第 三 章

核 酸

第一节 概 述

核酸

DNA

脱氧核糖核酸

RNA

核糖核酸

RNA 分类

•信使 RNA(mRNA) ：蛋白质合成的直接模板 --- 最大；

•转运 RNA(tRNA) ：转运氨基酸的工具 --- 最小；

•核糖体 RNA(rRNA) ：与蛋白质构成核糖体 --- 最多；

•不均一核 RNA （ hnRNA ）： mRNA 前体；•核小 RNA （ snRNA ）：促进 mRNA 成熟。

核 酸 的 分 布

DNA RNA 核（ % ） 98 <10

浆（ % ） 2 >90

核酸含量： DNA 含量恒定

RNA 含量与细胞生长状态有关

第二节核酸的化学组成

1 、碱基

嘌呤碱

嘧啶碱

腺嘌呤 A

鸟嘌呤 G

胞嘧啶 C

胸腺嘧啶 T

尿嘧啶 U

DNA/RNA

DNA/RNA

DNA/RNA

DNA

RNA

嘌呤 (purine)

N

N

NH

N1

23

4

567

89

N

N

NH

N

NH2

腺嘌呤 (adenine, A)

N

NH

NH

N

NH2

O

鸟嘌呤 (guanine, G)

碱 基

N

NH1

32

45

6

嘧啶 (pyrimidine)

胞嘧啶 (cytosine, C)

N

NH

NH2

O

尿嘧啶 (uracil, U)

NH

NH

O

O

胸腺嘧啶 (thymine, T)

NH

NH

O

O

CH3

2. 戊 糖

（构成 RNA ）核糖 (ribose)

（构成 DNA ）脱氧核糖 (deoxyribose)

1

2

4

5

3

O

OHOH

HHH

CH2OH

H

OH O

HOH

HHH

CH2OH

H

OH

1

2 3

4

5

碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷 (nucleoside) （或脱氧核苷）。

ÏÙàÑßʺËÜÕ

N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2OH

H1'

2'

ÌÇÜÕ¼ü

°ûà×à¤ÍÑÑõºËÜÕ

1

N

NO

NH2

1'

2'

O

HOH

HH H

CH2OH

H

ÌÇÜÕ¼ü

3 、核苷

核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP

脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

ÌÇÜÕ¼ü

õ¥¼ü

ÏÙÜÕËá

N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2

H1'

2'

OP

O-

HO

O5'

4 、核苷酸

5 、细胞中游离的核苷酸及其衍生物

腺苷酸及其多磷酸化

合物

N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2

H1'

2'

OP

O-

O

O

PO

O-

O

P

O-

-O

O¦Á¦Â¦Ã

Ò»Á×ËáÏÙÜÕ£¨ AMP£©

¶þÁ×ËáÏÙÜÕ£¨ ADP£©

ÈýÁ×ËáÏÙÜÕ£¨ ATP£©

环化核苷酸 : cAMP ， cGMP参与细胞代谢调节

N

N

N

N

NH2

O

OHO

HH H

CH2

H

O

PHO

O cAMP

辅酶类核苷酸 辅酶Ⅰ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸， NAD+

辅酶Ⅱ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸， NADP+

黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)

辅酶 A （ CoA ） NAD+ 及 FAD 是生物氧化体系的重要组成成分，

在传递氢原子或电子中有着重要作用。 CoA 作为有些酶的辅酶成分 , 参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化作用。

一、 DNA 的一级结构

DNA 的一级结构是由四种脱氧核糖核苷酸，即 dAMP 、 dTMP 、 dCMP 、 dGMP ，通过 3',5'- 磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。

第二节 脱氧核糖核酸

5´ 端

3´ 端

核苷酸之间以 3 , 5

- 磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。

C

G

A

5 ´ pApCpTpGpCpT-OH 3´

5´ A C T G C T 3 ´

DNA 的书写方式

P P P P P OH5 ´ 3´

A C T G C T

P

二、 DNA 的二级结构－双螺旋结构

（一） DNA 双螺旋结构的研究背景

（ 1 ） Chargaff 规则（ 20 世纪 40~50 年代）

不同物种的 DNA 碱基组成不同；

同一生物体的不同组织的 DNA 的碱基组成相同

；

[A]=[T] ， [G]=[C] ， [A]+[G]=[T]+[C]

（ 2 ） Wilkins 和 Franklin 的高质量的 X- 衍射

图

（二） DNA 双螺旋结构模型要点

1. 两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋 (double helix) 。螺旋直径 2nm ，表面有大沟和小沟。

2. 磷酸 - 脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含 10 个碱基对 ，螺距为 3.4nm

。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。

3. 两条链通过碱基间的氢键相连， A 对 T 有两个氢键， C 对 G 有三个氢键，这种 A-T 、 C-G 配对的规律，称为碱基互补规则。

4. 维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。

碱基互补配对

TTAA GGCC

（三） DNA 双螺旋结构的多样性

Z 型 DNAB 型 DNAA 型 DNA

A-DNA ：脱水条件下 DNA 双螺旋及生理条件下的RNA 双螺旋和 DNA-RNA杂合双螺旋中。

结构特征：右手双螺旋、螺旋直径 2.6nm 、螺距2.5nm ， 11 个碱基 / 周。

Z-DNA ：存在与 CGCGCGCG 结晶体结构中。

结构特征：左手螺旋、螺旋直径 1.8nm 、螺距 4.5nm 、 12 碱基 /周、核酸链骨架呈 Z 字型。

Z 型 DNA 常存在于基因的调控区域。

三链 DNA （ triple helix DNA ）是在 Watson-Crick 双螺旋基础上形成的，其中大

沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在 三 螺 旋 DNA

中三个碱基配对

（ Hoogsteen bas

e pairing ） 形 成

三碱基体 :T-A-T

， C-G-C 。

（四）与 DNA 碱基顺序相关的特殊二级结构(1). 回文序列：是指 DNA 某一片段旋转 180.

后 , 顺序不变的序列

发夹结构

十字型结构

(2) 镜象重复

是指 DNA 某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。

（五）原核生物 DNA 的高级结构

（六） 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 (nucleosome) 。

核小体的组成DNA ：约 146bp

组蛋白： H1H2A ， H2BH3H4

串珠状核小体结构

串珠状核小体

DNA 双螺旋片段

染色质纤维

伸展形染色质片段

密集形染色质片段

整个染色体

第三节 核糖核酸

OH

OH

OH

5´

3´

RNA 和 DNA 有三点不同之处。

第一， RNA 骨架含有核糖而不是 2’－脱氧核糖。

第二， DNA 中的胸腺嘧啶被 RNA 中的尿嘧啶取代，尿嘧啶有着和胸腺嘧啶相同的单环结构，但是缺少5’甲基基团。

第三， RNA 通常以单链形式存在。

一、 tRNA

⑴ 分子量在 25kd 左右，由73~88 个核苷酸组成，沉降系数在 4S 左右

⑵ 碱基组成中有较多的稀有碱基

⑶ 3′ 末端都为 -P-C-C-AOH，用来接受活化的氨基酸

(4) 5′-末端大多为 PG- ，也有 PC- 的 。

(5) tRNA 的二级结构都呈三叶草形 。三叶草结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码子环、 TψC环和额外环。

6.tRNA 三级结构的形状象一个倒写的 L 字母

二、 mRNA

1. 原核生物的 mRNA 是多顺反子，真核生物的 mRNA 是单顺反子。

顺反子：是决定一条多肽链的完整的功能单位

5´ 3´

顺反子 顺反子 顺反子

插入顺序 插入顺序先导区 末端顺序

原核细胞 mRNA 的结构特点

AAAAAAA-OH

5´ “帽子” PolyA 3´

顺反子

m7G-5´ppp-N-3 ´ p

2. 大多数真核细胞 mRNA 在 3’-末端有一段多聚腺苷酸（ polyA ）， 5 ， -末端还有一个帽子结构。

三、 rRNA

第四节 核酸的理化性质

一、 UV吸收

二、核酸的两性解离性质

三、 DNA 的变性、复性与分子杂交

一、 UV吸收

DNA 的紫外吸收光谱1.天然 DNA

2. 变性 DNA

3. 核苷酸总吸收值

核酸在波长 260nm 的紫外光下有最大光吸收

1. DNA 或 RNA 的定量OD260=1.0 相当于

50 g/ml 双链 DNA

40 g/ml 单链 DNA （或 RNA ）20 g/ml 寡核苷酸

2. 判断核酸样品的纯度DNA 纯品 : OD260/OD280 = 1.8

RNA 纯品 : OD260/OD280 = 2.0

OD260 的应用

二、核酸的两性解离性质及等电点

当核酸分子的酸性解离和碱性解离程度相等

，所带的正电荷与负电荷相等，即成为两性

离子，此时核酸溶液的 pH就称为等电点。

核酸溶液在等电点时溶解度最小

核酸电泳

琼脂糖凝胶电泳

三、核酸的变性与复性

变性是指核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链的无规则线团，使核酸的某些理化性质改变，并不涉及共价键的断裂。

核酸变性的因素：加热、极端的 pH、有机溶剂、尿素等。

（一）、 DNA 的变性

DNA 变

性的过程

DNA 变性后的变化：粘度降低，浮力密度升

高，失去生物活性，产生增色效应。

增色效应： DNA 变性后，隐藏于螺旋内部的

碱基暴露出来，使得变性后的 DNA 对 260nm

紫外光的吸光率增加的现象。

紫外吸收光谱1.天然 DNA

2. 变性 DNA

3. 核苷酸

完全变性后核酸紫外吸收值：

天然 DNA增加 25 － 40% 、 RNA增加约 1.1

%

DNA 热变性时，其紫外吸收值到达总增加值一半时的温度，称为 DNA 的变性温度，亦称为该DNA 的熔点或熔解温度， 用 Tm 表示

。

DNA 变性的特点：

变性过程是“跃变式”的

影响 Tm 值的因素

1. 溶液的性质 2.DNA 中碱基组成的影响

大肠杆菌 DNA 在不同浓度 KCl 溶液下的熔融温度曲线

（二） DNA 复性

复性：变性 DNA 分开的两股链在适当条件下重新生成双链结构的过程

退火（ annealing ） : 热变性的 DNA 经缓慢冷却复性的过程。

分子杂交

当两条不同来源的 DNA （或 RNA ）链或 D

NA 链与 RNA 链之间存在互补的碱基序列时，在一定条件下可以通过互相配对形成双螺旋分子，这种分子称为杂交分子。形成杂交分子的过程称为分子杂交（ molecular hybridization ） 。

核酸探针（ nucleic acid probe ） : 某一具有特定序列并且用同位素或其他化学方法标记的 DNA 或 RNA 片段。通常是人工合成的。

分子杂交图

核酸分子杂交的应用研究 DNA 分子中某一种基因的位置

确定两种核酸分子间的序列相似性

检测某些专一序列在待检样品中存在与否

是基因芯片技术的基础

两种最重要的生物大分子比较

组成单位 氨基酸 核苷酸组成单位 20 种 A 、 C 、 G 、 T (DNA)的种类 A 、 C 、 G 、 U (RNA)

连接方式 肽键 磷酸二酯键

一级结构 AA排列顺序 碱基序列

空间结构 二、三、四 螺旋、超螺旋、蛋白 级结构 - 核酸非共价结合功能 生命活动 遗传信息贮存、传代、 直接执行者 表达 ,决定蛋白结构

蛋白质 核酸

The end