大学生物化学 核酸化学
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(1) 基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样。 (2) 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。 (3) 功能相关的结构基因常串联在一起，并转录在同一mRNA分 子中，可指导多种蛋白质的合成，这种结构称为操纵子。 (4) 有基因重叠现象。 (5) 除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子序列。
50
1、tRNA★
（1）占RNA总量的15%，分子最小，沉降系数为4S左右。 （2）5’末端总是磷酸化，而且常是pG，3’末端最后三个氨基酸
顺序相同，总是—CCA —OH。 （3）含有较多的稀有碱基，可达10%-15%。
51
tRNA二级结构（三叶草形）
氨基酸臂
DHU
TψC臂与环
DHU臂与环
可变环
14
3、核苷
糖苷☆
15
碳苷
假尿苷（Ψ）
16
修饰核苷
17
18
4、核苷酸及其衍生物
核苷酸☆
19
20
（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧）核苷三磷酸
21
多磷酸核苷酸
ppGpp鸟苷四磷酸，pppGpp鸟苷五磷酸 A5’pppp5’A简称Ap4A
22
环状核苷酸
23
辅酶核苷酸
24
核苷酸的连接方式
核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接起来，以磷酸-糖-磷酸糖…形成核酸骨架。
第三章
核酸化学
Chemistry of Nuclear acid
主要内容
一、概述 二、核酸的化学组成 三、核酸的结构 四、核酸的性质 五、核酸的序列测定
2
一、概述
（一）核酸的发现与早期研究
1868年，瑞士科学家F. Miescher从外科绷带上脓 细胞的核中分离出了一种富含磷的酸性物质，称为 “核素”。
DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科 学家于1953年提出的。
29
双螺旋结构模型提出的依据
（1）X射线衍射数据
30
（2）DNA碱基组成分析（Chargaff定则）
DNA 腺嘌呤 来源 （A）
大肠杆菌 25.4
胸腺嘧 啶（T）
24.8
鸟嘌呤 （G）
24.1
胞嘧啶 （A+T）/ （C） （G+C）
元素组成 基本结构单位——核苷酸
8
（一）元素组成
C
H
O
N
P
9
（二）基本结构单位——核苷酸
核酸的水解
10
1、戊糖☆
5
4 3
1 2
存在于RNA中
存在于DNA中
11
2、碱基☆—嘌呤
12
碱基—嘧啶
13
RNA中的4种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、尿嘧啶 U DNA中的4种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧 啶T
6
（二）核酸的种类、分布与功能
种类
分布
功能
原核生物：拟核区
DNA 真核生物：95%在细胞核、
遗传信息的载体
5%在线粒体和叶绿
体
rRNA 原核生物：细胞质
核糖体主要成分
真核生物：75%在细胞质
RNA tRNA
15%在线粒体和叶绿 携带、转移aa
mRNA
体 10%在细胞核
肽链合成的模板
二、核酸的化学组成★
占RNA总量的5％，含量最少。 种类多，寿命短，代谢活跃。
原核细胞mRNA分子分为三部分，即5´非编码序列、编码序列、3´非编码序 列。
5´非编码序列
编码序列
3´非编码序列
5´
3´
蛋白质
原核mRNA为多顺反子：一个mRNA含几个蛋白质信息，指导几个蛋白质
的生物合成。
58
真核细胞mRNA分子分为五部分：
用途： 核酸的定性、定量分析
63
（三）核酸的变性、复性与分子杂交★
1、核酸变性
概念 核酸双螺旋区氢键断 裂，空间结构破坏， 形成单链无规则线团 状态的过程。
本质 只涉及次级键的变化， 但一级结构不变。
64
变性因素 加热、极端的pH、乙 醇、丙酮、尿素等。
变性特征 生物活性丧失、理化 性质改变 （增色效应：核酸变性 后 ， 260nm 的 紫 外 吸收值明显增加）
42
3、三级结构
DNA双螺旋进一步扭曲和折叠形成的特定构象。 主要形式：超螺旋结构 负超螺旋 正超螺旋
43
环状DNA分子的超螺旋结构
常见于原核生物的DNA 松弛环形DNA
解链环形DNA
44
真核细胞染色体的组装
45
46
4、DNA和基因组
基因 结构基因 调节基因 基因组
47
原核生物基因组的特点
32
百度文库双螺旋结构模型的要点☆
33
34
35
双螺旋结构模型的要点
（1）由两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴盘旋形成 右手螺旋。两条链之间形成大沟和小沟。
（2）由糖-磷酸交替排列形成的骨架位于螺旋外侧，碱基伸 向螺旋内侧，碱基对平面垂直螺旋中心轴。
（3）DNA双螺旋每转一圈包含10对碱基，螺距为3.4nm， 螺旋直径为2.0nm。
影响因素 温度/片段浓度/片段 大小/片段复杂性（重复序列数 目）/ 溶液离子强度
67
3、分子杂交
在退火条件下，不同来源的DNA（或RNA）互补区形成 双链，或DNA单链和RNA单链的互补区形成DNA-RNA杂 合双链的过程称分子杂交。
变性
不同来源的 DNA分子
复性
杂交的 DNA分子
68
五、核酸的序列测定
（4）两条链的碱基间形成氢键（A＝T，G≡C），稳定双螺 旋。
36
双螺旋结构稳定的因素☆
（1）碱基堆积力 （2）氢键 （3）离子键
37
DNA双螺旋的构象类型
(1) B-DNA螺旋： DNA在92%相对湿度的钠盐中的构象, 是细胞正常状态下DNA存在的主要构象。 (2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构象。 (3) C-DNA螺旋：DNA在44-46%相对湿度的锂盐中的构 象。 (4) D-DNA螺旋：DNA在60%相对湿度的锂盐中的构象。 (5) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因 表达或遗传重组中起作用。
反密码子臂与环
52
结构要点
（1）四环四臂 （2）氨基酸臂 （3）D环、D臂 （4）反密码子环、反密码子臂 （5）可变环 （6）TΨC环、 TΨC臂 （7）修饰核苷酸 （8）不变核苷酸
53
tRNA三级结构（倒L型）
54
2、rRNA
占RNA总量的80％，含量最多。
5SrRNA： 43-47位 16SrRNA：1535-1539位
帽子（甲基化的鸟苷酸） 5´非编码序列（前导序列） 编码序列 3´非编码序列（拖尾序列） 多聚A（polyA）尾巴，20 —150个腺苷酸
帽子 5´非编码序列 编码序列
5´
3´非编码序列 尾巴 3´
蛋白质
A-A-A-A-A-A-A-A ……
真核mRNA多为单顺反子：一个mRNA含一条肽链信息，指导一条肽链的
65
热变性和Tm
Tm： 将紫 外吸收 的增加量达最大增 量一半时的温度称 熔解温度。
影响Tm因素： G-C对含量（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 溶液的离子强度 溶液的pH 变性剂
66
2、核酸复性
概念 变性核酸的互补链在适当 的条件下，重新缔合成为双螺 旋结构的过程称为复性。
减色效应 由于核酸复性而引起 260nm处的紫外吸收降低的现 象。
48
真核生物基因组的特点
(1)基因组远大于原核生物的基因组，体细胞的基因组是双份的。 (2)基因组中不编码的区域多于编码区域。 (3)不存在操纵子结构。 (4)存在大量重复序列。
高度重复序列 中度重复序列 低度重复序列 (5)基因是不连续的。
49
（二）RNA的分子结构
结构特点:分子小，种类多，单链, 自身部分双螺旋。
1889年，R. Altman等人又从酵母和动物的细胞核 中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （Nucleic Acid）命名。
3
遗传物质是蛋白质还是核酸？
1944 年 ， Avery 等 人通过细菌转化 实验证明核酸是 遗传物质。
4
Avery Experiment
5
1953年，Watson和 Crick 提出DNA双螺 旋结构模型。
5’
3’ 5’ 3’
25
26
三、核酸的结构
（一）DNA的分子结构 （二）RNA的分子结构
27
（一）DNA的分子结构
1、一级结构★
DNA分子中脱氧核苷酸 的排列顺序，即碱基的排列 顺序。
PP
28
2、二级结构 DNA双螺旋结构★
双螺旋结构是DNA的两条多核苷酸链围着同一 中心轴盘绕而成的空间结构。
25.7
1.0
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
胸腺
30.0
28.9
20.4 20.7
1.43
脾
29.6
29.2
20.4 20.8
酵母
31.3
32.9
18.7
17.5
1.079 31
（3）DNA的电位滴定分析 证明了氢键的存在。
CGAAC CCUCC
核糖体
rRNA
30S
16S
原核生物
70S
50S
5S、23S
40S
18S
真核生物
80S
60S
5S、5.8S、28S
55
rRNA二级结构
大肠杆菌 5S rRNA 的二级结构模型
43-47位
56
大肠杆菌16S rRNA的二级结构
1535-1539位 CCUCC
57
3、mRNA
合成。
59
OCH3
60
四、核酸的性质
（一）理化性质 （二）核酸的紫外吸收 （三）核酸的变性、复性与分子杂交
61
（一）理化性质
两性解离与等电点
性状
溶解性
粘性
核酸的水解
颜色反应
DNA（二苯胺，蓝紫色）
RNA（苔黑酚，绿色） 62
（二）核酸的紫外吸收★
紫外光
吸收
光吸收基团:碱基 最大吸收峰：260nm
38
类型 旋转方向 螺旋直径 螺距 每转碱基对数 碱基对间距 碱基倾角
A-DNA 右
2.3
2.8
11
0.255
20
B-DNA 右
2.0
3.4
10
0.34
0
Z-DNA 左
1.8
4.5
12
0.37
7 39
特殊DNA的结构 回文结构与镜像结构
回文序列可形成发夹结构或十字架结构
41
多嘌呤-多嘧啶的镜像序列可形成三螺旋结构
Sanger双脱氧链终止法
平行进行四组反应。 加入相同的单链DNA模板、引物、四种dNTP及DNA聚合
酶，合成新的互补DNA链。 每组另外再分别加入一定比例的2’，3’-双脱氧NTP（如
ddATP），使反应随机终止于dd NTP 处。 任意选取一种脱氧核苷酸为同位素标记物，便于检测。 加热变性，凝胶电泳分离,放射自显影检测。
69
70
71
72
50
1、tRNA★
（1）占RNA总量的15%，分子最小，沉降系数为4S左右。 （2）5’末端总是磷酸化，而且常是pG，3’末端最后三个氨基酸
顺序相同，总是—CCA —OH。 （3）含有较多的稀有碱基，可达10%-15%。
51
tRNA二级结构（三叶草形）
氨基酸臂
DHU
TψC臂与环
DHU臂与环
可变环
14
3、核苷
糖苷☆
15
碳苷
假尿苷（Ψ）
16
修饰核苷
17
18
4、核苷酸及其衍生物
核苷酸☆
19
20
（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧）核苷三磷酸
21
多磷酸核苷酸
ppGpp鸟苷四磷酸，pppGpp鸟苷五磷酸 A5’pppp5’A简称Ap4A
22
环状核苷酸
23
辅酶核苷酸
24
核苷酸的连接方式
核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接起来，以磷酸-糖-磷酸糖…形成核酸骨架。
第三章
核酸化学
Chemistry of Nuclear acid
主要内容
一、概述 二、核酸的化学组成 三、核酸的结构 四、核酸的性质 五、核酸的序列测定
2
一、概述
（一）核酸的发现与早期研究
1868年，瑞士科学家F. Miescher从外科绷带上脓 细胞的核中分离出了一种富含磷的酸性物质，称为 “核素”。
DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科 学家于1953年提出的。
29
双螺旋结构模型提出的依据
（1）X射线衍射数据
30
（2）DNA碱基组成分析（Chargaff定则）
DNA 腺嘌呤 来源 （A）
大肠杆菌 25.4
胸腺嘧 啶（T）
24.8
鸟嘌呤 （G）
24.1
胞嘧啶 （A+T）/ （C） （G+C）
元素组成 基本结构单位——核苷酸
8
（一）元素组成
C
H
O
N
P
9
（二）基本结构单位——核苷酸
核酸的水解
10
1、戊糖☆
5
4 3
1 2
存在于RNA中
存在于DNA中
11
2、碱基☆—嘌呤
12
碱基—嘧啶
13
RNA中的4种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、尿嘧啶 U DNA中的4种碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧 啶T
6
（二）核酸的种类、分布与功能
种类
分布
功能
原核生物：拟核区
DNA 真核生物：95%在细胞核、
遗传信息的载体
5%在线粒体和叶绿
体
rRNA 原核生物：细胞质
核糖体主要成分
真核生物：75%在细胞质
RNA tRNA
15%在线粒体和叶绿 携带、转移aa
mRNA
体 10%在细胞核
肽链合成的模板
二、核酸的化学组成★
占RNA总量的5％，含量最少。 种类多，寿命短，代谢活跃。
原核细胞mRNA分子分为三部分，即5´非编码序列、编码序列、3´非编码序 列。
5´非编码序列
编码序列
3´非编码序列
5´
3´
蛋白质
原核mRNA为多顺反子：一个mRNA含几个蛋白质信息，指导几个蛋白质
的生物合成。
58
真核细胞mRNA分子分为五部分：
用途： 核酸的定性、定量分析
63
（三）核酸的变性、复性与分子杂交★
1、核酸变性
概念 核酸双螺旋区氢键断 裂，空间结构破坏， 形成单链无规则线团 状态的过程。
本质 只涉及次级键的变化， 但一级结构不变。
64
变性因素 加热、极端的pH、乙 醇、丙酮、尿素等。
变性特征 生物活性丧失、理化 性质改变 （增色效应：核酸变性 后 ， 260nm 的 紫 外 吸收值明显增加）
42
3、三级结构
DNA双螺旋进一步扭曲和折叠形成的特定构象。 主要形式：超螺旋结构 负超螺旋 正超螺旋
43
环状DNA分子的超螺旋结构
常见于原核生物的DNA 松弛环形DNA
解链环形DNA
44
真核细胞染色体的组装
45
46
4、DNA和基因组
基因 结构基因 调节基因 基因组
47
原核生物基因组的特点
32
百度文库双螺旋结构模型的要点☆
33
34
35
双螺旋结构模型的要点
（1）由两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴盘旋形成 右手螺旋。两条链之间形成大沟和小沟。
（2）由糖-磷酸交替排列形成的骨架位于螺旋外侧，碱基伸 向螺旋内侧，碱基对平面垂直螺旋中心轴。
（3）DNA双螺旋每转一圈包含10对碱基，螺距为3.4nm， 螺旋直径为2.0nm。
影响因素 温度/片段浓度/片段 大小/片段复杂性（重复序列数 目）/ 溶液离子强度
67
3、分子杂交
在退火条件下，不同来源的DNA（或RNA）互补区形成 双链，或DNA单链和RNA单链的互补区形成DNA-RNA杂 合双链的过程称分子杂交。
变性
不同来源的 DNA分子
复性
杂交的 DNA分子
68
五、核酸的序列测定
（4）两条链的碱基间形成氢键（A＝T，G≡C），稳定双螺 旋。
36
双螺旋结构稳定的因素☆
（1）碱基堆积力 （2）氢键 （3）离子键
37
DNA双螺旋的构象类型
(1) B-DNA螺旋： DNA在92%相对湿度的钠盐中的构象, 是细胞正常状态下DNA存在的主要构象。 (2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构象。 (3) C-DNA螺旋：DNA在44-46%相对湿度的锂盐中的构 象。 (4) D-DNA螺旋：DNA在60%相对湿度的锂盐中的构象。 (5) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因 表达或遗传重组中起作用。
反密码子臂与环
52
结构要点
（1）四环四臂 （2）氨基酸臂 （3）D环、D臂 （4）反密码子环、反密码子臂 （5）可变环 （6）TΨC环、 TΨC臂 （7）修饰核苷酸 （8）不变核苷酸
53
tRNA三级结构（倒L型）
54
2、rRNA
占RNA总量的80％，含量最多。
5SrRNA： 43-47位 16SrRNA：1535-1539位
帽子（甲基化的鸟苷酸） 5´非编码序列（前导序列） 编码序列 3´非编码序列（拖尾序列） 多聚A（polyA）尾巴，20 —150个腺苷酸
帽子 5´非编码序列 编码序列
5´
3´非编码序列 尾巴 3´
蛋白质
A-A-A-A-A-A-A-A ……
真核mRNA多为单顺反子：一个mRNA含一条肽链信息，指导一条肽链的
65
热变性和Tm
Tm： 将紫 外吸收 的增加量达最大增 量一半时的温度称 熔解温度。
影响Tm因素： G-C对含量（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 溶液的离子强度 溶液的pH 变性剂
66
2、核酸复性
概念 变性核酸的互补链在适当 的条件下，重新缔合成为双螺 旋结构的过程称为复性。
减色效应 由于核酸复性而引起 260nm处的紫外吸收降低的现 象。
48
真核生物基因组的特点
(1)基因组远大于原核生物的基因组，体细胞的基因组是双份的。 (2)基因组中不编码的区域多于编码区域。 (3)不存在操纵子结构。 (4)存在大量重复序列。
高度重复序列 中度重复序列 低度重复序列 (5)基因是不连续的。
49
（二）RNA的分子结构
结构特点:分子小，种类多，单链, 自身部分双螺旋。
1889年，R. Altman等人又从酵母和动物的细胞核 中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （Nucleic Acid）命名。
3
遗传物质是蛋白质还是核酸？
1944 年 ， Avery 等 人通过细菌转化 实验证明核酸是 遗传物质。
4
Avery Experiment
5
1953年，Watson和 Crick 提出DNA双螺 旋结构模型。
5’
3’ 5’ 3’
25
26
三、核酸的结构
（一）DNA的分子结构 （二）RNA的分子结构
27
（一）DNA的分子结构
1、一级结构★
DNA分子中脱氧核苷酸 的排列顺序，即碱基的排列 顺序。
PP
28
2、二级结构 DNA双螺旋结构★
双螺旋结构是DNA的两条多核苷酸链围着同一 中心轴盘绕而成的空间结构。
25.7
1.0
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
胸腺
30.0
28.9
20.4 20.7
1.43
脾
29.6
29.2
20.4 20.8
酵母
31.3
32.9
18.7
17.5
1.079 31
（3）DNA的电位滴定分析 证明了氢键的存在。
CGAAC CCUCC
核糖体
rRNA
30S
16S
原核生物
70S
50S
5S、23S
40S
18S
真核生物
80S
60S
5S、5.8S、28S
55
rRNA二级结构
大肠杆菌 5S rRNA 的二级结构模型
43-47位
56
大肠杆菌16S rRNA的二级结构
1535-1539位 CCUCC
57
3、mRNA
合成。
59
OCH3
60
四、核酸的性质
（一）理化性质 （二）核酸的紫外吸收 （三）核酸的变性、复性与分子杂交
61
（一）理化性质
两性解离与等电点
性状
溶解性
粘性
核酸的水解
颜色反应
DNA（二苯胺，蓝紫色）
RNA（苔黑酚，绿色） 62
（二）核酸的紫外吸收★
紫外光
吸收
光吸收基团:碱基 最大吸收峰：260nm
38
类型 旋转方向 螺旋直径 螺距 每转碱基对数 碱基对间距 碱基倾角
A-DNA 右
2.3
2.8
11
0.255
20
B-DNA 右
2.0
3.4
10
0.34
0
Z-DNA 左
1.8
4.5
12
0.37
7 39
特殊DNA的结构 回文结构与镜像结构
回文序列可形成发夹结构或十字架结构
41
多嘌呤-多嘧啶的镜像序列可形成三螺旋结构
Sanger双脱氧链终止法
平行进行四组反应。 加入相同的单链DNA模板、引物、四种dNTP及DNA聚合
酶，合成新的互补DNA链。 每组另外再分别加入一定比例的2’，3’-双脱氧NTP（如
ddATP），使反应随机终止于dd NTP 处。 任意选取一种脱氧核苷酸为同位素标记物，便于检测。 加热变性，凝胶电泳分离,放射自显影检测。
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