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2核酸的结构与功能第二章二、教学要求1．掌握核酸的化学组成；掌握DNA的一级结构、二级结构及其功能；掌握三种RNA的结构特点和功能。
2．熟悉核酸的变性、复性；核酸的理化性质。
3．了解DNA、tRNA的三级结构；核酸酶的概念（自学）。
重点：DNA的二级结构，三类RNA的结构特点及功能；DNA的变性、复性以及在分子生物学中的应用；DNA与RNA分子组成的异同。
难点：DNA二级结构要点，tRNA二级结构与功能关系考核要求：律，DNA一级结构的概念、二级结构及其要点；DNA的功能。
RNA的分类，mRNA结构、功能；退火的概一、核心内容：核酸的分子组成，DNA的碱基组成规念。
二、重点内容：tRNA、rRNA的结构特点和功能。
核酸的变性、复性概念；增色效应、解链温度；核酸杂交。
内容提纲：核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。
天然存在的核酸分为DNA和RNA两类。
根据RNA的生物学功能不同，生物细胞内主要存在三种RNA，即信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)。
核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。
第一节核酸的化学组成及其一级结构一，核酸的分类及分布一，核酸的分类及分布脱氧核糖核酸(deo某yribonucleicacid,DNA)存在于细胞核和线粒体携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。
核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)分布于细胞核、细胞质、线粒体是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。
某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。
二、核酸的组成元素组成C、H、O、N、P（9~10%）磷酸（P）核酸水解单核苷酸水解戊糖（R）核苷水解碱基（B）目录碱基(bae)是含氮的杂环化合物。
嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶(adenine,A)(guanine,G)(cytoine,C)(purine)嘧啶(pyrimidine)胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶(uracil,U)目录43N256N1苯环NH2NONH嘧啶OHNOHNOCH3ONNHH胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）（2，4-二氧嘧啶）（5-甲基尿嘧啶）（2-氧，4-氨基嘧啶）目录碱基的互变异构体OHNCNOHCNOC+H-+酮式+NHH2烯醇式NH2+NH2N+H+HN亚氨式HN氨式目录615N2N78咪唑基N43NHNH2NNNN嘌呤9OHNH2NNNN腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（G）（2-氨基,6-氧嘌呤）目录2、戊糖HOCH25′OOHHOCH2OOH4′3′OH1′2′OHOHH核糖(riboe)（构成RNA）脱氧核糖(deo某yriboe)（构成DNA）3、核苷（nucleoide核苷=碱基+核糖连接方式：糖苷键(glycoidicbond)核苷/脱氧核苷NH2NNN9NNNH2N糖苷键HOH2COHHHNNCH2OHOHHOHH2'1'HHOHH糖苷键H嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoide)/脱氧核苷(deo某yribonucleoide)。
第5节 核酸是遗传信息的携带者[学习目标] 1.说出核酸的种类及其在细胞中的分布。
2.简述核酸的结构和功能。
3.说明生物大分子以碳链为基本骨架。
一、核酸的种类、分布及其组成1．种类：一类是脱氧核糖核酸，简称DNA ；另一类是核糖核酸，简称RNA 。
2．分布：真核细胞的DNA 主要分布在细胞核中，线粒体、叶绿体内也含有少量的DNA 。
RNA 主要分布在细胞质中。
3．核酸是由核苷酸连接而成的长链 (1)核酸的基本组成单位——核苷酸 ①组成②种类⎩⎪⎨⎪⎧分类依据：五碳糖的不同类别：脱氧核苷酸和核糖核苷酸a ．脱氧核苷酸：构成DNA 的基本单位。
b ．核糖核苷酸：构成RNA 的基本单位。
(2)DNA 和RNA 的区别 ①分子组成的不同a ．DNA 的五碳糖是脱氧核糖，而RNA 特有的则是核糖。
b ．DNA 特有的碱基是胸腺嘧啶(T)，而RNA 特有的则是尿嘧啶(U)。
②分子结构的不同DNA 是由脱氧核苷酸连接而成的，一般由两条链构成，RNA 则是由核糖核苷酸连接而成的，由一条链构成。
(3)通过DNA 指纹获得遗传信息的根本原因生物的遗传信息储存在DNA 分子中，而且每个个体的DNA 的脱氧核苷酸序列各有特点(特异性)。
(4)核酸的多样性及功能①多样性的原因：核苷酸数目不同和排列顺序多样。
②功能a．核酸是细胞内携带遗传信息的物质。
b．核酸在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。
判断正误(1)真核细胞的RNA只分布在细胞质中()(2)真、原核细胞内均有两种核酸()(3)核酸分子中，五碳糖∶磷酸∶含氮碱基＝1∶1∶1()(4)构成DNA的脱氧核苷酸有4种，构成RNA的核糖核苷酸有4种()(5)DNA中遗传信息的多样性主要取决于脱氧核苷酸的种类()答案(1)×(2)√(3)√(4)√(5)×解析(1)真核细胞的细胞核中也含有RNA。
(5)DNA中遗传信息的多样性主要取决于脱氧核苷酸的数量和排列顺序。
核酸的结构和功能核酸是生命体内十分重要的一种生物大分子，它不仅可以储存遗传信息，还可以传递遗传信息和控制遗传信息的表达。
核酸的结构和功能一直是生物学研究中备受关注的重要领域，本文将从核酸的结构和功能两个方面进行探讨。
一、核酸的结构核酸是由核苷酸单元组成的，每个核苷酸单元由一个糖分子、一个碱基和一个磷酸基团组成。
糖分子是五碳糖，对于RNA来说，是核糖，对于DNA来说，是脱氧核糖。
碱基有四种类型，分别为腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，它们可以自由地组合在一起，形成不同的核苷酸单元。
核苷酸单元通过磷酸基团的连接形成了核酸链。
RNA是单链结构，而DNA是双链结构，其中一条链具有正向朝向，另一条链具有反向朝向。
DNA两条链通过氢键相互串联在一起，即A碱基配对T碱基，C碱基配对G碱基，这种配对方式保证了DNA两条链互补性，且不同的DNA序列具有不同的特异性。
RNA在一些特殊情况下可以形成双链结构，例如siRNA和微小RNA可以通过与靶序列的互补配对来抑制基因表达。
二、核酸的功能核酸的功能主要包括储存遗传信息、传递遗传信息和控制遗传信息的表达。
1. 储存遗传信息DNA作为遗传物质的载体，在细胞分裂和繁殖的过程中，能够确保一定程度的遗传稳定性和连续性。
它能够储存所有生物的遗传信息，并且在细胞复制过程中保持遗传信息的准确复制。
当细胞分裂时，DNA能够在细胞的两个子细胞之间进行遗传信息的传递，从而保证遗传信息的传承。
2. 传递遗传信息RNA作为DNA的转录产物，能够通过核糖体进行翻译，合成蛋白质。
RNA分为mRNA、tRNA和rRNA三类，其中mRNA是将DNA上的遗传信息转录并运送到核糖体的，tRNA是将氨基酸运送到核糖体，rRNA是核糖体的主要构成部分之一。
RNA通过转录和翻译过程，将DNA上的遗传信息传递到蛋白质上，控制蛋白质的合成和功能性质。
3. 控制遗传信息的表达DNA序列中含有许多启动子和基因调控元件，它们能够通过结合转录因子调节基因的表达。
核酸化学知识点总结一、核酸的化学结构1. 核酸的基本结构核酸是由核苷酸组成的，核苷酸又由碱基、糖和磷酸组成。
碱基分为嘌呤和嘧啶两类，嘌呤包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧啶包括胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）或尿嘧啶（U）。
糖分为核糖和脱氧核糖，其中RNA中的糖为核糖，DNA中的糖为脱氧核糖。
核苷酸是由碱基和糖组成的核苷，再与磷酸结合形成核苷酸。
2. 核酸的二级结构核酸的二级结构是指单条核酸链上碱基序列所具有的空间结构。
DNA分子具有双螺旋结构，由两条互补的DNA链通过氢键相互缠绕形成。
RNA分子没有固定的二级结构，但在一些情况下也可以形成双链结构。
3. 核酸的三级结构核酸的三级结构是指单条核酸链在立体空间上所呈现的结构。
DNA分子呈现出右旋的螺旋结构，RNA分子则可以形成各种复杂的结构。
4. 核酸的四级结构核酸的四级结构是指多条核酸链相互作用所形成的更为复杂的结构。
在一些特定情况下，核酸分子可以形成四级结构，并参与到一些生物学过程中。
二、核酸的功能1. 遗传信息的储存与传递核酸是生物体内遗传信息的携带者，DNA分子储存着生物体的遗传信息，RNA分子则在转录和翻译过程中参与到遗传信息的传递和表达中。
2. 蛋白质合成核酸通过转录和翻译的过程，参与到蛋白质的合成过程中。
DNA分子在转录过程中产生mRNA，mRNA再通过翻译过程将基因信息翻译成蛋白质。
3. 调节基因表达在一些生物学过程中，核酸可以通过转录调控、剪接调控和甲基化调控等方式来参与到基因的表达调节中。
4. 氧化磷酸化核酸分子参与到细胞内氧化磷酸化过程中，通过释放出磷酸来提供细胞内化学能量，并维持细胞内正常生理活动。
三、核酸的合成1. DNA的合成（DNA合成）DNA的合成是DNA聚合酶在DNA模板的引导下，将合适的脱氧核苷酸三磷酸酶与新合成的核甙核苷酸通过磷酸二酯键连接，使DNA链不断延长的过程。
DNA合成是细胞分裂前的准备工作，也是基因工程和分子生物学研究中的重要技术手段。
核酸结构与功能的相互作用关系核酸是生命中不可或缺的分子，包括DNA和RNA，它们构成了遗传信息的基础，控制着细胞生长和分裂等基本生命过程。
核酸的结构和功能密不可分，它们之间的相互作用关系对整个生命体系的稳定和正常运转具有至关重要的作用。
一、核酸的结构DNA和RNA的结构非常相似，都是由核苷酸单元组成的线性聚合物。
核苷酸是由磷酸基团、五碳糖和氮碱基组成的。
DNA中的五碳糖是脱氧核糖，RNA中的五碳糖是核糖，它们分别与磷酸基团和氮碱基形成磷酸二酯键和N-糖苷键，将核苷酸单元连接成链状结构。
在DNA中，氮碱基由A、C、G和T四种组成，它们之间可以通过氢键相互配对，形成螺旋结构。
这样的配对方式使得DNA具有较高的稳定性和可复制性，因为新合成的链可以通过氢键与模板链上的氮碱基配对而复制成一份完整的DNA分子。
在RNA中，A、C、G和U四种氮碱基分别代表腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶，它们之间也可以通过氢键配对，但RNA的结构相对DNA更加复杂，主要是由于RNA链的长度较短，容易形成自身配对和簇状结构。
RNA还可以通过结合蛋白质形成核糖核酸复合物，参与到基因表达的调控过程中。
二、核酸的功能核酸的主要功能是传递和存储遗传信息，由此控制细胞的生长和分裂等基本生命过程。
DNA是生命中最重要的分子之一，它负责遗传信息的长期储存和复制，同时参与到调控基因表达和细胞分化等过程中。
RNA则主要负责基因的转录和翻译，将DNA中的信息转化为蛋白质，参与到细胞代谢和信号转导等过程中。
除了传递和存储遗传信息，核酸还可以参与到其他生物学过程中。
例如，RNA可以发挥催化作用，促进特定反应的发生。
这种能力被称为核酸酶活性，是RNA分子特有的性质。
此外，核酸还能够通过序列特异性结合蛋白质，调控基因表达和其他互动过程。
三、核酸结构与功能的相互作用核酸的结构和功能是密不可分的，它们之间的相互作用关系十分复杂。
细胞内的核酸分子必须保持稳定的结构和动态的功能，以便参与到生命过程中。
第二章 核酸结构与功能学 习 目 标◆比较两类核酸的分子组成和基本单位㊂◆说出体内几种重要的游离核苷酸的组成和功能㊂◆叙述DNA 双螺旋结构特点㊂◆简述DNA ㊁mRNA ㊁tRNA 的结构特点㊂◆解释核酸的变性㊁复性㊁Tm 值和分子杂交的概念㊂1868年,瑞士的外科医生Friedrich Miescher 从包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物,此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleic acid)㊂核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子,天然存在的核酸可以分成脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类㊂DNA 存在于细胞核和线粒体内,携带遗传信息,决定着细胞和个体遗传型;RNA 存在于细胞质㊁细胞核和线粒体内,参与遗传信息的复制与表达㊂第一节 核酸的分子组成一㊁核酸的元素组成核酸由C㊁H㊁O㊁N 和P 元素组成,其中P 元素在各种核酸中含量比较恒定,平均为9%~10%㊂因此,可以通过测定生物样品中核酸的P 元素含量,进一步推算出生物样品中核酸含量㊂二㊁核酸的基本成分核酸在核酸酶作用下水解为单核苷酸㊂核苷酸完全水解产物为含氮碱基㊁戊糖和磷酸㊂所以说,组成核酸的基本单位是单核苷酸,组成核酸的最基本化学成分是碱基㊁戊糖和磷酸(图2-1)㊂图2-1 核酸的组成(一)磷酸核酸分子中含有磷酸,所以成酸性㊂(二)戊糖核酸中的戊糖有两类:D-核糖(D-ribose)和D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)㊂核酸的分类就是根据所含戊糖种类不同而分为RNA 和DNA㊂戊糖中的碳原子编号加撇(如C-1′),以区别与碱基中的碳原子编号,其结构式见图2-2㊂图2-2 核糖的结构(三)碱基核酸中碱基是含氮杂环化合物,分两类,嘧啶碱和嘌呤碱㊂1.嘧啶碱 嘧啶碱是嘧啶衍生物,核酸中常见的嘧啶有三类:胞嘧啶(C)㊁尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T),如图2-3所示㊂其中胞嘧啶为DNA 和RNA 两类核酸所共有㊂胸腺嘧啶只存在于DNA 中,但是tRNA 中也有少量存在;尿嘧啶只存在于RNA 中㊂2.嘌呤碱 嘌呤碱是嘌呤衍生而来的,核酸中常见的嘌呤碱有两类:腺嘌呤(A)及鸟嘌呤(G)㊂RNA 中的碱基有四种:腺嘌呤(A)㊁鸟嘌呤(G)㊁胞嘧啶(C)㊁尿嘧啶(U)㊂DNA 中的碱基有四种:腺嘌呤(A)㊁鸟嘌呤(G)㊁胞嘧啶(C)㊁胸腺嘧啶(T)㊂其结构式如下(图2-3):㊃42㊃ 生物化学基础图2-3 参与组成核酸的主要碱基 3.稀有碱基 核酸中除了这5种基本的碱基外,还有一些含量甚少的碱基,称为稀有碱基㊂稀有碱基种类极多,大多数都是甲基化碱基,tRNA 中含有较多的稀有碱基可高达10%(表2-1)㊂表2-1 核酸中的一些稀有碱基DNA RNA尿嘧啶(U)5,6-二氢尿嘧啶(DHU)5-羟甲基尿嘧啶(hm5U)5-甲基尿嘧啶,即胸腺嘧啶(T)5-甲基胞嘧啶(m5C)3-硫尿嘧啶(s3U)5-羟甲基胞嘧啶(hm5C)5-甲氧基尿嘧啶(mo5U)N 6-甲基腺嘌呤(m6A)N 3-乙酰基胞嘧啶(ac4C)2-硫胞嘧啶(s2C)1-甲基腺嘌呤(m1A)N 6,N 6-二甲基腺嘌呤(m6,6A)N 6-异戊烯基腺嘌呤(i A)1-甲基鸟嘌呤(m1G)N 1,N 2,N 7-三甲基鸟嘌呤(m1,2,7G)现将两类核酸的基本化学组成列于表2-2中㊂㊃52㊃第二章 核酸结构与功能 表2-2 DNA 和RNA 分子组成的区别组成成分DNARNA碱基嘌呤碱腺嘌呤(A)㊁鸟嘌呤(G)腺嘌呤(A)㊁鸟嘌呤(G)嘧啶碱胞嘧啶(C)㊁胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)㊁尿嘧啶(U)戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖三㊁组成核酸的基本单位 核苷酸1.核苷 核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连接所形成的化合物㊂戊糖的第一位碳原子(C 1′)与嘧啶的第一位氮原子(N 1)或与嘌呤碱的第九位氮原子(N 9)相连接㊂根据核苷中所含戊糖的不同,将核苷分成两大类:核糖核苷和脱氧核糖核苷,如图2-4所示㊂图2-4 核苷的结构核苷的命名是在核苷的前面加上碱基的名字,如腺嘌呤核苷(简称腺苷)㊁胞嘧啶脱氧核苷(简称脱氧胞苷)等㊂各种常见核苷命名见表2-3㊂表2-3 各种常见核苷碱基核糖核苷脱氧核糖核苷A 腺嘌呤核苷(AR)腺嘌呤脱氧核苷(dAR)G 鸟嘌呤核苷(GR)鸟嘌呤脱氧核苷(dGR)C胞嘧啶核苷(CR)胞嘧啶脱氧核苷(dCR)U 尿嘧啶核苷(UR)-T -胸腺嘧啶脱氧核苷(dTR)2.核苷酸 核苷(脱氧核苷)中戊糖的自由羟基与磷酸通过酯键相连接构成核苷酸(脱氧核苷酸)㊂生物体内游离存在的核苷酸多是5′-核苷酸,即核苷酸的磷酸多是连接在核糖或脱氧核糖的C-5′上㊂RNA 的基本单位是核糖核苷酸;DNA 的基本单位是脱氧核糖核苷酸㊂组成DNA 和RNA 的碱基㊁核苷与相应核苷酸总结于表2-4㊂㊃62㊃ 生物化学基础表2-4 组成核酸的碱基、核苷与相应核苷酸碱基核苷5′-核苷一磷酸NMP RNA腺嘌呤(A)腺嘌呤核苷(AR)腺嘌呤核苷一磷酸(AMP)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤核苷(GR)鸟嘌呤核苷一磷酸(GMP)胞嘧啶(C)胞嘧啶核苷(CR)胞嘧啶核苷一磷酸(CMP)尿嘧啶(U)尿嘧啶核苷(UR)尿嘧啶核苷一磷酸(UMP)DNA腺嘌呤(A)腺嘌呤脱氧核苷(dAR)腺嘌呤脱氧核苷一磷酸(dAMP)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤脱氧核苷(dGR)鸟嘌呤脱氧核苷一磷酸(dGMP)胞嘧啶(C)胞嘧啶脱氧核苷(dCR)胞嘧啶脱氧核苷一磷酸(dCMP)胸腺嘧啶(T)胸腺嘧啶脱氧核苷(dTR)胸腺嘧啶脱氧核苷一磷酸(dTMP)现择几种核苷酸的结构式,如图2-5所示㊂图2-5 几种核苷酸的结构式㊃72㊃第二章 核酸结构与功能 四、几种重要的游离核苷酸体内游离存在的核苷酸,除构成核酸外,还可以参与其他物质或形成一定结构,具有许多重要生理功能㊂核苷酸的5′-磷酸基可再磷酸化,含有1个磷酸基团的称为核苷一磷酸(NMP或dNMP);有2个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸(NDP或dNDP);有3个磷酸基团的称为核苷三磷酸(NTP或dNTP)㊂常见的多磷酸核苷见表2-5㊂表2-5 常见的多磷酸核苷碱基核糖核苷酸NMP NDP NTP脱氧核糖核苷酸dNMP dNDP dNTPA AMP ADP ATP dAMP dADP dATP G GMP GDP GTP dGMP dGDP dGTP C CMP CDP CTP dCMP dCDP dCTP U UMP UDP UTP---T---dTMP dTDP dTTP核苷二磷酸和核苷三磷酸分子中含高能磷酸键,水解时可释放能量,是机体生命活动的重要能源,在代谢中GTP,UTP,CTP均可提供能量,可激活许多化合物生成代谢上活泼的物质㊂如UDP-葡萄糖(UDPG),CDP-二酯酰甘油,S-腺苷蛋氨酸等㊂ATP是体内最重要的三磷酸核苷,ATP中高能磷酸键水解释放能量是机体生命活动可直接利用的能源㊂ATP的分子结构如图2-6所示㊂体内某些核苷酸及其衍生物是重要调节因子,如3′,5′-环化腺苷酸(cAMP)与3′,5′-环化鸟苷酸(cGMP)在细胞内信号转导过程中作为激素第二信使,发挥信息分子作用(图2-7)㊂体内还有一些核苷酸参与物质代谢和能量代谢,例如腺苷酸是NAD+,NADP+,FAD,辅酶A等的组成成分㊂㊃82㊃ 生物化学基础图2-6 ATP的分子结构图2-7 cAMP 与cGMP第二节 核酸的分子结构核酸是一类生物大分子,DNA 和RNA 在分子的空间结构上有很大区别,现分别加以㊃92㊃第二章 核酸结构与功能 介绍㊂一、核酸的基本结构 1.核苷酸之间的连接 构成核酸大分子的基本单位是核苷酸㊂核苷酸之间通过3′,5′-磷酸二酯键相连接,它是每个核苷酸戊糖上的3′-羟基与相邻核苷酸的5′-磷酸缩合而成㊂多个核苷酸相连成多核苷酸链,多核苷酸链有两个端点,戊糖5′位带有游离磷酸基的称为5′末端,戊糖3′位带有游离羟基的一端称为3′末端,如图2-8所示㊂2.核酸的一级结构 各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序称为核酸的一级结构㊂一级结构是核酸的基本结构㊂核苷酸的种类虽不多,但可因核苷酸的数目㊁比例和序列的不同构成多种结构不同的核酸㊂核酸一级结构以3′,5′-磷酸二酯键连接,由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子主链,侧链碱基的有序排列体现了它的生物学特性㊂DNA 一级结构由四种脱氧核糖核苷酸(dNMP)按一定顺序连接形成;RNA 一级结构由四种核糖核苷酸(NMP)按一定顺序连接形成,一级结构是形成二级结构和三级结构的基础㊂核酸的一级结构常用简写式表示,读向是从左到右,表示的碱基序列是从5′到3′,即表示核苷酸链从5′末端磷酸基到3′末端羟基㊂如5′pApCpGpC 3′,可进一步省略为5′-ACGC-3′㊂图2-8 核苷酸之间的连接的基本结构㊃03㊃ 生物化学基础二、核酸的空间结构(一)DNA 的空间结构与功能1.DNA 的碱基组成特点 在20世纪50年代初,经Chargaff 等人的分析研究表明,DNA 的碱基组成有下列一些特点:(1)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 =C㊂因此,嘌呤碱的总数等于嘧啶碱的总数,即A+G =C+T㊂(2)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㊁牛和大肠杆菌的DNA 碱基组成比例是不一样的㊂(3)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㊂比如牛的肝㊁胰㊁脾㊁肾和胸腺等器官的DNA 的碱基组成十分相近而无明显差别㊂(4)生物体内的碱基组成一般不受年龄㊁生长状况㊁营养状况和环境等条件的影响㊂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㊂2.DNA 的二级结构 双螺旋结构模型 DNA 双螺旋结构模型是1953年由美国的Watson 和英国的Crick 两位科学家共同提出㊂X 射线衍射数据说明DNA 含有两条具有螺旋结构的多核苷酸链㊂其要点如下:(1)DNA 分子是两条反向平行的互补双链结构,一条链是5′→3′,另一条链是3′→5′㊂两条反向平行的多核苷酸链以右手螺旋方式围绕同一中心轴盘曲而形成双螺旋结构㊂(2)两条链的主链由戊糖 磷酸相间排列组成,在螺旋外侧;碱基在螺旋内侧㊂碱基中A 与T 配对形成两个氢键,C 与G 配对形成三个氢键㊂成对碱基大致处于同一平面,该平面与螺旋轴基本垂直,见图2-9㊂图2-9 双螺旋结构截面图(一)㊃13㊃第二章 核酸结构与功能 图2-9 双螺旋结构截面图(二) (3)DNA 双链所形成的螺旋直径为2nm;螺旋每旋转一周包含了10对碱基,每个碱基的旋转角度为36°;螺距为3.4nm,每个碱基平面之间的距离为0.34nm㊂从外观上,DNA 螺旋分子表面存在一个大沟和一个小沟,目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA 间的识别有关㊂(4)维系DNA 双螺旋结构稳定是氢键和疏水力,DNA 双链结构的稳定横向依靠两条链互补碱基间的氢键维系,纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持,相对来说,碱基堆积力对于双螺旋的稳定性更为重要㊂碱基对平面㊁DNA 双螺旋结构如图2-10所示㊂图2-10 碱基对平面与DNA 双螺旋结构㊃23㊃ 生物化学基础Watson和Crick提出的DNA模型是在相对湿度92%的条件下,从生理盐水溶液中提取的DNA纤维的构象,称B型构象㊂天然DNA的结构易受溶液的离子强度和相对湿度影响,DNA螺旋结构沟的深浅㊁螺距㊁旋转都会发生改变㊂当相对湿度是72%时为A型构象,两者的一些结构参数有很大差别㊂1979年Alexander Rich等人在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时,意外发现这种合成的DNA是左手螺旋㊂后来证明这种结构天然也有存在,人们称为Z-DNA㊂在生物体内,不同构象的DNA在功能上可能有所差别,与基因表达的调节和控制相适应㊂DNA双螺旋结构的发现是生物学发展的重要里程碑,是20世纪最伟大的科学成就㊂【知识链接】DNA双螺旋结构的发现对DNA双螺旋结构发现作出重大贡献的科学家有英国剑桥大学的克里克和沃森,英国皇家科学院的富兰克林(Franklin)和威尔金斯(Wilkins)㊂其中富兰克林的工作为DNA 双螺旋结构模型的提出奠定了基础㊂富兰克林不仅首先拍摄了一张可清楚显示出双螺旋结构的晶体X光衍射图,还指出了克里克和沃森早期提出的DNA结构是一个三螺旋结构模型的错误㊂后来克里克和沃森看到了这张X射线衍射图,在1953年提出了DNA双螺旋结构模型,并通过此结构解释了遗传的分子机制和基因自发突变的可能性㊂克里克和沃森因最先提出DNA双螺旋结构获得了1962年的生物和医学诺贝尔奖㊂DNA双螺旋结构的发现是生物学发展重要里程碑,正因为有了DNA双螺旋结构的发现,才会有今天的遗传工程和众多基因工程药物,如人重组胰岛素㊁白细胞介素㊁干扰素㊁人重组乙型肝炎疫苗等㊂3.DNA的超级结构 生物界的DNA是十分巨大的高分子,DNA的长度要求其必须形成紧密折叠扭转的方式才能够存在于很小的细胞核内,而且生物进化程度越高,其DNA的分子越大,所以细胞内的DNA在双螺旋式结构基础上,进一步折叠为超级结构㊂DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构㊂盘绕方向与DNA双螺旋方向相同为正超螺旋;盘绕方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋㊂自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在,如图2-11所示㊂在原核生物中,线粒体和叶绿体中的DNA是共价闭合的环状双螺旋,这种环状双螺旋结构还需再螺旋化形成超螺旋㊂图2-11 DNA超螺旋结构 真核生物染色体DNA是线性双螺旋结构,染色质的基本组成单位被称为核小体,由DNA和五种组蛋白共同构成㊂核小体中组蛋白分别称为H1㊁H2A㊁H2B㊁H3和H4㊂H2A㊁H2B㊁H3和H4各两分子构成八聚体的核心组蛋白,DNA双螺旋链缠绕在这一核心上形成核小体的核心颗粒㊂核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样结构,许多核小体形成的串珠样线性结构再进一步盘曲成直径为30nm的纤维结构,后者再经几次卷曲,形成染色体结构㊂核小体,染色质及染色体如图2-12所示㊂图2-12 染色体的结构4.DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息,并作为基因复制和转录的模板,它是生命遗传的物质基础,也是个体生命活动的信息基础㊂基因是指DNA分子中的特定区段,其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能㊂DNA 利用四种碱基的不同排列,可以对生物体所有遗传信息进行编码,经过复制遗传给子代,并通过转录和翻译保证维持生命活动的各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成㊂DNA的结构特点是具有高度的复杂性和稳定性,可以满足遗传多样性和稳定性的需要㊂(二)RNA的结构与功能RNA在生命活动中同样具有重要作用,RNA分子比DNA分子小得多,RNA通常以单链形式存在,但也有复杂的局部二级结构或三级结构,以完成一些特殊功能㊂RNA可分为多种类型,除信使RNA(mRNA)㊁核糖体RNA(rRNA)㊁转运RNA(tRNA)外,还有真核结构基因转录产生的mRNA前体分子,核内不均一RNA(hnRNA)㊁核内小RNA(snRNA)㊁反义RNA(asRNA)等㊂不同种类的RNA结构和功能各不相同㊂1.信使RNA DNA主要存在于细胞核内,而蛋白质的合成是在细胞质进行的㊂DNA 的遗传信息是通过特殊的RNA转移到细胞质,并在那里作为蛋白质合成的模板,决定其合成的蛋白质中氨基酸顺序㊂传递DNA遗传信息的RNA称为信使RNA㊂真核生物的mRNA结构特点是含有特殊5′-末端的帽子和3′-末端的多聚A尾结构㊂原核生物mRNA未发现类似结构㊂(1)mRNA的3′-末端有一段含30~200个核苷酸残基组成的多聚腺苷酸(polyA)㊂此段polyA不是直接从DNA转录而来,而是转录后逐个添加上去的㊂有人把polyA称为mRNA的 靴”㊂原核生物一般无polyA的结构㊂此结构与mRNA由胞核转运到胞质及维持mRNA的结构稳定有关,它的长度决定mRNA的半衰期㊂(2)mRNA的5′-末端有一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸的 帽”式结构㊂此结构在蛋白质的生物合成过程中可促进核蛋白体与mRNA的结合,加速翻译起始速度,并增强mRNA的稳定性,防止mRNA从头水解㊂mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补原则,抄录并转移到细胞质,决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序㊂2.转运RNA tRNA含70~100个核苷酸残基,是相对分子质量最小的RNA,占RNA 总量的16%,现已发现有100多种㊂tRNA的主要生物学功能是转运活化了的氨基酸,参与蛋白质的生物合成㊂各种tRNA的一级结构互不相同,但它们的二级结构都呈三叶草形㊂这种三叶草形结构的主要特征是,含有四个螺旋区㊁三个环和一个附加叉㊂四个螺旋区构成四个臂,其中含有3′末端的螺旋区称为氨基酸臂,因为此臂的3′-末端都是C-C-A-OH序列,可与氨基酸连接㊂三个环分别用Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ表示㊂环Ⅰ含有5,6二氢尿嘧啶,称为二氢尿嘧啶环(DHU环)㊂环Ⅱ顶端含有由三个碱基组成的反密码子,称为反密码环;反密码子可识别mRNA分子上的密码子,在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用㊂环Ⅲ含有胸苷(T)㊁假尿苷(ψ)㊁胞苷(C),称为TψC环;此环可能与结合核糖体有关(图2-13)㊂tRNA分子中稀有碱基的数量是所有核酸分子中比例最高的,这些稀有碱基的来源是转录之后经过加工修饰形成的㊂tRNA在二级结构的基础上进一步折叠成为倒 L”字母形的三级结构,一端为反密码环,另一端为氨基酸臂,DHU环和TψC环在拐角处㊂此种结构与tRNA和核蛋白质及rRNA的相互作用相关㊂tRNA的二级结构和三级结构如图2-13所示㊂3.核糖体RNA rRNA是细胞中含量最多的RNA,约占RNA总量的82%㊂rRNA单独存在时不执行其功能,它与多种蛋白质结合成核糖体,作为蛋白质生物合成的 装配机”㊂rRNA的相对分子质量较大,结构相当复杂,目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构,但对其二级㊁三级结构及其功能的研究还需进一步的深入㊂原核生物的rRNA分三类:5S rRNA㊁16S rRNA和23S rRNA㊂真核生物的rRNA分四类:5S rRNA㊁5.8S rRNA㊁图2-13 tRNA 的二级结构和三级结构18S rRNA 和28S rRNA㊂S 为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位,可间接反映相对分子质量的大小㊂原核生物和真核生物的核糖体均由大㊁小两种亚基组成㊂以大肠杆菌和小鼠肝为例,各亚基所含rRNA㊁蛋白质的种类和数目见表2-6㊂表2-6 核糖体中包含的rRNA 和蛋白质来源亚基rRNA 种类蛋白质种类数原核生物(大肠杆菌)大亚基(50S)小亚基(30S)5S㊁23S 16S 3121真核生物(小鼠肝)大亚基(60S)小亚基(40S)5S㊁5.8S㊁28S 18S 4933(三)核酶1982年Thomas Cech 在研究四膜虫rRNA 前体加工时发现,rRNA 前体本身具有自我催化作用,开创了RNA 具有酶功能的先河㊂提出了核酶的二级结构呈锤头状,即锤头核酶㊂1994年Breaker 发现人工合成DNA 的某些片段具有酶的活性而称为脱氧核酶㊂由于DNA 较RNA 稳定且成本低廉,脱氧核酶的应用已成为新药开发的热门课题㊂第三节 核酸的理化性质一㊁一般理化性质 核酸分子中有酸性基团和碱性基团,为两性电解质㊂DNA 是线性的大分子,具有大分子物质的一般特性㊂由于DNA 分子细长,其在溶液中的黏度很高㊂RNA 分子比DNA 短,在溶液中的黏度低于DNA㊂核酸分子中的碱基都含有共轭双键,故都有吸收紫外线的性质,其最大吸收峰在260nm 附近㊂这一重要的理化性质被广泛用来对核酸㊁核苷酸和碱基进行定性㊁定量分析㊂在同一浓度的核酸溶液中,单链DNA 的吸光度较双链DNA 大㊂二㊁DNA 的变性和复性(一)DNA 的变性在某些理化因素(温度㊁pH㊁离子强度等)作用下,DNA 双链的互补碱基之间的氢键断裂,使DNA 双螺旋结构松散,成为单链的现象即为DNA 变性㊂DNA 双螺旋结构的稳定性主要靠碱基平面间的疏水堆积力和互补碱基之间的氢键来维持㊂DNA 变性只改变其二级结构,不改变它的核苷酸排列㊂图2-14 DNA 的解链曲线在实验室内最常用的使DNA 分子变性的方法之一是加热㊂加热时,DNA 双链发生解离,在260nm 处的紫外线吸收值增高,此种现象称为增色效应㊂DNA的热变性是爆发性的,只在很狭窄的温度范围内进行㊂如果在连续加热DNA 的过程中以温度对紫外光吸收值作图,所得的曲线称为解链曲线,DNA 的变性从开始解链到完全解链,是在一个相当狭窄的温度内完成的,在这一范围内,紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA 的解链温度,由于这一现象和结晶的熔解过程类似,又称熔解温度(Tm)㊂在Tm时,核酸分子内50%的双链结构被解开㊂DNA 的Tm值一般在70~85℃之间,如图2-14所示㊂DNA 的Tm 值大小与DNA 分子中G㊁C 的含量有关,因为G ≡C 之间有三个氢键,而=A T 之间只有两个氢键,所以G㊁C 越多的DNA,其分子结构越稳定,Tm 值较高,这是因为G 与C 比A 与T 之间多一个氢键,解开G 与C 之间的氢键要消耗更多的能量㊂(二)DNA 的复性变性DNA 在适宜条件下,两条彼此分开的链经碱基互补可重新形成双螺旋结构,这一过程称为复性㊂热变性的DNA 经缓慢冷却即可复性,这一过程也称为退火㊂最适宜的复性温度比Tm约低25℃,这个温度叫做退火温度㊂DNA的复性速度受温度影响,只有温度缓慢下降才可使其重新配对复性㊂如加热后,将其迅速冷却至40℃以下,则几乎不能发生复性㊂这一特性被用来保持DNA的变性状态㊂一般认为比Tm低25℃的温度是DNA复性的最佳条件㊂【知识链接】DNA指纹技术每个人身上都拥有一套独一无二的遗传密码,这些密码记录着人体成长的所有信息,除了极少数外,几乎人身上的每一个细胞都含有这套完整的遗传密码㊂这些密码存在于细胞里的细胞核内,其中23对染色体就是用来储存这些密码的,而这些密码就是由DNA 分子所组成㊂生物个体间的差异本质上就是DNA分子序列的差异,人类不同个体(同卵双生除外)的DNA各不相同㊂将人基因组DNA经酶切㊁电泳㊁分子杂交及放射自显影等处理,可获得检测的杂交图谱,其杂交带数目和分子大小具有个体差异性,这如同一个人的指纹图形一样各不相同㊂因此,把这种杂交带图谱称为DNA指纹㊂DNA指纹技术已被广泛应用于法医学如物证检测㊁亲子鉴定㊁疾病诊断和肿瘤研究等领域㊂三㊁分子杂交DNA变性后可以复性,在此过程中,如果使不同DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中,只要两种单链分子之间存在互补碱基,可以进行配对,在合适的条件下(温度及离子强度),可以形成杂化双链㊂杂化双链可以在DNA与DNA之间,也可以在DNA与RNA之间,或者在RNA与RNA分子之间形成,这就是核酸分子杂交㊂现代检测手段最新发展出来的基因芯片等最基本的原理就是核酸分子杂交㊂小 结核酸是生物大分子物质,包括DNA和RNA两大类㊂DNA主要分布于细胞核内,是遗传的物质基础;RNA主要分布于细胞质中,参与基因的表达和蛋白质的生物合成㊂组成核酸的主要元素中磷的含量相对稳定,因此可以用核酸样品中磷的含量代表核酸的含量㊂构成DNA的基本单位是脱氧核糖核苷酸,常用dNMP表示,其中N代表A㊁G㊁C㊁T㊂RNA则由核糖核苷酸构成,常用NMP表示,其中N代表A㊁G㊁C㊁U㊂许多核苷酸按一定排列顺序,通过磷酸二酯键连接成的多核苷酸链为核酸的一级结构㊂DNA的二级结构为双螺旋结构,由两条反向平行的互补脱氧多核苷酸链围绕分子长轴盘曲成螺旋结构,脱氧核糖基和磷酸基位于双螺旋的外侧,碱基位于双螺旋的内侧,两条链之间的碱基有固定的配对关系,即A和T配对,G和C配对,这种特征为DNA复制提供了结构基础㊂原核生物DNA的三级结构绝大多数是闭链环状的双螺旋分子,进一步螺旋化为麻花状结构,称为超螺旋结构,真核生物DNA的三级结构是在双螺旋基础上盘绕在组蛋白分子上形成的核小体结构,它是染色体的基本单位,可进一步多层次盘曲折。
