核酸化学 Nucleic Acids 刘新文 北京大学医学部生物化学与分子生物学系

第一节 概 述 核酸(nucleic acid) 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 概 述 核酸(nucleic acid) 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。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸

一、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、功能 脱氧核糖核酸 核糖核酸 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。 (deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞核、胞液。 (ribonucleic acid, RNA) 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。

第二节 核酸的分子组成

二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide) 一、元素组成 主要元素组成： C、H、O、N、P(9~11%) 与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。 二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide) 核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成

戊 糖

碱 基

胺式 亚胺式互变异构

酮式烯醇式互变异构

碱基的结构特征 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。

核苷 nucleoside 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 核糖核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名 核苷和磷酸以磷酸酯键连接

稀有核苷酸 修饰成分 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。

1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。 2、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷/核苷酸 3、核苷酸的其他形式 多磷酸核苷（NDP、NTP) 环化核苷酸（cAMP、cGMP等） 辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP）， 活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等）

ATP的性质 ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。

cAMP和cGMP cAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。 cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4, cAMP和cGMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。

第三节 核酸的分子结构

一、一级结构（primary structure） 一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。 1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链 信息量：4n 末端： 5 端、 3端 多核苷酸链的方向： 5ˊ端→3ˊ端(由左至右) 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写

DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析——Chargaff 规则：[A] = [T]；[G]  [C] DNA纤维的X-线衍射图谱分析

二、DNA的空间结构 （一）DNA的二级结构（secondary structure） 1、碱基组成规则(Chargaff规则) [A]=[T]，[G]=[C]； [A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等) 有种属特异性 无组织、器官特异性 不受年龄、营养、性别及其他环境等影响

DNA双螺旋结构的特点 double helix model DNA分子由两条DNA单链组成。

DNA双螺旋结构的要点 （1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。

（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。

（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0 （3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。

（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。

（5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 （6）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）二级结构： 双螺旋结构模型(double helix model) 1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA) （1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧 （2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴 （3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈

（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础 （5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定 3、其他螺旋形式 Z-DNA（左手双螺旋） A-DNA

DNA double helix类型 helix type bp/turn rotation/bp vertical rise/bp helical d A 11 +34.7 2.56A 23A B 10 +34.0 3.38A 19A C 9.33 +38.6 3.32A 19A Z 12 -30.0 5.71A 18A

DNA双螺旋的稳定性 DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响； 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4×106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。 黑腹果蝇最大染色体由6.2×107bp组成，长2.1cm 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长1.7mm

（二）DNA的三级结构 双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等

大多数原核生物 ： 1）共价封闭的环状双螺旋分子 2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化 正超螺旋(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反

（三）DNA在真核生物细胞核内的组装 核小体(nucleosome)： 由DNA和组蛋白构成。 组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4

DNA的存在形式

（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。

三、RNA的分子结构

RNA的结构特点 RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。 在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。 tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.

（一）信使RNA的结构与功能 * 真核生物mRNA的结构特点 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：m7GpppNm-。 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。

* 真核生物mRNA成熟过程 内含子 (intron) 外显子 (exon) hnRNA mRNA

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

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。 * 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

（二）tRNA的结构与功能 * tRNA的一级结构特点 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU 3´末端为 - CCA-OH 5´末端大多数为G 具有 TC 次黄嘌呤(I) 双氢尿嘧啶(DHU) 假尿嘧啶()

* 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的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

小结 1、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对 2、5’端一般为鸟嘌呤核苷酸，3’端为CCA-OH3’。 3、二级结构为“三叶草”型（cloverleaf pattern） 反密码环：反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子（anticodon）。I常出现于反密码子中

氨基酸臂：3`末端的CCA-OH3`单链用于连接该tRNA转运的氨基酸。 二氢尿嘧啶环（DHU）：识别氨酰-tRNA合成酶 ACC DHU环 T环 反密码环 5’ 额外环 TΨC环：识别核蛋白体（核糖体） 4、“倒L”型三级结构

（三）rRNA的结构与功能 核蛋白体的组成 * rRNA的功能:组成核蛋白体，作为蛋白质合成的场所。 原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基 30S 40S rRNA 16S 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 50S 60S 23S 5S 2940个核苷酸 120个核苷酸 28S 5.85S 4718个核苷酸 160个核苷酸 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(small non-messenger RNAs, snmRNAs),或非编码蛋白质的RNA(non-coding RNA, ncRNA) 。 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 功能：参与hnRNA和rRNA的加工和转运。ncRNA在在基因表达以及应激信号传导等方面起着重要的调节作用。因此，有人也将其称为调节RNA（regulatory RNA）。

小片段干扰RNA （siRNA；又称“引导RNAs”，guide RNAs）：一些小的双链RNA可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使mRNA降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为RNA干扰（RNA interference，RNAi，也译作RNA干预或干涉）。它是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。

RNAi的作用机制：包括起始阶段和效应阶段。（1）在起始步骤，生物宿主将外源基因表达的双链RNA进行切割，产生具有特定长度（19-21nt）和序列的小片段RNA； （2）在RNAi效应阶段，siRNA双链结合一个核酶复合物从而形成所谓RNA诱导沉默复合物（RISC）。激活RISC需要一个ATP依赖的将siRNA解双链的过程。激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA转录本上，并在距离siRNA3'端12个碱基的位置切割mRNA。

RNA组学: 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。

第四节 核酸的理化性质

一、酸性化合物 二、高分子性质 两性解离，但酸性强 电泳行为——泳向正极（pH7-8） 沉淀行为——加盐（中和电荷）；乙醇 粘度 DNA>RNA 超离心沉降 凝胶过滤 分子大小单位：分子量（道尔顿，D）、碱基对数目（bp）、离心沉降常数（S）

紫外吸收

OD260的应用 1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50μg/ml双链DNA 40μg/ml单链DNA（或RNA） 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0

三、紫外吸收 四、变性、复性、分子杂交 最大吸收波长：260nm 核酸定量分析 核酸定性分析 1、DNA变性（DNA denaturation）：DNA变性是指在理化因素作用下，DNA分子中的氢键断裂，碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链分开形成单链的过程。

DNA的变性(denaturation) 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。 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂 变性后其它理化性质变化：OD260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；生物活性改变

DNA变性

增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

实验室常用的方法——热变性 当DNA的稀盐溶液加热到80-100℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。 80 90 100 100% 50% OD260（254） Tm 变性温度范围 ① ② ③ ℃ 融解温度（melting temperature,Tm）：DNA热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（Tm）或解链温度、变性温度。

大肠杆菌DNA在不同浓度KCl溶液下的熔融温度曲线 影响Tm值的因素 (1)溶液的性质 (2)DNA的性质和组成 大肠杆菌DNA在不同浓度KCl溶液下的熔融温度曲线

GC含量越高，Tm越大

（1）变性后理化性质改变 DNA溶液的粘度降低 浮力密度增加 旋光偏振光改变 紫外吸收增加（高色效应） 高色效应（hyperochromic effect）：DNA变性后，在260nm处的紫外吸收增高，称为高色效应或增色效应。 （2）变性后的DNA一级结构没有改变。

（3）融解温度（melting temperature,Tm）：DNA热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（Tm） GC含量越高，Tm越大 DNA越长，Tm越大 溶液离子强度增高，Tm值增加 DNA越纯，相变范围越小

2、DNA复性 DNA复性(renaturation)的定义:在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。 减色效应（hypochromic effect ）:DNA复性时，其溶液OD260降低。

DNA复性

核酸分子杂交(hybridization) 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(heteroduplex)。 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。

核酸的杂交

复性 变性 不同来源的DNA分子 DNA-DNA 杂交双链分子 核酸分子杂交的应用: 研究基因的位置 确定两种核酸序列的相似性 检测样品中的特异序列 基因芯片技术的基础

核酸探针（nucleic acid probe）:能特异性的探测带某一特定序列的DNA或RNA分子的标记核酸分子。

3、核酸分子杂交(hybridization) 由不同来源的核酸单链形成杂化双链的过程 分子杂交技术的应用：基因克隆筛选、酶切图谱制作、特定基因序列的定量和定性、突变分析、疾病诊断等

第五节 核酸酶(nucleases) 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

一、种类 1、根据底物分类 DNase、RNase； 单链核酸酶、双链核酸酶、杂合双链核酸酶 2、根据催化部位分类：外切核酸酶和内切核酸酶 外切酶：5´端→3´端或3´端→5´端核酸外切酶。 内切酶：限制性核酸内切酶和非限制性核酸内切酶。 限制性核酸内切酶(restriction endonucleases)：能够识别DNA分子的特定核苷酸序列，并在识别位点或其周围断开DNA双链的一类核酸酶

二、核酸酶的功能 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 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

三、核 酶 催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。 三、核 酶 催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。 催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。

第六节 核酸的核苷酸序列测定

二、酶解法(测RNA)：标、切、分、染、读 一、化学裂解法：标、切、分、染、读 二、酶解法(测RNA)：标、切、分、染、读 三、合成终止法：标、合、分、染、读 Sanger测定DNA核苷酸序列的方法：DNA合成终止法（双脱氧DNA链合成终止法）。

重要内容： 1、重要名词：anticodon；DNA denaturation；melting temperature（Tm）；hyperochromic effect；renaturation；annealing；hybridization；ribozyme 2、结构层次 元素组成：C、H、O、N、P(9~11%) 结构单位：核苷酸（DNA和RNA组分的异同；核苷酸的功能） 一级结构：3, 5磷酸二酯键；5ˊ端→3ˊ端；RNA类型及结构和功能特点 二级结构：DNA双螺旋；tRNA“三叶草” 三级结构特点：DNA超螺旋结构；tRNA“倒L”结构 3、重要性质：紫外吸收；变性、分子杂交