(122)第二章 核酸141

1、第一節(jié)第一節(jié) 核酸概述核酸概述 第二節(jié)第二節(jié) 核酸的種類、分布與化學組成核酸的種類、分布與化學組成 第三節(jié)第三節(jié) 核酸的分子結構核酸的分子結構 第四節(jié)第四節(jié) 核酸的理化性質核酸的理化性質 第六節(jié)第六節(jié) 病毒和核蛋白病毒和核蛋白 第五節(jié)第五節(jié) 核酸的生物學功能核酸的生物學功能主要內容主要內容: :l早在早在18681868年，瑞士年，瑞士F. MiescherF. Miescher從細胞核中從細胞核中分離得到一種酸性物質，即現在被稱為核酸分離得到一種酸性物質，即現在被稱為核酸的物質。的物質。l19391939年，年，E. KnappE. Knapp等第一次用實驗方法證實等第一次用實驗方法證實核酸

2、是生命遺傳的基礎物質。核酸是生命遺傳的基礎物質。 l核酸與蛋白質一樣，是一類非常重要的生物大分核酸與蛋白質一樣，是一類非常重要的生物大分子，是一切子，是一切生物機體不可缺少的組成部分生物機體不可缺少的組成部分。從簡。從簡單的病毒到高等的動、植物都含有核酸。單的病毒到高等的動、植物都含有核酸。l核酸是生命核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅，它不僅對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長發(fā)育，細胞分化等起著重要的作用，而且與生長發(fā)育，細胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關。物變異，如

3、腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關。l因此，核酸化學是現代生物化學、分子生物學和因此，核酸化學是現代生物化學、分子生物學和醫(yī)學的重要基礎之一。醫(yī)學的重要基礎之一。l核酸分為兩大類核酸分為兩大類: :1.1.脫氧核糖核酸（脫氧核糖核酸（DNADNA） D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic A Acidcid2.2.核糖核酸（核糖核酸（RNARNA） R Riboibon nucleic ucleic A Acidcid核酸的種類和分布核酸的種類和分布lDNADNA分子含有生物物種分子含有生物物種的的所有遺傳信息所有遺傳信息，分，分子量一般都很大。子量一般都很大。l

4、DNADNA為為雙鏈分子雙鏈分子，其中，其中大多數是鏈狀結構大大多數是鏈狀結構大分子，也有少部分呈分子，也有少部分呈環(huán)狀結構。環(huán)狀結構。l主要存在于主要存在于細胞核細胞核中中l(wèi)RNARNA主要是負責主要是負責DNADNA遺傳信遺傳信息的息的翻譯和表達翻譯和表達，分子量，分子量要比要比DNADNA小得多。小得多。lRNARNA為為單鏈分子單鏈分子。l主要分布于主要分布于細胞質細胞質中。中。l細胞質細胞質RNARNA可分為三種：可分為三種：mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNAl約占總約占總RNARNA的的3%-5%3%-5%。l不同細胞的不同細胞的mRNAmRNA鏈長和分子量差異很

5、大。鏈長和分子量差異很大。lmRNAmRNA功能是將功能是將DNADNA的遺傳信息的遺傳信息傳遞傳遞到蛋白到蛋白質合成基地質合成基地核糖核蛋白體。核糖核蛋白體。lMessenger RNAl約占總約占總RNARNA的的10-15%10-15%。l它在蛋白質生物合成中起它在蛋白質生物合成中起翻譯翻譯氨基酸信氨基酸信息，并將相應的氨基酸息，并將相應的氨基酸轉運轉運到核糖核蛋到核糖核蛋白體的作用。白體的作用。l已知每一個氨基酸至少有一個相應的已知每一個氨基酸至少有一個相應的tRNAtRNA。lRNARNA分子的大小很相似，鏈長一般在分子的大小很相似，鏈長一般在73-73-7878個核苷酸之間。個核苷

6、酸之間。lTransfer RNATransfer RNAl約占全部約占全部RNARNA的的75%-80%75%-80%，l是是核糖核蛋白體核糖核蛋白體的主要組成部分。的主要組成部分。lrRNA rRNA 的功能與蛋白質生物合成相關。的功能與蛋白質生物合成相關。lRibosome RNA 核酸分子都含有核酸分子都含有C C、H H、O O、N N和和P P五種元五種元素，個別核酸分子中還含有微量素，個別核酸分子中還含有微量S S。其中。其中P P的含量比較接近和恒定，一般為的含量比較接近和恒定，一般為9%-9.2%9%-9.2%，這是這是定磷法定磷法測定核酸含量的依據。測定核酸含量的依據。(

7、(一）核酸的元素組成一）核酸的元素組成l核酸（核酸（DNADNA和和RNARNA）是一種線性多聚核苷）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結構單元是酸，它的基本結構單元是核苷酸核苷酸。l核苷酸本身由核苷酸本身由核苷核苷和和磷酸磷酸組成組成, , l而核苷則由而核苷則由戊糖戊糖和和堿基堿基形成形成lDNADNA與與RNARNA結構相似，但在組成成份上略結構相似，但在組成成份上略有不同。有不同。（二）核酸的組成單位（二）核酸的組成單位-核苷酸核苷酸l 嘧啶l 書84頁l 嘌呤 l 書83頁l 鳥嘌呤l 次黃嘌呤l 黃嘌呤（1 1）組成核苷酸的堿基）組成核苷酸的堿基l腺嘌呤腺嘌呤AdenineNNNHNN

8、H2（1 1）組成核酸的堿基）組成核酸的堿基l鳥嘌呤鳥嘌呤guanineNHNNHNONH2（1 1）組成核苷酸的堿基）組成核苷酸的堿基l尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOO（1 1）組成核苷酸的堿基）組成核苷酸的堿基l胞嘧啶胞嘧啶cytosineNNHNH2O（1 1）組成核苷酸的堿基）組成核苷酸的堿基l胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymineNHNHOOl堿基都具有芳香環(huán)的結構特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)堿基都具有芳香環(huán)的結構特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結構。均呈平面或接近于平面的結構。l堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團可以發(fā)生酮式堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團可以發(fā)生酮式- -烯醇式烯醇式或胺式或胺式- -亞

9、胺式互變異構。亞胺式互變異構。l嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（紫外區(qū)有吸收（260 nm260 nm左右）左右） 胺胺 式式 亞亞 胺胺 式式 互互 變變 異異 構構 胺胺 式式 亞亞 胺胺 式式 互互 變變 異異 構構嘌呤堿和嘧啶堿嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共分子中都含有共軛雙鍵體系，在軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收紫外區(qū)有吸收（260 nm260 nm左右）左右）l組成核酸的戊糖有兩種。組成核酸的戊糖有兩種。DNADNA所含的糖為所含的糖為-D-2-D-2-脫氧核糖脫氧核糖；RNARNA所含的糖則為所含的糖則為-D-D-核糖核

10、糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖l糖與堿基之間的糖與堿基之間的C-NC-N鍵，稱為鍵，稱為C-NC-N糖苷鍵糖苷鍵。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2l核苷酸是核苷的磷酸酯。作為核苷酸是核苷的磷酸酯。作為DNADNA或或RNARNA結構單元的核苷酸分別是結構單元的核苷酸分別是5-5-磷酸磷酸- -脫氧核糖核苷和脫氧核糖核苷和5-5-磷酸磷酸- -核糖核苷。核糖核苷

11、。OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脫氧核糖核苷酸l核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產物。的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產物。 ATP是生物體內分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結是生物體內分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結構如下：構如下：O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)lATP ATP 分子的最顯著特點是含有分子的最顯著特點是含有兩個高能磷

12、酸鍵。兩個高能磷酸鍵。ATPATP水解時水解時, , 可以可以釋放出大量自由能釋放出大量自由能。lATP ATP 是生物體內最重要的是生物體內最重要的能量能量轉換中間體轉換中間體。ATP ATP 水解釋放出水解釋放出來的能量用于推動生物體內各來的能量用于推動生物體內各種需能的生化反應。種需能的生化反應。lATP ATP 也是一種很好的也是一種很好的磷?；瘎┝柞；瘎?。磷?；磻牡孜锟梢允瞧胀柞；磻牡孜锟梢允瞧胀ǖ挠袡C分子，也可以是酶。磷的有機分子，也可以是酶。磷?；牡孜锓肿泳哂休^高的能酰化的底物分子具有較高的能量（活化分子），是許多生物量（活化分子），是許多生物化學反應的激活步驟。化學

13、反應的激活步驟。lGTPGTP是生物體內游離存在的另一種重要的是生物體內游離存在的另一種重要的核苷酸衍生物。它具有核苷酸衍生物。它具有ATP ATP 類似的結構類似的結構, , 也是一種高能化合物。也是一種高能化合物。lGTPGTP主要是作為蛋白質合成中磷?；w。主要是作為蛋白質合成中磷?；w。在許多情況下在許多情況下, ATP , ATP 和和 GTP GTP 可以相互轉可以相互轉換。換。 lcAMP(3cAMP(3,5,5- - 環(huán)腺嘌呤核苷環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸一磷酸) )和和 cGMP( 3cGMP( 3,5,5- -環(huán)環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸鳥嘌呤核苷一磷酸) )的主要功的主要功能是作為細

14、胞之間傳遞信息的能是作為細胞之間傳遞信息的信使。信使。lcAMP cAMP 和和 cGMP cGMP 的環(huán)狀磷酯鍵的環(huán)狀磷酯鍵是一個高能鍵。在是一個高能鍵。在 pH 7.4 pH 7.4 條條件下件下, cAMP , cAMP 和和 cGMP cGMP 的水解的水解能約為能約為43.9 kj /mol43.9 kj /mol，比，比 ATP ATP 水解能高得多。水解能高得多。l多聚核苷酸是通過核苷酸的多聚核苷酸是通過核苷酸的5 5- -磷酸基與磷酸基與另一分子核苷酸的另一分子核苷酸的C C3 3-OH-OH形成磷酸二酯形成磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。鍵相連而成的鏈狀聚合物。l由脫氧核糖核

15、苷酸聚合而成的稱為由脫氧核糖核苷酸聚合而成的稱為DNADNA鏈；鏈；l由核糖核苷酸聚合而成的則稱為由核糖核苷酸聚合而成的則稱為RNARNA鏈。鏈。l在多聚核苷酸中，兩個核苷酸之間形成的磷酸在多聚核苷酸中，兩個核苷酸之間形成的磷酸二酯鍵通常稱為二酯鍵通常稱為5-35-3磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。l多聚核苷酸鏈一端的多聚核苷酸鏈一端的C C5 5帶有一個自由磷酸基，帶有一個自由磷酸基，稱為稱為5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；另一端表示）；另一端C C3 3帶有自由的羥基，稱為帶有自由的羥基，稱為3-3-羥基端（常用羥基端（常用3 3-OH-OH表示）。表示）。l多聚核苷酸鏈具有

16、方向性，當表示一個多聚核多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是苷酸鏈時，必須注明它的方向是5353或是或是3535。l在多聚核苷酸（在多聚核苷酸（DNADNA或或RNARNA）鏈中，由于構成核苷酸單元的）鏈中，由于構成核苷酸單元的戊糖和磷酸基是相同的，體現核核苷酸差別的實際上只是戊糖和磷酸基是相同的，體現核核苷酸差別的實際上只是它所帶的堿基，所以多聚核苷酸鏈結構也可表示為：它所帶的堿基，所以多聚核苷酸鏈結構也可表示為：在討論有關核酸問題時，一般只關心其中堿基的種類和順序，在討論有關核酸問題時，一般只關心其中堿基的種類和順序，所以上式可以進一步簡化為：所以上式可以進

17、一步簡化為： 5PAPCPGPT 3 或或 5 ACGT 3lPP5335PP53P53ACGTl多聚核苷酸是由四種不同的核苷酸單元按特定的多聚核苷酸是由四種不同的核苷酸單元按特定的順序組合而成的線性結構聚合物，因此，它具有順序組合而成的線性結構聚合物，因此，它具有一定的核苷酸順序，即一定的核苷酸順序，即堿基順序堿基順序。l核酸的堿基順序是核酸的一級結構。核酸的堿基順序是核酸的一級結構。lDNADNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于式。生物界物種的多樣性即寓于DNADNA分子中四種分子中四種核苷酸千變萬化的不同排列組合之中

18、。核苷酸千變萬化的不同排列組合之中。lmRNA(mRNA(信息信息RNA)RNA)的堿基順序，則直接為蛋白質的的堿基順序，則直接為蛋白質的氨基酸編碼，并決定蛋白質的氨基酸順序。氨基酸編碼，并決定蛋白質的氨基酸順序。（一）（一）DNADNA的堿基組成（的堿基組成（ChangaffChangaff定則）定則） 1950195019531953年，年，E.ChargaffE.Chargaff應用紙層析及紫外分應用紙層析及紫外分光光度法在研究各種生物的光光度法在研究各種生物的DNADNA堿基組成后堿基組成后 ，提，提出了出了ChangaffChangaff定則定則，闡明，闡明DNADNA堿基組成的普遍

19、規(guī)堿基組成的普遍規(guī)律如下：律如下： (1) (1)來自同一種生物的體細胞的來自同一種生物的體細胞的DNADNA的堿基組成是的堿基組成是相同的，無組織和器官的特異性。來自不同生物相同的，無組織和器官的特異性。來自不同生物DNADNA堿基組成有很大差異，可用堿基組成有很大差異，可用“不對稱比不對稱比率率”A+T/G+CA+T/G+C來表示。這說明來表示。這說明DNADNA堿基組成具有種堿基組成具有種的特異性。的特異性。（一）（一）DNADNA的堿基組成的堿基組成 (2)(2)親緣相近的生物，其堿基組成相似親緣相近的生物，其堿基組成相似，即不對稱比率，即不對稱比率相近似。相近似。 (3)(3)在同一

20、種生物內，其在同一種生物內，其DNADNA分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的數量相等數量相等(A=T);(A=T);鳥嘌呤與胞嘧啶的數量相等鳥嘌呤與胞嘧啶的數量相等(G=C)(G=C)。進。進而而 可知，可知，同一生物同一生物DNADNA分子中的嘌呤堿總量與嘧啶堿分子中的嘌呤堿總量與嘧啶堿總量相等總量相等(A+G=C+T)(A+G=C+T)。 (4)DNA (4)DNA的堿基組成一般不受年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境條件的堿基組成一般不受年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境條件的影響。因而的影響。因而可將可將DNADNA堿基組成作為生物分類的指標。堿基組成作為生物分類的指標。 8787頁表頁表4-44-4

21、l19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. Crick F. Crick 在前人研究工作在前人研究工作的基礎上，根據的基礎上，根據DNADNA結晶的結晶的X-X-衍射圖譜和分子模衍射圖譜和分子模型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型，并對模，并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。lDNADNA分子由兩條分子由兩條DNADNA單鏈組成。單鏈組成。lDNADNA的雙螺旋結構是分子中兩條的雙螺旋結構是分子中兩條DNADNA單鏈之間基團單鏈之間基團相互識別和作用的結果。相互識別和作用的結果。l雙螺

22、旋結構是雙螺旋結構是DNADNA二級結構的最基本形式。二級結構的最基本形式。l（1 1）DNADNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈( (簡簡稱稱DNADNA單鏈單鏈) )組成。組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為即其中一條鏈的方向為5353，而另一條鏈的，而另一條鏈的方向為方向為3535。 （2 2）嘌呤堿和嘧）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋啶堿基位于螺旋的內側，磷酸和的內側，磷酸和脫氧核糖基位于脫氧核糖基位于螺旋外側。堿基螺旋外側。堿基環(huán)

23、平面與螺旋軸環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面面與堿基環(huán)平面成成9090角。角。（3 3）螺旋橫截面的）螺旋橫截面的直徑約為直徑約為2 nm2 nm，每，每條鏈相鄰兩個堿基條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為平面之間的距離為0.34 nm0.34 nm，每，每1010個個核苷酸形成一個螺核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉一圈）高度旋旋轉一圈）高度為為3.4 nm3.4 nm。l（4 4）兩條鏈借堿基之間的氫）兩條鏈借堿基之間的氫鏈和堿基堆積力牢固地連結。鏈和堿基堆積力牢固地連結。堿基的相互結合具有嚴格的堿基的相互結合具有嚴格的配對規(guī)律，即腺嘌呤（配對規(guī)律，

24、即腺嘌呤（A A）與）與胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）結合，鳥嘌呤）結合，鳥嘌呤（G G）與胞嘧啶（）與胞嘧啶（C C）結合，）結合，這種配對關系，稱為這種配對關系，稱為堿基互堿基互補。補。A A和和T T之間形成兩個氫鍵，之間形成兩個氫鍵，G G與與C C之間形成三個氫鍵。之間形成三個氫鍵。l在在DNADNA分子中，分子中，嘌呤堿基的總嘌呤堿基的總數與嘧啶堿基的總數相等。數與嘧啶堿基的總數相等。lDNADNA雙螺旋結構在生理條件下是很穩(wěn)定的。雙螺旋結構在生理條件下是很穩(wěn)定的。l維持這種穩(wěn)定性的因素包括：維持這種穩(wěn)定性的因素包括：l（1 1）氫鍵：氫鍵：互補堿基對之間的氫鍵，但作用比互補堿基對之

25、間的氫鍵，但作用比較微弱，不是主要力量。較微弱，不是主要力量。 l（2 2）堿基堆積力：堿基堆積力：由于芳香族堿基的由于芳香族堿基的電子之電子之間相互作用而引起的?，F在普遍認為這種堿基堆間相互作用而引起的?，F在普遍認為這種堿基堆積力是穩(wěn)定積力是穩(wěn)定DNADNA的主要力量。的主要力量。l（3 3）離子鍵：離子鍵：由磷酸殘基上的負電荷與介質中由磷酸殘基上的負電荷與介質中陽離子之間形成的。這可減少雙鏈間的靜電斥力陽離子之間形成的。這可減少雙鏈間的靜電斥力而穩(wěn)定雙螺旋結構。而穩(wěn)定雙螺旋結構。l雙鏈雙鏈DNADNA分子常為線形，少數分子常為線形，少數DNADNA分子的首尾以共價鍵連分子的首尾以共價鍵連接

26、成環(huán)狀，在細胞內，這些雙鏈環(huán)狀接成環(huán)狀，在細胞內，這些雙鏈環(huán)狀DNADNA再做多次扭曲再做多次扭曲而形成麻花狀的三級結構，也叫超卷曲而形成麻花狀的三級結構，也叫超卷曲(supercoil)(supercoil)或或超螺旋超螺旋(superhelix)(superhelix)結構，核小體中的結構，核小體中的DNADNA的扭曲方式的扭曲方式即屬于三級結構的構象即屬于三級結構的構象。l核酸的三級結構包括線狀雙鏈中的可能出現的紐結和超核酸的三級結構包括線狀雙鏈中的可能出現的紐結和超螺旋、多重螺旋和分子內單鏈形成的環(huán)以及環(huán)狀螺旋、多重螺旋和分子內單鏈形成的環(huán)以及環(huán)狀DNADNA中中的結、超螺旋和連環(huán)體等

27、拓撲學狀態(tài)。的結、超螺旋和連環(huán)體等拓撲學狀態(tài)。 lDNADNA的三螺旋結構與雙螺旋結構相似，的三螺旋結構與雙螺旋結構相似，都是通過都是通過DNADNA單鏈之間形成氫鍵實現單鏈之間形成氫鍵實現的。的。lRNARNA的一級結構是以的一級結構是以3 3 ，5-5-磷酸二酯鍵連接磷酸二酯鍵連接而成的多聚核糖核苷酸鏈。而成的多聚核糖核苷酸鏈。l 大多數天然大多數天然RNARNA分子是一條單鏈，某些區(qū)域發(fā)生分子是一條單鏈，某些區(qū)域發(fā)生自身回折，回折部分的一些堿基互相靠近且互補自身回折，回折部分的一些堿基互相靠近且互補配對形成鏈內氫鍵，構成雙螺旋；不能配對堿基配對形成鏈內氫鍵，構成雙螺旋；不能配對堿基則形成

28、環(huán)狀突起。則形成環(huán)狀突起。 lRNARNA有許多種，細胞內主要有三種主要類型有許多種，細胞內主要有三種主要類型RNARNA，即即tRNAtRNA，rRNArRNA，mRNAmRNA。 1.tRNA1.tRNA一級結構的特點一級結構的特點 1963 1963年年CrickCrick提出提出tRNAtRNA存在。存在。tRNAtRNA 約占細胞中約占細胞中RNARNA總量總量10%10%15%15%。 tRNA tRNA都具有共同特征：都具有共同特征： 分子量分子量2500025000左右，大約由左右，大約由7070 90 90個核苷酸組成個核苷酸組成 分子中含有較多修飾（稀有）堿分子中含有較多修

29、飾（稀有）堿 基，多為基，多為A A，U U，C C，G G的甲基或二的甲基或二 甲基衍生物。甲基衍生物。 5- 5-端呈磷酸化，通常是端呈磷酸化，通常是pGpG； 3- 3-末端具有末端具有CpCpAOHCpCpAOH的結構。的結構。 約有約有50%50%的核苷酸的堿基配對，的核苷酸的堿基配對， 呈雙螺旋結構；不成對堿基形成呈雙螺旋結構；不成對堿基形成 四個突環(huán)。四個突環(huán)。2.mRNA2.mRNA一級結構的特點一級結構的特點19601960年發(fā)現年發(fā)現mRNAmRNA，占細胞，占細胞RNARNA總量的總量的3%3%5%5%。真核。真核細胞細胞mRNAmRNA的的3 3- -末端有一段長達末端

30、有一段長達200200個核苷酸左右個核苷酸左右的的聚腺苷酸聚腺苷酸(polyA)(polyA)，稱為，稱為 “尾結構尾結構” ，5 5 - -末端末端有一有一個甲基化的鳥苷酸，稱為個甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結構帽結構” 。l絕大多數真核細胞絕大多數真核細胞mRNAmRNA在在3 3- -末端有一末端有一段長約段長約200200核苷酸的核苷酸的polyApolyA。polyApolyA是在轉是在轉錄后經錄后經polyApolyA聚合酶的作用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的原核生物的mRNAmRNA一般無一般無polyApolyA，但某些病，但某些病毒毒mRNAmRNA也有也有3

31、 3- polyA- polyA。 polyA polyA可能有多方面功能可能有多方面功能, ,與與mRNAmRNA從細胞從細胞核到細胞質的轉移有關；與核到細胞質的轉移有關；與mRNAmRNA的半壽的半壽期有關，新合成的期有關，新合成的mRNAmRNA，polyApolyA鏈較長，鏈較長，而衰老的而衰老的mRNAmRNA， polyApolyA鏈縮短鏈縮短 動物細胞核糖體動物細胞核糖體rRNArRNA有四類：有四類：5SrRNA5SrRNA，5.8SrRNA5.8SrRNA，18SrRNA18SrRNA，28SRNA28SRNA。許多。許多rRNArRNA的一級結構及由一級結構推導的一級結構及

32、由一級結構推導出來的二級結構都已闡明，但是對許多出來的二級結構都已闡明，但是對許多rRNArRNA的功能迄今仍不的功能迄今仍不十分清楚。十分清楚。約占細胞約占細胞RNARNA總量的總量的75%75%80%80%。它與蛋白質結合構成核。它與蛋白質結合構成核糖體糖體(ribosome)(ribosome)。核糖核蛋白體是合成蛋白質的細胞器。它。核糖核蛋白體是合成蛋白質的細胞器。它由大小兩個亞基組成。由大小兩個亞基組成。 RNA RNA高級結構特點：高級結構特點：lRNARNA是是單鏈分子單鏈分子，因此，在，因此，在RNARNA分子中，分子中，并并不遵守堿基種類的數量比例關系不遵守堿基種類的數量比例

33、關系，即，即分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶堿基的總數。堿基的總數。lRNARNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結構，不能形成雙螺旋的部分，則形成突構，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)。這種結構可以形象地稱為環(huán)。這種結構可以形象地稱為“發(fā)夾型發(fā)夾型”結構。結構。 RNA RNA的高級結構特點：的高級結構特點：l在在RNARNA的雙螺旋結構中，的雙螺旋結構中，堿基的配對情況堿基的配對情況不象不象DNADNA中嚴格中嚴格。G G 除了可以和除了可以和C C 配對外，配對外，也可以和也可以和U U 配對。配對。G-U G-U 配對形

34、成的氫鍵配對形成的氫鍵較弱。不同類型的較弱。不同類型的RNA, RNA, 其二級結構有明其二級結構有明顯的差異。顯的差異。ltRNAtRNA中除了常見的堿基外，還存在一些中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部，這類堿基大部分位于突環(huán)部分分. .l下面以下面以tRNAtRNA為例具體介紹為例具體介紹 tRNAtRNA的二級結構都呈的二級結構都呈“ 三葉草三葉草” 形狀，形狀，在結構構上具有某些共在結構構上具有某些共同之處，一般可將其分同之處，一般可將其分為為五臂四環(huán)。五臂四環(huán)。包括氨基包括氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、T

35、 T C C區(qū)區(qū)和可變區(qū)。除了氨基酸和可變區(qū)。除了氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)接受區(qū)外，其余每個區(qū)均含有一個突環(huán)和一個均含有一個突環(huán)和一個臂臂 1.tRNA1.tRNA的二級結構的二級結構(1)(1)氨基酸接受區(qū)氨基酸接受區(qū)包含有包含有tRNAtRNA的的3 3- -末端末端和和5 5- -末端，末端， 3 3- -末端末端的最后的最后3 3個核苷酸殘基都個核苷酸殘基都是是CCACCA。氨基酸可與其成。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質合成酯，該區(qū)在蛋白質合成中起攜帶氨基酸的作用。中起攜帶氨基酸的作用。(2)(2)反密碼區(qū)反密碼區(qū)與氨基酸接受區(qū)相對的與氨基酸接受區(qū)相對的一般含有一般含有7 7個核苷酸

36、殘基個核苷酸殘基的區(qū)域，其中正中的的區(qū)域，其中正中的3 3個個核苷酸殘基稱為反密碼核苷酸殘基稱為反密碼子子 (3) (3)二氫尿嘧啶區(qū)二氫尿嘧啶區(qū) 該區(qū)含有二氫尿嘧啶。該區(qū)含有二氫尿嘧啶。 (4)T (4)T C C區(qū)區(qū) 該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對，該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對，假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷- -胸腺嘧啶胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)核糖核苷環(huán)( (T T C)C)由由7 7個個核苷酸組成，通過由核苷酸組成，通過由5 5對對堿基組成的雙螺旋區(qū)堿基組成的雙螺旋區(qū)( (T T C C臂臂) )與與tRNAtRNA的其余部的其余部分相連。分相連。 (5)(5)可變區(qū)可變區(qū) 位于反密碼區(qū)與位于反密碼區(qū)與T T

37、C C區(qū)之區(qū)之間，不同的間，不同的tRNAtRNA該區(qū)變化該區(qū)變化較大。較大。 在三葉草型二級結構的基礎上，突環(huán)上未配在三葉草型二級結構的基礎上，突環(huán)上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對，目前已對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對，目前已知的知的tRNAtRNA的三級結構均為倒的三級結構均為倒L L型型 l與蛋白質相似，核酸分子中既含有酸性基團（磷酸基）與蛋白質相似，核酸分子中既含有酸性基團（磷酸基）也含有堿性基團（氨基），因而核酸也具有兩性性質。也含有堿性基團（氨基），因而核酸也具有兩性性質。l由于核酸分子中的磷酸是一個中等強度的酸，而堿性由于核酸分子中的磷酸是一個中等強度的酸，而堿性（氨

38、基）是一個弱堿，所以核酸的等電點比較低。如（氨基）是一個弱堿，所以核酸的等電點比較低。如DNADNA的等電點為的等電點為4 44.54.5，RNARNA的等電點為的等電點為2 22.52.5。lRNARNA的等電點比的等電點比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核糖基分子中核糖基2-2-OHOH通過氫鍵促進了磷酸基上質子的解離，通過氫鍵促進了磷酸基上質子的解離，DNADNA沒有這沒有這種作用。種作用。 l在核酸分子中，由于在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而共軛雙鍵體系，因而具有獨特的紫外線吸具有獨特的紫外線吸收光譜，一般在收光譜，一般在2

39、60nm260nm左右有最大吸左右有最大吸收峰，可以作為核酸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量及其組份定性和定量測定的依據。測定的依據。 l1. 1. 核酸的變性核酸的變性l核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。變鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構它的一級結構( (堿基順序堿基順序) )保持不變。保持不變。l能夠引起核酸變性的因素很多。溫度升高、能夠引起

40、核酸變性的因素很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。核酸的變性。 l當當DNADNA的稀鹽溶液加的稀鹽溶液加熱到熱到80-10080-100時，雙時，雙螺旋結構即發(fā)生解體，螺旋結構即發(fā)生解體，兩條鏈彼此分開，形兩條鏈彼此分開，形成無規(guī)線團。成無規(guī)線團。lDNADNA變性后，它的一變性后，它的一系列性質也隨之發(fā)生系列性質也隨之發(fā)生變化，如生物活性喪變化，如生物活性喪失、粘度下降、浮力失、粘度下降、浮力密度增大、沉降系數密度增大、沉降系數增加、紫外吸收增加、紫外吸收(260 (260 nm)nm)值升高值升高, , 粘度降粘度降低等

41、。低等。 增增色色效效應應lRNARNA本身只有局部的雙螺旋區(qū)，所以變性行為本身只有局部的雙螺旋區(qū)，所以變性行為所引起的性質變化沒有所引起的性質變化沒有DNADNA那樣明顯。那樣明顯。l利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情況。況。l核酸變性后，由于雙螺旋解體，堿基堆積已不核酸變性后，由于雙螺旋解體，堿基堆積已不存在，藏于螺旋內部的堿基暴露出來，這樣就存在，藏于螺旋內部的堿基暴露出來，這樣就使得變性后的使得變性后的DNADNA對對260nm260nm紫外光的吸光率比變紫外光的吸光率比變性前明顯升高（例如，天然狀態(tài)的性前明顯升高（例如，天然狀態(tài)的DNAD

42、NA在完全在完全變性后，紫外吸收值增加變性后，紫外吸收值增加252540%40%；而；而RNARNA變性變性后，約增加后，約增加1.1%1.1%），這種現象稱為），這種現象稱為增色效應增色效應. . lDNADNA的變性過程是突變性的，它在很窄的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內完成。因此，通常將引起的溫度區(qū)間內完成。因此，通常將引起DNADNA變性的溫度稱為變性的溫度稱為“熔點熔點”或解鏈溫或解鏈溫度，用度，用T Tm m表示。表示。l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之間。之間。DNADNA的的T Tm m值與分子中的值與分子中的G G和和C C

43、的含量有關。的含量有關。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而測定值高。因而測定TmTm值，值，可反映可反映DNADNA分子中分子中G, CG, C含量，可通過經含量，可通過經驗公式計算：驗公式計算：l （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 l2.2.核酸的復性核酸的復性l核酸熱變性后，雙螺旋結構中的兩條核酸熱變性后，雙螺旋結構中的兩條DNADNA單鏈單鏈分開為單鏈，如果把此熱溶液迅速冷卻，則分開為單鏈，如果把此熱溶液迅速冷卻，則兩條單鏈繼續(xù)保持分開；若將此熱溶液緩慢兩條單鏈繼續(xù)保持分開；若將此熱溶液緩慢冷卻冷卻( (稱退火處

44、理稱退火處理) )，則兩條單鏈可發(fā)生特異，則兩條單鏈可發(fā)生特異的重組合而恢復雙螺旋。這一過程叫復性的重組合而恢復雙螺旋。這一過程叫復性( (冷冷卻重組卻重組) ) l變性變性DNADNA在適當的條件下，兩條彼此分開的單在適當的條件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，這一過程稱鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，這一過程稱為復性。為復性。DNADNA復性后，一系列性質將得到恢復，復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復。但是生物活性一般只能得到部分的恢復。lDNADNA復性的程度、速率與復性過程的條件有關。復性的程度、速率與復性過程的條件有關。l將熱變性的將熱變性

45、的DNADNA驟然冷卻至低溫時，驟然冷卻至低溫時，DNADNA不可能不可能復性。但是將變性的復性。但是將變性的DNADNA緩慢冷卻時，可以復緩慢冷卻時，可以復性。分子量越大復性越難。濃度越大，復性越性。分子量越大復性越難。濃度越大，復性越容易。此外，容易。此外，DNADNA的復性也與它本身的組成和的復性也與它本身的組成和結構有關。結構有關。 減減色色效效應應l變性的核酸復性后，其溶液的變性的核酸復性后，其溶液的A260A260值減值減小，最多可減小至變性前的小，最多可減小至變性前的A260A260值，這值，這種現象程減色效應。種現象程減色效應。 l3.3.核酸的雜交核酸的雜交l熱變性的熱變性的

46、DNADNA單鏈，在復性時并不一定與單鏈，在復性時并不一定與同源同源DNADNA互補鏈形成雙螺旋結構，它也可互補鏈形成雙螺旋結構，它也可以與在某些區(qū)域有互補序列的異源以與在某些區(qū)域有互補序列的異源DNADNA單單鏈形成雙螺旋結構。鏈形成雙螺旋結構。l這樣形成的新分子稱為雜交這樣形成的新分子稱為雜交DNADNA分子。分子。DNADNA單鏈與互補的單鏈與互補的RNARNA鏈之間也可以發(fā)生鏈之間也可以發(fā)生雜交。雜交。l核酸的雜交在分子生物學和遺傳學的研核酸的雜交在分子生物學和遺傳學的研究中具有重要意義。究中具有重要意義。 l1.1.酸或堿水解酸或堿水解 l核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件下水解

47、切核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件下水解切斷。斷。lDNADNA和和RNARNA對酸或堿的耐受程度有很大差別。例如，在對酸或堿的耐受程度有很大差別。例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA幾乎可以完全水解，生幾乎可以完全水解，生成成2-2-或或3-3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNADNA在同樣條件下則不受影在同樣條件下則不受影響。這種水解性能上的差別，與響。這種水解性能上的差別，與RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的鄰基參與作用有很大的關系。在的鄰基參與作用有很大的關系。在RNARNA水解時，水解時，2-2-OHOH首先進攻磷酸基

48、，在斷開磷酯鍵的同時形成環(huán)狀磷首先進攻磷酸基，在斷開磷酯鍵的同時形成環(huán)狀磷酸二酯，再在堿的作用形成水解產物。酸二酯，再在堿的作用形成水解產物。 l生物體內存在多種核酸水解酶。這些酶可以催化水解多聚核苷生物體內存在多種核酸水解酶。這些酶可以催化水解多聚核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵。酸鏈中的磷酸二酯鍵。l以以DNADNA為底物的稱為底物的稱DNADNA水解酶（水解酶（DNasesDNases）和以）和以RNARNA為底物的稱為底物的稱RNARNA水解酶（水解酶（RNasesRNases）。）。l根據作用方式又分作兩類：核酸外切酶和核酸內切酶。根據作用方式又分作兩類：核酸外切酶和核酸內切酶。l核酸外切酶的

49、作用方式是從多聚核苷酸鏈的一端（核酸外切酶的作用方式是從多聚核苷酸鏈的一端（3-3-端或端或5-5-端）開始，逐個水解切除核苷酸；核酸內切酶的作用方式端）開始，逐個水解切除核苷酸；核酸內切酶的作用方式剛好和外切酶相反，它從多聚核苷酸鏈中間開始，在某個位點剛好和外切酶相反，它從多聚核苷酸鏈中間開始，在某個位點切斷磷酸二酯鍵。切斷磷酸二酯鍵。l在分子生物學研究中最有應用價值的是限制性核酸內切酶。這在分子生物學研究中最有應用價值的是限制性核酸內切酶。這種酶可以特異性的水解核酸中某些特定堿基順序部位。種酶可以特異性的水解核酸中某些特定堿基順序部位。 l1.1.分離原則分離原則l2.DNA2.DNA的提

50、取的提取l3.RNA3.RNA的提取的提取l P112-113 P112-113 一一.DNA.DNA的復制與生物遺傳信息的保持的復制與生物遺傳信息的保持 一一.DNA.DNA的復制與生物遺傳信息的保持的復制與生物遺傳信息的保持lDNADNA復制的要點是：復制的要點是：l1 1）在復制開始階段，）在復制開始階段，DNADNA的雙螺旋拆分成兩條的雙螺旋拆分成兩條單鏈。單鏈。l2 2）以）以DNADNA單鏈為模板，按照堿基互補配對的原單鏈為模板，按照堿基互補配對的原則則, , 在在DNADNA聚合酶催化下，合成與模板聚合酶催化下，合成與模板DNADNA完全完全互補的新鏈，并形成一個新的互補的新鏈，

51、并形成一個新的DNADNA分子。分子。l3) 3) 通過通過DNADNA復制形復制形成的新成的新DNADNA分子分子, , 與原來的與原來的DNADNA分子分子完全相同。完全相同。 經過經過一個復制周期后，一個復制周期后，子代子代DNADNA分子的兩分子的兩條鏈中，一條來自條鏈中，一條來自親代親代DNADNA分子，另分子，另一條是新合成的，一條是新合成的，所以又稱為半保留所以又稱為半保留復制。復制。l二、二、RNARNA與生物遺傳與生物遺傳信息的表達信息的表達 首先，首先，DNADNA通過轉錄作通過轉錄作用，將其所攜帶的遺傳用，將其所攜帶的遺傳信息（基因）傳遞給信息（基因）傳遞給m R N A

52、 , m R N A , 在 三 種在 三 種 R N A R N A（mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA）的共同作用下，完成蛋的共同作用下，完成蛋白質的合成。白質的合成。生物的遺傳信息從生物的遺傳信息從 DNA DNA傳遞傳遞給給mRNAmRNA的過程稱為的過程稱為轉錄轉錄。然。然后根據后根據mRNAmRNA鏈上的遺傳信息鏈上的遺傳信息合成蛋白質，這個過程稱為合成蛋白質，這個過程稱為翻譯和表達翻譯和表達。19581958年年CrickCrick將生物遺傳信息的這種傳遞將生物遺傳信息的這種傳遞方式稱為方式稱為中心法則中心法則。DNARNA蛋白質轉錄反轉錄翻譯復制復制l基因轉

53、錄是以基因轉錄是以DNADNA為模板合成與其堿基順為模板合成與其堿基順序互補的序互補的mRNAmRNA的過程。的過程。l細胞生長周期的某個階段，細胞生長周期的某個階段，DNADNA雙螺旋解雙螺旋解開成為轉錄模板，在開成為轉錄模板，在RNARNA聚合酶催化下，聚合酶催化下，合成合成mRNAmRNA。mRNAmRNA不能自我復制不能自我復制，即其本，即其本身不能作為復制模板，因此在轉錄過程身不能作為復制模板，因此在轉錄過程中即使出現某些差錯，也不會遺傳下去。中即使出現某些差錯，也不會遺傳下去。lmRNA mRNA 是是DNADNA的轉錄本，攜帶有合成蛋白的轉錄本，攜帶有合成蛋白質的全部信息。質的全

54、部信息。蛋白質的生物合成實際蛋白質的生物合成實際上是以上是以mRNAmRNA作為模板進行的作為模板進行的。lmRNAmRNA分子中所存儲的蛋白質合成信息，是由組成它的四分子中所存儲的蛋白質合成信息，是由組成它的四種堿基（種堿基（A A、G G、C C和和U U）以特定順序排列成三個一組的三）以特定順序排列成三個一組的三聯體代表的，即每三個堿基代表一個氨基酸信息。聯體代表的，即每三個堿基代表一個氨基酸信息。l這種代表遺傳信息的三聯體稱為這種代表遺傳信息的三聯體稱為密碼子或三聯體密碼子密碼子或三聯體密碼子。 l因此因此 mRNA mRNA 分子的堿基順序即表示了所合成蛋白質的氨分子的堿基順序即表示

55、了所合成蛋白質的氨基酸順序?；犴樞?。l mRNAmRNA的每一個密碼子代表一個氨基酸。的每一個密碼子代表一個氨基酸。2020種基本氨基種基本氨基酸的三聯體密碼子都已經確定。此外，還有一個密碼子酸的三聯體密碼子都已經確定。此外，還有一個密碼子是肽鏈合成起始密碼子是肽鏈合成起始密碼子, , 三個是終止密碼子，以保證蛋三個是終止密碼子，以保證蛋白質合成能夠有序地進行。白質合成能夠有序地進行。 l三三. .遺傳變異的化學本質遺傳變異的化學本質lDNADNA結構的改變將導致相應蛋白質一級結構的改變將導致相應蛋白質一級結構（氨基酸順序）的變化，從而引起結構（氨基酸順序）的變化，從而引起生物特征或性狀發(fā)生變異。生物特征或性狀發(fā)生變異。l