核酸结构碱基核苷核苷酸磷酸二酯键
DNA/RNA序列
DNA双螺旋
A型,B型及 Z型螺旋
RNA二级结构修饰核酸碱基（ Bases）
DNA和 RNA中的碱基是含有多种取代基的杂环芳香族化合物
嘌呤（ purine）：双环结构
腺嘌呤（ adenine）
鸟嘌呤（ guanine）
嘧啶（ pyrimidine）：单环结构
胞嘧啶（ cytosine）
尿嘧啶（ uracil） ---RNA
胸腺嘧啶（ thymine）
组成核酸的碱基核苷核酸分子中，碱基共价结合于戊糖的 1’位构成核苷,RNA中的戊糖为核糖，而 DNA中为 2’-脱氧核糖核糖与碱基的结合位置嘧啶为 1位，嘌呤为 9位碱基与戊糖的之间的结合键成为糖苷键若糖分子是核糖，形成的核苷（核糖核苷）为腺苷（ adenosine）、鸟苷 (guanosine)、胞苷
(cytidine)和尿苷 (uridine)；
若糖分子是脱氧核糖，形成的核苷为脱氧－苷脱氧核苷结构核苷结构核苷酸核苷酸有一个或多个磷酸分子共价结合于核苷的核糖的 3’,5’位或 2’位（核糖核苷中）而成
脱氧核糖核苷酸 (deoxynucleotide)
5’-三磷酸核苷和 5’-三磷酸脱氧核苷是构成核酸大分子的基本元件 ---在 DNA和 RNA合成过程中，核苷酸脱去一个焦磷酸基团，整合到核酸链中
（脱氧）核苷酸结构核酸的一级结构核苷酸序列
DNA分子中不同的区域具有不同的功能
结构基因 — 编码蛋白质
调节基因 — 含有复制、转录和翻译的调控信号原核生物的结构基因占整个 DNA的大部分真核生物的结构基因仅占 DNA的一小部分非结构基因包含了调节基因表达的重要信息磷酸二酯键在 DNA和 RNA中脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸通过一个磷酸基团和前一核糖的 5’－羟基和下一个核糖的 3’羟基的共价交联而形成多聚物，这种键或连接称为 磷酸二酯键因此，任何一条核酸链都具有一个连接或没有连接着磷酸基团的游离 5’端和一个通常含有游离羟基的 3’端在中性条件下，每一个磷酸基团带有一个单位负电荷，因而核酸是,酸,,而且是强酸的阴离子，是一种带有强负电性的多聚体核酸分子的延长脱氧核糖核酸结构核糖核酸结构
DNA双螺旋结构 (二级结构 )
自然界中的 DNA分子通常都是以双螺旋结构存在的
沃森、克里克于 1935年提出模型
带有负电的磷酸－戊糖骨架在分子外侧
碱基平面堆积于螺旋内部
由于骨架双链在螺旋轴上的间距不相等，因而在分子表面形成宽窄不等的大沟和小沟
双链之间对应的碱基以氢键作用形成碱基对
DNA双螺旋结构中每一匝螺旋含有约 10个碱基对
两条链以 5’ 3’方向，反向排列
碱基配对原则
G-C 三个氢键
A-T 二个氢键
两条链互为互补链（ complementary）
其中一条链的序列可以特异性地确定另一条链的序列
暗示了 DNA自我复制（ replication）,DNA转录为 RNA
(transcription)的机制
Hydrogenbonding patterns in the base pairs defined by Watson and Crick
DNA分子结构
A型,B型及 Z型螺旋生物体内 DNA结构是基本一致的，即所谓的 B型螺旋（最稳定）
在低温条件下,DNA分子可以被诱导形成 A型螺旋
结构更加紧密、更宽，螺旋重复每匝为 11个碱基对左旋 DNA为 Z型 DNA，属于异常螺旋形式
外观呈 Z字型，每匝 12碱基对
不是体内 DNA的主要形式
The Avery-MacLeod-McCarty experiment.
DNA is the bearer of genetic information
Summary of the Hershey-Chase experiment,Two batches of
isotopically labeled bacteriophage particles were prepared,One
was labeled with 32P in the phosphate groups of the DNA and
the other with 35S in the sulfur-containing amino acids of the
protein coats (capsids),(Note that DNA contains no sulfur,
and viral protein no phosphorus.) The two batches of labeled
phage were then added to separate suspensions of unlabeled
bacteria,Each suspension of phage-infected cells was agitated in
a blender to shear the viral capsids from the bacteria,The
bacteria and empty viral coats (ghosts) were then separated by
centrifugation,The cells infected with the 32P-labeled phage
were found to contain 32P,indicating that the labeled viral DNA
had entered the cells,and the viral ghosts contained no
radioactivity,The cells infected with 35S-labeled phage were
found to have no radioactivity after blender treatment,but the
viral ghosts contained 35S,Progeny virus particles were
produced in both batches of bacteria some time after the viral
coats were removed,thus the genetic message for their
replication had been introduced by viral DNA,not by viral
protein.
RNA的二级结构
RNA分子通常以单链形式存在，因而不存在双链 DNA分子那样的双螺旋结构其结构特点为
形成近似球型的结构，通过分子内的氢键作用和在单核酸链间的碱基堆积可形成局部区域的螺旋结构
与 DNA相比,RNA分子的这种构型的多样性是与其在细胞中的作用的多样性相适应的
Phenylalanine tRNA of yeast.(a) Three-dimensional structure,(b)
Some unusual base-pairing patterns,Note also the involvement of a
phosphodiester bond oxygen in one hydrogenbonding arrangement,
and the involvement of a 2'-hydrnxyl group in another (both in red),
修饰核酸在自然界中，核酸分子中的碱基或核苷酸的化学修饰是普遍的，并起着许多特定的作用对于细胞 DNA而言，修饰一般仅限于腺嘌呤的
N-6位、胞嘧啶的 4-氨基和 5位的甲基化，这些甲基化具有限制性修饰作用、碱基错配修复作用以及真核基因组构中普遍存在更为复杂的修饰发生在转录后的 RNA分子中核酸的理化性质核酸的稳定性酸效应碱效应化学变性黏性浮力密度核酸的稳定性核酸稳定性的源泉
并非碱基间氢键的存在
在与碱基对之间的,堆积作用,(stacking
interaction)
碱基是芳香族化合物，是疏水的
大量水分子的氢键作用形成的网格在疏水的表面附近变得不稳定，水分子的排列变得更有序
碱基对的堆积使所有的水分子排除在这样的疏水表面
从能量的角度讲是最稳定的
最大限度地增强了碱基的电荷偶极作用
疏水效应使其成为能量上最稳定的一种结构酸效应在强酸和高温下,核酸可以完全水解为碱基、核糖（脱氧核糖）和磷酸碱效应
DNA变性 — 碱效应使碱基的互变异构发生变化
高 pH下，嘌呤的分子结构由酮式转为烯醇式，
将直接影响到特定碱基之间的氢键作用，导致 DNA双链的解离，成为 DNA变性
DNA denature
Nucleotides and Nucleic Acids Undergo Nonenzymatic
Tansformations
Purines and pyrimidines,along with
the nucleotides of which they are a
part,undergo a number of reactions
involving spontaneous alteration of
their covalent structure,These
reactions are generally very slow,but
they are physiologically significant
because of the cell's very low
tolerance for alterations in genetic
information,Alterations in DNA
structure that lead to permanent
changes in the genetic information
encoded therein are called mutations,
and much evidence suggests an
intimate link between the
accumulation of mutations and the
processes of aging and cancer.
Deamination
reactions,
Depurination,in which a purine is lost by hydrolysis of the N-glycosyl
bond,The deoxyribose remaining after depurination is readily converted
from the /β-furanose to the aldehyde form
Depurination
Tautomerization of the bases
紫外诱导的 DNA结构变化化学试剂对 DNA结构的影响常用试剂化学诱变实例
DNA杂交
Nucleic Acids from Different Species
Can Form Hybrids
DNA序列分析
Sanger (dideoxy) method
限制性内切酶和凝胶电泳方法的建立，使 DNA序列的快速测定成为可能
核酸内切酶的发现
Arber假说
细菌体内含有两种酶：核酸内切酶和修饰（甲基化）酶
核酸内切酶（限制性内切酶）：可以专一性地识别并切开 DNA
分子上的一个特定的碱基序列
甲基化酶：能识别限制性内切酶识别的碱基序列，并把其中的某些碱基甲基化意义：自身的 DNA总是被修饰酶修饰好的，不会被自身的内切酶所降解，该系统可以保护机体免受外来 DNA的入侵。
重要的工具酶,Hind II,Hind III ……
特点,在 DNA分子上产生的切口位置是专一的分子量不大 (<100,000)
镁离子是唯一必需的辅因子
DNA序列测定方法
Step1:以单链 DNA为模板，加入一个合适的引物（ 32P）和四种脱氧核糖核苷三磷酸
（ dNTP）；
Step2:在 DNA聚合酶的作用下，随机互补链合成，各种长度的 DNA链都有；
Step3:除去四种 dNTP，反应物分成两份，
一份用于加法系统，另一份用于减法系统；
Step4:加法系统，产物分成 4分，每一份中仅仅加入四种 dNTP中的一种，由于 DNA聚合酶具有 3’— 5’的外切酶活性，而反应体系中缺少另外三种必须的 dNTP，合成产物就从 3’— 5’方向降解，但当遇到体系中的一种
dNTP降解反应就停止了，此时的水解片段就是以该 dNTP结尾的片段；
Step5:利用电泳分离即可以推断碱基顺序；
Step6:减法系统，产物分成四份，每一份中加入三种 dNTP，比如缺少 dATP；在该体系中 DNA聚合酶可以将片段继续合成下去，
但在遇到应该是 dATP加入的位置，合成反应就停止下来了，这样就可以得到一组以 A
前一个位置为结尾的片段，电泳后依旧可以得到 A的位置核酸的光谱学和热力学紫外吸收减色性
DNA纯度核酸的紫外吸收由于嘧啶碱和嘌呤碱均含有苯环，因此在紫外区均有吸收
DNA和 RNA— 260nm
蛋白质 — 280nm
核酸的减色性核酸碱基的消光系数与其所处环境有关
其吸光值顺序以此为：
单核苷酸 >单链 DNA（ RNA） >双链 DNA（ RNA）
引起减色性的原因为：
碱基在疏水环境中的堆积
DNA的纯度常用 260nm与 280nm处的吸光值来确定,
纯的 dsDNA的 A260／ A280为 1.8
纯 RNA的 A260／ A280为 2.0
若样品的 A260／ A280>1.8,则表明有 RNA污染若样品的 A260／ A280<1.8,则表明有蛋白质污染
DNA超螺旋（三级结构）
闭环 DNA
超螺旋拓扑异构体缠绕和扭曲嵌入剂超螺旋能拓扑异构酶闭环 DNA
细胞内的许多 DNA分子都是闭环的
细菌质粒
染色体
病毒 DNA分子闭环 DNA分子的特点：
3’端和 5’端连接成环
两条互补链之间相互螺旋缠绕
无游离端
两条链缠绕的数目即为双螺旋的螺旋数，成为连接数（ Lk）
Linking number,Lk,The molecule in (a) has a linking number of 1,The molecule in (b)
has a linking number of 6,One of the strands in (b) is kept untwisted for illustrative
purposes to define the border of an imaginary surface (shaded blue),The number of
times the twisting strand penetrates this surface provides one definition of linking
number.
超螺旋
For the relaxed DNA molecule of Figure 23-15a,underwinding or
overwinding by two helical turns (Lk = 18 or 22) will produce
negative or positive supercoiling as shown,Note that the twisting of
the DNA axis is opposite in sign in the two cases.
正超螺旋,DNA扭曲方向与双螺旋方向相同；
负超螺旋：
DNA扭曲方向与双螺旋方向相反
（几乎所有细胞中的超螺旋都是负的）
Electron micrographs of relaxed and supercoiled plasmid DNAs,The
molecule at the left is relaxed,and the degree of supercoiling
increases from left to right.
拓扑异构体及拓扑异构酶拓扑异构体：给定连接数的
DNA分子。
拓扑异构酶：
I型和 II型、
DNA促旋酶
（ ATP）。
Action of a type I topoisomerase.
Action of a type II topoisomerase.
形成超螺旋的意义真核生物的染色体中的核小体是由 DNA分子和组蛋白构成的，其超螺旋结构是一个典型代表，
DNA/RNA序列
DNA双螺旋
A型,B型及 Z型螺旋
RNA二级结构修饰核酸碱基（ Bases）
DNA和 RNA中的碱基是含有多种取代基的杂环芳香族化合物
嘌呤（ purine）：双环结构
腺嘌呤（ adenine）
鸟嘌呤（ guanine）
嘧啶（ pyrimidine）：单环结构
胞嘧啶（ cytosine）
尿嘧啶（ uracil） ---RNA
胸腺嘧啶（ thymine）
组成核酸的碱基核苷核酸分子中，碱基共价结合于戊糖的 1’位构成核苷,RNA中的戊糖为核糖，而 DNA中为 2’-脱氧核糖核糖与碱基的结合位置嘧啶为 1位，嘌呤为 9位碱基与戊糖的之间的结合键成为糖苷键若糖分子是核糖，形成的核苷（核糖核苷）为腺苷（ adenosine）、鸟苷 (guanosine)、胞苷
(cytidine)和尿苷 (uridine)；
若糖分子是脱氧核糖，形成的核苷为脱氧－苷脱氧核苷结构核苷结构核苷酸核苷酸有一个或多个磷酸分子共价结合于核苷的核糖的 3’,5’位或 2’位（核糖核苷中）而成
脱氧核糖核苷酸 (deoxynucleotide)
5’-三磷酸核苷和 5’-三磷酸脱氧核苷是构成核酸大分子的基本元件 ---在 DNA和 RNA合成过程中，核苷酸脱去一个焦磷酸基团，整合到核酸链中
（脱氧）核苷酸结构核酸的一级结构核苷酸序列
DNA分子中不同的区域具有不同的功能
结构基因 — 编码蛋白质
调节基因 — 含有复制、转录和翻译的调控信号原核生物的结构基因占整个 DNA的大部分真核生物的结构基因仅占 DNA的一小部分非结构基因包含了调节基因表达的重要信息磷酸二酯键在 DNA和 RNA中脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸通过一个磷酸基团和前一核糖的 5’－羟基和下一个核糖的 3’羟基的共价交联而形成多聚物，这种键或连接称为 磷酸二酯键因此，任何一条核酸链都具有一个连接或没有连接着磷酸基团的游离 5’端和一个通常含有游离羟基的 3’端在中性条件下，每一个磷酸基团带有一个单位负电荷，因而核酸是,酸,,而且是强酸的阴离子，是一种带有强负电性的多聚体核酸分子的延长脱氧核糖核酸结构核糖核酸结构
DNA双螺旋结构 (二级结构 )
自然界中的 DNA分子通常都是以双螺旋结构存在的
沃森、克里克于 1935年提出模型
带有负电的磷酸－戊糖骨架在分子外侧
碱基平面堆积于螺旋内部
由于骨架双链在螺旋轴上的间距不相等，因而在分子表面形成宽窄不等的大沟和小沟
双链之间对应的碱基以氢键作用形成碱基对
DNA双螺旋结构中每一匝螺旋含有约 10个碱基对
两条链以 5’ 3’方向，反向排列
碱基配对原则
G-C 三个氢键
A-T 二个氢键
两条链互为互补链（ complementary）
其中一条链的序列可以特异性地确定另一条链的序列
暗示了 DNA自我复制（ replication）,DNA转录为 RNA
(transcription)的机制
Hydrogenbonding patterns in the base pairs defined by Watson and Crick
DNA分子结构
A型,B型及 Z型螺旋生物体内 DNA结构是基本一致的，即所谓的 B型螺旋（最稳定）
在低温条件下,DNA分子可以被诱导形成 A型螺旋
结构更加紧密、更宽，螺旋重复每匝为 11个碱基对左旋 DNA为 Z型 DNA，属于异常螺旋形式
外观呈 Z字型，每匝 12碱基对
不是体内 DNA的主要形式
The Avery-MacLeod-McCarty experiment.
DNA is the bearer of genetic information
Summary of the Hershey-Chase experiment,Two batches of
isotopically labeled bacteriophage particles were prepared,One
was labeled with 32P in the phosphate groups of the DNA and
the other with 35S in the sulfur-containing amino acids of the
protein coats (capsids),(Note that DNA contains no sulfur,
and viral protein no phosphorus.) The two batches of labeled
phage were then added to separate suspensions of unlabeled
bacteria,Each suspension of phage-infected cells was agitated in
a blender to shear the viral capsids from the bacteria,The
bacteria and empty viral coats (ghosts) were then separated by
centrifugation,The cells infected with the 32P-labeled phage
were found to contain 32P,indicating that the labeled viral DNA
had entered the cells,and the viral ghosts contained no
radioactivity,The cells infected with 35S-labeled phage were
found to have no radioactivity after blender treatment,but the
viral ghosts contained 35S,Progeny virus particles were
produced in both batches of bacteria some time after the viral
coats were removed,thus the genetic message for their
replication had been introduced by viral DNA,not by viral
protein.
RNA的二级结构
RNA分子通常以单链形式存在，因而不存在双链 DNA分子那样的双螺旋结构其结构特点为
形成近似球型的结构，通过分子内的氢键作用和在单核酸链间的碱基堆积可形成局部区域的螺旋结构
与 DNA相比,RNA分子的这种构型的多样性是与其在细胞中的作用的多样性相适应的
Phenylalanine tRNA of yeast.(a) Three-dimensional structure,(b)
Some unusual base-pairing patterns,Note also the involvement of a
phosphodiester bond oxygen in one hydrogenbonding arrangement,
and the involvement of a 2'-hydrnxyl group in another (both in red),
修饰核酸在自然界中，核酸分子中的碱基或核苷酸的化学修饰是普遍的，并起着许多特定的作用对于细胞 DNA而言，修饰一般仅限于腺嘌呤的
N-6位、胞嘧啶的 4-氨基和 5位的甲基化，这些甲基化具有限制性修饰作用、碱基错配修复作用以及真核基因组构中普遍存在更为复杂的修饰发生在转录后的 RNA分子中核酸的理化性质核酸的稳定性酸效应碱效应化学变性黏性浮力密度核酸的稳定性核酸稳定性的源泉
并非碱基间氢键的存在
在与碱基对之间的,堆积作用,(stacking
interaction)
碱基是芳香族化合物，是疏水的
大量水分子的氢键作用形成的网格在疏水的表面附近变得不稳定，水分子的排列变得更有序
碱基对的堆积使所有的水分子排除在这样的疏水表面
从能量的角度讲是最稳定的
最大限度地增强了碱基的电荷偶极作用
疏水效应使其成为能量上最稳定的一种结构酸效应在强酸和高温下,核酸可以完全水解为碱基、核糖（脱氧核糖）和磷酸碱效应
DNA变性 — 碱效应使碱基的互变异构发生变化
高 pH下，嘌呤的分子结构由酮式转为烯醇式，
将直接影响到特定碱基之间的氢键作用，导致 DNA双链的解离，成为 DNA变性
DNA denature
Nucleotides and Nucleic Acids Undergo Nonenzymatic
Tansformations
Purines and pyrimidines,along with
the nucleotides of which they are a
part,undergo a number of reactions
involving spontaneous alteration of
their covalent structure,These
reactions are generally very slow,but
they are physiologically significant
because of the cell's very low
tolerance for alterations in genetic
information,Alterations in DNA
structure that lead to permanent
changes in the genetic information
encoded therein are called mutations,
and much evidence suggests an
intimate link between the
accumulation of mutations and the
processes of aging and cancer.
Deamination
reactions,
Depurination,in which a purine is lost by hydrolysis of the N-glycosyl
bond,The deoxyribose remaining after depurination is readily converted
from the /β-furanose to the aldehyde form
Depurination
Tautomerization of the bases
紫外诱导的 DNA结构变化化学试剂对 DNA结构的影响常用试剂化学诱变实例
DNA杂交
Nucleic Acids from Different Species
Can Form Hybrids
DNA序列分析
Sanger (dideoxy) method
限制性内切酶和凝胶电泳方法的建立，使 DNA序列的快速测定成为可能
核酸内切酶的发现
Arber假说
细菌体内含有两种酶：核酸内切酶和修饰（甲基化）酶
核酸内切酶（限制性内切酶）：可以专一性地识别并切开 DNA
分子上的一个特定的碱基序列
甲基化酶：能识别限制性内切酶识别的碱基序列，并把其中的某些碱基甲基化意义：自身的 DNA总是被修饰酶修饰好的，不会被自身的内切酶所降解，该系统可以保护机体免受外来 DNA的入侵。
重要的工具酶,Hind II,Hind III ……
特点,在 DNA分子上产生的切口位置是专一的分子量不大 (<100,000)
镁离子是唯一必需的辅因子
DNA序列测定方法
Step1:以单链 DNA为模板，加入一个合适的引物（ 32P）和四种脱氧核糖核苷三磷酸
（ dNTP）；
Step2:在 DNA聚合酶的作用下，随机互补链合成，各种长度的 DNA链都有；
Step3:除去四种 dNTP，反应物分成两份，
一份用于加法系统，另一份用于减法系统；
Step4:加法系统，产物分成 4分，每一份中仅仅加入四种 dNTP中的一种，由于 DNA聚合酶具有 3’— 5’的外切酶活性，而反应体系中缺少另外三种必须的 dNTP，合成产物就从 3’— 5’方向降解，但当遇到体系中的一种
dNTP降解反应就停止了，此时的水解片段就是以该 dNTP结尾的片段；
Step5:利用电泳分离即可以推断碱基顺序；
Step6:减法系统，产物分成四份，每一份中加入三种 dNTP，比如缺少 dATP；在该体系中 DNA聚合酶可以将片段继续合成下去，
但在遇到应该是 dATP加入的位置，合成反应就停止下来了，这样就可以得到一组以 A
前一个位置为结尾的片段，电泳后依旧可以得到 A的位置核酸的光谱学和热力学紫外吸收减色性
DNA纯度核酸的紫外吸收由于嘧啶碱和嘌呤碱均含有苯环，因此在紫外区均有吸收
DNA和 RNA— 260nm
蛋白质 — 280nm
核酸的减色性核酸碱基的消光系数与其所处环境有关
其吸光值顺序以此为：
单核苷酸 >单链 DNA（ RNA） >双链 DNA（ RNA）
引起减色性的原因为：
碱基在疏水环境中的堆积
DNA的纯度常用 260nm与 280nm处的吸光值来确定,
纯的 dsDNA的 A260／ A280为 1.8
纯 RNA的 A260／ A280为 2.0
若样品的 A260／ A280>1.8,则表明有 RNA污染若样品的 A260／ A280<1.8,则表明有蛋白质污染
DNA超螺旋（三级结构）
闭环 DNA
超螺旋拓扑异构体缠绕和扭曲嵌入剂超螺旋能拓扑异构酶闭环 DNA
细胞内的许多 DNA分子都是闭环的
细菌质粒
染色体
病毒 DNA分子闭环 DNA分子的特点：
3’端和 5’端连接成环
两条互补链之间相互螺旋缠绕
无游离端
两条链缠绕的数目即为双螺旋的螺旋数，成为连接数（ Lk）
Linking number,Lk,The molecule in (a) has a linking number of 1,The molecule in (b)
has a linking number of 6,One of the strands in (b) is kept untwisted for illustrative
purposes to define the border of an imaginary surface (shaded blue),The number of
times the twisting strand penetrates this surface provides one definition of linking
number.
超螺旋
For the relaxed DNA molecule of Figure 23-15a,underwinding or
overwinding by two helical turns (Lk = 18 or 22) will produce
negative or positive supercoiling as shown,Note that the twisting of
the DNA axis is opposite in sign in the two cases.
正超螺旋,DNA扭曲方向与双螺旋方向相同；
负超螺旋：
DNA扭曲方向与双螺旋方向相反
（几乎所有细胞中的超螺旋都是负的）
Electron micrographs of relaxed and supercoiled plasmid DNAs,The
molecule at the left is relaxed,and the degree of supercoiling
increases from left to right.
拓扑异构体及拓扑异构酶拓扑异构体：给定连接数的
DNA分子。
拓扑异构酶：
I型和 II型、
DNA促旋酶
（ ATP）。
Action of a type I topoisomerase.
Action of a type II topoisomerase.
形成超螺旋的意义真核生物的染色体中的核小体是由 DNA分子和组蛋白构成的，其超螺旋结构是一个典型代表，
