核酸

第二节 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。

（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。
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。
CH3 N
+
N N O N R
N N
+
N N R
N N N R CH3 N
+
N CH3
+
CH3 O N HN N
NH2 CH3 O N
+
HN H2N N
+
N R
H2N
N R
N R
CH3

在同样条件下，U和T基本上不起反应。应用CH2N2作为 烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。
4．环外氨基的反应

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‚ 。
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

1，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。

2，碱基环的亲电取代反应
由于含氮碱基中的嘌呤环和嘧啶环具有芳香环 的结构特点，因而可以发生环上的亲电取代反 应。 环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的 功能。嘧啶环中反应活性最高的是C5，嘌呤环 中反应活性最高的是C8。

（1）腺嘌呤核苷的溴代
NH2 N N 腺苷 N R N Br Br N N N R 8-溴代腺苷 NH2 N Br CH3ONa NH2NH2 NaN3 8-甲基腺苷 8-肼基腺苷 8-叠氮腺苷
（2）尿嘧啶核苷的氯代
O Cl Cl N R 尿嘧啶核苷 NH O Cl H + N R O NH O Cl H + N R O Cl NH O N R 5-氯尿嘧啶核苷 O NH O


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

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。
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、TC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) TC区 该区与二氢尿嘧啶区相对，各种tRNA在此区均含有TC。 (5)可变区 位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大。

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。
6．环外氧的烷基化反应
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。

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。
O HN NH2NH2 O N R HN O N R O HN NH NH O NH R + H2O HN O N R O NH NH NHNH2 O

此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反 应，因此在核酸分析中有重要应用价值。
3,碱基环氮原子的烷基化反应

在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反 应。 NH2 NH2 NH2
第二节 核
酸的结构
（一） 核酸的分类和组成
一

核酸的分类
核酸分为两大类. 脱氧核糖核酸（DNA） Deoxyribonucleic Acid 核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid。
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。
Ribosome 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。

二

核酸的组成
核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷 酸，它的基本结构单元是核苷酸。 核苷酸本身由核苷和磷酸组成, 而核苷则由戊糖和碱基形成 DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略 有不同。

三、DNA的三螺旋结构

DNA的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通 过DNA单链之间形成氢键实现的。
第三节、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。 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。
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。

NH2 N O N R HONO O N N R N2
+
OH H2O O N N R O HN
O
N R

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。
3．碱基环的亲核加成反应
（1）水解反应 含有羰基的碱基（G、C、T和U），具有酰胺键 的结构特点，因此在碱性条件下，能够发生水 解开环反应。

O HN O N R