第三章核酸化学

1、内容内容 第二节第二节 核酸的分子结构核酸的分子结构第三节 核酸的理化性质第三章核酸化学第三章核酸化学内容和要求内容和要求: :1 1、掌握核酸的种类、化学组成和分子结构，、掌握核酸的种类、化学组成和分子结构，DNADNA的一级的一级结构的特点、表示方法及二级结构要点和稳定因素，结构的特点、表示方法及二级结构要点和稳定因素，RNARNA的二级结构，核酸的主要理化性质，的二级结构，核酸的主要理化性质，2 2、了解核酸的分布，、了解核酸的分布， DNADNA、RNARNA的三级结构，核酸分离的三级结构，核酸分离纯化的一般方法和理化特性的应用；核酸的生物学功能纯化的一般方法和理化特性的应用；核酸的生

2、物学功能；一、核酸的发现与研究 二、核酸的种类和分布三、核酸的生物功能一、核酸的发现与研究1 1、核酸的发现、核酸的发现v18681868年瑞士化学家年瑞士化学家米歇尔米歇尔（F. MiesherF. Miesher，1844184418951895）首先从脓细胞分离出）首先从脓细胞分离出细胞核细胞核，从中抽提得一种，从中抽提得一种含磷特别丰富的酸性物质含磷特别丰富的酸性物质，当时曾叫它做，当时曾叫它做核素核素。（细胞核化学的创始人以及（细胞核化学的创始人以及DNADNA的发现者）的发现者）v18721872米歇尔年从鲑鱼的精子细胞核中，发现了大量类似的米歇尔年从鲑鱼的精子细胞核中，发现了大量

3、类似的酸性物质酸性物质。随后有。随后有人在多种组织细胞中也发现了这类物质的存在。人在多种组织细胞中也发现了这类物质的存在。v18891889年年AltmannAltmann制备了不含蛋白质的制备了不含蛋白质的核酸。核酸。因为这类物质都是从因为这类物质都是从细胞核细胞核中提中提取出来的，而且都具有酸性，因此称为取出来的，而且都具有酸性，因此称为核酸核酸。v上世纪初，德国生理学家上世纪初，德国生理学家柯塞尔柯塞尔（KosselKossel，A.1853-1927 A.1853-1927 ）和他的学生琼斯）和他的学生琼斯（JohnewJohnew，W.1865-1935 W.1865-1935 ）、

4、）、列文列文（LeveneLevene，P.A.1896-1940 P.A.1896-1940 ）的研究才搞）的研究才搞清楚核酸的化学成分及其最简单的基本结构。证实它是由四种不同的碱基，清楚核酸的化学成分及其最简单的基本结构。证实它是由四种不同的碱基，即腺嘌呤即腺嘌呤（）（）、鸟嘌呤、鸟嘌呤（）、（）、胸腺嘧啶胸腺嘧啶（）（）和胞嘧啶和胞嘧啶（）（）及及核糖、核糖、磷酸磷酸等组成。其最简单的等组成。其最简单的单体结构是：单体结构是：碱基核糖磷酸构成的核苷酸。碱基核糖磷酸构成的核苷酸。v19291929年确定核酸有两种：脱氧核糖核酸年确定核酸有两种：脱氧核糖核酸（）、核糖核酸）、核糖核酸（）。）

5、。 2.核酸的早期研究v核素的功能v决定染色体功能的物质？ v四核苷酸假说vDNA与RNAv核酸的高度特异性3.DNA双螺旋结构模型的建立v1953年J.D.Watson 和 F.Crich在前人所做工作的基础上提出DNA双螺旋结构模型该模型第一次揭示了该模型第一次揭示了DNA分子的结构分子的结构组成，开创了从分子水平揭示生命现象组成，开创了从分子水平揭示生命现象的新纪元。的新纪元。20世纪自然科学中最伟大的成就之一。世纪自然科学中最伟大的成就之一。（一）核酸的分类v脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA）v核糖核酸 ribonucleic acid（RNA）核糖核

6、酸核糖核酸 （RNA）：）：按功能不同分为三大类按功能不同分为三大类tRNAtRNA 转运转运RNARNA（15%15%）rRNArRNA 核糖体核糖体RNA RNA （80%80%）mRNA mRNA 信使信使RNA RNA （5%5%）小分子细胞核小分子细胞核RNA（snRNA）染色质染色质RNA（chRNA）1、脱氧核糖核酸、脱氧核糖核酸(DNA)：v原核生物细胞 染色体DNA (环状双链) ：集中在拟核染色体外基因DNA(环状双链) ：质粒DNAv真核生物细胞染色体DNA(线性双链)： 95%细胞核中染色体外基因(环状双链) ： 5%线粒体及叶绿体中。v病毒含含DNA的的病毒(环状双链

7、、线性双链或单链) （二）核酸的分布（二）核酸的分布：质粒质粒v质粒：是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核质粒：是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中染色体以外的生物的细胞器和细菌细胞中染色体以外的DNADNA分子。分子。v现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的以外的DNADNA分子。分子。2、核糖核酸(RNA):其它： hnRNA sRNAsnRNA (small nuclear RNA)snRNA (small nuclear RNA)snoRNA (small nucleoa

8、r RNA)snoRNA (small nucleoar RNA)scRNA (small cytoplasmic RNA)scRNA (small cytoplasmic RNA) siRNA siRNA （small interference RNAsmall interference RNA） miRNA miRNA （micro RNAmicro RNA）原核细胞内原核细胞内RNA分散在细胞质中真核细胞内真核细胞内RNA75%细胞质中15%线粒体及叶绿体中10%细胞核中（一） DNA的生物学功能DNADNA是主要的遗传物质，对生物遗传信息的保持是主要的遗传物质，对生物遗传信息的保持有重

9、大作用有重大作用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1.DNA是主要的遗传物质（1 1）细菌转化实验前传（转化因子试验）细菌转化实验前传（转化因子试验）v19281928年年 格里菲斯（格里菲斯（GriffithGriffith，J.J.）v肺炎双球菌有两种类型肺炎双球菌有两种类型型（有毒）型（有毒）外包有荚膜，不能被白血球吞噬外包有荚膜，不能被白血球吞噬型（无毒）型（无毒）外无荚膜，容易被白血球吞噬外无荚膜，容易被白血球吞噬注射毒性的SIII注射已杀死的无毒性的注射已杀死的无毒性的SIII+SIII+少量活少量活R R型菌株型菌株注射无毒性的RII型分离到有活的分离到有活的性

10、的性的SIIISIII转化因子？转化因子？（2 2）细菌转化实验）细菌转化实验v细菌学家艾弗里（细菌学家艾弗里（Avery Avery ，O.T.1877O.T.187719551955），）， 19441944v结果结果：DNADNA能使一部分能使一部分RR型细胞获得合成型细胞获得合成SS型细型细胞特有的荚膜多糖的能力。胞特有的荚膜多糖的能力。v证明证明：DNADNA是转化物质是转化物质 v“可能不是核酸自有的性质，而是由于微量的、别可能不是核酸自有的性质，而是由于微量的、别的某些附着于核酸上的其它物质引起了遗传信息的的某些附着于核酸上的其它物质引起了遗传信息的作用作用”肺炎双球菌的两种类型

11、肺炎双球菌的两种类型型（有毒）型（有毒）外包有荚膜，菌落光滑外包有荚膜，菌落光滑型（无毒）型（无毒）外无荚膜，菌落粗糙外无荚膜，菌落粗糙（3 3）噬菌体感染实验）噬菌体感染实验v美国生理学家德尔布吕克（美国生理学家德尔布吕克（Delbuck Delbuck ，M.1906M.190619811981） v19521952年赫希尔（年赫希尔（Heishey Heishey ，A.D.A.D.）和蔡斯（）和蔡斯（Chase Chase ，M.M.），），用同位素标记法进行实验。他们的实验进一步证明了用同位素标记法进行实验。他们的实验进一步证明了就是遗传物质基础就是遗传物质基础。3535S S标记标

12、记 噬噬菌体外壳菌体外壳32P标记标记 噬菌体噬菌体DNA（二） RNA的生物学功能tRNA 起携带和转移活化氨基酸的作用rRNA 与各种蛋白质结合构成核糖体，它 是合成蛋白质的细胞器。mRNA 是蛋白质合成的模板。1.1.指导蛋白质的生物合成（参与遗传信息的传指导蛋白质的生物合成（参与遗传信息的传递和表达）递和表达）DNA转录形成3类主要的RNA2.遗传物质遗传物质 在病毒中RNA也是遗传物质3.具有生物催化剂功能（核酶）具有生物催化剂功能（核酶）二、核酸的化学组成 基本元素：基本元素：C H O N P核酸的元素组成有两个特点：核酸的元素组成有两个特点： 1. 一般不含一般不含S 2. P

13、含量较多，并且恒定（含量较多，并且恒定（9%-10%）。）。 因此，实验室中用因此，实验室中用定磷法定磷法进行核酸的定量进行核酸的定量分析。（分析。（DNA9.9% 、RNA9.5%）（二）（二） 核酸的分子组成核酸的分子组成n核酸（核酸（DNADNA和和RNARNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是结构单元是核苷酸核苷酸。n核苷酸本身由核苷酸本身由核苷核苷和和磷酸磷酸组成组成, , n而核苷则由而核苷则由戊糖戊糖和和碱基碱基形成形成 所以，所以，核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解核核 酸酸代表代表，对，对DNA而言为而言为，对

14、，对RNA而言为而言为； 代表代表 代表代表1、核苷的组成、核苷的组成 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。(1). 戊糖戊糖OHOCHCOHHCOHHCH12345CH2OH核糖核糖D-（直链式）（直链式） OCCCCOHHHOHOHHH12345HOH2C核糖核糖D- -（呋喃式）（呋喃式）a 核糖核糖 OCCCCOHHHOHHH12345HHOH2C脱氧核糖脱氧核糖2 2D D-（呋喃式）（呋喃式）b 脱氧核糖脱氧核糖 OCHCHOHHCOHHCH12345CH2OH脱氧核糖

15、脱氧核糖2 2D D- -（直链式）（直链式）嘌呤嘌呤(2). 碱基碱基腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)嘧啶嘧啶核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR2. 核苷的结构核苷的结构戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-NC-N糖苷键糖苷键连接而形成的糖苷就称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。尿苷尿苷NONO11OHOCH2H HHHOH OH234

16、519NNNNNH2OH HOHOCH2H HHH2345脱氧腺苷脱氧腺苷(1)核糖核苷 A G C U胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH299111111(2).脱氧核糖核苷基本核苷的命名、符号基本核苷的命名、符号 核苷名称由相应的碱基名和戊糖名加苷而产生 全名为“某碱基核糖核苷”或“某碱基脱氧核糖核苷” 简化为“某苷”或“脱氧某苷”。如腺苷 、脱氧腺苷。 核苷符号依据相应碱基而来，对于脱氧核苷则在碱基代号前加“d”。

17、DNA 、RNA分别有四种核苷 3、磷酸、磷酸 O O O 解离 HO POH HO P PO | | | OH OH O 磷 酸 磷 酰 基POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接成多核苷酸链连接成多核苷酸链 核苷酸都是核酸的基本结构单位，核苷酸都是核酸的基本结构单位

18、，它们都是它们都是5-5-核苷酸。核苷酸。4. 核苷酸的结构核苷酸的结构OOHOHOHHOCH2NNNNNHHNHNHOOPOHOOO 核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有3个可以被磷酸酯化的个可以被磷酸酯化的羟基羟基(2、3和和5)，而脱氧核苷含有，而脱氧核苷含有2个这样的羟基个这样的羟基(3和和5)。通常都是连接在通常都是连接在5-羟基的氧原子上，因此不作特别羟基的氧原子上，因此不作特别指定时，提到一个核苷酸指的都是指定时，提到一个核苷酸指的都是5-磷酸酯。磷酸酯。 例如腺苷的例如腺苷的5-单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（ AMP），也），也可简

19、称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的5-磷酸酯可以称之脱氧磷酸酯可以称之脱氧胞苷一磷酸（胞苷一磷酸（dCMP），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧核苷的核苷的5-磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称之脱氧胸苷酸。之脱氧胸苷酸。 下图给出了出现在下图给出了出现在DNA和和RNA中的主要的脱氧核糖核苷中的主要的脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸，它们都是相应酸和核糖核苷酸，它们都是相应核苷的核苷的5 5- -磷酸酯磷酸酯。 核苷酸的名称 某苷某苷（酯化位）（酯化位）磷酸磷酸 或或 （酯化位）（酯化

20、位）某苷酸某苷酸 如：腺苷- （5）-磷酸 或 （5）腺苷酸核苷酸的代号 一般以核苷号加“MP”形成 ，如5AMP。常见核苷酸多为5核苷酸，通常不写出酯化位置（5略去）。如5 AMP写成AMP。 DNA和RNA分别有四种基本核苷酸。腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）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

21、嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH四、细胞内的其他核苷酸及核苷酸衍生物 1、多磷酸核苷酸、多磷酸核苷酸 ADP、ATP、GDP、GTP等。等。 ATP的重要生理功能：的重要生理功能： 参与能量代谢。参与能量代谢。 各种三磷酸核苷酸参与各种三磷酸核苷酸参与DNA 、RAN的生物合成（作的生物合成（作原料）；原料）； 参与其它合成。如参与其它合成。如UTP参加糖转化、合成，参加糖转化、合成，CTP参与参与嘌呤、蛋白质的合成；嘌呤、蛋白质的合成； 作辅酶的结构成分。如作辅酶的结构成分。如NAD、 NADP。 核苷酸的磷酸化核苷酸的磷酸化核苷一磷酸核苷一磷酸

22、 （ NMP ）核苷二磷酸核苷二磷酸 （ NDP ）核苷三磷酸核苷三磷酸 （ NTP ） ADPAMPATPNNNCHCCHNCOPOOPPOOOHHHOHOHHCCHOHOOHOHOHOCH2NH212354环状腺苷酸环状腺苷酸 （cAMP） 2、环化核苷酸、环化核苷酸 1950年Earl Sutherland（萨瑟兰德）在激素研究中偶尔发现腺苷3，5一磷酸，即cAMP充当了激素第二信使的作用，并放大了激素信号。 cGMP 有人认为它与cAMP的作用相拮抗。 cAMP cGMP3 3、辅酶核苷酸、辅酶核苷酸NADNAD+ + NADP NADP+ + FMN FAD CoA FMN FAD

23、CoA基本单位：核苷酸基本单位：核苷酸连接方式连接方式:3,5-:3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键分子形态分子形态: :长链状聚合物长链状聚合物有方向性有方向性: :具具5-5-端和端和3-3-端端二、二、DNA的分子结构的分子结构（一）（一）DNA的一级结构的一级结构1.定义： DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3 3 ,5,5 磷酸二酯键磷酸二酯键( (一个核苷酸的一个核苷酸的33羟基羟基和相邻一个核苷酸的和相邻一个核苷酸的55磷酸基团以酯键相连。磷酸基团以酯键相连。) )连成的直线形或环形分子。 2. DNA的书写顺序

24、是53。 3.DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。124、DNA一级结构的表示方法结构式/线条式/字母式（1）结构式（碱基用单字母表示）戊糖P53首端首端末端末端PPPPPP （2）线条式（碱基用单字母表示 磷酸基团用P表示）l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示），表示），3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表表示）；示）；l 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是明它的方向是5353或是或是3535；l 戊糖用垂直竖线表示，五个戊糖

25、用垂直竖线表示，五个C C从上到下依次为从上到下依次为1515。在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 A C G C T G T A 3 ( (二二) )、 DNADNA的二级结构的二级结构（双螺旋）（双螺旋）定义：定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。1、Chargaff 规则（规则（20世纪世纪4050年代）年代）v不同物种间不同物种间DNADNA碱基组成一般是不同的；碱基组成一般是不同的；v同一物种不同组织同一物种

26、不同组织DNADNA样品碱基组成相同；样品碱基组成相同；v一个物种的一个物种的DNADNA碱基组成不会因个体的年龄、营养状碱基组成不会因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变；态和环境改变而改变；v任何一种任何一种DNADNA样品中，样品中，A A的量的量=T=T的量，的量，G G的量的量=C=C的量的量 ，因此因此 A+G=C=T A+G=C=T ，A+G+C+T=100%A+G+C+T=100%。 例如：例如：G+CG+C含量为含量为40%40%，则，则G=20%G=20%、 C=20% C=20%、 A=30% A=30%、T=30%T=30%2.双螺旋结构的研究背景（1）碱基组成的Cha

27、rgaff规则：（2）Franklin和Wilkins获得了高质量的DNA的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子。（3）1952 年底, 美国著名的化学大师鲍林(Linus Pauling)发表了自己构建的DNA 三螺旋结构。（4） 1953年Watson和Crick总结前人的研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型。3、 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分子由两条分子由两条相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脱氧多核苷酸链的脱氧多核苷酸链组成，两链以组成，两链以- -脱氧核糖脱氧核糖- -磷磷酸酸- -为骨架，以为骨架，以

28、右手螺旋右手螺旋方方式绕同一公共轴盘。螺旋直式绕同一公共轴盘。螺旋直径为径为2 2nm，形成大沟，形成大沟(major g ro o v e ) 及 小 沟及 小 沟 ( m i n o r groove)相间。相间。u磷酸与核糖通过磷酸二酯键连接，形成磷酸与核糖通过磷酸二酯键连接，形成DNADNA分子骨架，位于分子骨架，位于DNADNA分子外侧，嘌呤分子外侧，嘌呤与嘧啶位于双螺旋内侧。碱基平面和纵与嘧啶位于双螺旋内侧。碱基平面和纵轴垂直，糖环的平面与纵轴平行。轴垂直，糖环的平面与纵轴平行。u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成碱基形成氢键配对氢键配对（

29、互补配对形式：（互补配对形式：A=T; GA=T; G C C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋一圈螺螺旋一圈螺距距3.4nm3.4nm，一圈，一圈10.510.5对碱基。对碱基。u当一条多核苷酸链的序列确定后，可确当一条多核苷酸链的序列确定后，可确定另外一条互补链的序列定另外一条互补链的序列稳定因素： DNADNA双螺旋结构在生理条件下是很双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。稳定的。 维持这种稳定性的主要因素包括：维持这种稳定性的主要因素包括：两条两条DNADNA链之间碱基配对形成的链之间碱基配对形成的氢氢键和碱基堆积力；键和碱基堆积力； 另外，存在于另外，

30、存在于DNADNA分子中的一些弱分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。成的离子键及范德华力。 改变介质条件和环境温度，将影改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。响双螺旋的稳定性。4.DNA结构的多样性v常见DNA:B-DNA 右手螺旋（Watson-Crick模型结构）A-DNA 右手螺旋Z-DNA 左手螺旋vDNA各种构象在一定的条件下可以相互转变vC型、D型、E型均接近B型，可以看做与B型同一族。vB-DNA：相对湿度

31、92%形成，每周10.4个核苷酸对vA-DNA：相对湿度75%形成，每周11个核苷酸对，粗短，大沟很深vZ-DNA：左手螺旋每周12个核苷酸对，细长 在某些天然DNA中已发现了ZDNA片段，并执行某种细胞功能，但不十分清楚，可能与基因表达、调控有关。 BDNA和ZDNA之间可以相互转化。 并非所有DNA都呈双螺旋结构，如噬菌体DNA，单链。双螺旋双螺旋DNADNA的结构参数的结构参数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ADNABDNAZDNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.27200 07

32、75、三链DNADNA的三股螺旋及三股发辫（H-DNA） 在DNA双螺旋基础上形成。通常仅是一段三链区，而不是整个分子成三链。 按来源分为：分子间三股螺旋（插入） ，分子内三股螺旋（双链之一回折） 三链区的碱基配对 CG=C CG=G T=A=T T=A=A竹峰高产高峰竹；龙海大腾大海龙。1 1、定义：、定义： DNADNA的三级结构指的三级结构指DNADNA分子（双螺旋）通过分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNADNA的拓扑特征。的拓扑

33、特征。超螺旋是超螺旋是DNADNA三级结构的一种类型。超三级结构的一种类型。超螺旋即螺旋即DNADNA双螺旋的螺旋。双螺旋的螺旋。线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋环状DNA形成的结、超螺旋和连环类型线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋 用两手分别捏住线性用两手分别捏住线性DNA分子的两端，捻动其中的一端分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当或两端同时向相反的方向捻动。当时（即沿右手螺旋时（即沿右手螺旋方向捻动），等于方向捻动），等于（所谓的（所谓的“上劲上劲”）。处于这样状态的）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状分子相对于它的

34、松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为态，所以称为。 当将处于松弛状态（当将处于松弛状态（B构型）的双螺旋向构型）的双螺旋向时（即沿时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于右手螺旋相反方向捻动），等于（所谓的（所谓的“ 卸劲卸劲”）。）。处于这样状态的处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之到原有旋转状态的状态，所以称之。 当将线性过旋或欠旋的双螺旋当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造

35、成的应力，目的是维持是维持B构象。过旋构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺旋，称为负超螺旋。成额外右手螺旋，称为负超螺旋。 向左捻向左捻向右捻向右捻松弛型松弛型正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋细胞中的环状细胞中的环状DNADNA一般呈负超螺旋一般呈负超螺旋，即：，即： 右旋螺旋不足导致部分碱基不形成配对，分子通右旋螺旋不足导致部分碱基不形成配对，分子通过整体拓扑学上的右旋来补足右旋螺旋的不足。过整体拓扑学上的右旋来补足右旋螺旋的不足。 正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左旋来解去过度的螺旋。

36、旋来解去过度的螺旋。 负超螺旋可以通过负超螺旋可以通过DNADNA的局部解旋消除的局部解旋消除，解旋区解旋区域通常发生在富含域通常发生在富含A/TA/T的的地方，因为这些部位稳地方，因为这些部位稳定性比富含定性比富含G/CG/C的区域差的区域差。 DNA是负超螺旋时，解旋过程更容易进行。 生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。物，以核蛋白的形式存在。 DNADNA分子十分巨大，将它组装在有限的空分子十分巨大，将它组装在有限的空间内，需要高度组织，用压缩比来表示。即：间内，需要高度组织，用压缩比来表示。即： DNADNA分子长度与组装

37、后特定结构长度之比称为压缩比。分子长度与组装后特定结构长度之比称为压缩比。（1 1）. .病毒：病毒：病毒颗粒主要由蛋白质和核酸（脂质、病毒颗粒主要由蛋白质和核酸（脂质、糖类）组成。糖类）组成。动物病毒主要为动物病毒主要为DNADNA病毒，植物病毒主病毒，植物病毒主要为要为RNARNA病毒。核酸是遗传物质，而蛋白质与病毒宿病毒。核酸是遗传物质，而蛋白质与病毒宿主的专一性有关，同时可以保护核酸免受损伤。主的专一性有关，同时可以保护核酸免受损伤。 （2 2）. .细菌的拟核细菌的拟核 细菌基因组为双链环状细菌基因组为双链环状DNADNA，与碱性蛋白和少，与碱性蛋白和少量量RNARNA结合，形成突环

38、结构。其结合，形成突环结构。其DNADNA分子的长度分子的长度大约是其菌体长度的大约是其菌体长度的10001000倍。所以倍。所以细菌细菌DNADNA在细在细胞内紧密缠绕形成致密的小体，称为拟核胞内紧密缠绕形成致密的小体，称为拟核（nucleoidnucleoid）. . 染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白。大多数真核细胞染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白。大多数真核细胞中都含有中都含有H1、H2A、H2B、H3和和H4 5种组蛋白。当染色质用种组蛋白。当染色质用低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象是一条线上穿了许多是一条

39、线上穿了许多“ 珠珠”子一样。子一样。“珠子珠子”是是DNA-组蛋白组蛋白的复合体，称为核小体，而的复合体，称为核小体，而“线线”是双螺旋是双螺旋DNA。 每个核小体是由各每个核小体是由各2分子的分子的H2A、H2B、H3和和H4的八聚体的八聚体和大约和大约200个个DNA碱基对组成，碱基对组成，DNA大约缠绕大约缠绕1.75圈，有圈，有146个个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个。核心颗粒之间的核心颗粒之间的“ 线线”称之称之连接连接DNA，大大约有约有54个碱基对长。第个碱基对长。第5个组蛋白个组蛋白H1既与连接既与连

40、接DNA结合，又和结合，又和核小体核心颗粒结合。核小体核心颗粒结合。H2A、H2B、H3和和H4形成形成八聚体八聚体组蛋白和组蛋白和DNA形成核小体形成核小体真核生物的染色质丝真核生物的染色质丝组蛋白八聚体：组蛋白八聚体：H2A H2B H3 H4各各2个分子个分子 从从DNADNA到染色质丝，到染色质丝，DNADNA压缩了近压缩了近100100倍，若从倍，若从DNADNA到到最后凝缩成染色体，最后凝缩成染色体，DNADNA压缩压缩了近万倍。了近万倍。螺旋管螺旋管 与伸展开的与伸展开的B-DNA长度相比，长度相比，DNA包装成核小体后，包装成核小体后，长度被压缩了长度被压缩了10倍。倍。 串珠

41、状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管状，产生一种称之状，产生一种称之30nm纤维结构。纤维结构。 纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约存在着多达存在着多达2000个环。个环。 环可以附着在环可以附着在RNA-蛋白质的支架（蛋白质的支架（Scaffold）上，象）上，象是被固定一样，可以形成超螺旋。是被固定一样，可以形成超螺旋。 超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得DNA一步一步一步地被压缩。一步地被压缩。 真核生真核生物染色物染色体体DNADNA组

42、组装不同装不同层次的层次的结构结构 DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即体核心上即核小体核小体 念珠状结构念珠状结构 核小体链进一步盘绕、核小体链进一步盘绕、折叠形成染色质丝折叠形成染色质丝 组成突环组成突环 玫瑰花结玫瑰花结 螺线圈螺线圈 由螺线圈组装成染色单体。由螺线圈组装成染色单体。 RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。 许多RNA单链可以在许多区域发生单链自身的回折，同一链上的碱基配对，从而产生部分双螺旋结构和各种有一定

43、代表性的空间构象。 在RNA双螺旋区域，碱基配对原则是：A-，G-C之间形成氢键，不能配对的碱基所在区域则呈环状突起。 RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。三、三、 RNA的结构的结构(一）、结构共性一）、结构共性碱基组成碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱稀有碱基较多，稳定性较差，易水解基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分子较小分类分类l mRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA）l tRNA l rRNA （snRNA/asRNA）1. 少数少数RNA病毒病毒RNA的种类、分布、功能的种

44、类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使R

45、NA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA（二）（二）RNA的一级结构的一级结构 RNA分子中各核苷之间分子中各核苷之间

46、的连接方式（的连接方式（3 -5 磷酸二磷酸二酯 键酯 键 ） 和 排 列 顺 序 叫 做） 和 排 列 顺 序 叫 做RNA的一级结构的一级结构OHOHOH5 3 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基（三）tRNA的结构tRNA的一级结构 1.由7493个（多为76个）核苷酸组成单链，沉降系数为4S ； (沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，S常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小） 2.具有不变的（恒定的）核苷酸:U8 、G1

47、8 、 G19 3.含较多的修饰核苷酸（稀有碱基）； 4.5端多为PG ； 3端多为CCAOH （用来接受活化的氨基酸，又称为接受末端）2.tRNA的二级结构三叶草结构 具有四臂四环 3端为CCAOH 序列 ， 5端为PG 3. tRNA的三级结构倒L形结构 稀有碱基：5-甲基胞嘧啶( m5C )1-甲基腺嘌呤( m1A )次黄嘌呤 ( I )二氢尿嘧啶 ( D )假尿嘧啶 ( )假尿苷假尿苷 胸腺嘧啶核糖核苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（稀有核苷（tRNA）假尿嘧啶环核苷是指假尿嘧啶环核苷是指碱基并非尿嘧啶碱基并非尿嘧啶作为作为DNA的稀有碱基存在的稀有碱基存在核苷中糖被甲基化核苷中糖被甲基化糖

48、与碱基之间的连接与正常不同糖与碱基之间的连接与正常不同（山东大学（山东大学20002000年）年）tRNAtRNA的二级结构的二级结构vtRNAtRNA的二级结构大都呈的二级结构大都呈“ 三叶草三叶草” 形状，在结形状，在结构上具有某些共同之处，构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、（环）臂、T T C C（环）（环）臂臂和和可变环。除了氨基酸接受可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。一个突环和一个臂。 tRNAtRNA的

49、三叶草型二级结构的三叶草型二级结构1 12 24 4反密码子环反密码子环 反密码子反密码子RNA中的碱基配对原则 3 3额外环额外环二氢尿嘧二氢尿嘧啶环（啶环（DHUDHU）次黄嘌呤次黄嘌呤不同的不同的tRNA具有不同的具有不同的额外环额外环，所，所以额外环是以额外环是tRNA分类的分类的重要指标重要指标假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环(1)(1)氨基酸接受区氨基酸接受区包含有包含有tRNAtRNA的的3-3-末端和末端和5-5-末端，末端， 3-3-末端的最后末端的最后3 3个核苷酸残基都个核苷酸残基都是是CCACCA，A A为腺苷酸。氨基酸可与其为腺苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中

50、起携带成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。氨基酸的作用。(2)(2)反密码区反密码区与氨基酸接受区相对，一般环中含与氨基酸接受区相对，一般环中含有有7 7个核苷酸残基，臂中含有个核苷酸残基，臂中含有5 5对碱对碱基。其中环中正中的基。其中环中正中的3 3个核苷酸残个核苷酸残基称为反密码子。基称为反密码子。 功能：反密码子可以与功能：反密码子可以与mRNAmRNA上的上的密码子相互识别密码子相互识别 （3)3)二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区 该区含有二氢尿嘧啶。环由该区含有二氢尿嘧啶。环由8-128-12个核苷酸个核苷酸组成，臂由组成，臂由3-43-4对碱基组成。对碱基组成。 功能：与氨基酰功

51、能：与氨基酰-tRNA-tRNA合成酶的结合有关合成酶的结合有关 (4) T(4) T C C区区 该区与二氢尿嘧啶区相对，该区与二氢尿嘧啶区相对， 假尿嘧啶核假尿嘧啶核苷苷胸腺嘧啶核糖核苷环胸腺嘧啶核糖核苷环( (T T C)C)由由7 7个核苷个核苷酸组成，通过由酸组成，通过由5 5对碱基组成的双螺旋区对碱基组成的双螺旋区( (T T C C臂臂) )与与tRNAtRNA的其余部分相连。除个别的其余部分相连。除个别例外，几乎所有例外，几乎所有tBNAtBNA在此环中都含有在此环中都含有T T C C 。功能：功能：与核糖体的结合有关与核糖体的结合有关 (5)(5)可变区可变区 位于反密码区

52、与位于反密码区与T T C C区之间，不同的区之间，不同的tRNAtRNA该区变化较大，一般有该区变化较大，一般有3-183-18个核苷酸组成。个核苷酸组成。功能：与核糖体的结合有关功能：与核糖体的结合有关 tRNA tRNA的三级结构的三级结构 呈倒“L”形，3CCA-末端位于L的短线一端，反密码环位于L的长线一端，DHU和TC环形成L的转角。 作用力 ：（）氢键和碱基的上下堆积，以及疏水性等使得倒“L”结构稳定存在。（）除了碱基对的氢键外，还有非寻常的氢键：不互补的碱基间GG、AA、AC等的氢键；核糖磷酸骨架与碱基骨架之间的氢键。（四）mRNA的结构信使RNA（messenger RNA，

53、mRNA）不均一核RNA（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）： 在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。mRNA的功能：是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。AAAA Anm7GpppAUG GUGUAA535 帽子结构帽子结构 密码子密码子 3 多聚多聚A尾尾 5 5 非编码区非编码区 编码区编码区 3 3 非编码区非编码区真核生物真核生物mRNA：v原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点通常只有一个通常只有一个“染色体染色体DNADNA分子分子”基因是连续的，没有内含子基因是连续的，

54、没有内含子功能相关的基因组成操纵子，具有共同的调节和控制序列功能相关的基因组成操纵子，具有共同的调节和控制序列调控序列占的比例小调控序列占的比例小大部分为结构基因，只出现一次或几次，少有重复序列大部分为结构基因，只出现一次或几次，少有重复序列v真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点基因一般分布在若干条染色体上。基因一般分布在若干条染色体上。断裂基因：内含子与外显子断裂基因：内含子与外显子功能相关的基因不组成操纵子功能相关的基因不组成操纵子调控序列所占的比例大调控序列所占的比例大有大量重复序列：轻度、中度、高度重复序列有大量重复序列：轻度、中度、高度重复序列 反向重复序列（回文序列）反向重复序

55、列（回文序列）* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 mRNA的成熟过程m mRNARNA结构的特点结构的特点z真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区别：1、5端帽子结构（cap sequence): m7

56、G5ppp5Nm- 5-末端的G的N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5,5-磷酸二酯键。 帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻译起始速度，同时可以增强mRNA的稳定性。 原核生物无此结构2、3末端多聚A的尾巴。 极大多数真核细胞mRNA在3-末端有一段长约20200个多聚腺苷酸的polyA。 polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。 原核生物无些结构polyA的功能：1、与mRNA从细胞核转移到细胞质有关；2、与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA， polyA链较长，而衰老的mRNA ，polyA链缩短。 3、真核生物mRNA是单顺反子的

57、，而原核生物的mRNA是多顺反子的。顺反子：是由顺反试验所规定的遗传单位相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸序列。多顺反子：是指携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA也就是说：原核生物mRNA可编码几条不同的多肽链。单顺反子：只编码一条多肽链。（五）（五）rRNA 的结构的结构 概述概述 rRNArRNA是细胞内含量最多的是细胞内含量最多的RNARNA，约占约占 RNA RNA 总量的总量的 8080以上。以上。 r R N Ar R N A 与 蛋 白 质 共 同 构 成与 蛋 白 质 共 同 构 成 核 糖 体核 糖 体（ribosomeribosome，是，是一种核酶一

58、种核酶），其中蛋白质），其中蛋白质约占约占4040，rRNArRNA约占约占6060。 功能功能 核糖体中催化肽键合成的是核糖体中催化肽键合成的是 rRNArRNA，蛋白质只是维持，蛋白质只是维持rRNArRNA构象，起辅助构象，起辅助作用作用。核糖体分大小两个亚基：核糖体分大小两个亚基： 原核生物核糖体中有原核生物核糖体中有3类类 rRNA（大大50S；小：；小：30S）：）： 5S rRNA， 16S rRNA，23S rRNA。 真核生物核糖体中有真核生物核糖体中有4类类 rRNA （大大60S；小：；小：40S） ： 5S rRNA，5.8S rRNA， 18S rRNA， 28S r

59、RNA。大肠杆菌E.Coli.16srRNA的结构 (六六)核内小分子核内小分子RNA（snRNA） 只存在于真核生物细胞中，只有100200个核苷酸。 能与一些特殊的蛋白质形成稳定的复合物（核内小分子核糖蛋白体snRNP），在真核生物基因转录产物（核内不均一RNA、hnRNA）加工为成熟mRNA中起重要作用。 一 、核酸的一般性质1.由于核酸、核苷酸中含有碱基和磷酸基，而呈两性电离，是两性电解质。磷酸基比碱基更易解离，故核酸表现为酸性。生理pH条件或近中性条件下核酸带负电荷，可在电场中向阳极泳动。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，均微溶于水，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极

60、高，而RNA溶液要小得多。第三节 核酸的理化性质4 4、核酸的水解、核酸的水解 （1）、碱水解：室温，稀碱下，RNA可水解为核苷酸；DNA不能水解。 （2）、酸水解：稀酸长时间或高温或强酸处理核酸，可促使核酸发生糖苷键、二酯键水解。 (3)、酶水解：核酸酶、核苷酸酶等，详细见“核酸代谢”。5、沉降特性沉降特性 由于溶液中的核酸在离心场中可下沉，因而可用超离心法纯化核酸，沉降速度有差异：RNA环形DNA线形DANPRO或将不同构象的核酸分离，也可测沉降系数和分子量。 RNA ：蔗糖梯度超离心 DNA ：氯化铯梯度超离心二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性v在核酸分子中，由于嘌呤碱在核酸分