目 录
第 十章
核酸的分子结构与核苷
酸代谢
Structure and Function of Nucleic Acid
and Metabolism of Nucleotides
目 录
二十世纪是
二十一世纪是
物理学
生命科学 的世纪
的世纪
生命是
生命 = 核酸 + 蛋白质
二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪
？
目 录
目 录
核 酸 (nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，
携带和传递遗传信息。从高等动植物到最简单的
病毒，都含有核酸。
概 述
目 录
一、核酸的发现和研究工作进展
? 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中 提取, 核素,
? 1889年 Altmann提取得到 不含蛋白质的核酸
? 1944年 Avery等人 证实 DNA是遗传物质
? 1953年 Watson和 Crick发现 DNA的双螺旋结构
? 1968年 Nirenberg发现 遗传密码
? 1975年 Temin和 Baltimore发 现 逆转录酶
? 1981年 Gilbert和 Sanger建 立 DNA 测序方法
? 1985年 Mullis发明 PCR 技术
? 1990年 美国启动 人类基因组计划 (HGP)
? 1994年 中国人类基因组计划启动
? 2001年 美、英等国 完成人类基因组计划基本框架
目 录
目 录
二、核酸的分类及分布
DNA为双链分子, 其中大多数是链
状结构大分子, 也有少部分呈环状结
构 。 真核细胞中 90%以上分布于细胞
核, 其余分布于核外 如线粒体, 叶绿
体, 等 。
主要 分布于细胞质，少量在胞核。
(deoxyribonucleic acid,
DNA)
(ribonucleic acid,RNA)
脱氧核糖核酸
核糖核酸
携带遗传信息，决定细胞和个
体的基因型 (genotype)。
参与细胞内 DNA遗传信息的传递
与表达。分子量要比 DNA小得多。
RNA为单链分子。某些病毒 RNA也
可作为遗传信息的载体。
根据核酸的化学组成把核酸分为两大类,
目 录
RNA又可根据分子大小和生物学功能不
同，分为,
信使核糖核酸（ messenger RNA,mRNA）
转运核糖核酸（ Transfer RNA,tRNA）
核糖体核糖核酸（ Ribosomal RNA,rRNA）
目 录
rRNA tRNA mRNA
比例 80～ 82％ 15～ 16％ 3～ 5％
沉降系数 原核 5S,16S、
23S；真核
5S,18S,28S、
5.8S
4S 6～ 25S
代谢稳定性 稳定 稳定 不稳定
存在形式 与多种蛋白质形成
核糖核蛋白体，位
于粗面内质网上或
以单体形式存在
与氨基酸结合或
以游离状态存在
与核糖体结合或
单独存在
存在部位 细胞浆 细胞浆 细胞浆
生理功能 蛋白质合成的场
所
在蛋白质合成
过程中运输活
化的氨基酸
蛋白质合成的
模板
目 录
三、核酸的生物学功能
（一） DNA是主要的遗传物质
1944,O,Avery 肺炎双球菌转化实验
1952,A.D Hershey 和 M,Chase 噬菌体
感染实验
（二） RNA功能的多样性
1、参与蛋白质的合成
2,RNA的转录后加工与修饰
3、参与基因表达的调控
4、生物催化作用
目 录
1944年,Avery等发现从 S型肺炎球菌中提取的
DNA与 R型肺炎球菌混合后，能使某些 R型菌转化
为 S型菌，且转化率与 DNA纯度呈正相关，若将
DNA预先用 DNA酶降解，转化就不发生。结论是
,S型菌的 DNA将其遗传特性传给了 R型菌,DNA
是遗传物质。从此核酸是遗传物质的重要地位被
确立，人们把对遗传物质的注意力从蛋白质移到
了核酸上。后来发现，除少数病毒的遗传物质是
RNA外，大多数生物的遗传物质是 DNA。
目 录
目 录
目 录
目 录
第一节
核酸的化学组成及其结构
The Chemical Component and Primary
Structure of Nucleic Acid
目 录
核 酸 （ nucleic acid)
核苷酸 (nucleotide)
磷酸 (phosphoric acid) 核苷 (nucleoside)
戊糖
(pentose)
碱基
(base)
一、核酸的化学组成
磷酸 核糖
核酸→核苷酸→ { 戊糖 → {
核苷 → { 脱氧核糖 嘌呤碱
含氮碱 ———————— → {
嘧啶碱
目 录
核酸的基本构成
碱基 戊糖
核苷
核酸
核苷酸
磷酸
Nucleic
acid
Nucleotide
Nucleoside
脱氧核糖 核糖
Base
Ribose Deoxyribose
嘧啶碱
嘌呤碱
胸腺嘧啶
尿嘧啶
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
Purine bases
thymine
cytosine
uracil
Pyrimidine bases
adenine
guanine
目 录
1,元素组成
C,H,O,N,P（ 9~10%）,S（个别核酸）
2,分子组成
—— 碱基 (base)：嘌呤碱，嘧啶碱
—— 戊糖 (ribose)：核糖，脱氧核糖
—— 磷酸 (phosphate)
目 录
嘌呤 (purine)
N
N
N H
N
N H
2
腺嘌呤 (adenine,A)
N
N H
N H
N
N H
2
O
鸟嘌呤 (guanine,G)
1）碱 基
目 录
N
N H
1
3
2
4
5
6
嘧啶 (pyrimidine)
胞嘧啶 (cytosine,C)
N
N H
N H
2
O
尿嘧啶 (uracil,U)
N H
N H
O
O
胸腺嘧啶 (thymine,T)
N H
N H
O
O
CH
3
目 录
目 录
腺嘌呤 鸟嘌呤
胞嘧啶 尿嘧啶
胸腺嘧啶
DNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶
RNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶
目 录
此外自然界还存在一些重要的碱基和稀有碱基
如：次黄嘌呤（ Hypoxanthine,H)、黄嘌呤（ Xanthine,X）。
稀有碱基：有些核酸中某些碱基的氢可被其他化学基团如甲基、
羟甲基,-F,-S、乙酰基等取代，形成修饰碱基，通常含量很
少，故称为～。目前已发现几十种稀有碱基。 如 7－甲基鸟嘌
呤（ m7G),5－甲基胞嘧啶（ m5C),m7A,F5U,N－ m6U等。
目 录
2）戊 糖
β -D-核糖 (ribose) （构成 DNA）
O H
O
CH
2
OH
O H
β -D-2-脱氧核糖 (deoxyribose)
H
（构成 RNA）
1′
2′ 3′
4′
5′
O H
O
CH 2 O H
O H O H
目 录
核苷,AR,GR,UR,CR
脱氧核苷,dAR,dGR,dTR,dCR
3,核苷 (ribonucleoside)的形成
? 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合
而生成的化合物 。
? 在大多数情况下, 核苷是由核糖或脱氧
核糖的 C1’ β -羟基与嘧啶碱 N1或嘌呤碱 N9进
行缩合, 故生成的化学键称为 β, N糖苷键
由碱基和核糖 （ 脱氧核糖 ） 通过 糖苷键 连接
形成核苷 （ 脱氧核苷 ） 。
OH
O
CH
2
O HO H
N
N
N H
2
O
1′
1
目 录
★ 嘧啶碱,C1 — N1，嘌呤碱,C1 — N9。
★核酸中的核苷与脱氧核苷均为 β-型
★碱基平面与核糖平面互相垂直
目 录
腺苷 (AR) 脱氧胞苷 (dCR)
β1,N9-糖苷键 β1’,N1-糖苷键
β1’ β1’
N-9 N-1
目 录
β1’
C5 假尿苷（ ψ）
β1’,C5-糖苷键
目 录
核苷酸,AMP,GMP,UMP,CMP
脱氧核苷酸,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP
4,核苷酸 (ribonucleotide)的结构与命名
? 核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的
磷酸酯类化合物, 包括核糖核苷酸和脱氧核糖核
苷酸两大类 。
目 录
核苷酸的分子结构
目 录
? 5’-核苷酸又可按其在 5’位缩合的磷酸基
的多少, 分为一磷酸核苷 （ 核苷酸 ）, 二
磷酸核苷和三磷酸核苷 。
5、体内重要的游离核苷酸及其衍生物
? 含核苷酸的生物活性物质,
NAD+,NADP+,CoA-SH,FAD 等都含有 AMP
? 多磷酸核苷酸,NMP,NDP,NTP
? 环化核苷酸, cAMP,cGMP
N
O
C H
2
O
O HO H
N
N
N
N H
2
P
O
O H
OH
AMP
N
O
C H
2
O
O HO
N
N
N
N H
2
PO
O H
cAMP
NADP+ NAD+
目 录
细胞内的游离核苷酸及其衍生物
①核苷 5’-多磷酸化合物
ATP,GTP,CTP,ppppA,ppppG
在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。
②环核苷酸
3’,5’-cAMP,3’,5’-cGMP
信号分子,cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。
③核苷 5’多磷酸 3’多磷酸化合物
ppGpp pppGpp ppApp
④ 核苷酸衍生物
HSCoA,NAD+,NADP+,FAD等辅助因子。
GDP-半乳糖,GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体 。
目 录
环核苷酸的分子结构
环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷
目 录
目 录
目 录
5′端
3′端
6、核苷酸的连接
核酸是由许多单核苷
酸聚合形成的多核苷酸链，
没有分支。核苷酸之间以
3’,5’－磷酸二酯键 连接
形成多核苷酸链。核苷酸
链的方向是 5’－ 3’。
C
G
A
目 录
目 录
二、核酸的一级结构
定义
核酸中核苷酸的排列顺
序 。 一分子的核苷酸的 3’-
位羟基与另一分子核苷酸的
5’-位磷酸基通过脱水可形
成 3’,5’-磷酸二酯键, 从而
将两分子核苷酸连接起来
由于核苷酸间的差异主
要是碱基不同, 所以也称为
碱基序列 。
5′ 端
3′端
C
G
A
A G
P 5? P
T
P
G
P
C
P
T
P OH 3?
书写方法
5? pApCpTpGpCpT-OH 3?
5? A C T G C T 3?
目 录
目 录
多核苷酸链,
? 核苷酸单位 通过 3’,5’-
磷酸二酯 键连接起来核
酸就是由许多形成的不
含侧链的长链状化合物 。
? 核酸 具有方向性 的长链
状化合物, 多核苷酸链
的两端, 一端称为 5’-
端, 另一端称为 3’-端 。
目 录
第二节
DNA的分子结构
Dimensional Structure of DNA
目 录
一,DNA的一级结构
定义, DNA的一级结构是指在多核苷酸链中各个
脱氧核苷酸分子间的连接方式、核苷酸的种类数量
及排列顺序。
DNA是 由 dAMP,dGMP,dCMP和 dTMP四种脱
氧核糖核苷酸 通过 3’,5’-磷酸二酯键连接起来的
线形或环形多聚体。
意义,一级结构蕴藏了遗传信息，决定了 DNA的
二级结构和空间结构。
目 录
二,DNA的二级结构 -双螺旋结构
DNA的两条多聚核苷酸链间通
过氢键形成的双螺旋结构。
（一） DNA双螺旋结构的研究背景
目 录
1,DNA分子中碱基组成的规律－
Chargaff 规律 (1950-1953年 )
a,在所有生物的 DNA中, DNA分子中
四种碱基的摩尔百分比具有一定的规
律性即 A=T,G=C 且 A+G=C+T (碱
基当量规律或 Chargaff 规律 ） 。
b,DNA的碱基组成具有种的特异性 。
c,DNA碱基组成没有组织和器官的特
异性 。
d,年龄, 营养状况, 环境等因素不影
响 DNA的碱基组成 。
目 录
2,DNA纤维和 DNA晶体的 X光衍射分析。
Franklin,Wilkins
1953年由 Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了 DNA
晶体的 X线衍射图谱中存在两种周期性反射,DNA分子是
由两条链排列成螺旋状，沿纤维长轴有 0.34nm和 3.4nm两
个重要的周期性变化。
目 录
1953 年, Watson
和 Crick 根据
Chargaff 规律和
DNA Na盐纤维的
X光衍射分析提出
了 DNA的双螺旋
结构模型 。
目前已知 DNA双螺旋结构可分为 A,B、
C,D及 Z型等数种，除 Z型为左手双螺
旋外，其余均为右手双螺旋。
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
1,DNA分子由两条 相互平行
但走向相反 的脱氧多核苷酸
链, 围绕同一中心轴以 右手
螺旋 方式构成一个双螺旋形
状 。
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
2,疏水的碱基平面层叠于螺旋的内
部, 亲水的脱氧核糖 -磷酸以磷酸
二酯键相连形成的骨架位于螺旋
的外侧 。
3,碱基平面与螺旋轴垂直居核糖平
面与螺旋轴平行, 两条链间存在
碱基互补, A与 T或 G与 C配对形成
氢键, 称为碱基互补原则 （ A与 T
为两个氢键, G与 C为三个氢键 ） ；
目 录
目 录
碱基互补配对
T A G C
目 录
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
4,相邻碱基平面距离 0.34nm，旋
转夹角 36o 。每 10对 核苷酸绕螺
旋轴旋转 一圈，螺距为 3.4nm。
5、双 螺旋直径为 2nm，形成大沟
(major groove)及小沟 (minor
groove)相间。大沟宽而深，小沟
窄而浅。 4,螺旋的稳定因素为
氢键和碱基堆砌力。 氢键 维持双
链 横向稳定性, 碱基堆积力 维持
双链 纵向稳定性 。
目 录
目 录
★ 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴
相缠绕，形成右手双股螺旋，一条 5’→3’,
另一条 3’→5’
目 录
★ 磷酸与脱氧核糖彼此通
过 3‘,5‘-磷酸二酯键相连
接，构成 DNA分子的骨架。
★ 磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。
目 录
★ 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行
★ 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。
★ 螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持
目 录
★ 每圈螺旋 10.4nt,碱基堆积距 0.34nm，双螺旋平均直径 2nm,
★大沟：宽 1.2nm,深 0.85nm,
★小沟,宽 0.6nm，深 0.75nm
目 录
目 录
(三 ） 稳定双螺旋结构的因素
① 碱基堆积力 形成疏水环境 （ 主要因素 ） 。
② 碱基配对的 氢键 。 GC含量越多, 越稳定 。
③ 磷酸基上的负电荷 与介质中的阳离子或组蛋白的正
离子之间形成离子键, 中和了磷酸基上的负电荷间
的斥力, 有助于 DNA稳定 。
④ 碱基分子内能 。 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中,
可免受水溶性活性小分子的攻击 。
（四） DNA双螺旋结构的多样性
目 录
目 录
相对湿度 92%,B— DNA
相对湿度 75%,A— DNA。
（ 1） B— DNA：典型的 Watson-Crick双螺旋 DNA
右手双螺旋
每圈螺旋 10.4个碱基对
螺距,3.32nm
（ 2） A-DNA
右手双螺旋, 外形粗短 。
RNA-RNA,RNA-DNA杂交分子具有这种
结构 。
（ 3） Z-DNA
左手螺旋, 外形细长 。
天然 B-DNA的局部区域可以形成 Z-DNA。
目 录
三,DNA的超螺旋结构及其在染色质
中的组装（三级结构）
（一） DNA的超螺旋结构
超螺旋结构 (superhelix 或 supercoil)
DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋 (positive supercoil)
盘绕方向与 DNA双螺旋方同相同
负超螺旋 (negative supercoil)
盘绕方向与 DNA双螺旋方向相反
目 录
① 连环数 （ linking number,L）
DNA双螺旋中, 一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数
② 扭转数 （ twisting number,T）
DNA分子中的 Watson-Crick螺旋数目, 以 T表示
③ 超螺旋数 （ 缠绕数,writhing number,W）
连环数（ L） 扭转数（ T） 缠绕数 W
松驰环 25 25 0
解链环 23 23 0
超螺旋 23 25 -2
L=T+W
目 录
意义
DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学
变化及其调控对于 DNA复制和 RNA转录过
程具有关键作用。
目 录
（ 二 ） 原核生物 DNA
的三级结构,
? 绝大多数原核生物
的 DNA都是共价封
闭的环状双螺旋 。
如果再进一步盘绕
则形成麻花状的超
螺旋三级结构 。
目 录
（三） DNA在真核生物细胞核内的组装
? 真核生物染色体由 DNA和蛋白质构成,
其基本单位是 核小体 (nucleosome)。
? 在真核生物中, 双螺旋的 DNA分子围绕一
蛋白质八聚体进行盘绕, 从而形成特殊的串
珠状结构, 称为 核小体 。 核小体结构属于 DNA
的三级结构 。
核小体的组成
DNA,约 200bp
组蛋白,H1
H2A,H2B
H3
H4
目 录
目 录
目 录
目 录
四,DNA的功能
DNA的基本功能是以 基因 的形式荷载遗传信息,
并作为基因复制和转录的模板 。 它是生命遗传的物
质基础, 也是个体生命活动的信息基础 。
基因 （ gene）,从结构上定义, 是指 DNA分子
中 具有特定生物学功能的 特定区段, 其中的核苷酸
排列顺序决定了基因的功能 。 。 一个生物体的全部
DNA序列称为 基因组 （ genome） 。 基因组的大小与生物
的复杂性有关, 如病毒 SV40的基因组大小为 5.1× 103bp,大
肠杆菌为 5.7× 106bp,人为 3× 109bp。
目 录
第三节
RNA的分子结构
Structure of RNA
目 录
一,RNA的碱基组成
RNA由四种主要碱基 A,G,C,U组成。
一般不含 T。还含有少量稀有碱基。如假尿嘧
啶核苷及甲基化碱基等。但 RNA分子中的碱基
没有 A=U,G＝ C的比例关系。
目 录
?RNA分子主要由 AMP,GMP,CMP，
UMP四种核糖核苷酸组成 。 RNA的一级结
构就是指 RNA分子中核糖核苷酸的排列顺
序及连接方式 。
二,RNA的一级结构
目 录
1,RNA的种类、分布、功能
核蛋白体 RNA
信使 RNA
转运 RNA
核内不均一 RNA
核内小 RNA
胞浆小 RNA
细胞核和胞液 线粒体 功 能
rRNA
mRNA
mt rRNA
tRNA
mt mRNA
mt tR NA
Hn RNA
SnRNA
SnoRNA
scRNA/7SL - RNA
核蛋白体组分
蛋白质合成模板
转运氨基酸
成熟 mRNA 的前体
参与 hnRNA 的剪接、转运
rRNA 的加工、修饰
蛋白质内质网定位合成
的信号识别体的组分
核仁小 RNA
核蛋白体
信使
转运
核内不均一
核内小
胞浆小
细胞核和胞液 线粒体 功 能
核蛋白体组分
蛋白质合成模板
转运氨基酸
成熟 的前体
参与 的剪接、转运
的加工、修饰
蛋白质内质网定位合成
的信号识别体的组分
核仁小
2、信使 RNA的结构与功能
hnRNA
内含子
(intron)
mRNA
* mRNA成熟过程
外显
子
(exon)
目 录
目 录
* mRNA结构特点
1,大多数真核 mRNA的 5′末端均在转录后加上
一个 7-甲基鸟苷, 同时第一个核苷酸的 C′2也
是甲基化, 形成帽子结构,m7GpppNm-。
2,大多数真核 mRNA的 3′末端有一个长约 30～
200个核苷酸残基的多聚腺苷酸 (polyA)结构，
称为多聚 A尾（ polyA)。
目 录
帽子结构
目 录
mRNA核内向胞质的转位
增加 mRNA的稳定性
翻译起始的调控
帽子结构和 多聚 A尾的功能
目 录
* mRNA的功能
把 DNA所携带的遗传信息, 按碱基互
补配对原则, 抄录并传送至核糖体, 用以决
定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序 。
DNA
mRNA
蛋白
转录
翻译
原核细胞 细胞质
细胞核
DNA
内含子 外显子
转录
转录后剪接
转运
mRNA
hnRNA
翻译
蛋白
真核细胞
目 录
* tRNA的一级结构特点
? 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU
? 3′末端为 — CCA-OH
? 5′末端大多数为 G
? 具有 T?C
3、转运 RNA的结构与功能
目 录
N
N H
N H
N
N
O
C H
3
C H
3
N
N
N H
N
NH
C H
2
C H C
C H
3
C H
3
N H
N H
O
O
H
H
H
H
N H
N H
S
O
N,N二甲基鸟嘌呤
N6-异戊烯腺嘌呤
双氢尿嘧啶
4-巯尿嘧啶
稀有碱基
目 录
* rRNA是细胞中 含量
最多 的 RNA，占总量
的 80%。
4、核蛋白体 RNA的结构与功能
* rRNA的功能
rRNA与蛋白质一起
构成核蛋白体, 作为蛋
白质生物合成的场所 。
参与组成核蛋白体, 作
为蛋白质生物合成的场
所 。
目 录
* rRNA的种类（根据沉降系数）
? 在原核生物中, rRNA有三种,5S,16S，
23S。 其中, 16S的 rRNA参与构成核蛋白
体的小亚基, 而 5S和 23S的 rRNA参与构
成核蛋白体大亚基 。
? 在真核生物中, rRNA有四种,5S,5.8S，
18S,28S。 其中, 18S的 rRNA参与构成
核蛋白体小亚基, 其余的 rRNA参与构成
核蛋白体大亚基 。
目 录
核蛋白体的组成
原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例）
小亚基 30S 40S
rRNA 16S 1542个核苷酸 18S 1874个核苷酸
蛋白质 21种 占总重量的 40% 33种 占总重量的 50%
大亚基 50S 60S
rRNA 23S
5S
2940个核苷酸
120个核苷酸
28S
5.85S
5S
4718个核苷酸
160个核苷酸
120个核苷酸
蛋白质 31种 占总重量的 30% 49种 占总重量的 35%
目 录
三,RNA的二级结构
单链局部回环结构（发夹结构）
* tRNA的二级结构
—— 三叶草形
? 氨基酸臂
? 二氢尿嘧啶环（ DHU环） 8～ 12个核苷酸
? 反密码环 7个核苷酸
? 额外环（可变环、附加叉） 4～ 21个核苷酸
? TΨC环 7个核苷酸
目 录
* tRNA的二级结构
—— 三叶草形
? 氨基酸臂
? DHU环
? 反密码环
? 额外环
? TΨC环
氨基酸 臂
额外环
目 录
氨基酸臂
可变臂
DHU臂
反密码臂
TψC臂
目 录
* tRNA的三级结构
—— 倒 L形
* tRNA 的功
能
活化,
搬 运 氨 基 酸
到核糖体,
参 与 蛋 白 质
的翻译 。
四,RNA的三级结构
目 录
五、其他小分子 RNA及 RNA组学
除了上述三种 RNA外, 细胞的不同部位
存在的许多其他种类的小分子 RNA,统称为
非 mRNA小 RNA(small non-messenger RNAs,
snmRNAs)。
snmRNAs
目 录
snmRNAs的 种类
核内小 RNA
核仁小 RNA
胞质小 RNA
催化性小 RNA
小片段干涉 RNA
snmRNAs的 功能
参与 hnRNA和 rRNA的加工和转运。
目 录
RNA组学研究细胞中 snmRNAs的种类,
结构和功能 。 同一生物体内不同种类的细胞,
同一细胞在不同时间, 不同状态下 snmRNAs
的表达具有时间和空间特异性 。
RNA组学
核 酸 的 理 化 性 质
The Physical and Chemical Characters
of Nucleic Acid
第 四 节
目 录
目 录
一、核酸的一般理化性质
1、大分子性质：核酸的分子量很大，一般为
106～ 1010。核酸溶液粘度大。
2、溶解性：核酸微溶于水，不溶于有机溶剂。
3,核酸的酸碱性质
核酸中的磷酸和碱基均能发生两性解离 。
核酸是两性电解质 。 具有酸性 。
DNA等电点 4— 4.5； RNA 等电点 2— 2.5
目 录
4,DNA和 RNA的鉴定
1）二苯胺法鉴定 DNA－鉴定脱氧核糖
在酸性条件下,DNA与二苯胺共热，产生兰
紫色物质，在 595nm处有最大吸收。
2)地衣酚（苔黑酚）法鉴定 RNA－鉴定核糖
RNA与浓盐酸及地衣酚共热，产生绿色化合
物，在 670nm处有最大吸收。
目 录
二, 核酸的紫外吸收
碱基, 核苷, 核苷酸和核酸在 240~290nm的紫外波段有强烈的
光吸收, 最大吸收峰为 260nm。
λmax=260nm
1,DNA或 RNA的定量
OD260=1.0相当于 50μg/ml双链 DNA
40μg/ml单链 DNA（或 RNA）
20μg/ml寡核苷酸
2.判断核酸样品的纯度
DNA纯品, OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品, OD260/OD280 = 2.0
若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则 A260/A280比值明显降低。
3,判断 DNA是否变性
在 DNA的变性过程中, 摩尔吸光系数增大 （ 增色效应 ）
在 DNA的复性过程中, 摩尔吸光系数减小 （ 减色效应
OD260的应用
目 录
目 录
(一 ) 变性 (denaturation)
★ 是指 在某些理化因素作用下 核酸双螺旋区的氢键断裂，变
成两条单链，即改变了核酸的二级结构，但并不破坏核酸的
一级结构，不涉及共价键断裂。
三, 核酸的变性, 复性及杂交
目 录
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
目 录
▲ 实质 破坏 DNA的空间结构
例：变性引起紫外吸收值的改变
DNA的紫外吸收光谱
?增色效应,DNA变性时其溶液 OD260增高的现象 。
目 录
热变性
?解链曲线,如果在连续加热 DNA的过程中以
温度对 A260（ absorbance,A,A260代表溶液在
260nm处的吸光率 ） 值作图, 所得的曲线称为解
链曲线 。 目 录
? Tm,变性是在一个相当窄的温度范围内完成,
在这一范围内, 紫外光吸收值达到最大值的
50%时的温度称为 DNA的解链温度, 又称融解
温度 (melting temperature,Tm) 。 其大小与
G+C含量成正比 。
目 录
目 录
★ 变性因素,
热变性
酸碱变性（ pH小于 4或大于 11）
变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛,酰胺以及某些有机溶
剂如乙醇、丙酮等。 ）
★变性后的理化性质,
OD260增高 粘度下降
比旋度下降 浮力密度升高
酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失
目 录
熔解温度 （ Tm）,
★ 通常将 50％ 的 DNA分子发生变性即 DNA的双螺旋结构失去
一半时对应的温度称为解链温度 。
浓度 50ug/mL时, 双链 DNA A260=1.00,完全变性 （ 单链 ）
A260= 1.37,当 A260增加到最大增大值一半时, 即 1.185时,
对应的温度即为 Tm。
DNA的 Tm一般在 70～ 85℃ 之间
★ DNA的变性是爆发式的，变性作用发生在一个很
窄的温度范围内。
目 录
影响 DNA的 Tm值的因素
① DNA均一性 。
均一性高，变性的温度范围越窄，据此可分析 DNA的
均一性 。
目 录
② G-C含量与 Tm值成正比。
测定 Tm，可推知 G-C含量。
G-C%=（ Tm-69.3） × 2.44
Tm值与 GC含量的关系
目 录
③ 介质中离子强度
离子强度高,Tm高。
★ 增色效应
增色效应：在 DNA的变性过程中,DNA由于碱基对失
去重叠,260nm处的紫外吸收值明显升高，这种现象
称为～。同时 DNA的生物活性丧失，粘度下降，沉降
系数增加，比旋下降。
目 录
(二 ) 复性 (renaturation)
去除变性因素后，变性 DNA在适当（一般
低于 Tm20— 25℃ ）条件下，两条链重新缔
合成双螺旋结构，这种现象称为～或退火。
减色效应：变性 DNA复性时，其紫外吸收
值降低，一系列理化性质得到恢复。
复性过程,1、成核作用（ nucleation）
2、拉拉链作用（ zippering）
目 录
DNA的复性
◎ 复性的条件 Ⅰ,足够高的盐浓度
Ⅱ,适当的温度
Ⅲ,恰当的复性时间
目 录
★ 复性机制,10-20bp成拉链
★热变性 DNA在缓慢冷却时
可以复性，快速冷却不能复
性。
★ DNA片段越大，复性越慢；
★ DNA浓度越大，复性越快。
目 录
在 DNA变性后的复性过程中, 如果将不
同种类的 DNA单链分子或 RNA分子放在同一
溶液中, 只要两种单链分子之间存在着一定
程度的碱基配对关系, 在适宜的条件 （ 温度
及离子强度 ） 下, 就可以在不同的分子间形
成 杂化双链 (heteroduplex)。
这种杂化双链可以在不同的 DNA与 DNA
之间形成, 也可以在 DNA和 RNA分子间或者
RNA与 RNA分子间形成 。
(三 ) 核酸 分子杂交 (hybridization)
目 录
相同或不同来源的 DNA分子间或 DNA和
RNA分子间，如果含有彼此互补的序列，通过
变性和复性处理,DNA－ DNA同源序列间及
DNA－ RNA异源序列间都可形成 DNA-DNA杂
合体或 DNA－ RNA杂合体，称为～。
根据核酸分子杂交的原理，人工制备或从
基因组中分离一段已知序列的 DNA，使之带上
标记，经变性后形成单链，在一定条件下与待
测 DNA单链杂交，如两者序列有同源性，可形
成带有特定标记的双链 DNA分子，以达到探测
未知 DNA的目的，此即核酸探针或基因探针。
目 录
目 录
DNA-DNA
杂交双链分子
变性 复性
不同来源的
DNA分子
目 录
目 录
核酸分子杂交的应用
研究 DNA分子中某一种基因的位置
确定两种核酸分子间的序列相似性
检测某些专一序列在待检样品中存在与否
是基因芯片技术的基础
目 录
?常用的核酸分子杂交技术有：原位杂交, 斑
点杂交, Southern杂交及 Northern杂交等 。
1,Southern Blotting
DNA样品 → 酶切 → 电泳 → 碱变性 → 转膜 → 固
定 → 杂交 → 洗涤 → 放射自显影
变性 （ NaOH 0.5mol/L）
转膜 （ NC膜, 尼龙膜 ）
固定 （ 80℃, 4-6h）
杂交 （ 高盐浓度, 68℃, 几小时 ）
Southern Blotting可用于 DNA之间同源性分析, 确定特
异性 DNA序列的大小和定位 。
目 录
目 录
目 录
2,Northern Blotting
研究对象是 mRNA,探针一般是 DNA。
总 RNA或 mRNA需在变性条件下电泳 （ 乙二醛, 甲醛 ）
3,Western Blotting
抗原与抗体的杂交
研究克隆基因表达产物, 鉴定克隆株的常用技术 。
目 录
目 录
★ 琼脂糖电泳可以用于
DNA分子量的测定
★ 琼脂糖电泳可以用于 DNA的制备与纯化
目 录
核酸酶 是指所有可以水解核酸的酶
?依据底物不同分类
? DNA酶 (deoxyribonuclease,DNase),
专一降解 DNA。
? RNA酶 (ribonuclease,RNase),
专一降解 RNA。
?依据切割部位不同
? 核酸内切酶,分为限制性核酸内切酶和非特异性限制
性核酸内切酶。
? 核酸外切酶,5′→3 ′或 3′→5 ′核酸外切酶。
四、核 酸 酶 （ Nuclease）
目 录
?参与 DNA的合成与修复及 RNA合成后的剪
接等重要基因复制和基因表达过程
?负责清除多余的, 结构和功能异常的核酸,
同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸
?在消化液中降解食物中的核酸以利吸收
?体外重组 DNA技术中的重要工具酶
生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解
核酸酶的功能
目 录
核 酶
? 催化性 DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧
核苷酸片段，也能序列特异性降解 RNA。
? 催化性 RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核
酸内切酶降解 mRNA。
核 苷 酸 的 代谢
Metabolism of Nucleotides
第 五 节
目 录
目 录
?核酸的消化与吸收
一、概 述
食物核蛋白
蛋白质 核酸（ RNA及 DNA） 胃酸
核苷酸
胰核酸酶
核苷 磷酸
胰、肠核苷酸酶
碱基 戊糖
核苷酶
目 录
?核苷酸的生物功用
? 作为核酸合成的原料
? 体内能量的利用形式
? 参与代谢和生理调节
? 组成辅酶
? 活化中间代谢物
目 录
核苷酸代谢的动态
单核苷酸
库
氨基酸 葡萄糖 磷酸
核苷酸的从头合成
核酸的降解
核苷酸的降解
产物的再利用
核苷酸的降解
核酸的合成
目 录
? 嘌呤核苷酸的结构
GMP AMP
二,嘌呤核苷酸的代谢
Metabolism of Purine Nucleotides
目 录
(一）嘌呤核苷酸的合成代谢
?从头合成途径
(de novo synthesis pathway)
利用氨基酸等作为原料合成
?补救合成途径
(salvage synthesis pathway)
利用体内游离的碱基或核苷合成
目 录
嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸
核糖, 氨基酸, 一碳单位及二氧化碳等简单物
质为原料, 经过一系列酶促反应, 合成嘌呤核
苷酸的途径 。
肝 是体内 从头合成嘌呤 核苷酸的主要器官,
其次是 小肠 和 胸腺, 而 脑, 骨髓 则无法进行此
合成途径 。
1、嘌呤核苷酸的从头合成
?定义
?合成部位
目 录
?嘌呤碱合成的元素来源
CO2
天冬氨酸
甲酰基
（一碳单位）
甘氨酸
甲酰基
（一碳单位）
谷氨酰胺
（酰胺基）
目 录
C O 2
→
C
6
A s p → N
1
C
5
N
7
← G l y （ 4, 5, 7 ）
| | |
N
10
- C H O F H 4 → C
2
C
4
C
8
← N
5
,N
10
= C H - FH 4
N
3
N
9
↑ ↑
G l n
目 录
合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨
酸、一碳基团,CO2、磷酸核糖。
合成特点：磷酸核糖为起始物，逐步加
原料合成嘌呤环，形成重要中间产物
IMP（次黄嘌呤核苷酸），再由它转变
为 AMP和 GMP。
目 录
?过程
1,IMP的合成
2,AMP和 GMP的生成
目 录
R-5-P
（ 5-磷酸核糖）
ATP AMP
PRPP合成酶
PP-1-R-5-P
（ 5’－磷酸核糖－ 1’－焦磷酸）
PRPP
在谷氨酰胺、甘氨酸、一
碳单位、二氧化碳及天冬
氨酸的逐步参与下
IMP
AMP
GMP
H2N-1-R-5′-P
（ 5′-磷酸核糖胺）
谷氨酰胺
谷氨酸
酰胺转移酶
目 录
1） IMP的合成过程
① 磷酸核糖酰胺转移酶
② GAR合成酶
③ 转甲酰基酶
④ FGAM合成酶
⑤ AIR合 成 酶
目 录
IMP生成总反应过程
目 录
① 腺苷酸代琥珀酸合成酶 ③ IMP脱氢酶
②腺苷酸代琥珀酸裂解酶 ④ GMP合成酶
2） AMP和 GMP的生成
目 录
目 录
AMP ADP ATP
ADP ATP
激酶
ADP ATP
激酶
GMP GDP GTP
ADP ATP
激酶
ADP ATP
激酶
目 录
? 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。
? IMP的合成需 5个 ATP,6个高能磷酸键。
AMP或 GMP的合成又需 1个 ATP。
? 嘌呤核苷酸从头合成 特点
?从头合成的调节
R-5-P
ATP
PRPP合成酶
PRPP 酰胺转移酶 PRA IMP
腺苷酸代
琥珀酸 AMP ADP ATP
XMP GMP GDP GTP
+
+
_ _ _
_
_
IMP
腺苷酸代
琥珀酸
XMP
AMP ADP ATP
GMP GDP GTP ATP
GTP
_
_
+ +
调节方式,反馈调节 和 交叉调节
目 录
目 录
利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷, 经过
简单的反应, 合成嘌呤核苷酸的过程, 称为
补救合成 （ 或重新利用 ） 途径 。
2、嘌呤核苷酸的补救合成途径
?定义
目 录
腺嘌呤磷酸核糖转移酶
(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)
次黄嘌呤 -鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (hypoxanthine-
guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT)
腺苷激酶 (adenosine kinase)
?参与补救合成的酶
目 录
腺嘌呤 + PRPP AMP + PPi APRT
次黄嘌呤 + PRPP IMP + PPi HGPRT
鸟嘌呤 + PRPP HGPRT GMP + PPi
?合成过程
腺嘌呤核苷 腺苷激酶
ATP ADP
AMP
目 录
?补救合成的生理意义
? 补救合成节省从头合成时的能量和一些氨
基酸的消耗。
? 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进
行补救合成。
目 录
3、嘌呤核苷酸的相互转变
IMP
AMP
腺苷酸代
琥珀酸 XMP
GMP
NH3
目 录
4,脱氧核糖核苷酸的生成
在核苷二磷酸水平上进行
（ N代表 A,G,U,C等碱基）
目 录
dNDP + ATP
激酶
dNTP + ADP
二磷酸脱氧核苷
NDP dNDP
二磷酸核糖核苷
NADP+ NADPH + H+
核糖核苷酸还原酶,Mg2+
还原型硫氧化
还原蛋白 -(SH)2
氧化型硫氧
化还原蛋白 S S
硫氧化还原蛋白还原酶
（ FAD）
脱氧核苷酸的生成
目 录
5,嘌呤核苷酸的抗代谢物
? 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、
氨基酸或叶酸等的类似物。
嘌呤类似物 氨基酸类似物 叶酸类似物
6-巯基嘌呤
6-巯基鸟嘌呤
8-氮杂鸟嘌呤等
氮杂丝氨酸 等 氨蝶呤
氨甲蝶呤 等
目 录
?能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代
谢药物, 通常是属于嘌呤, 氨基酸或
叶酸的类似物, 主要通过对代谢酶的
竞争性抑制作用, 来干扰或抑制嘌呤
核苷酸的合成, 因而具有抗肿瘤治疗
作用 。
?在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似
物主要是 6-巯基嘌呤 （ 6-MP） 。 6-MP
的化学结构与次黄嘌呤类似, 因而可
以抑制 IMP转变为 AMP或 GMP,从而干扰
嘌呤核苷酸的合成
目 录
次黄嘌呤
(H)
6-巯基嘌呤
(6-MP)
? 6-巯基嘌呤 的结构
甲酰甘氨酰
胺核苷酸
（ FGAR）
PRPP
谷氨酰胺
（ Gln）
= PRA 甘氨酰胺 核苷酸
（ GAR）
= = 甲酰甘氨 脒核苷酸
（ FGAM）
5-氨基异咪唑 -
4-甲酰胺核苷酸
（ AICAR）
=
5-甲酰胺基咪唑 -
4-甲酰胺核苷酸
（ FAICAR） IMP 次黄嘌呤 （ H）
PRPP PPi =
AMP
PRPP
PPi =
腺嘌呤（ A）
GMP =
PRPP PPi
鸟嘌呤 (G)
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
MTX
MTX
目 录
目 录
目 录
（二）嘌呤核苷酸的分解代谢
核苷酸 核苷
核苷酸酶
Pi
核苷磷酸化酶
碱基 1-磷酸核糖
目 录
嘌呤碱的最终
代谢产物
AMP
GMP
H
（次黄嘌呤）
G
X
（黄嘌呤）
黄嘌呤氧化酶
黄嘌呤
氧化酶
目 录
目 录
不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同, 因此, 终产物
也不同 。
排尿酸动物：灵长类, 鸟类, 昆虫, 排尿酸爬虫类
排尿囊素动物：哺乳动物 （ 灵长类除外 ）, 腹足类
排尿囊酸动物：硬骨鱼类
排尿素动物：大多数鱼类, 两栖类
某些低等动物能将尿素进一步分解成 NH3和 CO2排出 。
植物分解嘌呤的途径与动物相似, 产生各种中间产物
（ 尿囊素, 尿囊酸, 尿素, NH3） 。
微生物分解嘌呤类物质，生成 NH3,CO2及有机酸（甲
酸、乙酸、乳酸、等）。
目 录
目 录
?痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解
代谢异常, 可致血中尿酸水平升高, 以
尿酸钠晶体沉积于软骨, 关节, 软组织
及肾脏, 临床上表现为皮下结节, 关节
疼痛等 。
痛风症的治疗机制
目 录
鸟嘌呤
次黄嘌呤
黄嘌呤 尿酸
黄嘌呤氧化酶
别嘌呤醇
目 录
?嘧啶核苷酸的结构
三、嘧啶核苷酸的代谢
Metabolism of Pyrimidine Nucleotides
目 录
? 从头合成途径
? 补救合成途径
（一）嘧啶核苷酸的合成代谢
目 录
1、嘧啶核苷酸的从头合成
主要是肝细胞胞液
嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核
糖, 氨基酸, 一碳单位及二氧化碳等简单物
质为原料, 经过一系列酶促反应, 合成嘧啶
核苷酸的途径 。
?定义
?合成部位
目 录
?嘧啶合成的元素来源
氨基甲
酰磷酸
天冬氨酸
目 录
合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、
CO2、磷酸核糖。
合成特点：用原料先合成嘧啶环，
然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核
苷酸。
目 录
?合成过程
1） 尿嘧啶核苷酸的合成
谷氨酰胺 + HCO3-
氨基甲酰磷
酸合成酶 II
2ATP
2ADP+Pi
谷氨酸 + 氨基甲酰磷酸
目 录
CPS - I CPS - II
肝细胞线粒体中
氨
N - 乙酰谷氨酸
胞液（所有细胞）
谷氨酰胺
无
分布
氮源
变构激活剂
功能 尿素合成 嘧啶 合成
肝细胞线粒体中
氨
乙酰谷氨酸
胞液（所有细胞）
谷氨酰胺
无
分布
氮源
变构激活剂
功能 尿素合成 嘧啶 合成
氨基甲酰磷酸合成酶 I, II 的区别
目 录
目 录
2） 胞嘧啶核苷酸的合成
ATP ADP
尿苷酸激酶 UDP 二磷酸核苷激酶
ATP ADP
UTP CTP合成酶
谷氨酰胺
ATP
谷氨酸
ADP+Pi
目 录
3） dTMP或 TMP的生成
TMP合酶
N5,N10-甲烯 FH4 FH2
FH2还原酶
FH4
NADP+ NADPH+H+
dUMP 脱氧胸苷一磷酸
dTMP
UDP 脱氧核苷酸还原酶 dUDP
CTP CDP dCDP dCMP
目 录
?从头合成的调节
-
-
-
ATP + CO2+ 谷氨酰胺
氨基甲酰磷酸
UMP
氨基甲酸天冬氨酸
UTP CTP
天冬氨酸
嘌呤核苷酸
ATP + 5-磷酸核糖
嘧啶核苷酸
PRPP
-
目 录
2,嘧啶核苷酸的补救合成
嘧啶 + PRPP 磷酸嘧啶核苷 + PPi 嘧啶磷酸核糖转移酶
尿嘧啶核苷 + ATP 尿苷激酶 UMP +ADP
胸腺嘧啶核苷 + ATP 胸苷激酶 TMP +ADP
目 录
3、嘧啶核苷酸的抗代谢物
? 嘧啶类似物
胸腺嘧啶 (T) 5-氟尿嘧啶 (5-FU)
目 录
?某些改变了核糖结构的核苷类似物
目 录
?能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢
药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物,
通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑
制嘧啶核苷酸的合成 。
?主要的抗代谢药物是 5-氟尿嘧啶
（ 5-FU） 。 5-FU在体内可转变为 F-
dUMP,其结构与 dUMP相似, 可竞争
性 抑制胸苷酸合成酶 的活性, 从而
抑制胸苷酸的合成 。
目 录
UMP UTP CTP CDP dCDP
UDP dUDP dUMP dTMP
氮杂丝氨酸 阿糖胞苷
氨甲碟呤
氮杂丝氨酸
目 录
（二）嘧啶核苷酸的分解代谢
嘧啶碱
1-磷酸核糖
嘧啶核苷酸 核苷 核苷酸酶
PPi
核苷磷酸化酶
目 录
胞嘧啶
NH3
尿嘧啶
二氢尿嘧啶
H2O
CO2 + NH3
β-丙氨酸
胸腺嘧啶
β-脲基异丁酸
β-氨基异丁酸
H2O
丙二酸单酰 CoA
乙酰 CoA
TCA
肝
尿素
甲基丙二酸单酰 CoA
琥珀酰 CoA
TCA 糖异生
第 十章
核酸的分子结构与核苷
酸代谢
Structure and Function of Nucleic Acid
and Metabolism of Nucleotides
目 录
二十世纪是
二十一世纪是
物理学
生命科学 的世纪
的世纪
生命是
生命 = 核酸 + 蛋白质
二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪
？
目 录
目 录
核 酸 (nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，
携带和传递遗传信息。从高等动植物到最简单的
病毒，都含有核酸。
概 述
目 录
一、核酸的发现和研究工作进展
? 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中 提取, 核素,
? 1889年 Altmann提取得到 不含蛋白质的核酸
? 1944年 Avery等人 证实 DNA是遗传物质
? 1953年 Watson和 Crick发现 DNA的双螺旋结构
? 1968年 Nirenberg发现 遗传密码
? 1975年 Temin和 Baltimore发 现 逆转录酶
? 1981年 Gilbert和 Sanger建 立 DNA 测序方法
? 1985年 Mullis发明 PCR 技术
? 1990年 美国启动 人类基因组计划 (HGP)
? 1994年 中国人类基因组计划启动
? 2001年 美、英等国 完成人类基因组计划基本框架
目 录
目 录
二、核酸的分类及分布
DNA为双链分子, 其中大多数是链
状结构大分子, 也有少部分呈环状结
构 。 真核细胞中 90%以上分布于细胞
核, 其余分布于核外 如线粒体, 叶绿
体, 等 。
主要 分布于细胞质，少量在胞核。
(deoxyribonucleic acid,
DNA)
(ribonucleic acid,RNA)
脱氧核糖核酸
核糖核酸
携带遗传信息，决定细胞和个
体的基因型 (genotype)。
参与细胞内 DNA遗传信息的传递
与表达。分子量要比 DNA小得多。
RNA为单链分子。某些病毒 RNA也
可作为遗传信息的载体。
根据核酸的化学组成把核酸分为两大类,
目 录
RNA又可根据分子大小和生物学功能不
同，分为,
信使核糖核酸（ messenger RNA,mRNA）
转运核糖核酸（ Transfer RNA,tRNA）
核糖体核糖核酸（ Ribosomal RNA,rRNA）
目 录
rRNA tRNA mRNA
比例 80～ 82％ 15～ 16％ 3～ 5％
沉降系数 原核 5S,16S、
23S；真核
5S,18S,28S、
5.8S
4S 6～ 25S
代谢稳定性 稳定 稳定 不稳定
存在形式 与多种蛋白质形成
核糖核蛋白体，位
于粗面内质网上或
以单体形式存在
与氨基酸结合或
以游离状态存在
与核糖体结合或
单独存在
存在部位 细胞浆 细胞浆 细胞浆
生理功能 蛋白质合成的场
所
在蛋白质合成
过程中运输活
化的氨基酸
蛋白质合成的
模板
目 录
三、核酸的生物学功能
（一） DNA是主要的遗传物质
1944,O,Avery 肺炎双球菌转化实验
1952,A.D Hershey 和 M,Chase 噬菌体
感染实验
（二） RNA功能的多样性
1、参与蛋白质的合成
2,RNA的转录后加工与修饰
3、参与基因表达的调控
4、生物催化作用
目 录
1944年,Avery等发现从 S型肺炎球菌中提取的
DNA与 R型肺炎球菌混合后，能使某些 R型菌转化
为 S型菌，且转化率与 DNA纯度呈正相关，若将
DNA预先用 DNA酶降解，转化就不发生。结论是
,S型菌的 DNA将其遗传特性传给了 R型菌,DNA
是遗传物质。从此核酸是遗传物质的重要地位被
确立，人们把对遗传物质的注意力从蛋白质移到
了核酸上。后来发现，除少数病毒的遗传物质是
RNA外，大多数生物的遗传物质是 DNA。
目 录
目 录
目 录
目 录
第一节
核酸的化学组成及其结构
The Chemical Component and Primary
Structure of Nucleic Acid
目 录
核 酸 （ nucleic acid)
核苷酸 (nucleotide)
磷酸 (phosphoric acid) 核苷 (nucleoside)
戊糖
(pentose)
碱基
(base)
一、核酸的化学组成
磷酸 核糖
核酸→核苷酸→ { 戊糖 → {
核苷 → { 脱氧核糖 嘌呤碱
含氮碱 ———————— → {
嘧啶碱
目 录
核酸的基本构成
碱基 戊糖
核苷
核酸
核苷酸
磷酸
Nucleic
acid
Nucleotide
Nucleoside
脱氧核糖 核糖
Base
Ribose Deoxyribose
嘧啶碱
嘌呤碱
胸腺嘧啶
尿嘧啶
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
Purine bases
thymine
cytosine
uracil
Pyrimidine bases
adenine
guanine
目 录
1,元素组成
C,H,O,N,P（ 9~10%）,S（个别核酸）
2,分子组成
—— 碱基 (base)：嘌呤碱，嘧啶碱
—— 戊糖 (ribose)：核糖，脱氧核糖
—— 磷酸 (phosphate)
目 录
嘌呤 (purine)
N
N
N H
N
N H
2
腺嘌呤 (adenine,A)
N
N H
N H
N
N H
2
O
鸟嘌呤 (guanine,G)
1）碱 基
目 录
N
N H
1
3
2
4
5
6
嘧啶 (pyrimidine)
胞嘧啶 (cytosine,C)
N
N H
N H
2
O
尿嘧啶 (uracil,U)
N H
N H
O
O
胸腺嘧啶 (thymine,T)
N H
N H
O
O
CH
3
目 录
目 录
腺嘌呤 鸟嘌呤
胞嘧啶 尿嘧啶
胸腺嘧啶
DNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶
RNA中的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶
目 录
此外自然界还存在一些重要的碱基和稀有碱基
如：次黄嘌呤（ Hypoxanthine,H)、黄嘌呤（ Xanthine,X）。
稀有碱基：有些核酸中某些碱基的氢可被其他化学基团如甲基、
羟甲基,-F,-S、乙酰基等取代，形成修饰碱基，通常含量很
少，故称为～。目前已发现几十种稀有碱基。 如 7－甲基鸟嘌
呤（ m7G),5－甲基胞嘧啶（ m5C),m7A,F5U,N－ m6U等。
目 录
2）戊 糖
β -D-核糖 (ribose) （构成 DNA）
O H
O
CH
2
OH
O H
β -D-2-脱氧核糖 (deoxyribose)
H
（构成 RNA）
1′
2′ 3′
4′
5′
O H
O
CH 2 O H
O H O H
目 录
核苷,AR,GR,UR,CR
脱氧核苷,dAR,dGR,dTR,dCR
3,核苷 (ribonucleoside)的形成
? 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合
而生成的化合物 。
? 在大多数情况下, 核苷是由核糖或脱氧
核糖的 C1’ β -羟基与嘧啶碱 N1或嘌呤碱 N9进
行缩合, 故生成的化学键称为 β, N糖苷键
由碱基和核糖 （ 脱氧核糖 ） 通过 糖苷键 连接
形成核苷 （ 脱氧核苷 ） 。
OH
O
CH
2
O HO H
N
N
N H
2
O
1′
1
目 录
★ 嘧啶碱,C1 — N1，嘌呤碱,C1 — N9。
★核酸中的核苷与脱氧核苷均为 β-型
★碱基平面与核糖平面互相垂直
目 录
腺苷 (AR) 脱氧胞苷 (dCR)
β1,N9-糖苷键 β1’,N1-糖苷键
β1’ β1’
N-9 N-1
目 录
β1’
C5 假尿苷（ ψ）
β1’,C5-糖苷键
目 录
核苷酸,AMP,GMP,UMP,CMP
脱氧核苷酸,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP
4,核苷酸 (ribonucleotide)的结构与命名
? 核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的
磷酸酯类化合物, 包括核糖核苷酸和脱氧核糖核
苷酸两大类 。
目 录
核苷酸的分子结构
目 录
? 5’-核苷酸又可按其在 5’位缩合的磷酸基
的多少, 分为一磷酸核苷 （ 核苷酸 ）, 二
磷酸核苷和三磷酸核苷 。
5、体内重要的游离核苷酸及其衍生物
? 含核苷酸的生物活性物质,
NAD+,NADP+,CoA-SH,FAD 等都含有 AMP
? 多磷酸核苷酸,NMP,NDP,NTP
? 环化核苷酸, cAMP,cGMP
N
O
C H
2
O
O HO H
N
N
N
N H
2
P
O
O H
OH
AMP
N
O
C H
2
O
O HO
N
N
N
N H
2
PO
O H
cAMP
NADP+ NAD+
目 录
细胞内的游离核苷酸及其衍生物
①核苷 5’-多磷酸化合物
ATP,GTP,CTP,ppppA,ppppG
在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。
②环核苷酸
3’,5’-cAMP,3’,5’-cGMP
信号分子,cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。
③核苷 5’多磷酸 3’多磷酸化合物
ppGpp pppGpp ppApp
④ 核苷酸衍生物
HSCoA,NAD+,NADP+,FAD等辅助因子。
GDP-半乳糖,GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体 。
目 录
环核苷酸的分子结构
环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷
目 录
目 录
目 录
5′端
3′端
6、核苷酸的连接
核酸是由许多单核苷
酸聚合形成的多核苷酸链，
没有分支。核苷酸之间以
3’,5’－磷酸二酯键 连接
形成多核苷酸链。核苷酸
链的方向是 5’－ 3’。
C
G
A
目 录
目 录
二、核酸的一级结构
定义
核酸中核苷酸的排列顺
序 。 一分子的核苷酸的 3’-
位羟基与另一分子核苷酸的
5’-位磷酸基通过脱水可形
成 3’,5’-磷酸二酯键, 从而
将两分子核苷酸连接起来
由于核苷酸间的差异主
要是碱基不同, 所以也称为
碱基序列 。
5′ 端
3′端
C
G
A
A G
P 5? P
T
P
G
P
C
P
T
P OH 3?
书写方法
5? pApCpTpGpCpT-OH 3?
5? A C T G C T 3?
目 录
目 录
多核苷酸链,
? 核苷酸单位 通过 3’,5’-
磷酸二酯 键连接起来核
酸就是由许多形成的不
含侧链的长链状化合物 。
? 核酸 具有方向性 的长链
状化合物, 多核苷酸链
的两端, 一端称为 5’-
端, 另一端称为 3’-端 。
目 录
第二节
DNA的分子结构
Dimensional Structure of DNA
目 录
一,DNA的一级结构
定义, DNA的一级结构是指在多核苷酸链中各个
脱氧核苷酸分子间的连接方式、核苷酸的种类数量
及排列顺序。
DNA是 由 dAMP,dGMP,dCMP和 dTMP四种脱
氧核糖核苷酸 通过 3’,5’-磷酸二酯键连接起来的
线形或环形多聚体。
意义,一级结构蕴藏了遗传信息，决定了 DNA的
二级结构和空间结构。
目 录
二,DNA的二级结构 -双螺旋结构
DNA的两条多聚核苷酸链间通
过氢键形成的双螺旋结构。
（一） DNA双螺旋结构的研究背景
目 录
1,DNA分子中碱基组成的规律－
Chargaff 规律 (1950-1953年 )
a,在所有生物的 DNA中, DNA分子中
四种碱基的摩尔百分比具有一定的规
律性即 A=T,G=C 且 A+G=C+T (碱
基当量规律或 Chargaff 规律 ） 。
b,DNA的碱基组成具有种的特异性 。
c,DNA碱基组成没有组织和器官的特
异性 。
d,年龄, 营养状况, 环境等因素不影
响 DNA的碱基组成 。
目 录
2,DNA纤维和 DNA晶体的 X光衍射分析。
Franklin,Wilkins
1953年由 Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了 DNA
晶体的 X线衍射图谱中存在两种周期性反射,DNA分子是
由两条链排列成螺旋状，沿纤维长轴有 0.34nm和 3.4nm两
个重要的周期性变化。
目 录
1953 年, Watson
和 Crick 根据
Chargaff 规律和
DNA Na盐纤维的
X光衍射分析提出
了 DNA的双螺旋
结构模型 。
目前已知 DNA双螺旋结构可分为 A,B、
C,D及 Z型等数种，除 Z型为左手双螺
旋外，其余均为右手双螺旋。
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
1,DNA分子由两条 相互平行
但走向相反 的脱氧多核苷酸
链, 围绕同一中心轴以 右手
螺旋 方式构成一个双螺旋形
状 。
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
2,疏水的碱基平面层叠于螺旋的内
部, 亲水的脱氧核糖 -磷酸以磷酸
二酯键相连形成的骨架位于螺旋
的外侧 。
3,碱基平面与螺旋轴垂直居核糖平
面与螺旋轴平行, 两条链间存在
碱基互补, A与 T或 G与 C配对形成
氢键, 称为碱基互补原则 （ A与 T
为两个氢键, G与 C为三个氢键 ） ；
目 录
目 录
碱基互补配对
T A G C
目 录
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（ Watson,Crick,1953）
4,相邻碱基平面距离 0.34nm，旋
转夹角 36o 。每 10对 核苷酸绕螺
旋轴旋转 一圈，螺距为 3.4nm。
5、双 螺旋直径为 2nm，形成大沟
(major groove)及小沟 (minor
groove)相间。大沟宽而深，小沟
窄而浅。 4,螺旋的稳定因素为
氢键和碱基堆砌力。 氢键 维持双
链 横向稳定性, 碱基堆积力 维持
双链 纵向稳定性 。
目 录
目 录
★ 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴
相缠绕，形成右手双股螺旋，一条 5’→3’,
另一条 3’→5’
目 录
★ 磷酸与脱氧核糖彼此通
过 3‘,5‘-磷酸二酯键相连
接，构成 DNA分子的骨架。
★ 磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。
目 录
★ 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行
★ 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。
★ 螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持
目 录
★ 每圈螺旋 10.4nt,碱基堆积距 0.34nm，双螺旋平均直径 2nm,
★大沟：宽 1.2nm,深 0.85nm,
★小沟,宽 0.6nm，深 0.75nm
目 录
目 录
(三 ） 稳定双螺旋结构的因素
① 碱基堆积力 形成疏水环境 （ 主要因素 ） 。
② 碱基配对的 氢键 。 GC含量越多, 越稳定 。
③ 磷酸基上的负电荷 与介质中的阳离子或组蛋白的正
离子之间形成离子键, 中和了磷酸基上的负电荷间
的斥力, 有助于 DNA稳定 。
④ 碱基分子内能 。 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中,
可免受水溶性活性小分子的攻击 。
（四） DNA双螺旋结构的多样性
目 录
目 录
相对湿度 92%,B— DNA
相对湿度 75%,A— DNA。
（ 1） B— DNA：典型的 Watson-Crick双螺旋 DNA
右手双螺旋
每圈螺旋 10.4个碱基对
螺距,3.32nm
（ 2） A-DNA
右手双螺旋, 外形粗短 。
RNA-RNA,RNA-DNA杂交分子具有这种
结构 。
（ 3） Z-DNA
左手螺旋, 外形细长 。
天然 B-DNA的局部区域可以形成 Z-DNA。
目 录
三,DNA的超螺旋结构及其在染色质
中的组装（三级结构）
（一） DNA的超螺旋结构
超螺旋结构 (superhelix 或 supercoil)
DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋 (positive supercoil)
盘绕方向与 DNA双螺旋方同相同
负超螺旋 (negative supercoil)
盘绕方向与 DNA双螺旋方向相反
目 录
① 连环数 （ linking number,L）
DNA双螺旋中, 一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数
② 扭转数 （ twisting number,T）
DNA分子中的 Watson-Crick螺旋数目, 以 T表示
③ 超螺旋数 （ 缠绕数,writhing number,W）
连环数（ L） 扭转数（ T） 缠绕数 W
松驰环 25 25 0
解链环 23 23 0
超螺旋 23 25 -2
L=T+W
目 录
意义
DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学
变化及其调控对于 DNA复制和 RNA转录过
程具有关键作用。
目 录
（ 二 ） 原核生物 DNA
的三级结构,
? 绝大多数原核生物
的 DNA都是共价封
闭的环状双螺旋 。
如果再进一步盘绕
则形成麻花状的超
螺旋三级结构 。
目 录
（三） DNA在真核生物细胞核内的组装
? 真核生物染色体由 DNA和蛋白质构成,
其基本单位是 核小体 (nucleosome)。
? 在真核生物中, 双螺旋的 DNA分子围绕一
蛋白质八聚体进行盘绕, 从而形成特殊的串
珠状结构, 称为 核小体 。 核小体结构属于 DNA
的三级结构 。
核小体的组成
DNA,约 200bp
组蛋白,H1
H2A,H2B
H3
H4
目 录
目 录
目 录
目 录
四,DNA的功能
DNA的基本功能是以 基因 的形式荷载遗传信息,
并作为基因复制和转录的模板 。 它是生命遗传的物
质基础, 也是个体生命活动的信息基础 。
基因 （ gene）,从结构上定义, 是指 DNA分子
中 具有特定生物学功能的 特定区段, 其中的核苷酸
排列顺序决定了基因的功能 。 。 一个生物体的全部
DNA序列称为 基因组 （ genome） 。 基因组的大小与生物
的复杂性有关, 如病毒 SV40的基因组大小为 5.1× 103bp,大
肠杆菌为 5.7× 106bp,人为 3× 109bp。
目 录
第三节
RNA的分子结构
Structure of RNA
目 录
一,RNA的碱基组成
RNA由四种主要碱基 A,G,C,U组成。
一般不含 T。还含有少量稀有碱基。如假尿嘧
啶核苷及甲基化碱基等。但 RNA分子中的碱基
没有 A=U,G＝ C的比例关系。
目 录
?RNA分子主要由 AMP,GMP,CMP，
UMP四种核糖核苷酸组成 。 RNA的一级结
构就是指 RNA分子中核糖核苷酸的排列顺
序及连接方式 。
二,RNA的一级结构
目 录
1,RNA的种类、分布、功能
核蛋白体 RNA
信使 RNA
转运 RNA
核内不均一 RNA
核内小 RNA
胞浆小 RNA
细胞核和胞液 线粒体 功 能
rRNA
mRNA
mt rRNA
tRNA
mt mRNA
mt tR NA
Hn RNA
SnRNA
SnoRNA
scRNA/7SL - RNA
核蛋白体组分
蛋白质合成模板
转运氨基酸
成熟 mRNA 的前体
参与 hnRNA 的剪接、转运
rRNA 的加工、修饰
蛋白质内质网定位合成
的信号识别体的组分
核仁小 RNA
核蛋白体
信使
转运
核内不均一
核内小
胞浆小
细胞核和胞液 线粒体 功 能
核蛋白体组分
蛋白质合成模板
转运氨基酸
成熟 的前体
参与 的剪接、转运
的加工、修饰
蛋白质内质网定位合成
的信号识别体的组分
核仁小
2、信使 RNA的结构与功能
hnRNA
内含子
(intron)
mRNA
* mRNA成熟过程
外显
子
(exon)
目 录
目 录
* mRNA结构特点
1,大多数真核 mRNA的 5′末端均在转录后加上
一个 7-甲基鸟苷, 同时第一个核苷酸的 C′2也
是甲基化, 形成帽子结构,m7GpppNm-。
2,大多数真核 mRNA的 3′末端有一个长约 30～
200个核苷酸残基的多聚腺苷酸 (polyA)结构，
称为多聚 A尾（ polyA)。
目 录
帽子结构
目 录
mRNA核内向胞质的转位
增加 mRNA的稳定性
翻译起始的调控
帽子结构和 多聚 A尾的功能
目 录
* mRNA的功能
把 DNA所携带的遗传信息, 按碱基互
补配对原则, 抄录并传送至核糖体, 用以决
定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序 。
DNA
mRNA
蛋白
转录
翻译
原核细胞 细胞质
细胞核
DNA
内含子 外显子
转录
转录后剪接
转运
mRNA
hnRNA
翻译
蛋白
真核细胞
目 录
* tRNA的一级结构特点
? 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU
? 3′末端为 — CCA-OH
? 5′末端大多数为 G
? 具有 T?C
3、转运 RNA的结构与功能
目 录
N
N H
N H
N
N
O
C H
3
C H
3
N
N
N H
N
NH
C H
2
C H C
C H
3
C H
3
N H
N H
O
O
H
H
H
H
N H
N H
S
O
N,N二甲基鸟嘌呤
N6-异戊烯腺嘌呤
双氢尿嘧啶
4-巯尿嘧啶
稀有碱基
目 录
* rRNA是细胞中 含量
最多 的 RNA，占总量
的 80%。
4、核蛋白体 RNA的结构与功能
* rRNA的功能
rRNA与蛋白质一起
构成核蛋白体, 作为蛋
白质生物合成的场所 。
参与组成核蛋白体, 作
为蛋白质生物合成的场
所 。
目 录
* rRNA的种类（根据沉降系数）
? 在原核生物中, rRNA有三种,5S,16S，
23S。 其中, 16S的 rRNA参与构成核蛋白
体的小亚基, 而 5S和 23S的 rRNA参与构
成核蛋白体大亚基 。
? 在真核生物中, rRNA有四种,5S,5.8S，
18S,28S。 其中, 18S的 rRNA参与构成
核蛋白体小亚基, 其余的 rRNA参与构成
核蛋白体大亚基 。
目 录
核蛋白体的组成
原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例）
小亚基 30S 40S
rRNA 16S 1542个核苷酸 18S 1874个核苷酸
蛋白质 21种 占总重量的 40% 33种 占总重量的 50%
大亚基 50S 60S
rRNA 23S
5S
2940个核苷酸
120个核苷酸
28S
5.85S
5S
4718个核苷酸
160个核苷酸
120个核苷酸
蛋白质 31种 占总重量的 30% 49种 占总重量的 35%
目 录
三,RNA的二级结构
单链局部回环结构（发夹结构）
* tRNA的二级结构
—— 三叶草形
? 氨基酸臂
? 二氢尿嘧啶环（ DHU环） 8～ 12个核苷酸
? 反密码环 7个核苷酸
? 额外环（可变环、附加叉） 4～ 21个核苷酸
? TΨC环 7个核苷酸
目 录
* tRNA的二级结构
—— 三叶草形
? 氨基酸臂
? DHU环
? 反密码环
? 额外环
? TΨC环
氨基酸 臂
额外环
目 录
氨基酸臂
可变臂
DHU臂
反密码臂
TψC臂
目 录
* tRNA的三级结构
—— 倒 L形
* tRNA 的功
能
活化,
搬 运 氨 基 酸
到核糖体,
参 与 蛋 白 质
的翻译 。
四,RNA的三级结构
目 录
五、其他小分子 RNA及 RNA组学
除了上述三种 RNA外, 细胞的不同部位
存在的许多其他种类的小分子 RNA,统称为
非 mRNA小 RNA(small non-messenger RNAs,
snmRNAs)。
snmRNAs
目 录
snmRNAs的 种类
核内小 RNA
核仁小 RNA
胞质小 RNA
催化性小 RNA
小片段干涉 RNA
snmRNAs的 功能
参与 hnRNA和 rRNA的加工和转运。
目 录
RNA组学研究细胞中 snmRNAs的种类,
结构和功能 。 同一生物体内不同种类的细胞,
同一细胞在不同时间, 不同状态下 snmRNAs
的表达具有时间和空间特异性 。
RNA组学
核 酸 的 理 化 性 质
The Physical and Chemical Characters
of Nucleic Acid
第 四 节
目 录
目 录
一、核酸的一般理化性质
1、大分子性质：核酸的分子量很大，一般为
106～ 1010。核酸溶液粘度大。
2、溶解性：核酸微溶于水，不溶于有机溶剂。
3,核酸的酸碱性质
核酸中的磷酸和碱基均能发生两性解离 。
核酸是两性电解质 。 具有酸性 。
DNA等电点 4— 4.5； RNA 等电点 2— 2.5
目 录
4,DNA和 RNA的鉴定
1）二苯胺法鉴定 DNA－鉴定脱氧核糖
在酸性条件下,DNA与二苯胺共热，产生兰
紫色物质，在 595nm处有最大吸收。
2)地衣酚（苔黑酚）法鉴定 RNA－鉴定核糖
RNA与浓盐酸及地衣酚共热，产生绿色化合
物，在 670nm处有最大吸收。
目 录
二, 核酸的紫外吸收
碱基, 核苷, 核苷酸和核酸在 240~290nm的紫外波段有强烈的
光吸收, 最大吸收峰为 260nm。
λmax=260nm
1,DNA或 RNA的定量
OD260=1.0相当于 50μg/ml双链 DNA
40μg/ml单链 DNA（或 RNA）
20μg/ml寡核苷酸
2.判断核酸样品的纯度
DNA纯品, OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品, OD260/OD280 = 2.0
若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则 A260/A280比值明显降低。
3,判断 DNA是否变性
在 DNA的变性过程中, 摩尔吸光系数增大 （ 增色效应 ）
在 DNA的复性过程中, 摩尔吸光系数减小 （ 减色效应
OD260的应用
目 录
目 录
(一 ) 变性 (denaturation)
★ 是指 在某些理化因素作用下 核酸双螺旋区的氢键断裂，变
成两条单链，即改变了核酸的二级结构，但并不破坏核酸的
一级结构，不涉及共价键断裂。
三, 核酸的变性, 复性及杂交
目 录
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
目 录
▲ 实质 破坏 DNA的空间结构
例：变性引起紫外吸收值的改变
DNA的紫外吸收光谱
?增色效应,DNA变性时其溶液 OD260增高的现象 。
目 录
热变性
?解链曲线,如果在连续加热 DNA的过程中以
温度对 A260（ absorbance,A,A260代表溶液在
260nm处的吸光率 ） 值作图, 所得的曲线称为解
链曲线 。 目 录
? Tm,变性是在一个相当窄的温度范围内完成,
在这一范围内, 紫外光吸收值达到最大值的
50%时的温度称为 DNA的解链温度, 又称融解
温度 (melting temperature,Tm) 。 其大小与
G+C含量成正比 。
目 录
目 录
★ 变性因素,
热变性
酸碱变性（ pH小于 4或大于 11）
变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛,酰胺以及某些有机溶
剂如乙醇、丙酮等。 ）
★变性后的理化性质,
OD260增高 粘度下降
比旋度下降 浮力密度升高
酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失
目 录
熔解温度 （ Tm）,
★ 通常将 50％ 的 DNA分子发生变性即 DNA的双螺旋结构失去
一半时对应的温度称为解链温度 。
浓度 50ug/mL时, 双链 DNA A260=1.00,完全变性 （ 单链 ）
A260= 1.37,当 A260增加到最大增大值一半时, 即 1.185时,
对应的温度即为 Tm。
DNA的 Tm一般在 70～ 85℃ 之间
★ DNA的变性是爆发式的，变性作用发生在一个很
窄的温度范围内。
目 录
影响 DNA的 Tm值的因素
① DNA均一性 。
均一性高，变性的温度范围越窄，据此可分析 DNA的
均一性 。
目 录
② G-C含量与 Tm值成正比。
测定 Tm，可推知 G-C含量。
G-C%=（ Tm-69.3） × 2.44
Tm值与 GC含量的关系
目 录
③ 介质中离子强度
离子强度高,Tm高。
★ 增色效应
增色效应：在 DNA的变性过程中,DNA由于碱基对失
去重叠,260nm处的紫外吸收值明显升高，这种现象
称为～。同时 DNA的生物活性丧失，粘度下降，沉降
系数增加，比旋下降。
目 录
(二 ) 复性 (renaturation)
去除变性因素后，变性 DNA在适当（一般
低于 Tm20— 25℃ ）条件下，两条链重新缔
合成双螺旋结构，这种现象称为～或退火。
减色效应：变性 DNA复性时，其紫外吸收
值降低，一系列理化性质得到恢复。
复性过程,1、成核作用（ nucleation）
2、拉拉链作用（ zippering）
目 录
DNA的复性
◎ 复性的条件 Ⅰ,足够高的盐浓度
Ⅱ,适当的温度
Ⅲ,恰当的复性时间
目 录
★ 复性机制,10-20bp成拉链
★热变性 DNA在缓慢冷却时
可以复性，快速冷却不能复
性。
★ DNA片段越大，复性越慢；
★ DNA浓度越大，复性越快。
目 录
在 DNA变性后的复性过程中, 如果将不
同种类的 DNA单链分子或 RNA分子放在同一
溶液中, 只要两种单链分子之间存在着一定
程度的碱基配对关系, 在适宜的条件 （ 温度
及离子强度 ） 下, 就可以在不同的分子间形
成 杂化双链 (heteroduplex)。
这种杂化双链可以在不同的 DNA与 DNA
之间形成, 也可以在 DNA和 RNA分子间或者
RNA与 RNA分子间形成 。
(三 ) 核酸 分子杂交 (hybridization)
目 录
相同或不同来源的 DNA分子间或 DNA和
RNA分子间，如果含有彼此互补的序列，通过
变性和复性处理,DNA－ DNA同源序列间及
DNA－ RNA异源序列间都可形成 DNA-DNA杂
合体或 DNA－ RNA杂合体，称为～。
根据核酸分子杂交的原理，人工制备或从
基因组中分离一段已知序列的 DNA，使之带上
标记，经变性后形成单链，在一定条件下与待
测 DNA单链杂交，如两者序列有同源性，可形
成带有特定标记的双链 DNA分子，以达到探测
未知 DNA的目的，此即核酸探针或基因探针。
目 录
目 录
DNA-DNA
杂交双链分子
变性 复性
不同来源的
DNA分子
目 录
目 录
核酸分子杂交的应用
研究 DNA分子中某一种基因的位置
确定两种核酸分子间的序列相似性
检测某些专一序列在待检样品中存在与否
是基因芯片技术的基础
目 录
?常用的核酸分子杂交技术有：原位杂交, 斑
点杂交, Southern杂交及 Northern杂交等 。
1,Southern Blotting
DNA样品 → 酶切 → 电泳 → 碱变性 → 转膜 → 固
定 → 杂交 → 洗涤 → 放射自显影
变性 （ NaOH 0.5mol/L）
转膜 （ NC膜, 尼龙膜 ）
固定 （ 80℃, 4-6h）
杂交 （ 高盐浓度, 68℃, 几小时 ）
Southern Blotting可用于 DNA之间同源性分析, 确定特
异性 DNA序列的大小和定位 。
目 录
目 录
目 录
2,Northern Blotting
研究对象是 mRNA,探针一般是 DNA。
总 RNA或 mRNA需在变性条件下电泳 （ 乙二醛, 甲醛 ）
3,Western Blotting
抗原与抗体的杂交
研究克隆基因表达产物, 鉴定克隆株的常用技术 。
目 录
目 录
★ 琼脂糖电泳可以用于
DNA分子量的测定
★ 琼脂糖电泳可以用于 DNA的制备与纯化
目 录
核酸酶 是指所有可以水解核酸的酶
?依据底物不同分类
? DNA酶 (deoxyribonuclease,DNase),
专一降解 DNA。
? RNA酶 (ribonuclease,RNase),
专一降解 RNA。
?依据切割部位不同
? 核酸内切酶,分为限制性核酸内切酶和非特异性限制
性核酸内切酶。
? 核酸外切酶,5′→3 ′或 3′→5 ′核酸外切酶。
四、核 酸 酶 （ Nuclease）
目 录
?参与 DNA的合成与修复及 RNA合成后的剪
接等重要基因复制和基因表达过程
?负责清除多余的, 结构和功能异常的核酸,
同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸
?在消化液中降解食物中的核酸以利吸收
?体外重组 DNA技术中的重要工具酶
生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解
核酸酶的功能
目 录
核 酶
? 催化性 DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧
核苷酸片段，也能序列特异性降解 RNA。
? 催化性 RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核
酸内切酶降解 mRNA。
核 苷 酸 的 代谢
Metabolism of Nucleotides
第 五 节
目 录
目 录
?核酸的消化与吸收
一、概 述
食物核蛋白
蛋白质 核酸（ RNA及 DNA） 胃酸
核苷酸
胰核酸酶
核苷 磷酸
胰、肠核苷酸酶
碱基 戊糖
核苷酶
目 录
?核苷酸的生物功用
? 作为核酸合成的原料
? 体内能量的利用形式
? 参与代谢和生理调节
? 组成辅酶
? 活化中间代谢物
目 录
核苷酸代谢的动态
单核苷酸
库
氨基酸 葡萄糖 磷酸
核苷酸的从头合成
核酸的降解
核苷酸的降解
产物的再利用
核苷酸的降解
核酸的合成
目 录
? 嘌呤核苷酸的结构
GMP AMP
二,嘌呤核苷酸的代谢
Metabolism of Purine Nucleotides
目 录
(一）嘌呤核苷酸的合成代谢
?从头合成途径
(de novo synthesis pathway)
利用氨基酸等作为原料合成
?补救合成途径
(salvage synthesis pathway)
利用体内游离的碱基或核苷合成
目 录
嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸
核糖, 氨基酸, 一碳单位及二氧化碳等简单物
质为原料, 经过一系列酶促反应, 合成嘌呤核
苷酸的途径 。
肝 是体内 从头合成嘌呤 核苷酸的主要器官,
其次是 小肠 和 胸腺, 而 脑, 骨髓 则无法进行此
合成途径 。
1、嘌呤核苷酸的从头合成
?定义
?合成部位
目 录
?嘌呤碱合成的元素来源
CO2
天冬氨酸
甲酰基
（一碳单位）
甘氨酸
甲酰基
（一碳单位）
谷氨酰胺
（酰胺基）
目 录
C O 2
→
C
6
A s p → N
1
C
5
N
7
← G l y （ 4, 5, 7 ）
| | |
N
10
- C H O F H 4 → C
2
C
4
C
8
← N
5
,N
10
= C H - FH 4
N
3
N
9
↑ ↑
G l n
目 录
合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨
酸、一碳基团,CO2、磷酸核糖。
合成特点：磷酸核糖为起始物，逐步加
原料合成嘌呤环，形成重要中间产物
IMP（次黄嘌呤核苷酸），再由它转变
为 AMP和 GMP。
目 录
?过程
1,IMP的合成
2,AMP和 GMP的生成
目 录
R-5-P
（ 5-磷酸核糖）
ATP AMP
PRPP合成酶
PP-1-R-5-P
（ 5’－磷酸核糖－ 1’－焦磷酸）
PRPP
在谷氨酰胺、甘氨酸、一
碳单位、二氧化碳及天冬
氨酸的逐步参与下
IMP
AMP
GMP
H2N-1-R-5′-P
（ 5′-磷酸核糖胺）
谷氨酰胺
谷氨酸
酰胺转移酶
目 录
1） IMP的合成过程
① 磷酸核糖酰胺转移酶
② GAR合成酶
③ 转甲酰基酶
④ FGAM合成酶
⑤ AIR合 成 酶
目 录
IMP生成总反应过程
目 录
① 腺苷酸代琥珀酸合成酶 ③ IMP脱氢酶
②腺苷酸代琥珀酸裂解酶 ④ GMP合成酶
2） AMP和 GMP的生成
目 录
目 录
AMP ADP ATP
ADP ATP
激酶
ADP ATP
激酶
GMP GDP GTP
ADP ATP
激酶
ADP ATP
激酶
目 录
? 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。
? IMP的合成需 5个 ATP,6个高能磷酸键。
AMP或 GMP的合成又需 1个 ATP。
? 嘌呤核苷酸从头合成 特点
?从头合成的调节
R-5-P
ATP
PRPP合成酶
PRPP 酰胺转移酶 PRA IMP
腺苷酸代
琥珀酸 AMP ADP ATP
XMP GMP GDP GTP
+
+
_ _ _
_
_
IMP
腺苷酸代
琥珀酸
XMP
AMP ADP ATP
GMP GDP GTP ATP
GTP
_
_
+ +
调节方式,反馈调节 和 交叉调节
目 录
目 录
利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷, 经过
简单的反应, 合成嘌呤核苷酸的过程, 称为
补救合成 （ 或重新利用 ） 途径 。
2、嘌呤核苷酸的补救合成途径
?定义
目 录
腺嘌呤磷酸核糖转移酶
(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)
次黄嘌呤 -鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (hypoxanthine-
guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT)
腺苷激酶 (adenosine kinase)
?参与补救合成的酶
目 录
腺嘌呤 + PRPP AMP + PPi APRT
次黄嘌呤 + PRPP IMP + PPi HGPRT
鸟嘌呤 + PRPP HGPRT GMP + PPi
?合成过程
腺嘌呤核苷 腺苷激酶
ATP ADP
AMP
目 录
?补救合成的生理意义
? 补救合成节省从头合成时的能量和一些氨
基酸的消耗。
? 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进
行补救合成。
目 录
3、嘌呤核苷酸的相互转变
IMP
AMP
腺苷酸代
琥珀酸 XMP
GMP
NH3
目 录
4,脱氧核糖核苷酸的生成
在核苷二磷酸水平上进行
（ N代表 A,G,U,C等碱基）
目 录
dNDP + ATP
激酶
dNTP + ADP
二磷酸脱氧核苷
NDP dNDP
二磷酸核糖核苷
NADP+ NADPH + H+
核糖核苷酸还原酶,Mg2+
还原型硫氧化
还原蛋白 -(SH)2
氧化型硫氧
化还原蛋白 S S
硫氧化还原蛋白还原酶
（ FAD）
脱氧核苷酸的生成
目 录
5,嘌呤核苷酸的抗代谢物
? 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、
氨基酸或叶酸等的类似物。
嘌呤类似物 氨基酸类似物 叶酸类似物
6-巯基嘌呤
6-巯基鸟嘌呤
8-氮杂鸟嘌呤等
氮杂丝氨酸 等 氨蝶呤
氨甲蝶呤 等
目 录
?能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代
谢药物, 通常是属于嘌呤, 氨基酸或
叶酸的类似物, 主要通过对代谢酶的
竞争性抑制作用, 来干扰或抑制嘌呤
核苷酸的合成, 因而具有抗肿瘤治疗
作用 。
?在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似
物主要是 6-巯基嘌呤 （ 6-MP） 。 6-MP
的化学结构与次黄嘌呤类似, 因而可
以抑制 IMP转变为 AMP或 GMP,从而干扰
嘌呤核苷酸的合成
目 录
次黄嘌呤
(H)
6-巯基嘌呤
(6-MP)
? 6-巯基嘌呤 的结构
甲酰甘氨酰
胺核苷酸
（ FGAR）
PRPP
谷氨酰胺
（ Gln）
= PRA 甘氨酰胺 核苷酸
（ GAR）
= = 甲酰甘氨 脒核苷酸
（ FGAM）
5-氨基异咪唑 -
4-甲酰胺核苷酸
（ AICAR）
=
5-甲酰胺基咪唑 -
4-甲酰胺核苷酸
（ FAICAR） IMP 次黄嘌呤 （ H）
PRPP PPi =
AMP
PRPP
PPi =
腺嘌呤（ A）
GMP =
PRPP PPi
鸟嘌呤 (G)
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
MTX
MTX
目 录
目 录
目 录
（二）嘌呤核苷酸的分解代谢
核苷酸 核苷
核苷酸酶
Pi
核苷磷酸化酶
碱基 1-磷酸核糖
目 录
嘌呤碱的最终
代谢产物
AMP
GMP
H
（次黄嘌呤）
G
X
（黄嘌呤）
黄嘌呤氧化酶
黄嘌呤
氧化酶
目 录
目 录
不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同, 因此, 终产物
也不同 。
排尿酸动物：灵长类, 鸟类, 昆虫, 排尿酸爬虫类
排尿囊素动物：哺乳动物 （ 灵长类除外 ）, 腹足类
排尿囊酸动物：硬骨鱼类
排尿素动物：大多数鱼类, 两栖类
某些低等动物能将尿素进一步分解成 NH3和 CO2排出 。
植物分解嘌呤的途径与动物相似, 产生各种中间产物
（ 尿囊素, 尿囊酸, 尿素, NH3） 。
微生物分解嘌呤类物质，生成 NH3,CO2及有机酸（甲
酸、乙酸、乳酸、等）。
目 录
目 录
?痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解
代谢异常, 可致血中尿酸水平升高, 以
尿酸钠晶体沉积于软骨, 关节, 软组织
及肾脏, 临床上表现为皮下结节, 关节
疼痛等 。
痛风症的治疗机制
目 录
鸟嘌呤
次黄嘌呤
黄嘌呤 尿酸
黄嘌呤氧化酶
别嘌呤醇
目 录
?嘧啶核苷酸的结构
三、嘧啶核苷酸的代谢
Metabolism of Pyrimidine Nucleotides
目 录
? 从头合成途径
? 补救合成途径
（一）嘧啶核苷酸的合成代谢
目 录
1、嘧啶核苷酸的从头合成
主要是肝细胞胞液
嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核
糖, 氨基酸, 一碳单位及二氧化碳等简单物
质为原料, 经过一系列酶促反应, 合成嘧啶
核苷酸的途径 。
?定义
?合成部位
目 录
?嘧啶合成的元素来源
氨基甲
酰磷酸
天冬氨酸
目 录
合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、
CO2、磷酸核糖。
合成特点：用原料先合成嘧啶环，
然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核
苷酸。
目 录
?合成过程
1） 尿嘧啶核苷酸的合成
谷氨酰胺 + HCO3-
氨基甲酰磷
酸合成酶 II
2ATP
2ADP+Pi
谷氨酸 + 氨基甲酰磷酸
目 录
CPS - I CPS - II
肝细胞线粒体中
氨
N - 乙酰谷氨酸
胞液（所有细胞）
谷氨酰胺
无
分布
氮源
变构激活剂
功能 尿素合成 嘧啶 合成
肝细胞线粒体中
氨
乙酰谷氨酸
胞液（所有细胞）
谷氨酰胺
无
分布
氮源
变构激活剂
功能 尿素合成 嘧啶 合成
氨基甲酰磷酸合成酶 I, II 的区别
目 录
目 录
2） 胞嘧啶核苷酸的合成
ATP ADP
尿苷酸激酶 UDP 二磷酸核苷激酶
ATP ADP
UTP CTP合成酶
谷氨酰胺
ATP
谷氨酸
ADP+Pi
目 录
3） dTMP或 TMP的生成
TMP合酶
N5,N10-甲烯 FH4 FH2
FH2还原酶
FH4
NADP+ NADPH+H+
dUMP 脱氧胸苷一磷酸
dTMP
UDP 脱氧核苷酸还原酶 dUDP
CTP CDP dCDP dCMP
目 录
?从头合成的调节
-
-
-
ATP + CO2+ 谷氨酰胺
氨基甲酰磷酸
UMP
氨基甲酸天冬氨酸
UTP CTP
天冬氨酸
嘌呤核苷酸
ATP + 5-磷酸核糖
嘧啶核苷酸
PRPP
-
目 录
2,嘧啶核苷酸的补救合成
嘧啶 + PRPP 磷酸嘧啶核苷 + PPi 嘧啶磷酸核糖转移酶
尿嘧啶核苷 + ATP 尿苷激酶 UMP +ADP
胸腺嘧啶核苷 + ATP 胸苷激酶 TMP +ADP
目 录
3、嘧啶核苷酸的抗代谢物
? 嘧啶类似物
胸腺嘧啶 (T) 5-氟尿嘧啶 (5-FU)
目 录
?某些改变了核糖结构的核苷类似物
目 录
?能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢
药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物,
通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑
制嘧啶核苷酸的合成 。
?主要的抗代谢药物是 5-氟尿嘧啶
（ 5-FU） 。 5-FU在体内可转变为 F-
dUMP,其结构与 dUMP相似, 可竞争
性 抑制胸苷酸合成酶 的活性, 从而
抑制胸苷酸的合成 。
目 录
UMP UTP CTP CDP dCDP
UDP dUDP dUMP dTMP
氮杂丝氨酸 阿糖胞苷
氨甲碟呤
氮杂丝氨酸
目 录
（二）嘧啶核苷酸的分解代谢
嘧啶碱
1-磷酸核糖
嘧啶核苷酸 核苷 核苷酸酶
PPi
核苷磷酸化酶
目 录
胞嘧啶
NH3
尿嘧啶
二氢尿嘧啶
H2O
CO2 + NH3
β-丙氨酸
胸腺嘧啶
β-脲基异丁酸
β-氨基异丁酸
H2O
丙二酸单酰 CoA
乙酰 CoA
TCA
肝
尿素
甲基丙二酸单酰 CoA
琥珀酰 CoA
TCA 糖异生
