第 二 章 核酸的结构和功能 核酸： 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。

核酸的发现和研究工作进展 1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取 “ 核素 ” 1944 年 Avery 等人证实 DNA 是遗传物质 1953 年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构 1968 年 Nirenberg 发现遗传密码 1975 年 Temin 和 Baltimore 发现逆转录酶 1981 年 Gilbert 和 Sanger 建立 DNA 测序方法 1985 年 Mullis 发明 PCR 技术 1990 年 美国启动人类基因组计划 (HGP) 1994 年 中国人类基因组计划启动 2001 年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

二、核酸的分类及分布 90% 以上分布于细胞核，其余分布于 核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 分布于胞核、胞液。 ( DNA) (RNA) 脱氧核糖核酸 核糖核酸 携带遗传信息，决定细胞和个 体的基因型 (genotype) 。 参与细胞内 DNA 遗传信息的表 达。某些病毒 RNA 也可作为遗 传信息的载体。

核酸的化学组成 1. 元素组成 : C 、 H 、 O 、 N 、 P （ 9~10% ） 2. 分子组成 —— 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸 第一节 核酸的化学组成及一级结构 一、核苷酸的结构

两类核酸的基本化学组成比较 嘌呤碱 腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 鸟嘌呤 (G) 嘧啶碱 胞嘧啶 (C) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T) 尿嘧啶 (U) 碱基碱基 戊糖 D-2- 脱氧核糖 D- 核糖 酸 磷酸 DNA RNA

嘌呤 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 碱 基

嘧啶 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) 胸腺嘧啶 (T)

戊 糖戊 糖 （构成 RNA ） 1´1´ 2´2´3´3´ 4´4´ 5´5´ 核糖 （构成 DNA ） 脱氧核糖

核苷： AR, GR, UR, CR 脱氧核苷： dAR, dGR, dTR, dCR 核苷的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖 苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。 1´1´ 1

核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷酸的结构与命名 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键 连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物质： NAD + 、 NADP + 、 CoA-SH 、 FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸： NMP ， NDP ， NTP 环化核苷酸 : cAMP ， cGMP AMP ADP ATP cAMP NADP + NAD +

二、核酸的一级结构 定义 核酸中核苷酸的排 列顺序。 由于核苷酸间的差 异主要是碱基不同，所 以也称为碱基序列。 5′ 端 3′ 端 C G A

5´端5´端 3´端3´端 核苷酸的连接 核苷酸之间以 磷酸二酯键连接形 成多核苷酸链，即 核酸。 C G A

AG P 5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法 5 pApGpTpGpCpT- OH 3 5 A G T G C T 3

与 DNA 的差别在于： 1 、戊糖是核糖而非脱氧核糖 2 、嘧啶成分是胞嘧啶（ C ）和尿 嘧啶（ U ），无胸腺嘧啶（ T ） 核酸分子的大小常用碱基数目或 碱基对数目来表示。核酸片段 <50bp 称为寡核苷酸

第二节 DNA 的空间结构与功能 一、 DNA 的二级结构 —— 双螺旋结构模型

（一） DNA 双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析 Chargaff 规则 碱基的理化数据分析 A-T 、 G-C 以氢键配对较合理 DNA 纤维的 X- 线衍射图谱分析

(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等. A=T 鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等. G=C 嘌呤总数 = 嘧啶总数 A+G=C+T (2) DNA 的组成具有种属特异性 (3) DNA 的碱基组成没有组织的特异性, 且较为稳定, 不随年龄、营养状态、 环境改变的影响 Chargaff 碱基组成规律

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  DNA 分子由两条相互平行但 走向相反的脱氧多核苷酸链 组成，两链以 - 脱氧核糖 - 磷 酸 - 为骨架，以右手螺旋方 式绕同一公共轴盘。螺旋直 径为 2 nm ，形成大沟及小沟 相间。

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  碱基垂直螺旋轴居双螺旋内 側，与对側碱基形成氢键配 对（互补配对形式： A=T; G  C ） 。 碱基垂直螺旋轴居双螺旋内 側，与对側碱基形成氢键配 对（互补配对形式： A=T; G  C ） 。  相邻碱基平面距离 0.34nm ， 螺旋一圈螺距 3.4nm ，一圈 10 对碱基。 相邻碱基平面距离 0.34nm ， 螺旋一圈螺距 3.4nm ，一圈 10 对碱基。

碱基互补配对TA GC

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  氢键维持双链横向稳定 性，碱基堆积力维持双 链纵向稳定性。 氢键维持双链横向稳定 性，碱基堆积力维持双 链纵向稳定性。

（二） DNA 结构的多样性 A-DNA ：右手螺旋 B-DNA ： Watson-Crick 模型，右手螺 旋生理条件下 DNA 最稳定的结构形式 Z-DNA ：左手螺旋

二、 DNA 的超螺旋结构及其在染色质 中的组装 （一） DNA 的超螺旋结构 超螺旋结构 DNA 双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋 盘绕方向与 DNA 双螺旋方同相同 负超螺旋 盘绕方向与 DNA 双螺旋方向相反

意义 DNA 超螺旋结构整体或局部的拓扑学 变化及其调控对于 DNA 复制和 RNA 转录过 程具有关键作用。

（二）原核生物 DNA 的高级结构 原核生物没有典型的细胞核结构，超螺旋 结构被认为是原核生物 DNA 的三级结构。

（三） DNA 在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由 DNA 和蛋白质构成， 其基本单位是 核小体。 核小体的组成 DNA ：约 200bp 组蛋白： H1 H2A ， H2B H3 H4

H2A 、 H2B 、 H3 和 H4 各两分 子组成组蛋白八聚体，构成核 心组蛋白。 双螺旋 DNA 以左 手超螺旋的方式绕 核心颗粒 1.75 圈， 缠绕在核心组蛋白 表面，构成核心颗 粒。 核心颗粒和 连接区 DNA 及附着在连接区 DNA 上的 组蛋白 H1 构成核小体。

三、 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。 基因从结构上定义，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。

第三节 RNA 的结构与功能

RNA 的种类、分布、功能

一 、信使 RNA 的结构与功能 mRNA * mRNA 成熟过程 hnRNA 内含子 ( intron ) 外显 子 ( exon ) * mRNA 半衰期最短，几分钟到数小时

* mRNA 结构特点 1. 大多数真核 mRNA 的 5´ 末端均在转录后加上 一个 7- 甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的 C´ 2 也 是甲基化，形成帽子结构： m 7 GpppN m - 。 2. 大多数真核 mRNA 的 3´ 末端有一个多聚腺苷酸 (polyA) 结构，称为多聚 A 尾。

帽子结构

mRNA 核内向胞质的转位 mRNA 的稳定性维系 翻译起始的调控 帽子结构和多聚 A 尾的功能

* mRNA 的功能 把 DNA 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，用以决 定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。 DNA mRNA 蛋白 转录 翻译 原核细胞 细胞质 细胞核 DNA 内含子 外显子 转录 转录后剪接 转运 mRNA hnRNA 翻译 蛋白 真核细胞

* tRNA 的一级结构特点  含 10~20% 稀有碱基，如 DHU  3´ 末端为 — CCA-OH  具有 T  C 二、转运 RNA 的结构与功能 mRNA 分子从 5’- 端的 AUG 开始，每 3 个核苷酸为一组，决定多肽链上的 一个氨基酸，称为密码子

N,N 二甲基鸟嘌呤 N 6 - 异戊烯腺嘌呤 双氢尿嘧啶 4- 巯尿嘧啶 稀有碱基

* tRNA 的二级结构 —— 三叶草形  氨基酸臂  DHU 环  反密码环  额外环  TΨC 环 氨基酸臂 额外环

* tRNA 的三级结构 —— 倒 L 形 * tRNA 的功能 活化、搬运氨基 酸到核糖体，参与蛋 白质的翻译。

三、 rRNA 的结构与功能 （一） rRNA 的结构特点 1. 含量最丰富, 约占总 RNA 的 80% 以上。 2. 与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA 与蛋白质既可分离, 又可结合。 3. 核蛋白体由大小两个亚基构成, 两亚基 呈不 规则形状, 聚合时中间有裂缝, 可通过 mRNA 。

* rRNA 的种类（根据沉降系数） 真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA

核蛋白体的组成 原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基 30S40S rRNA16S 1542 个核苷酸 18S 1874 个核苷酸 蛋白质 21 种占总重量的 40%33 种占总重量的 50% 大亚基 50S60S rRNA23S 5S 2940 个核苷酸 120 个核苷酸 28S 5.85S 5S 4718 个核苷酸 160 个核苷酸 120 个核苷酸 蛋白质 31 种占总重量的 30%49 种占总重量的 35%

四 、其他小分子 RNA 及 RNA 组学 除了上述三种 RNA 外，细胞的不同部位 存在的许多其他种类的小分子 RNA ，统称为 非 mRNA 小 RNA( snmRNAs) 。 snmRNAs （二） rRNA 的功能 核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所

snmRNAs 的种类 核内小 RNA 核仁小 RNA 胞质小 RNA 催化性小 RNA 小片段干涉 RNA snmRNAs 的功能 参与 hnRNA 和 rRNA 的加工和转运。

RNA 组学研究细胞中 snmRNAs 的种类、 结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、 同一细胞在不同时间、不同状态下 snmRNAs 的表达具有时间和空间特异性。 RNA 组学

第四节 核酸的理化性质及其应用 一、核酸的一般理化性质 1. 呈酸性 2. 粘度大 3. 在引力场中下沉 4. 在 260nm 有最大吸收峰

核 酸 的 粘 度 * 分子量越大粘度也越大 RNA 分子比 DNA 分子小，粘度也就小 * 生物分子的空间结构也影响粘度

核酸的紫外吸收特性 嘌呤碱和嘧啶碱有 共轭双键，都能强 烈吸收紫外光，最 大吸收波长为 260nm 蛋白质对紫外光 的最大吸收波长 是 280nm

1. DNA 或 RNA 的定量 OD 260 =1.0 相当于 50 μ g/ml 双链 DNA 40μg/ml 单链 DNA （或 RNA ） 20μg/ml 寡核苷酸 2. 判断核酸样品的纯度 DNA 纯品 : OD 260 /OD 280 = 1.8 RNA 纯品 : OD 260 /OD 280 = 2.0 OD 260 的应用

二、 DNA 的变性 定义：在某些理化因素作用下， DNA 双链解开 成两条单链的过程。 方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD 260 增高粘度下降 比旋度下降浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变生物活性丧失

DNA 的变性与降解的区别 降解 其过程是不可逆的。 是指多核苷酸链中的磷酸二酯键断裂， 使分子量降低， 不发生分子量的变化。 一般是可逆的， 变性 蛋白质和 (DNA) 核酸的变性的共性 两者均不涉及共价键的断裂 一级结构不破坏 粘度改变，生物活性丧失

DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂

例：变性引起紫外吸收值的改变 DNA 的紫外吸收光谱  增色效应： DNA 变性时其溶液 OD 260 增高的现象。

热变性  解链曲线：如果在 连续加热 DNA 的过 程中以温度对 A260 （ A260 代表溶液在 260nm 处的吸光率） 值作图，所得的曲 线称为解链曲线。

 Tm ：变性是在一个相当窄的温度范围内完成， 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，又称融解温度 (Tm) 。其大小与 G+C 含量成正比。 pH 和离子强度不变, 根据Ｇ + Ｃ百分含量 则可计算 DNA 样品的 Tm 值 Tm ＝ * ％ (G+C) Tm ＝ 4*(G+C)+2*(A+T) ( 小于 20bp)

RNA 的变性 双链的 RNA 分子、 RNA-DNA 杂化分子 可变性 中性 pH 条件下，三者 Tm 值大小为： 双链 RNA 分子 > RNA-DNA 杂化分子 > DNA 分子

三、 DNA 的复性与分子杂交 变性的 DNA 在去除变性因素并处于适 当的条件下，彼此分离的双链又可重新结 合恢复天然的双螺旋结构这一过程称为复 性。 1. 概念 2. 复性速度受温度的影响 热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复 性，这一过程称为退火。

复性后 DNA 分子性质 一系列的理化性质随即恢复 d. 生物活性部分恢复 a. 260nm 处的紫外吸收值下降 b. 粘度上升 c. 浮力、密度降低 （减色效应）

在 DNA 变性后的复性过程中，如果将不 同种类的 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着一定 程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度 及离子强度）下，就可以在不同的分子间形 成杂化双链。 这种杂化双链可以在不同的 DNA 与 DNA 之间形成，也可以在 DNA 和 RNA 分子间或者 RNA 与 RNA 分子间形成。这种现象称为核酸 分子杂交。 核酸分子杂交

DNA-DNA 杂交双链分子 变性 复性 不同来源的 DNA 分子

核酸分子杂交的应用 （ 1 ）研究 DNA 分子中某一种基因的位置 （ 2 ）确定两种核酸分子间的序列相似性 （ 3 ）检测某些专一序列在待检样品中存在与否 （ 4 ）是基因芯片技术的基础 可发生杂交的核酸分子 (1) 两条同源的 DNA 链 (2) 两条同源的 RNA 链 (3) 一条 DNA 链一条 RNA 链

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶  依据底物不同分类 DNA 酶： 专一降解 DNA 。 RNA 酶： 专一降解 RNA 。  依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特 异性限制性核酸内切酶。 核酸外切酶： 5´→3´ 或 3´→5´ 核酸外切酶。 第 五 节 核 酸 酶

 参与 DNA 的合成与修复及 RNA 合成后的剪 接等重要基因复制和基因表达过程  负责清除多余的、结构和功能异常的核酸， 同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸  在消化液中降解食物中的核酸以利吸收  体外重组 DNA 技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 核酸酶的功能

核 酶  催化性 DNA 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段， 也能序列特异性降解 RNA 。  催化性 RNA 作为序列特异性的核酸内切酶降 解 mRNA 。