1、核酸核酸核酸是极为重要的生物大分子之一，约占细胞干重的核酸是极为重要的生物大分子之一，约占细胞干重的515。核酸。核酸分脱氧核糖核酸（分脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（）和核糖核酸（RNA）两大类。所有生物细胞都）两大类。所有生物细胞都含有这两类核酸。含有这两类核酸。DNA主要集中于细胞核内，也存在于线粒体、叶绿素主要集中于细胞核内，也存在于线粒体、叶绿素内。内。RNA主要分布在细胞质中。但是对于病毒来说，要么只含主要分布在细胞质中。但是对于病毒来说，要么只含DNA，要，要么只含么只含RNA。核酸是一种线型核酸是一种线型多聚核苷酸多聚核苷酸，它的基本单位是，它的基本单位是核苷酸核苷酸。两类核
2、酸的基本化学组成两类核酸的基本化学组成 DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 腺嘌呤 鸟嘌呤 嘧啶碱 胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 胞嘧啶 脲嘧啶（U） 戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷酸 磷酸 核酸中的核酸中的碱基碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。核苷核苷（核糖苷）由戊（核糖苷）由戊糖和碱基缩合而成，并以糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的与嘧啶碱的N1或与嘌呤或与嘌呤碱的碱的N9相连接，形成相连接，形成N-糖糖苷键。苷键。X-射线衍射分析已射线衍射分析已证明，核苷中的碱基与糖证明，核苷中的碱基与糖环平面互相
3、垂直。环平面互相垂直。核苷中的戊糖羟基被磷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成酯化，就形成核苷酸核苷酸。脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）DNA的碱基组成的碱基组成参与参与DNA组成的主要有四种碱基：腺嘌呤（组成的主要有四种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（）和胸腺嘧啶（T）。用纸层析及紫外分光光度）。用纸层析及紫外分光光度计对各种生物计对各种生物DNA的碱基组成进行定量测定可发现如下规律：的碱基组成进行定量测定可发现如下规律：所有所有DNA中中A与与T的摩尔含量相等；的摩尔含量相等；G与与C的摩尔含量相等。因的摩尔含量相等。因此嘌呤的总含量和嘧
4、啶的总含量相等，即此嘌呤的总含量和嘧啶的总含量相等，即AGCT。DNA的碱基组成具有种属的特异性，不同的生物种的的碱基组成具有种属的特异性，不同的生物种的DNA具有具有自己独特的碱基组成。但自己独特的碱基组成。但DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。碱基组成没有组织和器官的特异性。生长发育阶段、营养状态和环境的改变都不影响生长发育阶段、营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。的碱基组成。所有所有DNA中碱基组成必定是中碱基组成必定是AT，GC。这一规律的发现，。这一规律的发现，提示了提示了A与与T，G与与C之间碱基互补的可能性，为以后之间碱基互补的可能性，为以后DNA双螺旋结双螺旋结构的
5、建立提供了重要根据。构的建立提供了重要根据。DNA的一级结构的一级结构图的右侧是多核苷酸的几种缩写法。图的右侧是多核苷酸的几种缩写法。B为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基，表示不同的碱基，P代表磷代表磷酸基，由酸基，由P引出的斜线一端与引出的斜线一端与C3相连，另相连，另一端与一端与C5相连。相连。C为文字缩写，为文字缩写，P在碱基在碱基的左侧，表示的左侧，表示P在在C5位置上；位置上；P在碱基的在碱基的右侧，表示右侧，表示P与与C3相连。有时多核苷酸中相连。有时多核苷酸中磷酸二酯键上的磷酸二酯键上的P也可省略。这两种写法也可省略。
6、这两种写法对对DNA和和RNA分子都适用。分子都适用。DNA的一级结构是由数量庞大的四种的一级结构是由数量庞大的四种脱氧核糖核苷酸即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧核糖核苷酸即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3,5磷酸二磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中于脱氧核糖中C-2上不含羟基，上不含羟基，C-1又与又与碱基项连接，所以唯一可以形成的键是碱基项连接，所以唯一可以形成的键是3,5磷酸二酯键，磷酸二酯键，DNA不可能有侧链。不可能有侧链。D
7、NA的空间结构的空间结构目前公认的DNA双螺旋结构模型的建立，主要有两方面的根据：一是DNA碱基组成的定量分析；二是对DNA纤维和DNA晶体的X光衍射分析。Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92时所得的DNA钠盐纤维，这种DNA称为B型DNA。生物体内天然状态的DNA几乎都以B-DNA存在。根据Watson和Crick所提出的模型，B-DNA具有以下特性：两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕；嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3,5-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间
8、磷酸二酯键的走向。习惯上以C3C5为正向。两条链均为右手螺旋。双螺旋结构上有两条螺形凹沟：大沟的宽度为1.2nm，深度为0.85nm；小沟的宽度为0.6nm，深度为0.75nm；双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36。因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。每一转的高度（即螺距）为3.4nm。两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系而结合在一起。根两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系而结合在一起。根据分子模型的计算，一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相匹配，据分子模型的计算，一条链上的嘌呤碱必须与另一
9、条链上的嘧啶碱相匹配，其距离才正好与双螺旋的直径相吻合。碱基之间所形成的氢键，根据对碱其距离才正好与双螺旋的直径相吻合。碱基之间所形成的氢键，根据对碱基构象研究的结果，基构象研究的结果，A只能与只能与T相配对，形成两个氢键；相配对，形成两个氢键；G与与C相配对，形相配对，形成三个氢键，所以成三个氢键，所以GC之间的连接较为稳定。上述碱基之间配对的原则称之间的连接较为稳定。上述碱基之间配对的原则称为碱基互补。由此，当一条多核苷酸链的序列被确定以后，即可推知其互为碱基互补。由此，当一条多核苷酸链的序列被确定以后，即可推知其互补链的序列。碱基互补原则具有极重要的生物学意义：补链的序列。碱基互补原则具
10、有极重要的生物学意义：DNA复制、转录、复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。反转录等的分子基础都是碱基互补。Complementary base pairing between (a) guanine and cytosine and (b)adenine and thymine 对对DNA晶体所作的晶体所作的X射线衍射分析可提供更为精确的信息。射线衍射分析可提供更为精确的信息。K. Dickerson等用人工合成的多聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行等用人工合成的多聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行X射线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与射线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与
11、Watson和和Crick所提所提出的模型十分相似，但在结构上并不象出的模型十分相似，但在结构上并不象WatsonCrick模型所说的那样模型所说的那样均一。这是由于碱基序列的不同，以致在局部结构上有较大的差异，均一。这是由于碱基序列的不同，以致在局部结构上有较大的差异，这些差异是：这些差异是：Watson和和Crick的模型认为每一螺周含有的模型认为每一螺周含有10个碱基对，所以两个核个碱基对，所以两个核苷酸之间的夹角是苷酸之间的夹角是36 。但在。但在Dickerson的十二聚体中，两个碱基之间的的十二聚体中，两个碱基之间的夹角可自夹角可自28 至至42 不等。不等。Dickerson所研
12、究的十二聚体结构中，组成碱基对的两个碱基的分所研究的十二聚体结构中，组成碱基对的两个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状象螺旋桨叶片的样子，故称之为螺旋桨状扭曲。这种结构可对的形状象螺旋桨叶片的样子，故称之为螺旋桨状扭曲。这种结构可提高碱基堆积力，使提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定。结构更稳定。DNA作为一种在生命活动中非常重要的生物大分子，有必要对其某些特作为一种在生命活动中非常重要的生物大分子，有必要对其某些特性加以讨论。性加以讨论。DNA分子的长度。分子的长度。天然天然DNA分子的长度往
13、往是很长的。以大肠杆菌染色分子的长度往往是很长的。以大肠杆菌染色体体DNA为例，其分子量为为例，其分子量为2.6 109或由或由4 106碱基对组成，长度为碱基对组成，长度为1.4 106nm。就其长度与直径之比而言，这是一种极不对称的分子。如此细长的分子对任就其长度与直径之比而言，这是一种极不对称的分子。如此细长的分子对任何机械力的作用都十分敏感，所以用一般方法制备的何机械力的作用都十分敏感，所以用一般方法制备的DNA样品往往是降解了样品往往是降解了的的DNA片断。片断。DNA的长度可用电子显微镜直接测量。的长度可用电子显微镜直接测量。DNA分子结构中的碱基互变异构体。分子结构中的碱基互变异
14、构体。DNA分子的某些化学性质与其碱基分子的某些化学性质与其碱基上氢原子的位置有关。碱环上的氢原子有其较为固定的位置：腺嘌呤和胞嘧上氢原子的位置有关。碱环上的氢原子有其较为固定的位置：腺嘌呤和胞嘧啶环上的氢原子常处于氨基（啶环上的氢原子常处于氨基（NH2）状态，只有极少数处于亚胺基（）状态，只有极少数处于亚胺基（NH）状）状态；同样，鸟嘌呤和胸腺嘧啶环上态；同样，鸟嘌呤和胸腺嘧啶环上C6上的氧原子常为酮式（上的氧原子常为酮式（CO），很少），很少有烯醇式（有烯醇式（COH）。氢原子在碱基上具有较固定位置有重要意义：如果）。氢原子在碱基上具有较固定位置有重要意义：如果DNA分子的碱基上的氢原子无
15、这一特性，分子的碱基上的氢原子无这一特性，A就容易与就容易与C配对，配对，G则容易与则容易与T配配对，这样对，这样DNA分子双螺旋结构中分子双螺旋结构中AT，GC碱基互补的原则不复存在，碱基互补的原则不复存在，DNA分子也就难以成为遗传物质了。另一方面，分子也就难以成为遗传物质了。另一方面，A与与C上的氢原子偶尔也可上的氢原子偶尔也可形成亚胺基，形成亚胺基，G与与T上的氧原子偶尔也可形成烯醇式。可能这就是上的氧原子偶尔也可形成烯醇式。可能这就是DNA复制复制时引起突变的原因之一，这种突变是生物进化的动力。时引起突变的原因之一，这种突变是生物进化的动力。DNA分子的稳定性。分子的稳定性。 DNA
16、分子双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。分子双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。维持稳定性的主要因素是碱基堆积力。嘌呤与嘧啶碱形状扁平，呈疏维持稳定性的主要因素是碱基堆积力。嘌呤与嘧啶碱形状扁平，呈疏水性，分布于双螺旋结构的内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的水性，分布于双螺旋结构的内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于质中的水分子隔开。其次，大量存在于DNA分子中的其它弱键在维分子中的其它弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。这些弱键包括
17、：互补碱基持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。这些弱键包括：互补碱基对之间的氢键；磷酸基团上的负电荷和介质中的阳离子之间形成的离对之间的氢键；磷酸基团上的负电荷和介质中的阳离子之间形成的离子键；范德华力等等。子键；范德华力等等。DNA分子的可塑性。分子的可塑性。在溶液中在溶液中DNA分子具有较大的可塑性。由于分分子具有较大的可塑性。由于分子上局部区域受热力学的作用，往往使子上局部区域受热力学的作用，往往使DNA分子发生弯曲、缠绕或分子发生弯曲、缠绕或伸展。这种分子变形并不是由于互补碱基对之间的氢键瞬间断裂的结伸展。这种分子变形并不是由于互补碱基对之间的氢键瞬间断裂的结果，而是由于果，而是由于
18、DNA分子多核苷酸链的骨架上的共价键的转角改变所分子多核苷酸链的骨架上的共价键的转角改变所引起的。引起的。DNA的生物学功能的生物学功能间接证据早就提示间接证据早就提示DNA可能是遗传物质，这些证据包括：可能是遗传物质，这些证据包括： DNA分子分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗分子分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的。传有关的。 细胞核内细胞核内DNA含量十分稳定，而且与染色体数目的多少有平行关系：体含量十分稳定，而且与染色体数目的多少有平行关系：体细胞（双倍体）细胞（双倍体）DNA含量为生殖细胞（单倍体）含量为生殖细胞（单倍体）DNA含量的两倍
19、。含量的两倍。 DNA在代谢上较稳定，不受营养条件、年龄等因素影响。在代谢上较稳定，不受营养条件、年龄等因素影响。 可作用于可作用于DNA分子的一些物理和化学因素，如紫外线、分子的一些物理和化学因素，如紫外线、X射线、氮芥射线、氮芥等都可以引起生物遗传特性的改变。等都可以引起生物遗传特性的改变。基因的化学本质基因的化学本质首先用实验证明基因的化学本质就是首先用实验证明基因的化学本质就是DNA分子的是分子的是O.T.Avery等（等（1944年）。他年）。他们选用的实验材料肺炎链球菌有两种不同的品系：具荚膜的品系形成光滑型的菌落们选用的实验材料肺炎链球菌有两种不同的品系：具荚膜的品系形成光滑型的
20、菌落（S型），是有毒的；无荚膜的品系形成粗糙型的菌落（型），是有毒的；无荚膜的品系形成粗糙型的菌落（R型），是无毒的。他们发型），是无毒的。他们发现，将现，将S型肺炎链球菌的型肺炎链球菌的DNA加到加到R型的培养物中，能够使型的培养物中，能够使R型转变成型转变成S型，表现出具型，表现出具有毒性的荚膜的特性。有毒性的荚膜的特性。这种细菌转化实验证明，使细菌性状发生转变的因子是这种细菌转化实验证明，使细菌性状发生转变的因子是DNA而不是而不是RNA或蛋白质，或蛋白质，DNA是遗传信息的载体。是遗传信息的载体。无论是被热致死的光滑型肺炎链球菌，还是粗糙型的活的肺炎链球菌，单独注无论是被热致死的光滑型
21、肺炎链球菌，还是粗糙型的活的肺炎链球菌，单独注射都不能使小鼠致死，而两者混合物注射则会使小鼠致死。从混合物注射致死的小射都不能使小鼠致死，而两者混合物注射则会使小鼠致死。从混合物注射致死的小鼠体内分离出了活的光滑型的肺炎链球菌；在体外将光滑型菌株的鼠体内分离出了活的光滑型的肺炎链球菌；在体外将光滑型菌株的DNA提取物加提取物加到粗糙型菌株的培养物中，也可以使后者转化成为具联性的光滑型菌株。到粗糙型菌株的培养物中，也可以使后者转化成为具联性的光滑型菌株。A.D.Hershey等肯定了等肯定了Avery的结论（的结论（1952年）。他们用放射性同位素年）。他们用放射性同位素32P和和35S，分别标
22、记，分别标记T2噬菌体的内部噬菌体的内部DNA和外壳和外壳D蛋白质，然后再用这种蛋白质，然后再用这种双标记的噬菌体去感染大肠杆菌寄主细胞，结果发现只有双标记的噬菌体去感染大肠杆菌寄主细胞，结果发现只有32P标记的标记的DNA注注入到寄主细胞内部，并且重新繁殖出子代噬菌体。这个实验进一步表明：入到寄主细胞内部，并且重新繁殖出子代噬菌体。这个实验进一步表明：在噬菌体中的遗传物质也是在噬菌体中的遗传物质也是DNA分子，而不是蛋白质。分子，而不是蛋白质。(a)噬菌体的蛋白质外壳只含有噬菌体的蛋白质外壳只含有S，因，因此当其生长在含此当其生长在含35S的培养基中时，它的的培养基中时，它的蛋白质便被特异性
23、地标记上，而当噬茵体蛋白质便被特异性地标记上，而当噬茵体是在含是在含32P的培养基中增殖时，它的的培养基中增殖时，它的DNA也就会被特异性地标记上，因为在它的外也就会被特异性地标记上，因为在它的外壳蛋白质中没有壳蛋白质中没有P；(b)用这种带上双标记用这种带上双标记的噬菌体感染大肠杆菌寄主，噬茵体颗粒的噬菌体感染大肠杆菌寄主，噬茵体颗粒吸附在细胞上，并将其吸附在细胞上，并将其DNA注入细胞内；注入细胞内；(c)将感染的细茵培养物在混合搅拌器中将感染的细茵培养物在混合搅拌器中剧烈振荡，使吸附在细胞上的已经中空的剧烈振荡，使吸附在细胞上的已经中空的噬茵体外壳脱落下来；噬茵体外壳脱落下来；(d)在感
24、染的寄主在感染的寄主细胞内，噬茵体细胞内，噬茵体DNA大量复制大量复制(其中只有其中只有亲本亲本DNA链才带有链才带有32P同位素同位素)并装配成子并装配成子代噬菌体颗粒；代噬菌体颗粒；(e)寄主细胞破裂，释放寄主细胞破裂，释放出新的子代噬菌体颗粒，其中有少量的噬出新的子代噬菌体颗粒，其中有少量的噬菌体菌体DNA带有带有32P标记，但没有一个蛋白标记，但没有一个蛋白质外壳具有质外壳具有35S标记。标记。DNA的复制的复制证明了证明了DNA是遗传物质和基因的载体之后，进而研究的问题是维系生命现象的是遗传物质和基因的载体之后，进而研究的问题是维系生命现象的基础基础DNA分子的自我复制的过程，以揭示
25、遗传信息是怎样从亲代准确地传递到子分子的自我复制的过程，以揭示遗传信息是怎样从亲代准确地传递到子代的本质。代的本质。M.Meselson和和F.W.Stahl用实验证明（用实验证明（1958年）在年）在DNA复制的过程中，在适宜的条件下，松开配对碱基之间的氢键，复制的过程中，在适宜的条件下，松开配对碱基之间的氢键，便能使两条链解开形成单链。然后每以条单链为模板，在便能使两条链解开形成单链。然后每以条单链为模板，在DNA聚合酶及游离的核苷酸参与下，按照碱基配对原则，聚合酶及游离的核苷酸参与下，按照碱基配对原则，吸引带有互补碱基的核苷酸，并在相邻的核苷酸之间形成磷吸引带有互补碱基的核苷酸，并在相邻
26、的核苷酸之间形成磷酸二酯键。于是在靠近两条不配对的旧链露出部分，都形成酸二酯键。于是在靠近两条不配对的旧链露出部分，都形成了一条新的互补链。由此产生的两个子代了一条新的互补链。由此产生的两个子代DNA分子与亲代分子与亲代分子的碱基顺序完全一致，并且在每个子代分子的双链中，分子的碱基顺序完全一致，并且在每个子代分子的双链中，都保留有一条亲代的都保留有一条亲代的DNA链，这种复制方式被称为链，这种复制方式被称为DNA半半保留复制，并且是严格按照碱基配对原则进行的，故子代保留复制，并且是严格按照碱基配对原则进行的，故子代DNA分子忠实地保存了亲代分子忠实地保存了亲代DNA分子所携带的全部遗传信分子所
27、携带的全部遗传信息。通过这样的复制，基因便能准确保留，代代相传。息。通过这样的复制，基因便能准确保留，代代相传。至此，关于基因的化学本质主要是至此，关于基因的化学本质主要是DNA而不是蛋白质而不是蛋白质的结论已经是毫无疑问的事实。但必须指出，随后的研究进的结论已经是毫无疑问的事实。但必须指出，随后的研究进展表明，在生物界并非所有的基因都是由展表明，在生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。某构成的。某些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等，它们的遗传体系些动物病毒和植物病毒以及某些噬菌体等，它们的遗传体系的基础是的基础是RNA而不是而不是DNA。核糖核酸核糖核酸(RNA)-RNA的结构的结构RN
28、A也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和鸟嘧啶核即腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和鸟嘧啶核糖核苷酸。戊糖是核糖而不是脱氧核糖。糖核苷酸。戊糖是核糖而不是脱氧核糖。RNA分子中也还有某些稀有碱基。分子中也还有某些稀有碱基。天然天然RNA并不象并不象DNA那样都是双螺旋的结构，而那样都是双螺旋的结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。这些是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于双链结构是由于RNA单链分子通过自身回
29、折使得互补单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇，形成氢键结合而成的，同时形成双螺的碱基对相遇，形成氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环，被排斥在双螺旋旋结构。不能配对的区域形成突环，被排斥在双螺旋结构之外。每一段双螺旋区至少需要有结构之外。每一段双螺旋区至少需要有46对碱基才对碱基才能保持稳定，通常双螺旋区约占能保持稳定，通常双螺旋区约占RNA分子的分子的50。组成组成RNA的核苷酸也是以的核苷酸也是以3，5-磷酸二酯键彼磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管此连接起来的。尽管RNA分子中核糖环分子中核糖环C2上有一羟上有一羟基，但并不形成基，但并不形成2，5-磷酸二酯键。磷
30、酸二酯键。生物体内的生物体内的RNA一般都以一般都以DNA为模板合成的。为模板合成的。某些某些RNA病毒中，病毒中，RNA复制酶也可以催化以复制酶也可以催化以RNA为为模板的模板的RNA合成。合成。RNA的类型的类型动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA，即核糖体，即核糖体RNA（rRNA），转运），转运RNA（tRNA）和信使）和信使RNA（mRNA）。此外，真核）。此外，真核细胞中还有少量核内小细胞中还有少量核内小RNA（snRNA）。）。tRNAtRNA约占全部约占全部RNA的的15。tRNA的分子量较小，在的分子量较小，在2.5 104左右，
31、左右，由由7090个核苷酸组成。个核苷酸组成。tRNA在蛋白质生物合成过程中具有转运氨基在蛋白质生物合成过程中具有转运氨基酸的作用，但其生理功能不仅仅是转运氨基酸：它在蛋白质生物合成的酸的作用，但其生理功能不仅仅是转运氨基酸：它在蛋白质生物合成的起始、在起始、在DNA反转录合成中及其他代谢调节中也起重要作用。对反转录合成中及其他代谢调节中也起重要作用。对tRNA的二级和三级结构了解得比较清楚，它的结构特点可被概括为：的二级和三级结构了解得比较清楚，它的结构特点可被概括为：分子量在分子量在25kd左右，由左右，由7090个核苷酸组成；个核苷酸组成；碱基组成中有较多的稀有碱基；碱基组成中有较多的稀
32、有碱基；3末端都为末端都为 CPCPAOH，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端被称为接受末端。被称为接受末端。5末端大多为末端大多为PG，也有，也有PC的；的；图中B-嘌呤核苷酸，Y-嘧啶核苷酸，T-胸腺嘧啶核糖核苷酸，-假尿嘧啶核苷酸。带星号的表示可以被修饰的碱基，黑的圆点代表螺旋区的碱基，白色圈代表不互补的碱基。l氨基酸臂氨基酸臂 由由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为一末端为一CCA，接受活化的氨基酸，接受活化的氨基酸l二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环 由由812个核苷酸组成，具个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，通过由有两个二氢尿嘧啶，通
33、过由34对碱基组成对碱基组成的双螺旋区（也称二氢尿嘧啶臂）与的双螺旋区（也称二氢尿嘧啶臂）与tRNA分子的其余部分相连分子的其余部分相连l反密码环反密码环 由由7个核苷酸组成。环中部为反个核苷酸组成。环中部为反密码子，由密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（也称肌苷酸，缩写成（也称肌苷酸，缩写成I）常出现于反密码）常出现于反密码子中。反密码环通过由子中。反密码环通过由5对碱基组成的双螺对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分相连；的其余部分相连；l额外环额外环 由由318个核苷酸组成。不同的个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外
34、环，所以是具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标分类的重要指标假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环（胸腺嘧啶核糖核苷环（T C环环）由由7个核苷酸组成，通过由个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺对碱基组成的双螺旋区（旋区（T C臂）与臂）与tRNA的其余部分相连。除个的其余部分相连。除个别例外，几乎所有的别例外，几乎所有的tRNA在此环中都含有在此环中都含有T CtRNA的二级结构都呈三叶草形。双螺旋区构成了叶柄，突环区好象是三叶草的二级结构都呈三叶草形。双螺旋区构成了叶柄，突环区好象是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构的比例甚高，的三片小叶。由于双螺旋结构的比例甚高，tR
35、NA的二级结构十分稳定。三叶草的二级结构十分稳定。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和T C环等五个部分组成：环等五个部分组成：tRNA的三级结构：的三级结构： tRNA三级结构的形状象一个倒写的三级结构的形状象一个倒写的L字母，字母，X射线衍射分析可对射线衍射分析可对tRNA晶体进行研究并阐明晶体进行研究并阐明tRNA的三级结构。的三级结构。酵母苯丙氨酸酵母苯丙氨酸tRNA的三级结构的三级结构mRNAmRNA是以是以DNA为模板合成的。为模板合成的。mRNA又是蛋白质合成的模板。每一种多又是蛋白质合成的模板。每一种多肽都有
36、一种特定的肽都有一种特定的mRNA负责编码，故细胞内负责编码，故细胞内mRNA的种类是很多的。但每一种的种类是很多的。但每一种mRNA的含量又很低，所以的含量又很低，所以mRNA的发现要比的发现要比rRNA和和tRNA迟。迟。真核细胞真核细胞mRNA的结构有如下特点：的结构有如下特点：绝大多数真核细胞绝大多数真核细胞mRNA在在3-末端有一段长约末端有一段长约200核苷酸的核苷酸的polyA (polyadenylic acid)。polyA是在转录后经是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。polyA聚合酶对聚合酶对mRNA 专一，不作用于专一，不作用于rR
37、NA 和和tRNA。原核生物的。原核生物的mRNA一般无一般无3- polyA，但某些病毒，但某些病毒mRNA也有也有3- polyA。polyA可能有多方面的功能：与可能有多方面的功能：与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成的的半寿期有关，新合成的mRNA， polyA链较长，而衰老的链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。链缩短。真核细胞真核细胞mRNA的的5-末端还有一个特殊的结构，末端还有一个特殊的结构，3-mG-5ppp-Nm-3-P，称，称为为5-帽子（帽子（cap）：）：5-末端的鸟嘌呤N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸经焦
38、磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5,5-磷酸二酯键。这种结构有抗5-核酸外切酶降解的作用。目前认为5-帽子可能与蛋白质合成的正确起始作用有关，它可以协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG起始密码子处开始。某些真核细胞病毒也有5-帽子结构。rRNArRNA含量大，占细胞含量大，占细胞RNA总量的总量的80左右，是构成核糖体的骨架。左右，是构成核糖体的骨架。大肠杆菌核糖体中有三类大肠杆菌核糖体中有三类rRNA：5S rRNA、16S rRNA和和23S rRNA。动。动物细胞核糖体物细胞核糖体rRNA有四类：有四类：5S rRNA、5.8S rRNA、18S rRNA和和28S rRNA。
39、许多。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但对许多明，但对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。的功能迄今仍不十分清楚。核酸的某些物化性质与最常用的研核酸的某些物化性质与最常用的研究方法究方法核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240-290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，其最大的吸收值在的紫外波段有一强烈的吸收峰，其最大的吸收值在260nm附近。不同附近。不同的核苷酸有不同的吸收特征，所以可用紫外分光光度计加以定性及定量
40、测定。的核苷酸有不同的吸收特征，所以可用紫外分光光度计加以定性及定量测定。核酸的沉降特性核酸的沉降特性溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉。不同溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉。不同构象的核酸（线形、开环、超螺旋结构等），蛋白构象的核酸（线形、开环、超螺旋结构等），蛋白质及其它杂质，在超离心机的强大引力场中的沉降质及其它杂质，在超离心机的强大引力场中的沉降速率有很大差异，所以可用超离心法纯化核酸；或速率有很大差异，所以可用超离心法纯化核酸；或将不同构象的核酸进行分离；也可以测定核酸的沉将不同构象的核酸进行分离；也可以测定核酸的沉降常数与分子量。降常数与分子量。用不同介质组成的密度梯度进行超离心
41、分离核用不同介质组成的密度梯度进行超离心分离核酸的效果较好：酸的效果较好：RNA分离常用蔗糖梯度；分离分离常用蔗糖梯度；分离DNA时用得最多的是氯化铯梯度。时用得最多的是氯化铯梯度。经染料-氯化铯密度梯度超离心后，质粒DNA及各种杂质的分布凝胶电泳凝胶电泳凝胶电泳是当前核酸研究中最常用的方法。它有许多优点：简单、凝胶电泳是当前核酸研究中最常用的方法。它有许多优点：简单、快速、灵敏、成本低。常用的凝胶电泳有琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺快速、灵敏、成本低。常用的凝胶电泳有琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳，可以在水平或垂直的电泳槽中进行。凝胶电泳兼有分子筛和凝胶电泳，可以在水平或垂直的电泳槽中进行。
42、凝胶电泳兼有分子筛和电泳的双重效果，所以分离效率很高。电泳的双重效果，所以分离效率很高。应用凝胶电泳可以正确地测定应用凝胶电泳可以正确地测定DNA片段的分子大小。方法是在同一片段的分子大小。方法是在同一胶上加入已知分子量的样品。电泳完毕后，经啡啶溴红染色和照相，从胶上加入已知分子量的样品。电泳完毕后，经啡啶溴红染色和照相，从照片上比较待测样品中的照片上比较待测样品中的DNA片段与标准样品中的哪一条带最接近，即片段与标准样品中的哪一条带最接近，即可推算出未知样品中各片段的大小。凝胶上的样品，还可以设法回收，可推算出未知样品中各片段的大小。凝胶上的样品，还可以设法回收，供进一步研究之用。供进一步研
43、究之用。琼脂糖凝胶电泳是以琼脂糖为支持物，电泳的迁移率决定于以下因素：琼脂糖凝胶电泳是以琼脂糖为支持物，电泳的迁移率决定于以下因素：核酸分子的大小核酸分子的大小 迁移率与分子量对数成反比；迁移率与分子量对数成反比；胶浓度胶浓度 迁移率与胶浓度成反比。常用迁移率与胶浓度成反比。常用1胶分离胶分离DNA；DNA的构象的构象 一般条件下超螺旋一般条件下超螺旋DNA的迁移率最快，线形的迁移率最快，线形DNA其次，开其次，开环形最慢。但在胶中加入过多的啡啶溴红时，上述次序会发生变化；环形最慢。但在胶中加入过多的啡啶溴红时，上述次序会发生变化；电流电流 一般不大于一般不大于5V/cm。在适当的电压差时，迁
44、移率与电流大小成正比；。在适当的电压差时，迁移率与电流大小成正比；碱基组成碱基组成 有一定影响，但并不太大；有一定影响，但并不太大；温度温度 430 C均可，常在室温。均可，常在室温。琼脂糖凝胶电泳常用于分析琼脂糖凝胶电泳常用于分析DNA。由于琼脂糖制品中往往带有核糖核酸。由于琼脂糖制品中往往带有核糖核酸酶杂质，所以用于分析酶杂质，所以用于分析RNA时，必须加入蛋白质变性剂，如甲醛等。时，必须加入蛋白质变性剂，如甲醛等。聚丙烯酰胺凝胶电泳是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持物。由于这种凝胶的聚丙烯酰胺凝胶电泳是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持物。由于这种凝胶的孔径比琼脂凝胶的小，所以可用于分析分子量较小的孔径比
45、琼脂凝胶的小，所以可用于分析分子量较小的DNA片段。聚丙烯片段。聚丙烯酰胺中一般无酰胺中一般无RNase，所以可用于，所以可用于RNA的分析，但仍要留心缓冲液以及的分析，但仍要留心缓冲液以及其它器皿中所带的其它器皿中所带的RNase。此法常用垂直板电泳。此法常用垂直板电泳。核酸的变性、复性及杂交核酸的变性、复性及杂交变性变性变性作用是核酸的重要物化性质。特指核酸双螺旋区的氢键断裂，变性作用是核酸的重要物化性质。特指核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链（不涉及共价键的断裂）。多核苷酸骨架上共价键（变成单链（不涉及共价键的断裂）。多核苷酸骨架上共价键（3,5-磷磷酸二酯键）的断裂称作核酸的降解，降解引
46、起核酸分子量的降低。可酸二酯键）的断裂称作核酸的降解，降解引起核酸分子量的降低。可引起核酸变性的因素很多：由温度升高而引起的称为热变性；由酸碱引起核酸变性的因素很多：由温度升高而引起的称为热变性；由酸碱度改变引起的称为酸碱变性。度改变引起的称为酸碱变性。当将当将DNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80100 C时，双螺旋结构随即发生解时，双螺旋结构随即发生解体，两条链分开，形成无规线团。其一系列物化性质也随之变化：体，两条链分开，形成无规线团。其一系列物化性质也随之变化：260nm区紫外吸收值升高，粘度降低，浮力密度升高，同时由于二级区紫外吸收值升高，粘度降低，浮力密度升高，同时由于二级结构
47、的改变，有时可以失去部分或全部生物活性。结构的改变，有时可以失去部分或全部生物活性。DNA的变性特点是的变性特点是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。通常把爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。通常把DNA的双的双螺旋结构失去一半时的温度称为此螺旋结构失去一半时的温度称为此DNA的熔点或熔解温度，用的熔点或熔解温度，用Tm表示。表示。DNA的的Tm值一般在值一般在7085 C之间，并与下列因素有关：之间，并与下列因素有关：DNA的均一性的均一性 均一性愈高的样品，其熔解过程愈是发生在小的温度范围内；均一性愈高的样品，其熔解过程愈是发生在小的温度范围内；G-C的含量的含量 G-
48、C含量越高，含量越高，Tm值越高，成正比关系。这是因为值越高，成正比关系。这是因为G-C对比对比A-T对更为稳定的缘故。所以测定对更为稳定的缘故。所以测定Tm 值可推算出值可推算出G-C对的含量，其经验公式为：对的含量，其经验公式为：G-C（Tm69.3） 2.44介质中的离子强度介质中的离子强度 一般说在离子强度较低的介质中，一般说在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，的熔解温度较低，范围也较窄。所以范围也较窄。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液或溶液中，常用的是制品应保存在较高浓度的缓冲液或溶液中，常用的是1mol/L 的的NaCl溶液。溶液。RNA分子中有局部的双螺旋区，所以
49、分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也能发生变性，但也能发生变性，但Tm较低，变性较低，变性曲线也不象曲线也不象DNA的那样陡。的那样陡。复性复性变性变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链会重新缔合成为双螺旋结在适当条件下，两条彼此分开的链会重新缔合成为双螺旋结构，这过程称为复性。构，这过程称为复性。DNA复性后，许多物化性质又得到恢复，生物活性复性后，许多物化性质又得到恢复，生物活性也可能得到部分或全部恢复。复性过程基本上符合二级反应动力学。反应也可能得到部分或全部恢复。复性过程基本上符合二级反应动力学。反应的进行与许多因素有关。将热变性的的进行与许多因素有关。将热变性的DNA骤冷时，骤冷时
50、，DNA不可能复性；变不可能复性；变性性DNA在缓慢冷却时，可以复性。在缓慢冷却时，可以复性。DNA的片段越大，复性越慢。的片段越大，复性越慢。DNA的的浓度越大，复性越快。两种浓度相同但来源不同的浓度越大，复性越快。两种浓度相同但来源不同的DNA，复性时间的长短，复性时间的长短与基因组的大小有关。具有很多重复序列的与基因组的大小有关。具有很多重复序列的DNA，复性也快。，复性也快。核酸的杂交核酸的杂交将不同来源的将不同来源的DNA放在试管里，经热变性后，慢慢冷却，使其复性。放在试管里，经热变性后，慢慢冷却，使其复性。若这些异源若这些异源DNA之间在某些区域有相同的序列，则在复性时，往往会形成
