2.核酸的结构和功能

除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有 机体的遗传物质是DNA，它是遗传信息的载体、负责遗传 信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传给子代。不 同有机体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含 蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现 出不同的形态结构和代谢类型。
RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的 生物合成，使生物体进行一系列的代谢活动。 在真核细胞中， DNA主要存在于细胞核内。在原核细胞 中， DNA存在于类核体中。而 RNA主要存在于细胞质中。
OH
（四）核苷酸
1多磷酸核苷酸
NH2 N O O
-
N N N H
O O
-
O O
-
P O
-
P O
-
P O
-
OCH2 H
O
H H 胸苷-5′-磷酸 OH OH AMP 三 酸 苷 (AT P ) 磷 腺
ADP
ATP
各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和 DNA合成的直接原料。
在体内能量代谢中的作用：
1. 双螺旋结构的主要依据 （1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的 X射线衍射图谱。 （2）Norweger和 Furberg证实，戊糖糖环与DNA分子纵轴平 行，碱基与纵轴垂直 （3）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。 （4）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。 2. 双螺旋结构模型要点 （1）两条多核苷酸链反向平行。 （2）嘌呤和嘧啶位于双螺旋内侧，磷酸和脱氧核糖在外侧， 形成DNA的骨架。 （3）双螺旋每转一周有10个bp，碱基堆积距离为0.34nm， 螺距3.4nm，直径2nm。 （4）嘌呤碱和嘧啶碱以氢键相连。
N1 H2
6 5 3 4
N
7 8 9
H
N
N H
N H
H
N N H
嘌呤
腺嘌呤 adenine（A）
O H N
N H H2N N
H
N H 鸟嘌呤 guanine（G）
2. 嘧啶（Pyrimidine）
H
N
H
3 2
4 5
H
H
N 嘧啶
1
6
NH2 H
N H N H HN H O
O H
H HN
O H
HCH3 N H H
双链环状(dcDNA)→超螺旋 正超螺旋：每圈螺旋碱基对数小于10.5 负超螺旋：每圈螺旋碱基对数大于10.5
四、RNA的结构与功能
——RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。 （一）tRNA tRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于 合成蛋白质。 1965年Holley 测定丙氨酸tRNA一级结构，提出三叶草二 级结构模型。 tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA。。
第一章 核酸的结构和功能
核酸的概念和重要性
核酸的组成成分
DNA的结构 RNA的结构和功能 核酸的性质 核酸的生物学功能和实践意义
一、核酸的概念和重要性
1868年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。 1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）。 1930~40年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分： 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA） 核酸 核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）
主要特征：1.四臂四环； 2.氨基酸臂3′端有CCAOH 的共有结构；3.D环上有 二氢尿嘧啶（D）；4.反 密码环上的反密码子与 mRNA相互作用；5.可变 环上的核苷酸数目可以 变动；6.TψC环含有T和 ψ；7.含有修饰碱基和不 变核苷酸。
五、核酸的性质
（一）一般理化性质 1.为两性电解质，通常表现为酸性。 2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有 机溶剂。 3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。 4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。 5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。 加热条件下, D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚 绿色 D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺 蓝紫色 6.可用电泳或离子交换（色谱）进行分离
1928年,F.Griffith，肺炎双球菌转化实验
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
无荚膜， 不致病
传代
有荚膜，致病 传代
有荚膜，致病
有荚膜，致病
荚膜 吞噬细胞 60 转录 翻译 表 达
• （1）肺炎双球菌致病与否，关键是看有无荚膜。因为荚膜的主要 作用是防止被人或动物体内的吞噬细胞所吞噬，而S型活细菌有 荚膜，所以它能引起机体发病，严重的会导致死亡。 （2）加热 杀死后的S型细菌，其DNA仍然存在，只是DNA链断裂成为许多 个具有活性的游离片断，其中的片断中就有控制荚膜形成的基因。 （3）当S型细菌中含有控制形成基因的DNA片断与R型活细菌的 DNA结合，形成杂合的DNA后，控制荚膜形成的基因在R型活细 菌体内得到表达，控制了荚膜的合成，从而出现了有荚膜的S型 活细菌，具有毒性，使小鼠死亡。 （4）若S型细菌中含有控制荚 膜形成基因的DNA片断没有与R型活细菌的DNA片断结合，则在 细菌培养中，繁殖出来的后代为无毒性的R型活细菌，反之，繁 殖出来的后代就是有毒性的S型活细菌。后者既说明了转化的因 子是DNA，又说明了转化的性状是可遗传的，其实质说明了DNA 是遗传物质
注意：（1）核苷酸是核酸的基本组成单位，应以腺苷酸和胞 苷酸为代表，彻底弄清核苷酸的化学结构和化学性质。结合 有机化学把嘌呤和嘧啶的基本结构搞清楚，同时把核酸中存 在的A、T、U、C、G的结构记熟。（2）注意嘌呤、嘧啶同 核糖在哪个部位连接成核苷，核苷如何同磷酸连接成核苷酸， 核苷酸又如何连接成一级结构的核苷酸链。要特别注意核酸 的二、三级结构中碱基的配对规律。（3）从分析比较核酸分 子的组成和结构上的特点，进而联系它们的性质和生物功能。
1、DNA的碱基组成特点——Chargaff定律
（1）所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔 含量相等，（即A=T）;鸟嘌呤与胞嘌呤的摩 尔含量相等，（即G=C）。碱基当量定律： 嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。（即A+G=T+C） （2）不同生物DNA的碱基组成有很大差异， 可用不对称比率：A+T/G+C表示。亲缘相近 的生物，其DNA的碱基组成相近，即不对称 比率相近。 （3）同一种生物所有体细胞DNA的碱基组 成相同，可作为该物种的特征。
（二）rRNA
占细胞RNA总量的80%，与蛋白质共同组成核糖体,作为蛋白 质生物合成的场所。
原 核 生 物
核糖体
70S （ 30S 、 50S）
真 核 生 物
rRNA 核糖体
rRNA 18S 、 5S 、 5.8S、28S
16S 、 5S 、 80S （ 40S 、 23S 60S）
（三）mRNA mRNA约占细胞RNA总量的3~5%，是蛋白质合成的模板。 真核细胞mRNA的结构有明显的特征。
OH N HO HOCH2 H H OH O H N
NH2 N N HOCH2 H H OH 胞嘧啶核苷 H OH HO O H
OH
H2N N N HOCH2 O H H H OH H OH
N
H OH 尿嘧啶核苷
鸟嘌呤核苷
Adenidine
Uridine
5
假尿苷（ψ ）
Southern 杂交（Southern bolting） Northern 杂交（Northern bolting） Western 杂交 （Western bolting）
提要
本章主要介绍核酸的化学本质、结构和功能。总的要求是： 1.了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能 上的差异。 2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子结构上的 关系。 3.了解核酸的结构和它们的性质、功能的相互关系。
（五）核酸的复性（退火）：变性核酸的互补链在适当条 件下重新缔合成双螺旋的过程。 影响复性速度的因素：
（1）单链片段浓度 （2）单链片段的大小 （3）片段内重复序列的多少 （4）溶液离子强度的大小 （5）溶液温度的高低 （T – 25℃）
（六）分子杂交 ：分子杂交是指亲缘关系相近的不同来源 的DNA单链或DNA单链与RNA单链形成双 螺旋结构的过程。
ATP——能量“货币” UTP——参加糖的互相转化与合成 CTP——参加磷脂的合成 GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成 2环化核苷酸 3辅酶类核苷酸
三、DNA的结构
（一）DNA的一级结构 因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所 以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列（base sequence)。 通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写。DNA中有4种类型的 核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总 数为4n。 （二）DNA的双螺旋结构 1953年，Watson 和Crick 提出。
（一）、戊糖
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 βD-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 H H OH O H H OH H OH H OH HOCH2 H O H H OH
D-核糖
D-2-脱氧核糖
Ribose
Deoxyribose
（二）、碱基
H
1 嘌呤（Purine） NH2 H N
C-DNA：44~46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱 基对，碱基对倾斜6°。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA 的转化中间物。
D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个 螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°。