第四章 核酸化學(xué)

“未來(lái)的世界：方向比努力重要，能力比知識(shí)重要，健康比成績(jī)重要，生活比文憑重要，情商比智商重要！”

——清華大學(xué)校長(zhǎng)留給畢業(yè)生的一段話(huà)第四章

核酸化學(xué)NucleicAcidchemistry核酸是一類(lèi)以核苷酸為基本組成單位的重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲(chǔ)存與傳遞。核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域，是基因工程操作的核心分子。第一節(jié)核酸概述一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史1869年Miescher博士論文工作中測(cè)定淋巴細(xì)胞蛋白質(zhì)組成時(shí),發(fā)現(xiàn)了不溶于稀酸和鹽溶液的沉淀物,并在所有細(xì)胞的核里都找到了此物質(zhì),故命名核質(zhì)(Nuclein)。1879年Kossel經(jīng)過(guò)10年的努力,搞清楚核質(zhì)中有四種不同的組成部分:A,T,C和G。1889年Altman建議將核質(zhì)改名為“核酸”,并且已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“核質(zhì)”乃“核酸”與蛋白質(zhì)的復(fù)合體。

1909年Levene發(fā)現(xiàn)酵母的核酸含有核糖。

1930年Levene發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞的核酸含有一種特殊的核糖即脫氧核糖,得出了一個(gè)錯(cuò)誤概念:植物核酸含核糖,動(dòng)物核酸含脫氧核糖。這個(gè)錯(cuò)誤概念一直延續(xù)到1938年，這時(shí)方清楚RNA和DNA的區(qū)別。Levene還提出了核酸的“磷酸-核糖(堿基)-磷酸”的骨架結(jié)構(gòu),解決了DNA分子的線(xiàn)性問(wèn)題,還在1935年提出“四核苷酸”學(xué)說(shuō),認(rèn)為這四種核苷酸的聚合體是構(gòu)成核酸的基本單位。1944年Avery重做1928年Griffith的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。1928年Griffith的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1944年Avery重做1928年Griffith的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。但人們對(duì)此持懷疑態(tài)度，理由是：（1）因認(rèn)為蛋白相對(duì)分子質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二十種氨基酸的排列組合將是個(gè)天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而DNA相對(duì)分子質(zhì)量小，只含4種不同的堿基，人們一度認(rèn)為不同種的有機(jī)體的核酸只有微小的差異。（2）認(rèn)為轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。（3）即使轉(zhuǎn)化因子確實(shí)是DNA，但也可能DNA只是對(duì)莢膜形成起著直接的化學(xué)效應(yīng)，而不是充當(dāng)遺傳信息的載體。

1952年Hershey&Chase的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明DNA是遺傳物質(zhì)。1952年HersheyandChase的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明DNA是遺傳物質(zhì)

1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、奧地利物理學(xué)家薛定諤是量子力學(xué)理論的創(chuàng)建人之一。第二次世界大戰(zhàn)期間，薛定諤逃離了德國(guó)納粹統(tǒng)治下的祖國(guó)，來(lái)到愛(ài)爾蘭首都都柏林從事教學(xué)和研究工作。他經(jīng)常到各高等學(xué)府舉辦講座，內(nèi)容并不局限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，更多的是具有科普性質(zhì)的內(nèi)容。其中，生命科學(xué)系列講座特別受到的聽(tīng)眾的歡迎。1944年，薛定諤把講稿整理成一本不到100頁(yè)的小冊(cè)子《生命是什么──活細(xì)胞的物理學(xué)觀》。書(shū)中，他預(yù)言了生命科學(xué)的理論與方法正面臨著重大的突破，生命科學(xué)的研究深度將從生命的表面現(xiàn)象和細(xì)胞的層次，深入到分子的水平。他還提出將物理學(xué)、化學(xué)的理論與方法引進(jìn)生命科學(xué)的研究之中。發(fā)動(dòng)生物學(xué)革命的物理學(xué)家

一大批年輕的物理學(xué)家或物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生被它吸引到生命科學(xué)的學(xué)習(xí)與研究之中，其中就有因建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型榮獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的沃森、克里克和威爾金斯，因發(fā)現(xiàn)噬菌體在細(xì)胞內(nèi)增殖過(guò)程中的作用榮獲1969年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的盧里亞，因完成世界首次分子水平上的基因重組、創(chuàng)立現(xiàn)代基因工程技術(shù)而榮獲1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的伯格，因發(fā)現(xiàn)核糖核酸（RNA）的細(xì)胞催化功能而榮獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的奧爾特曼等人。因而，這本書(shū)被人們稱(chēng)為從思想上“喚起生物學(xué)革命的小冊(cè)子”。喚起生物學(xué)革命的小冊(cè)子探索DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的競(jìng)賽50年代初，人們已普遍承認(rèn)DNA是最重要的遺傳物質(zhì)，遺傳信息就存儲(chǔ)在DNA分子多核苷酸鏈上的4種堿基的特定序列上，進(jìn)一步闡明其結(jié)構(gòu)和功能已成為迫切的任務(wù)。這時(shí)，有三組科學(xué)家在進(jìn)行DNA結(jié)構(gòu)的研究，他們是：美國(guó)加州理工學(xué)院的鮑林，英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院的富蘭克琳與威爾金斯，劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的沃森與克里克。實(shí)力與智慧的科學(xué)競(jìng)賽鮑林（1901－1994）是美國(guó)著名化學(xué)家，1931年就將量子力學(xué)用于化學(xué)領(lǐng)域，闡明了化學(xué)鍵的本質(zhì)，這使他后來(lái)獲得了1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1950年，他首先闡明并發(fā)現(xiàn)了氨基酸鏈的α螺旋狀結(jié)構(gòu)。此后，鮑林又投入了DNA結(jié)構(gòu)的研究。他是最早認(rèn)定DNA分子具有與氨基酸鏈類(lèi)似的螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，而且研究的環(huán)境最優(yōu)越，但他錯(cuò)誤地認(rèn)為DNA分子是由三股螺旋組成的，這使他誤入歧途。倫敦國(guó)王大學(xué)莫里斯?威爾金斯教授

英國(guó)女生物學(xué)家富蘭克琳（1920～1958）是最早認(rèn)定DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，并且運(yùn)用X射線(xiàn)衍射技術(shù)拍攝到了清晰而優(yōu)美的DNA照片，為探明其結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)，她還精確地計(jì)算出DNA分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軸向與距離。而英國(guó)生物物理學(xué)家威爾金斯（1916～）則計(jì)算出DNA分子螺旋的直徑與長(zhǎng)度。他們二人還對(duì)DNA分子的結(jié)構(gòu)作出了確切而關(guān)鍵性的描述：磷酸根在螺旋的外側(cè)，堿基在螺旋內(nèi)側(cè)。英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院1946年就設(shè)立了DNA結(jié)構(gòu)研究室，富蘭克琳與威爾金斯擁有充足的經(jīng)費(fèi)和先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，他們與成功地建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型只有咫尺之遙，但卻未能跨出最后也是最關(guān)鍵的一步。這一方面是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為探索DNA結(jié)構(gòu)的惟一途徑是使用晶體學(xué)和數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，拒絕采用建立結(jié)構(gòu)模型的方法；另一方面是由于人際關(guān)系等方面的因素。在英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中，富蘭克琳雖然是惟一適合運(yùn)用X射線(xiàn)衍射技術(shù)研究DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，但她發(fā)現(xiàn)自己是處于一種對(duì)女科學(xué)家充滿(mǎn)敵意的環(huán)境中，很難與同行們進(jìn)行討論與交流，并且她與后來(lái)派來(lái)做她上司的威爾金斯關(guān)系不融洽。富蘭克林對(duì)DNA的研究工作取得了重要進(jìn)展，卻被有關(guān)方面要求停止這方面的進(jìn)一步研究。1951年她離開(kāi)了國(guó)王學(xué)院，到倫敦大學(xué)伯克貝克學(xué)院從事病毒結(jié)構(gòu)的研究。雖然威爾金斯還邀請(qǐng)她繼續(xù)參與DNA的研究，但這些因素還是對(duì)他們二人的工作產(chǎn)生了不利的影響。在很長(zhǎng)一段時(shí)期，富蘭克林的工作沒(méi)有得到應(yīng)有的承認(rèn)。到1951年9月，富蘭克琳與威爾金斯在DNA結(jié)構(gòu)的研究上已經(jīng)非常接近勝利的終點(diǎn)了。就在這時(shí)，出現(xiàn)了兩個(gè)年輕的競(jìng)爭(zhēng)者。克里克（1916～）在大學(xué)學(xué)的是物理專(zhuān)業(yè)，畢業(yè)后攻讀物理學(xué)研究生。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，他中斷學(xué)業(yè)參軍。戰(zhàn)后，受薛定諤的《生命是什么？》一書(shū)的影響，轉(zhuǎn)而學(xué)習(xí)生物學(xué)，1949年進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室?guī)煆挠?guó)著名分子生物學(xué)家佩魯茨（1914～）攻讀研究生。1951年，沃森（1928～）在美國(guó)獲得博士學(xué)位后，5月份在一次國(guó)際大分子結(jié)構(gòu)研討會(huì)上聆聽(tīng)了威爾金斯關(guān)于DNA的X射線(xiàn)衍射研究的報(bào)告，引發(fā)了他對(duì)這一研究的興趣。9月，他也來(lái)到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在英國(guó)著名分子生物學(xué)家肯德魯（1917～1997）的手下進(jìn)行博士后研究佩魯茨與肯德魯正在合作運(yùn)用X射線(xiàn)衍射技術(shù)研究血紅蛋白和肌紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)。作為他們的學(xué)生和助手，克里克與沃森被安排共用一間辦公室。兩個(gè)年輕人都是《生命是什么？》的忠實(shí)讀者，又都對(duì)從分子生物學(xué)的角度研究遺傳基因感興趣，于是結(jié)成了事業(yè)上的合作伙伴。他們決定進(jìn)行DNA結(jié)構(gòu)的研究在三組DNA結(jié)構(gòu)研究人員中，沃森和克里克資歷最淺，知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)最缺乏，也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，而且DNA結(jié)構(gòu)不是他們的本職研究課題，但他們卻在這場(chǎng)科學(xué)競(jìng)賽中贏得了勝利克里克與沃森認(rèn)為：當(dāng)時(shí)的X射線(xiàn)晶體衍射技術(shù)水平尚不足以清晰顯示生物大分子較為復(fù)雜的三維圖像，僅靠數(shù)學(xué)計(jì)算，難以確定大分子中所有原子的準(zhǔn)確位置。如果設(shè)想DNA分子呈螺旋狀，則不妨依據(jù)X射線(xiàn)衍射圖上的幾組數(shù)據(jù)，先構(gòu)建出分子模型的大模樣，再不斷調(diào)整其中原子排列的細(xì)節(jié)，直到其與真實(shí)分子的衍射圖十分接近為止，此時(shí)得到的即應(yīng)是DNA的實(shí)際立體結(jié)構(gòu)。不久，克里克、沃森得知美國(guó)化學(xué)家鮑林正是依據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)的簡(jiǎn)單原理，通過(guò)構(gòu)建分子模型的途徑，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)多肽鏈的α螺旋結(jié)構(gòu)。這更使他們確信：解決DNA分子結(jié)構(gòu)之路在于構(gòu)建模型。1951年11月，沃森聽(tīng)了富蘭克琳關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)報(bào)告。沃森和克里克認(rèn)識(shí)到他們要從事DNA的結(jié)構(gòu)分析研究，由于并非他們份內(nèi)的工作，沒(méi)有研究經(jīng)費(fèi)，也沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)中直接得到數(shù)據(jù)的條件，只能利用別人的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而建立自己分子結(jié)構(gòu)模型。他們很快就提出了一個(gè)三股螺旋的DNA結(jié)構(gòu)的設(shè)想。但當(dāng)他們請(qǐng)威爾金斯和富蘭克琳來(lái)討論這個(gè)模型時(shí)，富蘭克琳當(dāng)即指出DNA結(jié)構(gòu)應(yīng)是雙螺旋，而且他們把DNA的含水量少算了一半。這是由于沃森在聽(tīng)富蘭克琳的報(bào)告時(shí)沒(méi)有做記錄，富蘭克琳估算出DNA分子中每個(gè)核苷酸是由8個(gè)水分子環(huán)繞著的，而沃森卻用腦子記成了每一段的DNA分子含有8個(gè)水分子。于是第一個(gè)模型宣告失敗。1952年12月，鮑林宣布建立了DNA分子的結(jié)構(gòu)模型。但他也犯了與沃森、克里克同樣的錯(cuò)誤，是一個(gè)三螺旋模型。沃森、克里克在他們的辦公室里興高采烈地用鐵皮和鐵絲搭建著模型。1953年2月28日，第一個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型終于誕生了。雙螺旋模型的意義，不僅意味著探明了DNA分子的結(jié)構(gòu)，更重要的是它還提示了DNA的復(fù)制機(jī)制：由于腺膘呤總是與胸腺嘧啶配對(duì)、鳥(niǎo)膘呤總是與胞嘧啶配對(duì)，這說(shuō)明兩條鏈的堿基順序是彼此互補(bǔ)的，只要確定了其中一條鏈的堿基順序，另一條鏈的堿基順序也就確定了。因此，只需以其中的一條鏈為模版，即可合成復(fù)制出另一條鏈。1953年4月25日，英國(guó)著名的科學(xué)期刊《自然》雜志發(fā)表了沃森、克里克的一篇優(yōu)美精煉的短文，宣告了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的誕生。這一期雜志還發(fā)表了富蘭克琳和威爾金斯的兩篇論文，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和數(shù)據(jù)分析支持了沃森、克里克的論文。這一年，沃森年僅25歲，克里克也只有37歲，尚未獲得博士學(xué)位。這兩個(gè)年輕人之所以超越了其他看似更具實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)者，贏得了這場(chǎng)科學(xué)賽跑的勝利，是由于他們具有清醒的宏觀洞察力、非凡的科學(xué)想像力和嚴(yán)密的邏輯思維能力，選擇了正確的研究路線(xiàn)，廣泛借鑒他人的研究成果并加以綜合性的科學(xué)思考。1962年，沃森、克里克與威爾金斯因研究DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的成果，共同榮獲了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。與諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過(guò)的女科學(xué)家

1956年富蘭克琳被診斷出患有患癌癥，手術(shù)后她仍堅(jiān)持研究工作。她于1958年逝世，年僅38歲。4年后，沃森、克里克和威爾金斯因?qū)NA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究成果獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，而富蘭克琳榜上無(wú)名。因?yàn)橹Z貝爾獎(jiǎng)不授予已逝世的科學(xué)家98％核中（染色體中）真核線(xiàn)粒體（mtDNA）核外葉綠體（ctDNA）DNA擬核原核核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的種類(lèi)和分布

核酸分為兩大類(lèi)：脫氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中mRNA(信使RNA)MessengerRNA約占總RNA的5%。不同細(xì)胞的mRNA的鏈長(zhǎng)和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地–核糖核蛋白體。主要存在于細(xì)胞質(zhì)中RNA

tRNA(轉(zhuǎn)移RNA)TransferRNA約占總RNA的10-15%。它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖核蛋白體的作用。已知每一個(gè)氨基酸至少有一個(gè)相應(yīng)的tRNA。RNA分子的大小很相似，鏈長(zhǎng)一般在73-78個(gè)核苷酸之間。rRNA(核糖體RNA)RibosomeRNA約占全部RNA的80%，是核糖核蛋白體的主要組成部分。rRNA

的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)。三、分子生物學(xué)的中心法則第二節(jié)核酸的基本化學(xué)組成

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核苷和核苷酸。每個(gè)核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。主要元素組成：C、H、O、N、P(9~11%)與蛋白質(zhì)比較，核酸一般不含S，而P的含量較為穩(wěn)定，占9-11%。

一、核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖O核糖+H+糠醛甲基間苯二酚FeCl3綠色產(chǎn)物Δ脫氧核糖+H+

Δω-羥基-γ-酮戊醛二苯胺藍(lán)色產(chǎn)物RNA和DNA定性、定量測(cè)定組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。二、嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鳥(niǎo)嘌呤guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱(chēng)為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)磷酸核苷堿基戊糖核酸→核苷酸（三）核苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）修飾核苷（modifiednucleoside）：也稱(chēng)稀有核苷（minornucleoside）

修飾核苷包括三種情況:（1）由修飾堿基和糖組成的核苷（2）由非修飾堿基和2-O-甲基核糖組成的核苷（3）由堿基與糖連接方式特殊的核苷四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHH磷酸核苷堿基戊糖核酸→核苷酸（1）一般物理性質(zhì)

無(wú)色粉末或結(jié)晶，易溶于水，不溶于有機(jī)溶，具旋光性，在酸性溶液當(dāng)中不穩(wěn)定。（2）互變異構(gòu)現(xiàn)象酮式烯醇式

（3）紫外吸收五、核苷酸的性質(zhì)胞嘧啶核苷酸的解離（4）核苷酸的兩性解離和等電點(diǎn)4種核苷酸的解離曲線(xiàn)六、核苷酸衍生物1.ATP類(lèi)的高能磷酸化合物AMPADPATPATP的性質(zhì)ATP分子的最顯著特點(diǎn)是含有兩個(gè)高能磷酸鍵。ATP水解時(shí),可以釋放出大量自由能。ATP是生物體內(nèi)最重要的能量轉(zhuǎn)換中間體。ATP水解釋放出來(lái)的能量用于推動(dòng)生物體內(nèi)各種需能的生化反應(yīng)。ATP也是一種很好的磷?；瘎Ａ柞；磻?yīng)的底物可以是普通的有機(jī)分子，也可以是酶。磷?；牡孜锓肿泳哂休^高的能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟。2.環(huán)化核苷酸

cAMP

cGMPcAMP和cGMPcAMP(3’,5’-環(huán)化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-環(huán)化鳥(niǎo)苷酸)的主要功能是作為細(xì)胞的第二信使。cAMP和cGMP的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵。在pH7.4,cAMP和cGMP的水解能約為43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。3．核苷多磷酸類(lèi)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)為堿基序列。一級(jí)結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線(xiàn)條式，文字式

一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定5′3′第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)磷酸核苷堿基戊糖核酸→核苷酸3',5'-磷酸二酯鍵的形成OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTADNA、RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)5′3′OHOHOH5′3′RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA酶法序列分析的原理酶反應(yīng)電泳方向模板CCGGTAGCAACT3′5′GG5′3′引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC3′5′TCAACGATGG5′3′讀出模板互補(bǔ)序列讀出模板序列二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模式圖DNA分子由兩條DNA單鏈組成。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子中兩條DNA單鏈之間基團(tuán)相互識(shí)別和作用的結(jié)果。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的最基本形式。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)doublehelixmodelDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡(jiǎn)稱(chēng)DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤(pán)繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向?yàn)?′端→3′端，而另一條鏈的方向?yàn)?′端→5′端。（2）嘌呤和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90°角。（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈的高度）為3.4nm。（4）維持兩條DNA鏈相互結(jié)合的力是鏈間堿基對(duì)形成的氫鍵。堿基結(jié)合具有嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)律:A與T結(jié)合，G與C結(jié)合，這種配對(duì)關(guān)系，稱(chēng)為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。（5）螺旋表面形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。（6）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。小溝大溝DNA的雙螺旋模型特點(diǎn)

兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個(gè)假設(shè)的中心軸右旋相互盤(pán)繞而形成。

磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對(duì)（堿基配對(duì)原則，Chargaff定律）

螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個(gè)堿基對(duì)（bp）重復(fù)一次，間隔為3.4nm堿基組成規(guī)則(Chargaff規(guī)則)[A]=[T]，[G]=[C]；

[A]+[G]=[T]+[C有種屬特異性無(wú)組織、器官特異性不受年齡、營(yíng)養(yǎng)、性別及其他環(huán)境等影響

DNA雙螺旋的穩(wěn)定性DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理?xiàng)l件下很穩(wěn)定。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵，堿基堆積力。雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的疏水區(qū)，消除了介質(zhì)中水分子對(duì)堿基之間氫鍵的影響；介質(zhì)中的陽(yáng)離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷，降低了DNA鏈之間的排斥力等。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。DNA雙螺旋的種類(lèi)B型結(jié)構(gòu)兩條鏈反向平行，右手螺旋堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對(duì)（bp）A型結(jié)構(gòu)螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝2.0nm小溝大溝B型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特征

三種DNA雙螺旋構(gòu)象比較A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短適中細(xì)長(zhǎng)螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基直升0.23nm0.34nm0.38nm堿基夾角32.7034.6060.00每圈堿基數(shù)1110.412軸心與堿基對(duì)關(guān)系2.46nm3.32nm4.56nm堿基傾角1901090糖苷鍵構(gòu)象反式反式C、T反式，G順式大溝很窄很深很寬較深平坦小溝很寬、淺窄、深較窄很深螺距不穿過(guò)穿過(guò)不穿過(guò)DNA三鏈間的堿基配對(duì)DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)三螺旋DNA

三螺旋DNA

TAT

三股螺旋的堿基配對(duì)（二）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋進(jìn)一步扭曲,形成一種比雙螺旋更高層次的空間構(gòu)象。包括：線(xiàn)狀DNA形成的紐結(jié)、超螺旋和多重螺旋、環(huán)狀DNA形成的結(jié)、超螺旋和連環(huán)等大多數(shù)原核生物：1）共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋分子2）超螺旋結(jié)構(gòu)：雙螺旋基礎(chǔ)上的螺旋化正超螺旋(positivesupercoil):盤(pán)繞方向與雙螺旋方同相同負(fù)超螺旋(negativesupercoil):盤(pán)繞方向與雙螺旋方向相反螺旋和超螺旋電話(huà)線(xiàn)螺旋超螺旋DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成

核小體、染色質(zhì)與染色體第四節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)稀有堿基較多，且穩(wěn)定性較差，易水解RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成單鏈突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)