第三章核酸的结构与

功能Nucleic Acid structure and

Function

什么是核酸 ?

核酸是遗传信息物质

核酸的结构与功能

Ò Å «Ð ÅÏ ¢µ Ä æ ¢º ÍÐ ¯ øÕ ß

脱氧核糖核酸

Ò Å «Ð ÅÏ ¢± í ï

核糖核酸

核酸

DNA(deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid)

nucleic acid

DNA（ deoxyribonucleic acid)

RNA(ribonucleic acid)

核酸研究的历史 1869 年，瑞士科学家 Miescher 在外

科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物。 因 存在 于 核 中， 故命名为“核质” (nuclein)。

1889 年， Altmann 制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了核酸(nucleic acid) 这个名称。

核酸研究的历史

1928 － 1932 年，确立了核酸在生命现象中的地位。

1944 年，转化作用的发现，证实： 核酸 遗传物质

1953 年， Waston和 Crick 建立了双螺

旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。

核酸研究的历史 早期的研究

仅将核酸看成是细胞中的一种成分，后逐步证明核酸中含有戊糖，磷酸和碱基，是一种线状聚合物。

DNA is the carrier of genetic information

核 苷 酸 的 结 构

左 边 是 电 脑 模 型 ， 右 边 是 简 化 的 表 示 法

酯键

糖苷键

Ribose and Deoxyribose

第一节 核酸的化学

组成

第一节 核酸的化学组成

碱基

水解 完全水解

核酸 单核苷酸 戊糖

 

磷酸

核酸的化学组成Nucleic acid

nucleotide

phosphate + nucleoside base + pentose

purine 、 pyrimidine

DNARNA

deoxyribonucleotideribonucleotide

deoxyribonucleosideribonucleoside

deoxyriboseribose

The structure of base

嘌呤

嘧碇

核酸中的碱基是含氮杂环化合物：

碱基的互变异构

酮式－烯醇 C=O C-OH

N N 氨基－亚氨基 C-NH2 C=NH2

+

+HN HN 受介质 pH 影响

碱基的共轭双键 260nm

波长的紫外吸收强。

核酸测定的基础。

Ribose and Deoxyribose

pentose

核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连

接形成的化合物：

核苷

核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成

核苷酸或脱氧核苷酸按组成分类：

含有 1 个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（ NMP），如 CMP

含有 2 个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（ NDP），如 GDP

含有 3 个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（ NTP），如 ATP

核苷酸

核苷酸 许多单核苷酸在体内具有许多重要的生理功能

ATP 是体内能量的直接来源和利用形式。 腺苷酸是 NAD ＋、 FAD 、辅酶 A 等的组成成分。 cAMP与 cGMP 是细胞内信号转导过程中重要的调

节因子。

核苷酸的连接方式

Adenosine ADP ATP

AMP

第二节核酸的一级结构

核苷酸的连接

( 连接酶 )

DNA 的一级结构是通过 3’,5’- 磷酸二酯键构成一个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是 5’- 末端（游离磷酸基）和 3’- 末端（游离羟基）。是指DNA 分子中核苷酸的排列顺序。

由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所以 DNA 分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列顺序。

DNA 的一级结构

5’

3’

DNA 的一级结构

核酸的书写方法 5’ ：左侧（上） 3’ ：右侧（下） AUGGC和 AGUGC 的碱基组成相同，

但表示二段不同的核酸序列。

第三节 DNA 的空间结

构与功能

Chargaff 规则 腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌

呤与胞嘧啶的摩尔数相等， 即： A=T， G=C

不同生物种属的 DNA, 其碱基组成不同 同一个体不同器官、不同组织的 DNA 具

有相同的碱基组成。 提示： A与 T， G与 C 之间可能以互

补的方式存在。

DN

A

的双螺旋结构

DNA 的双螺旋结构 DNA 分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的

双链组成，以右手螺旋方式盘旋 糖－磷酸骨架均位于外侧，碱基在内侧

碱基平面之间距离为 0.34nm 。螺旋一周为 10 碱基对，螺距为 3.4nm。

双螺旋的两条链是反方向平行的。 碱基配对： G = C A = T。稳定力：互补碱基之间的氢键 疏水性堆积力 - 碱基堆积力

B 型 -DNA

DNA 的三级结构原核生物和真核生物线粒体、叶绿体中的

DNA 是共价封闭的环状双螺旋，再形成 超螺旋。

环状双螺旋

超螺旋

DNA 的三级结构真核生物中 DNA 的三级结构与蛋白质有关。 和 DNA 结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。 组蛋白 H2A 、 H2B 、 H3 和 H4各两个分子形成八聚体，被两圈 140-145 碱基对的 DNA 所围绕。形成核 小体。

H1 位于核小体之间的连接 区，组成串珠状结构。

DNA 的三级结构

核小体

DNA 的功能 基因：就是 DNA 大分子的一个片段，有复制、

转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基础。

DNA 的功能：作为生物遗传信息复制的模版和基因转录的模版。

一个生物体的全部基因序列称为基因组。

DNA 功能是储存遗传信息，保证每一种生物机体合成它们独特的蛋白质和 RNA ，使机体按一定时间和空间顺序来合成细胞成分。

DNA is the storehouse,or cellular library that contains the information required to build a cell or organism.

生物体内 DNA 的大小分子量 碱基对(kb)

最简单的微生物

SV40病毒 3106 5

噬菌体 3.4107 50

细菌 大肠杆菌 2.2109 4600

哺乳动物 小鼠 1.51012 230万

人 1.81012 280万

第四节 RNA 的空间结构

与功能

结构： RNA 由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘绕可形成 局部双螺旋二级结构和三级结构

RNA 的结构和功能

参与 hnRNA 的剪接转运

snRNA小核 RNA

成熟mRNA 的前体hnRNA不均一核 RNA

转运氨基酸mt tRNAtRNA转运 RNA

蛋白质合成的模板mt mRNAmRNA信使 RNA

核蛋白体的组成成分mt rRNArRNA核蛋白体 RNA

功 能 线粒体细胞核与胞液动物细胞内主要 RNA 的分布与功能

蛋白质合成的场所

一、信使 RNA （ mRNA）

传递 DNA 遗 传 信 息 的 RNA 称 为 信 使RNA

（mRNA）。

细胞核内初合成的 mRNA前体是不均一核RNA （ hnRNA ），经剪接生成成 熟的mRNA 。去掉内含子（ intron ）转录后产物，留下外显子（ extron ）转录后产物，重新连在一 起。

mRNA 的结构特点： ⑴．大多数真核 mRNA 的 5’- 端在转录后均加上一个帽子结构。 mRNA 的帽子结构可保护mRNA免受核酸酶从 5’ 端的降解作用，并在翻译起始中起重要作用。

⑵．绝大多数真核 mRNA 的 3’- 端有 200 多个腺苷酸残基的尾巴（ Poly A），其作用在于增加mRNA 的稳定性和维持其翻译活动。

m7GpppG

mRNA 的功能

mRNA 的功能是把核内 DNA 的碱基顺序（即遗传信息）按照碱基互补原则，抄录并转移到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序。 mRNA 通过三个核苷酸联成的密码子编码氨基酸。

二、转运 RNA （ tRNA）

tRNA 的结构特点：tRNA 分子中含有较多的稀有碱基： DHU、 ψ和mG 、 mA 等

所有的 tRNA 均是线性多核苷酸链，局部片断由于碱基互补而形成 局部双螺旋区，而非互补区则形成环状结构。整个 tRNA 的二级结构呈现三叶草结构

tRNA 中的 3 个环分别是 DHU 环、 TψC 环和反密码环

tRNA 的三级结构呈现倒 L 型，一端为氨基酸臂，另一端为反密码子

tRNA 的功能

其功能是携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA 上的密码顺序“ 对号入座”地将其转运到 mRNA 分子上。

tRNA 的三叶草结构

tRNA 的三级结构 tRNA 的三级结

构 均呈倒 L字母形，其 3’ 末端含CAA-OH 的氨基酸臂位于一端，反密码环位于另一端。

tRNA 的三级结构的稳定力是核苷酸之间的各种氢键。

三、核蛋白体 RNA( rRNA)

rRNA 与蛋白质结合形成的核蛋白是细胞内蛋白质合成的 场所。

rRNA 分子大小不均一，真核细胞的 rRNA 有 4 种，其沉降系数分别为 28S、 58S、 5S 和 18S 。大约与 70 种蛋白质结合而存在于的核蛋白体的大小亚基中

rRNA 的二级结构为茎环样结构。

四、核酶 (ribozyme)

rRNA前体的自我剪接是由内含子 催化的，其本质是 RNA 。具有酶的催化活力的 RNA

就称为核酶，核酶的发现改变了酶都是蛋白质的传统概念。

第五节核酸的理化性质及其应用

核酸的一般性质 核酸分子通常表现为较强的酸性。

由于 DNA 分子细长，其在溶液中的粘度很高； RNA 分子比 DNA短，在溶液中的粘度低于 DNA。

 

核酸的紫外线吸收 核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在 260nm 波长处有最大紫外光吸收。

蛋白质在 280nm 波长处有最大吸收，所以可利用 溶液 260nm 和280nm处吸收光度（ A ）的比值来估计核酸的纯度。

DNA 的理化性质及其应用

变性复性增色效应减色效应 解链温度 杂交探针

DNA 的理化性质及其应用

变性复性增色效应减色效应 解链温度 杂交探针

核酸的变性与复性（一）变性DNA 变性是指在某些因素的作用下，维系 DNA 双螺旋的次级键发生断裂，双螺旋 DNA 分子被解开成单链的过程。

引起 DNA 变性的因素有加热和化学物质的作用。

变性可使其粘度下降和紫外吸收值的改变等。

2．增色效应和解链温度（ Tm）。3． G＋ C 含量越高， Tm值越大； A ＋ T 含量越高， Tm 越值小。

（二）复性1．解开的两条链重新缔合形成双螺旋，称为 DNA 的复性或退火。

2．退火温度：比 Tm低 25℃。

变性和复性 双链分开和重新形成双链这 样的过程称为变

性和复性。

破坏氢键形成的因 素都可能使 DNA 变性，如过量的酸、碱或加热。

变性与复性

增色效应和减色效应 OD260 : 单核苷酸 > 单链 DNA> 双链 DNA

DNA 变性时，溶液的 OD260增高，称为增色效应。 在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或解链温度 (Tm)。

变性和复性是可逆的，热变性的 DNA经缓慢冷却后即可复性，故复性也称为退火 (annealing)

杂交 杂交：不同的 DNA 链放在同一溶液中作变性处理，或把单链 DNA 和 RNA放在一起，局部的碱基配对，就可以形成 局部双链。这一过程称为杂交。

杂交的应用。

核酸分子杂交是根据两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补原则退火形成双链的 原理，用已知的单链核苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源核酸序列的方法。

  常用的核酸分子杂交方法：

Southern 印迹杂交、 Northern 印迹杂交

斑点杂交、狭缝杂交

原位杂交（菌落原位杂交、细胞原位杂交、

组织片原位杂交）

夹心杂交

探针探针：在核酸杂交的基础上发展起来的一种

用于研究和诊断的新技术称为探针技术。 单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为 探针。

探针探针技术：在核酸杂交的基础上发展起

来的一种用于研究和诊断的新技术。探针 (probe) ：经同位素标记的具有特

定碱基序列的单链核苷酸聚合体。探针可用于：基因诊断、致病基因的定

位、 Southern blotting、 Northern blotting 、原位杂交、 DNA芯片技术等临床实践和科研。

第六节 核酸酶限制性内切酶的应用

Alu I ….AGCT….. ….AG CT...

…..TCGA….. ….TC GA...

BamH I …GGATCC… ...G GATTC...

...CCTAGG… …CCTAG G...

小 结 DNA 的组成与结构及性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等 RNA 的组成与结构 mRNA ：遗传密码及其性质 tRNA ：三叶草、倒 L 型结构、反密码子 rRNA ：大、小亚基组装而成 DNA与 RNA 的区别