结构来看，尽管组成它们的核苷酸数目不同，的一级结构来看，尽管组成它们的核苷酸数目不同，序列不同，但在一级结构上有共同点。序列不同，但在一级结构上有共同点。（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tr

31、na的链长都很接近，一般在的链长都很接近，一般在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在几乎所有的）有十几个位置上的核苷酸在几乎所有的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结构和实等，这些恒定核苷酸对于维持三级结构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末端都为末端都为-pcpcpaoh，用来接，用来接受活化的氨基酸。所以这个末端称接受末端；受活化的氨基酸。所以这个末端称接受末端

32、；5-末端末端大多为大多为pg-，也有，也有pc-的。的。（5）碱基组成中有较多的稀有碱基，每个）碱基组成中有较多的稀有碱基，每个trna 分分子中少则含有子中少则含有2 个，多则含有个，多则含有19 个修饰核苷酸，它们个修饰核苷酸，它们的功能还不清楚。的功能还不清楚。2 2、rrnarrna及核糖体的结构：及核糖体的结构： rrna是核糖体的组成成是核糖体的组成成分，约占核糖体重量的三分之二左右，是蛋白质生物分，约占核糖体重量的三分之二左右，是蛋白质生物合成的场所，一般由合成的场所，一般由1205000个核苷酸组成。核糖体个核苷酸组成。核糖体由大小两个不同的亚基组成。由大小两个不同的亚基组成

33、。虽然原核生物和真核生物的核糖体蛋白质和虽然原核生物和真核生物的核糖体蛋白质和rrna的的差异很大，但核糖体总体结构很相似。差异很大，但核糖体总体结构很相似。 rrna修饰碱基的含量比修饰碱基的含量比trna少的多，其显著特点少的多，其显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的一级结构：的一级结构： mrna是蛋白质合成的模是蛋白质合成的模板产生于细胞核与线粒体，然后进入细胞质及核糖体，板产生于细胞核与线粒体，然后进入细胞质及核糖体，种类很多，每一种的相对分子质量及碱基序列都不相种类很多，每一种的相对分子质量及碱基序列都不相同。同。原核细胞与真核细胞中的原核细胞与真

34、核细胞中的mrna在结构上的区别：在结构上的区别：原核细胞原核细胞mrna的的5端有无端有无帽子结构帽子结构，真核细胞，真核细胞mrna的的5端有帽子结构。端有帽子结构。帽子结构的作用帽子结构的作用：（1）防止）防止mrna被核酸酶降解；被核酸酶降解；（2）为）为mrna翻译活性所必须；（翻译活性所必须；（3）与蛋白质合成）与蛋白质合成的正确起始有关；（的正确起始有关；（4）协助核糖体与）协助核糖体与mrna结合，使结合，使翻译作用在翻译作用在aug起始密码子处开始。起始密码子处开始。原核生物原核生物mrna3端一般没有或仅有少于端一般没有或仅有少于10个多聚个多聚腺苷酸结构，真核生物腺苷酸结

35、构，真核生物mrna3端一般都有多聚核苷端一般都有多聚核苷酸，有一条大约有酸，有一条大约有200个腺苷酸残基连续组成的多聚个腺苷酸残基连续组成的多聚腺苷酸链，常称为腺苷酸链，常称为尾巴结构尾巴结构。尾巴结构的作用尾巴结构的作用（1 1）可保护可保护mrna免受核酸外切酶的免受核酸外切酶的作用；（作用；（2）与）与mrna的翻译活性有关；（的翻译活性有关；（3）与）与mrna顺利通过核膜进入胞质有关；（顺利通过核膜进入胞质有关；（4）与）与mrna从从细胞核转移到核糖体有关。细胞核转移到核糖体有关。二、核酸的空间结构二、核酸的空间结构（一）（一）dna的空间结构的空间结构1、dna的二级结构：的

36、二级结构：dna的二级结构是由两条脱的二级结构是由两条脱氧核苷酸链形成的双螺旋结构。氧核苷酸链形成的双螺旋结构。dna双螺旋结构的特点：双螺旋结构的特点：（1）两条反响平行的多核苷酸链形成右手螺旋两条反响平行的多核苷酸链形成右手螺旋（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，形成配对，形成2个氢键；个氢键；g与与c配对，配对，形成形成3个氢键。个氢键。（5）螺旋参数螺旋参数 双

37、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距离对之间的距离(碱基堆积距离）是碱基堆积距离）是0.34nm，每，每10个核苷个核苷酸形成螺旋的一转，每一转的高度（螺距）酸形成螺旋的一转，每一转的高度（螺距）3.4nm。（6）核苷酸序列核苷酸序列 dna双螺旋结构对核苷酸链上碱双螺旋结构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、胞苷酸和胸苷酸等苷酸和胸苷酸等4种核苷酸，但各种核苷酸的排列顺序种核苷酸，但各种核苷酸的排列顺序是极复杂和多样化的。是极复杂和多样化的。维持维持dna双螺旋结构稳定性的双螺旋结构稳定性的

38、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，因此双螺旋结构更稳定，因此双螺旋结构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）碱基堆积力碱基堆积力 碱基（嘌呤和嘧啶）形状扁平，碱基（嘌呤和嘧啶）形状扁平，是疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的是疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的堆积，使其内部形成了一个强大的疏水区，与介质的堆积，使其内部形成了一个强大的疏水区，与介质的水分子隔开，这种现象称水分子隔开，这种现象称疏水相互作用疏水相互作用。此外，堆积。此

39、外，堆积的碱基对间存在范德华力。因此的碱基对间存在范德华力。因此碱基堆积力的实质是碱基堆积力的实质是疏水相互作用和范德华力疏水相互作用和范德华力，对维持，对维持dna双螺旋结构起双螺旋结构起主要作用。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磷酸基上的负电荷与介质中阳离子之间形成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。间形成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。2、dna的三级结构：的三级结构：指双螺旋结构的指双螺旋结构的dna分子通分子通过进一步卷曲和折叠所形成的特定构象。过进一步卷曲和折叠所形成的特定构象。真核生物的染色体真核生物的染色体dna多数为多数为双链线形

40、分子双链线形分子，但细，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为为双链环形双链环形dna。当当dna分子在溶液中自由存在时，双螺旋呈松弛状分子在溶液中自由存在时，双螺旋呈松弛状态，每态，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状态，如果将这种正常的双螺旋分子额外多转低能量状态，如果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；

41、如位置，其结果在双螺旋分子存在一种额外的张力；如果双螺旋末端是开放的，这时张力可以通过链的回转果双螺旋末端是开放的，这时张力可以通过链的回转释放出来，释放出来，dna恢复正常的双螺旋状态，如果恢复正常的双螺旋状态，如果dna分分子是环状的张力不能释放，内部原子只能重排，子是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双螺旋的扭曲就称为超螺旋超螺旋dna。超螺旋超螺旋dna有有负超螺旋负超螺旋和和正超螺旋正超螺旋两种。自然界存两种。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

42、进一步扭曲成可进一步扭曲成超螺旋超螺旋dna(又叫又叫共价闭环共价闭环dna)。若超螺旋。若超螺旋dna的一条链断的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成裂，分子将释放扭曲张力，形成松弛环形松弛环形dna（又叫（又叫开环开环dna）。若超螺旋）。若超螺旋dna的两条链都断裂，就会转的两条链都断裂，就会转化为化为双链线形双链线形dna。（二）（二）rna的空间结构：的空间结构：rna的碱基组成不像的碱基组成不像dna那样有那样有a =u和和g c的规的规律，大多数天然律，大多数天然rna是一条单链，由于单链可以发生是一条单链，由于单链可以发生自身回折，使一些可配对的碱基相遇，形成自身回折，使一些可

43、配对的碱基相遇，形成a =u和和g c，构成局部双螺旋区域，叫，构成局部双螺旋区域，叫臂和茎臂和茎，不能配对的碱，不能配对的碱基形成基形成单链突环单链突环，rna中约有中约有4070%的核苷酸参与的核苷酸参与双螺旋的形成，所以双螺旋的形成，所以rna分子可以形成分子可以形成多环多臂多环多臂的二的二级结构级结构1 1、trnatrna的二级结构：的二级结构：19651965年年r.w.holleyr.w.holley等人测定等人测定了酵母丙氨酸了酵母丙氨酸trna的一级结构后，根据碱基序列的测的一级结构后，根据碱基序列的测定和碱基配对原则，提出了酵母定和碱基配对原则，提出了酵母trna的二级结构

44、模型的二级结构模型为为三叶草形三叶草形。迄今为止发现的。迄今为止发现的500余种余种trna都符合三都符合三叶草的模型，但也有少数例外。叶草的模型，但也有少数例外。三叶草结构的主要特征：三叶草结构的主要特征：（1 1）trnatrna一般由一般由4 4臂臂4 4环环组成。组成。（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对对碱基所组成，称氨基酸接受碱基所组成，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（ ）与反密码）与反密码子环相连，环的顶端有由子环相连，环

45、的顶端有由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连。）左臂为而氢尿嘧啶臂，与含二氢尿嘧啶的环相连。（5）右臂（）右臂（）为）为tc臂，与一个含有臂，与一个含有tc序列序列的环或一个可变环相连，可变环的核苷酸的数目变化的环或一个可变环相连，可变环的核苷酸的数目变化较大，随不同的较大，随不同的trna而异。而异。trna中含有中含有2021对碱基对，由于其双螺旋结构所对碱基对，由于其双螺旋结构所占比例甚高，对称性强，故占

46、比例甚高，对称性强，故trna的稳定性甚强。的稳定性甚强。2 2、trnatrna的三级结构：的三级结构： trna的的 三级结构很像倒写三级结构很像倒写的的l,氨基酸臂和氨基酸臂和tc臂沿同一轴排列，形成臂沿同一轴排列，形成12bp的连的连续双螺旋，在与之垂直的方向，反密码子臂和续双螺旋，在与之垂直的方向，反密码子臂和d臂沿同臂沿同一轴排列，一轴排列，d环和环和tc环构成倒环构成倒l的转角，两环之间的的转角，两环之间的氢键和碱基堆积力稳定了转角的构象。氢键和碱基堆积力稳定了转角的构象。3 3、rrnarrna的二级结构：的二级结构：也是三叶形。从大肠杆菌核也是三叶形。从大肠杆菌核糖体分离出来

47、的糖体分离出来的rrna有有23s、16s和和5s三种；从真核三种；从真核细胞分离出来的细胞分离出来的rrna有有5s、5.8s、18s和和28s4种。不种。不同的同的rrna的碱基比例和碱基序列各不相同，但分子的碱基比例和碱基序列各不相同，但分子结构基本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间排结构基本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间排列而成。如大肠杆菌列而成。如大肠杆菌5srrna的形状。的形状。第三节第三节 核酸的性质核酸的性质核酸的性质是由核酸的组成和性质决定的，核酸的性质是由核酸的组成和性质决定的，dna与与rna的许多性质与组成它们的核苷酸相似，但也有某的许多性质与组成它们的核苷酸

48、相似，但也有某些特殊的性质。些特殊的性质。一、核酸的物理性质一、核酸的物理性质dna是白色纤维状固体，是白色纤维状固体，rna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、乙醚、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。氯仿等有机溶剂，核酸的钠盐比核酸溶解度大。在生物体内，核酸与蛋白质形成核蛋白，在生物体内，核酸与蛋白质形成核蛋白，dna核蛋白核蛋白易溶于易溶于2mol/l的的naci溶液中，难溶于溶液中，难溶于0.14mol/l的稀的稀naci溶液，利用二者在溶液，利用二者在naci溶于中溶解性的不同，可溶于中

49、溶解性的不同，可以分离以分离dna和和rna。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，碱基的共轭体系强核酸分子中有嘌呤和嘧啶碱基，碱基的共轭体系强烈吸收烈吸收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

50、，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。碱基，故为两性电解质，可发生两性解离。但磷酸的但磷酸的酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，所有形成磷酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，所有形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；而嘌呤和嘧啶碱基为含氮杂环，又有各种取代基，既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，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，呈多阴离子状态。呈多阴离子状态。核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其解离状态随核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其