第一章 核酸的高级结构
核酸的结构和功能解析
核酸的结构和功能解析核酸是生物体中最重要的化学物质之一，它们在细胞中承担着传递和存储遗传信息的重要作用。
同时，核酸还可参与许多生物反应过程，是生命活动不可或缺的组成部分。
一、核酸的基本结构核酸由核苷酸（Nucleotide）单元连接而成。
每个核苷酸单元由一个脱氧核糖糖分子、一个核苷酸碱基和一个磷酸残基组成。
脱氧核糖糖分子与磷酸残基的连接形成了核苷酸的“排串”结构，而核苷酸碱基则连结在排列在一起的核苷酸单元上。
总体而言，核酸的基本结构可以分为两种类型：DNA（脱氧核酸）和RNA（核糖核酸）。
其差异在于链中的脱氧核糖糖分子的羟基骨架上的一个氧原子。
在DNA中，此氧原子被去除，从而形成较稳定的两条链结构；而在RNA中，氧原子的存在可导致链中形成的折叠的单链结构。
二、DNA的结构DNA是由两条相互补充的聚核苷酸链组成的双螺旋结构。
这两条链是由碱基之间的氢键连接而成的。
其中，A（腺嘌呤）可与T （胸腺嘧啶）形成两条氢键连接，而G（鸟嘌呤）与C（胞嘧啶）可形成三条氢键连接。
这种“互补配对”结构对于DNA的稳定性起着重要的作用。
DNA双螺旋结构还涉及的其他因素，包括：- 核苷酸磷酸骨架：由相互连接的磷酸残基形成，这些磷酸残基在堆积成长链时负电荷的作用，引发了DNA与核苷酸之间的强相互作用。
- 堆积相互作用：以及各个碱基之间的排斥效应所产生的弱相互作用。
- DNA的“超结构”：由于双螺旋结构的不规则性，导致DNA链上的碱基呈现出交错性的排列结构，形成DNA“超结构”。
三、RNA的结构与DNA不同，RNA结构通常都是单链的，而且可发生许多类型的拓扑学形态。
RNA的结构与功能之间的相互作用通常涉及其折叠和杂交匹配的方式。
RNA的折叠通常涉及许多结构域，并且通常与其他蛋白质配对形成RNA蛋白复合体，以及与其他RNA单链相互作用形成复合物。
杂交型RNA亦常见，其由两个或多个RNA单链形成，这些通过碱基的互补结构连接而成的单链之间相互穿插，形成了具有一定稳定性的“叉状结构”（folds）。
02 核酸的结构与功能
2.DNA双链之间形成了互补碱基对 碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对 (complementary base pair)。 DNA 的 两 条 链 则 互 为 互 补 链 (complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。
大沟与小沟
3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋 结构的稳定。 相邻两个碱基对会有重叠， 产生了疏水性的碱基堆积力 (base stacking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的 氢键共同维系着DNA结构的 稳定。
目录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(antiparallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺 旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm， 螺距为3. 4nm。
脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋 结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove) 和一个小沟(minor groove)。
CH2 O H H H H H
3´,5´-磷酸二酯键
O
P O-
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
目录
H H H
三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键 的线性大分子
RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形 成的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。
两种最重要的生物大分子比较
项 目
组成单位
种 类
蛋 白 质
氨基酸
核酸一级结构
核酸一级结构
核酸由碱基对构成，是生命活动不可缺少的物质，对于探索和解释生命现象至关重要。
在理解和研究核酸的结构以及其作用机制之前，我们必须首先了解其一级结构。
核酸一级结构是指核酸链的空间拓扑结构，它描述了核酸链中碱基对的连接形式。
核酸一级结构的研究主要是利用X射线衍射和拉曼光谱等方法，研究各种核酸的晶体结构。
一级结构分析表明，核酸链是一种“双螺旋”结构。
碱基对以相反方向排列，形成两个相对稳定的双螺旋结构，每条DNA链由单链和双链结构组成，其中单链上的碱基对以同向排列。
双螺旋模型中，碱基对以两种不同的垂直面结构排列，同一条DNA链上的碱基对之间存在一种特殊的相互作用，即碱基互补作用。
碱基的组合可以分为三种类型：正互补，反互补和斜互补。
正互补指的是A与T，G与C；反
互补是A与A或T与T，G与G或C与C，斜互补则是G与A，C与T）。
碱基对在双螺旋结构中呈现出双环状结构，其中碱基以一种弱共价作用相互结合，结合形式又称为碱基序列。
由于核酸的碱基序列不断变化，不同的基因的碱基序列有一定的差异，这种差异是基因组的多样化的基础。
基因的结构特征也取决于核酸的碱基序列，它可以控制基因的表达，从而影响基因产物的形态和特性。
核酸的碱基序列在大多数情况下是稳定的，但个体间存在少量差异，它们是基因突变的主要来源，突变可以改变一级结构，从而影响核酸结构和表达。
因此，一级结构分析是突变检测和基因功能研究的
基础。
综上所述，核酸一级结构是理解和研究核酸结构和功能的关键，也是突变检测和基因功能研究的基础。
它是生物体的遗传信息的重要载体，为生命现象的探索和解释提供了重要的互补信息。
核酸的结构和功能
一、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
核苷
核苷酸
戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖
磷酸(phosphate)
目录
碱基
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
嘌呤(purine)
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material"
Francis Harry Compton Crick
James Dewey Watson
Maurice Hugh Frederick Wilkins
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（Watson, Crick, 1953）
DNA分子由两条相互平行但走 向相反的脱氧多核苷酸链组成， 两链以”脱氧核糖-磷酸” 为 骨架，以右手螺旋方式绕同一 公共轴盘。螺旋直径为2nm， 形成 大沟 (major groove) 及小 沟(minor groove)相间。
60S
4718个核苷酸 160个核苷酸 120个核苷酸
占总重量的35%
三种RNA内容小结
mRNA
tRNA
结 单链
局部双链
构 5'—m7GpppNm、 三叶草形、倒L形
NNHHN22H2
N
NNN
DNA的高级结构
DNA的高级结构DNA（脱氧核糖核酸）是生物体遗传信息的载体，通过确定基因的序列和编码特定蛋白质来控制生物体的发育和功能。
DNA分子以螺旋结构呈现，在细胞中形成复杂的高级结构以实现其功能。
DNA的高级结构有助于维持DNA的稳定性，调节基因的表达和复制，并参与细胞分裂和染色体结构的调控。
下面将介绍DNA的高级结构的各个层次以及它们的重要性。
1.DNA的双螺旋结构：DNA的最基本结构是由两条互补的链组成的双螺旋结构。
每个DNA链由一系列的核苷酸单元构成，包括脱氧核糖、磷酸基团和碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶）。
这两条链通过碱基之间的氢键相互连接，形成螺旋结构。
这种双链结构保护了DNA的序列信息，确保遗传信息的准确传递。
2.DNA的核小体结构：在真核生物中，DNA通常与一组蛋白质共同组成核小体结构。
核小体是由8个组蛋白蛋白质组成的复合物，其包裹了DNA，并通过电荷和结构上的相互作用来调节DNA的结构和功能。
核小体的组装使得DNA能够紧密地包装在染色体中，使得细胞可以更高效地存储和复制DNA，并且能够调节基因的表达。
3.染色体结构：在细胞分裂过程中，DNA会进一步组装成染色体的高级结构。
染色体是线性DNA分子的高度有序的组织形式。
染色体的组织结构非常重要，它能够确保DNA的准确复制和随机分配给子细胞。
在染色体的结构中，DNA与一系列蛋白质相互作用，包括非组蛋白质和组蛋白质。
这些蛋白质能够通过与DNA的特定序列结合来调节基因的表达，并保护DNA不受损害。
4.染色质结构：染色质是染色体在非分裂状态下的高级结构。
染色质的主要组成部分是DNA和组蛋白蛋白质。
在非分裂状态下，DNA分子呈现出纤维状或环状的结构。
这种结构的形成是由组蛋白的定位和化学修饰所调控的，包括乙酰化、甲基化和磷酸化等。
这些修饰可以影响基因的可及性，进而调节基因的表达。
5.顶级结构：DNA的顶级结构是指整个染色体的三维空间排列。
顶级结构的形成与遗传表达的调控密切相关。
核酸的结构与功能-2
H H NH O
N,N二甲基鸟嘌呤
HN N CH2
双氢尿嘧啶
S NH
C
CH
N
NH
NH
O
N6-异戊烯腺嘌呤
N
4-巯尿嘧啶
tRNA的二级结构---三叶草型
①氨基酸臂：由7对bp组成，富含G，末端为CCA， 接受活化AA ②二氢尿嘧啶环（DHU环）：由8－12个核苷酸组成 ③反密码环：识别密码子 ④额外环：大小是tRNA分类的重要指标 ⑤假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环:（T Ψ C环）含 有稀有碱基胸腺核苷T和假尿苷ψ
Arg、His（碱性氨基酸），故显碱性，属于单纯蛋白，溶 于水及稀酸
各种真核细胞都有5种组蛋白，但分子质量和氨基酸的顺
序有些差异。
在所有真核生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提
示功能是相同的。但是各种生物的H，是真核细胞染色质的结构和功能必需的， 一般组蛋白H2A、H2B 、H3、H4各2分子组成一个8聚体，作为核小体的核 心，上面盘绕1.8圈的DNA，从而形成核小体； 核小体之间的DNA称为连接 DNA，而组蛋白 H1 结合在连接DNA上，使核小体一个挨一个，彼此靠拢。
RNA中的碱基配对原则 A-U G-C
A-U G-C 双螺旋区
动物细胞内主要RNA的种类及功能
细胞核和胞液 核 蛋 白 体 RNA 信 使 RNA 转 运 RNA 核 内 不 均 一 RNA 核 内 小 RNA 核 仁 小 RNA 胞 浆 小 RNA rR N A mRNA tR N A H nR N A SnR N A SnoR N A s c R N A /7 S L -R N A 线粒体 m t rR N A mt mRNA m t tR N A 功 能
2 核酸的结构与功能
RNA的种类与分布
RNA主要存在于细胞质中。 mRNA 约占细胞总RNA的5%，在蛋白质合成中起 模板作用 rRNA 占细胞总RNA的80%，是核糖体的组分，是 合成蛋白质的场所 tRNA 占细胞总RNA的10-15%，蛋白质合成中起携 带活化氨基酸的作用 小RNA：microR.1.2 DNA的二级结构及其多态性
Watson和Crick在总结前人研究工作的基础上， 在1953年以立体化学上的最适构型建立了与 DNA X-射线衍射资料相符的分子模型—— DNA双螺旋结构模型。 它可在分子水平上 阐述遗传(基因复制)的基本特征。
⑴DNA双螺旋结构的主要依据
① 1949-1951 年 Chatgaff 应用紫外分光光度法 和纸层析等技术，对不同来源的DNA进行碱 基定量分析，得出组成DNA四种碱基的比例 关系。
1.1.1核酸的生物学功能
DNA作为遗传物质的载体，负责遗传 信息的储存、传递和发布；RNA负责 遗传信息的表达，也可作为遗传信息 的载体，功能多样复杂。
细胞 内DNA含量很稳定，不受营养条 件、年龄等因素的影响。DNA是染色 体的主要成分，而染色体与遗传直接 有关。可作用于DNA的一些物理、化 学因素都可以引起遗传特性的改变。
B-DNA与Z-DNA的比较
比较内容 B-DNA 螺旋手性 右旋 螺旋周期的核苷酸数目 10 螺旋直径 2.0nm 碱基平面的间距 0.34nm 螺距 3.4nm 相邻碱基对间的转角 36° 轴心是否穿过碱基对 穿过
Z-DNA
左旋 12 1.8nm 0.37nm 4.5nm 60°
不穿过
天然DNA分子中存在有Z-DNA区。B-DNA与ZDNA的互变可能与基因的调控有关。 如胞嘧啶C5的甲基化，在甲基周围形成局部的 疏水区。这一区域扩伸到B-DNA的大沟中， 使B-DNA不稳定而转变为Z-DNA。这种C5甲 基化现象在真核生物中是常见的。
生物化学-核酸
核糖 + H +
Δ
糠醛 Δ
甲基间苯二酚 FeCl3
绿色产物
RNA和DNA定性、定量测定 脱氧核糖 + H+ ω-羟基-γ-酮 戊醛
二苯胺
蓝色产物
15
（二）嘌呤碱和嘧啶碱
6
嘌呤碱 (purine)：
NH2 N N
1N 2 N 3
5 N7
DNA和RNA均含 有腺嘌呤、鸟 嘌呤
8
4 N 9 H HN
2HN
哺乳动物的b-珠蛋白的基因长度
内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。 外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。
43
２、二级结构：
DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构（double helix model），又称Watson-Crick结构。是Watson与 Crick于1953年提出的。
17
稀有碱基（修饰碱基）
NH2
5
NH2
3
O
5
C
4
CH3
3
C
4
CH2OH
3
C
4
5
N C O
2
C CH
6
N C O
2
C CH
6
HN C O
2
CH2 CH2
6
1
1
1
N H
N H
N H
5－甲基胞嘧啶
5－羟甲基胞嘧啶
二氢尿嘧啶
18
OH H N HO N H 烯醇式 酮式
O
H
H
H N O N H 酮式
H H
• 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。
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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
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。
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。
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
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
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。
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
(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
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。
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。
—— 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）
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
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
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
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。
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。
(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)
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）
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，
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பைடு நூலகம்即P基团位于糖
★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