生物化学, 核酸化学 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 13 页
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第一章 核酸化学
第一节 核酸的概念及重要性
第二节 核苷酸
第三节 核酸的分子结构
第四节 核酸的性质及分离提取
第五节 核酸与蛋白质的复合体
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第一节 核酸的概念及重要性
生命的表现形式是蛋白质，但是决定蛋白质和酶结构的却是另一类生物大分子
——核酸。因此，核酸是活细胞中最为关键的组分，它携带着遗传信息，是遗传的物质基础。 1868 年，瑞士科学家 F。 Miescher（学生）从外科绷带上脓的白细胞细胞核中分离出一种富含磷的有机物质，他称之为“核素” 。
一、核酸是生物大分子,
分子量 RNA：几万 ——几百万
DNA,1.6× 10
6
——2.2×10
9
二、核酸的基本元素组成,
C,H,O,N,P P 的含量比较稳定，占 9%-10%，通过测定 P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）
三,核酸的种类
核酸
（根据所含糖的不同分类）
其中 tRNA 分子量最小，占总 RNA10%-15%，功能：翻译中携带活化的氨基酸。
mRNA 半寿期最短，占总 RNA5%-10%，功能：是蛋白质合成的模板。
rRNA 含量最多，占总 RNA75%-80%，功能：是蛋白质合成的场所。
四、分布
真核生物 原核生物
DNA 细胞核（ 98%） 细胞质（类核部分）
细胞质（少量） 质粒 DNA
线粒体（少量） 病毒 DNA
叶绿体（少量）等
RNA 细胞质（ 90%） 细胞质
核仁（少量） 病毒 RNA
脱氧核糖核酸（ DNA）
核糖核酸（ RNA）
mRNA(messengerRNA)
rRNA(ribosomal RNA)
tRNA(transfer RNA)
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注：生物细胞都含有 DNA 和 RNA；病毒中要么只含 DNA，要么只含 RNA。
节第二 核苷酸
一,核酸的化学组成
核酸以核苷酸为基本结构单位组成的长链，从核酸连续水解的产物可了解核酸的化学组成概况 。
（一）戊糖
DNA 中含 D—2ˊ —脱氧核糖； RNA 中含 D—核糖。
5ˊ 5ˊ
4ˊ 1ˊ 4ˊ 1ˊ
3ˊ 2ˊ 3ˊ 2ˊ
（二）碱基
1,嘌呤碱 （ Pu）
嘌呤是由嘧啶环和咪唑环并合而成的，核酸中常见的嘌呤碱有两类,
腺嘌呤及鸟嘌呤
N
H
N
N
N
H
CH
NH
2
腺嘌呤
（ Ade）
HN
N
N
N
H
CH
H
2
N
O
鸟嘌呤
（ Gua）
嘌呤和嘧啶（碱基）
核糖或脱氧核糖（戊糖）
核苷（碱基 —戊糖）
磷 酸核苷酸
（碱基 —戊糖 —磷酸）
核 酸
O
H
H OCH
2 OH
H H
OH H
O
H
H OCH
2 OH
H H
OH H
HH
β —D—2ˊ —脱氧核糖 β —D—核糖
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2．嘧啶碱 (Py) 核酸中常见的嘧啶碱有三种,
胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶
除 上述五类基本碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基，稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化碱基。 tRNA 中含有较多的稀有碱基。
二、核苷和核苷酸的形成
（一）核苷的形成
嘌呤（ N
9
-H）或嘧啶（ N
1
-H）与糖（ C
1‘
）上半缩醛羟基脱水缩合而成。
（核苷由戊糖（脱氧戊糖）和碱基缩合而成并以 N-C 糖苷键相连而成的化合物。 ）
核苷分为核糖核苷和脱氧核苷两大类。
N
O N
H
H
H
NH
2
HN
O N
H
H
H
O
H N
N
H
O
O
CH
3
H
胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶
（ Cyt） （ Ura） (Thy)
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
N
N N
NH
2
N
H
HOH
HH
HO CH
2
H
O
NO
N
NH
2
H
腺嘌呤核苷（腺苷 A） 胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷 dC）
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RNA 和 DNA 中常见核苷各有四种见表（ p8 表 22） 。
（二）核苷酸的形成
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，常见核苷酸见表（ P8 表 2-3）
核糖上有 3 个自由羟基，可以酯化分别生成 2’-,3’-,5’-核苷酸。
脱氧核糖上只有 2 个自由羟基，可以酯化分别生成 3’-,5’-核苷酸。
生物体中游离的核苷酸大多数都是 5’-核苷酸，核酸降解后可得到 2’-,3’-,5’-核苷酸。
注：核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示，下面是一些稀有核苷。
H
O
H
HO CH
2
H H
OH
OCH
3
H
N
N
NN
N
O
H
HO CH
2
H H
OH OH
N
N N
NH
2
N
CH
3
CH
3
6
N
，
N
6
—二 甲基腺苷（ Am
6
2
） 2ˊ- O –甲基腺苷（Am）
假尿苷（Ψ） 二氢尿嘧啶核苷（ DHU）
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
H
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
N
O
HN
H
O
O
NH
HN
O
H
H
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6
三,核苷酸的种类
（一）,核苷一磷酸（简称核苷酸）
含有一个磷酸基团的核苷酸。常见的核苷一磷酸,
RNA 中含有 腺苷酸 AMP DNA 中含有 脱氧腺苷酸 dAMP
鸟苷酸 GMP 脱氧鸟苷酸 dGMP
胞苷酸 CMP 脱氧胞苷酸 dCMP
尿苷酸 UMP 脱氧胸苷酸 dTMP
（二）核苷多磷酸
含有两个或两个以上磷酸基团的核苷酸。
（三）,环式核苷酸
AP
OH
HH
A
O-CH
2
H
O
H
OO= P
O
-
-
O
O= P O
H
O
H
O-CH
2 G
H H
OH
3ˊ,5ˊ — cAMP 3ˊ,5ˊ — cGMP
H
O
H
CH
2
H H
OH
OH
N
N N
NH
2
N
O-P~O-P~O-P-O-
O O O
O- O- O-
AMP
ADP
ATP
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第三节 核酸的分子结构
一、核酸中核苷酸的连接方式
一个核苷酸 3’-OH 与另一个核苷酸 5’-H 3PO4脱水形成磷酸二酯键。
二, DNA 的分子结构
（一）DNA 的一级结构
1．一级结构的概念
DNA 分子上核苷酸的排列顺序叫核酸的一级结构。不同的 DNA 分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带不同的遗传信息。
2．DNA 分子中核苷酸的连接方式及表示方法
DNA 分子中四种脱氧核苷酸通过 3ˊ5ˊ— 磷酸二酯键连接起来，形成直线形或环形多核苷酸链。DNA分子的一级结构的表示方法有三种，见图（郭 P10图 2—3）
方向 5
‘
3
’
（ 1） 结构式表示法,
（ 2） 线条式表示法,
（ 3） 文字式表示法,pATCGoH
注,p 在左侧 —— C
5
‘
p在右侧 —— C
3
‘
3．DNA 的碱基组成 — chargaff 规则
在 DNA 分子中主要有 A、T、G、C 四种碱基组成（还有少量稀有碱基，如 5-甲基胞嘧啶和 5-羟甲基胞嘧啶 0。它们在生物体中有某些规律，E.chargaff 等人分析了多种生物 DNA 的碱基组成后发现的，称为
chargaff 规则,
（ 1）同一生物体中，DNA分子中碱基组成
所以A+G=T+C（包括m
5
C）,即：嘌呤碱总和=嘧啶碱总和
（2）有种的特异性，同种生物（各组织、器官）DNA 碱基组成相同，异种生物 DNA
碱基组成差异很大,可用不对称比率 A+T/G+C 的相近程度表示种间亲缘关系的远近。
（ 3）DNA 碱基组成不受年龄，营养状况及环境的影响。 （对维持物种的稳定性起很重要的作用） 。
（二）DNA 的二级结构
1==
C
G
T
A
A=T, G=C
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在前人工作基础上,Watson 和 Crick 于 1953 年提出 DNA 的双螺旋结构模型。
二级结构：两条单链 DNA 通过碱基互补配对的原则，所形成的双螺旋结构。
1、双螺旋结构模型的要点
（1）DNA 分子由两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。
（2）嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆集距离为 0.34nm。磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成 DNA
的骨架。糖环平面与中轴平行。
（3）双螺旋的直径为 2nm,顺轴方向每隔 0.34nm 有一个核苷酸，两个核苷酸之间的夹角为 36°，因此，沿中心轴每转一周有 10个核苷酸。
（4）一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配成对，配对的原则是 A=T，之间形成二个氢键，G 三C，之间形成三个氢键。因此 DNA
的两条链互补。双螺旋结构见图 [P
10
2-4,P
11
2-5]
注,大多数天然 DNA 属双链结构 DNA （dsDNA）, 某些病毒的 DNA是单链 DNA （ssDNA）,
2、稳定双螺旋结构的力
（ 1）碱基堆集力 是层层堆集的芳香族碱基上 N 原子Π电子云交错而形成的一种力，使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开，有利于互补碱基间形成氢键，稳定双螺旋结构。
（ 2）氢键 互补碱基对之间可形成氢键。 DNA 外侧的氧与介质中的水或蛋白质上的 -OH 形成。
（ 3）离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。
其中碱基堆集力是使 DNA 结构稳定的最主要因素。
3,DNA 二级结构的多态性
在多核苷酸链中，脱氧核糖的五员环能折叠成多种构象，此外，分子还可绕 C
－N 糖苷键以及 3′，5′一磷酸二酯键旋转一定的角度，这就使具有同样碱基配对的 DNA 双螺旋可以采取另一些构象，DNA 构象上这种差异称为多态性。
Watson 和 Crick 所描述的 DNA 双螺旋构象现在称为 B 型 DNA，另外还有 A 型和 Z 型等构象类型的 DNA，在一定条件下 B－DNA可转变为 A－DNA 或Z－DNA。
A－DNA,B 型（湿度：92% DNA 钠盐纤维的构象）DNA 脱水时，就转变为 A 型
（湿度：75% DNA 钠盐纤维的构象）,也是由反向的两条多核苷酸链组成右手螺旋。
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每一螺圈含 11 个碱基对，碱基对与中轴的倾角约为 20°，两个核苷酸之间的夹角为 33°。RNA—DNA 杂交双链以及 RNA双螺旋区具有与 A－DNA相似的结构。 （因RNA
无 2—OH
’
）
Z－DNA,Rich 在研究CGCGCG 寡聚体结构时，发现 CGCGCG 有左手螺旋的双螺旋结构，称之为左旋 DNA。因为磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈“Z”字型，又称为
Z－DNA。特点：直径 18nm，螺距4.5nm，每一螺圈含 12 个碱基对，整个分子比较细长而伸展，大沟外凸而变得不明显，小沟则窄而深。
4、三链 DNA
多聚（dA）－多聚（dT）具有类似 B－DNA 的结构，提高其环境中的盐浓度（或降低相对湿度）, 它的双螺旋结构就歧化成三链结构和一条多聚脱氧核苷酸链。 另外，
DNA 的polyPu－polyPy 区段同样可转变为三链结构。
DNA 的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或 RNA 聚合酶与DNA 的结合。
（三）DNA 的三级结构
在细胞中，由于 DNA 与其它分子（如蛋白质）的相互作用，使 DNA 双螺旋进一步扭曲成环状或麻花状的形态，称为 DNA 的三级结构。
多数线形，少数开链环形、闭链环形。 环形进一步扭曲——超螺旋。
二、RNA 的分子结构
（一）RNA 的基本结构
RNA 的一级结构与 DNA 一样，为直线型多核苷酸链，链间也是以 3’，5’-磷酸二酯键彼此连接起来，尽管 RNA 分子中核糖环 2’有羟基，但并不形成 2’，5’-
磷酸二酯键。不同之处是 RNA 的碱基组成没有 DNA 那样的规律，大多数天然 RNA 分子是一条单链，其可以发生分子自身回折，而使互补碱基区形成局部双螺旋区，不能配对的碱基区域则形成突环。 （RNA 中稀有碱基比 DNA 多，往往没有严格的配对规律。 ）
（二）tRNA 的二级结构和三级结构
1,RNA 的二级结构为三叶草形结构、见图（郭 P
16
图 2－ 10）
（1）A-U、G-C 碱基对构成的双螺旋区叫臂；不配对的部分叫环。tRNA 一般由四臂四环构成。
（2）叶柄——aa 臂，3
‘
端：-CCAOH结构，接受氨基酸。
（3）反密码环——中间三个核苷酸组成反密码子。
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（4）左臂——DHU 环
（5）右臂——TΨC 环（含 TΨC 序列）
（6）额外环——反密码环与右臂 TΨC 环之间。它的大小决定着 tRNA 的分子大小
2,tRNA 的三级结构为倒 L 形结构。见图（郭 P
16
图 2－ 11）
（1） 3
‘
-CCAOH 位于 L 的一端
（2） 反密码子位于 L的另一端
（二）rRNA 的结构
基本上都是由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。
（三）mRNA 的结构
mRNA 分子也是呈单链状态，大部分有突环形二级结构。
真核生物 mRNA 的结构有明显特征,
（1） 在 3′－末端有长约 200核苷酸的 polyA
（2） 在5′－末端有一个特殊的 5′－帽子结构：5′m
7
G－5ˊPPP5′－NmP。
而原核生物 mRNA 一般无3′－polyA和 5′－帽子结构。
5′－帽子结构作用,
1,保护作用，抗核酸外切酶水解
2,与蛋白质合成起始有关
3,维持结构，协助核糖体与 mRNA 结合
3′－polyA作用,
CH
3
N
N N
N
OCH
3
O
HH
H
O
H
O
O
OH OH
N
H
H H
H
CH2-O-P-O-P-O-P-O-CH2
O O O
O
--
O
-
O
/
5
/
5
P
=OO-
-
O-
H
H
2
N
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1,保护作用，抗核酸外切酶水解
2,与 mRNA 半寿期有关
3,与 mRNA 转移有关
原核生物 mRNA 一般为多顺反子,一条mRNA 编码多条多肽链。
真核生物 mRNA 一般为单顺反子,一条mRNA 编码一条多肽链。
核小体：直径为 11nm,由组蛋白 H 2A、H 2B、H 3、H 4各两分子组成核心,
DNA 分子链绕组蛋白核心 1 又 3/4 圈，连接两个核小体之间的 DNA 链上结合一个组蛋白 H 1分子。许多核小体由 DNA 链连接成念珠状结构。
第三节 核酸的理化性质及分离提纯
一、一般性质
提纯的 DNA 为白色纤维状固体，RNA 为白色粉末，两者都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。
DNA 分子由于直径小而长度大，因此溶液粘度极高，RNA 分子粘度则小得多。
溶液中的核酸在引力场中可以下沉，沉降速度与分子量和分子构象有关。可用超速离心技术测定核酸的沉降常数（当分子颗粒以恒定速度在溶剂中移动时，即净离心力与摩擦力处于平衡时，单位离心力场的沉降速度为定值，称为沉降常数 S
（Svedberg）,1S=10
-13
秒）和分子量。
核酸是两性电解质,（含碱性基团,磷酸基团）, 因磷酸的酸性强,常表现酸性。
由于核酸分子在一定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可利用电泳进行分离和研究其特性。最常用的是凝胶电泳。
二、紫外吸收性质
核酸在 260nm 附近有最大吸收值，据此特性可定性和定量检测核酸和核苷酸。
蛋白质在 280nm 有一吸收峰，因此利用 OD 260/O D280 比值可判断核酸样品的纯度。
纯 DNA OD 260/ OD280 值=1.8
纯 RNA OD 260/O D280 值=2.0
当 OD 260/ OD280 值>1.8，含 RNA；
OD 260/ OD280 值<1.8 时，含蛋白质和苯酚。
核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少 30－40%，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，此现象称为 DNA 的减色效应。
三、变性、复性与分子杂交
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（一）变性
1、变性的概念,
核酸的变性指核酸双螺旋的氢键断裂（不涉及共价键的断裂）,变成单链，生物活性丧失的过程。
2、变性因素,热力、强酸、强碱、有机溶剂、变性剂、射线、机械力等。
3、变性指标,
（ 1）变性温度（ Tm）,是指引起 DNA 发生变性的温度变化范围的中点，又称熔点。变性作用发生在一个很窄的温度范围之内（爆发式的） 。
Tm 也可以用吸光度值表示,热变性过程中光吸收达到最大吸收 （完全变性） 一半 （双螺旋结构失去一半）时的温度。
Tm 与下列因素有关,
①核酸的均一程度，均一性愈高的样品，变性过程的温度范围愈小。 ②Tm 值与 G－C 含量成正比,（G-C）%=( Tm-69.3)*2.44
③Tm 值与介质离子强度成正比。
（2）增色效应 当DNA分子从双螺旋结构变为单链状态时，它在 260nm处的紫外吸收值便增大，此现象称为增色效应。
（二）复性
变性 DNA 在适当条件下，又可使彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，全过程称为复性。DNA 复性后，许多理化性质、部分生物活性可得到恢复。但将热变性
DNA 骤然降温时,DNA 不能复性，只有在缓慢冷却时，才可复性。
（三）分子杂交
不同来源的 DNA 分子放在一起热变性，然后慢慢冷却，让其复性。若这些异源 DNA 之间有互补或部分互补序列，则复性时会形成“杂交分子” 。 DNA 与互补的
RNA 之间也可以发生杂交。
核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用广泛，例,DNA 探针。
（四）碱解与酸解
四、提取与分离
（一）RNA 的分离
组织 + 苯酚 ——
（二）DNA 的分离
上层（水相） RNA 乙醇 RNA沉淀
下层（苯酚相） DNA,Pr,
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DNA 溶于 1-2M NaCl 不溶于 0.14M NaCl
RNA 溶于 0.14M NaCl
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第一章 核酸化学
第一节 核酸的概念及重要性
第二节 核苷酸
第三节 核酸的分子结构
第四节 核酸的性质及分离提取
第五节 核酸与蛋白质的复合体
生物化学, 核酸化学 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 13 页
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第一节 核酸的概念及重要性
生命的表现形式是蛋白质，但是决定蛋白质和酶结构的却是另一类生物大分子
——核酸。因此，核酸是活细胞中最为关键的组分，它携带着遗传信息，是遗传的物质基础。 1868 年，瑞士科学家 F。 Miescher（学生）从外科绷带上脓的白细胞细胞核中分离出一种富含磷的有机物质，他称之为“核素” 。
一、核酸是生物大分子,
分子量 RNA：几万 ——几百万
DNA,1.6× 10
6
——2.2×10
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二、核酸的基本元素组成,
C,H,O,N,P P 的含量比较稳定，占 9%-10%，通过测定 P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）
三,核酸的种类
核酸
（根据所含糖的不同分类）
其中 tRNA 分子量最小，占总 RNA10%-15%，功能：翻译中携带活化的氨基酸。
mRNA 半寿期最短，占总 RNA5%-10%，功能：是蛋白质合成的模板。
rRNA 含量最多，占总 RNA75%-80%，功能：是蛋白质合成的场所。
四、分布
真核生物 原核生物
DNA 细胞核（ 98%） 细胞质（类核部分）
细胞质（少量） 质粒 DNA
线粒体（少量） 病毒 DNA
叶绿体（少量）等
RNA 细胞质（ 90%） 细胞质
核仁（少量） 病毒 RNA
脱氧核糖核酸（ DNA）
核糖核酸（ RNA）
mRNA(messengerRNA)
rRNA(ribosomal RNA)
tRNA(transfer RNA)
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注：生物细胞都含有 DNA 和 RNA；病毒中要么只含 DNA，要么只含 RNA。
节第二 核苷酸
一,核酸的化学组成
核酸以核苷酸为基本结构单位组成的长链，从核酸连续水解的产物可了解核酸的化学组成概况 。
（一）戊糖
DNA 中含 D—2ˊ —脱氧核糖； RNA 中含 D—核糖。
5ˊ 5ˊ
4ˊ 1ˊ 4ˊ 1ˊ
3ˊ 2ˊ 3ˊ 2ˊ
（二）碱基
1,嘌呤碱 （ Pu）
嘌呤是由嘧啶环和咪唑环并合而成的，核酸中常见的嘌呤碱有两类,
腺嘌呤及鸟嘌呤
N
H
N
N
N
H
CH
NH
2
腺嘌呤
（ Ade）
HN
N
N
N
H
CH
H
2
N
O
鸟嘌呤
（ Gua）
嘌呤和嘧啶（碱基）
核糖或脱氧核糖（戊糖）
核苷（碱基 —戊糖）
磷 酸核苷酸
（碱基 —戊糖 —磷酸）
核 酸
O
H
H OCH
2 OH
H H
OH H
O
H
H OCH
2 OH
H H
OH H
HH
β —D—2ˊ —脱氧核糖 β —D—核糖
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2．嘧啶碱 (Py) 核酸中常见的嘧啶碱有三种,
胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶
除 上述五类基本碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基，稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化碱基。 tRNA 中含有较多的稀有碱基。
二、核苷和核苷酸的形成
（一）核苷的形成
嘌呤（ N
9
-H）或嘧啶（ N
1
-H）与糖（ C
1‘
）上半缩醛羟基脱水缩合而成。
（核苷由戊糖（脱氧戊糖）和碱基缩合而成并以 N-C 糖苷键相连而成的化合物。 ）
核苷分为核糖核苷和脱氧核苷两大类。
N
O N
H
H
H
NH
2
HN
O N
H
H
H
O
H N
N
H
O
O
CH
3
H
胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶
（ Cyt） （ Ura） (Thy)
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
N
N N
NH
2
N
H
HOH
HH
HO CH
2
H
O
NO
N
NH
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H
腺嘌呤核苷（腺苷 A） 胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷 dC）
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RNA 和 DNA 中常见核苷各有四种见表（ p8 表 22） 。
（二）核苷酸的形成
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，常见核苷酸见表（ P8 表 2-3）
核糖上有 3 个自由羟基，可以酯化分别生成 2’-,3’-,5’-核苷酸。
脱氧核糖上只有 2 个自由羟基，可以酯化分别生成 3’-,5’-核苷酸。
生物体中游离的核苷酸大多数都是 5’-核苷酸，核酸降解后可得到 2’-,3’-,5’-核苷酸。
注：核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示，下面是一些稀有核苷。
H
O
H
HO CH
2
H H
OH
OCH
3
H
N
N
NN
N
O
H
HO CH
2
H H
OH OH
N
N N
NH
2
N
CH
3
CH
3
6
N
，
N
6
—二 甲基腺苷（ Am
6
2
） 2ˊ- O –甲基腺苷（Am）
假尿苷（Ψ） 二氢尿嘧啶核苷（ DHU）
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
H
OHOH
HH
HO CH
2
H
O
N
O
HN
H
O
O
NH
HN
O
H
H
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6
三,核苷酸的种类
（一）,核苷一磷酸（简称核苷酸）
含有一个磷酸基团的核苷酸。常见的核苷一磷酸,
RNA 中含有 腺苷酸 AMP DNA 中含有 脱氧腺苷酸 dAMP
鸟苷酸 GMP 脱氧鸟苷酸 dGMP
胞苷酸 CMP 脱氧胞苷酸 dCMP
尿苷酸 UMP 脱氧胸苷酸 dTMP
（二）核苷多磷酸
含有两个或两个以上磷酸基团的核苷酸。
（三）,环式核苷酸
AP
OH
HH
A
O-CH
2
H
O
H
OO= P
O
-
-
O
O= P O
H
O
H
O-CH
2 G
H H
OH
3ˊ,5ˊ — cAMP 3ˊ,5ˊ — cGMP
H
O
H
CH
2
H H
OH
OH
N
N N
NH
2
N
O-P~O-P~O-P-O-
O O O
O- O- O-
AMP
ADP
ATP
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7
第三节 核酸的分子结构
一、核酸中核苷酸的连接方式
一个核苷酸 3’-OH 与另一个核苷酸 5’-H 3PO4脱水形成磷酸二酯键。
二, DNA 的分子结构
（一）DNA 的一级结构
1．一级结构的概念
DNA 分子上核苷酸的排列顺序叫核酸的一级结构。不同的 DNA 分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带不同的遗传信息。
2．DNA 分子中核苷酸的连接方式及表示方法
DNA 分子中四种脱氧核苷酸通过 3ˊ5ˊ— 磷酸二酯键连接起来，形成直线形或环形多核苷酸链。DNA分子的一级结构的表示方法有三种，见图（郭 P10图 2—3）
方向 5
‘
3
’
（ 1） 结构式表示法,
（ 2） 线条式表示法,
（ 3） 文字式表示法,pATCGoH
注,p 在左侧 —— C
5
‘
p在右侧 —— C
3
‘
3．DNA 的碱基组成 — chargaff 规则
在 DNA 分子中主要有 A、T、G、C 四种碱基组成（还有少量稀有碱基，如 5-甲基胞嘧啶和 5-羟甲基胞嘧啶 0。它们在生物体中有某些规律，E.chargaff 等人分析了多种生物 DNA 的碱基组成后发现的，称为
chargaff 规则,
（ 1）同一生物体中，DNA分子中碱基组成
所以A+G=T+C（包括m
5
C）,即：嘌呤碱总和=嘧啶碱总和
（2）有种的特异性，同种生物（各组织、器官）DNA 碱基组成相同，异种生物 DNA
碱基组成差异很大,可用不对称比率 A+T/G+C 的相近程度表示种间亲缘关系的远近。
（ 3）DNA 碱基组成不受年龄，营养状况及环境的影响。 （对维持物种的稳定性起很重要的作用） 。
（二）DNA 的二级结构
1==
C
G
T
A
A=T, G=C
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8
在前人工作基础上,Watson 和 Crick 于 1953 年提出 DNA 的双螺旋结构模型。
二级结构：两条单链 DNA 通过碱基互补配对的原则，所形成的双螺旋结构。
1、双螺旋结构模型的要点
（1）DNA 分子由两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。
（2）嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆集距离为 0.34nm。磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成 DNA
的骨架。糖环平面与中轴平行。
（3）双螺旋的直径为 2nm,顺轴方向每隔 0.34nm 有一个核苷酸，两个核苷酸之间的夹角为 36°，因此，沿中心轴每转一周有 10个核苷酸。
（4）一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配成对，配对的原则是 A=T，之间形成二个氢键，G 三C，之间形成三个氢键。因此 DNA
的两条链互补。双螺旋结构见图 [P
10
2-4,P
11
2-5]
注,大多数天然 DNA 属双链结构 DNA （dsDNA）, 某些病毒的 DNA是单链 DNA （ssDNA）,
2、稳定双螺旋结构的力
（ 1）碱基堆集力 是层层堆集的芳香族碱基上 N 原子Π电子云交错而形成的一种力，使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开，有利于互补碱基间形成氢键，稳定双螺旋结构。
（ 2）氢键 互补碱基对之间可形成氢键。 DNA 外侧的氧与介质中的水或蛋白质上的 -OH 形成。
（ 3）离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。
其中碱基堆集力是使 DNA 结构稳定的最主要因素。
3,DNA 二级结构的多态性
在多核苷酸链中，脱氧核糖的五员环能折叠成多种构象，此外，分子还可绕 C
－N 糖苷键以及 3′，5′一磷酸二酯键旋转一定的角度，这就使具有同样碱基配对的 DNA 双螺旋可以采取另一些构象，DNA 构象上这种差异称为多态性。
Watson 和 Crick 所描述的 DNA 双螺旋构象现在称为 B 型 DNA，另外还有 A 型和 Z 型等构象类型的 DNA，在一定条件下 B－DNA可转变为 A－DNA 或Z－DNA。
A－DNA,B 型（湿度：92% DNA 钠盐纤维的构象）DNA 脱水时，就转变为 A 型
（湿度：75% DNA 钠盐纤维的构象）,也是由反向的两条多核苷酸链组成右手螺旋。
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9
每一螺圈含 11 个碱基对，碱基对与中轴的倾角约为 20°，两个核苷酸之间的夹角为 33°。RNA—DNA 杂交双链以及 RNA双螺旋区具有与 A－DNA相似的结构。 （因RNA
无 2—OH
’
）
Z－DNA,Rich 在研究CGCGCG 寡聚体结构时，发现 CGCGCG 有左手螺旋的双螺旋结构，称之为左旋 DNA。因为磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈“Z”字型，又称为
Z－DNA。特点：直径 18nm，螺距4.5nm，每一螺圈含 12 个碱基对，整个分子比较细长而伸展，大沟外凸而变得不明显，小沟则窄而深。
4、三链 DNA
多聚（dA）－多聚（dT）具有类似 B－DNA 的结构，提高其环境中的盐浓度（或降低相对湿度）, 它的双螺旋结构就歧化成三链结构和一条多聚脱氧核苷酸链。 另外，
DNA 的polyPu－polyPy 区段同样可转变为三链结构。
DNA 的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或 RNA 聚合酶与DNA 的结合。
（三）DNA 的三级结构
在细胞中，由于 DNA 与其它分子（如蛋白质）的相互作用，使 DNA 双螺旋进一步扭曲成环状或麻花状的形态，称为 DNA 的三级结构。
多数线形，少数开链环形、闭链环形。 环形进一步扭曲——超螺旋。
二、RNA 的分子结构
（一）RNA 的基本结构
RNA 的一级结构与 DNA 一样，为直线型多核苷酸链，链间也是以 3’，5’-磷酸二酯键彼此连接起来，尽管 RNA 分子中核糖环 2’有羟基，但并不形成 2’，5’-
磷酸二酯键。不同之处是 RNA 的碱基组成没有 DNA 那样的规律，大多数天然 RNA 分子是一条单链，其可以发生分子自身回折，而使互补碱基区形成局部双螺旋区，不能配对的碱基区域则形成突环。 （RNA 中稀有碱基比 DNA 多，往往没有严格的配对规律。 ）
（二）tRNA 的二级结构和三级结构
1,RNA 的二级结构为三叶草形结构、见图（郭 P
16
图 2－ 10）
（1）A-U、G-C 碱基对构成的双螺旋区叫臂；不配对的部分叫环。tRNA 一般由四臂四环构成。
（2）叶柄——aa 臂，3
‘
端：-CCAOH结构，接受氨基酸。
（3）反密码环——中间三个核苷酸组成反密码子。
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10
（4）左臂——DHU 环
（5）右臂——TΨC 环（含 TΨC 序列）
（6）额外环——反密码环与右臂 TΨC 环之间。它的大小决定着 tRNA 的分子大小
2,tRNA 的三级结构为倒 L 形结构。见图（郭 P
16
图 2－ 11）
（1） 3
‘
-CCAOH 位于 L 的一端
（2） 反密码子位于 L的另一端
（二）rRNA 的结构
基本上都是由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。
（三）mRNA 的结构
mRNA 分子也是呈单链状态，大部分有突环形二级结构。
真核生物 mRNA 的结构有明显特征,
（1） 在 3′－末端有长约 200核苷酸的 polyA
（2） 在5′－末端有一个特殊的 5′－帽子结构：5′m
7
G－5ˊPPP5′－NmP。
而原核生物 mRNA 一般无3′－polyA和 5′－帽子结构。
5′－帽子结构作用,
1,保护作用，抗核酸外切酶水解
2,与蛋白质合成起始有关
3,维持结构，协助核糖体与 mRNA 结合
3′－polyA作用,
CH
3
N
N N
N
OCH
3
O
HH
H
O
H
O
O
OH OH
N
H
H H
H
CH2-O-P-O-P-O-P-O-CH2
O O O
O
--
O
-
O
/
5
/
5
P
=OO-
-
O-
H
H
2
N
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1,保护作用，抗核酸外切酶水解
2,与 mRNA 半寿期有关
3,与 mRNA 转移有关
原核生物 mRNA 一般为多顺反子,一条mRNA 编码多条多肽链。
真核生物 mRNA 一般为单顺反子,一条mRNA 编码一条多肽链。
核小体：直径为 11nm,由组蛋白 H 2A、H 2B、H 3、H 4各两分子组成核心,
DNA 分子链绕组蛋白核心 1 又 3/4 圈，连接两个核小体之间的 DNA 链上结合一个组蛋白 H 1分子。许多核小体由 DNA 链连接成念珠状结构。
第三节 核酸的理化性质及分离提纯
一、一般性质
提纯的 DNA 为白色纤维状固体，RNA 为白色粉末，两者都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。
DNA 分子由于直径小而长度大，因此溶液粘度极高，RNA 分子粘度则小得多。
溶液中的核酸在引力场中可以下沉，沉降速度与分子量和分子构象有关。可用超速离心技术测定核酸的沉降常数（当分子颗粒以恒定速度在溶剂中移动时，即净离心力与摩擦力处于平衡时，单位离心力场的沉降速度为定值，称为沉降常数 S
（Svedberg）,1S=10
-13
秒）和分子量。
核酸是两性电解质,（含碱性基团,磷酸基团）, 因磷酸的酸性强,常表现酸性。
由于核酸分子在一定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可利用电泳进行分离和研究其特性。最常用的是凝胶电泳。
二、紫外吸收性质
核酸在 260nm 附近有最大吸收值，据此特性可定性和定量检测核酸和核苷酸。
蛋白质在 280nm 有一吸收峰，因此利用 OD 260/O D280 比值可判断核酸样品的纯度。
纯 DNA OD 260/ OD280 值=1.8
纯 RNA OD 260/O D280 值=2.0
当 OD 260/ OD280 值>1.8，含 RNA；
OD 260/ OD280 值<1.8 时，含蛋白质和苯酚。
核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少 30－40%，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，此现象称为 DNA 的减色效应。
三、变性、复性与分子杂交
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（一）变性
1、变性的概念,
核酸的变性指核酸双螺旋的氢键断裂（不涉及共价键的断裂）,变成单链，生物活性丧失的过程。
2、变性因素,热力、强酸、强碱、有机溶剂、变性剂、射线、机械力等。
3、变性指标,
（ 1）变性温度（ Tm）,是指引起 DNA 发生变性的温度变化范围的中点，又称熔点。变性作用发生在一个很窄的温度范围之内（爆发式的） 。
Tm 也可以用吸光度值表示,热变性过程中光吸收达到最大吸收 （完全变性） 一半 （双螺旋结构失去一半）时的温度。
Tm 与下列因素有关,
①核酸的均一程度，均一性愈高的样品，变性过程的温度范围愈小。 ②Tm 值与 G－C 含量成正比,（G-C）%=( Tm-69.3)*2.44
③Tm 值与介质离子强度成正比。
（2）增色效应 当DNA分子从双螺旋结构变为单链状态时，它在 260nm处的紫外吸收值便增大，此现象称为增色效应。
（二）复性
变性 DNA 在适当条件下，又可使彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，全过程称为复性。DNA 复性后，许多理化性质、部分生物活性可得到恢复。但将热变性
DNA 骤然降温时,DNA 不能复性，只有在缓慢冷却时，才可复性。
（三）分子杂交
不同来源的 DNA 分子放在一起热变性，然后慢慢冷却，让其复性。若这些异源 DNA 之间有互补或部分互补序列，则复性时会形成“杂交分子” 。 DNA 与互补的
RNA 之间也可以发生杂交。
核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用广泛，例,DNA 探针。
（四）碱解与酸解
四、提取与分离
（一）RNA 的分离
组织 + 苯酚 ——
（二）DNA 的分离
上层（水相） RNA 乙醇 RNA沉淀
下层（苯酚相） DNA,Pr,
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DNA 溶于 1-2M NaCl 不溶于 0.14M NaCl
RNA 溶于 0.14M NaCl
