第3章核酸的化学

1核酸的发现2一.核酸的概念和重要性二.核酸的组成成分三.DNA的结构四.DNA和基因组五.RNA的结构和功能六.核酸的性质七.核酸的研究方法第三章核酸的化学3一、核酸的概念和重要性1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入“核酸”这一名词。20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。1943年E.Chargaff的工作：嘌呤:嘧啶=1:1，由此推理出碱基配对的理论。(一)核酸的研究历史4一、核酸的概念和重要性－－研究历史肺炎双球菌转化实验5DNA温育有荚膜，致病一、核酸的概念和重要性－－研究历史无荚膜，不致病有荚膜，致病有荚膜，致病6一、核酸的概念和重要性－－研究历史噬菌体感染实验7肺炎双球菌转化实验和噬菌体感染实验证明遗传物质即为DNA。

一、核酸的概念和重要性－－研究历史1953年,Watson和Crick创立的DNA双螺旋结构模型，不仅阐明了DNA分子的结构特征，并提出了遗传信息的传递方式及高度保真性。

8核酸的概念和重要性－－研究历史9（二）核酸的重要性除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。生物多样性。RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。一、核酸的概念和重要性10脱氧核糖核酸（DNA）DeoxyribonucleicAcid核糖核酸（RNA）RibonucleicAcid（三）核酸的类别和分布一、核酸的概念和重要性11DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。DNA为双链分子。脱氧核糖核酸（DNA）一、核酸的概念和重要性－－类别和分布12核糖核酸（RNA）RNA主要负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。mRNA、tRNA和rRNA。一、核酸的概念和重要性－－类别和分布13RNA含量功能mRNA(信使RNA)messengerRNA5%将DNA的遗传信息传递到核糖核蛋白体tRNA(转移RNA)

TransferRNA10-15%翻译氨基酸信息，并将相应氨基酸转运到核糖核蛋白体rRNA(核糖体RNA)RibosomalRNA80%核糖核蛋白体的主要组分，与蛋白质生物合成相关一、核酸的概念和重要性－－类别和分布14真核生物原核生物DNA细胞核（95%）线粒体、叶绿体(5%)核质区(拟核)RNA细胞质（75%）线粒体、叶绿体(15%)细胞核（10%）细胞质一、核酸的概念和重要性－－类别和分布15（四）核酸的功能1、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNA是大多数生物体的遗传物质。2、RNA主要参与蛋白质的生物合成。3、RNA的功能多样性。主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNA是遗传信息的载体。4、核酸与分子病。一、核酸的概念和重要性16核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。二、核酸的组成成分核酸的化学组成17二、核酸的组成成分（一）戊糖18组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。二、核酸的组成成分－－戊糖19（二）含氮碱二、核酸的组成成分20

嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤

AdenineguanineA

G9NNNN12346587二、核酸的组成成分－－含氮碱21

嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶uracilcytosinethymineNN654321UCTH3C二、核酸的组成成分－－含氮碱22（三）核苷nucleoside糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。

二、核酸的组成成分23（四）核苷酸nucleotide1、核苷酸的结构和功能二、核酸的组成成分242526二、核酸的组成成分－－核苷酸27

二、核酸的组成成分－－核苷酸28各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使——cAMP二、核酸的组成成分－－核苷酸（2）核苷酸的功能292、核苷酸的性质嘌呤碱和嘧啶碱分子中均具共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）。二、核酸的组成成分30核酸核苷酸核苷戊糖碱基磷酸核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱二、核酸的组成成分31三、核酸的一级结构聚合酶5'3'32（一）核酸的一级结构各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序或序列。核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键相连。核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，碱基序列表示核酸的一级结构。具方向性：一端为5ˊ端，另一端为3ˊ端。用p表示磷酸基团，左侧表示与糖环的5ˊ-羟基结合，右侧表示与3ˊ-羟基结合。表示方法：pA、Ap、pC、Cp三、核酸的结构3334三、核酸的结构－－一级结构DNA一级结构表示方法：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′或5′PA-C-G-C-T-G-T-A3′或5′PACGCTGTA3′核酸酶的水解部位PAPCPGPCPTPGPTPAPAPCPGPCPTPGPTPA35（二）核酸的二级结构

1953年J.Watson和F.Crick三、DNA的结构36三、DNA的结构－－二级结构主要依据37三、DNA的结构－－二级结构主要依据38由两条DNA单链组成。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。三、DNA的结构－－二级结构39DNA双螺旋的结构要点DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链构成，并围绕同一中心轴缠绕形成一个右手的双螺旋。三、DNA的结构－－二级结构40DNA双螺旋的结构要点脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团骨架位于双螺旋的外侧，两条链上的碱基堆积在双螺旋的内部，G与C配对，A与T配对。G和C之间可以形成三个氢键，A和T之间形成二个氢键。三、DNA的结构－－二级结构41DNA双螺旋的结构要点成对的碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直。相邻碱基对的距离为0.34nm，沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm。三、DNA的结构－－二级结构42DNA双螺旋的结构要点由于碱基对不处于两条主链的中间，向一侧突出，DNA分子的表面形成大沟和小沟。大沟和小沟可以特异性地与蛋白质相互作用。三、DNA的结构－－二级结构43DNA双螺旋的结构要点大多数天然DNA属双链DNA，某些病毒的为单链DNA。双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制，使DNA分子比较刚硬。但有些化学键可在一定范围旋转，使DNA分子有一定柔韧性。三、DNA的结构－－二级结构44A-DNA、B-DNA和Z-DNA的主要结构特点三、DNA的结构－－二级结构几种不同类型的双螺旋45三、DNA的结构－－二级结构46大多数DNA以B-DNA的形式存在，但在螺旋的一定区域内会出现短序列的A-DNA。A-DNA中的碱基相对于螺旋轴大约倾斜20°，每一转含有11个碱基对，螺旋比B-DNA宽。Z-DNA是左手双螺旋结构，每一转含有12个碱基对；只有小沟没有大沟；生物体的基因组中很少出现Z-DNA。B-DNA和Z-DNA的转化与基因表达有关。三、DNA的结构－－二级结构47稳定DNA二级结构的作用力：

氢键（横向作用力）碱基堆积力（纵向作用力）三、DNA的结构－－二级结构48三、DNA的结构－－二级结构与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构:(1)回文序列（二重对称结构）

所谓回文序列就是指DNA某一片段旋转180。后,顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞DNA中已有发现.49三、DNA的结构－－二级结构核酸分子中的回文序列50回文序列中的单链可形成发卡结构三、DNA的结构－－二级结构51三、DNA的结构－－二级结构双链回文序列可形成十字架结构52三、DNA的结构－－二级结构（2）镜象结构（镜像重复）

所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。53三、DNA的结构－－二级结构

多嘌呤-多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关.54三、DNA的结构－－二级结构55三、DNA的结构－－二级结构四链DNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。56

在生物体内，绝大多数双链环形DNA可进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)DNA，还可被称为共价闭环DNA。体积进一步压缩。（三）DNA高级结构环状DNA的超螺旋结构三、DNA的结构－－高级结构575859DNA超螺旋结构的形成三、DNA的结构－－高级结构6061DNA的三级结构与蛋白质的结合有关。与DNA相结合的蛋白质有组蛋白、和非组蛋白。组蛋白相互聚合并与DNA结合,形成串珠状的结构,即高等动物染色质的基础结构，串珠状结构进一步卷曲折叠形成染色单体。真核生物染色体的结构三、DNA的结构－－高级结构6263三、DNA的结构－－高级结构64DNATranscriptionRNATranslationProtein基因(Gene)：是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。四、DNA与基因组基因组(Genome):某物种所含的全套遗传物质。65

（一）病毒和细菌基因组的特点1、共同点：基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子；基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短；具有操纵子结构。四、DNA与基因组662、病毒基因组的特点病毒基因组可以由DNA或RNA组成，但每种病毒只含有一种核酸；不少病毒以RNA为遗传物质，称为RNA病毒；可分为正链病毒、负链病毒、双链病毒、逆转录病毒；有重叠基因，即一段核酸序列可以编码多个肽链。四、DNA与基因组67

3、细菌基因组的特点基因组通常仅由一条环形或线形双链DNA分子构成，只有一个复制起点;编码蛋白质的结构基因为单拷贝的，但rRNA基因一般是多拷贝的;基因组中有多种调控区，和少量重复序列;基因组中存在与真核生物基因组类似的可移动的DNA序列（转座子）。

四、DNA与基因组68(二)真核生物基因组的特点基因组较大不存在操纵子结构存在大量的重复序列单一序列:绝大多数蛋白质基因只有1个或几个拷贝；低度重复序列：蛋白质的基因只有数个拷贝；中度重复序列:有数十到数十万拷贝的序列；高度重复序列:重复率达到106以上。四、DNA与基因组69有断裂基因mRNA1872bp内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7700bpF外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。transcription四、DNA与基因组70RNA的二级结构

单链RNA自行盘绕，A与U配对，G与C配对，形成局部双螺旋的多“臂”多“茎”结构，不能配对的碱基形成“单链突环”。RNA分子中40-70%的核苷酸参与多螺旋的形成，因此RNA分子可以形成多环多臂的二级结构。

五、RNA的结构与功能71tRNA五、RNA的结构与功能72D臂T臂反密码子臂受体臂五、RNA的结构与功能tRNA结合氨基酸的部位与mRNA密码子配对与核糖体结合73五、RNA的结构与功能反密码子臂受体臂74rRNA五、RNA的结构与功能原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA70S(30S,50S)16S,5S,23S80S(40S,60S)18S,5S,5.8S,28S75五、RNA的结构与功能－－高级结构rRNA7677五、RNA的结构与功能

mRNA和hnRNA

核内不均一RNA（hnRNA)是mRNA的前体，经过剪接和加工，转化为成熟的mRNA。78五、RNA的结构与功能

snRNA和snoRNA

核小RNA（snRNA)，主要存在于细胞核中，5’有帽子结构，分子内含U较多称U-RNA，均与蛋白质连在一起，以核糖核蛋白（RNP）的形式存在。U-RNP在hnRNA剪接和加工过程中有重要作用，其他的anRNA在控制细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输，构成染色质等方面有重要作用。

核仁小RNA（snoRNA），广泛分布于核仁区，主要参与rRNA前体的加工，指导完成部分snRNA及tRNA中某些核苷酸的甲基化修饰。79五、RNA的结构与功能

asRNA和RNAi

反义RNA（asRNA)，可通过互补序列与特定的DNA，或mRNA结合，抑制DNA的复制和转录，以及mRNA的翻译。

RNA干扰（RNAi），利用一段与asRNA核苷酸序列互补的RNA，与asRNA形成双链，去抑制特定基因表达的技术，广泛用于探索基因功能，开展基因治疗和新药开发，研究信号转导通路等领域。80五、RNA的结构与功能

ncRNA的多样性

非编码RNA（ncRNA)，根据功能分为：催化RNA（cRNA）：亦称核酶，具有催