生物化学 第二章 核酸课件

1、第二章核酸第一节 概述第二节 核酸的化学组成第三节 核酸的分子结构第四节 核酸的理化性质第五节 核酸的分离纯化和含量测定第一节 概述 核酸(nucleicacid)是生物体的基本组成物质，从高等动、植物到简单的病毒都含有核酸。它在生物的个体生长、发育、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。“种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953 Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代 建立DNA重组技术80年代以后 分子生物学、分子遗传学等学科突

2、飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）一、核酸的种类与分布核酸按组成成分戊糖的不同分为两大类:脱氧核糖核酸(DNA) 核糖核酸（RNA） DNA是大分子化合物，其分子量约106109，它主要分布在细胞核内，在线粒体和叶绿体中也有少量分布。RNA根据其生理功能和结构分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。核糖体RNA是细胞中含量最多的一类RNA，约占总RNA的75%80%，分子量约为106，它以核蛋白形式，存在于细胞质的核糖体中；转运RNA含量仅次于核糖体RNA，约占总RNA的10%15%，分子量约为0.251050.30105，它以游离状态分布在细胞质中

3、。信使RNA含量较少，占总RNA的5%，分子量为0.21062.0106，它在核中合成后转移到细胞质中。mRNA作为模板指导蛋白质的合成， 传递DNA的遗传信息； tRNA是转运工具，携带活化的氨基酸到 正确位置； rRNA是蛋白质合成的场所。 二、核酸的分子组成 核酸的基本结构单位是核苷酸。 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，所 以又称多 聚核苷酸。 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分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。（一）碱基 核酸中的碱基有两类，即嘌呤碱和嘧啶碱。它们均为含氮的杂环化合物，具有弱碱性，又称含氮碱。

4、1. 嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱有两种：腺嘌呤（adenine, A）和鸟嘌呤（guanine, G）。DNA和RNA分子中均含有这两种碱基。其结构如下 嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G) 2嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱主要有三种：胞嘧啶（cytosine, C）、 尿嘧啶（uracil，U）、 胸腺嘧啶（thymine, T）。 在DNA中含胞嘧啶和胸腺嘧啶，在RNA中含胞嘧啶和尿嘧啶。其结构如下（图2-3）： 嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)3、稀有碱基 核酸分子中

5、还有一些含量较少的其他碱基，称为稀有碱基。稀有碱基种类很多，大多数是碱基环上的某一位置原子被一些化学基团（如甲基、甲硫基、羟基等）修饰后的衍生物，也有修饰戊糖或戊糖和碱基连接方式的差异，它们可以看作是基本碱基的化学修饰产物，因此也称修饰碱基。如5-甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。结构式如下（图2-4）：RNA分子中DNA分子中（三）核苷 戊糖和碱基缩合成的糖苷称为核苷。 其连接方式是戊糖第1位碳原子（C1）上的羟基与嘌呤碱第9位氮原子（N9）或嘧啶碱第1位氮原子（N1）上的氢脱水形成N-C核苷键。例如腺嘌呤核苷（简称腺苷）及胞嘧啶脱氧核苷（简称脱氧胞苷）的结构式如下（图2-6）：腺苷(AR

6、) 脱氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷键 1,N1-糖苷键11N9N1OH核苷的分类： 核苷可以分成核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类。核苷的命名： 核苷中碱基部分与戊糖部分的原子各有一套编号，为表示区别，一般将戊糖部分的原子编号加上“”。 一些重要的核苷结构 “稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷（） 1,C5-糖苷键1C5尿苷（四） 核苷酸 核苷与磷酸结合生成的化合物称为核苷酸。即核苷酸是由核苷分子中戊糖环上的羟基与一分子磷酸上的氢通过脱水生成磷酯键形成的化合物。 核苷酸核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸由核糖核苷生成的磷酸酯称为核糖核苷酸，由脱氧核糖核苷生成的磷酸酯称为脱氧核糖核苷酸。下面是两种

7、核苷酸的结构式（图2-7）：腺嘌呤核苷酸磷酸戊糖碱基核苷 核糖核苷的戊糖环上的2、3、5位各有一个自由羟基，这些羟基均可与磷酸生成酯，可形成三种核苷酸。 脱氧核糖核苷只在脱氧核糖环上的3、5位有自由羟基，只能形成两种脱氧核苷酸。在生物体内的核苷酸多是5-核苷酸，它们是组成核酸的基本单位。组成RNA的核苷酸组成RNA的核苷酸主要有四种：腺嘌呤核苷酸(腺苷酸) AMP鸟嘌呤核苷酸(鸟苷酸) GMP胞嘧啶核苷酸(胞苷酸) CMP尿嘧啶核苷酸(尿苷酸) UMP组成DNA的核苷酸主要有四种：腺嘌呤脱氧核苷酸(脱氧腺苷酸) dAMP鸟嘌呤脱氧核苷酸(脱氧鸟苷酸) dGMP胞嘧啶脱氧核苷酸(脱氧胞苷酸) d

8、CMP尿嘧啶脱氧核苷酸(脱氧尿苷酸) dUMP组成DNA的核苷酸构成RNA的基本单位： 腺苷一磷酸（AMP）、鸟苷一磷酸（GMP）、胞苷一磷酸（CMP）、尿苷一磷酸（UMP）； 构成DNA的基本单位：脱氧腺苷一磷酸（dAMP）、脱氧鸟苷一磷酸（dGMP）、脱氧胞苷一磷酸（dCMP）、脱氧胸苷一磷酸（dTMP）。PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）组成核酸的核苷酸核苷酸中的碱基核苷酸中的

9、戊糖结构DNAdAMP、dGMP、dCMP、dTMPA、G、C、T脱氧核糖双链RNAAMP、GMP、CMP、UMPA、G、C、U核糖单链为主RNA 与 DNA 的主要差别（五）几种重要的单核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸： 核苷一磷酸还可以进一步磷酸化而生成核苷二磷酸和核苷三磷酸。例如，腺苷一磷酸（AMP）再结合一分子磷酸，可生成腺苷二磷酸（ADP）；腺苷二磷酸再结合一分子磷酸可生成腺苷三磷酸（ATP）。ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。 在ADP和ATP分子中，磷酸和磷酸之间以焦磷酸键相连。当焦磷酸键水解时，可释放出大量的能量供机体利用。这种由于水解而释放很高能量的焦磷酸键称为

10、高能磷酸键，简称高能键，用“”表示。ADP的高能键很少被利用，它主要是接受能量转化为ATP。ATP在细胞的能量代谢过程中起着非常重要的作用，但它不是储能物质，而是能量的携带和传递者。 生物体内其他的5-核苷一磷酸也可以进一步磷酸化形成核苷二磷酸和核苷三磷酸，即GDP、CDP、UDP和GTP、CTP、UTP。5-脱氧核苷一磷酸也可以进一步磷酸化，形成脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷酸，即dADP、dGDP、dCDP、dTDP和dATP、dGTP、dCTP、dTTP。 ATP、GTP、CTP、UTP是合成RNA的原料， dATP、 dGTP、dCTP、dTTP是合成DNA的原料。 此外，UTP还参与体

11、内糖原的合成，CTP参与磷脂的生物合成，GTP参与蛋白质的生物合成等。GTP和UTP的结构式如下（图2-9）： 2. 环化核苷酸 在动物、植物及微生物细胞中，还普遍存在一类环化核苷酸，主要是3,5-环腺苷酸（cAMP）和3,5-环鸟苷酸（cGMP）。其结构式如图所示（图2-11）。环化核苷酸不是核酸的组成成分，在细胞中含量很少，但有重要的生理功能。现已证明，二者均作为激素的第二信使，在细胞的代谢调节中有重要作用。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，如辅酶NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）等（

12、见维生素与辅酶一章）。NADP+NAD+第三节 核酸的分子结构一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构 DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序和连接方式。 由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成。 连接方式：3,5-磷酸二酯键。 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。1脱氧核苷酸之间的连接键 DNA链中一个脱氧核苷酸的3-羟基和下一个脱氧核苷酸的5-磷酸脱水以酯键相连。DNA中各脱氧核苷酸间的连接键是3,5-磷酸二酯键，也是稳定DNA一级结构的作用力。这种共价键一旦发生断裂，DNA的一级结构便遭到破坏。由相间排列的磷酸和戊糖构成了DNA分子的

13、主链；而代表其生物学特性的碱基则可看成是有次序连接在主链上的侧链基团。2多聚脱氧核苷酸链的方向性 DNA和RNA链都具有方向性。每条多脱氧核苷酸链都有一个3-末端和一个5-末端。在5端有游离磷酸基团（即该末端的脱氧核苷酸5位的磷酸基团不再与另一个脱氧核苷酸连接），在3端有游离羟基（即该末端的脱氧核苷酸3位的羟基不再与另一个脱氧核苷酸连接）。不管是书写还是读向一般都是从5端到3端。图2-12是DNA多核苷酸链的片段。5端3端CGA结构式3DNA一级结构的表示方法结构式，线条式，字母式 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53或是35； 5-磷酸端（常用5-P表示）

14、，3-羟基端（常用3-OH表示）； 戊糖用垂直竖线表示，五个C从上到下依次为15。 53 p p p pOH3ACTG1线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3字母式核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 核酸是具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链有两个末端，5-端： 戊糖5位带有游离磷酸基的一端3-端：戊糖3位带有游离羟基的一端（二） DNA的二级结构 DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。（获1962年度诺贝尔奖）。1DNA双螺旋结构提出的主要依据（1）X-射线

15、衍射数据 M.Wilkins和R.Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X-射线衍射图谱。这说明DNA可能有共同的分子模型。X-射线衍射数据说明DNA含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链，而且沿纤维长轴有0.34 nm和3.4 nm两个重要的周期性变化。（2） DNA的碱基组成特点 A、G、C、T Chargaff 定则各种生物的DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即G=C。因此，嘌呤碱的总数等于嘧啶碱的总数，即A+G=C+T。DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组成，如人、牛和大肠杆菌的DNA碱

16、基组成比例是不一样的。DNA的碱基组成没有组织器官特异性，即同一生物体的各种不同器官或组织DNA的碱基组成相似。比如牛的胸腺、脾和精子等器官的DNA的碱基组成十分相近而无明显差别。生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境等条件的影响。这就是说，每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物的遗传特性有关。2双螺旋结构模型的要点（1）DNA分子由两条平行的多核苷酸链围绕同一中心轴向右盘旋形成双螺旋结构。且两条链的走向相反，一条为53走向，另一条是35走向。 （2）由“磷酸-脱氧核糖”交替排列形成的两条主链作为骨架，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋内侧，并通过氢键形成碱基对。各碱基对平面

17、相互平行，且与中心轴垂直。螺旋的直径为2 nm。碱基对之间的距离为0.34 nm，螺旋一圈含10个碱基对，螺距为3.4 nm。（3）碱基配对具有一定的规律性，即A与T配对，G与C配对，这种配对规律称为碱基互补规律。形成碱基对时，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键（图2-15）。碱基对中的两个碱基称为互补碱基，通过互补碱基而结合的两条链彼此称为互补链。T-A碱基对C-G碱基对碱基配对及氢键形成（4）DNA分子的两条链绕中心轴旋转时，由于碱基对与糖环连接是在碱基对的同侧而不是相反两侧，碱基对的这种方向性使得其在双螺旋内部占据的空间是不对称的，因此在双螺旋表面形成两种凹槽，分别称为大沟（

18、major groove）和小沟(minor groove)，双螺旋结构中的凹槽（主要是大沟）对于DNA和蛋白质结合时的相互识别很重要，在沟内可以辨认碱基顺序。 Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型最主要的特点是碱基互补配对。碱基配对规律具有十分重要的生物学意义。它是DNA复制、RNA转录和反转录的分子基础，关系到生物遗传特性的传递与表达。 3双螺旋结构稳定的因素（1）碱基堆积力（base stacking force） 碱基堆积力是双螺旋中垂直方向的作用力。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强

19、大的疏水区，与介质中的水分子隔开。碱基堆积力是稳定DNA双螺旋结构的主要作用力。（2）氢键 氢键是双螺旋中水平方向的作用力。A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键，氢键虽然是弱键，但许许多多氢键总和的作用力是很大的。（3）离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间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。DNA的双螺旋结构的意义 该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物

20、学乃至整个生命科学飞速发展的基石。4双螺旋结构的其他类型 J.D.Watson和F.H.Crick所描述的DNA双螺旋结构称B-DNA。它是DNA在正常状态下的一种形式，是在相对湿度为92%时，析出的DNA-钠盐纤维所呈现的构象，也是生物体内天然DNA的主要构象。 A-DNA 和C-DNA A-DNA： 在相对湿度为75%的状态下，B-DNA可转变为A-DNA，A-DNA也是反平行双链形成的右手螺旋，螺旋直径为2.5 nm，其碱基平面倾斜20，每转一圈需11个碱基对，比B-DNA粗一些。 可能在复制和转录时B-DNA可能要转变为A-DNA。 C-DNA ： X -射线衍射分析表明，让天然DNA

21、的锂盐维持在相当低的湿度下（44%66%），会产生C-DNA，而且低的d(G+C)含量会促使B-DNA向C-DNA的转变。如缓慢地加水到C-DNA内，会发生CAB型的逆转化。C-DNA与B-DNA相似，它的核苷酸构象参数与B-DNA相比仅稍有变化，大沟稍浅，小沟稍深，因而属B-DNA家族。（2）Z-DNA 自然界双链DNA大多为右手螺旋，但也有左手螺旋。左手螺旋中磷酸和戊糖骨架呈Z字形（zigzag），因此命名为Z-DNA。具（CG）n结构的DNA溶液从低盐浓度到高盐浓度时，右手螺旋DNA会转变为Z-DNA。右手螺旋DNA与Z-DNA一般处于动态平衡。这些不同构象的DNA见图2-16 ，其结构

22、参数见表2-3。三种DNA双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型 粗短 适中 细长螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm碱基夹角 32.70 34.60 60.00每圈碱基数 11 10.4 12轴心与碱基对关系2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基倾角 190 10 90糖苷键构象 反式 反式 C、T反式，G顺式大沟 很窄很深 很宽较深 平坦小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深DNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNA（3）三链DNA 三链DNA可分为两大类，即三股螺旋结构

23、和 “三股发辫结构” 。 三链DNA可分为：分子间和分子内两组，分子内的三链DNA是由一条链通过自身回折形成的； 分子间的又分为两种： 由一条单链与发夹结构或环状单链所形成， 由一条单链与线状双链形成。 DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构 多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构（4）四链体DNA Sundpuist和Klug在模拟1种原生动物棘毛虫的端粒DNA时, 人工合成了1段DNA序列,发现在一定条件下模拟的富G单链DNA可形成四链体DNA结构。由此推测染色体端粒的单链之间也形成了四链体。 （三）DNA的三级结构 定义：在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用

24、，使DNA双螺旋进一步扭曲形成更加复杂的高级结构，即形成超螺旋结构，称为DNA的三级结构。DNA的三级结构包括线状DNA形成的扭结、超螺旋（supercoils）、多重螺旋、环状DNA形成的扭结、超螺旋和连环等多种类型，其中超螺旋是最常见的三级结构。DNA分子的正超螺旋和负超螺旋 当将线性过旋或欠旋的DNA连接成环状时，为了维持B型构象，DNA分子会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的张力。DNA超螺旋结构的形成正超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。使螺旋变紧。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，称为正超螺旋;负超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。使螺旋变松。欠旋形成额外右手螺旋，

25、称为负超螺旋。自然界存在的环状DNA几乎全是负超螺旋。通过电镜观察或实验证明，生物细胞内的DNA无论是环状还是线状分子均可形成不同程度的超螺旋，并以超螺旋状态存在于细胞内。如细菌质粒、某些病毒及线粒体的环状DNA分子，多扭曲成麻花状的超螺旋结构（图2-19）。 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。 在真核细胞中，线状的双螺旋DNA分子先与组蛋白结合，盘绕形成核小体。许多核小体由DNA链连在一起构成念珠状结构。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（图2-20）。据估算，人的DNA分子在染色质中反复折叠盘绕共压缩800010

26、000倍。 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。真核细胞核染色质中DNA双螺旋缠绕在组蛋白的八聚体上，形成核小体。许多核小体之间由DNA链相连，形成串珠状结构。在串珠状结构的基础上，再经过几个层次折叠，将DNA紧密压缩成高层次的结构染色体。核小体的组成DNA：约200bp(其中146bp 的核心DNA围绕组蛋白形成左手超螺旋, 54bpDNA用于连接) 组蛋白：H1 ，H2A，H2B，H3，H4核小体 核小体链（ 11nm，每个核小体200bp） 串珠状染色质细丝 染色质纤维 染色质单体组蛋白与DNA的结合DNA双螺旋核小体链染色质纤维染色质细丝染

27、色质单体DNA的功能DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。一个生物体的全部DNA序列称为基因组（genome）。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1103bp，大肠杆菌为5.7106bp，人为3.2109bp。二、RNA的分子结构生物细胞中的RNA包括转移RNA（tRNA）、信使RNA（mRN A）和核糖体RNA（rRNA）三类。它们的碱基组成、分子大小、生物学功能以及在细胞中的分布都有所不同，因此结构也比较复杂。 RNA 是无分支的线形多聚核糖核苷酸，分子较小

28、，多为单链结构，少数局部形成螺旋。四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸（AMP），鸟嘌呤核糖核苷酸（GMP），胞嘧啶核糖核苷酸（CMP）尿嘧啶核糖核苷酸（UMP）。 碱基组成 A、G、C、U ， 稀有碱基较多 。 碱基配对：AU，GC 戊糖：核糖。连接方式： 3,5-磷酸二酯键RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。 主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA。RNA与DNA的差异 DNA RNA糖 脱氧核糖 核糖碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基RNA的种类、分布、功能线粒体RNA、叶绿体RNA和少数RNA病毒RNA的一级结构： 各核苷酸之间的连接方式（3-

29、5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构。RNA的二级结构： RNA的多核苷酸链在某些部分弯曲折叠，形成局部双螺旋结构叫做RNA的二级结构。RNA的三级结构： 在二级结构的基础上 进一步扭曲折叠便形成更为复杂的三级结构。 组成 RNA 的核苷酸也是以 3,5-磷酸二酯键彼此连接起来的。但 RNA 分子比 DNA 分子小得多（含几十至几千个核苷酸），且不象 DNA 那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。天然 RNA 只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于 RNA 单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇，通过氢键结合形成反平行右手双螺旋结构，不能配对的区域形成突环，被排斥在双螺旋结构之

30、外。以氢键和碱基堆积力为稳定因素。双螺旋区约占 RNA 分子的 50%。 （一）tRNA的分子结构 1、tRNA的一级结构 tRNA约含70-100个核苷酸残基，是分子最小的，约占全部RNA的16%；但是含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。tRNA的生物功能是在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。细胞内tRNA的种类很多，估计有50多种。每一种氨基酸都有与其相对应的一种或几种tRNA。tRNA 的一级结构特点：（1）相对分子质量在2.5万左右，由7090个核苷酸组成，沉降系数在4S左右； （2）碱基组成中有较多的稀有

31、碱基； （3）3末端都为CPCPAOH，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端称为接受末端； （4）5末端大多为PG，也有的为PC。2、tRNA的二级结构 tRNA的二级结构大都呈三叶草型（如图2-23）。双螺旋区构成了叶柄，突环区好像是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构所占比例较高，tRNA的二级结构十分稳定。三叶草型结构由四环四臂组成。四环四臂四环：二氢尿嘧啶环、反密码环、 额外环 、 TC环 四臂：氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、 反密码子臂、 TC臂。 携带氨基酸辨认并结合氨基酰tRNA合成酶识别mRNA上的密码识别并结合核蛋白体氨基酸臂DHU臂反密码臂TC臂 氨基酸接受臂（amino acid a

32、rm）： 由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，3末端为一CCA，接受活化的氨基酸。二氢尿嘧啶环（简称D环）： 由812个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。通过由34对碱基组成的双螺旋区（二氢尿嘧啶臂，简称D臂）与tRNA分子的其余部分相连。反密码环： 由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（也称肌苷酸，缩写成I）常出现于反密码子中。反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分相连。 额外环（extra loop）： 由318个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标。TC环： 通过TC臂与tRNA的其余部分相

33、连。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有T。 3、tRNA的三级结构 tRNA三级结构的形状像一个倒写的字母L（如图2-24）。氨基酸接受臂和TC臂组成一个螺旋，D臂和反密码子臂组成另一个螺旋，这两个螺旋构成了象字母L的形状；TC环和D环构成L的拐角；L的一端是3端CCA，另一端是反密码子，两端之间相距约7 nm。tRNA的生物学功能与其三级结构有密切联系。（二）mRNA的分子结构 mRNA是以DNA为模板合成的，占细胞中RNA总量的2% 左右。 mRNA转录DNA的遗传信息,指导蛋白质的生物合成。每一种多肽都有一种特定的mRNA负责编码，决定着每一种蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序。所以细

34、胞内 mRNA 的种类是很多的，但每种mRNA的数量却很少；分子大小不一，由几百至几千个核苷酸组成。mRNA 分子呈单链状态。细胞在发育的不同时期有不同种类的mRNA。mRNA一般都不稳定，代谢活跃，更新迅速，半衰期短。大肠杆菌的某些mRNA的平均寿命仅有25分钟，真核生物中的mRNA的寿命较长，但一般也只有几个小时或几天。 mRNA一级结构的特点： mRNA在3-末端有一段长约200核苷酸的polyA。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的mRNA一般无polyA。 polyA可能有多方面功能,与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成

35、的mRNA,polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短 mRNA在5-端有7-甲基鸟苷三磷酸帽子结构（m7G5pppN ） mRNA 的 5-末端的鸟嘌呤 N7 被甲基化。鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成 5,5-磷酸二酯键。 5-帽子结构的功能是： 促进核糖体与 mRNA 结合，加速翻译的起始速度 增强 mRNA 的结构稳定，抗核酸外切酶水解，防止mRNA从头水解。通常mRNA分子自身回折产生许多双链结构。原核生物，例如M 噬菌体RNA外壳蛋白编码区，经计算有66.4的核苷酸以双链结构的形式存在。真核生物mRNA也具有丰富的二级结构，如鸭珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mR

36、NA分别有4560和5562的核苷酸残基处在碱基配对之中。（三） rRNA的分子结构 rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的82%。 rRNA单独存在时不具备生物活性， rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。许多rRNA的一级结构已经测定，二级结构都已阐明，目前对 rRNA 的三级结构还了解不多。对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。 在原核生物中，rRNA有三种：5S，16S，23S。在真核生物中，rRNA有四种：5S，5.8S，18S，28S。三、核酸与蛋白质的复合体核糖体、染色体、病毒（一） 核糖体 核糖体是由蛋白质和rRNA构成的复合体。蛋白质肽键的合成就是在

37、这种核糖体上进行的。所有生物的核糖体都由大小不同的两个亚基组成。 原核生物核糖体为70S，由50S和30S两个大小亚基组成。 30S小亚基含16S的rRNA和21种蛋白质，50S大亚基含23S和5S两种rRNA及34种蛋白质。 真核生物核糖体为80S，是由60S和40S两个大小亚基组成。 40S的小亚基含18S rRNA及33种蛋白质，60S大亚基则由28S、5.8S和5S 三种rRNA及近50种蛋白质组成（见表2-4）。（二）染色体 染色体（chromosome）主要是由核酸和蛋白质组成的核蛋白复合体，为遗传信息的载体。染色体中的核酸包括DNA和RNA，蛋白质包括组蛋白和非组蛋白，此外染色体

38、中还含有无机离子、少量碳水化合物和脂质等。 根据组成蛋白质的氨基酸特点分为组蛋白和非组蛋白两类 组蛋白（histones)是指染色体中的碱性蛋白质，其特点是富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例，又将组蛋白分为五种类型： H1：极富赖氨酸组蛋白； H2A和H2B：稍富赖氨酸组蛋白； H3和H4：为富精氨酸组蛋白。 组蛋白的相对分子质量范围为1020kDa，等电点(pI)在7.510.5之间，这些强极性氨基酸使蛋白质带上大量电荷，成为组蛋白与DNA结合及蛋白质之间相互作用的主要化学力之一。 在各物种中，H3和H4的序列极少有差异，这种生物进化上的高度保守性

39、暗示着其功能的重要性。其它三种组蛋白在不同种属之间存在着较大的差异。组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。 非组蛋白（non-histone protein, NHP)是指染色体中组蛋白以外的其它蛋白质，它是一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称。估计总数在300600之间，相对分子质量范围为7 kDa 80kDa，等电点为3.99.2。对于其中许多单个成分的结构和功能，目前还了解甚少。 染色体的基本结构单位是核小体。核小体由组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两个分子组成八聚体，再在其外面缠绕140bp200bp的DNA双螺旋，形成一个大小为5 nm11 nm的椭圆形核心。核小体与核小体之间

40、的DNA链长约60个碱基对，组蛋白H1和非组蛋白的酸性蛋白则附着在DNA分子上。核小体彼此相连成串珠状染色质细丝，染色质细丝螺旋化形成染色质纤维，后者进一步卷曲、折叠形成染色单体。这样，DNA的长度被压缩近万倍。染色体结构模式如图2-27。（三）病毒 病毒主要由核酸和蛋白质组成。核酸位于它的中心，称为核心或基因组，蛋白质包围在核心周围，形成衣壳。衣壳是病毒颗粒的主要支架结构和抗原成分，由许多在电镜下可辨别的形态学亚单位-衣壳粒所构成，有保护核酸等作用。核心和衣壳合称核心壳。 有些较复杂的病毒（一般为动物病毒，如流感病毒），其核心壳外还被一层含蛋白质或糖蛋白的类脂双层膜覆盖着，这层膜称为包膜。包

41、膜中的类脂来自宿主细胞膜。有的包膜上还长有刺突等附属物。包膜的有无及其性质与该病毒的宿主专一性和侵入等功能有关。 病毒的核酸可以是DNA或是RNA，但是在目前已知的病毒中未发现同时含DNA和RNA的。大多数病毒的核酸为双股DNA链或单股RNA链，但也有一些很简单的细菌病毒含单股DNA链，而呼肠弧病毒则含双股RNA链。大多数植物病毒含单股RNA，动物的病毒有些含单股或双股RNA，有些含单股或双股DNA。不同病毒的核酸分子大小有很大差异，它们所含的基因数目也有很大差异。图2-28 为含双链DNA的T2 噬菌体结构。病毒侵染寄主细胞，是靠病毒的衣壳蛋白质辨认寄主细胞外壁的特殊部位，然后将病毒的核酸释

42、放到寄主细胞中去，并破坏了寄主细胞的正常代谢过程，迫使寄主细胞进行病毒粒子的复制。以后，受侵染细胞死亡并随即溶解，新形成的病毒粒子则从其中释放出来。第四节 核酸的理化性质一、核酸的一般物理性质 1、 核酸都是白色固体物质，DNA分子是长而没分支的多核苷酸链，呈纤维状；RNA分子短，呈粉末状。 2、它们都微溶于水，形成有一定黏度的溶液。DNA溶液比RNA溶液黏度大。核酸不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般的有机溶剂，因此常用乙醇从溶液中沉淀核酸。3、DNA和RNA在细胞内常与蛋白质结合形成核蛋白，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同， DNA核蛋白难溶于0.14 molL-1的NaCl溶液，可溶于1-2 m

43、olL-1的NaCl溶液； RNA核蛋白易溶于0.14 molL-1的NaCl溶液，不溶于1-2 molL-1的NaCl溶液。 因此常选择不同浓度的盐溶液来分离两种核蛋白。 4、核酸在受到强大离心力作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸大小和密度有关。 RNA只有局部双螺旋，它的密度比双螺旋DNA大，环状DNA的密度比开环或线状DNA大，单链DNA的密度比双链DNA大，超螺旋DNA的密度比松弛态DNA大。 根据核酸的沉降特性，可以用超离心法分离纯化核酸，也可以测定核酸的沉降系数或相对分子质量。二、核酸的两性性质 核酸和核苷酸分子中既有酸性的磷酸基团，又有弱碱性的碱基，所以都是两性电解质。

44、因磷酸的酸性较强，通常表现为酸性。 核酸和蛋白质一样具有等电点，能进行电泳，利用这一性质可将相对分子质量大小不同的核酸分开。核酸的等电点较低，根据核酸在等电点时溶解度最小的性质，可通过调节溶液的pH值使核酸从溶液中沉淀下来。三、核酸的紫外吸收性质 核酸中的嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，能强烈吸收紫外光，因此核酸具有紫外吸收性质。其最大的吸收峰在260 nm处。DNA和RNA的紫外吸收光谱无明显差异。 核酸的紫外吸收值比其各核苷酸成分的吸收值之和少30%40%，这是由于核酸有规律的双螺旋结构中碱基紧密堆积在一起造成的。当核酸变性或降解时，其碱基暴露，紫外吸收值增高。因此根据核酸紫外吸收值的变化可判

45、断其变性或水解程度(图2-29)。图2-29 DNA紫外吸收光谱 1.天然DNA 2.变性DNA、3.核苷酸总吸光度值核酸的定量测定： 实验室中根据核酸的紫外吸收性质可定量测定少量的DNA或RNA。通常也可利用紫外分光光度计读出核酸样品在260 nm和280 nm的OD值，从OD260OD280的值即可判断样品的纯度。 纯DNA的OD260OD280应为1.8，纯RNA的应为2.0。样品中如含有杂蛋白及苯酚，OD260OD280的值即明显降低。不纯的样品不能用紫外吸收法作定量测定。对于纯的样品，只要读出260nm的OD值即可算出含量。通常按1 OD值相当于50gmL双螺旋DNA，或40gmL-

46、1单螺旋DNA（或RNA），或20gmL-1寡核苷酸计算。这个方法既快速又准确，而且不会浪费样品。 四、核酸的变性和复性（一）变性 1、定义： 在某些理化因素作用下，核酸分子中碱基对之间的氢键断裂，有规律的双螺旋结构变成单链的无规律的“线团”，空间结构被破坏，但一级结构不变，相对分子质量不变，这种变化过程称为核酸的变性。2、 DNA变性后的性质改变：增色效应：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象。 旋光性下降； 粘度降低； 生物学功能丧失或改变。3、引起DNA变性的因素： 高温， 强酸强碱， 有机溶剂（乙醇、丙酮、尿素等）。4、变性指标：熔解温度，用Tm表示。 DNA的变性发生

47、在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。 Tm值一般在70-85之间，不同来源的DNA其Tm值不同。DNA的Tm值大小与下列因素有关： （）DNA的均一性 首先是指DNA分子中碱基组成的均一性，如人工合成的只含有一种碱基对的多核苷酸片段，与天然DNA比较，其Tm值范围就较窄。因前者在变性时的氢链断裂几乎可“齐同”进行，故所要求的变性温度更趋于一致。 其次还包含有待测样品DNA的组成是否均一的意思，如样品中只含有一种病毒DNA，其Tm值范围较窄，若混杂有其它来源的DNA，则Tm值范围较宽。其原因显然也与DNA的碱基组成有关。（）(G+C)含量 (G+C)含量越高，Tm值越高，反之愈低。这是因为G-C碱基对之间有三个氢键，这也是含G-C碱基对多的DNA分子更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出G-C碱基对的含量。其经验公式为： G+C（）（Tm69.3）2.44（）介质中的离子强度 一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也