第
三
章
核
酸
?核酸与蛋白质一样, 是一切生物机体不可
缺少的组成部分 。
?核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，
它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特
性的保持，生长发育，细胞分化等起着重
要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗
传病、代谢病等也密切相关。
因此，核酸是现代生物化学、分子生
物学和医学的重要基础之一。
核酸与遗传
?早在 1868年,F,Miescher从细胞核中
分离得到一种酸性物质，即现在被称
为核酸的物质。
?1939年,E,Knapp等第一次用实验方
法证实核酸是生命遗传的基础物质。
第一节 概 述
?核酸分为两大类,
?脱氧核糖核酸（ DNA）
Deoxyribonucleic Acid
?核糖核酸（ RNA）
Ribonucleic Acid。
一、核酸的分类
? DNA分子含有生物物种
的所有遗传信息，分
子量一般都很大。
? 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。
脱氧核糖核酸（ DNA）
核糖核酸（ RNA）
RNA主要是负责 DNA遗传信息的
翻译和表达,分子量要比 DNA小得
多。 RNA为单链分子。
RNA的类别
根据 RNA的功能, 可以分为 mRNA、
tRNA和 rRNA三种, 存在于胞质中 。
另外, 在细胞质里还存在胞质小
RNA(sc RNA).
上述 RNA存在于细胞质, 另外在细
胞核里面还存在一些 RNA,如核不均
一 RNA （ hnRNA ）, 核内小 RNA
（ snRNA）, 核仁小 RNA,反义 RNA
（ asRNA） 等 。
mRNA (信使 RNA)
?约占总 RNA的 5%。
?不同细胞的 mRNA的链长和分子量差异很大 。
?它的功能是将 DNA的遗传信息传递到蛋白质
合成基地 – 核糖核蛋白体 。
Messenger RNA
tRNA (转移 RNA)
?约占总 RNA的 10-15%。
?它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息,
并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的
作用 。
?已知每一个氨基酸至少有一个相应的 tRNA。
?RNA分子的大小很相似, 链长一般在 73-78
个核苷酸之间 。
Transfer RNA
rRNA (核糖体 RNA)
?约占全部 RNA的 80%，
?是核糖核蛋白体的主要组成部分 。
?rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关 。
Ribosome RNA
细胞核和胞液 功能
核不均一 RNA hnRNA 成熟 mRNA的前体
核内小 RNA snRNA 参与 hnRNA的剪接、转运
胞质小 RNA scRNA/7SL-RNA
蛋白质内质网定位
合成的信号识别体
的组成成分
存在与真核生物中
二, 基本结构单位 --核苷酸
（ 一 ） 核酸的水解
核酸经水解可得到很多核苷酸, 因此
核苷酸是核酸的基本单位 。 核酸就是由很
多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸 。 核苷
酸可被水解产生核苷和磷酸, 核苷还可再
进一步水解, 产生戊糖和含氮碱基 。 如下
图所示：
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 腺嘌呤 Adenine
N
N
N
H
N
N H
2
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 鸟嘌呤 guanine
N H
N
N
H
N
O
N H
2
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 尿嘧啶 uracil
N H
N
H
O
O
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 胞嘧啶 cytosine
N
N
H
N H
2
O
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 胸腺嘧啶 thymine
N H
N
H
O
O
1．核苷酸
碱基的结构特征
?碱基都具有芳香环的结构特征 。 嘌呤环和嘧啶
环均呈平面或接近于平面的结构 。
?碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式 —烯醇
式或胺式 —亚胺式互变异构 。
? 有 些 核 酸 中 还 含 有 修 饰 碱 基 (modified
component) 或 稀 有 碱 基 （ unusual
component）, 这些碱基大多是在上述嘌呤或
嘧啶碱的不同部位被 甲基化 (methylation)或
进行其它的化学修饰而形成的衍生物 。
胺
式
亚
胺
式
互
变
异
构
酮
式
烯
醇
式
互
变
异
构
1．核苷酸
碱基的结构特征
? 嘌呤碱和嘧
啶碱分子中
都含有共轭
双键体系,
在紫外区有
吸收 （ 260
nm左右 ） 。
1．核苷酸
（ 2）戊糖
? 组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为
β -D-2-脱氧核糖； RNA所含的糖则为 β -
D-核糖。
O
H
H
O H
H
O H
O H
H
H O C H 2 H O C H
2
O
H
H
O H
H
H
O H
H
D- 核糖 D - 2 - 脱氧核糖
1．核苷酸
（ 3）核苷 nucleoside
? 糖与碱基之间的 C-N键，称为 C-N糖苷键 。
胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷
N
N
O H
H O
N
N
N H
2
H O
N
N
O H
H
2
N
N
N
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
2
H O C H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
21．核苷酸
（ 3）核苷 nucleoside
1．核苷酸
（ 4）核苷酸 nucleotide
? 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为 DNA或 RNA结构单元的核
苷酸分别是 5′ -磷酸 -脱氧核糖核苷和 5′ -磷酸 -核糖
核苷。
O
B
O H O H
O H 2 CP
O H
H O
O
B= 腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶
核糖核苷酸
O H 2 CP
O H
H O
O
O
B
O H
脱氧核糖核苷酸
1．核苷酸
(5)修饰成分
? 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。
稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱
基的甲基化产物。
2．核苷酸的衍生物
? ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物
。它的结构如下：
（ 1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸 )
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H 2O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
三磷酸腺苷 ( A T P )
ATP的性质
?ATP 分子的最显著特点是含有
两个高能磷酸键。 ATP水解时,
可以释放出大量自由能。
?ATP 是生物体内最重要的能量
转换中间体。 ATP 水解释放出
来的能量用于推动生物体内各
种需能的生化反应。
?ATP 也是一种很好的磷酰化剂 。
磷酰化反应的底物可以是普通
的有机分子, 也可以是酶 。 磷
酰化的底物分子具有较高的能
量 （ 活化分子 ）, 是许多生物
化学反应的激活步骤 。
(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸 )
?GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核
苷酸衍生物 。 它具有 ATP 类似的结构,也
是一种高能化合物 。
?GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体 。
在许多情况下,ATP 和 GTP 可以相互转换 。
（ 3） cAMP 和 cGMP
?cAMP(3’,5’- 环腺嘌呤核苷一
磷酸 )和 cGMP( 3’,5’-环鸟嘌
呤核苷一磷酸 )的主要功能是
作为细胞之间传递信息的信使 。
?cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键
是一个高能键 。 在 pH 7.4 条
件下,cAMP 和 cGMP 的水解
能约为 43.9 kj /mol,比 ATP
水解能高得多 。
3．多聚核苷酸
?多聚核苷酸是通过核苷酸的 5’-磷酸基与另
一分子核苷酸的 C3’-OH形成磷酸二酯键相连
而成的链状聚合物 。
?由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为 DNA链；
?由核糖核苷酸聚合而成的则称为 RNA链 。
多聚核苷酸的特点
?在多聚核苷酸中, 两个核苷酸之间形成的磷酸
二酯键通常称为 5′ —3′ 磷酸二酯键 。
?多聚核苷酸链一端的 C5′ 带有一个自由磷酸基,
称为 5′ -磷酸端 （ 常用 5’-P表示 ） ；另一端 C3’
带有自由的羟基, 称为 3′ -羟基端 （ 常用 3’-
OH表示 ） 。
?多聚核苷酸链具有方向性, 当表示一个多聚核
苷酸链时, 必须注明它的方向是 5′ → 3′ 或是
3′ → 5′ 。
方向性
P P
5'
3' 3'
5'
P P
5'
3'
P
5'
3'
A C G T
在多聚核苷酸（ DNA或 RNA）链中，由于构成核
苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸
差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷
酸链结构也可表示为：
? 在讨论有关核酸问题
时, 一般只关心其中
碱基的种类和顺序,
所以上式可以进一步
简化为：
? 5′PAPCPGPCPTPGPTPA
3′
? 或 5′CGCTGTA 3′
第三节 核酸的结构
一、核酸的一级结构
?多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定
的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它
具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。
?核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。
?DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子
形式。生物界物种的多样性即寓于 DNA分子中
四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
?而 mRNA(信息 RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白
质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。
RNA一级结构的特点
? RNA一级结构研究最多的是
tRNA,rRNA以及一些小分
子的 RNA。 其中
? tRNA分子具有以下特点：
? 分子量 25000左右，大约由
70－ 90个核苷酸组成，沉
降系数为 4S左右。
? 分子中含有较多的修饰成
分。
? 3'-末端都具有 CpCpAOH的
结构。
mRNA一级结构的特点
真核细胞 mRNA的 3‘ -末端有一段长达 200个
核苷酸左右的聚腺苷酸 (polyA),称为 ? 尾结
构 ?, 5’ -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称
为 ? 帽结构 ? 。
极大多数真核细胞 mRNA在 3‘-末端有一段
长约 200核苷酸的 polyA。 polyA是在转录后经
polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物
的 mRNA一般无 polyA，但某些病毒 mBNA也有 3’-
polyA,polyA可能有多方面功能,与 mRNA从细胞
核到细胞质的转移有关；与 mRNA的半寿期有关，
新合成的 mRNA,,polyA链较长，而衰老的 mRNA，
polyA链缩短
rRNA
动物细胞核糖体 rRNA有四类,5SrRNA，
5.8SrRNA,18SrRNA,28SRNA。许多 rRNA
的一级结构及由一级结构推导 出来的二
级结构都已阐明，但是对许多 rRNA的功能
迄今仍不十分清楚。
RNA的高级结构特点
?RNA是单链分子, 因此, 在 RNA分子中,
并不遵守碱基种类的数量比例关系, 即
分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶
碱基的总数 。
?RNA分子中, 部分区域也能形成双螺旋结
构, 不能形成双螺旋的部分, 则形成突
环 。 这种结构可以形象地称为 ? 发夹型 ?
结构 。
?在 RNA的双螺旋结构中, 碱基的配对情况
不象 DNA中严格 。 G 除了可以和 C 配对外,
也可以和 U 配对 。 G-U 配对形成的氢键
较弱 。 不同类型的 RNA,其二级结构有明
显的差异 。
?tRNA中除了常见的碱基外, 还存在一些
稀有碱基, 这类碱基大部分位于突环部
分,
tRNA的高级结构
1,tRNA的二级结构
tRNA的二级结构都呈 ?
三叶草 ? 形状，在结构
上具有某些共同之处，一
般可将其分为五臂四环：
包括氨基酸接受区、反密
码区、二氢尿嘧啶区、
T?C区和可变区。除了氨
基酸接受区外，其余每个
区均含有一个突环和一个
臂。
(1)氨基酸接受区
包含有 tRNA的 3’ -末端
和 5’ -末端,3’ -末端
的最后 3个核苷酸残基都
是 CCA,A为核苷。氨基
酸可与其成酯，该区在
蛋白质合成中起携带氨
基酸的作用。
(2)反密码区
与氨基酸接受区相对的
一般含有 7个核苷酸残基
的区域，其中正中的 3个
核苷酸残基称为反密码
(3)二氢尿嘧啶区
该区含有二氢尿嘧啶。
(4) T?C区 该区与二氢尿嘧啶
区相对,假尿嘧啶核苷 —
胸腺嘧啶核糖核苷环 (T?C)
由 7个核苷酸组成，通过由 5
对碱基组成的双螺旋区 (T?C
臂 )与 tRNA的其余部分相连。
除个别例外，几乎所有 tRNA
在此环中都含有 T?C 。
(5)可变区
位于反密码区与 T?C区之间，
不同的 tRNA该区变化较大。
2,tRNA的三级结构
在三叶草型二级结构的基础上，突环上
未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成
对，目前已知的 tRNA的三级结构均为倒 L型
二,DNA的二级结构
1953年, J,Watson
和 F,Crick 在前人研究
工作的基础上, 根据 DNA
结晶的 X-衍射图谱和分
子模型, 提出了著名的
DNA双螺旋结构模型, 并
对模型的生物学意义作
出了科学的解释和预测 。
1,DNA双螺旋结构的特点
? DNA分子由两条 DNA单
链组成 。
? DNA的双螺旋结构是
分子中两条 DNA单链
之间基团相互识别和
作用的结果 。
? 双螺旋结构是 DNA二
级结构的最基本形式 。
DNA双螺旋结构的要点
（ 1） DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 (简称
DNA单链 )组成 。 两条链沿着同一根轴平行盘绕,
形成右手双螺旋结构 。 螺旋中的两条链方向相反,
即其中一条链的方向为 5′ → 3′, 而另一条链的
方向为 3′ → 5′ 。
（ 2） 嘌呤碱和嘧
啶碱基位于螺旋
的内侧, 磷酸和
脱氧核糖基位于
螺旋外侧 。 碱基
环平面与螺旋轴
垂直, 糖基环平
面与碱基环平面
成 90° 角 。
DNA双螺旋结构的要点
（ 3） 螺旋横截面的直
径约为 2nm，每条链
相邻两个碱基平面
之间的距离为 0.34
nm，每 10个核苷酸
形成一个螺旋，其
螺矩（即螺旋旋转
一圈）高度为 3.4
nm。
DNA双螺旋结构的要点
DNA双螺旋结
构的要点（ 4） 两条 DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间
的碱基对所形成的氢键。
碱基的相互结合具有严格
的配对规律，即腺嘌呤
（ A）与胸腺嘧啶（ T）结
合，鸟嘌呤（ G）与胞嘧
啶（ C）结合，这种配对
关系，称为碱基互补。 A
和 T之间形成两个氢键,G
与 C之间形成三个氢键。
（ 5） 在 DNA分子中, 嘌呤碱
基的总数与嘧啶碱基的总
数相等 。
2,DNA双螺旋的稳定性
?DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。
?维持这种稳定性的因素包括：两条 DNA链之间
形成的氢键；
?由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介
质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的
阳离子（如 Na+,K+和 Mg2+）中和了磷酸基团的
负电荷，降低了 DNA链之间的排斥力、范德华
引力等。
?改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳
定性。
DNA结构双螺旋结构的提出，被认
为是上世纪生命科学史最重要的贡献
之一，同时也是自然科学史上的重大
贡献。它直接解释了生物遗传信息的
传递与表达的规律，使生命科学从此
进入一个崭新的时代即分子生物学时
代。
3 DNA二级结构的多态性
?所谓 DNA二级结构的多态性，是指 DNA
不仅具有多种形式的双螺旋结构，而
且还能形成三链、四链结构，说明 DNA
的结构是动态的，而不是静态的。
?DNA双螺旋的不同构型：
?B-DNA螺旋：标准的 Watson,Crick双螺旋，细
胞正常状态下 DNA存在的构型。
?A-DNA螺旋,DNA在 75%相对湿度的钠盐中的构
型。
?C-DNA螺旋,DNA在 66%相对湿度的锂盐中的构
型。
?Z-DNA螺旋：左手的 DNA螺旋，这种螺旋可能在
基因表达或遗传重组中起作用。
3 DNA二级结构的多态性
双螺旋
碱基倾
角／（ °
）
碱基夹
角（ °
）
碱基间
距
/nm
螺距
／
nm
每轮碱
基数 大沟 小沟
B-DNA 0 36.0 0.34 3.54 10.5 很宽、较 深 窄、深
Z-DNA 9 -60.0 0.38 4.56 12 平坦 较窄、很深
A-DAN 20 32.7 0.25 2.53 11 很窄、很 深 很宽、浅
C-DNA 6 38 0.331 3.1 9.3 较宽、较 深 很窄、很深
P489
(1)回文序列
所谓回文序列就是指 DNA某一片段旋转 180.后,顺序
不变的序列,回文序列中的单链可形成发夹结构，双
链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构
在大肠杆菌细胞 DNA中已有发现。
4 与 DNA碱基顺序相关的特殊二级结构
多嘌呤 -多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构 (H-
螺旋或 Hoogsteen螺旋 ):该螺旋常处在许多真核细胞
基因的表达调节区,可能与基因表达的调节有关,
(2)镜象结构
指 DNA某 一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。
稳定 DNA二级结构的作用力：氢键（横向作用力）、碱
基堆积力（纵向作用力）
(3)四链 DNA
可能存在于真核细胞染色体的端粒中
三, DNA 的三级结构和真核细
胞 DNA的组装
DNA的三级结构, 超螺旋
自从 1965年 Vinograd等人发现多瘤
病毒的环形 DNA的超螺旋以来，现已知
道绝大多数原核生物都是共价封闭环
(covalently closed circle,CCC)分
子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化
成为超螺旋结构 (superhelix或
supercoil)。
对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形
分子但其 DNA均与蛋白质相结合，两个结合点
之间的 DNA形成一个 突环 (loop)结构，同样具
有超螺旋形式。超螺旋按其方向分为 正超螺
旋和负超螺旋 两种。真核生物中,DNA与组蛋
白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺
旋。研究发现，所有的 DNA超螺旋都是由 DNA
真核细胞染色体的组装
在真核细胞染色质 (chromatin，在细胞分裂时期形成染
色体 chromosome)中，染色体的基本结构单位是 核小体 。
核小体是由 DNA和组蛋白组成的,组蛋白有五种，
H2A,H2B,H3,H4各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋
DNA绕其旋转 1.75圈 (为 DNA的三级结构 )，约含 140bp。称
为核小体的核心颗粒 (core particle)。
若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化
形成染色体。从双螺旋 DNA到染色体,DNA总共压缩了约
8000-10000倍,
核小体结构如图所示
其组装的层次如下图所示
第四节、核酸的性质
一, 含氮碱基的性质
嘌呤碱基和嘧啶碱基是核酸中最重要的组
分 。 它们的性质对于核酸的性质和生物功能
具有重要影响作用 。
1,含氮碱基具有芳香环的结构特点
由于环上极性基团 （ 如羰基, 氨基等 ）
的存在, 碱基能够发生酮式 —烯醇式或氨
式 —亚氨式的互变异构 。 因此, 碱基既有芳
香环的特性, 也具有氨, 酮和烯醇等相应的
化学性质 。
2,含氮碱基的碱性
?嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。
?环内氨基的 pKa值约为 9.5。
?碱基环外的氨基（存在于 A,G和 C）的碱性很弱，
在生理 pH条件下不能被质子化。这种情况与苯胺
分子中的氨基相似。
?因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡
献。
二、核酸的性质
1．核酸的两性性质及等电点
?与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷
酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具
有两性性质。
?由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而
碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比
较低。如 DNA的等电点为 4～ 4.5,RNA的等电点为
2～ 2.5。
?RNA的等电点比 DNA低的原因，是 RNA分子中核糖基
2′ -OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。 DNA
没有这种作用。
2．核酸的水解
（ 1）酸或碱水解
?核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解
切断。
?DNA和 RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，
在 0.1 mol/L NaOH溶液中,RNA几乎可以完全水解，
生成 2′ -或 3′ -磷酸核苷； DNA在同样条件下则不
受影响。这种水解性能上的差别，与 RNA核糖基上
2′ -OH的邻基参与作用有很大的关系。在 RNA水解
时,2′ -OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时
形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。
（ 2）酶水解
?生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解
多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。
?以 DNA为底物的 DNA水解酶（ DNases）和以 RNA为底物
的 RNA水解酶（ RNases）。
?根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。
?核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端
（ 3′ -端或 5′ -端）开始，逐个水解切除核苷酸；核
酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核
苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。
?在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内
切酶 。 这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基
顺序部位 。
3、核酸的紫外吸收
在核酸分子中，由
于嘌呤碱和嘧啶碱具有
共轭双键体系，因而具
有独特的紫外线吸收光
谱，一般在 260nm左右
有最大吸收峰，可以作
为核酸及其组份定性和
定量测定的依据。
4．核酸的变性、复性与杂交
(1) 核酸的变性
?核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间
的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将
失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性 并不
涉及磷酸二酯键的断裂,所以它的一级结构 (碱基
顺序 )保持不变。
?能够引起核酸变性的因素很多 。 温度升高, 酸碱
度改变, 甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变
性 。
?RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性
行为所引起的性质变化没有 DNA那样明显。
?利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变
性的情况。
?例如，天然状态的 DNA在完全变性后，紫
外吸收 (260 nm)值增加 25－ 40%,而 RNA
变性后，约增加 1.1%。这种现象称为 增
色效应 (hyperchromic effect).
DNA变性的特征
a,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区
间内完成。因此，通常将引起 DNA变性的温度称
为 融点,用 Tm表示。
b,一般 DNA的 Tm值在 70-85?C之间。 DNA的 Tm值与分
子中的 G和 C的含量有关。
c,G和 C的含量高,Tm值高。因而测定 Tm值，可反
映 DNA分子中 G,C含量，可通过经验公式计算：
（ G+C)%=(Tm-69.3)X2.44
DNA变性
?当 DNA的稀盐
溶液加热到
80-100℃ 时，
双螺旋结构即
发生解体，两
条链彼此分开，
形成无规线团。
?DNA变性后，
它的一系列性
质也随之发生
变化
变性 DNA的特征
? 溶液粘度降低 DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后转化
成柔软而松散的无规则单股线性结构，因此粘度明显下降。
? 旋光性发生变化 变性后整个 DNA分子的对称性及分子构型
改变，使 DNA溶液的旋光性发生变化。
? 紫外吸收增强
DNA分子中碱基间电子的相互作用使 DNA分子具有吸收
260nm波长紫外光的特性。在 DNA双螺旋结构中碱基藏入内
侧，变性时 DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的
相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。
(2) 核酸的复性 (退火 )
?变性 DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单
链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称
为复性。 DNA复性后，一系列性质将得到恢复，
但是生物活性一般只能得到部分的恢复。
?DNA复性的程度, 速率与复性过程的条件有关
(温度和时间, DNA浓度等 )。
将热变性的 DNA骤然冷却至低温时, DNA不
可能复性 。 但是将变性的 DNA缓慢冷却时, 可
以复性 。 分子量越大复性越难 。 浓度越大, 复
性越容易 。 此外, DNA的复性也与它本身的组
成和结构有关 。
DNA复性
(3) 核酸的杂交
?热变性的 DNA单链，在复性时并不一定与
同源 DNA互补链形成双螺旋结构，它也可
以与在某些区域有互补序列的异源 DNA单
链形成双螺旋结构。
?这样形成的新分子称为杂交 DNA分子。
DNA单链与互补的 RNA链之间也可以发生
杂交。
?核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研
究中具有重要意义。
核
酸
的
杂
交
第五节、核酸的生物功能
一,DNA的复制与生物遗传信息的保持
DNA复制的要点是：
1）在复制开始阶段,DNA的双螺旋拆分成两条单
链。
2）以 DNA单链为模板，按照碱基互补配对的原
则,在 DNA聚合酶催化下，合成与模板 DNA完全
互补的新链，并形成一个新的 DNA分子。
3) 通过 DNA复制形
成的新 DNA分子,
与原来的 DNA分子
完全相同。 经过
一个 复制周期后，
子代 DNA分子的两
条链中，一条来自
亲代 DNA分子，另
一条是新合成的，
所以又称为半保留
复制。
DNA复制过程
二,RNA与生物遗传信息的表达
首先, DNA通过
转录作用, 将其
所携带的遗传信
息 （ 基因 ） 传递
给 mRNA,在三
种 RNA（ mRNA、
tRNA和 rRNA） 的
共同作用下, 完
成蛋白质的合成 。
中心法则
生物的遗传信息从 DNA传递给
mRNA的过程称为转录 。 根据
mRNA链上的遗传信息合成蛋
白质的过程, 被称为翻译和
表达 。 1958年 Crick将生物
遗传信息的这种传递方式称为中心法则 。
D N A
R N A 蛋白质
转录
反转录
翻译
复制
复制
转录过程
翻译过程
1．基因的转录 – mRNA的合成
?基因转录是以 DNA为模板合成与其碱基顺
序互补的 mRNA的过程。
?细胞生长周期的某个阶段,DNA双螺旋解
开成为转录模板，在 RNA聚合酶催化下，
合成 mRNA。 mRNA不能自我复制，即其本
身不能作为复制模板，因此在转录过程
中即使出现某些差错，也不会遗传下去。
?mRNA 是 DNA的转录本，携带有合成蛋白
质的全部信息。蛋白质的生物合成实际
上是以 mRNA作为模板进行的。
遗传密码
?mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四
种碱基（ A,G,C和 U）以特定顺序排列成三个一组的三
联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。
?这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码
子。
?因此 mRNA 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨
基酸顺序。
? mRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。 20种基本氨基
酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子
是肽链合成起始密码子,三个是终止密码子，以保证蛋
白质合成能够有序地进行。
遗传密码
三、蛋白质的生物合成
（ 1） 氨基酸的活化
?tRNA在氨基酰 -tRNA 合成酶的帮助下, 能够识别
相应的氨基酸, 并通过 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与
氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰 -tRNA。
?氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步
是氨基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；
第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,
形成氨基酰 -tRNA。
（ 1）氨基酸的活化
氨基酸活化的总反应式是：
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 +ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。
? tRNA 分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,
而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
(2)氨基酰 -tRNA在 mRNA模板指导下组
装成蛋白质
氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的氨
基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位臵,
最后在核糖体中合成肽链 。
现在已经知道作为多肽合成起始信号的
密码子有两个, 即甲硫氨酸的密码子 (AUG)和
氨酸的密码子 (GUG)(极少出现 )。 在大肠杆菌
中,起始密码子 AUG 所编码的氨基酸并不是甲
硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸 。
四、遗传变异的化学本质
?DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构
（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特
征或性状发生变异。
?所以，一切生物的变异和进化都可以认为
是由于 DNA结构的改变而引起蛋白质组成和
性质变化的结果。
1,DNA结构变化的类型及影响因素
生物遗传变异
的分子机制是 DNA
分子中为氨基酸编
码的三联体密码子
的改变。 DNA遗传
密码的改变主要有
如下几种类型,?
碱基顺序颠倒，如
TA被颠倒成 AT；
? 某个碱基被
调换，如 AT换成
GC；
③ 少了或多了一对或几对碱基，例如：
5’ ATGGCTATGC 3’ 变成 5’ ATGGTATGC 3’
3’ TACCGATACG 5’ 3’ TACCATACG 5’
基因突变
?上述 DNA碱基顺序的改变，是 DNA在复制过
程中出现错误产生的。由于 DNA是具有复制
功能的分子，一旦 DNA碱基顺序出错，它就
会通过复制机制遗传下去。
?由于 DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状
显著变化的现象，称为基因 ? 突变 ? 。
(1) DNA分子中碱基互变异构
?DNA分子的碱基，存在酮式 —烯醇式或氨
式 —亚胺式互变异构。不同的互变异构体
形成氢键的方向和能力不同，有可能导致
复制时出现错误。
?例如在正常情况下,A（氨式结构）与 T
（酮式结构）配对；当 A以亚胺式存在时
（几率非常小），则与 C配对。
(2) 物理因素
能够引起基因突变的物理因素主要包括：
紫外线（ UV）、高能射线和电离辐射等。
当 DNA受到大剂量紫外线（波长 260nm
附近）照射时，可引起 DNA链上相邻的两个
嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如 TT
二聚体。
光聚合反应
? 胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反
应：
? 在 DNA分子中, 如果两个胸腺嘧啶碱基相邻, 在紫外光
照射下, 可能发生上述聚合反应, 其结果是破坏了正
常复制或转录 。
N
C H 3
H N
O
O
R
N H
N
O
O
R
C H 3
N H
N
O
O
R
C H 3
N
C H 3
H N
O
O
R
O H N H
N
O
R
C H 3
O H
UV
R
O
O
H N
C H 3
N
H 2 O
?X-射线以及放射性物质产生的辐射具有
很高的能量, 能直接引起 DNA物理或化学
性质的改变 。 另外, 电离辐射将也能使
DNA周围环绕的其它分子 （ 主要是水 ） 产
生具有很高活性的自由基, 这些自由基
能够进一步与 DNA分子反应, 导致 DNA结
构发生变化 。
(3) 化学因素
?化学因素是引起 DNA结构发生变化的最常见
因素，主要包括：烷基化试剂，亚硝酸盐
以及碱基类似物等。
?烷基化试剂能够与 DNA分子中的氨基或氧作
用，生成烷基化 DNA。除了碱基上有多个位
臵可被烷基化外,DNA链上磷酸二酯键中的
氧也容易被烷基化，从而导致 DNA链的断裂。
烷基化反应
?由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异
构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为
稳定的烯醇醚。
?鸟嘌呤核苷烷基化形成 6-甲氧基鸟嘌呤核
苷后，不再与 C配对，而与 T配对。
?这种情况将引起 DNA的复制、转录及信息表
达出现错误。
环外氨基的反应
? 环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。
? 胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转
变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能
改变 DNA的碱基组成。
? 腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别
形成次黄嘌呤核苷（ I）和黄嘌呤核苷（ X）。
? 这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，
导致 DNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。
N
N
N H 2
O
R
H O N O N
N
N 2 +
O
R
H 2 O N
N
O H
O
R
H N
NO
R
O
? 碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工
合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的
碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到
DNA链中，干扰 DNA的正常复制和转录。
? 常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。
例如 5-溴尿嘧啶（ 5-BU），它与胸腺嘧啶碱基
的结构相似，能取代 T与 A配对。
? 又如一种称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物
（ 2,3,7,8-四氯 -二苯 -二恶英，简称 TCDD），
是一种具有强烈致癌和致畸物质。它能够进入
细胞并与 DNA结合，导致 DNA复制发生错误，从
而可能诱发癌变。
三
章
核
酸
?核酸与蛋白质一样, 是一切生物机体不可
缺少的组成部分 。
?核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，
它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特
性的保持，生长发育，细胞分化等起着重
要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗
传病、代谢病等也密切相关。
因此，核酸是现代生物化学、分子生
物学和医学的重要基础之一。
核酸与遗传
?早在 1868年,F,Miescher从细胞核中
分离得到一种酸性物质，即现在被称
为核酸的物质。
?1939年,E,Knapp等第一次用实验方
法证实核酸是生命遗传的基础物质。
第一节 概 述
?核酸分为两大类,
?脱氧核糖核酸（ DNA）
Deoxyribonucleic Acid
?核糖核酸（ RNA）
Ribonucleic Acid。
一、核酸的分类
? DNA分子含有生物物种
的所有遗传信息，分
子量一般都很大。
? 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。
脱氧核糖核酸（ DNA）
核糖核酸（ RNA）
RNA主要是负责 DNA遗传信息的
翻译和表达,分子量要比 DNA小得
多。 RNA为单链分子。
RNA的类别
根据 RNA的功能, 可以分为 mRNA、
tRNA和 rRNA三种, 存在于胞质中 。
另外, 在细胞质里还存在胞质小
RNA(sc RNA).
上述 RNA存在于细胞质, 另外在细
胞核里面还存在一些 RNA,如核不均
一 RNA （ hnRNA ）, 核内小 RNA
（ snRNA）, 核仁小 RNA,反义 RNA
（ asRNA） 等 。
mRNA (信使 RNA)
?约占总 RNA的 5%。
?不同细胞的 mRNA的链长和分子量差异很大 。
?它的功能是将 DNA的遗传信息传递到蛋白质
合成基地 – 核糖核蛋白体 。
Messenger RNA
tRNA (转移 RNA)
?约占总 RNA的 10-15%。
?它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息,
并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的
作用 。
?已知每一个氨基酸至少有一个相应的 tRNA。
?RNA分子的大小很相似, 链长一般在 73-78
个核苷酸之间 。
Transfer RNA
rRNA (核糖体 RNA)
?约占全部 RNA的 80%，
?是核糖核蛋白体的主要组成部分 。
?rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关 。
Ribosome RNA
细胞核和胞液 功能
核不均一 RNA hnRNA 成熟 mRNA的前体
核内小 RNA snRNA 参与 hnRNA的剪接、转运
胞质小 RNA scRNA/7SL-RNA
蛋白质内质网定位
合成的信号识别体
的组成成分
存在与真核生物中
二, 基本结构单位 --核苷酸
（ 一 ） 核酸的水解
核酸经水解可得到很多核苷酸, 因此
核苷酸是核酸的基本单位 。 核酸就是由很
多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸 。 核苷
酸可被水解产生核苷和磷酸, 核苷还可再
进一步水解, 产生戊糖和含氮碱基 。 如下
图所示：
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 腺嘌呤 Adenine
N
N
N
H
N
N H
2
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 鸟嘌呤 guanine
N H
N
N
H
N
O
N H
2
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 尿嘧啶 uracil
N H
N
H
O
O
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 胞嘧啶 cytosine
N
N
H
N H
2
O
1．核苷酸
（ 1）组成核酸的碱基
? 胸腺嘧啶 thymine
N H
N
H
O
O
1．核苷酸
碱基的结构特征
?碱基都具有芳香环的结构特征 。 嘌呤环和嘧啶
环均呈平面或接近于平面的结构 。
?碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式 —烯醇
式或胺式 —亚胺式互变异构 。
? 有 些 核 酸 中 还 含 有 修 饰 碱 基 (modified
component) 或 稀 有 碱 基 （ unusual
component）, 这些碱基大多是在上述嘌呤或
嘧啶碱的不同部位被 甲基化 (methylation)或
进行其它的化学修饰而形成的衍生物 。
胺
式
亚
胺
式
互
变
异
构
酮
式
烯
醇
式
互
变
异
构
1．核苷酸
碱基的结构特征
? 嘌呤碱和嘧
啶碱分子中
都含有共轭
双键体系,
在紫外区有
吸收 （ 260
nm左右 ） 。
1．核苷酸
（ 2）戊糖
? 组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为
β -D-2-脱氧核糖； RNA所含的糖则为 β -
D-核糖。
O
H
H
O H
H
O H
O H
H
H O C H 2 H O C H
2
O
H
H
O H
H
H
O H
H
D- 核糖 D - 2 - 脱氧核糖
1．核苷酸
（ 3）核苷 nucleoside
? 糖与碱基之间的 C-N键，称为 C-N糖苷键 。
胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷
N
N
O H
H O
N
N
N H
2
H O
N
N
O H
H
2
N
N
N
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
2
H O C H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H
21．核苷酸
（ 3）核苷 nucleoside
1．核苷酸
（ 4）核苷酸 nucleotide
? 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为 DNA或 RNA结构单元的核
苷酸分别是 5′ -磷酸 -脱氧核糖核苷和 5′ -磷酸 -核糖
核苷。
O
B
O H O H
O H 2 CP
O H
H O
O
B= 腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶
核糖核苷酸
O H 2 CP
O H
H O
O
O
B
O H
脱氧核糖核苷酸
1．核苷酸
(5)修饰成分
? 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。
稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱
基的甲基化产物。
2．核苷酸的衍生物
? ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物
。它的结构如下：
（ 1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸 )
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H 2O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
三磷酸腺苷 ( A T P )
ATP的性质
?ATP 分子的最显著特点是含有
两个高能磷酸键。 ATP水解时,
可以释放出大量自由能。
?ATP 是生物体内最重要的能量
转换中间体。 ATP 水解释放出
来的能量用于推动生物体内各
种需能的生化反应。
?ATP 也是一种很好的磷酰化剂 。
磷酰化反应的底物可以是普通
的有机分子, 也可以是酶 。 磷
酰化的底物分子具有较高的能
量 （ 活化分子 ）, 是许多生物
化学反应的激活步骤 。
(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸 )
?GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核
苷酸衍生物 。 它具有 ATP 类似的结构,也
是一种高能化合物 。
?GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体 。
在许多情况下,ATP 和 GTP 可以相互转换 。
（ 3） cAMP 和 cGMP
?cAMP(3’,5’- 环腺嘌呤核苷一
磷酸 )和 cGMP( 3’,5’-环鸟嘌
呤核苷一磷酸 )的主要功能是
作为细胞之间传递信息的信使 。
?cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键
是一个高能键 。 在 pH 7.4 条
件下,cAMP 和 cGMP 的水解
能约为 43.9 kj /mol,比 ATP
水解能高得多 。
3．多聚核苷酸
?多聚核苷酸是通过核苷酸的 5’-磷酸基与另
一分子核苷酸的 C3’-OH形成磷酸二酯键相连
而成的链状聚合物 。
?由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为 DNA链；
?由核糖核苷酸聚合而成的则称为 RNA链 。
多聚核苷酸的特点
?在多聚核苷酸中, 两个核苷酸之间形成的磷酸
二酯键通常称为 5′ —3′ 磷酸二酯键 。
?多聚核苷酸链一端的 C5′ 带有一个自由磷酸基,
称为 5′ -磷酸端 （ 常用 5’-P表示 ） ；另一端 C3’
带有自由的羟基, 称为 3′ -羟基端 （ 常用 3’-
OH表示 ） 。
?多聚核苷酸链具有方向性, 当表示一个多聚核
苷酸链时, 必须注明它的方向是 5′ → 3′ 或是
3′ → 5′ 。
方向性
P P
5'
3' 3'
5'
P P
5'
3'
P
5'
3'
A C G T
在多聚核苷酸（ DNA或 RNA）链中，由于构成核
苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸
差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷
酸链结构也可表示为：
? 在讨论有关核酸问题
时, 一般只关心其中
碱基的种类和顺序,
所以上式可以进一步
简化为：
? 5′PAPCPGPCPTPGPTPA
3′
? 或 5′CGCTGTA 3′
第三节 核酸的结构
一、核酸的一级结构
?多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定
的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它
具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。
?核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。
?DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子
形式。生物界物种的多样性即寓于 DNA分子中
四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
?而 mRNA(信息 RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白
质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。
RNA一级结构的特点
? RNA一级结构研究最多的是
tRNA,rRNA以及一些小分
子的 RNA。 其中
? tRNA分子具有以下特点：
? 分子量 25000左右，大约由
70－ 90个核苷酸组成，沉
降系数为 4S左右。
? 分子中含有较多的修饰成
分。
? 3'-末端都具有 CpCpAOH的
结构。
mRNA一级结构的特点
真核细胞 mRNA的 3‘ -末端有一段长达 200个
核苷酸左右的聚腺苷酸 (polyA),称为 ? 尾结
构 ?, 5’ -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称
为 ? 帽结构 ? 。
极大多数真核细胞 mRNA在 3‘-末端有一段
长约 200核苷酸的 polyA。 polyA是在转录后经
polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物
的 mRNA一般无 polyA，但某些病毒 mBNA也有 3’-
polyA,polyA可能有多方面功能,与 mRNA从细胞
核到细胞质的转移有关；与 mRNA的半寿期有关，
新合成的 mRNA,,polyA链较长，而衰老的 mRNA，
polyA链缩短
rRNA
动物细胞核糖体 rRNA有四类,5SrRNA，
5.8SrRNA,18SrRNA,28SRNA。许多 rRNA
的一级结构及由一级结构推导 出来的二
级结构都已阐明，但是对许多 rRNA的功能
迄今仍不十分清楚。
RNA的高级结构特点
?RNA是单链分子, 因此, 在 RNA分子中,
并不遵守碱基种类的数量比例关系, 即
分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶
碱基的总数 。
?RNA分子中, 部分区域也能形成双螺旋结
构, 不能形成双螺旋的部分, 则形成突
环 。 这种结构可以形象地称为 ? 发夹型 ?
结构 。
?在 RNA的双螺旋结构中, 碱基的配对情况
不象 DNA中严格 。 G 除了可以和 C 配对外,
也可以和 U 配对 。 G-U 配对形成的氢键
较弱 。 不同类型的 RNA,其二级结构有明
显的差异 。
?tRNA中除了常见的碱基外, 还存在一些
稀有碱基, 这类碱基大部分位于突环部
分,
tRNA的高级结构
1,tRNA的二级结构
tRNA的二级结构都呈 ?
三叶草 ? 形状，在结构
上具有某些共同之处，一
般可将其分为五臂四环：
包括氨基酸接受区、反密
码区、二氢尿嘧啶区、
T?C区和可变区。除了氨
基酸接受区外，其余每个
区均含有一个突环和一个
臂。
(1)氨基酸接受区
包含有 tRNA的 3’ -末端
和 5’ -末端,3’ -末端
的最后 3个核苷酸残基都
是 CCA,A为核苷。氨基
酸可与其成酯，该区在
蛋白质合成中起携带氨
基酸的作用。
(2)反密码区
与氨基酸接受区相对的
一般含有 7个核苷酸残基
的区域，其中正中的 3个
核苷酸残基称为反密码
(3)二氢尿嘧啶区
该区含有二氢尿嘧啶。
(4) T?C区 该区与二氢尿嘧啶
区相对,假尿嘧啶核苷 —
胸腺嘧啶核糖核苷环 (T?C)
由 7个核苷酸组成，通过由 5
对碱基组成的双螺旋区 (T?C
臂 )与 tRNA的其余部分相连。
除个别例外，几乎所有 tRNA
在此环中都含有 T?C 。
(5)可变区
位于反密码区与 T?C区之间，
不同的 tRNA该区变化较大。
2,tRNA的三级结构
在三叶草型二级结构的基础上，突环上
未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成
对，目前已知的 tRNA的三级结构均为倒 L型
二,DNA的二级结构
1953年, J,Watson
和 F,Crick 在前人研究
工作的基础上, 根据 DNA
结晶的 X-衍射图谱和分
子模型, 提出了著名的
DNA双螺旋结构模型, 并
对模型的生物学意义作
出了科学的解释和预测 。
1,DNA双螺旋结构的特点
? DNA分子由两条 DNA单
链组成 。
? DNA的双螺旋结构是
分子中两条 DNA单链
之间基团相互识别和
作用的结果 。
? 双螺旋结构是 DNA二
级结构的最基本形式 。
DNA双螺旋结构的要点
（ 1） DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 (简称
DNA单链 )组成 。 两条链沿着同一根轴平行盘绕,
形成右手双螺旋结构 。 螺旋中的两条链方向相反,
即其中一条链的方向为 5′ → 3′, 而另一条链的
方向为 3′ → 5′ 。
（ 2） 嘌呤碱和嘧
啶碱基位于螺旋
的内侧, 磷酸和
脱氧核糖基位于
螺旋外侧 。 碱基
环平面与螺旋轴
垂直, 糖基环平
面与碱基环平面
成 90° 角 。
DNA双螺旋结构的要点
（ 3） 螺旋横截面的直
径约为 2nm，每条链
相邻两个碱基平面
之间的距离为 0.34
nm，每 10个核苷酸
形成一个螺旋，其
螺矩（即螺旋旋转
一圈）高度为 3.4
nm。
DNA双螺旋结构的要点
DNA双螺旋结
构的要点（ 4） 两条 DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间
的碱基对所形成的氢键。
碱基的相互结合具有严格
的配对规律，即腺嘌呤
（ A）与胸腺嘧啶（ T）结
合，鸟嘌呤（ G）与胞嘧
啶（ C）结合，这种配对
关系，称为碱基互补。 A
和 T之间形成两个氢键,G
与 C之间形成三个氢键。
（ 5） 在 DNA分子中, 嘌呤碱
基的总数与嘧啶碱基的总
数相等 。
2,DNA双螺旋的稳定性
?DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。
?维持这种稳定性的因素包括：两条 DNA链之间
形成的氢键；
?由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介
质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的
阳离子（如 Na+,K+和 Mg2+）中和了磷酸基团的
负电荷，降低了 DNA链之间的排斥力、范德华
引力等。
?改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳
定性。
DNA结构双螺旋结构的提出，被认
为是上世纪生命科学史最重要的贡献
之一，同时也是自然科学史上的重大
贡献。它直接解释了生物遗传信息的
传递与表达的规律，使生命科学从此
进入一个崭新的时代即分子生物学时
代。
3 DNA二级结构的多态性
?所谓 DNA二级结构的多态性，是指 DNA
不仅具有多种形式的双螺旋结构，而
且还能形成三链、四链结构，说明 DNA
的结构是动态的，而不是静态的。
?DNA双螺旋的不同构型：
?B-DNA螺旋：标准的 Watson,Crick双螺旋，细
胞正常状态下 DNA存在的构型。
?A-DNA螺旋,DNA在 75%相对湿度的钠盐中的构
型。
?C-DNA螺旋,DNA在 66%相对湿度的锂盐中的构
型。
?Z-DNA螺旋：左手的 DNA螺旋，这种螺旋可能在
基因表达或遗传重组中起作用。
3 DNA二级结构的多态性
双螺旋
碱基倾
角／（ °
）
碱基夹
角（ °
）
碱基间
距
/nm
螺距
／
nm
每轮碱
基数 大沟 小沟
B-DNA 0 36.0 0.34 3.54 10.5 很宽、较 深 窄、深
Z-DNA 9 -60.0 0.38 4.56 12 平坦 较窄、很深
A-DAN 20 32.7 0.25 2.53 11 很窄、很 深 很宽、浅
C-DNA 6 38 0.331 3.1 9.3 较宽、较 深 很窄、很深
P489
(1)回文序列
所谓回文序列就是指 DNA某一片段旋转 180.后,顺序
不变的序列,回文序列中的单链可形成发夹结构，双
链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构
在大肠杆菌细胞 DNA中已有发现。
4 与 DNA碱基顺序相关的特殊二级结构
多嘌呤 -多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构 (H-
螺旋或 Hoogsteen螺旋 ):该螺旋常处在许多真核细胞
基因的表达调节区,可能与基因表达的调节有关,
(2)镜象结构
指 DNA某 一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。
稳定 DNA二级结构的作用力：氢键（横向作用力）、碱
基堆积力（纵向作用力）
(3)四链 DNA
可能存在于真核细胞染色体的端粒中
三, DNA 的三级结构和真核细
胞 DNA的组装
DNA的三级结构, 超螺旋
自从 1965年 Vinograd等人发现多瘤
病毒的环形 DNA的超螺旋以来，现已知
道绝大多数原核生物都是共价封闭环
(covalently closed circle,CCC)分
子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化
成为超螺旋结构 (superhelix或
supercoil)。
对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形
分子但其 DNA均与蛋白质相结合，两个结合点
之间的 DNA形成一个 突环 (loop)结构，同样具
有超螺旋形式。超螺旋按其方向分为 正超螺
旋和负超螺旋 两种。真核生物中,DNA与组蛋
白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺
旋。研究发现，所有的 DNA超螺旋都是由 DNA
真核细胞染色体的组装
在真核细胞染色质 (chromatin，在细胞分裂时期形成染
色体 chromosome)中，染色体的基本结构单位是 核小体 。
核小体是由 DNA和组蛋白组成的,组蛋白有五种，
H2A,H2B,H3,H4各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋
DNA绕其旋转 1.75圈 (为 DNA的三级结构 )，约含 140bp。称
为核小体的核心颗粒 (core particle)。
若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化
形成染色体。从双螺旋 DNA到染色体,DNA总共压缩了约
8000-10000倍,
核小体结构如图所示
其组装的层次如下图所示
第四节、核酸的性质
一, 含氮碱基的性质
嘌呤碱基和嘧啶碱基是核酸中最重要的组
分 。 它们的性质对于核酸的性质和生物功能
具有重要影响作用 。
1,含氮碱基具有芳香环的结构特点
由于环上极性基团 （ 如羰基, 氨基等 ）
的存在, 碱基能够发生酮式 —烯醇式或氨
式 —亚氨式的互变异构 。 因此, 碱基既有芳
香环的特性, 也具有氨, 酮和烯醇等相应的
化学性质 。
2,含氮碱基的碱性
?嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。
?环内氨基的 pKa值约为 9.5。
?碱基环外的氨基（存在于 A,G和 C）的碱性很弱，
在生理 pH条件下不能被质子化。这种情况与苯胺
分子中的氨基相似。
?因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡
献。
二、核酸的性质
1．核酸的两性性质及等电点
?与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷
酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具
有两性性质。
?由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而
碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比
较低。如 DNA的等电点为 4～ 4.5,RNA的等电点为
2～ 2.5。
?RNA的等电点比 DNA低的原因，是 RNA分子中核糖基
2′ -OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。 DNA
没有这种作用。
2．核酸的水解
（ 1）酸或碱水解
?核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解
切断。
?DNA和 RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，
在 0.1 mol/L NaOH溶液中,RNA几乎可以完全水解，
生成 2′ -或 3′ -磷酸核苷； DNA在同样条件下则不
受影响。这种水解性能上的差别，与 RNA核糖基上
2′ -OH的邻基参与作用有很大的关系。在 RNA水解
时,2′ -OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时
形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。
（ 2）酶水解
?生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解
多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。
?以 DNA为底物的 DNA水解酶（ DNases）和以 RNA为底物
的 RNA水解酶（ RNases）。
?根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。
?核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端
（ 3′ -端或 5′ -端）开始，逐个水解切除核苷酸；核
酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核
苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。
?在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内
切酶 。 这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基
顺序部位 。
3、核酸的紫外吸收
在核酸分子中，由
于嘌呤碱和嘧啶碱具有
共轭双键体系，因而具
有独特的紫外线吸收光
谱，一般在 260nm左右
有最大吸收峰，可以作
为核酸及其组份定性和
定量测定的依据。
4．核酸的变性、复性与杂交
(1) 核酸的变性
?核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间
的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将
失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性 并不
涉及磷酸二酯键的断裂,所以它的一级结构 (碱基
顺序 )保持不变。
?能够引起核酸变性的因素很多 。 温度升高, 酸碱
度改变, 甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变
性 。
?RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性
行为所引起的性质变化没有 DNA那样明显。
?利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变
性的情况。
?例如，天然状态的 DNA在完全变性后，紫
外吸收 (260 nm)值增加 25－ 40%,而 RNA
变性后，约增加 1.1%。这种现象称为 增
色效应 (hyperchromic effect).
DNA变性的特征
a,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区
间内完成。因此，通常将引起 DNA变性的温度称
为 融点,用 Tm表示。
b,一般 DNA的 Tm值在 70-85?C之间。 DNA的 Tm值与分
子中的 G和 C的含量有关。
c,G和 C的含量高,Tm值高。因而测定 Tm值，可反
映 DNA分子中 G,C含量，可通过经验公式计算：
（ G+C)%=(Tm-69.3)X2.44
DNA变性
?当 DNA的稀盐
溶液加热到
80-100℃ 时，
双螺旋结构即
发生解体，两
条链彼此分开，
形成无规线团。
?DNA变性后，
它的一系列性
质也随之发生
变化
变性 DNA的特征
? 溶液粘度降低 DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后转化
成柔软而松散的无规则单股线性结构，因此粘度明显下降。
? 旋光性发生变化 变性后整个 DNA分子的对称性及分子构型
改变，使 DNA溶液的旋光性发生变化。
? 紫外吸收增强
DNA分子中碱基间电子的相互作用使 DNA分子具有吸收
260nm波长紫外光的特性。在 DNA双螺旋结构中碱基藏入内
侧，变性时 DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的
相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。
(2) 核酸的复性 (退火 )
?变性 DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单
链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称
为复性。 DNA复性后，一系列性质将得到恢复，
但是生物活性一般只能得到部分的恢复。
?DNA复性的程度, 速率与复性过程的条件有关
(温度和时间, DNA浓度等 )。
将热变性的 DNA骤然冷却至低温时, DNA不
可能复性 。 但是将变性的 DNA缓慢冷却时, 可
以复性 。 分子量越大复性越难 。 浓度越大, 复
性越容易 。 此外, DNA的复性也与它本身的组
成和结构有关 。
DNA复性
(3) 核酸的杂交
?热变性的 DNA单链，在复性时并不一定与
同源 DNA互补链形成双螺旋结构，它也可
以与在某些区域有互补序列的异源 DNA单
链形成双螺旋结构。
?这样形成的新分子称为杂交 DNA分子。
DNA单链与互补的 RNA链之间也可以发生
杂交。
?核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研
究中具有重要意义。
核
酸
的
杂
交
第五节、核酸的生物功能
一,DNA的复制与生物遗传信息的保持
DNA复制的要点是：
1）在复制开始阶段,DNA的双螺旋拆分成两条单
链。
2）以 DNA单链为模板，按照碱基互补配对的原
则,在 DNA聚合酶催化下，合成与模板 DNA完全
互补的新链，并形成一个新的 DNA分子。
3) 通过 DNA复制形
成的新 DNA分子,
与原来的 DNA分子
完全相同。 经过
一个 复制周期后，
子代 DNA分子的两
条链中，一条来自
亲代 DNA分子，另
一条是新合成的，
所以又称为半保留
复制。
DNA复制过程
二,RNA与生物遗传信息的表达
首先, DNA通过
转录作用, 将其
所携带的遗传信
息 （ 基因 ） 传递
给 mRNA,在三
种 RNA（ mRNA、
tRNA和 rRNA） 的
共同作用下, 完
成蛋白质的合成 。
中心法则
生物的遗传信息从 DNA传递给
mRNA的过程称为转录 。 根据
mRNA链上的遗传信息合成蛋
白质的过程, 被称为翻译和
表达 。 1958年 Crick将生物
遗传信息的这种传递方式称为中心法则 。
D N A
R N A 蛋白质
转录
反转录
翻译
复制
复制
转录过程
翻译过程
1．基因的转录 – mRNA的合成
?基因转录是以 DNA为模板合成与其碱基顺
序互补的 mRNA的过程。
?细胞生长周期的某个阶段,DNA双螺旋解
开成为转录模板，在 RNA聚合酶催化下，
合成 mRNA。 mRNA不能自我复制，即其本
身不能作为复制模板，因此在转录过程
中即使出现某些差错，也不会遗传下去。
?mRNA 是 DNA的转录本，携带有合成蛋白
质的全部信息。蛋白质的生物合成实际
上是以 mRNA作为模板进行的。
遗传密码
?mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四
种碱基（ A,G,C和 U）以特定顺序排列成三个一组的三
联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。
?这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码
子。
?因此 mRNA 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨
基酸顺序。
? mRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。 20种基本氨基
酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子
是肽链合成起始密码子,三个是终止密码子，以保证蛋
白质合成能够有序地进行。
遗传密码
三、蛋白质的生物合成
（ 1） 氨基酸的活化
?tRNA在氨基酰 -tRNA 合成酶的帮助下, 能够识别
相应的氨基酸, 并通过 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与
氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰 -tRNA。
?氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步
是氨基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；
第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,
形成氨基酰 -tRNA。
（ 1）氨基酸的活化
氨基酸活化的总反应式是：
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 +ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。
? tRNA 分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,
而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
(2)氨基酰 -tRNA在 mRNA模板指导下组
装成蛋白质
氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的氨
基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位臵,
最后在核糖体中合成肽链 。
现在已经知道作为多肽合成起始信号的
密码子有两个, 即甲硫氨酸的密码子 (AUG)和
氨酸的密码子 (GUG)(极少出现 )。 在大肠杆菌
中,起始密码子 AUG 所编码的氨基酸并不是甲
硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸 。
四、遗传变异的化学本质
?DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构
（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特
征或性状发生变异。
?所以，一切生物的变异和进化都可以认为
是由于 DNA结构的改变而引起蛋白质组成和
性质变化的结果。
1,DNA结构变化的类型及影响因素
生物遗传变异
的分子机制是 DNA
分子中为氨基酸编
码的三联体密码子
的改变。 DNA遗传
密码的改变主要有
如下几种类型,?
碱基顺序颠倒，如
TA被颠倒成 AT；
? 某个碱基被
调换，如 AT换成
GC；
③ 少了或多了一对或几对碱基，例如：
5’ ATGGCTATGC 3’ 变成 5’ ATGGTATGC 3’
3’ TACCGATACG 5’ 3’ TACCATACG 5’
基因突变
?上述 DNA碱基顺序的改变，是 DNA在复制过
程中出现错误产生的。由于 DNA是具有复制
功能的分子，一旦 DNA碱基顺序出错，它就
会通过复制机制遗传下去。
?由于 DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状
显著变化的现象，称为基因 ? 突变 ? 。
(1) DNA分子中碱基互变异构
?DNA分子的碱基，存在酮式 —烯醇式或氨
式 —亚胺式互变异构。不同的互变异构体
形成氢键的方向和能力不同，有可能导致
复制时出现错误。
?例如在正常情况下,A（氨式结构）与 T
（酮式结构）配对；当 A以亚胺式存在时
（几率非常小），则与 C配对。
(2) 物理因素
能够引起基因突变的物理因素主要包括：
紫外线（ UV）、高能射线和电离辐射等。
当 DNA受到大剂量紫外线（波长 260nm
附近）照射时，可引起 DNA链上相邻的两个
嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如 TT
二聚体。
光聚合反应
? 胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反
应：
? 在 DNA分子中, 如果两个胸腺嘧啶碱基相邻, 在紫外光
照射下, 可能发生上述聚合反应, 其结果是破坏了正
常复制或转录 。
N
C H 3
H N
O
O
R
N H
N
O
O
R
C H 3
N H
N
O
O
R
C H 3
N
C H 3
H N
O
O
R
O H N H
N
O
R
C H 3
O H
UV
R
O
O
H N
C H 3
N
H 2 O
?X-射线以及放射性物质产生的辐射具有
很高的能量, 能直接引起 DNA物理或化学
性质的改变 。 另外, 电离辐射将也能使
DNA周围环绕的其它分子 （ 主要是水 ） 产
生具有很高活性的自由基, 这些自由基
能够进一步与 DNA分子反应, 导致 DNA结
构发生变化 。
(3) 化学因素
?化学因素是引起 DNA结构发生变化的最常见
因素，主要包括：烷基化试剂，亚硝酸盐
以及碱基类似物等。
?烷基化试剂能够与 DNA分子中的氨基或氧作
用，生成烷基化 DNA。除了碱基上有多个位
臵可被烷基化外,DNA链上磷酸二酯键中的
氧也容易被烷基化，从而导致 DNA链的断裂。
烷基化反应
?由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异
构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为
稳定的烯醇醚。
?鸟嘌呤核苷烷基化形成 6-甲氧基鸟嘌呤核
苷后，不再与 C配对，而与 T配对。
?这种情况将引起 DNA的复制、转录及信息表
达出现错误。
环外氨基的反应
? 环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。
? 胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转
变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能
改变 DNA的碱基组成。
? 腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别
形成次黄嘌呤核苷（ I）和黄嘌呤核苷（ X）。
? 这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，
导致 DNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。
N
N
N H 2
O
R
H O N O N
N
N 2 +
O
R
H 2 O N
N
O H
O
R
H N
NO
R
O
? 碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工
合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的
碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到
DNA链中，干扰 DNA的正常复制和转录。
? 常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。
例如 5-溴尿嘧啶（ 5-BU），它与胸腺嘧啶碱基
的结构相似，能取代 T与 A配对。
? 又如一种称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物
（ 2,3,7,8-四氯 -二苯 -二恶英，简称 TCDD），
是一种具有强烈致癌和致畸物质。它能够进入
细胞并与 DNA结合，导致 DNA复制发生错误，从
而可能诱发癌变。
