1

核苷

核酸（ DNA 、 RNA →） 核苷酸 戊糖

含氮碱基

磷酸

一、核酸的结构

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1.   碱基

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4

R苷

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2. 戊糖

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3. 核苷

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4. 核苷酸

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9

碱基上有修饰： 核苷的大写字母前加上代表修饰基团 的小写字母右上方写明碱基的第几位 m2G 表示 2-N- 甲基鸟苷

位置 m3

2 2 7G 表示 N2 ， N2 ， 7- 三甲鸟苷

数量

S4U 表示 4- 硫代尿嘧啶

甲基

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3. 核苷酸（ 1 ）     ATP dCTP

(AMP 、 ADP 、 dCMP 、 dCDP)

（ 2 ）  pG Up pppA

5’ 磷酸鸟苷 3’ 磷酸尿苷 5’ 腺苷三磷酸

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（ 3 ）环核苷酸 cAMP 、 cGMP

表示磷酸与 3’ 、 5’ 核苷羟基相接 U ＞ P

表示磷酸与 2’ 、 3’ 核苷羟基相接 2’, 3’ 环化尿苷酸

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5. 核苷酸的应用 ATP 、 GTP 、 UTP 、 CTP 参于代谢 5FU （ 5 －氟尿嘧啶） 抗癌药物 6MP （ 6 －巯基嘌呤） 抗癌药物 5’- 碘脱氧尿苷 治疗病毒性心肌炎 AZT （ Azido thymidine 叠氮基胸苷） 抗 AIDS 病毒 cAMP 、 cGMP 第二信使

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二、 DNA 的一级结构 ( 一） DNA 的一级结构的概念 1. DNA 的一级结构是指脱氧核苷酸 （碱基）在 DNA 分子中的排列顺序 2. DNA 分子中脱氧核苷酸的连接方式 3’ ， 5’ 磷酸二酯键 3. 直线形 DNA 有二个末端： 5’ 磷酸末端 和 3’ 羟基末端

 

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  A. 分子结构式 B ．线条式 C ．字母式

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4. 端粒（ telomere ） DNA 结构与功能

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1) 端粒 DNA 的结构 真核生物线性染色体末端的 DNA 序 列 , 称为端粒。 端粒 DNA 序列相当保 守，端粒 DNA 的 3’ 末端是由数百个串 联的重复序列，重复序列由 G- 丰富的 6 个核苷酸组成 . 重复序列因种属而异。 如：四膜虫为 -GGGGTT-

人为 -AGGGTT- 。

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2 ）端粒 DNA 的功能 a 保证线性 DNA 的完整复制 b 维持染色体的稳定 c 决定细胞的寿命

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1.DNA 分子十分巨大，最小的 DNA 分子 也包含有几千 bp ，分子量在 106 以上。 人类基因组含有约 3.1 ×109bp 。

( 二） DNA 的一级结构特点

( 碱基对 base pair, bp)

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2. 每一物种 DNA 都具有其特有的碱基 组成。

3. 有些碱基常被甲基修饰，称为甲基 化 (methylation) 。

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( 三 ). DNA 的一级结构的测定 1) 双脱氧末端 终止法―― Sanger 法 2) 化学法―― Maxan-Gilbert 法

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1. DNA 双螺旋结构的提出

三、 DNA 的二级结构

Watson和 Crick在 1953年提出了著名的 DNA双螺旋结构模型。这个模型不仅解释了 DNA的理化性质，而且将结构与功能联系起来，大大推动了分子生物学的发展。

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** 双螺旋提出的根据 1) DNA 纤维晶体的 x- 衍射研究 1952 年 Wilkins 等 2) Chargaff 的碱基分析 A ＝ T G ＝ C A ＋ T ／ G ＋ C 的比值 不同来源 DNA 是不同的 3)  碱基和核苷酸的结晶学资料

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2. DNA 的双螺旋结构的特点 1) B 型 DNA 结构

26DNA 双螺旋结构

27 碱基配对结构基

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a. DNA 双链反向平行      b. 碱基配对        * A ＝ T G≡C

* 碱基是一个平面环分子。在双螺旋 中平面垂直于螺旋轴 * 相邻碱基相距 0.34nm 每 10 个碱基旋 转 1 圈双螺旋螺距为 3.4nm 相邻两个 碱基正好相差 360

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c ．在 DNA 双螺旋分子上交替存在着 大沟和小沟 蛋白质通过大沟和小沟识别碱基序 列的特异性，其中大沟对于的识别、 结合尤为重要。

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d ．维持双螺旋的力量

氢键 碱基堆积力（ base stacking force ）

碱基平面叠在一起，存在着 Van der Waals力

碱基 疏水性，在双螺旋内部形成疏水的力量

离子键

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2. DNA 的右手螺旋和左手螺旋 * DNA 构象与核苷酸顺序碱基组成有关 并取决于环境条件（盐类、相对湿度）

* 主要构象类型：右手螺旋： A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 T 型 DNA

左手螺旋： Z 型 DNA

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湿度和盐类对 DNA 构象的影响多核苷酸 盐类 相对湿度％ 构象类型

Na+ 75 A

Na+ 92 B

Li+ 44 C

Li+ 66 B

T2噬菌体DNA Na+ 60 T

DNA－RNA杂合链 Na+

33－92 A

天然RNA（逆转录病毒） Na+ 高达92 A

Na+ 43 Z

Na+ 高达92 A

Li+ 81 B

天然 DNA

Poly (dG-dC)

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   1 .  右手螺旋 1 ） B 型 生理条件下最普遍的形式 2 ） A 型 RNA 双螺旋及 DNA － RNA

杂交链（空间位阻小，有利于转录） 3 ） C 型 线粒体 DNA及一些病毒 4 ） D 型、 E 型 存在于噬菌体等生物中 

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 2. 左手螺旋 Z 型 DNA

1) 发现 :

1979 年 A. Rich 等人工合成六聚体 d （ CGCGCG ）单晶进行 X －射线 衍射分析，数据表明是 Z 型骨架。 左手双螺旋 DNA

     2) Z － DNA 的结构特点 :

每个螺旋由 12 个碱基对构成，螺距 4.46nm 直径 1.8nm

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            b. 脱氧胞苷的碱基取反式构象，脱氧 鸟苷的碱基是顺式。在 Z － DNA 中 G － C 交替而出现顺式和反式构象 交替。使糖 - 磷酸的主链的走向呈 “之”字型，这 样 Z-DNA主链呈锯 齿状（ Zig-Zag ）走向。            c. 大沟消失，小沟变深

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      d. 体内存在的 Z-DNA 序列特点 :

(1) DNA 序列必须是嘌呤嘧啶交 替排列 如： CGCGCG

GCGCGC

⑵ 序列中必须有 5- 甲基胞嘧啶的存在 如： m5C GATm5C G

Gm5CTA Gm5C

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E. 与 Z-DNA 结合的特殊蛋白质F ． DNA 的负超螺旋结构有利于 Z-DNA 的稳定G ．抗 Z-DNA 抗体

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3 ） Z-DNA 的功能： ①基因表达有关 Z-DNA 抗体常常紧密地结合在染色 体的疏松部位 , （增强转录活性的位点） .

Liu 等研究表明 : 在核小体中重建人类 CSF1基因时 , Z-DNA 在转录启动子区 域起着重要的作用

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② 基因调控 Hochschild 等报道 , 一旦发现细菌调控 蛋白紧密结合于它的调控位点 , 就通过 RNA聚合酶来激活相关基因的表达 ,

Z-DNA可能参与识别这种蛋白质的调 控或激活这个基因 .

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③ 基因重组 Willia 等做的黑粉菌实验指出 , Z-DNA

在基因重组中起非常重要的过度作用 .

在黑粉菌中有一种 rec1酶能使染色体 第一次配对后互相交换片段 , 在配对时 由 rec1酶使 Z-DNA 的双链产生 , 并且这 种酶与 Z-DNA亲和力比 B-DNA 高 75

倍 , Z-DNA 与 rec1酶紧密结合是这一 时期的主要特征 .

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④ 疾病治疗与新药开发 Kim 等研究表明 , 一种关键的痘病毒蛋 白 E3L蛋白 (已知该蛋白是病毒摧毁动 物细胞的防御系统所必需的 ) 是通过 Z-DNA 结合、干扰防御系统的运行来 行使功能的。 E3L 是牛痘的致病蛋白 质之一，通过修饰该蛋白质的活跃位 点可以使其丧失功能。

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表 2 右手螺旋与左手螺旋 DNA 分子的比较__________________________________________________项 目 A-DNA B-DNA Z-DNA__________________________________________________

螺旋方向 右旋 右旋 左旋每转 1 圈碱基数 11 10 ． 4 12

螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm

螺距 2.46nm 3.32nm 4.56nm

碱基平面的倾角 19o l o 9 o

大沟 窄，很深 宽，较深 平小沟 很宽，浅 窄，较深 很窄 , 深__________________________________________________

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4.三螺旋 DNA

三螺旋 DNA （ triple-helical DNA)

三链 DNA （ triple strands of DNA)

是一条 DNA 链在 DNA 的大沟与 DNA

双螺旋中的一条 DNA 链以氢键相结 合形成的三股螺旋结构。

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1. 三螺旋 DNA 结构：1) 三螺旋 DNA 是在 DNA 双螺旋结构的 基础上形成的，三链区的三链均为 同型嘌呤（ homo purine HPU ）或 同型嘧啶 (homo pyrimidine HPY ）

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 2) 根据三条链组成及相对位置又可分为 Pu-Pu-PY （偏碱性介质中稳定） Py-Pu-Py （偏酸性介质中稳定）3) 链中的碱基配对方式两个碱基符合 Watson-Crick 碱基配对“ - ” ，另个 碱基 按 Hoogsteen 模型“ · ” 即 T · A - T C ＋ · G - C ( 第三位上的 “ C” 必须质子化 ) A · A - T

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4 ） H-DNA

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H-DNA某区段 DNA 两条链分别为 HPU 和 HPY ，并且各自为镜像重复结构 。若其中一条完整的嘧啶链与半条嘌呤链组成三股螺旋结构，剩下的半条嘌呤链以单链形式存在。或一条完整的嘌呤链与半条嘧啶链组成三股螺旋结构，剩下的半条嘧啶链以单链形式存在。这种三股螺旋和单链 DNA 复合区被称 H-DNA 。

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(a) 嘧啶 - 嘌呤 - 嘧啶三螺旋 DNA 序列(b) 三螺旋 DNA 结构示意图

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2. 生物学意义及应用： 1 ）三螺旋 DNA 结构常位于 DNA 一些 重要的部位。如复制的起始点或终 点，转录的调控区或调节蛋白结合 位点以及 DNA 重组位点，提示与这 些功能相关。 2 ）丰富了 DNA 结构学说

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b. 用寡聚 DNA片段封闭转录因子结合 点关闭有害基因活病毒基因。 （抗肿瘤，病毒，寄生虫等）

3) 基因治疗中的应用        a. 单链 DNA片段可携带切割剂（核酸 内切酶， EDTA-Fe 等）携带止 DNA

的特定位点，选择性切断 DNA 。

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四、 DNA 的变性、复性和杂交   1. 变性（ denaturation)

1 ）概念 ：当 DNA 的二级结构和 三级结构受到物理化学等因素的破 坏而解体，其一级结构核苷酸间共 价键并不断裂，使配对碱基间氢键 断裂，有序的螺旋解离成无序单链 的过程称为变性。

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**引起变性的因素 常见的有加热、酸、碱、乙醇、丙酮、尿素、甲 酰胺等作用，

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2) 变性过程中 DNA 理化性质发生改变 ①  增色效应 (hyperchromic effect)

② 浮力密度↑ ③ 黏度↓ ④ 旋光度变小 ⑤ 沉淀速度↑

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3 ） DNA 的熔解曲线 (melting curve)

①熔解温度（ melting temperature, Tm ） 通常将 50% DNA 分子变性时的温度 称为熔解温度。 ** 一般 DNA 在生理条件下 Tm 在 85-95oC之间

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DNA 的熔解温度

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(2) 影响 Tm 的因素 Ⅰ. DNA 的碱基组成 （ G ＋ C ↑）％ Tm↑

（ G ＋ C ）％每增加 1, Tm 线性增加 0.41℃ （ G ＋ C ）％为 40％， Tm 为 87℃ （ G ＋ C ）％为 60％， Tm 为 95℃

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Ⅱ.介质中的离子强度 盐浓度↑ Tm↑, 变性过程跨越的温 度范围更狭窄 , 如单价离子浓度增 加 10倍 , Tm增加约 16.6 ℃

Ⅳ. 变性剂 50％甲酰胺可使 Tm降低 30℃

Ⅲ. DNA 的均一性

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离子强度对 Tm 的影响

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2. 复性 (renaturation)

(1) 概念：变性的两条 DNA单链在合适 条件下，可按原来的碱基配对再结合 在一起，形成双螺旋结构。 * 退火（ annealing ） :

加热变性的 DNA 分子在温度缓慢 降低时可恢复到原来正常 DNA 的结 构 , 这个复性过程又称“退火”

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(2) 影响 DNA 复性因素 1 ） DNA 序列 简单序列 复性快 2 ） DNA浓度 浓度高 复性快 3 ） DNA片段大小 小片段 DNA易于复性

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4 ） 温度 复性最佳温度为 Tm-25℃ （一般为 60℃， 50％甲酰胺存在最佳温度 42℃） 5 ） 溶液中离子浓度 盐浓度需在 0.4mol ／ L 以上

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3. 杂交（ hybridization ） 1) 概念 : 不同来源但具有同源性的 两条 DNA 或 RNA单链， 按碱基配 对的原则结合，这一过程为杂交， 可以是 DNA-DNA 、 RNA-DNA 、 RNA-RNA之间进行。

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2) 核酸分子杂交常用的技术 ① Southern印迹分析法 1975 年英国科学家 Southern 首先 提出并利用此方法检查基因组 DNA

的特异序列。 ② Northern印迹分析法

根据 Southern 法的基本原理，分 析检测 RNA 。

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③ 斑点杂交④ 细胞原位杂交⑤ 菌落或噬菌斑原位杂交

3). 分子杂交的探针        ① 概念 : 探针是分子杂交的必要工具， 它是带有某种标记的一段碱基序列， 与待测基因序列的 DNA 或 RNA或寡 聚核苷酸互补。

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② 探针的标记 ⅰ）放射性同位素标记 如用 32P 、 35S 、 3H

ⅱ ）非放射性标记 主要有生物素标记、 地高辛标记