第六章核酸的化学ppt课件

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1、第六章第六章 核酸的化学核酸的化学核酸核酸nucleic acidnucleic acid是生物特有的重要的大分子是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中。化合物，广泛存在于各类生物细胞中。生物体中存在两类核酸：核糖核酸生物体中存在两类核酸：核糖核酸DNADNA和脱氧核和脱氧核糖核酸糖核酸RNARNA。DNADNA主要存在于细胞核中，主要存在于细胞核中，RNARNA存在于存在于细胞质中。细胞细胞质中。细胞 中的核酸通常与蛋白质结合，以核蛋中的核酸通常与蛋白质结合，以核蛋白的方式存在。白的方式存在。现已证明，储存遗传信息的物质是现已证明，储存遗传信息的物质是DNADNA，基因是，

2、基因是DNADNA分子中的一段特定的碱基陈列顺序。分子中的一段特定的碱基陈列顺序。RNARNA在蛋白质生物合成中起重要作用，而各种复杂的在蛋白质生物合成中起重要作用，而各种复杂的生命景象是经过蛋白质来表达的。生命景象是经过蛋白质来表达的。DNADNA中储存合成蛋白中储存合成蛋白质的遗传信息，必需经过质的遗传信息，必需经过RNARNA的作用才干转变成不同的的作用才干转变成不同的蛋白质。蛋白质。参与蛋白质合成的参与蛋白质合成的RNA有有3类，核糖体类，核糖体RNArRNA、转移、转移RNAtRNA、信使、信使RNAmRNA。rRNA在细胞内与蛋白质结合构成核糖体核蛋白在细胞内与蛋白质结合构成核糖体

3、核蛋白体，约占体，约占RNA 总量的总量的80%，它是细胞内蛋白质的合成，它是细胞内蛋白质的合成场所。场所。tRNA在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸和识别在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，约占密码子的作用，约占RNA 总量的总量的15%。tRNA的种类很的种类很多，合成蛋白质的每一种氨基酸都有相对应的一种或几多，合成蛋白质的每一种氨基酸都有相对应的一种或几种种tRNA。mRNA在蛋白质的生物合成中起着传送遗传信息的作在蛋白质的生物合成中起着传送遗传信息的作用，约占用，约占RNA 总量的总量的5%。在一切细胞中，蛋白质的合。在一切细胞中，蛋白质的合成都以成都以mRNA为模板

4、。为模板。核酸广泛分布于各类生物细胞中，普通占细胞干重核酸广泛分布于各类生物细胞中，普通占细胞干重的的5%15%。在真核细胞中，在真核细胞中，95%98%的的DNA 分布于细胞核中，分布于细胞核中，DNA 与组蛋白结合成染色体的方式存在，每个染色体与组蛋白结合成染色体的方式存在，每个染色体含有一个高度紧缩的含有一个高度紧缩的DNA 分子。线粒体、叶绿体中也分子。线粒体、叶绿体中也有少量有少量DNA 存在，但不与蛋白质结合，且比细胞核中存在，但不与蛋白质结合，且比细胞核中的染色体的染色体DNA 要小得多。在原核细胞中，要小得多。在原核细胞中，DNA 存在于存在于细胞质中的核质区，通常只含有一个高

5、度紧缩的单纯细胞质中的核质区，通常只含有一个高度紧缩的单纯DNA 分子，也称为染色体但与真核细胞的染色体不分子，也称为染色体但与真核细胞的染色体不同。有关大肠杆菌的研讨阐明，它的染色体是一个同。有关大肠杆菌的研讨阐明，它的染色体是一个环状的环状的DNA 分子。在某些细菌中还存在一些游离于染分子。在某些细菌中还存在一些游离于染色体之外的小的色体之外的小的DNA 分子，称为质粒。分子，称为质粒。RNA 主要存在于细胞质中，约占总量的主要存在于细胞质中，约占总量的90%，细胞，细胞核中也有少量的存在，约占总量的核中也有少量的存在，约占总量的10%。病毒是非细胞形状的生物，主要由蛋白质和核酸组病毒是非

6、细胞形状的生物，主要由蛋白质和核酸组成。在病毒内部含有核酸，或是成。在病毒内部含有核酸，或是DNA，或是，或是RNA，据，据此划分为此划分为DNA 病毒和病毒和RNA 病毒。病毒。上述两大类核酸在细胞内的分布情况是与它们的功上述两大类核酸在细胞内的分布情况是与它们的功能相一致的。细胞中的能相一致的。细胞中的DNA 起着储存和传送遗传信息起着储存和传送遗传信息的作用。细胞质中的的作用。细胞质中的RNA 在核内接受了在核内接受了DNA 的的“指令指令，到细胞质指点并直接参与蛋白质的合成。，到细胞质指点并直接参与蛋白质的合成。第一节第一节 核酸的组成核酸的组成核酸的根本构造单位是核苷酸，核酸是由几百

7、甚至核酸的根本构造单位是核苷酸，核酸是由几百甚至几千万个核苷酸聚合而成的生物大分子，几千万个核苷酸聚合而成的生物大分子，所以又称多所以又称多聚核苷酸。核酸经部分水解可产生核苷酸，如经完全聚核苷酸。核酸经部分水解可产生核苷酸，如经完全水解那么产生磷酸、碱基和戊糖。每分子核苷酸含有水解那么产生磷酸、碱基和戊糖。每分子核苷酸含有一分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。也就是一分子磷酸、一分子含氮碱基和一分子戊糖。也就是说，核酸的根本说，核酸的根本“元件是碱基、戊糖和磷酸。两类核元件是碱基、戊糖和磷酸。两类核酸的组成成分中，有一样的，也有不同的。含氮碱基酸的组成成分中，有一样的，也有不同的。含氮碱基是

8、两种母体化合物嘌呤和嘧啶的衍生物。是两种母体化合物嘌呤和嘧啶的衍生物。核核酸酸（多多聚聚核核苷苷酸酸）核核苷苷酸酸（碱碱基基戊戊糖糖磷磷酸酸）核核苷苷（碱碱基基戊戊糖糖）磷磷酸酸碱碱基基（嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱）戊戊糖糖（核核糖糖和和脱脱氧氧核核糖糖）核酸延续水解的降解产物一、戊糖一、戊糖核酸是按其所含戊糖不同而分为两大类的。核酸是按其所含戊糖不同而分为两大类的。DNA DNA 所所含的戊糖是含的戊糖是-D-2-D-2-脱氧核糖，脱氧核糖，RNA RNA 所含的戊糖是所含的戊糖是-D-D-核糖。另外，核糖。另外，RNA RNA 中还含有少量的修饰戊糖，即中还含有少量的修饰戊糖，即D-2-

9、O-D-2-O-甲基核糖。核酸中的这些戊糖均以甲基核糖。核酸中的这些戊糖均以-呋喃型环呋喃型环状构造存在。状构造存在。OOHOHOHHHHHHOCH2OOHHOHHHHHHOCH2-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖二、碱基二、碱基核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。它们是含核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。它们是含氮的杂环化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。氮的杂环化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。1 1、嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。、嘌呤碱：核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。DNA DNA 和和RNA RNA 中含有一样的两种主要的嘌呤碱：腺嘌呤和鸟中含有一样的两种主要的嘌呤碱：

10、腺嘌呤和鸟嘌呤，分别用嘌呤，分别用A A 和和G G 表示。表示。RNA RNA 和和DNA DNA 均含这两种嘌均含这两种嘌呤碱基，它们都是嘌呤的呤碱基，它们都是嘌呤的2 2 位或位或6 6 位碳原子上的氢被位碳原子上的氢被氨基或酮基取代而构成的。核酸中还含有一些修饰嘌氨基或酮基取代而构成的。核酸中还含有一些修饰嘌呤碱也称稀有嘌呤碱，如次黄嘌呤、呤碱也称稀有嘌呤碱，如次黄嘌呤、N6-N6-甲基腺嘌甲基腺嘌呤、呤、7-7-甲基鸟嘌呤等。甲基鸟嘌呤等。HNNNNH321456789ONNNNH321456789OH3CNNNNH321456789OH3CH2N次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤1-甲基鸟嘌

11、呤2 2、嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞、嘧啶碱：核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶，分别用嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶，分别用C C、U U 和和T T 表示。表示。RNA RNA 中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，DNADNA含有胞嘧啶和胸含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。从构造上看，它们都是在嘧啶的腺嘧啶。从构造上看，它们都是在嘧啶的2 2 位碳原子位碳原子上由酮基取代氢，在上由酮基取代氢，在4 4 位碳原子上由氨基或酮基取代位碳原子上由氨基或酮基取代氢而构成的。同样，核酸中也含有一些修饰稀有氢而构成的。同样，核酸中也含有一些修饰稀有嘧啶碱，如嘧啶碱，如

12、5-5-甲基胞嘧啶、甲基胞嘧啶、4-4-硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等等NN123456NN123456OHNH2NHN123456OHOCH3NHN123456OHO嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶核酸中含氮碱基均为无色固体，核酸中含氮碱基均为无色固体，熔点高，大多在熔点高，大多在200300，在，在有机溶剂中溶解度很小，在水中有机溶剂中溶解度很小，在水中溶解度也不大，普通溶于稀酸或溶解度也不大，普通溶于稀酸或稀碱。用稀碱。用X 光衍射分析法已证明光衍射分析法已证明了各种嘌呤和嘧啶的三度空间构了各种嘌呤和嘧啶的三度空间构造。嘧啶是平面分子，嘌呤也很造。嘧啶是平面分子，嘌呤也很接近平面，但

13、稍有翘折。接近平面，但稍有翘折。腺嘌呤分子的立体构造单位为腺嘌呤分子的立体构造单位为nmnm3 3、磷酸：核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都、磷酸：核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与Na+Na+、多胺、组蛋白、多胺、组蛋白结合。核酸中的磷酸参与构成结合。核酸中的磷酸参与构成3,5-3,5-磷酸二酯键，使磷酸二酯键，使核酸连成多核苷酸链。核酸连成多核苷酸链。以上三种根本以上三种根本“元件再进一步衔接，碱基与戊糖元件再进一步衔接，碱基与戊糖以糖苷键构成核苷，核苷再与磷酸以磷酸酯键构成核以糖苷键构成核苷，核苷再与磷酸以磷酸酯键构成核苷酸，核

14、苷酸是核酸的根本构造单位，相当于苷酸，核苷酸是核酸的根本构造单位，相当于“部件部件。DNARNA嘌呤碱腺嘌呤（adenine）腺嘌呤（adenine）（purine bases）鸟嘌呤（guanine）鸟嘌呤（guanine）嘧啶碱胞嘧啶（cytosine）胞嘧啶（cytosine）（pyrimidine bases）胸腺嘧啶（thymine）尿嘧啶（uracil）戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸两类核酸的根本化学组成三、核苷与核苷酸三、核苷与核苷酸1 1、核苷：核苷、核苷：核苷ribosideriboside由戊糖和碱基缩合而成，由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键衔接。糖环上的并以糖苷键

15、衔接。糖环上的C1C1与嘧啶碱的与嘧啶碱的N1 N1 或与嘌呤或与嘌呤碱的碱的N9 N9 相衔接。所以糖与碱基之间的连键是相衔接。所以糖与碱基之间的连键是N-C N-C 键，键，称为称为N-N-糖苷键。运用糖苷键。运用X-X-光衍射分析证明，核苷中的碱基光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面相互垂直。与糖环平面相互垂直。2 2、核苷酸：核苷酸是核苷中戊糖环上的羟基与磷酸、核苷酸：核苷酸是核苷中戊糖环上的羟基与磷酸脱水生成的核苷磷酸酯。由核糖核苷构成的磷酸酯称为脱水生成的核苷磷酸酯。由核糖核苷构成的磷酸酯称为核糖核苷酸简称核苷酸；由脱氧核糖核苷构成的磷核糖核苷酸简称核苷酸；由脱氧核糖核苷构成的磷

16、酸酯称为脱氧核糖核苷酸简称脱氧核苷酸。酸酯称为脱氧核糖核苷酸简称脱氧核苷酸。核苷酸有核苷酸有2-2-核苷核苷酸、酸、3-3-核苷酸和核苷酸和5-5-核苷酸；脱氧核核苷酸；脱氧核苷酸有苷酸有3-3-核苷酸和核苷酸和5-5-核苷酸。细胞内核苷酸。细胞内游离存在的核苷酸都游离存在的核苷酸都是是5-5-核苷酸，核苷酸，RNARNA在在碱催化下水解可生成碱催化下水解可生成2-2-核苷酸和核苷酸和3-3-核核苷酸。苷酸。PPPPPPPP常见脱氧核苷酸的构造和命名常见脱氧核苷酸的构造和命名鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸GMPGMP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸UMPUMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMPCMP腺嘌呤核苷酸

17、腺嘌呤核苷酸AMPAMP脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸dAMPdAMP脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸dGMPdGMP脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸dCMPdCMP脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸dTMPdTMP碱 基核 糖 核 苷 酸脱 氧 核 糖 核 苷 酸腺嘌呤(A)腺嘌呤核苷酸（adenosine monophosphate,AMP）腺嘌呤脱氧核苷酸（deoxyadenosine monophosphate,dAMP）鸟嘌呤(G鸟嘌呤核苷酸（guanosine monophosphate,GMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（deoxyguanosine monophosphate,dGM

18、P胞嘧啶（C）胞嘧啶核苷酸（cytidine monophosphate,CMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（deoxycytidine monophosphate,dCMP）尿嘧啶（U）尿嘧啶核苷酸（uridine monophosphate,UMP）胸腺嘧啶（T）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（deoxythymidine monophosphate,dTMP）常见的核苷酸常见的核苷酸四、细胞内的其它核苷酸四、细胞内的其它核苷酸生物细胞内除组成核酸的核苷酸外，还存在着一些生物细胞内除组成核酸的核苷酸外，还存在着一些游离的核苷酸，它们具有重要的生理功能。游离的核苷酸，它们具有重要的生理功能。1 1、多磷酸核苷酸：

19、核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，、多磷酸核苷酸：核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，构成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称为多磷酸核苷构成核苷二磷酸和核苷三磷酸，二者均称为多磷酸核苷酸。酸。OOHOHHHHHCH2OOOOOOPPPOHOHOHHON(碱基）核苷一磷酸（NMP)核苷二磷酸（NDP)核苷三磷酸（NTP)细胞内的核苷三磷酸都细胞内的核苷三磷酸都是高能磷酸化合物。在生化是高能磷酸化合物。在生化反响中作为能量和磷酸基团反响中作为能量和磷酸基团的供体，以的供体，以ATP最为重要。最为重要。ATP 中含有两个高能磷酸中含有两个高能磷酸键。高能磷酸键水解时释放键。高能磷酸键水解时释放出的能量为出的能量

20、为30kJ/mol，而普，而普通磷酸键能为通磷酸键能为14kJ/mol。生。生物获得的能量可转换成物获得的能量可转换成ATP，当需求能量时，当需求能量时，ATP中的中的高能键水解，将储存的能量释放出来，可参与多种生高能键水解，将储存的能量释放出来，可参与多种生物合成反响。物合成反响。除核苷酸的磷酸基进一步磷酸化外，除核苷酸的磷酸基进一步磷酸化外，5-脱氧核苷酸也脱氧核苷酸也可以进一步磷酸化为脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷可以进一步磷酸化为脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷酸，并都具有各自的生理功能。酸，并都具有各自的生理功能。2 2、环化核苷酸：环化核苷酸是核苷酸分子中的磷酸、环化核苷酸：环化核苷酸是

21、核苷酸分子中的磷酸基团与核糖经过两个酯键环化而成的。研讨较多比较基团与核糖经过两个酯键环化而成的。研讨较多比较重要的有重要的有3,5-3,5-环化腺苷酸环化腺苷酸cAMP)cAMP)和和3,5-3,5-环化环化鸟苷酸鸟苷酸cGMPcGMP。OOHOHHHHCH2OPOOHNNNN321456789NH2OOHOHHHHCH2OPOOHHNNNN321456789H2NOcAMPcGMPcAMP 和和cGMP是是ATP和和GTP经腺苷酸环化酶和鸟经腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶催化生成的，在苷酸环化酶催化生成的，在生物细胞中广泛存在但含量生物细胞中广泛存在但含量很少。很少。cAMP的的3 位酯键为位

22、酯键为高能磷酸键，水解后可释放高能磷酸键，水解后可释放49.7kJ/mol 自在能。自在能。cAMP具有放大激素作用信号的功能，所以在细胞代谢调理具有放大激素作用信号的功能，所以在细胞代谢调理中起重要作用。此外，中起重要作用。此外，3,5 -环鸟苷酸也是一种具有代环鸟苷酸也是一种具有代谢调理作用的环化核苷酸，并有与谢调理作用的环化核苷酸，并有与cAMP相对抗的生理相对抗的生理功能。功能。第二节第二节 核酸的构造核酸的构造一、核酸的一级构造一、核酸的一级构造一核苷酸的衔接方式：一核苷酸的衔接方式：RNARNA和和DNADNA分别由许多核苷分别由许多核苷酸和脱氧核苷酸按一定顺序酸和脱氧核苷酸按一定

23、顺序衔接而成的多核苷酸链。这衔接而成的多核苷酸链。这种衔接都是由一个核苷酸的种衔接都是由一个核苷酸的3 3-羟基和另一个核苷酸的羟基和另一个核苷酸的5-5-磷酸基以酯键相连，构磷酸基以酯键相连，构成一个磷酸二酯键，这种共成一个磷酸二酯键，这种共价键称为价键称为33，5-5-磷酸二酯磷酸二酯键。键。RNARNA和和DNADNA都是由都是由33，5-5-磷酸二酯键衔接而成的磷酸二酯键衔接而成的多核苷酸链。多核苷酸链。多核苷酸链可以用简单的方法表示，如用竖线代表多核苷酸链可以用简单的方法表示，如用竖线代表戊糖。戊糖。PPPPPPOHOHAAGGTU555555333333也可以用碱基序列表示核酸的一

24、级构造，如，也可以用碱基序列表示核酸的一级构造，如，AGCTAGC-,AGCTAGC-,阅读方向从左到右，所表示的碱基序列是从阅读方向从左到右，所表示的碱基序列是从55到到33，核苷酸之间的衔接键是，核苷酸之间的衔接键是33，5-5-磷酸二酯磷酸二酯键。键。在表示核酸酶的水解部位时，用在表示核酸酶的水解部位时，用P P表示磷酸基团，当表示磷酸基团，当它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖环的它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖环的5-5-羟基羟基结合，右侧表示与结合，右侧表示与3-3-羟基结合。如羟基结合。如pApCGpUp,pApCGpUp,表示表示水解后水解后C C的的3-3-羟基连有磷酸基

25、，羟基连有磷酸基，G G的的5-5-羟基是游离的。羟基是游离的。二二DNADNA的一级构造：的一级构造：DNA DNA 的一级构造是由数量极其庞大的四种脱氧核糖的一级构造是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，经过脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，经过3,5-3,5-磷酸二酯键衔接起来的直线形或环形多聚体。磷酸二酯键衔接起来的直线形或环形多聚体。由于核酸链的一端是一个游离的由于核酸链的一端是一个游离的5 5-磷酸基，称磷酸基，称5 5-端，端，另一端是游离的另一端是游离的

26、3 3-羟基，称羟基，称3 3-端，因此端，因此DNA DNA 链是有极链是有极性的。性的。由于生物的遗传信息储存于由于生物的遗传信息储存于DNA DNA 的核苷酸序列中，的核苷酸序列中，生物界物种的多样性就在于生物界物种的多样性就在于DNA DNA 分子四种核苷酸千变分子四种核苷酸千变万化的不同陈列之中，因此万化的不同陈列之中，因此DNADNA序列问题不断是分子生序列问题不断是分子生物学家多年来要处理的重要的但比较困难的问题，但物学家多年来要处理的重要的但比较困难的问题，但是随着分子生物学的开展，如今测定是随着分子生物学的开展，如今测定DNA DNA 的序列曾经的序列曾经成为分子生物学实验室

27、的一种常规方法。成为分子生物学实验室的一种常规方法。二二RNA的一级构造：的一级构造：RNA 是细胞内核酸的第二种主要类型，它在把是细胞内核酸的第二种主要类型，它在把DNA 中的遗传信息变胜利能性蛋白的过程中起中介作中的遗传信息变胜利能性蛋白的过程中起中介作用。用。RNA 是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸，鸟嘌呤核种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸，鸟嘌呤核糖核苷酸，胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。糖核苷酸，胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。这些核苷酸中的戊糖不是脱

28、氧核糖，而是核糖。RNA 分子中还有某些稀有碱基。分子中还有某些稀有碱基。组成组成RNA 的核苷酸也是以的核苷酸也是以3,5 -磷酸二酯键彼此磷酸二酯键彼此衔接起来的。但衔接起来的。但RNA 分子比分子比DNA 分子小得多含几分子小得多含几十至几千个核苷酸，且不象十至几千个核苷酸，且不象DNA 那样都是双螺旋构那样都是双螺旋构造，而是单链线形分子。虽然造，而是单链线形分子。虽然RNA 分子中核糖环分子中核糖环C2 上有一羟基，但并不构成上有一羟基，但并不构成2,5 -磷酸二酯键。磷酸二酯键。天然天然RNA 只需部分区域为双螺旋构造。这些双链构只需部分区域为双螺旋构造。这些双链构造是由于造是由于

29、RNA 单链分子经过本身回折使得互补的碱基单链分子经过本身回折使得互补的碱基对相遇，经过氢键结合构成反平行右手双螺旋构造称对相遇，经过氢键结合构成反平行右手双螺旋构造称为茎，不能配对的区域构成突环为茎，不能配对的区域构成突环loop，称为环，称为环，被排斥在双螺旋构造之外。每一段双螺旋区至少需求有被排斥在双螺旋构造之外。每一段双螺旋区至少需求有46 对碱基才干坚持稳定，同样以氢键和碱基堆积力为对碱基才干坚持稳定，同样以氢键和碱基堆积力为稳定要素。普通说，双螺旋区约占稳定要素。普通说，双螺旋区约占RNA 分子的分子的50%。RNA 的这种构造称为茎环构造，是各种的这种构造称为茎环构造，是各种RN

30、A 的共同的的共同的二级构造特征。在此根底上二级构造特征。在此根底上RNA 分子进一步扭曲折叠分子进一步扭曲折叠便构成更为复杂的三级构造。便构成更为复杂的三级构造。1、tRNA的一级构造：的一级构造：tRNA把氨基酸转运到核糖体把氨基酸转运到核糖体上，每种氨基酸都有一种或几种相应的上，每种氨基酸都有一种或几种相应的tRNA，组成蛋，组成蛋白质的氨基酸有白质的氨基酸有20种，但种，但tRNA就有就有500多种，每种多种，每种tRNA根据所转运的氨基酸来命名，如转运丙氨酸的，根据所转运的氨基酸来命名，如转运丙氨酸的，叫丙氨酸叫丙氨酸tRNA，写作，写作tRNAALa。从目前知的。从目前知的tRNA

31、的的一级构造来看，虽然组成它们的核苷酸数目不同，序一级构造来看，虽然组成它们的核苷酸数目不同，序列不同，但在一级构造上有共同点。列不同，但在一级构造上有共同点。1相对分子质量很小，相对分子质量很小，Mr为为25000左右，平均沉左右，平均沉降系数为降系数为4S。2各种各种tRNA的链长都很接近，普通在的链长都很接近，普通在7393个核个核苷酸之间，其中大多数在苷酸之间，其中大多数在76个。个。3有十几个位置上的核苷酸在几乎一切的有十几个位置上的核苷酸在几乎一切的tRNA 中都是不变的，即为恒定核苷酸，如第中都是不变的，即为恒定核苷酸，如第8位的位的U，第，第18、19 位的位的G 等，这些恒定

32、核苷酸对于维持三级构造和实等，这些恒定核苷酸对于维持三级构造和实现生物功能起着重要作用。现生物功能起着重要作用。4各种各种tRNA的的3末端都为末端都为-PCPCPAOH，用来接，用来接受活化的氨基酸。所以这个末端称接受末端；受活化的氨基酸。所以这个末端称接受末端；5-末端末端大多为大多为PG-，也有，也有PC-的。的。5碱基组成中有较多的稀有碱基，每个碱基组成中有较多的稀有碱基，每个tRNA 分分子中少那么含有子中少那么含有2 个，多那么含有个，多那么含有19 个修饰核苷酸，个修饰核苷酸，它们的功能还不清楚。它们的功能还不清楚。2、rRNA及核糖体的构造：及核糖体的构造：rRNA是核糖体的组

33、成是核糖体的组成成分，约占核糖体分量的三分之二左右，是蛋白质生成分，约占核糖体分量的三分之二左右，是蛋白质生物合成的场所，普通由物合成的场所，普通由1205000个核苷酸组成。核糖个核苷酸组成。核糖体由大小两个不同的亚基组成。体由大小两个不同的亚基组成。虽然原核生物和真核生物的核糖体蛋白质和虽然原核生物和真核生物的核糖体蛋白质和rRNA的的差别很大，但核糖体总体构造很类似。差别很大，但核糖体总体构造很类似。rRNA修饰碱基的含量比修饰碱基的含量比tRNA少的多，其显著特点少的多，其显著特点之一是甲基化核苷的存在。之一是甲基化核苷的存在。3、mRNA的一级构造：的一级构造：mRNA是蛋白质合成的

34、模是蛋白质合成的模板产生于细胞核与线粒体，然后进入细胞质及核糖体，板产生于细胞核与线粒体，然后进入细胞质及核糖体，种类很多，每一种的相对分子质量及碱基序列都不一种类很多，每一种的相对分子质量及碱基序列都不一样。样。原核细胞与真核细胞中的原核细胞与真核细胞中的mRNA在构造上的区别：在构造上的区别：原核细胞原核细胞mRNA的的5端有无帽子构造，真核细胞端有无帽子构造，真核细胞mRNA的的5端有帽子构造。端有帽子构造。帽子构造的作用：帽子构造的作用：1防止防止mRNA被核酸酶降解；被核酸酶降解；2为为mRNA翻译活性所必需；翻译活性所必需；3与蛋白质合成与蛋白质合成的正确起始有关；的正确起始有关；

35、4协助核糖体与协助核糖体与mRNA结合，使结合，使翻译作用在翻译作用在AUG起始密码子处开场。起始密码子处开场。原核生物原核生物mRNA3端普通没有或仅有少于端普通没有或仅有少于10个多聚个多聚腺苷酸构造，真核生物腺苷酸构造，真核生物mRNA3端普通都有多聚核苷端普通都有多聚核苷酸，有一条大约有酸，有一条大约有200个腺苷酸残基延续组成的多聚个腺苷酸残基延续组成的多聚腺苷酸链，常称为尾巴构造。腺苷酸链，常称为尾巴构造。尾巴构造的作用尾巴构造的作用1 1可维护可维护mRNAmRNA免受核酸外切酶免受核酸外切酶的作用；的作用；2 2与与mRNAmRNA的翻译活性有关；的翻译活性有关；3 3与与mR

36、NAmRNA顺利经过核膜进入胞质有关；顺利经过核膜进入胞质有关；4 4与与mRNAmRNA从细胞核转从细胞核转移到核糖体有关。移到核糖体有关。二、核酸的空间构造二、核酸的空间构造一一DNA的空间构造的空间构造1、DNA的二级构造：的二级构造：DNA的二级构造是由两条脱的二级构造是由两条脱氧核苷酸链构成的双螺旋构造。氧核苷酸链构成的双螺旋构造。DNA双螺旋构造的特点：双螺旋构造的特点：1两条反响平行的多核苷酸链构成右手螺旋两条反响平行的多核苷酸链构成右手螺旋2大沟和小沟大沟和小沟 DNA的两条多核苷酸链之间有两的两条多核苷酸链之间有两条螺旋型的凹槽。对条螺旋型的凹槽。对DNA和蛋白质的相互识别很

37、重和蛋白质的相互识别很重 要。要。3碱基、糖和磷酸的位置。碱基、糖和磷酸的位置。4碱基对碱基对 A与与T配对，构成配对，构成2个氢键；个氢键；G与与C配对，配对，构成构成3个氢键。个氢键。5螺旋参数螺旋参数 双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm，两个相邻碱基，两个相邻碱基对之间的间隔对之间的间隔(碱基堆积间隔是碱基堆积间隔是0.34nm，每，每10个核苷个核苷酸构成螺旋的一转，每一转的高度螺距酸构成螺旋的一转，每一转的高度螺距3.4nm。6核苷酸序列核苷酸序列 DNA双螺旋构造对核苷酸链上碱双螺旋构造对核苷酸链上碱基的序列无任何限制，每链可含腺苷酸、鸟苷酸、胞基的序列无任何限制，每链可含腺苷酸、

38、鸟苷酸、胞苷酸和胸苷酸等苷酸和胸苷酸等4种核苷酸，但各种核苷酸的陈列顺序种核苷酸，但各种核苷酸的陈列顺序是极复杂和多样化的。是极复杂和多样化的。维持维持DNA双螺旋构造稳定性的双螺旋构造稳定性的3种作用力：种作用力：1氢键氢键 A、T之间有两个氢键，之间有两个氢键，G、C之间有之间有3个个氢键，与氢键，与A、T对比，对比，G、C更稳定，因此双螺旋构造更稳定，因此双螺旋构造的稳定性与的稳定性与G+C的百分含量成正比。的百分含量成正比。2碱基堆积力碱基堆积力 碱基嘌呤和嘧啶外形扁平，碱基嘌呤和嘧啶外形扁平，是疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的是疏水性的，分布于螺旋的内侧，大量临近碱基对的

39、堆积，使其内部构成了一个强大的疏水区，与介质的堆积，使其内部构成了一个强大的疏水区，与介质的水分子隔开，这种景象称疏水相互作用。此外，堆积水分子隔开，这种景象称疏水相互作用。此外，堆积的碱基对间存在范德华力。因此碱基堆积力的本质是的碱基对间存在范德华力。因此碱基堆积力的本质是疏水相互作用和范德华力，对维持疏水相互作用和范德华力，对维持DNA双螺旋构造起双螺旋构造起主要作用。主要作用。3离子键离子键 磷酸基上的负电荷与介质中阳离子之磷酸基上的负电荷与介质中阳离子之间构成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。间构成的离子键，有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。2、DNA的三级构造：指双螺旋构造的的

40、三级构造：指双螺旋构造的DNA分子经分子经过进一步卷曲和折叠所构成的特定构象。过进一步卷曲和折叠所构成的特定构象。真核生物的染色体真核生物的染色体DNA多数为双链线形分子，但细多数为双链线形分子，但细菌的染色体菌的染色体DNA、某些病毒的、某些病毒的DNA、细菌质粒、真核、细菌质粒、真核生物的线粒体和叶绿体的生物的线粒体和叶绿体的DNA为双链环形为双链环形DNA。当当DNA分子在溶液中自在存在时，双螺旋呈松弛形分子在溶液中自在存在时，双螺旋呈松弛形状，每状，每10个核苷酸螺旋上升一圈，此时双螺旋处于最个核苷酸螺旋上升一圈，此时双螺旋处于最低能量形状，假设将这种正常的双螺旋分子额外多转低能量形状

41、，假设将这种正常的双螺旋分子额外多转几圈或少转几圈，就会使螺旋内部的原子偏离正常的几圈或少转几圈，就会使螺旋内部的原子偏离正常的位置，其结果在双螺旋分子存在一种额外的张力；假位置，其结果在双螺旋分子存在一种额外的张力；假设双螺旋末端是开放的，这时张力可以经过链的回转设双螺旋末端是开放的，这时张力可以经过链的回转释放出来，释放出来，DNA恢复正常的双螺旋形状，假设恢复正常的双螺旋形状，假设DNA分分子是环状的张力不能释放，内部原子只能重排，子是环状的张力不能释放，内部原子只能重排，DNA就会方式扭曲，就会方式扭曲，DNA双螺旋的扭曲就称为超螺旋双螺旋的扭曲就称为超螺旋DNA。超螺旋超螺旋DNA有

42、负超螺旋和正超螺旋两种。自然界存有负超螺旋和正超螺旋两种。自然界存在的超螺旋在的超螺旋DNA绝大多数是负超螺旋。绝大多数是负超螺旋。绝大部分双链环形绝大部分双链环形DNA可进一步扭曲成超螺旋可进一步扭曲成超螺旋DNA(又叫共价闭环又叫共价闭环DNA)。假设超螺旋。假设超螺旋DNA的一条链的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，构成松弛环形断裂，分子将释放扭曲张力，构成松弛环形DNA又又叫开环叫开环DNA。假设超螺旋。假设超螺旋DNA的两条链都断裂，就的两条链都断裂，就会转化为双链线形会转化为双链线形DNA。二二RNA的空间构造：的空间构造：RNA的碱基组成不像的碱基组成不像DNA那样有那样有A=U和

43、和G C的规的规律，大多数天然律，大多数天然RNA是一条单链，由于单链可以发生是一条单链，由于单链可以发生本身回折，使一些可配对的碱基相遇，构成本身回折，使一些可配对的碱基相遇，构成A=U和和G C，构成部分双螺旋区域，叫臂和茎，不能配对的碱，构成部分双螺旋区域，叫臂和茎，不能配对的碱基构成单链突环，基构成单链突环，RNA中约有中约有4070%的核苷酸参与的核苷酸参与双螺旋的构成，所以双螺旋的构成，所以RNA分子可以构成多环多臂的二分子可以构成多环多臂的二级构造级构造1、tRNA的二级构造：的二级构造：1965年年R.W.Holley等人测定等人测定了酵母丙氨酸了酵母丙氨酸tRNA的一级构造后

44、，根据碱基序列的测的一级构造后，根据碱基序列的测定和碱基配对原那么，提出了酵母定和碱基配对原那么，提出了酵母tRNA的二级构造模的二级构造模型为三叶草形。迄今为止发现的型为三叶草形。迄今为止发现的500余种余种tRNA都符合都符合三叶草的模型，但也有少数例外。三叶草的模型，但也有少数例外。三叶草构造的主要特征：三叶草构造的主要特征：1 1tRNAtRNA普通由普通由4 4臂臂4 4环环组成。组成。2 2上臂上臂是由是由tRNA3tRNA3端和端和55端附近的端附近的7 7对对碱基所组成，称氨基酸接受碱基所组成，称氨基酸接受臂，其臂，其33端的端的C-C-AC-C-A核苷酸核苷酸段是接受氨基酸的

45、部位。段是接受氨基酸的部位。(3)(3)下臂下臂 与反密码与反密码子环相连，环的顶端有由子环相连，环的顶端有由I-I-G-C3G-C3个核苷酸组成的反密码子，此臂称反密码子臂。个核苷酸组成的反密码子，此臂称反密码子臂。是识别是识别mRNAmRNA上密码子的机构。上密码子的机构。4 4左臂为而氢尿嘧啶臂，与含二氢尿嘧啶的环相左臂为而氢尿嘧啶臂，与含二氢尿嘧啶的环相连。连。5右臂右臂为为TC臂，与一个含有臂，与一个含有TC序列序列的环或一个可变环相连，可变环的核苷酸的数目变化的环或一个可变环相连，可变环的核苷酸的数目变化较大，随不同的较大，随不同的tRNA而异。而异。tRNA中含有中含有2021对

46、碱基对，由于其双螺旋构造所对碱基对，由于其双螺旋构造所占比例甚高，对称性强，故占比例甚高，对称性强，故tRNA的稳定性甚强。的稳定性甚强。2、tRNA的三级构造：的三级构造：tRNA的的 三级构造很像倒写三级构造很像倒写的的L,氨基酸臂和氨基酸臂和TC臂沿同一轴陈列，构成臂沿同一轴陈列，构成12bp的延的延续双螺旋，在与之垂直的方向，反密码子臂和续双螺旋，在与之垂直的方向，反密码子臂和D臂沿同臂沿同一轴陈列，一轴陈列，D环和环和TC环构成倒环构成倒L的转角，两环之间的的转角，两环之间的氢键和碱基堆积力稳定了转角的构象。氢键和碱基堆积力稳定了转角的构象。3 3、rRNArRNA的二级构造：也是三

47、叶形。从大肠杆菌核的二级构造：也是三叶形。从大肠杆菌核糖体分别出来的糖体分别出来的rRNArRNA有有23S23S、16S16S和和5S5S三种；从真核细三种；从真核细胞分别出来的胞分别出来的rRNArRNA有有5S5S、5.8S5.8S、18S18S和和28S428S4种。不同的种。不同的rRNArRNA的碱基比例和碱基序列各不一样，但分子构造根的碱基比例和碱基序列各不一样，但分子构造根本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间陈列而成。本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间陈列而成。如大肠杆菌如大肠杆菌5SrRNA5SrRNA的外形。的外形。第三节第三节 核酸的性质核酸的性质核酸的性质是由核酸

48、的组成和性质决议的，核酸的性质是由核酸的组成和性质决议的，DNADNA与与RNARNA的许多性质与组成它们的核苷酸类似，但也有某些的许多性质与组成它们的核苷酸类似，但也有某些特殊的性质。特殊的性质。一、核酸的物理性质一、核酸的物理性质DNADNA是白色纤维状固体，是白色纤维状固体，RNARNA是白色粉末或结晶。是白色粉末或结晶。它们都是极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙它们都是极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂，核酸的钠盐比核酸溶解度大。醚、氯仿等有机溶剂，核酸的钠盐比核酸溶解度大。在生物体内，核酸与蛋白质构成核蛋白，在生物体内，核酸与蛋白质构成核蛋白，DNADNA核蛋白

49、核蛋白易溶于易溶于2moL/L2moL/L的的NaCINaCI溶液中，难溶于溶液中，难溶于0.14moL/L0.14moL/L的稀的稀NaCINaCI溶液，利用二者在溶液，利用二者在NaCINaCI溶于中溶解性的不同，可溶于中溶解性的不同，可以分别以分别DNADNA和和RNARNA。DNA是相对分子质量很大的线性分子，因此，是相对分子质量很大的线性分子，因此，DNA溶液有很大的黏度；而溶液有很大的黏度；而RNA的相对分子质量较小，其的相对分子质量较小，其黏度比黏度比DNA小。小。核酸分子中有嘌呤和嘧啶碱基，碱基的共轭体系剧核酸分子中有嘌呤和嘧啶碱基，碱基的共轭体系剧烈吸收烈吸收260290nm

50、波段紫外光，其最大吸收峰在波段紫外光，其最大吸收峰在260nm。利用这一性质，可以定性和定量测定核酸。利用这一性质，可以定性和定量测定核酸。二、核酸的化学性质二、核酸的化学性质(一一)核酸的两性性质核酸的两性性质核酸既含有呈酸性的磷酸基团，又含有呈弱碱性的核酸既含有呈酸性的磷酸基团，又含有呈弱碱性的碱基，故为两性电解质，可发生两性解离。但磷酸的碱基，故为两性电解质，可发生两性解离。但磷酸的酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，一切构成磷酸性较强，在核酸中除末端磷酸基团外，一切构成磷酸二酯键的磷酸基团仍可解离出一个酸二酯键的磷酸基团仍可解离出一个H+，其，其pK 为为1.5；而嘌呤和嘧啶碱基为含氮

51、杂环，又有各种取代基，既而嘌呤和嘧啶碱基为含氮杂环，又有各种取代基，既有碱性解离又有酸性解离的性质，解离情况复杂，有碱性解离又有酸性解离的性质，解离情况复杂，但总的来看，它们呈弱碱性。所以，核酸相当于多元但总的来看，它们呈弱碱性。所以，核酸相当于多元酸，具有较强的酸性，当酸，具有较强的酸性，当pK4 时，磷酸基团全部解离，时，磷酸基团全部解离，呈多阴离子形状。呈多阴离子形状。核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其解离形状随核酸是具有较强的酸性的两性电解质，其解离形状随溶液的溶液的pH 而改动。当核酸分子的酸性解离和碱性解离而改动。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，

52、即成为两性离程度相等，所带的正电荷与负电荷相等，即成为两性离子，此时核、酸溶液的子，此时核、酸溶液的pH 就称为等电就称为等电isoelectric point,简称简称pI。核酸的等电点较低，如酵母。核酸的等电点较低，如酵母RNA的的pI 为为2.02.8。根据核酸在等电点时溶解度最小的性质，把。根据核酸在等电点时溶解度最小的性质，把pH 调至调至RNA 的等电点，可使的等电点，可使RNA 从溶液中沉淀出来。从溶液中沉淀出来。根据核酸的解离性质，用中性或偏碱性的缓冲液使根据核酸的解离性质，用中性或偏碱性的缓冲液使核酸解离成阴离子，置于电场中便向阳极挪动，这就核酸解离成阴离子，置于电场中便向阳

53、极挪动，这就是电泳是电泳electrophoresis。凝胶电泳可算是当前核酸。凝胶电泳可算是当前核酸研讨中最常用的方法了。它有许多优点：简单、快速、研讨中最常用的方法了。它有许多优点：简单、快速、灵敏、本钱低。常用的凝胶电泳有琼脂糖灵敏、本钱低。常用的凝胶电泳有琼脂糖agarose凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳和聚丙烯酰胺polyacrylamide凝胶电泳。凝胶电泳。可以在程度或垂直的电泳槽中进展。凝胶电泳兼有分可以在程度或垂直的电泳槽中进展。凝胶电泳兼有分子筛和电泳双重效果，所以分别效率很高。子筛和电泳双重效果，所以分别效率很高。二核酸的变性和复性二核酸的变性和复性1、变性：核酸的变性指核

54、酸双螺旋区的氢键断裂、变性：核酸的变性指核酸双螺旋区的氢键断裂和碱基堆积力破坏，变成单链的无规那么线团，使核和碱基堆积力破坏，变成单链的无规那么线团，使核酸的某些光学性质和流膂力学性质发生改动，有时部酸的某些光学性质和流膂力学性质发生改动，有时部分或全部生物活性丧失，并不涉及共价键的断裂。分或全部生物活性丧失，并不涉及共价键的断裂。缓慢冷却加热天然DNA变性DNA当将当将DNA 的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80100时，双螺旋构时，双螺旋构造即发生解体，两条链分开，构成无规那么线团。一系造即发生解体，两条链分开，构成无规那么线团。一系列物化性质也随之发生改动：粘度降低，浮力密度升高列物化性

55、质也随之发生改动：粘度降低，浮力密度升高等，同时改动二级构造，有时可以失去部分或全部生物等，同时改动二级构造，有时可以失去部分或全部生物活性。活性。DNA 变性后，由于双螺旋解体，碱基堆积已不存在，变性后，由于双螺旋解体，碱基堆积已不存在，藏于螺旋内部的碱基暴显露来，这样就使得变性后的藏于螺旋内部的碱基暴显露来，这样就使得变性后的DNA 对对260nm 紫外光的吸光率比变性前明显升高添紫外光的吸光率比变性前明显升高添加，这种景象称为增色效应加，这种景象称为增色效应hyperchromic effect。常用增色效应跟踪常用增色效应跟踪DNA 的变性过程，了解的变性过程，了解DNA的变性的变性程

56、度。程度。2、复性：变性、复性：变性DNA 在适当条件下，两条彼此分开在适当条件下，两条彼此分开的链重新缔合的链重新缔合reassociation成为双螺旋构造的过程成为双螺旋构造的过程称为复性称为复性renaturation。DNA 复性后，许多物化性复性后，许多物化性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。复性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。复性过程根本上符合二级反响动力学，其中第一步是相对过程根本上符合二级反响动力学，其中第一步是相对缓慢的，由于两条链必需依托随机碰撞找到一段碱基缓慢的，由于两条链必需依托随机碰撞找到一段碱基配对部分，首先构成双螺旋。第二步快得多，尚未配配对部分，首先构成双螺旋。第二步快得多，尚未配对的其他部分按碱基配对相结合，象拉锁链一样迅速对的其他部分按碱基配对相结合，象拉锁链一样迅速构成双螺旋。构成双螺旋。