第一章 核酸
核酸构件分子的结构特点、代号；
DNA分子结构特点、稳定力、三级结构特点及有关概念；
掌握 RNA分子结构特点、类型；
了解核酸的重要理化性质及应用。
目的要求
第一节 核酸的种类、分布和化学组成
第二节 DNA的分子结构与功能
第三节 RNA的分子结构与功能
第四节 核酸的理化性质及应用内容第一节 核酸的种类、分布和化学组成
概念：是一类重要的生物大分子，在生物体内负责生命信息的储存和传递。
核酸就是由很多核苷酸通过共价键聚合形成的多聚核苷酸。
—— 3',5 '-磷酸二酯键
重要性：
(1) DNA是主要遗传物质
(2) RNA的功能多样性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,
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)
一、核酸的生物学功能肺炎球菌转化实验图解
III S型细胞
（有毒） 破碎细胞 DNA
II R型细胞
（无毒）
S（ 光滑）
R（ 粗糙）
II R型细胞接受 III S型 DNADNAase
降解后的 DNA
只有 II R型 少数 II R型细胞被转化产生 III S型荚膜大多数仍为 II R型
R RS
Diverse is beautiful!
二、核酸的分类及分布
90%以上分布于细胞核,其余分布于核外 如线粒体,叶绿体,质粒等 。
分布于胞核、胞液。
(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遗传信息的表达。某些病毒 RNA也可作为遗传信息的载体。
各种 RNA的功能
tRNA,识别密码子，携带氨基酸
mRNA,蛋白质合成的模板。
rRNA,作为核糖体的重要组成成分参与蛋白质的生物合成。
三、核酸的化学组成
核 酸
（ RNA,DNA）
核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（ RNA）
脱氧核糖（ DNA）
A,G,C,U
A,G,C,T
元素组成 C,H,O,N,P
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)
(一 )戊 糖
（构成 RNA）
1′
2′3′
4′
5′
O H
O
CH
2
OH
O H O H
核糖 (ribose)
（构成 DNA）
O H
O
CH
2
OH
O H
脱氧核糖 (deoxyribose)
嘌呤 (purine)
N
N
N H
N
1
2
3
4
5
67
8
9
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)
（二） 碱 基
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
（三）核 苷
核苷：戊糖与嘌呤或嘧啶碱以 糖苷键连接就称为核苷。
通常是戊糖的 C1′ － OH与嘌呤碱的 N9－
H或嘧啶碱的 N1－ H脱水 分别形成 C1′ － N9
和 C1′ － N1糖苷键。（包括核苷和脱氧核苷）
DNA中为,dA,dG,dC,dT
RNA中为,A,G,C,U
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
2
如果是存在于 DNA中的脱氧核苷则 2’位则是 H而不是 OH。
+戊糖+ 碱基 = 核苷酸磷酸
（四）核苷酸和稀有核苷酸核苷酸：核苷与磷酸以酯键连接就称为核苷酸。即核苷中戊糖的 C5’－ OH中的 H与磷酸的 － OH脱水形成的磷酸酯键。
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 酸腺嘌呤核苷酸（ AMP） 脱氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP）
鸟苷酸（ GMP）
胞苷酸（ CMP）
尿苷酸（ UMP）
脱氧鸟苷酸（ dGMP）
脱氧胞苷酸（ dCMP）
脱氧胸苷酸（ dTMP）
核苷酸 脱氧核苷酸修饰碱基
有些核酸中还含有 修饰碱基 或 稀有碱基,
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 或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。
如 5-甲基胞嘧啶 (m5C),5-羟甲基胞嘧啶
hm5C； RNA中以 tRNA含修饰碱基最多，如
1-甲基腺嘌呤 (m1A),2,2-二甲基鸟嘌呤
(m22G)和 5,6-二氢尿嘧啶 (DHU)等。
5
OH
假尿苷（ ψ ）
次黄苷（肌苷） I
黄嘌呤核苷 X
二氢尿嘧啶核苷 D
NDP
NTP
NMP
dNDP
dNTP
dNMP
A G C U A G C T
核苷酸的衍生物
NMP＋ pi NDP＋ H2O
NDP ＋ pi NTP ＋ H2O
ATP,能量的通用货币（高能磷酸键）
环化核苷酸,
cAMP cGMP
3′,5′ - 环腺苷酸 3′,5′ - 环鸟苷酸第二信使辅酶,NAD+,NADP＋,FAD,CoA
参与酶促反应
NADP+NAD+
第二节 DNA的分子结构
一,DNA的一级结构
二,DNA的二级结构
三,DNA的三级结构一,一级结构特征
1、定义,指 DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序。
2、一级结构特征,
（ 1）由 dNMP构成，以 3',5 '-磷酸二酯键 连接
（ 2）方向,5 ' p — 3 ' -OH
（ 3） 表示方法：
①结构表示法,
②线条式表示法,
○ N ○ N ○ N ○ N
5 ’ P P P P OH 3’
③字母表示法,
5 ’ pApGpCpTpGpC 3’
5′ 端
3′端
C
G
A
A G
P5? P
T
P
G
P
C
P
T
P OH 3?
3、书写方法
5? pApCpTpGpCpT-OH 3?
5? A C T G C T 3?
核酸中核苷酸的排列顺序。
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。
—— 生物的多样性
5′ 端
3′端
C
G
A
二,DNA的二级结构
1,DNA二级结构提出的主要证据
2,DNA双螺旋结构的主要特点
3、维持双螺旋结构的主要作用力
4、双螺旋结构的多态性
DNA的二级结构 —— 双螺旋结构（ B型）
新西兰物理学家威尔金斯
1945 年转向生物学英国物理学家克里克 1947 或 1949
年由粒子物理转向生物学在 芝加哥大学学习生物学的沃森开始了对生命遗传奥秘的兴趣 Crick
Watson
Wilkins
19 51 年，沃森到克里克所在的卡文迪什实验室，在威尔金斯等的 X 射线衍射分析资料的基础上，于 19 53 年提出 DNA 双螺旋分子结构模型
—— 1 96 2 年获诺贝尔生理学或医学奖
1,DNA二级结构提出的主要证据
（ 1） Chargaff定则：
① [A]=[T]； [G]=[C]； [A+G]=[T+C]
② DNA的碱基组成具有种的特异性不对称比率（ =A+T/G+C） 可以表示各物种亲缘关系的远近
（ 2）碱基互补配对原则：
A=T； G≡ C
（ 3） χ 射线衍射法：
1952年,Wilkins得到了高度定向的
DNA纤维
2,DNA的双螺旋结构
特征：
① 两条 脱氧核苷酸链以 反向平行 的方式围绕同一中心轴 向右 盘绕
②主链处于螺旋的外侧（核糖 +磷酸）亲水核糖平面与螺旋轴平行碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直
③螺距,10bp 3.4nm 360° d=2nm
④ 大沟与小沟：
蛋白质识别 DNA的特定遗传信息的关键点
⑤ 碱基互补配对 A=T； G≡ C
3、维持双螺旋结构稳定的因素
（ 1）氢键,A=T； G≡ C
（ 2） 碱基堆积力
（ 3）离子键
TA GC
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 。
4、双螺旋结构的多态性三,DNA的三级结构
定义：双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。
正超螺旋盘绕方向与 DNA双螺旋方同相同
负超螺旋盘绕方向与 DNA双螺旋方向相反 扭拮、超螺旋等。
原核双链环状
DNA
（ dcDNA）
真核 双链线性 DNA（ dsDNA）
DNA
在真核生物细胞中存在意义
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。
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 。
基因从结构上定义,是指 DNA分子中的特定区段,其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能 。
第三节 RNA的分子结构
RNA的分布、分类及功能
mRNA的结构与功能
tRNA的结构与功能
rRNA的结构与功能
其它小分子 RNA
一,RNA的分布、分类及功能
1,tRNA（ 转移核糖核酸）
2,mRNA（ 信使核糖核酸）
3,rRNA（ 核糖体核糖核酸）
分布：大量存在于细胞质中功能：在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用特点：稀有核苷酸较多分布：细胞核及细胞质功能：作为蛋白质合成模板特点：寿命较短分布：大多存在于细胞质中功能：与核蛋白形成核糖体，作为蛋白质合成的场所特点：数量最多
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
RNA的一级结构
定义,RNA的一级结构是指以
3’,5’ -磷酸二酯键连接成的多核苷酸链。
特点：
（ 1）单链
（ 2）,发夹,形结构
（ 3）阅读方向,5’ — 3’
二,mRNA的结构与功能
1、原核生物 mRNA的结构特点,多顺反子结构
2、真核生物 mRNA的结构特点：
①单顺反子结构，只能编码一条多肽链
② 3’ -端具有 polyA结构 不是由 DNA编码的防止 mRNA被核酸酶水解核质转运有关
③ mRNA的 5’ 端有一个,帽子,结构 — m7G5’pppN
防止核酸外切酶对 mRNA的降解识别起始点（核糖体识别 mRNA ）
hnRNA
内含子
(intron)
mRNA
* mRNA成熟过程外显子
(exon)
帽子结构
mRNA核内向胞质的转位
mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和 多聚 A尾的功能
* 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
* 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
二、转运 RNA的结构与功能
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
* 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
tRNA的二级结构特征
氨基酸接受区,3′ -末端的最后 3个核苷酸残基都是 CCA。氨基酸可与其成酯，蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。
反密码区：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子
二氢尿嘧啶区：该区含有二氢尿嘧啶。
T?C区：各种 tRNA在此区均含有 T?C。
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。
* 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 。
* rRNA的结构三、核蛋白体 RNA的结构与功能
* rRNA的功能参与组成核蛋白体,作为蛋白质生物合成的场所 。
* rRNA的种类（根据沉降系数）
真核生物
5S rRNA
28S rRNA
5.8S rRNA
18S rRNA
原核生物
5S rRNA
23S rRNA
16S rRNA
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%
四,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
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。
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 节一、溶解度、粘度
（一）溶解度：
DNA,白色纤维状固体
RNA,白色粉末微溶于水、不溶于有机溶剂
（二）粘度：
DNA,线性分子、分子量大 — 粘度大
RNA,分子量较小 — 粘度小
（二）光学性质
1、光吸收：
紫外吸收波段,240~290nm
最大吸收峰,260nm
2,变性后的光学性质：
（ 1）增色效应：
与天然 DNA相比，变性 DNA
因其双螺旋结构破坏，使碱基充分外露，因此，紫外吸收增加，这种现象叫 ~。
（ 2）减色效应：
若变性 DNA复性形成双螺旋结构后，其紫外吸收降低，
这种现象叫 ~。
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
判断核酸样品的纯度
DNA纯品,OD260/OD280 = 1.8
RNA纯品,OD260/OD280 = 2.0
OD260的应用二,DNA的变性 (denaturation)
定义,在某些理化因素作用下,DNA双链解开成两条单链的过程。
方法,过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。
变性后其它理化性质变化：
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
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：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 。
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 。
DNA的熔解温度
Tm,增色效应达到一半时的温度或 DNA双螺旋结构失去一半时的温度称为熔解温度（ Tm）
影响 Tm的因素：
① DNA的均一性
② G,C的含量
③ 介质中的离子强度：低浓度介质中,Tm值低,范围宽三,DNA的复性与分子杂交
DNA复性 (renaturation)的定义在适当条件下，变性 DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为 复性 。
减色效应
DNA复性时，其溶液 OD260降低。
热变性的 DNA经缓慢冷却后即可复性，
这一过程称为 退火 (annealing) 。
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 。 这种现象称为核酸分子杂交 。
核酸分子杂交 (hybridization)
DNA-DNA
杂交双链分子变性 复性不同来源的
DNA分子
研究 DNA分子中某一种基因的位置
鉴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核酸分子杂交的应用本章内容结束
The end
核酸构件分子的结构特点、代号；
DNA分子结构特点、稳定力、三级结构特点及有关概念；
掌握 RNA分子结构特点、类型；
了解核酸的重要理化性质及应用。
目的要求
第一节 核酸的种类、分布和化学组成
第二节 DNA的分子结构与功能
第三节 RNA的分子结构与功能
第四节 核酸的理化性质及应用内容第一节 核酸的种类、分布和化学组成
概念：是一类重要的生物大分子，在生物体内负责生命信息的储存和传递。
核酸就是由很多核苷酸通过共价键聚合形成的多聚核苷酸。
—— 3',5 '-磷酸二酯键
重要性：
(1) DNA是主要遗传物质
(2) RNA的功能多样性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,
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)
一、核酸的生物学功能肺炎球菌转化实验图解
III S型细胞
（有毒） 破碎细胞 DNA
II R型细胞
（无毒）
S（ 光滑）
R（ 粗糙）
II R型细胞接受 III S型 DNADNAase
降解后的 DNA
只有 II R型 少数 II R型细胞被转化产生 III S型荚膜大多数仍为 II R型
R RS
Diverse is beautiful!
二、核酸的分类及分布
90%以上分布于细胞核,其余分布于核外 如线粒体,叶绿体,质粒等 。
分布于胞核、胞液。
(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遗传信息的表达。某些病毒 RNA也可作为遗传信息的载体。
各种 RNA的功能
tRNA,识别密码子，携带氨基酸
mRNA,蛋白质合成的模板。
rRNA,作为核糖体的重要组成成分参与蛋白质的生物合成。
三、核酸的化学组成
核 酸
（ RNA,DNA）
核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（ RNA）
脱氧核糖（ DNA）
A,G,C,U
A,G,C,T
元素组成 C,H,O,N,P
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)
(一 )戊 糖
（构成 RNA）
1′
2′3′
4′
5′
O H
O
CH
2
OH
O H O H
核糖 (ribose)
（构成 DNA）
O H
O
CH
2
OH
O H
脱氧核糖 (deoxyribose)
嘌呤 (purine)
N
N
N H
N
1
2
3
4
5
67
8
9
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)
（二） 碱 基
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
（三）核 苷
核苷：戊糖与嘌呤或嘧啶碱以 糖苷键连接就称为核苷。
通常是戊糖的 C1′ － OH与嘌呤碱的 N9－
H或嘧啶碱的 N1－ H脱水 分别形成 C1′ － N9
和 C1′ － N1糖苷键。（包括核苷和脱氧核苷）
DNA中为,dA,dG,dC,dT
RNA中为,A,G,C,U
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
2
如果是存在于 DNA中的脱氧核苷则 2’位则是 H而不是 OH。
+戊糖+ 碱基 = 核苷酸磷酸
（四）核苷酸和稀有核苷酸核苷酸：核苷与磷酸以酯键连接就称为核苷酸。即核苷中戊糖的 C5’－ OH中的 H与磷酸的 － OH脱水形成的磷酸酯键。
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 酸腺嘌呤核苷酸（ AMP） 脱氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP）
鸟苷酸（ GMP）
胞苷酸（ CMP）
尿苷酸（ UMP）
脱氧鸟苷酸（ dGMP）
脱氧胞苷酸（ dCMP）
脱氧胸苷酸（ dTMP）
核苷酸 脱氧核苷酸修饰碱基
有些核酸中还含有 修饰碱基 或 稀有碱基,
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 或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。
如 5-甲基胞嘧啶 (m5C),5-羟甲基胞嘧啶
hm5C； RNA中以 tRNA含修饰碱基最多，如
1-甲基腺嘌呤 (m1A),2,2-二甲基鸟嘌呤
(m22G)和 5,6-二氢尿嘧啶 (DHU)等。
5
OH
假尿苷（ ψ ）
次黄苷（肌苷） I
黄嘌呤核苷 X
二氢尿嘧啶核苷 D
NDP
NTP
NMP
dNDP
dNTP
dNMP
A G C U A G C T
核苷酸的衍生物
NMP＋ pi NDP＋ H2O
NDP ＋ pi NTP ＋ H2O
ATP,能量的通用货币（高能磷酸键）
环化核苷酸,
cAMP cGMP
3′,5′ - 环腺苷酸 3′,5′ - 环鸟苷酸第二信使辅酶,NAD+,NADP＋,FAD,CoA
参与酶促反应
NADP+NAD+
第二节 DNA的分子结构
一,DNA的一级结构
二,DNA的二级结构
三,DNA的三级结构一,一级结构特征
1、定义,指 DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序。
2、一级结构特征,
（ 1）由 dNMP构成，以 3',5 '-磷酸二酯键 连接
（ 2）方向,5 ' p — 3 ' -OH
（ 3） 表示方法：
①结构表示法,
②线条式表示法,
○ N ○ N ○ N ○ N
5 ’ P P P P OH 3’
③字母表示法,
5 ’ pApGpCpTpGpC 3’
5′ 端
3′端
C
G
A
A G
P5? P
T
P
G
P
C
P
T
P OH 3?
3、书写方法
5? pApCpTpGpCpT-OH 3?
5? A C T G C T 3?
核酸中核苷酸的排列顺序。
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。
—— 生物的多样性
5′ 端
3′端
C
G
A
二,DNA的二级结构
1,DNA二级结构提出的主要证据
2,DNA双螺旋结构的主要特点
3、维持双螺旋结构的主要作用力
4、双螺旋结构的多态性
DNA的二级结构 —— 双螺旋结构（ B型）
新西兰物理学家威尔金斯
1945 年转向生物学英国物理学家克里克 1947 或 1949
年由粒子物理转向生物学在 芝加哥大学学习生物学的沃森开始了对生命遗传奥秘的兴趣 Crick
Watson
Wilkins
19 51 年，沃森到克里克所在的卡文迪什实验室，在威尔金斯等的 X 射线衍射分析资料的基础上，于 19 53 年提出 DNA 双螺旋分子结构模型
—— 1 96 2 年获诺贝尔生理学或医学奖
1,DNA二级结构提出的主要证据
（ 1） Chargaff定则：
① [A]=[T]； [G]=[C]； [A+G]=[T+C]
② DNA的碱基组成具有种的特异性不对称比率（ =A+T/G+C） 可以表示各物种亲缘关系的远近
（ 2）碱基互补配对原则：
A=T； G≡ C
（ 3） χ 射线衍射法：
1952年,Wilkins得到了高度定向的
DNA纤维
2,DNA的双螺旋结构
特征：
① 两条 脱氧核苷酸链以 反向平行 的方式围绕同一中心轴 向右 盘绕
②主链处于螺旋的外侧（核糖 +磷酸）亲水核糖平面与螺旋轴平行碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直
③螺距,10bp 3.4nm 360° d=2nm
④ 大沟与小沟：
蛋白质识别 DNA的特定遗传信息的关键点
⑤ 碱基互补配对 A=T； G≡ C
3、维持双螺旋结构稳定的因素
（ 1）氢键,A=T； G≡ C
（ 2） 碱基堆积力
（ 3）离子键
TA GC
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 。
4、双螺旋结构的多态性三,DNA的三级结构
定义：双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。
正超螺旋盘绕方向与 DNA双螺旋方同相同
负超螺旋盘绕方向与 DNA双螺旋方向相反 扭拮、超螺旋等。
原核双链环状
DNA
（ dcDNA）
真核 双链线性 DNA（ dsDNA）
DNA
在真核生物细胞中存在意义
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。
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 。
基因从结构上定义,是指 DNA分子中的特定区段,其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能 。
第三节 RNA的分子结构
RNA的分布、分类及功能
mRNA的结构与功能
tRNA的结构与功能
rRNA的结构与功能
其它小分子 RNA
一,RNA的分布、分类及功能
1,tRNA（ 转移核糖核酸）
2,mRNA（ 信使核糖核酸）
3,rRNA（ 核糖体核糖核酸）
分布：大量存在于细胞质中功能：在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用特点：稀有核苷酸较多分布：细胞核及细胞质功能：作为蛋白质合成模板特点：寿命较短分布：大多存在于细胞质中功能：与核蛋白形成核糖体，作为蛋白质合成的场所特点：数量最多
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
RNA的一级结构
定义,RNA的一级结构是指以
3’,5’ -磷酸二酯键连接成的多核苷酸链。
特点：
（ 1）单链
（ 2）,发夹,形结构
（ 3）阅读方向,5’ — 3’
二,mRNA的结构与功能
1、原核生物 mRNA的结构特点,多顺反子结构
2、真核生物 mRNA的结构特点：
①单顺反子结构，只能编码一条多肽链
② 3’ -端具有 polyA结构 不是由 DNA编码的防止 mRNA被核酸酶水解核质转运有关
③ mRNA的 5’ 端有一个,帽子,结构 — m7G5’pppN
防止核酸外切酶对 mRNA的降解识别起始点（核糖体识别 mRNA ）
hnRNA
内含子
(intron)
mRNA
* mRNA成熟过程外显子
(exon)
帽子结构
mRNA核内向胞质的转位
mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和 多聚 A尾的功能
* 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
* 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
二、转运 RNA的结构与功能
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
* 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
tRNA的二级结构特征
氨基酸接受区,3′ -末端的最后 3个核苷酸残基都是 CCA。氨基酸可与其成酯，蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。
反密码区：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子
二氢尿嘧啶区：该区含有二氢尿嘧啶。
T?C区：各种 tRNA在此区均含有 T?C。
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。
* 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 。
* rRNA的结构三、核蛋白体 RNA的结构与功能
* rRNA的功能参与组成核蛋白体,作为蛋白质生物合成的场所 。
* rRNA的种类（根据沉降系数）
真核生物
5S rRNA
28S rRNA
5.8S rRNA
18S rRNA
原核生物
5S rRNA
23S rRNA
16S rRNA
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%
四,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
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。
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 节一、溶解度、粘度
（一）溶解度：
DNA,白色纤维状固体
RNA,白色粉末微溶于水、不溶于有机溶剂
（二）粘度：
DNA,线性分子、分子量大 — 粘度大
RNA,分子量较小 — 粘度小
（二）光学性质
1、光吸收：
紫外吸收波段,240~290nm
最大吸收峰,260nm
2,变性后的光学性质：
（ 1）增色效应：
与天然 DNA相比，变性 DNA
因其双螺旋结构破坏，使碱基充分外露，因此，紫外吸收增加，这种现象叫 ~。
（ 2）减色效应：
若变性 DNA复性形成双螺旋结构后，其紫外吸收降低，
这种现象叫 ~。
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
判断核酸样品的纯度
DNA纯品,OD260/OD280 = 1.8
RNA纯品,OD260/OD280 = 2.0
OD260的应用二,DNA的变性 (denaturation)
定义,在某些理化因素作用下,DNA双链解开成两条单链的过程。
方法,过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。
变性后其它理化性质变化：
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
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：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 。
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 。
DNA的熔解温度
Tm,增色效应达到一半时的温度或 DNA双螺旋结构失去一半时的温度称为熔解温度（ Tm）
影响 Tm的因素：
① DNA的均一性
② G,C的含量
③ 介质中的离子强度：低浓度介质中,Tm值低,范围宽三,DNA的复性与分子杂交
DNA复性 (renaturation)的定义在适当条件下，变性 DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为 复性 。
减色效应
DNA复性时，其溶液 OD260降低。
热变性的 DNA经缓慢冷却后即可复性，
这一过程称为 退火 (annealing) 。
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 。 这种现象称为核酸分子杂交 。
核酸分子杂交 (hybridization)
DNA-DNA
杂交双链分子变性 复性不同来源的
DNA分子
研究 DNA分子中某一种基因的位置
鉴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核酸分子杂交的应用本章内容结束
The end
