第二章 核酸化学
主要内容, 介绍核酸的分类和化学组成,
重点讨论 DNA和 RNA的结构特征, 初步认识核酸
的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主
要理化性质和核酸研究的一般方法 。
思考 ?
核酸的结构与功能
第一节 核酸通论
第二节 核酸基本构件单位 —核苷酸
第三节 DNA的分子结构
第四节 RNA的分子结构
第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术
第六节 人类基因组计划简介
第一节 核酸通论
一, 核酸的 研究历史和重要性
二, 核酸的 种类和分布
三, DNA储存遗传信息的 证实
核酸的研究历史和重要性
? 1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有
机物, 当时称为核素 （ nuclein）,后称为核酸 （ nucleic acid） ；
此后几十年内, 弄清了核酸的组成及在细胞中的分布 。
? 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验； 1952年 Hershey等
的实验表明 32P-DNA可进入噬菌体内, 证明 DNA是遗传物质 。
? 1953 Watson和 Crick建立了 DNA结构的双螺旋模型, 说明了
基因的结构, 信息和功能三者间的关系, 推动了分子生物学的
迅猛发展 。
? 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则,
? 60年代 RNA研究取得大发展 （ 操纵子学说, 遗传密码, 逆转
录酶 ） 。
核酸的研究历史和重要性（续）
历史
? 70年代 建立 DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导
致生物技术的兴起。
? 80年代 RNA研究出现第二次高潮,ribozyme,反义 RNA、
―RNA世界”假说等等。
? 90年代以后 实施人类基因组计划（ HGP）,开辟了生命科学
新纪元。生命科学进入后基因时代,
功能基因组学（ functional genomics）
蛋白质组学（ proteomics）
结构基因组学（ structural genomics）
RNA组学（ Rnomics） 或核糖核酸组学（ ribonomics）
核酸分类和分布
?脱氧核糖核酸 （ deoxyribonucleic acid,DNA）,遗传信息的
贮存和携带者, 生物的主要遗传物质 。 在真核细胞中, DNA主
要集中在细胞核内, 线粒体和叶绿体中均有各自的 DNA。 原核
细胞没有明显的细胞核结构, DNA存在于称为类核的结构区 。
每个原核细胞只有一个染色体, 每个染色体含一个双链环状
DNA。
?核糖核酸 （ ribonucleic acid,RNA）, 主要参与遗传信息的
传递和表达过程, 细胞内的 RNA主要存在于细胞质中, 少量存
在于细胞核中, 病毒中 RNA本身就是遗传信息的储存者 。 另外
在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为
类病毒, 它是不含蛋白质的游离的 RNA分子, 还发现有些
RNA具生物催化作用 （ ribozyme） 。
肺炎球菌转化实验图解
III S型细胞
（有毒）
II R型细胞
（无毒） 破碎细胞
DNAase降
解后的 DNA
II R型细胞接受
III S型 DNA
只有 II R型 大多数仍为 II R型 少数 II R型细胞被转化
产生 III S型荚膜
S（ 光滑）
S R R
R（ 粗糙）
+
DNA
第二节 核酸的基本结构单位 —核苷酸
一、核苷酸的化学组成与命名
1,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系
2,常见碱基的结构与命名法
3,常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名
4,稀有核苷酸
5,细胞内游离核苷酸及其衍生物
二、核苷酸的 生物学功能
5′-磷酸核苷酸的基本结构
O
O
（ N = A,G,C,U,T）
H
H
(O)H
1′
2′
N
OH
CH2
H
H
5′
4′
3′
P O-
O
O
O-
核糖
磷酸
碱基
碱基、核苷、核苷酸的概念和关系
Nitrogenous
base
Pentose sugar
HOCH2
H
OH
Doxyribose (in DNA)
HOCH2
HO
OH
Ribose (in RNA)
Phosphate
Pyrimidines
Cytosine Thymine Uracil
C U T
Purihes
Adenine Guanine
A G
核酸
磷酸 核苷
戊糖 碱基
基本碱基结构和命名
嘌呤 嘧啶
Adenine
(A)
Guanine
(G)
Cytosine
(C)
Uracil
(U)
Thymine
(T)
核苷酸的结构和命名
腺嘌呤核苷酸（ AMP）
Adenosine monophosphate
脱氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP）
Deoxyadenosine monophosphate
鸟嘌呤核苷酸（ GMP）
胞嘧啶核苷酸（ CMP）
尿嘧啶核苷酸（ UMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸（ dGMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸（ dCMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸（ dTMP）
H OH
P
P P
P
P
P
P
P
常见（脱氧）核苷酸的结构和命名
鸟嘌呤核苷酸
（ GMP）
尿嘧啶核苷酸
（ UMP）
胞嘧啶核苷酸
（ CMP） 腺嘌呤核苷酸 （ AMP）
脱氧腺嘌呤核苷酸
（ dAMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸
（ dGMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸
（ dCMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸
（ dTMP）
几种稀有核苷
假尿苷（ ?） 二氢尿嘧啶（ DHU） Am
CH3
CH3 H3C
m26G
H
H 5
H
H
几种稀有核苷酸
假尿苷（ ?） 二氢尿嘧啶（ DHU） Am
CH3
CH3 H3C
m26G
H
H 5
H
H
细胞内游离核苷酸及其衍生物
? 多磷酸核苷酸
? 环核苷酸
? 辅酶类核苷酸 。
5′-NMP
5′-NDP
5′-NTP
N=A,G,C,U
5′-dNMP
5′-dNDP
5′-dNTP
N=A,G,C,T
腺苷酸及其多磷酸化合物
AMP Adenosine
monophosphate
ADP
Adenosine diphosphate
ATP
Adenosine triphosphate
O
P O
OH
O
A (G) O
O OH
CH2
H H
H H
cAMP(cGMP)的结构
Cyclic adenylie (Guanine)acid
二,核苷酸的生物学功能
?作为核酸的单体
?细胞中的携能物质 （ 如 ATP,GTP、
CTP,GTP）
?酶的辅助因子的结构成分 （ 如 NAD）
?细胞通讯的媒介 （ 如 cAMP,cGMP）
第二节 DNA的分子结构
一、核酸分子中的 共价键
二,DNA 一级结构
三,DNA碱基组成的 Chargaff规则
四,DNA的 二级结构
五,DNA的 三级结构
六,DNA与 蛋白质复合物的结构
5?
5?
3?
3?
核酸分子中核苷酸之间
的共价键
3 ? -5 ?磷酸二酯键
二,DNA 的一级结构
? DNA分子中各脱氧核苷酸
之间的连接方式 （ 3′-5′磷酸二
酯键 ） 和排列顺序叫做 DNA的
一级结构, 简称为碱基序列 。 一
级结构的走向的规定为 5′→ 3′。
不同的 DNA分子具有不同的核
苷酸排列顺序, 因此携带有不同
的遗传信息 。
? 一级结构的表示法
结构式, 线条式, 字母式
5
′
3′
DNA一级结构的表示法
5
′
3′
结构式
5′
3′
p p p p OH 3′
A C T G
1′
线条式
5′ ACTGCATAGCTCGA 3′
字母式
三,DNA碱基组成的 Chargaff规则
Chargaff首先注意到 DNA碱基组成的某些规律性，在
１９５０年总结出 DNA碱基组成的规律,
?腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。
?鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即 G=C。
? 含 氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即
A+C=G+T。
?嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T。
DNA,RNA的一级结构
DNA一级结构
5′
3′ OH
OH
OH
5′
3′
RNA一级结构
四,DNA的二级结构
（ 1） DNA的 双螺旋结构 (Watson-Crick模型 )
（ 2） DNA双螺旋结构 特征 及 意义
（ 3） DNA双螺旋的 多态性
（ 4） DNA的 三股螺旋 （ tripkex）
DNA的双螺旋结构的形成
5
′
3′
5′ 3′
5′
3′ 5′
3′
磷酸
核糖
碱基
T-A碱基对
C-G碱基对
DNA的双螺旋模型特点
a,两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假
设的中心轴右旋相互盘绕而形成 。
b,磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组
成位于外侧, 作为可变成分的碱基位于内侧
,链间碱基按 A—T,G—C配对 （ 碱基配对
原则, Chargaff定律 ）
c,螺旋直径 2nm,相邻碱基平面垂直距离
0.34nm,螺旋结构每隔 10个碱基对 （ base pair,
bp） 重复一次, 间隔为 3.4nm
? 氢键
?碱基堆集力
?磷酸基上负电荷被胞内
组蛋白或正离子中和
?碱基处于疏水环境中
DNA的双螺旋结构 稳定因素
DNA的双螺旋结构 的意义
该模型揭示了 DNA作为遗传物质的稳定性
特征, 最有价值的是确认了 碱基配对 原则, 这
是是 DNA复制, 转录和反转录的分子基础, 亦
是遗传信息传递和表达的分子基础 。 该模型的
提出是本世纪生命科学的重大突破之一, 它奠
定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学
飞速发展的基石 。
DNA双螺旋的不同构象
三种 DNA双螺旋构象比较
A-DNA Z-DNA B-DNA
A B Z
外型 粗短 适中 细长
螺旋方向 右手 右手 左手
螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm
碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm
碱基夹角 32.70 34.60 60.00
每圈碱基数 11 10.4 12
轴心与碱
基对关系
2.46nm 3.32nm 4.56nm
碱基倾角 190 10 90
糖苷键构象 反式 反式 C,T反式,G顺式
大沟 很窄很深 很宽较深 平坦
小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深
DNA分子内
的三链结构
多聚嘌呤
多聚嘧啶
DNA分子间
的三链结构
DNA三链间
的碱基配对
T-A-T
C-G-C
五,DNA的三级结构
1,超螺旋 DNA（ supercoiled DNA）
2,拓朴异构酶 （ topoisomerase）
(1) 超螺旋 DNA的形成
(2) 超螺旋状态的定量描述
(３ ) DNA超螺旋结构形成的重要意义
(1) 两类拓朴异构酶
(2) 拓朴异构酶作用机理
DNA的三
级结构指双螺
旋 DNA分子通
过扭曲和折叠
所形成的特定
构象，包括不
同二级结构单
元间的相互作
用、单链和二
级结构单元间
的相互作用以
及 DNA的拓扑
特征。
螺
旋
和
超
螺
旋
电
话
线
螺旋
超螺旋
L=25,T=25,
W=0
松弛环形
1
15
20
10
5
23
L=23,T=23,
W=0
解链环形
1
5
10
15
20
23
1 5 10 15 20 25
L=23,T=25,W=–2
负超螺旋
1
21 4
8 23 16
13
1 5 10 15 20 23
右手旋转拧松两匝后的线形 DNA
DNA超螺旋的形成
超螺旋的拓
扑学公式,
L=T+W
或
?=?+?
超螺旋状态的定量描述
公式 1,L=T+W
L——连环数（ linking number）,DNA双螺旋中一
条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。
T——DNA分子中的螺旋数（ twisting number）
W——超螺旋数或缠绕数（ writhing number）
公式 2,λ =（ L-L0） /L0
λ ——超螺旋度
（ degree of supercoiling）
L0——松驰态 DNA连环数
L=25,T=25,
W=0
松弛环形
1
15
20
10
5
23
L=23,T=25,W=–2
负超螺旋
1
21 4
8 23 16
13
DNA超螺旋结构形成的意义
? 使 DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；
?推动 DNA结构的转化以满足功能上的需要 。 如负
超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部
变性, 利于复制和转录 。
原核生物两类拓扑异构酶
除连环数（ L） 不同外其他性质均相同的 DNA分子称为拓扑异构体（ topoisomerase）。 DNA拓扑异构酶通过改变 DNA的 L值而
影响其拓扑结构。
拓扑异构酶 I通过使 DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超
螺旋 DNA转变成松弛型环状 DNA,每催化一次可消除一个负超螺
旋，即使 L增加１,反应无需供给能量。
拓扑异构酶 II则刚好相反，可使松弛型环状 DNA转变成负超螺
旋 DNA,每催化一次,L 减少２,可引入负超螺旋。 拓扑异构酶
II亦称促旋酶，它可以使 DNA的两条链同时断裂和再连接，当它
引入超螺旋时需要 ATP提供能量。
细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内 DNA
保持在一定的超螺旋水平。
原核拓扑异构酶 I的作用机制
连接数 = n 连接数 = n+1
穿越断口和
使两端连接
切割
a b c d
DNA
双链重新连接
DNA
双链穿过
DNA
的释放
重复 起始
DNA
双链断裂
拓扑异构酶 II的作用机制
拓扑异构酶
六,DNA与蛋白质复合物的结构
生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以
核蛋白（ nucleoprotein） 的形式存在。 DNA分子十分
巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。
１,病毒
２,细菌拟核
３,真核染色体
噬菌体 T2结构
头部
颈圈
尾部
基板
尾丝
尖钉
动物病毒切面模式图
被膜（脂蛋白、
碳水化合物）
衣壳（蛋白质）
核酸
突起（糖蛋白） 病毒粒
细菌拟核（ nucleoid ） 的突环结构
RNA-蛋白质核心
突环由双链 DNA结
合碱性蛋白质组成
平均一个突环含
有约 40kpDNA
组蛋白与 DNA的结合
组蛋白与 DNA 的结合
核小体
DNA的念珠状结构
核小体盘绕及染色质示意图
真核生物染色体 DNA
组装不同层次的结构
DNA
（ 2nm）
核小体链（ 11nm,每个核小体 200bp）
纤丝（ 30nm,每圈 6个核小体）
突环（ 150nm,每个突环大约 75000bp）
玫瑰花结（ 300nm, 6个突环）
螺旋圈（ 700nm,每圈 30个玫瑰花）
染色体（ 1400nm,
每个染色体含 10个玫瑰花 200bp）
第四节 RNA的分子结构
一,RNA一级结构 和 类别
二,tRNA 的分子结构
三,rRNA的分子结构
四, mRNA的分子结构
RNA的类别
?信使 RNA（ messenger RNA,mRNA）,在蛋白
质合成中起模板作用；
?核糖体 RNA（ ribosoal RNA,rRNA）,与蛋白
质结合构成核糖体（ ribosome）,核糖体是蛋白质合成
的场所；
?转移 RNA（ transfor RNA,tRNA）,在蛋白质
合成时起着携带活化氨基酸的作用。
RNA的一级结构
RNA分子中各核苷之间
的连接方式 （ 3′-5′磷酸二
酯键 ） 和 排列 顺 序叫 做
RNA的一级结构
OH
OH
OH
5′
3′
RNA与 DNA的差异
DNA RNA
糖 脱氧核糖 核糖
碱基 AGCT AGCU
不含稀有碱基 含稀有碱基
tRNA 的结构
二级结构 特征,
单链
三叶草叶形
四臂四环
三级结构 特征,
在二级结构基础上
进一步折叠扭曲形成倒
L型
酵母 tRNA Ala
的二级结构
DHU环
I G C
反密码子
反密码环
氨基酸臂
可变环
TψC环
C
C
A Ala 3′
5′
tRNA的三级结构
rRNA的分子结构
特征, ?单链, 螺旋化程度较 tRNA低
?与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
5sRNA的二级结构
mRNA的分子结构
原核生物 mRNA特征,
先导区 +翻译区 （ 多顺反子 ） +末端序列
真核生物 mRNA特征,
, 帽子, （ m7G-5′ppp5′-N-3′p） +单顺
反子 +,尾巴, （ Poly A）
原核细胞 mRNA的结构特点
5′ 3′
顺反子 顺反子 顺反子
插入顺序 插入顺序
先导区 末端顺序
真核细胞 mRNA的结构特点
AAAAAAA-OH
5′, 帽子
”
PolyA 3′
顺反子
m7G-5′ppp-N-3 ′ p
第五节 核酸的某些理化性质及
核酸研究常用技术
一, 核酸的 两性解离性质
二, 核酸的 紫外吸收 （ λmax=260nm）
三, 核酸的 变性, 复性和分子杂交
四, 核酸的 熔解温度 （ Tm）
五, 核酸的 沉降性质
核
苷
酸
的
解
离
曲
线
pK1? = 0.9
第一磷酸基
pK3? = 6.2
第二磷酸基
pK2? = 3.7
含氮环
腺嘌呤核苷酸
pK1? = 0.7
第一磷酸基
pK3? = 6.1
第二磷酸基
pK2? = 3.7
含氮环
烯醇式羟基
鸟嘌呤核苷酸
pK1? = 0.8
第一磷酸基
pK3? = 6.3
第二磷酸基
pK2? = 4.3
含氮环
胞嘧啶核苷酸
pK1? = 1.0
第一磷酸基
pK3? = 6.4
第二磷酸基
烯醇式羟基
尿嘧啶核苷酸
pH
离
子
化
程
度
小牛胸线 DNA
的滴定曲线
pH
DNA的紫外吸收光谱
天然 DNA
变性 DNA
核苷酸总吸收值
1
2
3
220 240 260 280
0.1
0.2
0.3
0.4
波长（ nm）
光
吸
收
1
2
3
DNA的变性过程
加热
部分双螺旋解开 无规则线团 链内碱基配对
核酸 的变性、复性和杂交
变性 （加热）
探针
杂交 （缓慢冷却）
复性 （缓慢冷却）
变性, 在物
理, 化学因素影
响下, DNA碱
基对间的氢键断
裂, 双螺旋解开
,这是一个是跃
变过程, 伴有
A260增加 （ 增色
效应 ）,DNA的
功能丧失 。
复性,在一
定条件下, 变性
DNA 单链间碱
基重新配对恢复
双螺旋结构, 伴
有 A260减小 （ 减
色效应 ）,DNA
的功能恢复 。
Southern
印迹法 DNA分子
限制片段 限制性酶切割
琼脂糖电泳
转移至硝酸纤维素膜上
与放射性标记
DNA探针杂交
放射自显影
带有 DNA片
段的凝胶
凝胶
滤膜
用缓冲液
转移 DNA
吸附有 DNA
片段的膜
分子杂交的原理示意图 不 同 来 源 的
DNA单链间或单
链 DNA与 RNA之
间只要有碱基配
对的区域, 在复
性时可形成局部
双螺旋区, 称核
酸 分 子 杂 交 （
hybridization）
制备特定的探针
（ probe） 通过杂
交技术可进行基
因的检测和定位
研究 。 实 例,
southern印迹法
Tm,熔解温度（ melting temperature）
Poly d(A-T) DNA Poly d(G-C)
DNA的变性发生在
一个很窄的温度范围
内, 通常把热变性过
程中 A260达到最大值一
半 时 的 温 度 称 为 该
DNA的熔解温度, 用
Tm表示 。
Tm的 大小与 DNA
分子中 （ G+C） 的百
分含量成正相关, 测
定 Tm值可推算核酸碱
基组成及判断 DNA纯
度 。 某些 DNA的 Tm值
60 80 100
1,0
1,4
1,2
100%
A260
t \ 0C
Tm Tm Tm
1
2 3
1 2 3
人类基因组计划概况
（ Human Genome Project,HGP）
该计划是美国科学家在 1985年率先提出,1990年正
式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，
1999年我国成为 HGP的第六个成员国。
HGP旨在阐明人类基因组 DNA所具有的 3× 109核苷酸
的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位
置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子
水平上全面地认识自我。
到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的
工作已基本完成。 HGP的实施，揭开了生命科学新的一
页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。
HGP取得的成就
? 完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因
组若干细节
? 基本上测定了人类基因组上的碱基序列
? 一些模式生物 (果蝇、拟南介等 )和作物（如水稻）
基因草图绘制成功，测序基本完成
? 促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛
发展
? 人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没
HGP面临的挑战
? 基因的隐私权问题
? 基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题
? 基因资源问题
? 基因知识的滥用问题
人类将进入生物经济时代
基因 ——操纵生命的工具
基因组 ——潜藏着巨大的经济价值
基因技术 ——21世纪的投资热点
谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类
的生命密码，获得了操纵生命的工具。
与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带
来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根
本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机
会将会大大超过网络。
离
心
机
结
构
示
意
图
转头
转头腔
沉降样品
驱动马达
真空 冷冻
沉降系数
（ sedimentation coefficient）
生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系
数 。 即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下, 从静止状态
到达极限速度所需要的时间 。 数学定义式为,
沉降系数单位,由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于 1× 10-13
到 200× 10-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用
Svedberg单位，用即 S表示。
沉降系数（ s） 与相对分子量（ Mr） 的关系,
Mr = RTs D(1-??) Svedberg方程,
d? /dt
?2 ? s =
问答题
1,某 DNA样品含腺嘌呤 15.1%（ 按摩尔碱基计 ）, 计算其余碱基的百分
含量 。
2,DNA双螺旋结构是什么时候, 由谁提出来的？ 试述其结构模型 。
3,DNA双螺旋结构有些什么基本特点？ 这些特点能解释哪些最重要的生
命现象？
4,tRNA的结构有何特点？ 有何功能？
5,DNA和 RNA的结构有何异同？
6,简述核酸研究的进展, 在生命科学中有何重大意义？
6,计算 （ 1） 分子量为 3?105的双股 DNA分子的长度； （ 2） 这种 DNA一
分子占有的体积； （ 3） 这种 DNA一分子占有的螺旋圈数 。 （ 一个互补的
脱氧核苷酸残基对的平均分子量为 618）
名词解释
变性和复姓 分子杂交 增色效应和减色效应 回文结构 Tm
cAMP Chargaff定律
主要内容, 介绍核酸的分类和化学组成,
重点讨论 DNA和 RNA的结构特征, 初步认识核酸
的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主
要理化性质和核酸研究的一般方法 。
思考 ?
核酸的结构与功能
第一节 核酸通论
第二节 核酸基本构件单位 —核苷酸
第三节 DNA的分子结构
第四节 RNA的分子结构
第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术
第六节 人类基因组计划简介
第一节 核酸通论
一, 核酸的 研究历史和重要性
二, 核酸的 种类和分布
三, DNA储存遗传信息的 证实
核酸的研究历史和重要性
? 1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有
机物, 当时称为核素 （ nuclein）,后称为核酸 （ nucleic acid） ；
此后几十年内, 弄清了核酸的组成及在细胞中的分布 。
? 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验； 1952年 Hershey等
的实验表明 32P-DNA可进入噬菌体内, 证明 DNA是遗传物质 。
? 1953 Watson和 Crick建立了 DNA结构的双螺旋模型, 说明了
基因的结构, 信息和功能三者间的关系, 推动了分子生物学的
迅猛发展 。
? 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则,
? 60年代 RNA研究取得大发展 （ 操纵子学说, 遗传密码, 逆转
录酶 ） 。
核酸的研究历史和重要性（续）
历史
? 70年代 建立 DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导
致生物技术的兴起。
? 80年代 RNA研究出现第二次高潮,ribozyme,反义 RNA、
―RNA世界”假说等等。
? 90年代以后 实施人类基因组计划（ HGP）,开辟了生命科学
新纪元。生命科学进入后基因时代,
功能基因组学（ functional genomics）
蛋白质组学（ proteomics）
结构基因组学（ structural genomics）
RNA组学（ Rnomics） 或核糖核酸组学（ ribonomics）
核酸分类和分布
?脱氧核糖核酸 （ deoxyribonucleic acid,DNA）,遗传信息的
贮存和携带者, 生物的主要遗传物质 。 在真核细胞中, DNA主
要集中在细胞核内, 线粒体和叶绿体中均有各自的 DNA。 原核
细胞没有明显的细胞核结构, DNA存在于称为类核的结构区 。
每个原核细胞只有一个染色体, 每个染色体含一个双链环状
DNA。
?核糖核酸 （ ribonucleic acid,RNA）, 主要参与遗传信息的
传递和表达过程, 细胞内的 RNA主要存在于细胞质中, 少量存
在于细胞核中, 病毒中 RNA本身就是遗传信息的储存者 。 另外
在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为
类病毒, 它是不含蛋白质的游离的 RNA分子, 还发现有些
RNA具生物催化作用 （ ribozyme） 。
肺炎球菌转化实验图解
III S型细胞
（有毒）
II R型细胞
（无毒） 破碎细胞
DNAase降
解后的 DNA
II R型细胞接受
III S型 DNA
只有 II R型 大多数仍为 II R型 少数 II R型细胞被转化
产生 III S型荚膜
S（ 光滑）
S R R
R（ 粗糙）
+
DNA
第二节 核酸的基本结构单位 —核苷酸
一、核苷酸的化学组成与命名
1,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系
2,常见碱基的结构与命名法
3,常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名
4,稀有核苷酸
5,细胞内游离核苷酸及其衍生物
二、核苷酸的 生物学功能
5′-磷酸核苷酸的基本结构
O
O
（ N = A,G,C,U,T）
H
H
(O)H
1′
2′
N
OH
CH2
H
H
5′
4′
3′
P O-
O
O
O-
核糖
磷酸
碱基
碱基、核苷、核苷酸的概念和关系
Nitrogenous
base
Pentose sugar
HOCH2
H
OH
Doxyribose (in DNA)
HOCH2
HO
OH
Ribose (in RNA)
Phosphate
Pyrimidines
Cytosine Thymine Uracil
C U T
Purihes
Adenine Guanine
A G
核酸
磷酸 核苷
戊糖 碱基
基本碱基结构和命名
嘌呤 嘧啶
Adenine
(A)
Guanine
(G)
Cytosine
(C)
Uracil
(U)
Thymine
(T)
核苷酸的结构和命名
腺嘌呤核苷酸（ AMP）
Adenosine monophosphate
脱氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP）
Deoxyadenosine monophosphate
鸟嘌呤核苷酸（ GMP）
胞嘧啶核苷酸（ CMP）
尿嘧啶核苷酸（ UMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸（ dGMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸（ dCMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸（ dTMP）
H OH
P
P P
P
P
P
P
P
常见（脱氧）核苷酸的结构和命名
鸟嘌呤核苷酸
（ GMP）
尿嘧啶核苷酸
（ UMP）
胞嘧啶核苷酸
（ CMP） 腺嘌呤核苷酸 （ AMP）
脱氧腺嘌呤核苷酸
（ dAMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸
（ dGMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸
（ dCMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸
（ dTMP）
几种稀有核苷
假尿苷（ ?） 二氢尿嘧啶（ DHU） Am
CH3
CH3 H3C
m26G
H
H 5
H
H
几种稀有核苷酸
假尿苷（ ?） 二氢尿嘧啶（ DHU） Am
CH3
CH3 H3C
m26G
H
H 5
H
H
细胞内游离核苷酸及其衍生物
? 多磷酸核苷酸
? 环核苷酸
? 辅酶类核苷酸 。
5′-NMP
5′-NDP
5′-NTP
N=A,G,C,U
5′-dNMP
5′-dNDP
5′-dNTP
N=A,G,C,T
腺苷酸及其多磷酸化合物
AMP Adenosine
monophosphate
ADP
Adenosine diphosphate
ATP
Adenosine triphosphate
O
P O
OH
O
A (G) O
O OH
CH2
H H
H H
cAMP(cGMP)的结构
Cyclic adenylie (Guanine)acid
二,核苷酸的生物学功能
?作为核酸的单体
?细胞中的携能物质 （ 如 ATP,GTP、
CTP,GTP）
?酶的辅助因子的结构成分 （ 如 NAD）
?细胞通讯的媒介 （ 如 cAMP,cGMP）
第二节 DNA的分子结构
一、核酸分子中的 共价键
二,DNA 一级结构
三,DNA碱基组成的 Chargaff规则
四,DNA的 二级结构
五,DNA的 三级结构
六,DNA与 蛋白质复合物的结构
5?
5?
3?
3?
核酸分子中核苷酸之间
的共价键
3 ? -5 ?磷酸二酯键
二,DNA 的一级结构
? DNA分子中各脱氧核苷酸
之间的连接方式 （ 3′-5′磷酸二
酯键 ） 和排列顺序叫做 DNA的
一级结构, 简称为碱基序列 。 一
级结构的走向的规定为 5′→ 3′。
不同的 DNA分子具有不同的核
苷酸排列顺序, 因此携带有不同
的遗传信息 。
? 一级结构的表示法
结构式, 线条式, 字母式
5
′
3′
DNA一级结构的表示法
5
′
3′
结构式
5′
3′
p p p p OH 3′
A C T G
1′
线条式
5′ ACTGCATAGCTCGA 3′
字母式
三,DNA碱基组成的 Chargaff规则
Chargaff首先注意到 DNA碱基组成的某些规律性，在
１９５０年总结出 DNA碱基组成的规律,
?腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。
?鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即 G=C。
? 含 氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即
A+C=G+T。
?嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T。
DNA,RNA的一级结构
DNA一级结构
5′
3′ OH
OH
OH
5′
3′
RNA一级结构
四,DNA的二级结构
（ 1） DNA的 双螺旋结构 (Watson-Crick模型 )
（ 2） DNA双螺旋结构 特征 及 意义
（ 3） DNA双螺旋的 多态性
（ 4） DNA的 三股螺旋 （ tripkex）
DNA的双螺旋结构的形成
5
′
3′
5′ 3′
5′
3′ 5′
3′
磷酸
核糖
碱基
T-A碱基对
C-G碱基对
DNA的双螺旋模型特点
a,两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假
设的中心轴右旋相互盘绕而形成 。
b,磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组
成位于外侧, 作为可变成分的碱基位于内侧
,链间碱基按 A—T,G—C配对 （ 碱基配对
原则, Chargaff定律 ）
c,螺旋直径 2nm,相邻碱基平面垂直距离
0.34nm,螺旋结构每隔 10个碱基对 （ base pair,
bp） 重复一次, 间隔为 3.4nm
? 氢键
?碱基堆集力
?磷酸基上负电荷被胞内
组蛋白或正离子中和
?碱基处于疏水环境中
DNA的双螺旋结构 稳定因素
DNA的双螺旋结构 的意义
该模型揭示了 DNA作为遗传物质的稳定性
特征, 最有价值的是确认了 碱基配对 原则, 这
是是 DNA复制, 转录和反转录的分子基础, 亦
是遗传信息传递和表达的分子基础 。 该模型的
提出是本世纪生命科学的重大突破之一, 它奠
定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学
飞速发展的基石 。
DNA双螺旋的不同构象
三种 DNA双螺旋构象比较
A-DNA Z-DNA B-DNA
A B Z
外型 粗短 适中 细长
螺旋方向 右手 右手 左手
螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm
碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm
碱基夹角 32.70 34.60 60.00
每圈碱基数 11 10.4 12
轴心与碱
基对关系
2.46nm 3.32nm 4.56nm
碱基倾角 190 10 90
糖苷键构象 反式 反式 C,T反式,G顺式
大沟 很窄很深 很宽较深 平坦
小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深
DNA分子内
的三链结构
多聚嘌呤
多聚嘧啶
DNA分子间
的三链结构
DNA三链间
的碱基配对
T-A-T
C-G-C
五,DNA的三级结构
1,超螺旋 DNA（ supercoiled DNA）
2,拓朴异构酶 （ topoisomerase）
(1) 超螺旋 DNA的形成
(2) 超螺旋状态的定量描述
(３ ) DNA超螺旋结构形成的重要意义
(1) 两类拓朴异构酶
(2) 拓朴异构酶作用机理
DNA的三
级结构指双螺
旋 DNA分子通
过扭曲和折叠
所形成的特定
构象，包括不
同二级结构单
元间的相互作
用、单链和二
级结构单元间
的相互作用以
及 DNA的拓扑
特征。
螺
旋
和
超
螺
旋
电
话
线
螺旋
超螺旋
L=25,T=25,
W=0
松弛环形
1
15
20
10
5
23
L=23,T=23,
W=0
解链环形
1
5
10
15
20
23
1 5 10 15 20 25
L=23,T=25,W=–2
负超螺旋
1
21 4
8 23 16
13
1 5 10 15 20 23
右手旋转拧松两匝后的线形 DNA
DNA超螺旋的形成
超螺旋的拓
扑学公式,
L=T+W
或
?=?+?
超螺旋状态的定量描述
公式 1,L=T+W
L——连环数（ linking number）,DNA双螺旋中一
条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。
T——DNA分子中的螺旋数（ twisting number）
W——超螺旋数或缠绕数（ writhing number）
公式 2,λ =（ L-L0） /L0
λ ——超螺旋度
（ degree of supercoiling）
L0——松驰态 DNA连环数
L=25,T=25,
W=0
松弛环形
1
15
20
10
5
23
L=23,T=25,W=–2
负超螺旋
1
21 4
8 23 16
13
DNA超螺旋结构形成的意义
? 使 DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；
?推动 DNA结构的转化以满足功能上的需要 。 如负
超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部
变性, 利于复制和转录 。
原核生物两类拓扑异构酶
除连环数（ L） 不同外其他性质均相同的 DNA分子称为拓扑异构体（ topoisomerase）。 DNA拓扑异构酶通过改变 DNA的 L值而
影响其拓扑结构。
拓扑异构酶 I通过使 DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超
螺旋 DNA转变成松弛型环状 DNA,每催化一次可消除一个负超螺
旋，即使 L增加１,反应无需供给能量。
拓扑异构酶 II则刚好相反，可使松弛型环状 DNA转变成负超螺
旋 DNA,每催化一次,L 减少２,可引入负超螺旋。 拓扑异构酶
II亦称促旋酶，它可以使 DNA的两条链同时断裂和再连接，当它
引入超螺旋时需要 ATP提供能量。
细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内 DNA
保持在一定的超螺旋水平。
原核拓扑异构酶 I的作用机制
连接数 = n 连接数 = n+1
穿越断口和
使两端连接
切割
a b c d
DNA
双链重新连接
DNA
双链穿过
DNA
的释放
重复 起始
DNA
双链断裂
拓扑异构酶 II的作用机制
拓扑异构酶
六,DNA与蛋白质复合物的结构
生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以
核蛋白（ nucleoprotein） 的形式存在。 DNA分子十分
巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。
１,病毒
２,细菌拟核
３,真核染色体
噬菌体 T2结构
头部
颈圈
尾部
基板
尾丝
尖钉
动物病毒切面模式图
被膜（脂蛋白、
碳水化合物）
衣壳（蛋白质）
核酸
突起（糖蛋白） 病毒粒
细菌拟核（ nucleoid ） 的突环结构
RNA-蛋白质核心
突环由双链 DNA结
合碱性蛋白质组成
平均一个突环含
有约 40kpDNA
组蛋白与 DNA的结合
组蛋白与 DNA 的结合
核小体
DNA的念珠状结构
核小体盘绕及染色质示意图
真核生物染色体 DNA
组装不同层次的结构
DNA
（ 2nm）
核小体链（ 11nm,每个核小体 200bp）
纤丝（ 30nm,每圈 6个核小体）
突环（ 150nm,每个突环大约 75000bp）
玫瑰花结（ 300nm, 6个突环）
螺旋圈（ 700nm,每圈 30个玫瑰花）
染色体（ 1400nm,
每个染色体含 10个玫瑰花 200bp）
第四节 RNA的分子结构
一,RNA一级结构 和 类别
二,tRNA 的分子结构
三,rRNA的分子结构
四, mRNA的分子结构
RNA的类别
?信使 RNA（ messenger RNA,mRNA）,在蛋白
质合成中起模板作用；
?核糖体 RNA（ ribosoal RNA,rRNA）,与蛋白
质结合构成核糖体（ ribosome）,核糖体是蛋白质合成
的场所；
?转移 RNA（ transfor RNA,tRNA）,在蛋白质
合成时起着携带活化氨基酸的作用。
RNA的一级结构
RNA分子中各核苷之间
的连接方式 （ 3′-5′磷酸二
酯键 ） 和 排列 顺 序叫 做
RNA的一级结构
OH
OH
OH
5′
3′
RNA与 DNA的差异
DNA RNA
糖 脱氧核糖 核糖
碱基 AGCT AGCU
不含稀有碱基 含稀有碱基
tRNA 的结构
二级结构 特征,
单链
三叶草叶形
四臂四环
三级结构 特征,
在二级结构基础上
进一步折叠扭曲形成倒
L型
酵母 tRNA Ala
的二级结构
DHU环
I G C
反密码子
反密码环
氨基酸臂
可变环
TψC环
C
C
A Ala 3′
5′
tRNA的三级结构
rRNA的分子结构
特征, ?单链, 螺旋化程度较 tRNA低
?与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
5sRNA的二级结构
mRNA的分子结构
原核生物 mRNA特征,
先导区 +翻译区 （ 多顺反子 ） +末端序列
真核生物 mRNA特征,
, 帽子, （ m7G-5′ppp5′-N-3′p） +单顺
反子 +,尾巴, （ Poly A）
原核细胞 mRNA的结构特点
5′ 3′
顺反子 顺反子 顺反子
插入顺序 插入顺序
先导区 末端顺序
真核细胞 mRNA的结构特点
AAAAAAA-OH
5′, 帽子
”
PolyA 3′
顺反子
m7G-5′ppp-N-3 ′ p
第五节 核酸的某些理化性质及
核酸研究常用技术
一, 核酸的 两性解离性质
二, 核酸的 紫外吸收 （ λmax=260nm）
三, 核酸的 变性, 复性和分子杂交
四, 核酸的 熔解温度 （ Tm）
五, 核酸的 沉降性质
核
苷
酸
的
解
离
曲
线
pK1? = 0.9
第一磷酸基
pK3? = 6.2
第二磷酸基
pK2? = 3.7
含氮环
腺嘌呤核苷酸
pK1? = 0.7
第一磷酸基
pK3? = 6.1
第二磷酸基
pK2? = 3.7
含氮环
烯醇式羟基
鸟嘌呤核苷酸
pK1? = 0.8
第一磷酸基
pK3? = 6.3
第二磷酸基
pK2? = 4.3
含氮环
胞嘧啶核苷酸
pK1? = 1.0
第一磷酸基
pK3? = 6.4
第二磷酸基
烯醇式羟基
尿嘧啶核苷酸
pH
离
子
化
程
度
小牛胸线 DNA
的滴定曲线
pH
DNA的紫外吸收光谱
天然 DNA
变性 DNA
核苷酸总吸收值
1
2
3
220 240 260 280
0.1
0.2
0.3
0.4
波长（ nm）
光
吸
收
1
2
3
DNA的变性过程
加热
部分双螺旋解开 无规则线团 链内碱基配对
核酸 的变性、复性和杂交
变性 （加热）
探针
杂交 （缓慢冷却）
复性 （缓慢冷却）
变性, 在物
理, 化学因素影
响下, DNA碱
基对间的氢键断
裂, 双螺旋解开
,这是一个是跃
变过程, 伴有
A260增加 （ 增色
效应 ）,DNA的
功能丧失 。
复性,在一
定条件下, 变性
DNA 单链间碱
基重新配对恢复
双螺旋结构, 伴
有 A260减小 （ 减
色效应 ）,DNA
的功能恢复 。
Southern
印迹法 DNA分子
限制片段 限制性酶切割
琼脂糖电泳
转移至硝酸纤维素膜上
与放射性标记
DNA探针杂交
放射自显影
带有 DNA片
段的凝胶
凝胶
滤膜
用缓冲液
转移 DNA
吸附有 DNA
片段的膜
分子杂交的原理示意图 不 同 来 源 的
DNA单链间或单
链 DNA与 RNA之
间只要有碱基配
对的区域, 在复
性时可形成局部
双螺旋区, 称核
酸 分 子 杂 交 （
hybridization）
制备特定的探针
（ probe） 通过杂
交技术可进行基
因的检测和定位
研究 。 实 例,
southern印迹法
Tm,熔解温度（ melting temperature）
Poly d(A-T) DNA Poly d(G-C)
DNA的变性发生在
一个很窄的温度范围
内, 通常把热变性过
程中 A260达到最大值一
半 时 的 温 度 称 为 该
DNA的熔解温度, 用
Tm表示 。
Tm的 大小与 DNA
分子中 （ G+C） 的百
分含量成正相关, 测
定 Tm值可推算核酸碱
基组成及判断 DNA纯
度 。 某些 DNA的 Tm值
60 80 100
1,0
1,4
1,2
100%
A260
t \ 0C
Tm Tm Tm
1
2 3
1 2 3
人类基因组计划概况
（ Human Genome Project,HGP）
该计划是美国科学家在 1985年率先提出,1990年正
式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，
1999年我国成为 HGP的第六个成员国。
HGP旨在阐明人类基因组 DNA所具有的 3× 109核苷酸
的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位
置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子
水平上全面地认识自我。
到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的
工作已基本完成。 HGP的实施，揭开了生命科学新的一
页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。
HGP取得的成就
? 完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因
组若干细节
? 基本上测定了人类基因组上的碱基序列
? 一些模式生物 (果蝇、拟南介等 )和作物（如水稻）
基因草图绘制成功，测序基本完成
? 促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛
发展
? 人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没
HGP面临的挑战
? 基因的隐私权问题
? 基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题
? 基因资源问题
? 基因知识的滥用问题
人类将进入生物经济时代
基因 ——操纵生命的工具
基因组 ——潜藏着巨大的经济价值
基因技术 ——21世纪的投资热点
谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类
的生命密码，获得了操纵生命的工具。
与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带
来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根
本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机
会将会大大超过网络。
离
心
机
结
构
示
意
图
转头
转头腔
沉降样品
驱动马达
真空 冷冻
沉降系数
（ sedimentation coefficient）
生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系
数 。 即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下, 从静止状态
到达极限速度所需要的时间 。 数学定义式为,
沉降系数单位,由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于 1× 10-13
到 200× 10-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用
Svedberg单位，用即 S表示。
沉降系数（ s） 与相对分子量（ Mr） 的关系,
Mr = RTs D(1-??) Svedberg方程,
d? /dt
?2 ? s =
问答题
1,某 DNA样品含腺嘌呤 15.1%（ 按摩尔碱基计 ）, 计算其余碱基的百分
含量 。
2,DNA双螺旋结构是什么时候, 由谁提出来的？ 试述其结构模型 。
3,DNA双螺旋结构有些什么基本特点？ 这些特点能解释哪些最重要的生
命现象？
4,tRNA的结构有何特点？ 有何功能？
5,DNA和 RNA的结构有何异同？
6,简述核酸研究的进展, 在生命科学中有何重大意义？
6,计算 （ 1） 分子量为 3?105的双股 DNA分子的长度； （ 2） 这种 DNA一
分子占有的体积； （ 3） 这种 DNA一分子占有的螺旋圈数 。 （ 一个互补的
脱氧核苷酸残基对的平均分子量为 618）
名词解释
变性和复姓 分子杂交 增色效应和减色效应 回文结构 Tm
cAMP Chargaff定律
