核酸的结构与功能

1、1 核酸的结构与功能 第一章    核酸的结构与功能1.1核酸的种类、分布和化学组成  1.1.1核酸的生物学功能  1.1.2核酸的种类和分布  1.1.3核酸的化学组成1.2核酸的分子结构  1.2.1DNA的分子结构  1.2.2RNA的分子结构1.3核酸的理化性质及其应用  1.3.1核酸的一般性质  1.3.2核酸的紫外吸收性质  1.3.3核酸的变性、复性和分子杂交第一章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能本章提要核酸分为两大类：DNA和RNA，两者均是核苷酸以3，5-磷酸二

2、酯键连接而成的线性分子。不同的是，DNA由脱氧核苷酸组成，碱基为A、G、C、T，而RNA由核糖核苷酸组成，碱基为A、G、C、U。DNA是遗传信息携带者，而三种RNA，即tRNA、rRNA、mRNA是遗传信息表达的功能分子。Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型为分子生物学和分子遗传学的发展奠定了基础。核酸是生物大分子，除一般理化性质外，还有紫外吸收、变性、复性、分子杂交等重要性质，这些性质在核酸研究方面得到了广泛应用。核酸(nucleic acid)是一类重要的生物大分子，从高等动植物到细菌和简单的病毒都含有核酸，它在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作

3、用。早在1868年，瑞士的青年科学家F.Miescher从外科绷带上脓细胞的核中分离出了一种富含磷的酸性有机物质，称为“核素”(nuclein)，即今天我们所说的脱氧核糖核蛋白，其中脱氧核糖核酸的含量为30%。1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中制得了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸”一词命名。但此后很长一段时间未引起人们重视，直到1944年， O.T.Avery等人通过细菌转化实验证明核酸是遗传物质后，才再次引起人们的注意。目前，核酸的研究已成为生物学研究中最活跃的一个领域，是最重要的生物大分子。1.1 核酸的种类、分布和化学组成1.1.1 核酸的生物学功能核酸发现70多年

4、后，人们对核酸的生物学功能才逐步有所了解。核酸为遗传物质是通过肺炎双球菌转化实验证实的。肺炎双球菌包有一层多糖荚膜，在固体培养基上培养得到光滑型的菌落，简称S型。S型球菌是致病菌，可使小鼠致死。1928年，Grifths从S型球菌得到一个变异菌株，没有多糖荚膜，菌落呈粗糙型，简称R型，不具致病能力。Grifths发现，用高温杀死的S型球菌和活的R型球菌分别注射小鼠，都不使小鼠致病，但两者同时注射小鼠，则小鼠致病死亡，并在死小鼠体内发现了活的S型球菌。这个实验表明，高温杀死的S型球菌中有一种物质或称转化因子进入了R型球菌中，使其转变成S型。Avery等人于1944年在离体条件下完成了Grifth

5、s发现的转化过程：从加热杀死的S型球菌分别提取DNA、蛋白质和多糖物质与R型球菌共培养，发现只有DNA能使R型球菌转变成S型，而且转化率与DNA纯度有关，从而揭示了核酸的生物学功能。后来发现这种转化现象在很多细菌、放线菌中都能发生。以后大量实验证明，DNA是遗传物质，是遗传信息的载体、负责遗传信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传给子代。RNA则负责遗传信息的表达，它转录DNA的遗传信息，直接参与蛋白质的生物合成，将遗传信息翻译成各种蛋白质，使生物体进行一系列的代谢活动，从而能够生长、发育、繁殖和遗传。1.1.2 核酸的种类和分布核酸按其所含糖的不同分为两大类：核糖核酸(ribonuclei

6、c acid,RNA)和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic aicd,DNA)。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，占总量的98%以上。不同种生物的细胞核中的DNA含量有很大差异，但同种生物的体细胞核中的DNA含量是相同的。线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核(nucleoid)的结构区，也没有与之结合的染色质蛋白，每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA分子。原核细胞染色体之外还存在能进行自主复制的遗传单位，称为质粒(plasmid)，某些低等真核生物(如酵母)中也存在质粒。病毒由核酸和蛋白质外壳组成，其中所含

7、的核酸或是DNA，或是RNA。另外在植物中还发现一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离RNA分子。20世纪80年代发现少数几种疾病(如羊瘙痒病、疯牛病)的病原体，是仅由蛋白质组成的物质，称作蛋白质感染子(prion)，又称为朊病毒。其入侵生物后可使正常蛋白转变为病原体蛋白。在细胞内的RNA主要存在于细胞质中，约占90%，少量存在于细胞核中。细胞中的RNA有三种：信使RNA(messenger RNA,mRNA)约占细胞总RNA的5%，mRNA在蛋白质合成中起着模板作用；核糖体RNA(ribosoal RNA,rRNA)约占细胞总RNA的80%，它与蛋白质结合构成核糖

8、体(ribosome)，是合成蛋白质的场所；转移RNA(transfer RNA，tRNA)约占细胞总RNA的10%15%，在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用；叶绿体、线粒体中也有各自与细胞质不同的mRNA、tRNA和rRNA。1.1.3 核酸的化学组成核酸由核苷酸(nucleotide)组成。采用不同的降解法(酶法，部分酸、碱解)可以将核酸降解成核苷酸；核苷酸还可以进一步分解成核苷(nucleoside)和磷酸；核苷再进一步分解生成碱基(base)和戊糖。碱基分两大类：嘌呤碱与嘧啶碱；戊糖有两种：D-核糖(D-ribose)和D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)。核酸核苷酸

9、(碱基-戊糖-磷酸)磷酸核苷(碱基-戊糖)核糖或脱氧核糖(戊糖)嘌呤或嘧啶(碱基)1.1.3.1核糖和脱氧核糖RNA中所含的戊糖是-D-核糖，也含有极少量的-D-2-O-甲基核糖；DNA中的戊糖是-D-2-脱氧核糖，它们在核酸中均以呋喃糖态存在。为了与碱基分子中的原子编号相区别，戊糖的碳原子编号都要加上“”，如1，5，2等均表示核糖上的某个原子。                -D-核糖      

10、;                -D-2-O-甲基核糖1.1.3.2  碱基两类核酸所含的主要碱基都是4种，其中两种嘌呤碱基完全相同，即腺嘌呤和鸟嘌呤。所含的嘧啶碱基不完全相同，RNA中是胞嘧啶和尿嘧啶，DNA中是胞嘧啶和胸腺嘧啶。       腺嘌呤       鸟嘌呤   

11、         胞嘧啶        尿嘧啶      胸腺嘧啶除上述5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量稀少的碱基，通常称为稀有碱基。主要存于RNA中。稀有碱基种类很多，大多数是甲基化碱基，个别也有氢化、硫化等，可以看作是基本碱基的化学修饰产物，因此也称之为修饰碱基。1.1.3.3  核苷核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱生成的糖苷。由戊糖第1位碳原子(C1)上的羟基与嘌呤碱的第9位

12、氮原子(N9)或与嘧啶碱的第1位氮原子(N1)相连接，即戊糖与碱基之间的连键是NC糖苷键。核酸中的糖苷键匀为-糖苷键，应用X-光衍射法已证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。由核糖与碱基形成的糖苷称为核糖核苷(riboside)，由脱氧核糖与碱基形成的核苷称为脱氧核糖核苷(deoxyriboside)。部分核苷的结构式如下：腺嘌呤核苷(腺苷A)   胞嘧啶脱氧核苷(脱氧胞苷dC)各种常见核苷及其代号碱基核糖核苷脱氧核糖核苷腺嘌呤(adenine,A)腺嘌呤核苷(adenosine,A,腺苷)腺嘌呤脱氧核苷(deoxyadenosine,dA,脱氧腺苷)鸟嘌呤(guanine

13、,G)鸟嘌呤核苷(guanosine,G,鸟苷)鸟嘌呤脱氧核苷(deoxyguanosine,dG,脱氧鸟苷)胞嘧啶(cytosine,C)胞嘧啶核苷(cytidine,C,胞苷)胞嘧啶脱氧核苷(deoxycytidine,dC,脱氧胞苷)胸腺嘧啶(thymine,T)胸腺嘧啶脱氧核苷(deoxythymidine,dT,脱氧胸苷)尿嘧啶(uracil,U)尿嘧啶核苷(urdine,U,尿苷)1.1.3.4  核苷酸和稀有核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸。核苷酸的核糖有3个自由羟基，可以酯化分别生成2-，3-和5-核苷酸。脱氧核苷的糖上只有2个自由羟基，只能生成3-和5-

14、脱氧核苷酸。各种核苷酸的结构已经由有机合成法证实。生物体内存在的核苷酸，多是5-核苷酸。RNA碱水解时，可得到2-和3-核糖核苷酸的混合物。常见的核苷酸碱基核糖核苷酸脱氧核糖核苷腺嘌呤 嘌呤腺苷酸(adenosine monophosphate,AMP)脱氧腺苷酸(deoxyadenosine monophosphate,dAMP)鸟嘌呤鸟嘌呤鸟苷酸(guanosine monophosphate,GMP)脱氧鸟苷酸(deoxyguanosine monophosphate,dGMP)胞嘧啶胞嘧啶胞苷酸(cytidine monophosphate,CMP)脱氧胞苷酸(deoxycy

15、tidine monophosphate,dCMP)胸腺嘧啶胸腺嘧啶脱氧胸苷酸(deoxythymidine monophosphate,dTMP)尿嘧啶尿嘧啶尿苷酸(uridine monophosphate,UMP)1.1.3.5  细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内还有一些以游离形式存在的核苷酸及其衍生物，它们都具有重要的生物功能。这类物质中以多磷酸核苷酸、环式单核苷酸和辅酶类单核苷酸较为重要。1.       多磷酸核苷酸核苷酸进一步磷酸化可生成核苷二磷酸和核苷三磷酸。例如，腺苷二磷酸(ADP)和腺苷三磷酸(ATP)

16、，它们带有高能酸酐键，常参与细胞代谢能量转换。此外，GTP、CTP、UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但远没有ATP普遍。UDP、ADP、GDP还是多糖合成中葡萄糖基的载体，CDP参与甘油的生物磷脂合成。2.       环化核苷酸动、植物及微生物中普遍存在一类环化核苷酸，其中重要的为3，5-环腺苷酸(3，5-cyclic adenylic acid,cAMP)和3，5-环鸟苷酸(3，5-cyclic guanylic acid,cGMP)，这两种环化核苷酸在细胞的代谢调节中有重要作用，如有放大或缩小激素作用信号的作用，称之

17、为“第二信使”。3.       辅酶类核苷酸一些核苷酸或其衍生物还是重要的辅酶或辅基的组成成分，如NAD+(辅酶，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、NADP+(辅酶，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)，CoASH(辅酶A)、FMN(黄素单核苷酸)、FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)等。          AMP             &#

18、160;       dGMP                       cAMP                   

19、0;         12 核酸的分子结构1.2.1  DNA的分子结构1.2.1.1  DNA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苷酸，dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3，5-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多核苷酸链。由于脱氧核糖C-2上不含羟基，C-1又与碱基相连接，所以唯一可以形成的键是3,5-磷酸二酯键。            RNA 

20、60;                                   DNA不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。DNA分子上核苷酸的排列顺序叫做核酸的一级结构。由于DNA分子上的核糖和磷酸无差异，仅是碱基有差异，也可用碱基

21、序列表示核酸的一级结构。在DNA分子上，由于所有核苷酸间的磷酸二酯键有相同的走向，多核苷酸链都有特殊的方向性，使每条线形核酸链都有一个5-末端和一个3-末端。常用一种简单的方式表示核酸的一级结构，图1-1(b)为线条式缩写表示法，图中垂直线表示戊糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基，P代表磷酸基，由P引出的斜线一端与C3相连，另一端与C5相连，代表两个核苷酸之间的3，5-磷酸二酯键。(c)为文字式缩写，P在碱基左侧，表示P在C5位置上。P在碱基之右侧，表示P与C3相连。有时，多核苷酸中磷酸二酯键上的P也可省略，而写成pACTGGCA，但一般末端核苷酸的P不得省略，以其表示多核苷酸链的方向。各

22、种简化式的读向是从左到右，所表示的碱基序列是从5到3，核苷酸之间的连接键是3，5-磷酸二酯键；如欲表示它种结构，应注明，如双链核酸的两条链为反向平行，同时描述两条链的结构时必须注明每条链的走向。因为生物的遗传信息贮存于DNA的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。测定DNA分子上四种核苷酸的排列顺序(即DNA序列)，是分子生物学家多年要解决的重要问题。这一问题的解决曾一度是十分困难的，但随着分子生物学的发展，特别是基因重组技术的建立和发展，DNA和RNA一级结构分析已成为生物化学和分子生物学实验室的一种常规方法。最早建立DNA序列测定方法的是Maxa

23、m、Gilbert和Sanger。1.2.1.2  DNA的二级结构在前人工作基础上，Watson和Crick于1953年提出DNA的双螺旋结构模型。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的(图1-2)。1.双螺旋结构模型的主要依据早在20世纪30和40年代人们就对DNA的空间结构进行了研究，这些研究结果为DNA双螺旋结构的确立提供了重要依据。这些研究包括以下方面：1)       X-光衍射数据：Wilkins和Franklin首先得到了纯的DNA结晶，并发现不同来源的DNA纤维具有类似的X-光衍射图谱。这说明DNA可能有

24、共同的分子模型。X-光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链，螺旋直径为2 nm，而且沿DNA长轴有0.34 nm和3.4 nm两个周期性变化，即每隔0.34 nm有一个层状结构，每隔3.4 nm有一周期变化。2)       Norweger、Furberg研究证实，戊糖糖环与DNA分子纵轴平行，而碱基平面与纵轴垂直。3)       关于碱基成对的证据：Chargaff等应用纸层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分析，发现DNA中的腺嘌呤数目与胸腺

25、嘧啶数目相等(AT)，胞嘧啶和鸟嘌呤数目相等(CG)。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶间可以生成两个氢键，胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以生成三个氢键。4)       电位滴定行为证明：用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定。而嘌呤和嘧啶的NH，CO则不能滴定，因而它们之间形成氢键。根据以上研究结果及进一步的分析、计算，Watson、Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。图1-2DNA双螺旋结构a.示双螺旋；b.示分子中糖环平面与碱基平面的空间关系2. 双螺旋结构模型的要点1)     

26、60; DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。2)       嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆集距离为0.34 nm。磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成DNA的骨架。糖环平面与中轴平行。3)       双螺旋的直径为2 nm，顺轴方向每隔0.34 nm有一个核苷酸，两个核苷酸之间的夹角为36°，因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷

27、酸。4)       一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配成对，配对的原则是AT，之间形成二个氢键，GC，之间形成三个氢键(图1-3)。因此，DNA的一条链为另一条链的互补链。      图1-3 DNA碱基对(A-T)和(G-C)俯视图解大多数天然DNA具有双链结构。某些细菌病毒如X174、M13的DNA是单链分子(后者在生活周期中有一段是双链)。DNA双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”(碱基配对)概念。Watson和Crick曾据此提出DNA的半保留复

28、制假说，后经实验证实。互补概念还可以解释一些重要的生理现象，并为许多重要的分子生物学实验技术的建立提供了理论依据。RNA与DNA单链之间也可以形成互补链，这种结构叫DNA-RNA杂交分子，在转录过程中存在。在基因工程中也通过形成这种杂交分子而鉴定某些基因。3. 双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋结构很稳定。大量的氢键显然可以稳定DNA结构，但氢键太弱，而且氢键的断裂往往是协同的。现在认为，碱基堆集力是使DNA结构稳定的最主要因素。碱基堆集力(base stacking forces)是层层堆集的芳香族碱基上电子云交错(overlapping)而形成的一种力，其结果在DNA分子内部形成一个疏水核心

29、，这使得双螺旋内部不存在游离水分子，有利于互补碱基间形成氢键。再者，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形成的离子键可以减少双链间的静电斥力，因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。与DNA结合的阳离子如Na+，K+，Mg2+，Mn2+在所有类型细胞中都很多。在原核细胞中，DNA常与多胺(如精胺、亚精胺)结合，真核细胞中的DNA一般与组蛋白结合。4. DNA双螺旋构象的多态性Watson和Crick所描述的DNA双螺旋构象现在称为B型DNA，是以相对湿度为92%时的DNA钠盐纤维为研究对象。DNA还有其它构象类型。在多核苷酸链中，脱氧核糖的五员环能折叠成多种构象，此外，分子还可

30、绕CN糖苷键以及3，5-磷酸二酯键旋转一定的角度，这就使具有同样碱基配对的DNA双螺旋可以采取另一些构象，DNA构象上这种差异称为多态性(polymorphism)。在溶液中，DNA一般为B型。但当水合的DNA脱水时，它就转变为A型。A型的每一螺旋圈含11个碱基对，碱基对与中轴的倾斜角约为20°，两个核苷酸之间的夹角为33°(B型为36°)。转录过程中，在DNA单链上合成RNA时，DNA-RNA杂交分子可能就是A型。1979年Rich及王连君等将人工合成的DNA片段d(CpGpCpGpCpG)制成晶体，并进行了X-光衍射分析，发现此片段有左手螺旋的双螺旋结构，具有

31、Watson-Crick模型的碱基对和反向平行的糖-磷酸主链。主链呈锯齿形左向盘绕，命名为Z-DNA(图1-4)。Z-DNA直径为1.8 nm，螺距4.5 nm，螺旋每转一圈含12个碱基对；整个分子比较细长而伸展。Z-DNA的G-C碱基对偏离中心轴向边缘伸展，从而使大沟外凸而变得不明显，小沟则变得窄而深。双螺旋DNA的类型类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离(nm)碱基对与水平面倾角A-DNA右2.32.8110.25520°B-DNA右2.03.4100.340°Z-DNA左1.84.5120.377°Rich等还得到了对Z-D

32、NA特异的抗体。用荧光化合物标记这种抗体后用电子显微镜观察，发现它与果蝇唾液腺染色体的许多部位结合。在鼠类和各类植物的完整细胞核等自然体系中也找到了含有Z-DNA的区域。这说明：在天然DNA中确有一些片段处于左手螺旋状态，而且执行着某种细胞功能。用甲基化的dGCCGn作实验材料，在接近生理条件的盐浓度时，可以从B-DNA结构转变为Z-DNA结构。已知当双螺旋DNA处于高度甲基化的状态时，基因表达受到抑制，反之则得到加强。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。图1-4   Z-DNA和B-DNA1.2.1.3  DNA的三级结构在细胞中，由于DNA与

33、其他分子(如蛋白质)的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲成三级结构。某些小病毒，细菌质粒，真核生物线粒体和叶绿体以及某些细菌染色体中的DNA为双链环形，其三级结构为麻花状超螺旋形式。超螺旋结构分为正超螺旋和负超螺旋两种：对于右手螺旋DNA分子来说，如果每圈螺旋碱基对数小于10.5，螺旋结构处于紧缠状态，称之为正超螺旋；如果每圈螺旋碱基对数大于10.5，则螺旋结构处于松缠状态，称之为负超螺旋。负超螺旋给予DNA的扭曲张力有利于解旋，当从细胞中完整地分离出这些环形DNA分子时，它们常因释放扭曲张力而处于能量最低的松弛态，如在DNA的一条链上打开一个缺口，任其向与超螺旋扭曲的相反方向自由旋转，超螺旋

34、结构也转变成松弛态。图1-6环形DNA的负超螺旋与其松弛态的相互转变在真核细胞中，线状DNA分子由于与组蛋白结合，其两端不能自由转动。双螺旋DNA分子先盘绕组蛋白形成核小体。许多核小体由DNA链连在一起构成念珠状结构。每个核小体的直径为1011nm，它是DNA分子在组蛋白核心外面缠绕约1.75圈构成的，有大约160 bp。组蛋白分为H1，H2A,H2B,H3和H4五类，核小体核心含H2A,H2B，H3和H4各二分子。连接核小体的DNA片段约为3234 bp，上结合一分子H1。由核小体构成的念珠状结构进一步盘绕压缩成更高层次的结构。据估算，人的DNA分子在染色质中反复折叠盘绕共压缩8 00010

35、 000倍。    图1-7核小体盘绕及染色体折叠示意图1.2.2 RNA的分子结构RNA的碱基组成没有DNA那样的规律，根据RNA的某些理化性质和X-光衍射证明，大多数天然RNA分子是一条单链，其可以发生分子自身回折，而使互补碱基区形成局部类似DNA的双螺旋区。不能配对的碱基区域则形成突环，不同的RNA分子因碱基序列不同而具有不同比例的双螺旋区。1.2.2.1  tRNA三种RNA中对tRNA的结构了解得最清楚。每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA。许多tRNA的一级结构已被阐明。Holley等在确定丙氨酸-tRNA一级结构的基础上提出tRNA的

36、三叶草型二级结构模型(图1-8)，后来证明已知的tRNA几乎均具有类似的特征和二级结构。1.       tRNA由7090个核苷酸组成，沉降系数在4 S左右。2.       分子中由A-U，G-C碱基对构成的双螺旋区叫做臂，不配对的部分叫做环。tRNA一般由四个臂四个环组成。3.       三叶草的叶柄叫做氨基酸臂，它包括3-端接受氨基酸的部位-CpCpAOH，5-末端大多为PG，也有PC的。4. &

37、#160;     反密码环含有该tRNA的由三个核苷酸组成的反密码子。5.       左臂连接一个二氢尿嘧啶环，环上含有二氢尿嘧啶(DHU)。6.       右臂连接一个TC环(含有TC序列)，另外在反密码臂和右臂之间还有一个可变环。不同的tRNA可变环上核苷酸的数目变化较大。7.       碱基组成中含有较多的稀有核苷酸。图1-8tRNA三叶草型二级结构模型 

38、;   图1-9tRNA的三维空间结构tRNA三级结构为倒L型，接受氨基酸的3-端CCA位于L的一端，反密码子环位于另一端，在二级结构基础上又形成一些新的碱基对，使三叶草型结构发生扭曲。1222  rRNA细胞RNA中rRNA含量最高，是构成核糖体的骨架。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA：5?S rRNA，16?S rRNA，23?S rRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类：5?S rRNA，58?S rRNA，18?S rRNA，28?S rRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明。图1-10大肠杆菌5S rRNA的结构1.2.2.3&

39、#160; mRNAmRNA是蛋白质合成的模板。在细胞内，mRNA含量很低，但种类非常多。细胞在发育的不同时期有不同种类的mRNA。真核细胞mRNA的结构有明显的特征：在其3-末端有长约200核苷酸的polyA(polyadenylic acid)。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用添加上去的。原核生物的mRNA一般无3-polyA。另外，某些真核生物病毒mRNA也有3-polyA。polyA的功能是多方面的，与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关。真核细胞的mRNA 5-末端有一个特殊的5-帽子结构：在5-帽子结构中的m7G经焦磷酸与相邻的一个核苷酸以5-5磷

40、酸二酯键相连，后者2-位又被甲基化。帽子结构和3-polyA都有抗核酸外切酶降解的作用。另外5-帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协助核糖体与mRNA相结合有关。某些真核病毒也有5-帽子结构。原核细胞mRNA一般没有5-帽子结构。1.3核酸的理化性质及其应用DNA具有严格的双螺旋结构，分子直径仅2 nm，但长度可达数厘米，而RNA只有部分双螺旋，且不定形，长度比DNA短得多，因此两者在很多性质上不相同。但两者都由核苷酸组成，因此又有许多相同的理化性质。131  核酸的一般性质核酸及组成核酸的核苷酸既有碱性基团，又有磷酸基团，因此都是两性电解质，因磷酸的酸性强，通常表现为酸性。提

41、纯的DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，两者都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。在70%乙醇中形成沉淀，故常用在核酸粗溶液中加入二倍体积乙醇使核酸沉淀的方法对其进行纯化。DNA分子由于直径小而长度大，因此溶液粘度极高，RNA分子粘度则小得多，当核酸溶液因受热或在其他因素作用下发生螺旋向线团过渡(变性)时，粘度降低。溶液中的核酸在引力场中可以下沉。在超速离心机造成的极大的引力场下，核酸分子下沉的速度大大加快。核酸的沉降速度与相对分子质量和分子构象有关。应用超速离心技术，可以测定核酸的沉降常数和相对分子质量。测定DNA相对分子质量时，由于其粘度很大，应用其极稀的溶液。目前多用氯化铯密度梯度沉降平

42、衡超速离心技术研究核酸分子的构象。核酸分子由于在一定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可以利用电泳进行分离和研究其特性。凝胶电泳是当前核酸研究中最常用的方法。常用的凝胶电泳有琼脂糖(agarose)凝胶电泳和聚丙烯酰胺(polyacrylamide)凝胶电泳。前者一般分离相对分子质量较大的分子并通过水平电泳槽进行潜水式电泳。后者则用于分离相对分子质量较小的分子并通过垂直槽进行电泳。电泳后DNA的相对位置可以通过溴乙锭染色进行测定，溴乙锭是一种扁平分子很易插入DNA分子碱基之间，经紫外光照射可发射红橙色荧光。132  核酸的紫外吸收性质嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在

43、240290 nm的紫外波段有强烈吸收，最大吸收值在260 nm附近。不同的核苷酸在260 nm附近有不同的吸收特性，因此可以利用紫外吸收特性定性和定量地检测核酸和核苷酸。蛋白质在280 nm有一吸收峰，因此利用OD260/OD280比值可判断核酸样品的纯度。纯DNA的OD260/OD280应为1.8，纯RNA应为2.0，样品中若有蛋白质及苯酚，OD260/OD280比值明显降低。不纯的样品一般不能用紫外吸收法作定量测定。对于纯的样品，只要读出260 nm的OD值，即可算出含量。用A260表示260 nm吸收值为0.01。通常A260的DNA=500 ng/ml；单链DNA的A260=330 ng/ml；RNA的A260=400 ng/ml；寡核苷酸的A260=200 ng/ml。核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少30%40%。这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。这种现象叫做DNA的减色效应。图 1-12 DNA的变性过程图1-11DNA紫外吸收光谱1.