基础生物化学整理资料

第二章 核酸的结构与功能

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。

第一节 核酸的种类，分布与功能 一、核酸的种类和分布

核酸（nucleic acid)分为两种：脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid)ＤＮＡ，核糖核酸(ribonucleic acid)ＲＮＡ 脱氧核糖核酸（DNA）

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。分布在细胞核，叶绿体和线粒体中。细胞核：占95％，叶绿体和线粒体：占5％ 核糖核酸（RNA）

负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小，单链分子。 细胞内分布：细胞质75%，线粒体和叶绿体15％ ，细胞核10％ RNA的分类：转移ＲＮＡ（tRNA)15％，信使ＲＮＡ（mRNA) 5％，核糖体ＲＮＡ（rRAN)80％ 二、核酸的生物学功能

1.ＤＮＡ是主要的遗传物质。

染色体ＤＮＡ分子中的脱氧核苷酸顺序是遗传信息的贮存形式，ＤＮＡ通过复制把全套遗传信息传递给子代ＤＮＡ，通过转录把某些遗传信息传递给ＲＮＡ。 在某些病毒中，ＲＮＡ也是遗传物质。

2. DNA通过复制将遗传信息传递给子代DNA，通过转录将某些遗传信息传递给RNA。 RNA也是遗传物质（少数生物有机体中）

第二节 核酸的化学组成

一、核酸的基本化学组成：碱基、戊糖和磷酸

1.碱基：为含氮的杂环化合物，呈弱碱性，称为碱基。分为两类：嘌呤碱 嘧啶碱 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。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）。 2.戊糖分为两种： 核糖（Ribose）（ RNA组成成份） 脱氧核糖（Doxyribose）（ DNA组成成份） 3. 核酸的第三个组成成分：磷酸

核酸是含磷酸的生物大分子，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与3’，5’-磷酸二酯键的形成，使核苷酸连接成多核苷酸链。DNA平均含磷9.9％，RNA为9.4％----定磷法测核酸含量的基础。

二、戊糖和碱基组成核苷

核苷：是脱氧核糖或核糖与碱基通过β-构 型的Ｃ-Ｎ糖苷键连接而成的糖苷。 三、核酸的基本结构单位－－核苷酸

1. 核苷酸：核苷与磷酸生成的核苷磷酸酯称为核苷酸。 2. 组成核酸的核苷酸种类 组成ＲＮＡ的四种核苷酸：

AMP、GMP、CMP、UMP

戊糖为：核糖 四种碱基为：Ａ Ｇ Ｃ Ｕ 组成ＤＮＡ的四种核苷酸：

dAMP、dGMP、dCMP、dTMP

戊糖为：脱氧核糖 四种碱基为：ＡＧＣＴ

第三节 核酸的分子结构 一、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） DNA 的一级结构

定义：DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。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。 1 连接键－－ 3′-5′磷酸二酯键 2 方向性：5′→3′。

（二） DNA的二级结构

1.DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)，DNA双螺旋结构特征及意义 2.DNA双螺旋的多态性

1. DNA的二级结构－－双螺旋结构(Watson-Crick模型)

定义： DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构，即线状或环状双链DNA的两条链相互围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构（构象）。

Watson 和 Crick 于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA 的二级结构。 2.DNA双螺旋结构模型的要点 DNA双螺旋结构模型的要点Ⅰ：为反平行双链右手螺旋，其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。

双螺旋结构模型的要点：螺旋直径约为2 nm，相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10.5个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）高度为3.6 nm。 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行 双螺旋结构模型的要点Ⅱ：

两链靠氢键结合。碱基的之间具有严格的配对规律，即A与T配对，G与C配对，这种配对关系，称为碱基配对互补原则。 Ａ＝Ｔ Ｇ＝Ｃ A+G=C+T 思考题：

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？ A=T 15.1% G=C 39.9%

双螺旋结构模型的要点Ⅲ：双螺旋的两条链是互补关系。一条链是另一条链的互补链。 双螺旋结构模型的要点Ⅳ：疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。大沟和小沟交替出现。 3.DNA的双螺旋结构稳定因素 氢键

碱基堆集力（最主要因素）

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

4.DNA双螺旋的不同构象 （三）DNA的三级结构

在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。

（四） 实例：超螺旋染色体（ chromosome） 小结：DNA 的分子结构

（一）DNA 的一级结构（核苷酸排列顺序），（二）DNA 的二级结构（双螺旋结构） （三）DNA 的三级结构（超螺旋）

二、 RNA的分子结构 （一）RNA的一级结构

RNA分子中各核苷酸（AMP, GMP, CMP, UMP ) 之间排列顺序叫做RNA的一级结构。 1 连接键－－ 3′-5′磷酸二酯键 2 方向性：5′→3′。

RNA分类：转移RNA（tRNA），核糖体RNA（rRNA），信使RNA（mRNA），不均一核RNA（hnRNA）mRNA的前体，小核RNA（snRNA）参与RNA的转录后加工

(二）tRNA 约占总RNA的10-15% ，分子最小。它在蛋白质生物合成中，将相应的氨基酸转运到核糖体，参与蛋白质体的合成。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 1、tRNA的一级结构

定义：指tRNA分子中核苷酸的排列顺序。具有tRNA一级结构的共性。

tRNA 一级结构的特征：a.核苷酸数在74~93之间，沉降系数为4S左右；b.5'端为pG-； c.3'端均为CCA—OH,可与氨基酸相连；d有恒定核苷酸： U8 、G18 、 G19； e含稀有碱基较多，多数是A、U、C、G的甲基化衍生物。 例：二氢尿苷（D），假尿苷（ψ ），次黄嘌呤核苷（I） 2. tRNA二级结构特征：

通过A与U配对，G与C配对， tRNA单链通过自身折叠形成一种形状象三叶草的茎环结构。四茎（可配对部分）四环（无法配对部分）

氨基酸茎 包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，由7对核苷酸组成，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是-C-C-AOH，此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。 反密码子环 与氨基酸臂相对的一般含有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子。

反密码子与mRNA的密码子反平行配对结合。

二氢尿嘧啶环（DHU环） 该区含有二氢尿嘧啶（D），功能不明。

氨基酸茎 包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，由7对核苷酸组成，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是-C-C-AOH，此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。

3. tRNA三级结构 特征：指tRNA 的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成一种形状象倒写L字母的三维结构，称为倒L型结构。 tRNA倒L型结构的基本特征： （1）结构特征：

氨基酸接受茎和TψC茎组成一个螺旋；D茎和反密码子茎组成另一个螺旋； TψC环和D环构成“L”的拐角

“L”的一端是氨基酸接受茎（－CCA）；另一端是反密码子环。

（2）稳定tRNA三级结构的主要因素：氢键：二级氢键、三级氢键；碱基堆积力。 tRNA三级结构与功能的关系：

（3）氨基酸接受茎的“－CCA”与其它部位的相互作用不强，可以引起构象变化。 （4）L型分子的中部的核苷酸数目和种类变化大，可能是氨酰－tRNA合成酶的识别和结合

部位。

tRNA形成三级结构后才具有特定的生物活性（功能） 小结：tRNA的结构

tRNA一级结构：核苷酸排列顺序 tRNA二级结构：三叶草型 tRNA三级结构：倒Ｌ型

（三）rRNA

约占全部RNA的80%。

rRNA是核糖核蛋白体的主要组成部分，其功能与蛋白质生物合成相关。 rRNA一级结构特征：

具有RNA一级结构的共性，即主要由ＡＧＣＵ四种核苷酸通过3′-5′磷酸二酯键相连形成。 rRNA二级结构特征：单链自身折叠形成的茎环结构，在可以配对的部位进行碱基配对并形成螺旋，在不能配对的部位形成突环。 (四）mRNA的分子结构

mRNA是蛋白质生物合成的模板，单链分子，分子大小不一相差很大。

对mRNA的一级结构研究和了解较多，而对mRNA二级结构和三级结构研究和了解较少。 重点：mRNA一级结构 mRNA的一级结构：

具有RNA一级结构的共性：主要由ＡＧＣＵ四种核苷酸通过3′-5′磷酸二酯键相连形成。 原核生物mRNA一级结构特征：

先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列 顺反子：通过顺反测验鉴定的遗传功能单位，相当于决定一个多肽链的核苷酸顺序加上翻译的起始和终止信号，等同于“基因” 真核生物mRNA一级结构特征： “帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+单顺反子+“尾巴”（Poly A） 真核生物mRNA特征：①单顺反子 ② 5?端 “帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p） 功能：（1）封闭mRNA的5?端，防止降解（2）作为mRNA与核糖体结合的信号（无帽子结构的mRNA不能与核糖体紧密结合）（3）可能与蛋白质合成起始有关 原核生物和真核生物的mRNA在结构上的区别： (1)原核生物是多顺反子；真核生物是单顺反子。 (2)真核生物在5?端有一个帽子结构

(3)真核生物在3?端有一个多聚腺苷酸尾巴。 本节总结：DNA的一级，二级结构； tRNA的一级，二级和三级结构；

原核生物和真核生物mRNA一级结构的区别；

第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术 一、一般物理性质

1.晶形: DNA为白色纤维状固体； RNA为白色粉末状固体。 2.粘度：DNA﹥﹥RNA

3.溶解性：微溶于水，加碱促进溶解。不溶于有机溶剂，因此常用有机溶剂来沉淀。 4.沉降特性: 其沉降速度与核酸大小和密度有关。 二、核酸的两性解离

两性电解质：指既可以与酸反应生成水和盐，又可以与碱反应生成水和盐的电解质 。 核酸：（1）含有磷酸基团，可与碱反应（2）含有碱基，可与酸反应；

等电点（pI）在某一定pH值时，某特定分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值，即该分子的等电点(pI)。 应用：采用沉淀法纯化核酸 采用电泳法分离核酸

三、DNA的紫外吸收光谱（λmax=260nm）核酸在260ｎｍ处有特征吸收峰。 四、核酸的变性与复性 1. 核酸的变性

（1）天然核酸在物理化学因素作用下，有规则的双螺旋结构被打开，转变成无规则的单链，使核酸的物理化学性质发生改变，生物活性丧失，这种现象称为变性。 （2）变性的实质：有序的双螺旋变成无序的单链，但不破坏一级结构。

（3）变性的表观：粘度下降；密度加大，沉降速度加快；全部或部分活性丧失；A260增加：增色效应（定义：p30）

增色效应的实质：变性使碱基暴露出来 1天然DNA 2变性DNA

3核苷酸总吸收值

（4）DNA的热变性与熔解温度（Tm） 用加热的方法使DNA变性称热变性。

熔解温度（Tm）通常把热变性过程中A260达到最大值一半(即DNA变性达50％）时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。 Tm=70~85℃ Tm∝（G+C）含量

2.核酸的复性（1）定义：在一定条件下，变性的DNA 单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构Ａ260降低，DNA的功能恢复。（2）减色效应：当变性的呈单链状态的DNA, 经复性又重新形成双螺旋时，其Ａ260减少，这种现象称减色效应。 减色效应的实质：碱基重新被包埋在双螺旋结构中 五、酸解和碱解

降解：3?,5?-磷酸二酯键被打断（破坏一级结构） 酸解：中强度的酸能部分降解DNA和RNA

碱解：ＲＮＡ易被稀碱降解，ＤＮＡ不会发生碱解

本节总结：重点：核酸的两性性质，核酸变性与复性，核酸的紫外吸收 第六节 DNA研究进展

大规模基因组测序的两个支撑技术 Sanger双脱氧末端终止法，PCR 技术 问答题

DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。 DNA双螺旋结构有些什么基本特点？ tRNA的结构有何特点？有何功能？ DNA和RNA的结构有何异同？ 计算（1）分子量为的双股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，增色效应和减色效应，Tm， cAMP， Chargaff定律

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