第12章、核酸 12.1 核苷酸是DNA和RNA的构件分子 12.2 DNA分子中贮存着遗传信息 12.3 DNA的碱基组成是有规律的

12.8 细胞中含有几种类型的RNA 12.9 某些RNA具有稳定的二级结构 12.10 在体外双链DNA和RNA可以变性和复性 12.11 不同来源的核酸可以形成杂化体 12.12 核酸酶催化核酸的磷酸二酯键水解 12.13 限制性内切酶在特殊部位催化双螺旋DNA 水解

12.1 核苷酸是DNA和RNA的构件分子 核苷酸由三部分组成：一个弱碱性的含氮化合物（称为碱基），一个五碳糖（戊糖）和一个磷酸基团。 含氮碱基是嘧啶和嘌呤；戊糖为核糖（D-呋喃核糖）或脱氧核糖（2-脱氧-D-呋喃核糖）。这两种糖的嘧啶或嘌呤的N-糖苷称为核苷。核苷酸是核苷的磷酸酯。含有核糖的核苷酸称为核糖核苷酸，而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸。

核苷酸含有两类碱基 在核苷酸中发现的所有碱基或是嘧啶的衍生物，或是嘌呤的衍生物。两种类型的碱基都是不饱和的，即都含有共轭双键。这一特性使得环呈平面，也说明它们具有吸收紫外光的能力（max＝260nm ）。

核苷每一个杂环碱存在着两种互变异构形式。 腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨的形式存在也可以以亚胺的形式存在； 鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以酮式存在，也可以以醇式存在。 在大多数细胞的内部，氨式和酮式占优势，是最稳定的。

一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。

核苷是核糖或脱氧核糖的N-苷 在每一种核苷中，糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的-N-糖苷键与碱基连接的。核糖中的碳原子的编号都带有“ ˊ”以区别于碱基中的原子编号。 核糖核苷 脱氧核糖核苷

核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有3个可以被磷酸酯化的羟基（2ˊ、3ˊ和5ˊ），而脱氧核苷含有2个这样的羟基（3ˊ和5ˊ）。磷酰基通常都是连接在5ˊ-羟基的氧原子上，因此不作特别指定时，提到一个核苷酸指的都是5ˊ-磷酸酯。 例如腺苷的5ˊ-单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（ AMP），也可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的5ˊ-磷酸酯可以称之脱氧胞苷一磷酸（dCMP），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧核苷的5ˊ-磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称之脱氧胸苷酸。 下图给出了出现在DNA和RNA中的主要的脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸，它们都是相应核苷的5ˊ-磷酸酯。

核苷酸由于含有嘧啶和嘌呤碱基，所以在260nm附近 都有紫外吸收。

核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ ATP）的结构。

ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3ˊ,5ˊ-环腺苷酸（cAMP）,同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3ˊ,5ˊ-环鸟苷酸（cGMP）。通常把激素称之第一信使，把cAMP（或cGMP）称之第二信使。

由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸（RNA）；由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸（DNA）。 核酸中核苷酸是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键连接的 交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸链的共价骨架。连接在戊糖单位上的碱基给出了核酸序列上的变化。聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。 核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP 是RNA合成的底物，而dATP、dGTP、dCTP和dTTP是DNA合成的底物。 聚合酶通过催化一个核苷酸的3ˊ-OH与另一个核苷酸的5ˊ-磷酸之间形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键将核苷单磷酸加到生长的多核苷酸链上，下图给出了DNA分子的延长反应。 由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸（RNA）；由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸（DNA）。

聚合酶

DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向进行的，没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向读写。 核酸的一级结构是通过3ˊ, 5ˊ-磷酸二酯键连接的核苷酸序列。 DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向进行的，没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向读写。 右图DNA片段可缩写为pdApdTpdGpdCpdA 可以简写为 ATGCA 磷酸二酯键

12.2 DNA分子中贮存着遗传信息 A.肺炎球菌的转化实验 1944年O.T.Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗传信息的分子，几年之后，A.Hershy和M.Chase通过嗜菌体感染实验也证实DNA是遗传物质。 A.肺炎球菌的转化实验 肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出了O.T.Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验过程。

（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。 （b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。 （c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。 （d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。 （e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并尽可能将混在DNA中的蛋白质除去，然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。

B. 噬菌体感染实验 用32P标记噬菌体DNA，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器（10000转/分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性。用35S标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。 结果大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清中。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。

32P标记 噬菌体DNA 35S标记 噬菌体外壳

12.3 DNA的碱基组成是有规律的 Chargaff观察到来自不同种属的DNA的4种碱基组成不同，例如来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的DNA的碱基的数量和相对比例很不相同，即DNA的碱基组成具有种属的特异性。但来自同一种属不同组织的DNA样品具有相同的碱基组成，即碱基组成没有组织和器官的特异性。 对于一个给定种属的DNA碱基组成不会随有机体的年龄、营养状态和环境变化而改变。Chargaff 得出的一个最重要的碱基定量关系是不管种属如何不同，但在所有的DNA中，腺嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数（即，A＝T），而鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数（即，G＝C）（表8.2）。从这些关系中可以得出，嘌呤残基的总摩尔数等于嘧啶残基的总摩尔数，即A＋G＝T＋C。

DNA中碱基组成的这些定量关系，也称为Chargaff法则，后来又被其他的研究者证实。碱基之间的这些定量关系对于建立DNA的三维结构以及遗传信息是如何编码在DNA中一代一代传下去是一个关键。

12.4 DNA二级结构是一个双螺旋结构 肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相信DNA是遗传物质，但遗传信息是如何贮存在DNA分子中的呢？ 当时摆在研究者面前的问题就是建立一个DNA分子的三维模型，该模型要能够解释Chargaff法则，以及遗传规律等问题。 提出DNA双螺旋模型的是年仅25岁的沃森和35岁的克里克，但不要忘记富兰克林以及查格夫等人的贡献，正是由于富兰克林拍摄的DNA X-射线衍射图成就了沃森和克里克。1962年沃森、克里克和威尔森三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。

亲本 DNA 复制的 子链 DNA 半保留复制

1951年 Franklin和 Wilkins利用X-射线衍射方法分析了DNA的晶体，得到了DNA X-射线衍射图。从衍射图推测出DNA的结构是一个螺旋结构，螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性，第一个周期出现在0.34nm，第二个周期出现在3.4nm。这对于确定DNA的结构是至关重要的线索。 DNA晶体 X-射线衍射图

1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick依据X-射线衍射数据和Chargaff法则等DNA研究工作，建立一个DNA分子的三维模型，称为DNA双螺旋结构模型，这一模型可以圆满地解释有关DNA的所有数据，包括DNA晶体X-射线衍射数据和Chargaff法则，这一模型现在来看也基本是正确的。 Watson和Crick 于1953年的4月25日在Natue上发表了题为“核酸的分子结构――脱氧核糖核酸的结构”的文章，阐述了双螺旋结构模型的要点。

DNA双螺旋结构要点： 1、两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕，形成一 个右手的双螺旋。即两条链均为右手螺旋，一条是5ˊ→3ˊ方向，另一条是3ˊ→5ˊ方向。一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基连接，形成碱基对。G与C配对，A与T配对（碱基互补），G和C之间可以形成三个氢键，而A和T之间只能形成二个氢键。 2、交替的脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团骨架位于双螺旋的外侧，糖环平面几乎与碱基平面成直角。两条链上的嘌呤碱基与嘧啶碱基堆积在双螺旋的内部，碱基平面与螺旋的长轴垂直。 3、双螺旋的平均直径为2nm，相邻碱基对的距离为0.34nm，相邻核苷酸的夹角为36。沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm。

4、由于碱基对的堆积和糖-磷酸骨架的扭转导致螺旋的表面形成产生了二条不等宽的沟，宽的、深的沟叫大沟，窄的、浅的称之小沟。在这些沟内，碱基对的边缘是暴露给溶剂的，所以能够与特定的碱基对相互作用的分子可以通过这些沟去识别碱基对，而不必将螺旋破坏。这对于可以与DNA结合并“读出”特殊序列的蛋白质是特别重要的。 5、许多弱的相互作用稳定双螺旋DNA。一般来说共价键确定了生物大分子的一级结构，而许多弱的相互作用却支配着生物分子的折叠形式。影响双螺旋DNA稳定性的主要的力是疏水相互作用、碱基堆积力、氢键和静电排斥力。

直径2.0nm 大沟2.2nm 螺距3.4nm (含10个碱基对) 小沟1.2nm

A和T之间 形成二个氢键 G和C之间形成三个氢键

亲本链 双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理，解释了遗传物质自我复制的机制。 模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的互补链，这样就得到了两对链，解决了一个基本的生物学问题－遗传复制中样板的分子基础。 子链 子链

B-DNA、A-DNA和Z-DNA双螺旋结构特点 在Watson和Crick 的 DNA双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序列的寡核苷酸的X-射线晶体衍射图的研究发现，存在着B型、A型和Z型DNA。B-DNA和A-DNA都是右手双螺旋结构，而Z-DNA是左手双螺旋结构。 B-DNA、A-DNA和Z-DNA双螺旋结构特点

12.6 双螺旋DNA可形成超螺旋（DNA的三级结构） 当将处于松弛状态（B构型）的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“ 卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。 当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺旋，称为负超螺旋。

正超螺旋 负超螺旋 向右捻 向左捻 松弛型

12.7 真核细胞核内DNA被包装形成染色质 染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白。大多数真核细胞中都含有H1、H2A、H2B、H3和H4 5种组蛋白。当染色质用低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象是一条线上穿了许多“ 珠”子一样。“珠子”是DNA-组蛋白的复合体，称为核小体，而“线”是双螺旋DNA。 每个核小体是由各2分子的H2A、H2B、H3和H4的八聚体和大约200个DNA碱基对组成，DNA大约缠绕1.75圈，有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个核小体核心颗粒。核心颗粒之间的“ 线”称之连接DNA，大约有54个碱基对长。第5个组蛋白H1既与连接DNA结合，又和核小体核心颗粒结合。

H2A、H2B、H3和H4形成八聚体 组蛋白和DNA形成核小体

与伸展开的B-DNA长度相比，DNA包装成核小体后，长度被压缩了10倍。 串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管状，产生一种称之30nm纤维结构。 纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约存在着多达2000个环。 环可以附着在RNA-蛋白质的支架上，象是被固定一样，可以形成超螺旋。 超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得DNA一步一步地被压缩。

染色体

显微镜下辨聪愚－妇产医院遗传室见闻 在放大1000倍的显微镜头下，染色体是一团淡紫色的乱“线头”，长不过1厘米，短的没有芝麻大。医务人员将“线头”一根一根地“择”出来，从第1号到第23号，一对一对地配整齐。然后检查染色体有无异常。 别小看这些乱“线头” 似的染色体，不要说少一根，就是有一根短点、长点，或呆错了地方都有可能出现意想不倒的结果：例如产下先天痴呆或无眼、无耳、无肛门等各种各样的先天畸形的傻孩子、怪孩子。 所以孕妇一般都要进行产前检查，如果发现染色体异常，就建议孕妇终止妊娠。

12.8 细胞中含有几种类型的RNA 1. 核糖体核糖核酸（rRNA） rRNA是核糖体的组成成分。核糖体是细胞内蛋白质和RNA的复合体，是蛋白质合成的场所。rRNA是细胞内最丰富的一类RNA，大约占细胞总RNA的80％。核糖体含有大约60％RNA，40％蛋白质，整个核糖体是由一大一小两个亚基组成的。 大肠杆菌核糖体（70S） 高等动物核糖体（80S） 30S 亚基 50S 亚基 40S 亚基 60S 亚基 16S RNA 23S RNA 18S RNA 28S RNA 21种蛋白质 5S RNA 30种蛋白质 5.8S RNA 34种蛋白质 5S RNA 40种蛋白质

2. 信使核糖核酸（mRNA） 3. 转移核糖核酸（tRNA） mRNA编码蛋白质中的氨基酸序列，mRNA是作为一个“信使”，它载有来自DNA的信息，然后进入蛋白质合成场所－核糖体，作为蛋白质合成的模板指导蛋白质的合成。mRNA约占细胞总RNA的3％，一般来说，mRNA是细胞内最不稳定的一类RNA。 3. 转移核糖核酸（tRNA） tRNA的主要功能是在蛋白质生物合成的过程中，起着转运氨基酸的作用。tRNA载有激活的氨基酸，并运到核糖体，将氨基酸掺入到生长着的肽链中。tRNA约占细胞总RNA的15％，一般是由73个－95个核苷酸组成，其中含有许多修饰的碱基。

4.小分子核糖核酸（snRNA） 许多小分子RNA都参与RNA合成后的修饰、加工过程。 T.Cech和S.Altman从四膜虫中提取了一种RNA，它具有切割并重新组合自身主结构的功能。他们二人获得1989年诺贝尔化学奖。

12.9 某些RNA具有稳定的二级结构 5’-----A C U C U C A C U A------3’ 根据RNA的一些理化性质和x-射线分析，大多数天然的RNA分子是以一条单链形式存在的。但有些单链多核苷酸可以自身发生回折，在互补的碱基对之间形成双螺旋区，碱基配对规则是A-U，G-C。这样的结构称为发卡式，或茎-环结构。RNA的双螺旋区的结构类似于A-DNA的结构。 C C U A U G----C C----C U----A A----U G A 5’-----A C U C U C A C U A------3’