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核酸化学. DNA 与 RNA 的结构. 生物化学. 核 酸. 核酸概述. 核酸的化学组成. 核酸的分子结构. 核 酸. 【 目的与要求 】. 1 、了解核酸的发展简史及核酸对生物体的重要意义。 2 、了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。 3 、掌握 DNA 的一级结构及一级结构的意义； DNA 双螺旋结构模型要点； DNA 双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解 DNA 双螺旋的一些特殊的构型、与碱基组成有关的特殊结构及意义。
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核酸化学 DNA与RNA的结构 生物化学
核 酸 核酸概述 核酸的化学组成 核酸的分子结构
核 酸 【目的与要求】 1、了解核酸的发展简史及核酸对生物体的重要意义。 2、了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。 3、掌握DNA的一级结构及一级结构的意义；DNA双螺旋结构模型要点；DNA双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解DNA双螺旋的一些特殊的构型、与碱基组成有关的特殊结构及意义。 4、了解RNA的种类，重点掌握与蛋白质合成有关的三种RNA的功能；掌握tRNA的结构以及与该结构有关的生物学功能。
核 酸 5、掌握核酸紫外吸收的特性及热变性的性质，从核酸热变性的基础上理解DNA的复性与分子杂交，掌握DNA的熔解温度、增色效应的概念。 6、了解核酸的化学反应；各种核酸酶对核酸的水解作用；限制性内切酶的作用特点及该酶的应用。 7、了解DNA一级结构的测定原理。 8、了解DNA在生物体内的存在方式及由DNA构成的染色体的结构。
2.1核酸概述 §4.1 核酸概述 一、核酸的发现与早期研究 • 1868年，瑞士的内科医生Friedrich Miescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核素(nuclein)；后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleic acid)。
无荚膜，不致病 有荚膜，致病 有荚膜，致病 有荚膜，致病 传代 传代 20世纪40年代末，Avery 的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质： DNA 温育 有荚膜，致病
1953年，Watson 和Crick以Chargaff 规则为基础，经过对DNA晶体的X－射线衍射分析，提出了B型DNA双螺旋模型。
后来的研究又发现了另一类核酸：核糖核酸RNA(ribonucleic acid)，RNA在遗传信息的传递中起着重要的作用。从此，核酸研究的进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。
核酸概述 二、核酸的种类、分布和含量 (一) 种类 DNA(Deoxyribonucleic acid DNA)，脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid RNA）：核糖核酸 RNA主要有下几种： 1、rRNA (ribosome RNA )，核糖体RNA，细胞中最主要的RNA，占细胞中总RNA80%左右。大肠杆菌rRNA中有三种，分别是：16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA；真核细胞rRNA中有四种，分别是：28SrRNA、18SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA。核糖体是蛋白质合成的场所。
（二）分布 （三）含量 DNA含量恒定，RNA含量与细胞生长状态有关。
2、tRNA (transfer RNA)，转移RNA，是细胞中最小的一种RNA分子，占细胞总RNA的15%左右。是结构研究最清楚的一类RNA。在蛋白质的生物合成中，tRNA起携带氨基酸的作用。 3、mRNA (messenger RNA)，信使RNA，占细胞总RNA的5%左右，含量最少，代谢活跃。mRNA在蛋白质的生物合成中起模板作用。它将DNA的遗传信息传递给蛋白质。 另外，在细胞质里还存在胞质小RNA(sc RNA). 上述RNA存在于细胞质，另外在细胞核里面还存在一些RNA，如核不均一RNA（hnRNA）、核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA、反义RNA（asRNA）等。
三、核酸的功能 1、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNA是大多数生物体的遗传物质。 2、RNA主要参与蛋白质的生物合成。 3、RNA的功能多样性。主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNA是遗传信息的载体。 4、核酸与分子病
2.2核酸的分子组成 核酸的分子组成 一、元素组成 组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，与蛋白质比较，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。
二、基本结构单位——核苷酸 （一）核酸的水解 核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。如下图所示：
(二) 核酸水解产物的结构 1、碱基： • 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A)，嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。
核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。
有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基（unusual component），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(methylation)或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，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。
嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.
2、戊糖 核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：
3、核苷 戊糖半缩醛羟基与嘧啶或嘌呤碱N上的H缩合失水而形成的缩醛就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。
4、核苷酸及其衍生物的结构 （1）核苷酸的结构式如下图
（3） (脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸、双脱氧核 苷酸的结构 ADP、ATP是生物体中重要的能量转换体。 ddNTP在DNA的序列测定中使用。
NH2 N N OH2C OH 5′ O H 9 H 4′ 1′ N N 2′ 3′ H 腺嘌呤 OH OH ‖ ‖ ‖ 核 糖 O O O O- AMP ADP ATP O- O- ~ ~ -O— -O— P O P P
（4）环化核苷酸cAMP、cGMP：被称为第二信使，有放大激素的作用。 （5）、辅酶：NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSC0A是核酸的衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。
O- 5′ 5′ O=P— O—CH2 G O=P— O—CH2 T O O O- O- 3′ 3′ O OH OH O 5′ O=P— O—CH2 A O O- 3′ OH OH 核酸的分子结构 一、DNA一级结构 核酸分子中核苷酸的连接方式：3′,5′ -磷酸二酯键 G T A P P P OH pGpTpAOH pG-T-A pGTA
(一) DNA一级结构的概念 概念：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3’,5’-磷酸二酯键相连形成的线形结构。
(二) 真核生物基因组结构特点 1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的(即双倍体，diploid)，即有两份同源的基因组。 2.真核细胞基因转录产物为单顺反子(monocistron)，即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子，一条多肽链。
3. 存在大量重复序列，即在整个DNA中有许多重复出现的核苷酸顺序，重复序列长度可长可短，短的仅含两个核苷酸，长的多达数百、乃至上千。重复频率也不尽相同： （1） 高度重复序列：重复频率可达106次，约5～100bp，这种序列G-C含量高于DNA的其它结构，因此在氯化铯密度梯度离心时，常在DNA的主峰旁显示一个小峰，此小峰称为卫星峰，故将这部分DNA称为卫星DNA。 （2） 中度重复序列：重复频率可达103～104次，长度约100～300bp，rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因等，大多为中度重复序列。此外在这类重复序列中，还有一类可移动的片段，称为逆转座子（retroposon），它们可能在进化过程中发挥重要作用。
（3） 单拷贝或低度重复序列：指在整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列。在真核细胞中，除组蛋白以外，其它所有蛋白质都是由DNA中这种单拷贝序列决定的。这种序列大小不等，每一个顺序决定一个蛋白质的结构，称之为结构基因。在人基因组中占约60～65%，因此所含信息量最大。（3） 单拷贝或低度重复序列：指在整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列。在真核细胞中，除组蛋白以外，其它所有蛋白质都是由DNA中这种单拷贝序列决定的。这种序列大小不等，每一个顺序决定一个蛋白质的结构，称之为结构基因。在人基因组中占约60～65%，因此所含信息量最大。
4. 基因组中不编码的区域多于编码区域。 5. 基因是不连续的 内含子(intron)：一个基因中，含有不出现在成熟RNA中的DNA顺序 外显子(exon)：一个基因中，含有出现在成熟RNA中的DNA顺序 断裂基因：基因被内含子分割成不连续的为成熟RNA编码的顺序 6. 基因组远大于原核生物的基因组。人类基因组的大小为3.2×109bp，真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的1.1%-1.4%，编码蛋白质的基因约为31000个。
（三）原核生物基因组结构特点 1.基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样，如病毒基因组可能是DNA，也可能是RNA，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双链DNA分子，并与其中央的RNA和支架蛋白构成一致密的区域，称为类核(nucleoid)。 2.功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个mRNA分子中，称为多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)，然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。
3. DNA分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分(又称间隔区)通常包含控制基因表达的顺序。
二、DNA的二级结构 （一）DNA的碱基组成（Chargaff法则） 本世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；40年代末，Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实了DNA就是遗传物质；50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律：
DNA来源 腺嘌呤（A） 胸腺嘧啶（T） 鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C） （A+T）/（G+C） 大肠杆菌 25.4 24.8 24.1 25.7 1.01 小麦 27.3 27.1 22.8 22.7 1.21 鼠 28.6 28.4 21.4 21.5 1.33 猪：肝 29.4 29.7 20.5 20.5 1.43 胸腺 30.0 28.9 20.4 20.7 脾 29.6 29.2 20.4 20.8 酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079 不同生物来源的DNA四种碱基比例关系
DNA碱基组成规律： 1. 同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； 2. 同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； 3. 几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同［A］ =［T］，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同［G］ =［C］，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同［A］＋［G］=［C］＋［T］。 4. 不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同。这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。
（二）DNA的二级结构——双螺旋结构 Watson, Crick（1953）在Chargaff法则及Wilkins,Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋（double helix）结构模型： (1) DNA双螺旋中的两条链走向是反平行的，一条链是5′→3′走向，另一股链是3′→5′走向。两条DNA链围中心轴形成一右手螺旋结构， （2）双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。10bp形成1个螺距。
。 (3) 链的骨架(backbone)由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧，碱基位于双螺旋的内侧。 （4）两条链中的碱基平面与双螺旋的长轴相垂直。 (5) 碱基互补配对 A=T，形成两个氢键； G≡C，形成三个氢键。 （6）表面形成一条大沟，一条小沟。大沟与小沟是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生作用的基础
