第二章 核酸的化学
第一节 核酸与生命遗传
第二节 核酸的组成与分类
第三节 核酸的结构
第四节 核酸的性质
第五节 核酸的序列测定
第一节 核酸与生命遗传
中心法则, 1961年 Temin等人发现
了反转录酶（ 1970年才得到承
认），以及随后的 RNA复制酶的
发现，实验室中 DNA的翻译，
1971年 Crick将中心法 则作了 修改 。
DAN
RNA Protein
第二节 核酸的分类和组成
一, 核酸 （ Nucleic acids） 的分类
DNA
RNA,（一切生物细胞中都含有的三
种主要 RNA）
mRNA（信使 RNA）：约占全部
RNA的 5%
tRNA（转运 RNA）：约占 15%
rRNA（核糖体 RNA）：约占
80%。
二, 核酸的组成
组成核酸的基本结构单元：
核苷酸 nucleotide
（ 一 ） 戊糖
DNA,β— D— 2— 脱氧核糖
RNA,β— D— 核糖,
（ 少量 ） β-D-2-O-甲基核糖
（ 二 ） Base：嘌呤碱, 嘧啶碱
DNA,Ade,Gua,Cyt,Thy
RNA,Ade,Gua,Cyt,Ura
稀有碱基：
（ 三 ） 核苷
1,定义：核苷是核糖或脱氧核糖的半
缩醛羟基与嘌呤碱或嘧啶碱上的氮原子
的氢脱水形成的糖苷 。
2,连接键：糖的第 1碳原子 （ C1/） 通
常与嘌呤碱第 9氮原子或嘧啶碱的第 1氮
原子相连 。
Base与戊糖之间的连接键是 N-C键, 称
N-糖苷键, 因戊糖都是 β构型, 所以称
β-N-糖苷键 。
3、核苷的表示方式：
核苷,A,G,C,U
脱氧核苷,dA,dG,dC,dT
4、常见的修饰核苷：（常出现在 tRNA中）
次黄苷或肌苷（ inosine） I
黄嘌呤核苷（ xanthosine） X
二氢尿嘧啶核苷（ dihydrouridine） D
* 假尿嘧啶核苷（ pseudouridine） Ψ,糖
与碱基之间的 连接与正常不同。
C1/— C5 。
5、核苷取代基团的符号
如,5-甲基脱氧胞苷 m5dC
7-甲基鸟苷 m7G
Nm,N代表任意核苷,m在字
母右侧表示核糖被甲基化。
（ 四 ）, 核苷酸
1,定义：核苷酸是核苷的磷酸酯 （ 在核
糖上 ） 。
2,（ 核糖 ） 核苷酸：
2/-,3 / -和 5 / -核苷酸 。
脱氧核苷酸：
3 / -和 5 / -脱氧核苷酸 。
如,pA表示 5 / -腺苷酸
Cp表示 3 / -胞苷酸
Gp2 /为 2 / -鸟苷酸
（ 五 ） 核苷酸的衍生物
1,ATP和 GTP
体内 RNA合成的直接原料：核苷三
磷酸 （ NTP） 。
包括 ATP,CTP,GTP,UTP。
体内 DNA合成的直接原料：脱氧核
苷三磷酸 （ dNTP）
包括 dATP,dCTP,dGTP和 dTTP。
ATP
2,cAMP和 cGMP
3、辅酶中包含 AMP的有：辅酶 Ⅰ,
辅酶 Ⅱ,辅酶 A,FAD。
4、核苷多磷酸和寡核苷多磷酸类
对代谢的调控。
如 ppGpp,pppGpp
三、核苷酸的连接方式
1、连接键：构成核酸大分子的基
本单位是核苷酸。核苷酸间的连
接键是 3 /, 5/-磷酸二酯键。由相
间排列的戊糖和磷酸构成核酸大
分子的主链，而代表其特性的碱
基则可以看成是有次序地连接在
其主链上的侧链基团。
2、多核苷酸链的方向性,5/至 3 /
为正向。 5 / 端至 3 / 端。
表示方式：
化学结构式：如教材 64页的图 2-5。
文字式,pApCpGpU、
省略式, pA-C-G-U
第三节 核酸的结构
一, DNA的结构
DNA 的 4 种 主 要 结 构 单 体,
dAMP,dGMP,dCMP,dTMP；
通过 3/,5 / -磷酸二酯键连接而成 。
（ 一 ） DNA的一级结构：指数量庞
大的 4种脱氧核苷酸在 DNA分子中
的排列顺序 （ 序列 ） 。
（ 二 ） DNA的二级结构：双螺旋结
构模型
1,双螺旋结构模型的主要依据：
① X射线衍射数据
② 关于碱基成对的证据
（ Chargaff碱基比定律 ）
③ 电位滴定行为
DNA结构示意图
Chargaff碱基比定律
Chargaff等在 50年代应用纸层析及紫外分光
光度计对各种生物 DNA的碱基组成进行
了定量测定，发现：
（ 1）所有 DNA中腺嘌呤与胸腺嘧
啶的摩尔含量相等，即 A=T；鸟
嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等，
即 G=C。因此，嘌呤的总含量与
嘧啶的总含量相等，即
A+G=C+T。
（ 2） DNA的碱基组成具有种的特异性，
即不同生物种的 DNA具有自己独特的
碱基组成。但 DNA的碱基组成没有组
织和器官的特异性。生长发育阶段、
营养状态和环境的改变都不影响 DNA
的碱基组成。
Chargaff碱基比定律主要是用来描述
双螺旋 DNA的碱基组成的。
2,双螺旋结构模型的要点：
（ 1） 基本特征 （ Watson和 Crick于 1953
年提出,B-DNA）
① DNA分子是由两条方向相反的平行
多核苷酸链构成 。 一条链的 5/-末端与
另一条链的 3 / -末端相对 。 两条链的
糖 -磷酸主链都是右手螺旋, 有一共同
螺旋轴, 螺旋表面有一条大沟和一条
小沟 。
② 两条链上的碱基均在主链内侧, 一条链
上的 A一定与另一条链的 T配对, G一定
与 C配对 。 碱基之间的配对关系称碱基互
补 。
③ 成对碱基大致处于同一平面, 该平面与
螺旋轴基本垂直 。 糖环平面与螺旋轴基
本平行, 磷酸基连在糖环的外侧 。 相邻
碱基对平面间的距离为 0.34nm,双螺旋
每转一周有 10个碱基对, 每转的高度
（ 螺距 ） 为 3.4nm。
（ 2）双螺旋结构的稳定因素：
①氢键,-NH2,-NH-（带正电性）
-CO-,=N- （带负电性）
A与 T形成两对氢键,G与 C形成
三对氢键。
②疏水键或疏水作用：碱基的芳
香杂环
③离子键（盐键）,磷酸负离子
和溶液中的正离子。
（ 3） DNA双螺旋的构象类型：
B-DNA：相对湿度 92%的 DNA钠盐
A-DNA：相对湿度 75%的 DNA钠盐。
A-DNA 的碱基平面倾斜了 20° 。
Z-DNA,Rich的模型。在
CGCGCG序列可能出现此种结构。
思考题：简述 B型 DNA和 Z型 DNA的
结构特点及两者之间的关系。
B型 DNA和 Z型 DNA的结构特点及两者之间的
关系
?B型 DNA的结构特点：①两条多核苷
酸链反向平行绕成一个右手螺旋。
②碱基位于双螺旋内侧，与纵轴垂
直，糖磷酸骨架位于外侧与纵轴平
行。③分子表面有大沟和小沟。④
双螺旋的平均直径为 2nm，每 10对碱
基旋绕一周，每周螺距为 3.4nm。⑤
氢键与碱基堆积力为维持其结构的
主要作用力。
?Z型 DNA的结构特点：①两条多核苷
酸链反向平行绕成一个左手螺旋。②
碱基对在分子轴外侧，并构成了分子
的凸面。③糖磷酸骨架链的走向呈
,Z”字型。④分子表面只有小沟。⑤
DNA双螺旋体细长。
?两者之间的关系,B型,Z型 DNA为
DNA的两种结构形式，都是反向平行
的双螺旋结构,B型 DNA与 Z型 DNA
之间可以互相转变。
B型 A型 Z型
（三） DNA的三级结构
? DNA双螺旋进一步扭曲即构成三级结构。
也即 DNA超螺旋（ DNA superhelix）。
? 双链环状 DNA（ dcDNA）易进一步扭曲
成超螺旋。
? 负超螺旋：是右手超螺旋，原核细胞中
的 DNA超螺旋即是。
? 正超螺旋：是左手超螺旋，真核细胞中
的 DNA与组蛋白形成的核小体以正螺旋
结构存在。
（四） DNA和基因组
1、基因：遗传学将 DNA分子中最小
的功能单位称为基因。
2、原核生物基因组的特点：
①单拷贝序列。
②功能相关的基因常串联在一起，
并转录在同一 mRNA分子中。
③有基因重叠现象。
3、真核生物基因组的特点：
①内含子（ intron）：基因中不编码的
居间序列。
②外显子（ exons）：基因中编码的片
段。
③断裂基因（ split gene）：内含子的存
在使真核生物基因成为不连续基因。
二,RNA的结构
RNA的分类：
① mRNA
② rRNA
③ tRNA
④ hnRNA（核内不均一 RNA）：成熟
mRNA的前体。
⑤ snRNA（核内小 RNA）：参与 hnRNA
的剪接、转运。 (促进 mRNA的成熟 )
RNA的分类 (续 )：
⑥ asRNA（反义 RNA ）：一种与
mRNA互补的 RNA分子。
⑦ scRNA/7SL-RNA（小胞浆
RNA）：蛋白质内质网定位合成
的信号识别体的组成成分。
⑧ SnoRNA（小核仁 RNA）：参与
rRNA的加工和修饰
tRNA二级结构通式
（一） tRNA
1,RNA的一级结构,RNA的 4种主要
结构单体为 AMP,GMP,CMP、
UMP
2,tRNA的二级和三级结构
（ 1） tRNA的三叶草型二级结构
（分子中由 A-U,G-C碱基对构成的
双螺旋区称臂，不能配对的部分称
环,tRNA一般由四环四臂组成。）
① 氨基酸臂,3′端有共同的 -CCA-OH结
构，羟基可与该 tRNA所能携带的氨基
酸形成共价键。
②二氢尿嘧啶（ D）环，相应的臂称 D臂。
③反密码子臂和反密码子环，其中 34～
36位是与 mRNA相互作用的反密码子
（次黄嘌呤 I常出现在反密码子中,34
为上）。
④可变环。
⑤ TΨC环中含 GTΨC核苷酸,TΨC 臂。
（ 2） tRNA的三级结构：呈倒 L型。
①结构特点：氨基酸臂与 TΨC臂形成一个连
续的双螺旋区，构成字母 L下面的一横；
二氢尿嘧啶（ D）臂与反密码臂及反密码
环共同构成字母 L的一竖。
②意义,tRNA的倒 L结构与核糖体上的空穴
相符,TΨC环中 GTΨC与核糖体中 5S
tRNA相应区段有碱基互补关系,L型分子
表面化学基团排列的维妙变化，与一些酶
和蛋白质与 tRNA分子的相互识别有关。
（二） rRNA
原核生物
?核糖体 70S
? rRNA,16S，
5S,23S
真核生物
?核糖体 80S
?rRNA,18S，
5S,5.8S,28S
（三） mRNA
1、原核生物的 mRNA：多顺反子
mRNA（操纵子），即一条 mRNA链
上有多个编码区,5/-端和 3/-端各有
一段非翻译区。
2、真核生物的 mRNA：单顺反子
mRNA，即 mRNA链上只有一个编码
区，而且 5/-端有帽子结构,3/-端还
有 Poly（ A）尾巴。
真核生物的 mRNA
非编码区 编码区 非编码区
Cap———— οοοοο———— （ A） nAAAOH
5/-端 3/ poly（ A）
*帽子结构（ cap structure）：真核生物 mRNA的
5/-端有一段特殊的结构，称为帽子结构。它是
由甲基化鸟苷酸经焦磷酸与 mRNA的 5/-端核苷
酸相连，形成 5/,5/-三磷酸连接。
通常有三种类型：
m7G5’ppp5’Np，即 O型
m7G5’ppp5’NmpNp，即 Ⅰ 型
m7G5’ppp5’NmpNmpNp，即 Ⅱ 型
第四节 核酸的理化性质
（一）一般理化性质（重点：颜色反 应）
1、核酸和核苷酸既有磷酸基，又有
碱性基团，所以都是两性电解质,
2、①苔黑酚法,D-核糖与浓酸盐和
苔黑酚 (甲基间苯二酚 )共热产生
绿色；
② 二苯胺法,D-2-脱氧核糖与酸
和二苯胺一同加热产生蓝紫色。
（二）紫外吸收性质（不吸收可见光）
1、核酸的嘌呤和嘧啶环其共轭体系强
烈吸收 260～ 290nm波段紫外光，最高
吸收峰接近 260nm。
2、核酸的光吸收值常比其各核苷酸成
分的吸收值之和少 30%～ 40%（减色效
应）。这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的 。
增色效应：核酸变性，即双螺旋结
构遭到破坏，光吸收值增大。
（三）核酸的变性
1、核酸变性：指双螺旋区氢键断裂，
空间结构破坏，形成单链无规线团状
态的过程，变性只涉及次级键的变
化 。
2、热变性和 Tm：将 DNA的稀盐溶液，
经加热紫外吸收值增加，其增加量达
最大增量一半时的温度值称熔解温度
（ Tm）。（ GC含量高,Tm值大。）
（四）核酸的复性
复性的定义：变性核酸的互补链在
适当条件下重新缔合成双螺旋的过
程称复性。变性核酸复性时需缓慢
冷却，故又称退火。
（五）分子杂交
1、定义：在退火条件下，不同来源的
DNA互补区形成双链，或 DNA单链
和 RNA链的互补区形成 DNA-RNA合
双链的过程称分子杂交。
2、杂交方法：
① Southern印迹法（或 Southern杂交
技术）：将电泳分离后的 DNA片
段从凝胶转移到硝酸纤维素膜或尼
龙膜上，再进行杂交。
② Northern印迹法,Alwine等提出
将电泳分离后变性 RNA吸印到纤
维素膜上再进行分子杂交的技术。
③ Westhern印迹法：抗体 — 抗原。
第五节 核酸的序列测定
（一）,DNA碱基顺序测定方法
1、基本步骤
? DNA片段的制备
? DNA碱基顺序测定
2、化学降解法（ Maxam-Gilbert法）
?碱基选择性水解得到不同长度 DNA
小片段
?DNA片段电泳图谱的解析
3,Sanger法（末端终止法）即酶法
?末端终止法合成不同长度 DNA小片
段
?DNA小片段电泳图谱解析
4,DNA自动测定法
? 以 Sanger法为基础
? 荧光标记物,4种不同的双脱氧
核苷酸
（二）,RNA碱基顺序测定方法
RNA逆转录成 cDNA
Dideoxy DNA Sequencing