第一章 核酸化学Chapter 1 Chemistry of Nucleic Acid

• 核酸的化学组成• 核酸的结构• 核酸的性质• 真核生物染色体 DNA 的结构特点

第一节 核酸的化学组成一、核酸的概念

• 酸性的大分子物质，与碱性蛋白（组蛋白、鱼精蛋白）结合存在于细胞核中。

• 由许多核苷酸排列组成，是遗传的物质基础。

• 核苷酸 = 磷酸 + 戊糖 + 碱基 （ < 脱氧 > 核糖）（嘌呤和嘧啶）

Nucleotide= + (Deoxy)Ribose + Base (Purine\ Pyrimidine)

第一节 核酸的化学组成

二、核糖与脱氧核糖核糖的 C2 上 O 脱去成为脱氧核糖。

据此，将核酸分为 DNA （ deoxyribonucleic acid ）：大部分在核中 RNA （ ribonucleic acid ）：核、质均有分布

有三种 RNA ： tRNA 、 mRNA 、 rRNA

（ 15% ）（ 5% ）（ 80% ）

第一节 核酸的化学组成

三、碱基 (base) ：嘌呤与嘧啶碱基

共有 5 种： 嘌呤碱基： Adenine 、 Guanine

嘧啶碱基： Cytosine 、 Thymine

Uracil (RNA 特有 )

另有一些稀有碱基，如 Inosine (Hypoxanthine) < 多见于 tRNA的 6- 氧嘌呤， cf. Adenine 6- 氨基嘌呤 >

第一节 核酸的化学组成

四、核苷与核苷酸 (nucleoside & nucleotide)

核苷：核糖（或脱氧核糖） + 碱基糖环上 C1 与碱基 N9 （嘌呤）或 N1 （嘧啶）形成糖苷

键

核苷酸：核糖（或脱氧核糖） + 碱基 + 磷酸( 脱氧 ) 核苷酸： 戊糖的 C2 、 C3 、 C5 位均可接。

生物体内大多是 5 - ，即接在 C5 上。

cf. 多核苷酸与多核苷酸。

第一节 核酸的化学组成

五、环化核苷酸

如： 3 , 5-AMP 和 3 , 5-GMP

作为第二信使在细胞内起作用。

六、辅酶类的核苷酸

如： NAD+ 、 NADP+ 、 CoA 、 FAD 均含腺嘌呤核苷酸。

第二节 核酸的结构

一、核酸的连接方式

• RNA 、 DNA 均无分支 （ cf. 多糖）• 主链由戊糖、 组成，以 3 ， 5 - 二酯键连接。

NB 单独的核苷酸中有无 3 ， 5 - 二酯键？e.g. 环化核苷酸

• 开链具有 5 - 和 3 - 端。

第二节 核酸的结构

二、核酸的一级结构 (Primary Structure)

• 即核苷酸的排列方式。// cf 蛋白质的一级结构

DNA 的遗传信息是由碱基的精确排列结构决定的。• 测定方法 (Sanger, 1977 ； Maxam & Gilbert, 1977)

----HGP (Human Genome Project)• 简 ( 缩 ) 写 \ 读方式：

单链：从 5 - 端到 3 - 端。线条式、文字式（ cf. 蛋白质）

双链：注明两条链的走向。

第二节 核酸的结构

三、 DNA 的二级结构 (Secondary Structure)

DNA 双螺旋结构模型 (Double Helix Structure Model of DNA) 的主要依据：

• Chargaff 定则 ( 碱基配对、等比定律 ) ： A=T 、 GC ； A+G=C+T

• X- 射线衍射数据• 电位滴定行为

5‘-- 末端

3‘-- 末端

磷酸基

糖基

氢键

碱基

Double Helix Structure Model of DNA

第二节 核酸的结构

三、 DNA 的二级结构

DNA 双螺旋结构模型要点：• 两条多核苷酸链反向平行，主链为右手螺旋。主链在外侧，碱

基在链的内侧。• 两条链的碱基之间按 A=T 、 GC 配对，以氢键相连，碱基对

(base pair) 平面与纵轴垂直。主链上戊糖与以 3 ， 5 - 二酯键连接，糖环平面与纵轴平行。

• 双螺旋的直径为 2nm ，相邻碱基对的距离是 0.34nm ，夹角为 36° ，即每个螺旋含 10 个核苷酸残基，螺距 3.4nm 。

第二节 核酸的结构

三、 DNA 的二级结构

DNA 双螺旋结构稳定的因素：• 氢键• 碱基堆积力：主要的稳定因素• 离子键：核苷酸带负电荷，与介质中的阳离子结合形成。• 与组氨酸或多胺结合

Any applications?

第二节 核酸的结构

三、 DNA 的二级结构

DNA 构象的多态性：双链 DNA 右旋 A-DNA ： RH 75% ，结合 Na 盐

B-DNA ： RH 92% ，结合 Na 盐 C-DNA ： RH 66% ，结合 Li 盐

左旋： Z-DNA 螺旋 ( 在多核苷酸骨架上呈 Z- 字形分布 )

三链 DNA ：与基因的表达调控有关 第三条链如何排列 \ 配对 ?

DNA 的三级结构

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构1. RNA 的类型与分布：由 DNA 复制后转录而来。1). 细胞质 RNArRNA （ 80% ）：合成蛋白质的场所，分子量大。较稳定。mRNA （ 5% ）：含有 DNA 的遗传信息，在核糖体翻译为蛋白质。

种类较多。最不稳定。tRNA （ 15% ）：携带氨基酸，分子量小 (4S) 。稀有碱基丰富。其中， rRNA 在原核细胞和真核细胞中有所不同：原核细胞： 70S= 30S=16S+Proteins

50S=23S+5S+Proteins

真核细胞： 80S= 40S=18S+Proteins

60S=28S+5.8S+5S+Proteins

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构1. RNA 的类型与分布：由 DNA 复制后转录而来。2). 细胞核 RNA前体 RNA ：是迁移的 RNA ，是细胞质中 RNA 的前体。其分子量比

成熟的 mRNA 大得多。hnRNA ：即核不均一 RNA ，指 mRNA 的前体，存在于

核内。

小分子 RNA ：非迁移的 RNA ，分子量小 (4-5S) 。通常在核中与染色质结合，形成固定的结构，故称染色

质 RNA (chRNA) 。

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构2. RNA 的碱基组成：

• 由 U 代替 DNA 中的 T 。其它同 DNA 。• 单链、无分支的多核苷酸链。• 不存在严格的碱基配对。即 RNA长链不是从头到尾的碱基配

对，只是局部地方存在碱基配对。==>出现链内盘旋、折叠、扭曲等，形成局部的环、突起、颈

(茎 ) 环 (“发卡 \ 夹” ) 结构。

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构3. RNA 的一级结构：

以 mRNA 为例 (编码组蛋白的 mRNA除外 ) ，有以下特征：• 3 - polyA

• 5 - 有帽子结构： (5 ) -mG- 5 ppp 5 -Nm-G

• polyA 与 mRNA 从核到质中迁移有关。 polyA随时间延长而变短。帽子结构抗 5 - 核酸外切酶降解。

• 5 - 帽子结构下游有一不编码区，与核糖体结合 ( 蛋白质合成的起始 ) 。 3 - 上游也有一不编码区，功能不详。

cf. 原核细胞的核膜不完整，其 mRNA 的 5 - 、 3 - 端无此类结构。

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构4. RNA 的二级结构：以 tRNA 为例：“三叶草”形• 氨基酸臂。所有 RNA 的 3 -末端均为 -CCA ，氨基酸可挂在 A

中戊糖的 2 - 或 3 -OH 上。 ==> 携带氨基酸的功能。 5 - 端富有 G ，使之更加稳定。

• dhU 环。 Uracil 的 5,6- 双键饱和形成 dhU 。被氨基酸 DNA 合成酶识别。 dhU臂由 3-4 对碱基组成。

• 反密码子 (anti-codon) 环。反密码子由 3 个碱基组成，与氨基酸的密码子配对，决定携带何种氨基酸。此环常出现次黄嘌呤 (I) 。有 5-7 bp 组成反密码子臂与其它部分相连。

第二节 核酸的结构

四、 RNA 的结构4. RNA 的二级结构：以 tRNA 为例：“三叶草”形• 额外环。是可变区，可含 3-18 个碱基。不配对的碱基组成臂。

是 tRNA 分类的指标。• TC 环。 7 个核苷酸组成，与核糖体结合有关。由 5 对碱基组

成 TC臂与其它部分相连。 ：假尿嘧啶核苷酸。尿嘧啶与核糖形成 C5-C1 糖苷键。NB tRNA 的稀有碱基： 如 I 、、 mG 、 T 等

tRNA 的三级结构：倒“ L” 形

第三节 核酸的性质

一、核苷酸的性质• 无色、溶于水。• 由于 base 具有共轭双键，所以核苷、核苷酸和核酸均有紫外吸收 (240-290 nm) ，最大吸收值在 260 nm处。定量测定？

二、核酸的性质 一般性质• DNA 为白色纤维状固体， RNA 为白色粉末。• 均为两性电解质。微溶于水 (溶液呈酸性 ) ，不溶于有机溶剂。

==> 用 70-95%乙醇提纯核酸。• 粘度 DNA>RNA 。溶解度： RNA易溶于低盐 (0.14M NaCl) ，

DNA易溶于高盐浓度 (1M NaCl) 。• 室温下，稀碱能水解 RNA ，而 DNA 稳定。稀酸可水解 DNA ，

而浓酸可水解 RNA 。

第三节 核酸的性质

二、核酸的性质 颜色反应：• 苔黑 (地衣 )酚法（ 5-甲基间苯二酚） ----鉴定 RNA

生成的绿色化合物在 670 nm处有最大吸收值。• 二苯胺法 ----鉴定 DNA

生成的蓝色物质在 595 nm处有最大吸收值。

重要性质：增色效应和减色效应双螺旋结构比单个核苷酸的 UV吸收低 30-40% 。

定量测定的依据？

第三节 核酸的性质

二、核酸的性质

核酸的变性和复性（ denature & renature ）1. 变性：核酸的氢键断裂，成为单链无规则线团状。 ==>增色效应

不涉及磷酸二酯键的断裂 < 称降解 > 。 (cf 蛋白质的变性 )

高温、酸、碱和有机溶剂均可使核酸变性。

• Tm值： DNA热变性时，增色效应达 50%( 即 OD值达最大值的一半 )时的温度。亦称熔点 \熔解温度。熔解是爆发性的过程，熔距仅几度。 Tm值一般在 70-85C 之间。经验公式

• 与 Tm值有关的因素： G 、 C 含量；盐溶液浓度； DNA 的均一性。

第三节 核酸的性质

二、核酸的性质

核酸的变性和复性 （续）

2. 复性：变性的 DNA 在适当条件下重新缔合成为双螺旋结构的过程。 ( 部分重新结合现象称“退火”。 ) ==>减色效应

• 与复性有关的因素：温度下降速度：慢，可以复性，否则不能复性。DNA片段：越大，复性越慢。DNA浓度：越大，复性越快。

第三节 核酸的性质二、核酸的性质

核酸的变性和复性（续）

3. 分子杂交：变性的 DNA 在适当条件下可能重新配对形成双螺旋结构，但不一定与原来的 DNA片段结合。若与其它 DNA(RNA)片段结合，称“ DNA(RNA)杂交”。 ==>应用？

4. 降解： 3 -5 二酯键断裂，分子量下降。降解后的 DNA 不能复性。cf. 变性不影响分子量。

第四节 真核生物染色体 DNA 的结构特点

• DNA 的重要功能：DNARNAProtein Biological Function

物种遗传——复制 控制性状——转录与翻译

• 基因：DNA 分子上一段编码表达多肽链或 rRNA 或 tRNA 的核苷酸序列。

第四节 真核生物染色体 DNA 的结构特点

一、重复序列

第四节 真核生物染色体 DNA 的结构特点

二、内含子和外显子 (intron & exons)

即断裂基因 (split gene) 外显子——基因中能够编码蛋白质的核苷酸序列。 内含子——基因中不能编码蛋白质的核苷酸序列。

通常，基因都至少有一个内含子，也称插入序列、居间序列。 真核细胞中，除编码组蛋白的基因外，所有编码蛋白质的基因都有内含子和外显子之分。 内含子的作用：•含有调节信号。•将基因分割成交换单位，为基因重组提供条件。

第四节 真核生物染色体 DNA 的结构特点

三、回文结构回文：正反读均有相同意义的句子。（例子？） 回文结构在真核细胞中相当普遍。

5´AATTGTGACAATT 3´

3´TTAACACTGTTAA 5´

若变性后复性，会形成发夹或十字结构。功能：可能与 DNA- 蛋白质之间的识别有关；翻译时遇到回文结构即终止；水解时，内切酶作用点多在回文结构处。