第一章 核酸的高级结构

稳定
与氨基酸结合或 以游离状态存在 细胞质
不稳定
与核糖体结合或 单独存在 细胞质
在蛋白质合成 蛋白质合成的场 蛋白质合成的 过程中运输活 所 模板 化的氨基酸
第二节
核酸的化学组成
The Chemical Component of Nucleic Acid
一、 核酸的水解
1、核酸的彻底水解：
水解
磷酸 核苷酸
基本结构

DNA的二级结构
空间结构 DNA的三级结构

一、 DNA的一级结构
概念：
核酸中4种核苷酸的连接及排列顺序。 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。
(一)基因和基因组

基因： DNA 分子中的某一区段，经复制可传给 子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。

基因组（genome ）：一个生物体的全部基因序 列。人的基因组约有30亿bp。

1944年，Avery的转换转化实验
or and
可分离
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。同年， Cech 发现四膜虫 rRNA 前体能够通过自我拼接切除内含子， 表明 RNA 也具有催化功能，称为核酶 (ribozyme), 这是对 “酶一定是蛋白质”传统观点的一次大的冲击。
1983 年 ， Simons 和 Mizuno 等 分 别 发 现 了 反 义
RNA(antisense RNA)，表明RNA还具有调节功能。
1985年， Mullis发明PCR(Polymerase Chain Reaction)
技术,即聚合酶链式反应。此项技术是模仿DNA在生物
体内的自然复制过程,来扩增DNA片段。 1986年，Gilbert提出“ RNA世界”的假说。这一假说 认为，在 40 亿年前的太古代，地球上就已经诞生了 RNA自我复制系统——“RNA世界”。 之后， RNA不但能进行有机物合成，而且还能与原始 地球上出现的蛋白质相互作用，迎来了它们的共生时 代 ——“RNA- 蛋白质世界”，最终逐渐形成原始生命。
第 一 章
核酸的高级结构
第一节
概述
一、核酸的发现和研究历程

1868年，瑞士的一位年轻的科学家 Fridrich Miescher（1844-1895）
从外科绷带上脓细胞的细胞核中分
离出一种有机物质，它的含磷量超 过了当时发现的任何有机化合物，并有很强的酸性，由 于该物质是从细胞核中分离出来的，因此当时就称它为 “核素”（nuclein），Miescher所分离到的核素就是我
(二)原核生物和真核生物DNA一级结构的比较
1.原核生物DNA一级结构的特点

(1)原核生物的基因组小； (2)结构相对简单； (3)基因为连续的DNA片段。
2.真核生物DNA一级结构的特点
(1)大量重复序列：根据重复次数的多少分为：
–高度重复序列：可重复几百万次，多数为小于10bp的短
★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β -型
★碱基平面与核糖平面互相垂直
N-9
N-1
β1’
β1’
腺苷(A)
脱氧胞苷(dC)
β1,N9-糖苷键
β1’,N1-糖苷键
四、 核苷酸的结构与命名
1. 核苷酸 : 核苷（脱氧核苷）和磷酸脱水缩合后生
成的磷酸酯类化合物，以磷酸酯键连接形成。即核 苷的磷酸酯。包括核苷酸和脱氧核苷酸。
—— 磷酸(phosphate)
二. 戊糖和碱基的结构
(一) 戊糖
DNA：戊糖为β -D-2脱氧核糖 RNA：戊糖为β -D-核糖。
HO
CH2 5´ O
OH
HO
CH2 O
OH
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
Base
尿嘧啶
uracil
核糖
Ribose
脱氧核糖
Deoxyribose
腺嘌呤 嘌呤碱
Pyrimidine bases adenine
鸟嘌呤
guanine
2、核酸的化学组成
1）元素组成
C、H、O、N、P（9~10%）
2）分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱、嘧啶碱
—— 戊糖(ribose)：核糖、脱氧核糖
2. 核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）


部位：主要细胞质
功能：参与C内DNA遗传信息的表达。在少数物种如某些病
毒中也可作为遗传信息的载体。
RNA又可根据分子大小和 生物学功能不同，分为: 信使核糖核酸
（messenger RNA，mRNA）
转运核糖核酸
（Transfer RNA，tRNA）
的C-5，上。
3. 5’- 核苷酸又可按其在 5’位缩合的磷酸基 的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核 苷和三磷酸核苷。

4.有些核酸中还含有稀有碱基，这些碱基大多是 在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其
，
它的化学修饰而形成的衍生物。
核苷酸与脱氧核苷酸
5.核苷酸还有环化的形式。它们主要是
含N碱基
嘧啶碱 嘌呤碱
核糖 （戊糖） 脱氧核糖 (脱氧戊糖)
核酸
核苷
戊糖
核酸的基本构成 核酸 核苷酸
Nucleic acid
Nucleotide
胸腺嘧啶
thymine
磷酸
phosphoric acid
核苷
Nucleoside
嘧啶碱
Purine bases
胞嘧啶
cytosine
戊糖
pentose
碱基

3′，5′－环化腺苷酸 (cAMP, adenosine 3′, 5′－cyclic monophosphate)

3′，5′－环化鸟苷酸 (cGMP, guanosine 3′，5′－cyclic monophosphate) 环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着 十分重要的作用。

们今天所指的脱氧核糖核蛋白。

1889 年， Altmann 首先制备了不含蛋白质的核酸制品， 因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所有叫核酸 （nucleic acid）。
后来，研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的 细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，从此“核酸” 这一名称保留并一直沿用至今。
(二) 碱基（base）
NH2
1.嘌呤 (purine)
N
N
N 7 8 9 NH
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
N
NH2
2.嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)

含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体，在生理
pH条件下主要以酮式存在。体内核酸大分子中的碱基 也以酮式存在。

尿嘧啶的互变异构作用如下：
O
O OH
NH
NH
NH
NH
O
酮式
烯醇式
OH
O
注意：嘌呤和嘧啶中均含有共轭双键，因此对
NH2
NH2 NH2
NH2
N
O HO P OH
N O H CH 2 HO CH N ＋ O N2 O O
N O
磷酸酯键
O HO O CH CH P HO 22 OH
O O N N
N
O O
磷酸
OH OH
OH OH
OH
OH
脱氧胞苷(dC)
OH OH
＋ H 2O
核苷酸的分子结构

2.生物体内多为5，-- 核苷酸，即P基团位于糖
5´端
C
6、核苷酸的连接
核酸是由许多单核苷 酸聚合形成的多核苷酸链，
A
没有分支。核苷酸之间以
3’， 5’－磷酸二酯键连 接形成多核苷酸链。核苷 酸链的方向是5’－3’。
3´端 G
5′端

3′，5′- 磷酸二酯键
C
3′， 5′- 磷酸二酯键是
由一个核苷酸的5′位磷酸与另 一个核苷酸的3′-OH 形成的。 A
基因组计划胜利完成。
二、核酸的概念
核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本 组成单位的生物大分子，携带和传递遗 传信息。
三、核酸的种类与分布
根据核酸的化学组成可分为： 1.脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，DNA）


部位：细胞核（98%）、线粒体、叶绿体
功能：是遗传的物质基础。能携带遗传信息，决定C和个 体的基因型。
核酸作为生物体的一种化学物质，早期的研究仅限于它
的化学组成。 虽然早在 20世纪40 年代，人们已经知道 DNA 是由四种核 苷酸组成的多聚体长链，但也只是将它看作细胞中的一 般化学成分，且由于这四种核苷酸比较相像，化学结构 看来也十分简单，因此也没有人注意到它的生物学功能。 当时普遍认为，决定遗传特性的物质是蛋白质。
核糖体核糖核酸
（Ribosomal RNA，rRNA）
rRNA
比例 沉降系数 代谢稳定性 存在形式 存在部位 生理功能 80～82％
原核：5S、16S、 23S； 真核：5S、18S、 28S、5.8S
tRNA
15～16％
4S
mRNA
3～5％
6～25S
稳定
与多种蛋白质形成 核糖核蛋白体，位 于粗面内质网上或 以单体形式存在 细胞质
序列。一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或 RNA ， 可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关。 –中度重复序列：在 DNA 分子中可重复几十次到几千次， 主要rRNA、tRNA基因和某些蛋白质基因属于此类。
–单考贝序列：在整个 DNA 分子中质出现一次或少数几次，
G
3′端
5′端
由相间排列的戊糖和磷酸构成
C
核酸大分子的主链。
代表其特性的碱基则可以看成
是有次序的链接在其主链上的
侧链基团。
主链上的磷酸基是酸性的，在
A
细胞的 pH 条件下带负电荷；而 嘌呤和嘧啶碱基相对不溶于水 G
而具有疏水性质。 3′端
注意： 1. 由于生物体中主要为游 离的 5- 磷酸核糖 ( 即用于 合成核酸的单核苷酸为 5′
5′端
C
核苷酸 ) ，因此，核苷酸链
的合成方向是由5′ 3′。 2.DNA 、 RNA 均 构 成 不 分 支 的线性大分子，其中磷酸 基和 ( 脱氧) 戊糖基构成 DNA 、 RNA 链的骨架，可变部分是 碱基排列顺序。 G A
3′端
第三节
DNA的结构
Structure of DNA

DNA的一级结构:
1944 年， Avery 等人著名的肺炎双球菌转化实验证实 核酸是主要遗传物质。见图 1952年，Hershey等人用同位素标记法研究T2噬菌体的
感染作用，他们用 32P 标记噬菌体的 DNA ，用 35S 标记蛋
白质，然后感染大肠杆菌。结果发现只有 32P-DNA 进入 细菌细胞，35S蛋白质留在细胞外，进一步肯定了DNA的 遗传作用。 1953 年， Watson 和 Crick 确定了 DNA 的双螺旋结构，发 现碱基互补配对原理，同时提出了DNA半保留复制假说。

后来，RNA将大多数催化功能交给更高活性的蛋白质，
将遗传信息传递功能交给了在化学性质上更稳定的
DNA，久而久之，才演变成现在的生物世界，也就是 “DNA世界”。

1990年， 美国政府出资30亿美元，用15年的时间完成 人类基因组计划(human genome project,HGP)。1994 年，中国人类基因组计划启动。2001年，美、英等国 完成人类基因组计划基本框架。2003年4月14日，人类
行缩合，故生成的化学键称为β，N糖苷键由
NH2 N
碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形
成核苷（脱氧核苷）。 • 核苷的表示方法

HO
CH 2
1
O N O
1´
核苷：用单字符号（A, G, U, C）表示 脱氧核苷：在单字符号前加一小写得d
OH OH
（dA,Hale Waihona Puke BaidudG, dT, dC）
★嘧啶碱： C1 —N1，嘌呤碱： C1 —N9。
基础知识

野 生 型 肺 炎 双 球 菌
(Strep-tococcus
荚膜 菌落 毒性 类型 光滑型S 发达 光滑 有 I, II, III I, II
pneumoniae) 菌 落 为 光 滑
两者根本差异在于荚膜形
型，一种突变型为粗糙型， 粗糙型R 无 粗糙 无
成；

荚膜的主要成分是多糖， 具特殊的抗原性； 不同抗原型是遗传的、稳 定的，一般情况下不发生
260nm波长的紫外线有特异吸收峰。
三、核苷的形成

核苷是由戊糖与含氮碱 基经脱水缩合而生成的
化合物（糖苷）。

由碱基和核糖或脱氧核 糖通过糖苷键连接而成。

连接部位：糖的 C-1，嘌 呤-N9，嘧啶-N1。

在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧
核糖的 C1’β- 羟基与嘧啶碱 N1 或嘌呤碱 N9 进