第三章 核酸化学

核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。

第一节 核酸的化学组成 核酸的水解产物： 核糖 磷酸 核酸→核苷酸→ 戊糖 → 核苷 脱氧核糖 嘌呤碱 含氮碱 嘧啶碱

碱基 1. 嘧啶碱： 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 嘧啶 （1，3-二氮杂苯）

2. 嘌呤碱： 腺嘌呤 鸟嘌呤 1，3，7，9-四氮杂茚

戊糖： 脱氧核糖 核糖

核苷： 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C-1’ β-羟基与嘧啶碱N-1或嘌呤碱N-9氢进行缩合，故生成的化学键称为β ，N糖苷键。

N1 N9 β1’ β1’ N1 腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR) β1’,N9-糖苷键 β1’,N1-糖苷键 β1’

C5 β1’ 假尿苷（ψ） β1，, 5-糖苷键

“稀有核苷” 是由“稀有碱基”所生成的核苷。如： 5-甲基胞嘧啶； 5-羟甲基尿嘧啶； N6-甲基腺嘌呤； 次黄嘌呤；

核苷酸 核苷酸 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 2’-核苷酸 3’-核苷酸 5’-核苷酸 根据磷酸基缩合的位置 根据结合的戊糖类型

核苷酸的分子结构

5’-核苷酸 一磷酸核苷 二磷酸核苷 三磷酸核苷

环核苷酸的分子结构 环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷

核苷酸的命名及缩写符号 脱氧 碱基 磷酸基数目 磷酸 d A M P G D T C U

第二节 核酸的一级结构 多核苷酸链： 基本单位：核苷酸 连接方式:3’,5’-磷酸二酯键 分子形态:长链状聚合物 第二节 核酸的一级结构 多核苷酸链： 基本单位：核苷酸 连接方式:3’,5’-磷酸二酯键 分子形态:长链状聚合物 有方向性:具5’-端和3’-端

· 多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸 基，称为5′-磷酸端（常用5’-P表示）. · 另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3’-OH表示）。

DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。 DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。 RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四种核糖核苷酸组成。 RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。

核酸一级结构的表示方法 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5′→3′或是3′→5′。

在多聚核苷酸（DNA或RNA）链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：

5′PAPCPGPCPTPGPTPA 3′ 或5′ ACGCTGTA 3′ 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： 5′PAPCPGPCPTPGPTPA 3′ 或5′ ACGCTGTA 3′

第三节 DNA的空间结构与功能 一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型 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。

（一）DNA双螺旋结构的研究背景： 1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究，发现： ③ DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff原则。 1953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。

目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。

B型双螺旋DNA的结构特征

碱基配对及氢键形成

B型双螺旋DNA的结构特点： 5. 螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。 1. 为右手反平行双螺旋； 2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧； 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键，G与C为三个氢键）； 4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力； 5. 螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。

DNA双螺旋结构的多态性

A-DNA B-DNA & H-DNA

B-DNA & Z-DNA

二、DNA的三级结构 DNA的三级结构：指双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。

线状DNA形成的超螺旋

环状DNA形成的超螺旋

真核生物中的核小体结构： 在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一组蛋白八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。

四、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5.1×103bp，大肠杆菌为5.7×106bp，人为3×109bp。

第四节 RNA的空间结构与功能 RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。 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、hnRNA、SnRNA等。

一、m R N A 的结构与功能 mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。 mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。 大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。

真核生物mRNA 5’-端帽子结构

真核生物mRNA 3’-端的polyA结构

mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板。 mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden）。

二、tRNA的结构与功能 tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 tRNA是保守性最强的RNA。

（一）tRNA的二级结构： tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为“三叶草”结构。分子中配对的双链区称臂，非配对区向外突出称环。

氨基酸臂 可变环 DHU臂 反密码臂 TψC臂

三叶草结构 臂 环 氨基酸臂 DHU臂 反密码臂 TψC臂 DHU环 反密码环 TψC环 可变环

（二）tRNA的三级结构：

tRNA的三级和二级结构

三、rRNA的结构与功能 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。 rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。

30S 16S 原核生物 70S 23S 50S 5S 40S 18S 真核生物 80S 28S 60S 5.8S

大肠杆菌16S rRNA的二级结构

四、核酶 具有自身催化作用的RNA称为核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分子结构，如锤头结构。

第五节 DNA的理化性质及其应用 一、核酸的一般理化性质 核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。

核酸含碱基，具共轭双键，能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。 核酸的含磷量比较稳定，占核酸9%-10%可通过定磷法来估计核酸的含量。

二、DNA的变性 DNA的变性的概念：在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变，这种现象称为DNA的变性。 引起DNA变性的因素主要有：①高温，②强酸强碱，③有机溶剂等。

3.DNA变性后的性质改变 增色效应：指DNA变性后对260 nm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。

DNA的变性温度：加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度Absorb突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是DNA的变性温度（融解温度，Tm）。Melting OD(option density)260 A260

Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。

三、DNA的复性与分子杂交 DNA的复性:将热变性后的DNA溶液缓慢冷却，在低于变性温度约25～30℃的条件下保温一段时间（退火,annealing），则变性的两条单链DNA可以重新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性质。称为DNA的复性。

两条来源不同的单链核酸（DNA和RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交hybridization. 核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。 不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为同源顺序。

核酸的分子杂交

利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。 常用的核酸分子杂交技术有：原位杂交、斑点杂交、Southern杂交及Northern杂交等。Western blotting 在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针(probe)。

第六节 核酸酶 凡是能水解核酸的酶都称为核酸酶。 第六节 核酸酶 凡是能水解核酸的酶都称为核酸酶。 凡能从多核苷酸链的末端开始水解核酸的酶称为核酸外切酶；凡能从多核苷酸链中间开始水解核酸的酶称为核酸内切酶。 能识别特定的核苷酸顺序，并从特定位点水解核酸的内切酶称为限制性核酸内切酶（限制酶）。