1、第六章 核酸化学第一节 概述 一、发现核酸占细胞干重的 515，1868 年被瑞士医生 Miescher 发现，称为“核素” 。在很长时间内，流行“四核苷酸假说” ，认为核酸是由等量的四种核苷酸构成的，不可能有什么重要功能。1944 年 Oswald Avery 通过肺炎双球菌的转化实验首次证明 DNA 是遗传物质。正常肺炎双球菌有一层粘性发光的多糖荚膜，有致病性，称为光滑型（S 型） ；一种突变型称为粗糙型（R 型） ，无荚膜，没有致病能力（缺乏 UDP-葡萄糖脱氢酶） 。1928 年，格里菲斯发现肺炎双球菌的转化现象，即将活的粗糙型菌和加热杀死的光滑型菌混合液注射小鼠，可致病，而二者单独注
2、射都无致病性。这说明加热杀死的光滑型菌体内有一种物质使粗糙型菌转化为光滑型菌。艾弗里将加热杀死的光滑型菌的无细胞抽提液分级分离，然后测定各组分的转化活性，于 1944 年发表论文指出“脱氧核糖型的核酸是型肺炎球菌转化要素的基本单位”。其实验证据如下：1.纯化的、有高度活性的转化要素的化学元素分析与计算出来的 DNA 组成非常接近。2.纯化的转化要素在光学、超速离心、扩散和电泳性质上与 DNA 的相似。3.其转化活性不因抽取去除蛋白质或脂类而损失。4.用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响其转化活性。5.用 RNA 酶处理也不不影响其转化活性。6.DNA 酶可使其转化活性丧失。艾弗里的论文发表后，有些人
3、仍然坚持蛋白质是遗传物质，认为他的分离不彻底，是混杂的微量的蛋白质引起的转化。1952 年，Hershey 和 Chase 的 T2 噬菌体旋切实验彻底证明遗传物质是核酸，而不是蛋白质。他们用 35S 标记蛋白质，用 32P 标记核酸。用标记的噬菌体感染细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。当用硫标记的噬菌体感染时，放射性只存在于细胞外面，即噬菌体的外壳上；当用磷标记的噬菌体感染时，放射性在细胞内，说明感染时进入细胞的是 DNA，只有 DNA 是连续物质，所以说 DNA 是遗传物质。1956 年，Fraenkel Conrat 的烟草花叶病毒（TMV ）重建实验证明， RNA 也可以作为遗传物质
4、。把 TMV 在水和酚中震荡，使蛋白质与 RNA 分开，然后分别感染烟草，只有 RNA可以使烟草感染，产生正常后代。1953 年 DNA 的双螺旋结构模型建立，被认为是本世纪自然科学的重大突破之一。由此产生了分子生物学、分子遗传学、基因工程等学科和技术，此后的 30 年间，核酸研究共有15 次获得诺贝尔奖，占总数的 1/4，可见核酸研究在生命科学中的重要地位。二、核酸的分类核酸是由核苷酸组成的大分子，分子量最小的是转运 RNA，分子量 25kd 左右；人类染色体 DNA 分子量高达 1011kd。核酸分为 DNA 和 RNA 两类， DNA 主要集中在细胞核中，在线粒体和叶绿体中也有少量 DN
5、A。RNA 主要分布在细胞质中。对病毒来说，或只含DNA，或只含 RNA。因此可将病毒分为 DNA 病毒和 RNA 病毒。核酸可分为单链（single strand，ss）和双链（double strand，ds） 。DNA 一般为双链，作为信息分子；RNA 单双链都存在。第二节 核苷酸 一、核苷酸的结构核苷酸可分解成核苷和磷酸，核苷又可分解为碱基和戊糖。因此核苷酸由三类分子片断组成。戊糖有两种，D-核糖和 D-2-脱氧核糖。因此核酸可分为两类：DNA 和 RNA。（一）碱基（base）核酸中的碱基分为两类：嘌呤和嘧啶。1.嘧啶碱（pyrimidine,py ） 是嘧啶的衍生物，共有三种：胞嘧
6、啶 (cytosine,Cyt)、尿嘧啶(uracil,Ura)和胸腺嘧啶 (thymine,Thy)。其中尿嘧啶只存在于 RNA 中，胸腺嘧啶只存在于DNA 中，但在某些 tRNA 中也发现有极少量的胸腺嘧啶。胞嘧啶为两类核酸所共有，在植物 DNA 中还有 5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体核酸中不含胞嘧啶，而由 5-羟甲基胞嘧啶代替。因为受到氮原子的吸电子效应影响，嘧啶的 2、4、6 位容易发生取代。2.嘌呤碱(purine,pu) 由嘌呤衍生而来，常见的有两种：腺嘌呤(adenine,Ade) 和鸟嘌呤(guanine,Gua)。嘌呤分子接近于平面，但稍有弯曲。自然界中还有黄嘌呤、次黄嘌
7、呤、尿酸、茶叶碱、可可碱和咖啡碱。前三种是嘌呤核苷酸的代谢产物，是抗氧化剂，后三种含于植物中，是黄嘌呤的甲基化衍生物，具有增强心脏功能的作用。此外，一些植物激素，如玉米素、激动素等也是嘌呤类物质，可促进细胞的分裂、分化。一些抗菌素是嘌呤衍生物。如抑制蛋白质合成的嘌呤霉素，是腺嘌呤的衍生物。生物体中（A+T）/（G+C）称为不对称比率，不同生物有所不同。比如人的不对称比率为1.52，酵母为 79，藤黄八叠球菌为 0.35。3.稀有碱基 除以上五种基本的碱基以外，核酸中还有一些含量极少的稀有碱基，其中大多数是甲基化碱基。甲基化发生在核酸合成以后，对核酸的生物学功能具有重要意义。核酸中甲基化碱基含量
8、一般不超过 5，但 tRNA 中可高达 10。（二）核苷核苷是戊糖与碱基缩合而成的。糖的第一位碳原子与嘧啶的第一位氮原子或嘌呤的第九位氮原子以糖苷键相连，一般称为 N-糖苷键。戊糖是呋喃环， C1 是不对称碳原子，核酸中的糖苷键都是 糖苷键。碱基与糖环平面互相垂直。糖苷的命名是先说出碱基名称，再加“核苷”或“脱氧核苷” 。在 tRNA 中含有少量假尿嘧啶核苷（用 表示） ，它的核糖与嘧啶环的 C5 相连。规定用三字母符号表示碱基，用单字母符号表示核苷，前面加 d 表示脱氧核苷。戊糖的原子用带的数字编号，碱基用不带的数字编号。（三）核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核糖核苷的糖环上
9、有三个羟基，可形成三种核苷酸：2 、3和 5-核糖核苷酸。脱氧核糖只有 3和 5两种。生物体内游离存在的多是 5核苷酸。用碱水解 RNA 可得到 2和 3核糖核苷酸的混合物。稀有碱基也可形成相应的核苷酸。在天然 DNA 中已找到十多种脱氧核糖核苷酸，在 RNA中找到了几十种核糖核苷酸。（四）多磷酸核苷酸细胞内有一些游离的多磷酸核苷酸，它们具有重要的生理功能。5-NDP 是核苷的焦磷酸酯，5-NTP 是核苷的三磷酸酯。最常见的是 5-ADP 和 5-ATP。ATP 上的磷酸残基由近向远以 编号。外侧两个磷酸酯键水解时可释放出 7.3 千卡能量，而普通磷酸酯键只有 2 千卡，所以被称为高能磷酸键（
10、P） 。因此 ATP 在细胞能量代谢中起极其重要的作用，许多化学反应需要由 ATP 提供能量。高能磷酸键不稳定，在 1NHCl 中，100水解 7分钟即可脱落，而 磷酸则稳定得多。利用这一特性可测定 ATP 和 ADP 中不稳定磷的含量。细胞内的多磷酸核苷酸常与镁离子形成复合物而存在。GTP,CTP,UTP 在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但不普遍。UDP 在多糖合成中可作为携带葡萄糖的载体，CDP 在磷脂的合成中作为携带胆碱的载体。各种三磷酸核苷酸都是合成 DNA 或 RNA 的前体。鸟嘌呤核苷四磷酸酯和五磷酸酯在代谢调控中起作用，在大肠杆菌中，它们参与 rRNA 合成的控制。（五）环
11、化核苷酸磷酸同时与核苷上两个羟基形成酯键，就形成环化核苷酸。最常见的是 3,5-环化腺苷酸(cAMP) 和 cGMP。它们是激素作用的第二信使，起信号传递作用。可被磷酸二酯酶催化水解，生成相应的 5-核苷酸。二、有关缩写符号碱基用三字母符号表示，核苷用大写单字母符号表示，前面加 d 表示脱氧核苷。戊糖的原子用带的数字编号，碱基用不带的数字编号。稀有核苷（修饰核苷）也用单字母符号表示，如 D 表示二氢尿嘧啶核苷，T 表示胸苷。如果碱基上有修饰基团，就在表示核苷的大写字母前加上代表修饰基团的小写字母，在这个小写字母的右上方写明修饰位置，右下方写明修饰基团的数量（如只有一个可省略） 。如m2G 表示
12、 2-N-甲基鸟苷，m2，2，73G 表示 N2,N2,7-三甲基鸟苷，S4U 表示 4-硫代尿苷。核糖上的修饰基团写在表示核苷的大写字母右边，如 Cm 表示 2-O-甲基胞苷。核苷酸可在核苷符号旁加小写 p 表示，写在左边表示 5核苷酸，写在右边表示 3核苷酸。写几个就表示几个磷酸。3,5-环化核苷酸可在前面加小写 c，2,3-环化核苷酸可在核苷符号后加P，如 UP 表示 2,3-环化尿苷酸。三、核苷酸的功能1.作为核酸的成分。2.为需能反应提供能量。UTP 用于多糖合成，GTP 用于蛋白质合成，CTP 用于脂类合成，ATP 用于多种反应。3.用于信号传递。如 cAMP、cGMP 是第二信使
13、。4.参与构成辅酶。如 NAD、FAD、CoA 等都含有 AMP 成分。5.参与代谢调控。如鸟苷四磷酸等可抑制核糖体 RNA 的合成。又如反义 RNA。第三节 DNA 的结构 一、DNA 的一级结构1.定义DNA 是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸。它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序，即碱基序列。2.结构在 DNA 分子中，相邻核苷酸以 3，5磷酸二酯键连接构成长链，前一个核苷酸的 3羟基与后一个核苷酸的 5磷酸结合。链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架，链的一端有自由的 5磷酸基，称为 5端；另一端有自由 3羟基，称为 3端。在DNA 中，每个脱氧核糖连接着碱基，
14、碱基的特定序列携带着遗传信息。3.书写书写 DNA 时，按从 5向 3方向从左向右进行，并在链端注明 5和 3，如 5pApGpCpTOH3。也可省略中间的磷酸，写成 pAGCT。这是文字式缩写。还有线条式缩写，用竖线表示戊糖，1在上，5在下。二、DNA 的二级结构（一）双螺旋结构的建立DNA 双螺旋结构的阐明，是本世纪最重大的自然科学成果之一。在 40 年代，人们已经发现脱水 DNA 的密度很高，X 射线衍射表明 DNA 中有 0.34nm 和 3.4nm 的周期性结构。1950 年，Chargaff 通过对碱基的分析发现了互补配对规律：在任何 DNA 中，A=T，G=C，所以有 A+G=T
15、+C。1953 年 Watson 和 Crick 根据 Wilkins 的 DNAX-射线衍射数据和碱基组成规律，建立了DNA 的双螺旋结构模型，从而揭开了现代分子生物学的序幕。当年 Watson 只有 24 岁，在剑桥 Cavendish 实验室进修，他在美国时就认识到核酸的重要性，所以在大家都在研究蛋白质时致力于核酸研究，从而得到了划时代的成果。Watson 和 Crick 阐明的是 B-DNA 结晶的结构模型，与细胞内存在的 DNA 大体一致。近年来又发现，局部 DNA 还可以其他双螺旋或三螺旋的形式存在。（二）B-DNA 双螺旋结构的要点1.基本结构DNA 双螺旋是由两条反向、平行、互
16、补的 DNA 链构成的右手双螺旋。两条链的脱氧核糖磷酸骨架反向、平行地按右手螺旋走向，绕一个共同的轴盘旋在双螺旋的外侧，两条链的碱基一一对应互补配对，集中地平行排列在双螺旋的中央，碱基平面与轴垂直。DNA 双螺旋中的两条链互为互补链。2.基本数据双螺旋外径 2nm，螺距 3.4nm，每 10 对碱基上升一圈。因此每对碱基距离 0.34nm，夹角36 度。3. 作用力有两种作用力稳定双螺旋的结构。在水平方向是配对碱基之间的氢键，A=T 对形成两个氢键，GC 对形成三个氢键。这些氢键是克服两条链间磷酸基团的斥力，使两条链互相结合的主要作用力。在垂直方向，是碱基对平面间的堆积力。堆积力是疏水力与范德
17、华力的共同体现。氢键与堆积力两者本身都是一种协同性相互作用，两者之间也有协同作用。4.大小沟脱氧核糖磷酸骨架并未将碱基对完全包围起来，在双螺旋表面有两个与双螺旋走向一致的沟，一个较深较宽，称大沟；一个较窄较浅，称小沟。大沟一侧暴露出嘌呤的 C6、N7 和嘧啶的 C4、C5 及其取代基团；小沟一侧暴露出嘌呤的 C2 和嘧啶的 C2 及其取代基团。因此从两个沟可以辨认碱基对的结构特征，各种酶和蛋白因子可以识别 DNA 的特征序列。5.修正以上模型是 DNA 的平均特征，由于碱基序列的影响，在局部会有所差异。如两个核苷酸之间的夹角可以从 28 度到 42 度不等，互补配对的碱基之间有一定夹角，称为螺
18、旋桨状扭曲。螺旋一圈含有 10.4 个碱基对。（三）DNA 的其他结构DNA 纤维在 92的相对湿度下可形成 B-DNA。DNA 钠盐、钾盐或钙盐在 75的相对湿度下可形成 A 型结构，它也是右手螺旋，但碱基略有倾斜（19 度） ，螺距和骨架结构也稍有不同，每匝 11 个碱基对，短粗。其生物学意义在于它与双链 RNA 及 DNA-RNA 杂合体在溶液中的构象极其相似。由于 2羟基的存在，RNA 不易采取 B 型构象，所以在转录时，DNA 要采取 A 型构象。一些有机溶剂和蛋白质可将 B 型 DNA 变成 A 型构象。在 66相对湿度的 DNA 锂盐纤维中发现有 C 型结构。可以认为 C 型构象
19、在浓盐溶液和乙二醇溶液中发生。此时堆积力降低，氢键结合能量相对增加。C 型结构也是右手螺旋，存在于染色质和某些病毒中。此外还有 D 型及被称为 T 和 P 的两种亚稳态结构。富含 A-T对的 DNA 区域有较大的结构多样性。DNA 还有左手螺旋，即 Z-DNA。其骨架呈锯齿走向，在嘌呤与嘧啶交替排列的寡聚 DNA中发现，也是反平行互补的双螺旋，每匝 12 个碱基对，螺旋细长。这说明 DNA 的碱基序列不仅储存遗传信息，也储存了自身高级结构的信息。Z-DNA 作为特殊的结构标志，与基因表达的调控有关。三、DNA 的三级结构（一）超螺旋DNA 的三级结构是指双螺旋的进一步扭曲。其基本形式是超螺旋，
20、即螺旋的螺旋。三级结构决定于二级结构。B-DNA 以每 10 个碱基一圈盘绕时能量最低，处于伸展状态；当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。盘绕过多时形成正（右手）超螺旋，不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的，所以只有双链闭合环状 DNA 和两端固定的线形 DNA 才能形成超螺旋，有切口的 DNA 不能形成超螺旋。无论是真核生物的双链线形 DNA，还是原核生物的双链环形 DNA，在体内都以负超螺旋的形式存在，密度一般为 100200bp 一圈。DNA 形成负超螺旋是结构与功能的需要。（二）高级结构的动态变化在细胞内 DNA 的高级结构是变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用
21、，改变 DNA 的二级结构和三级结构，是生物功能的需要。DNA 的复制、转录、重组、修复，都伴随着其高级结构的变化。在生物体内，改变高级结构有以下三种方法：在解链酶的作用下，破坏碱基对间的氢键，使 DNA 局部解链成为单链区，以增加未解链的双链区的盘绕数，从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。通过局部形成 Z-DNA（左手）双螺旋，也可增加 B-DNA 部分的盘绕数，减少负超螺旋。通过拓扑异构酶切断 DNA 的一条或两条链，在双螺旋张力的推动下，使断端绕互补链旋转，释放张力后再连接，可消除超螺旋，也可引入超螺旋。DNA 的拓扑结构有公式如下：L=T+W其中 L 称为连环数，是一条链以右手螺旋绕另一条
22、链缠绕的次数，必须是整数。缠绕数 T是双螺旋周数，W 是超螺旋数。T、W 可以是小数。超螺旋密度一般在-0.03 到-0.09 之间。（三）超螺旋的多层次性真核生物的染色体是 DNA 与蛋白质的复合体，其中 DNA 的超螺旋结构是多层次的。染色体由染色质细丝经过多次卷曲而成。染色质细丝由核小体重复单位构成串珠状结构。核小体由 DNA 和组蛋白组成。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，有H1、H2A、H2B、H3 和 H4 共 5 种。后四种各 2 分子组成核小体的蛋白核心，约 140bp 双螺旋 DNA（核心 DNA）在蛋白核心外绕行 1.75 圈，共同构成核小体的核心颗粒。核心颗粒之间有约
23、 60bp 的连接 DNA。1 分子组蛋白 H1 结合在连接 DNA 的进出部位，将核心DNA 固定在核心蛋白外围。核小体呈扁球形，高约 6nm，直径约 11nm。由核心 DNA 与连接 DNA 构成的核小体重复单位包括约 200bp，长度由 68nm 压缩至 11nm。所以第一次超螺旋使直径 2nm 的 DNA 双螺旋变成直径 11nm 的染色质细丝，长度压缩 67 倍。染色体细丝经过再一次超螺旋，形成直径 30nm 的染色体粗丝，长度又压缩 6 倍。第三次超螺旋使粗丝盘绕成直径 400nm 的单位纤维，长度压缩 40 倍。最后由单位纤维折叠形成染色单体，长度压缩 45 倍。这样，经过 4
24、次超螺旋，DNA 的长度压缩了近万倍（8400 倍） 。第四节 RNA 的结构 一、RNA 的结构特点1.RNA 分子是一条单链。可以回折，自身互补配对，形成发夹或称为茎环结构。形成局部A 螺旋至少要有 4-6 个碱基对。某些分子中回折可占 50%。2.RNA 分子中的核糖有 2-羟基，但不用于成键。3.以尿嘧啶代替胸腺嘧啶，含有多种稀有碱基。4.RNA 是 DNA 部分序列的转录产物，分子量小得多。有些病毒含有 RNA 复制酶，可以催化以 RNA 为模板的 RNA 合成，即 RNA 的复制。5.RNA 是多拷贝的。6.RNA 按功能分为三类：转运 RNA(tRNA)、信使 RNA(mRNA)
25、和核糖体 RNA(rRNA)。此外还有 snRNA 和 hnRNA。前者与 RNA 的加工有关，后者是 mRNA 的前体。二、转运 RNA（一）一级结构转运 RNA 是小分子，一般由 7493 个核苷酸构成，分子量在 25kd 上下，沉降系数 4s。其功能是转运氨基酸，按照信使 RNA 的碱基序列合成蛋白质。20 种氨基酸都有专一的转运 RNA，有的还有 2 种或多种转运 RNA。原核生物有 3040 种 tRNA，真核生物有5060 种或更多。有报道说有一种 RNA(tRNASer)可专一转运硒代半胱氨酸，可识别UGA（终止密码） 。tRNA 是修饰成分最多的核酸。已经发现的约 70 种修饰
26、成分中，有 50 种存在于 tRNA 中。每个 tRNA 分子都有修饰成分，有的多达十几个，占全部构件的 20。修饰成分包括修饰碱基和修饰核苷，都是转录后由 4 种标准碱基或核苷加工修饰而成的。在 tRNA 分子中，修饰碱基主要是甲基化碱基，修饰核苷主要是假尿嘧啶核苷。（二）tRNA 的二级结构单链的 RNA 借部分序列互补结合，可以形成确定的二级结构。维持二级结构的作用力也是氢键和堆积力。RNA 分子二级结构的基本单元是发夹结构。RNA 链通过自身回折，两段互补序列配对形成一段双螺旋，两段之间未配对的碱基形成突环。由双螺旋和突环(loop)构成了发夹结构(hair pin)。回折比例高，结构
27、稳定。tRNA 分子都有由一个臂和三个发夹构成的三叶草形二级结构。tRNA 链的 5端与 3端序列构成的双螺旋区称为氨基酸臂，其 3末端都有不变的单链 CCAOH，因末端 A 结合氨基酸而得名。三个发夹依次由二氢尿嘧啶环(DHU loop)与 DHU 茎、反密码子环与反密码子茎、TC 环与 TC 茎组成。反密码子环中央的三个碱基构成反密码子，与信使 RNA的密码子配对。有些 tRNA 在反密码子茎与 TC 茎之间有一个额外的、长度不一的可变茎。（三）tRNA 的三级结构tRNA 分子在二级结构的基础上进一步扭曲形成确定的三级结构。各种 tRNA 的三级结构都象一个倒置的 L。分子的右上端是氨基
28、酸臂，下端是反密码子。两端距离约 8nm。不同tRNA 的精细结构不同，能被专一的氨基酸 tRNA 连接酶和有关的蛋白因子识别。三、核糖体 RNA高等动物核糖体有 4 种 rRNA 成分：18s、28s、5.8s、5s，他们与 80 多种蛋白质共同构成真核生物的核糖体（80s） 。核糖体可分解为大小两个亚基，小亚基（40s）由 18s rRNA 和33 种蛋白构成，大亚基由 28s、5s、5.8s rRNA 和 49 种蛋白构成。原核生物核糖体（70s）由三种 rRNA 与 50 多种蛋白质构成，大亚基（50s）包括 23s、5s rRNA 和 34 种蛋白，小亚基（30s）包括 16s rR
29、NA 和 21 种蛋白。多种 rRNA 的一级结构已经测出。rRNA 只含少量修饰成分，主要是甲基化核苷酸，包括m7G、m6G 等修饰碱基和各种 2-O-甲基修饰核苷。同种 rRNA 的二级结构具有共同特点。四、信使 RNAmRNA 作为指导合成蛋白质的模板，具有种类多、拷贝少、寿命短、修饰成分少的特点。mRNA 的主体序列是编码区，在其上游 5侧和下游都有非编码区。真核生物 mRNA 分子两端还有 5帽子和 3尾部结构。原核细胞一般没有尾，某些真核病毒有。最简单的帽子结构是掉转方向的 7甲基鸟苷三磷酸，它与 mRNA 原来的 5端核苷酸借5ppp5连接形成 m7GpppN。较复杂的帽子结构在
30、后面的一个或两个核苷酸还有 2-O-甲基修饰。帽子结构的通式可写为 m7GpppN(m)pN(m)。帽子结构对稳定 mRNA 及其翻译具有重要意义，它将 5端封闭起来，可免遭核酸外切酶水解；还可作为蛋白合成系统的辨认信号，被专一的蛋白因子识别，从而启动翻译过程。5非编码区是帽子与编码区起始密码子之间的一段较短的序列，其中包括标志翻译起始的序列，如原核生物的 SD 序列。编码区由起始密码子 AUG 开始，到终止密码子(UAG、 UGA、UAA)截止，编码一种蛋白质的一级结构。其中每三个碱基构成一个密码子，编码一个氨基酸。3侧非编码区是终止密码子以后的转录序列，其中包括 AAUAAA 一段序列，可
31、能是添加 3尾的标志，也可能是翻译终止的协调信号。3端尾部是一段多聚 A尾。成熟的 mRNA 一般在它的 3端都加上了长度为 20200 碱基的多聚 A 尾，作为核膜孔转运系统的标志，与成熟的 mRNA 通过核膜孔被运到胞浆有关。第五节 核酸的理化性质 一、粘度大分子溶液比普通溶液粘度大，线形大分子又比球形大分子粘度大。DNA 是线形大分子，人类二倍体 DNA 总量 3.3109bp，全长可达 1.75 米，DNA 分子平均长度在 4cm 以上，而双螺旋直径只有 2nm，长度与直径之比高达 107。因此，DNA 粘度极高，也极易在机械力作用下折断。双链 DNA 解链成为单链 DNA 时，由较伸
32、展的双螺旋变成较紧凑的线团结构，粘度明显下降。RNA 因为分子量小，且呈线团结构，所以其粘度低得多。二、密度利用密度梯度离心可以测定大分子的浮力密度。CsCl 溶解度大，可制成 8M 溶液。DNA的浮力密度一般在 1.7 以上，RNA 为 1.6，蛋白质为 1.35-1.40。分子量相同结构不同的DNA 沉降系数不同，线形双螺旋 DNA、线形单链 DNA、超螺旋 DNA 沉降系数之比为1:1.14:1.4。因此通过测定沉降系数可以了解 DNA 的结构及其变化。三、紫外吸收嘌呤和嘧啶因其共轭体系而有 强紫外吸收。核酸在 260nm 有紫外吸收峰，蛋白质在280nm。利用紫外吸收可测定核酸的浓度和
33、纯度。一般测定OD260/OD280，DNA=1.8，RNA=2.0。如果含有蛋白质杂质，比值明显下降。不纯的核酸不能用紫外吸收法测定浓度。紫外吸收改变是 DNA 结构变化的标志，当双链 DNA 解链时碱基外露增加，紫外吸收明显增加，称为增色效应。双链、单链 DNA 与核苷酸的紫外吸收之比是 1:1.37:1.6。四、DNA 的变性在一定条件下，双链 DNA 解链变成单链 DNA 的现象称为变性或熔化。加热引起的变性称为热变性；碱性条件（pH11.3）下，DNA 发生碱变性。此外，尿素、有机溶剂、甚至脱盐都可引起 DNA 变性。除去变性因素后，互补的单链 DNA 又可以重新结合为双链DNA，称
34、为复性或退火。DNA 复性由局部序列配对形成双链核心的慢速成核反应开始，然后经过快速的所谓拉链反应而完成。DNA 变性后粘度降低，密度和吸光度升高。变性后的单链 DNA 与具有同一性序列的 DNA 链或 RNA 分子结合形成双链的 DNADNA或 DNARNA 杂交分子的过程称为杂交或分子杂交。分子杂交技术的发展和应用，对分子生物学和生物高技术的发展起到了重要的推动作用。通常将 50%DNA 分子变性时的温度称为熔点（Tm ） 。一般 DNA 在生理条件下的熔点在85-95 度之间。熔点主要取决于碱基组成，G-C 对含量越高，熔点越高。一般 G-C 对含量40%时熔点是 87 度，每增加 1%
35、，熔点增加约 0.4 度。离子强度也有影响，因为离子能与DNA 结合，使其稳定，所以离子强度越低，熔点越低，熔解范围越窄。因此 DNA 应保存在高盐溶液中。如果 DNA 不纯，则变性温度范围也会扩大。甲酰胺可以使碱基对之间的氢键不稳定，降低熔点。所以分子生物实验中经常用甲酰胺使 DNA 变性，以避免高温引起 DNA 断裂。乙醇、丙酮、尿素等也可促进 DNA 变性。DNA 的复性速度与其初始浓度 C0 及复杂度有关。当温度、离子强度等其他条件固定时，一半 DNA 复性时的 C0t 值只与其复杂度有关，可用来计算基因组的复杂度。五、限制性内切酶限制性内切酶 II 识别并切割特定的回文序列，生物体用
36、来防止外源 DNA 的影响，在基因工程中用于 DNA 的切割，被称为分子手术刀。如 EcoRI，E 是属名，co 是种名，R 是菌株名，I 是发现次序。六、核酸的提纯提取：一般先破碎细胞，得到 DNP 或 RNP。然后用酚-氯仿除蛋白，用乙醇或异丙醇将核酸沉淀出来，干燥后再溶解即可。纯化：常用电泳或层析。PAGE 一般用于分离 1K 以下的核酸，如测序。较大的要用琼脂糖电泳。纯化 mRNA 常用 oligo-dT 的层析柱或磁珠。目前核酸研究的特点八十年代以后，核酸研究有以下特点：1.RNA 研究受到重视。以前的研究以 DNA 为重点，现在 RNA 成为研究热点。核糖酶的发现和 RNA 的加工
37、编辑机制是两大发现。一个基因在不同组织或不同生理状态下，从不同转录起始位点开始转录，通过不同的剪接方式和不同的 3端成熟机制，可形成不同的蛋白质，这是一种比基因重排更灵活的调控方式。RNA 的应用也日益广泛，如用 ribozyme切割病毒核酸，用反义 RNA 阻断有害基因的表达等。因此，有人称 90 年代为 RNA 的十年。2.研究材料从原核走向真核。真核生物的复制、转录、翻译都比原核复杂得多，材料的改变导致了 ribozyme、RNA 的剪接、编辑等重大发现，大大推动了核酸的研究。3.研究核酸与核酸、核酸与其他生物大分子的相互作用。生物体内的核酸多数处于各种复合物中，其结构与功能都与复合物相
38、关。真核基因转录调控的研究主要集中在顺式作用元件（cis-acting elements） 、反式作用因子（ trans-acting factor） 、以及它们之间的相互作用上。核糖体的结构与功能、氨酰 tRNA 的合成一直是研究核酸与蛋白质相互作用的两个重要对象，近来又形成剪接体（spliceo-some ） 、核不均一核糖核蛋白体（ hn-RNP） 、核小分子核糖核蛋白体（snRNP） 、编辑体（editosome ）等研究热点。研究进入分子水平与整体水平相结合的阶段。比如果蝇的发育受调控基因网络的控制，一些实验室正在以整体与分子水平相结合的方式进行研究。提要 1.概述核酸分类 分布与功能 2.核苷酸碱基 嘌呤与嘧啶 DNA 与 RNA 中的核苷与核苷酸 多磷酸核苷酸 环核苷酸3.DNA 的结构磷酸二酯键 DNA 的一级结构 DNA 的二级结构 DNA 的三级结构 DNA 的拓扑结构4.RNA 的结构DNA 与 RNA 的区别 RNA 的种类与功能 tRNA 的结构特点 mRNA 的结构特点5.核酸的理化性质紫外吸收 DNA 的变性与复性 限制性内切酶
