生物奥赛之生物化学重点串讲-----核苷酸与核酸

核苷酸与核酸
Nucleotides and Nucleic Acids
重点内容

核酸通论

脱氧核糖核酸（DNA）

核酸（nucleic acid）

核糖核酸（RNA）

核酸通论
核酸的功能 （一）DNA是主要的遗传物质（携带与传递遗

传信息） 直接证据：
? 肺炎双球菌转化实验 ? 噬菌体感染实验 ? DNA双螺旋结构模型

核酸通论
（二）RNA功能的多样性（参与遗传信息的表达、调
节遗传信息的表达、催化功能。。。。。。。）

? tRNA
? rRNA

? mRNA
? 其他的RNA

核酸的结构
一、核酸的组成
核 酸（nucleic acid）

核苷酸（nucleotide） 磷酸（phosphoric acid） 核苷（nucleoside）

或核糖

戊糖（pentose）

碱基（base）

核酸的结构

核糖核酸
（RNA）

核糖核苷酸 （ribonucleotide）

脱氧核糖核酸 （DNA）

脱氧核糖核苷酸 （deoxyribonucleotide）

核酸的结构
两类核苷酸的基本化学组成
核糖核苷酸
戊糖 碱基 核糖（D-ribose） 腺嘌呤（adenine）、 鸟嘌呤（guanine）、 胞嘧啶（cytosine）、 尿嘧啶（uracil） phosphoric acid

脱氧核糖核苷酸
脱氧核糖（D-2deoxyribose） 腺嘌呤（adenine）、 鸟嘌呤（guanine）、 胞嘧啶（cytosine）、 胸腺嘧啶（thymine） phosphoric acid

组 成

磷酸

核酸的结构

? 核糖与碱基之间通过N-(?-)糖苷键相连，形成 核苷；

? 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸， 核苷与磷酸之间主要通过5’-磷酸酯键相连。

核酸的结构

5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 4’

5’ 1’ 3’ 2’

(OH)

(OH)

嘧啶核苷

嘌呤核苷

核酸的结构
构成DNA的核苷酸：5’－脱氧核苷酸

核酸的结构
构成RNA的核苷酸：5’－核苷酸

核酸的结构
二、核酸的共价结构
? 核酸（ DNA 与 RNA ）是核苷酸聚合成的生物大分子，
无分支结构。

? 核酸的共价结构就是核酸的一级结构，通常指核酸
的核苷酸序列。

核酸的结构
? DNA与RNA均以3',5'-磷酸二酯键连接核苷酸。

核酸的结构
DNA一级结构的特点

? 无分支的线形或环形链；
? DNA链很长，分子量很大，编码巨大的信息量； ? 真核生物与原核生物具有不同的特性

核酸的结构
RNA一级结构的特点 ? 无分支的线形链； ? 不同种类具有不同结构：
RNA种类
原核mRNA

碱基组成
无修饰碱基

3'端
有一段非 翻译区 有poly(A)

5'端
有一段 非翻译 区 有5'端 帽子

其他特点
有多顺反子 mRNA

真核mRNA

有修饰碱基

单顺反子

核酸的结构
三、DNA的三维空间结构
? 二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成

的双螺旋（double helix）结构。
? 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。

? 四级结构：DNA与蛋白质的复合体结构

核酸的结构
（一）DNA的二级结构

1953年，Watson和Crick 根据Chargaff 规律和 DNA钠盐纤维的X光衍射 结果提出了DNA的双螺

旋结构模型。

核酸的结构
Watson-Crick双螺旋结构模型
? 两条反向平行（一条5’→3’，另一条3’→5’）的多核

苷酸链绕同一中心轴相互缠绕，形成右手双股螺旋。

核酸的结构

? 碱基 位于 双螺 旋的 内侧 ，

磷酸与脱氧核糖在双螺
旋 外 侧 ， 构 成 DNA 分 子 的骨架；外部亲水，内

部疏水。

核酸的结构
? 碱基平面接近与纵轴垂直，糖环的平面接近与纵轴
平行。

核酸的结构
? 双螺旋是一种 有规律的结构
平均直径 螺距 每旋转一周的核 苷酸数目 碱基堆积距离 相邻核苷酸夹角 2 nm 3.4 nm 10 0.34 nm 36o
2.0 nm

核酸的结构
? 大沟与小沟。

核酸的结构
? 两条链依靠碱基之间形成的氢键结合在一起。

碱基配对 原则： A－T

G－ C

核酸的结构
稳定双螺旋结构的因素
①碱基堆积力（base-stacking interactions） 疏水作用＋范德华力 ②碱基配对的氢键。GC含量越多，双螺旋越稳定。

核酸的结构

? 碱基在一条链上的排

列顺序不受任何影响；
但是根据碱基配对原则， 当一条链的序列被确定 后，即可决定另一条互 补链的序列。

核酸的结构
(二）DNA的三级结构
? DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象

? 包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构
单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征

? 超螺旋（supercoil）是DNA三级结构的主要形式

核酸的结构
超螺旋的功能
?超螺旋有助于DNA在细胞内的包装； ?负超螺旋易于解链，有利于DNA的复制、重组和转录 等过程的进行； ?生物体内可通过调节DNA的拓扑结构来调节其功能。

核酸的结构
（三）DNA与蛋白质复合物的结构（四级结构）
病毒：类型多样（环状双链、线型双链、线型单链、环状单链）
原核：环状双链分子，集中于核区，包括DNA与质粒DNA 真核：细胞核DNA－线型双链分子，与组蛋白等形成染色体 （chromosome）
细胞器DNA－环状双链分子，一般裸露

核酸的结构

染色体DNA组装不同层次的结构

核酸的结构
四、RNA的结构
? RNA通常是单链线型分子 ? RNA可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），并进一 步折叠形成三级结构 ? RNA可与蛋白质形成核蛋白复合体（四级结构，例如核 糖体）

核酸的结构
tRNA的高级结构
? 三叶草形二级结构：茎＋环

? 倒L形三级结构

核酸的结构
? 维系tRNA三级结构的因素：氢键、碱基堆积力 ? tRNA分子功能：转运氨基酸 ? tRNA分子具有与其功能相适应的柔韧性。

核酸的理化性质

? 核酸的水解 ? 核酸的酸碱性质

? 核酸的紫外吸收
? 核酸的变性和复性

核酸的理化性质
一、核酸的水解
? 对酸的敏感性：糖苷键＞磷酸酯键，脱氧核糖＞核糖

? RNA的磷酸酯键对碱敏感，DNA抗碱水解（生理意义）
? 酶水解：酶的专一性；限制性内切酶（特点、应用）

核酸的理化性质
二、核酸的酸碱性质
? 碱基、核苷与核苷酸均能发生解离
? 核苷酸与核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因

此核苷酸与核酸具有两性解离的性质。
? 核苷酸与核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等 电点偏低（等电点的应用）

核酸的理化性质
三、核酸的紫外吸收
? 嘌呤碱与嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷 酸和核酸在240－290nm的紫外波段有强烈的光吸收 ? λmax≈260nm

核酸的理化性质
? 紫外吸收光谱的应用 ? 鉴定纯度 ? 核苷酸与核酸含量计算 ? 判断变性（增色效应、减色效应）
在DNA的变性过程中，? (P)值增大（增色效应，hyperchromic effect）

在DNA的复性过程中，? (P)值减小（减色效应，hypochromic effect）

核酸的理化性质

四、核酸的变性、复性及杂交
(一)变性（denaturation）

核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及
共价键断裂。

核酸的理化性质
? 熔解温度（Tm）：
? 加热变性使 DNA 的双螺旋

结构失去一半时的温度。

? 影响DNA的Tm值的因素
melting temperature

核酸的理化性质
(二)复性
? 变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可

以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。

? 影响DNA复性的因素 ? 降温速率，负效应（热变性的DNA在缓慢冷却的条 件下可以复性，称为退火－annealing）

核酸的理化性质
(三) 分子杂交（hybridization）
? 在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA

单链分子（与原DNA具有序列互补性），去掉变性
条件后复性形成双螺旋结构的过程。

核酸的理化性质
?分子杂交的种类
? Southern Blotting：检测DNA ? Northern Blotting：检测RNA

核酸的研究方法（结束）
核酸的研究方法
? 核酸的分离纯化和定量测定 ? 核酸的离心分析

? 核酸的凝胶电泳
? 核酸的测序

? PCR
? DNA的化学合成

核酸的研究方法
核酸的分离纯化
要点： ? 利用各种核酸的特性选择合适的纯化方法（注意 掌握原理）； ? 抑制核酸酶的作用，防止核酸的降解和变性。

核酸的研究方法
核酸含量的测定
? 紫外分光光度法

50 ?g/ml 双螺旋DNA A260=1 40 ?g/ml 单链DNA/RNA 20 ?g/ml 寡核苷酸

核酸的研究方法
核酸的凝胶电泳

琼脂糖凝胶电泳分离核酸 并测定DNA分子量

核酸的研究方法
核酸测序

双脱氧终止法测定DNA序列

核酸的研究方法
DNA聚合酶链反应（PCR） PCR：体外扩增DNA的技术
?必备条件 ?核心反应（原理） ?核心技术 ?核心酶