1、（一）（一）核酸的分类和组成核酸的分类和组成l核酸分为两大类核酸分为两大类.l脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）lDeoxyribonucleic AcidDeoxyribonucleic Acidl核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）lRibonucleic AcidRibonucleic Acid。lDNADNA分子含有生物物分子含有生物物种的所有遗传信息，种的所有遗传信息，分子量一般都很大。分子量一般都很大。lDNADNA为双链分子，其为双链分子，其中大多数是链状结中大多数是链状结构大分子，也有少构大分子，也有少部分呈环状结构。部分呈环状结构。lRNARNA主要是负责主要是负责DN
2、ADNA遗传信息的翻译和表遗传信息的翻译和表达，分子量要比达，分子量要比DNADNA小得多。小得多。RNARNA为单链为单链分子。分子。l根据根据RNARNA的功能，可以分为的功能，可以分为mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA三种。三种。l约占总约占总RNARNA的的5%5%。l不同细胞的不同细胞的mRNAmRNA的链长和分子量差异很的链长和分子量差异很大。大。l它的功能是将它的功能是将DNADNA的遗传信息传递到蛋白的遗传信息传递到蛋白质合成基地质合成基地 核糖核蛋白体。核糖核蛋白体。Messenger RNAl约占总约占总RNARNA的的10-15%10-15%。l它在蛋
3、白质生物合成中起翻译氨基酸信它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。白体的作用。l已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNAtRNA。lRNARNA分子的大小很相似，链长一般在分子的大小很相似，链长一般在73-73-7878个核苷酸之间。个核苷酸之间。lTransfer RNATransfer RNAl约占全部约占全部RNARNA的的80%80%，l是核糖核蛋白体的主要组成部分。是核糖核蛋白体的主要组成部分。lrRNA rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。的功能与蛋白质生物合成相关。Rib
4、osome RNARibosome RNAl核酸（核酸（DNADNA和和RNARNA）是一种线性多聚核苷）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是酸，它的基本结构单元是核苷酸核苷酸。l核苷酸本身由核苷和磷酸组成核苷酸本身由核苷和磷酸组成,l而核苷则由戊糖和碱基形成而核苷则由戊糖和碱基形成lDNADNA与与RNARNA结构相似，但在组成成份上略结构相似，但在组成成份上略有不同。有不同。l一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构l多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核组合而成的线性结构聚合物，因此，它具
5、有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。苷酸顺序，即碱基顺序。l核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。lDNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种核苷酸千变万分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。化的不同排列组合之中。l而而mRNA(mRNA(信息信息RNA)RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。lRNARNA一级结构研究最多的是一级结构研究最多的
6、是tRNAtRNA、rRNArRNA以及一以及一些小分子的些小分子的RNARNA。其中。其中ltRNAtRNA分子具有以下特点：分子具有以下特点：l分子量分子量2500025000左右，大约由左右，大约由70709090个核苷酸组个核苷酸组成，沉降系数为成，沉降系数为4S4S左右。左右。l分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。l3-3-末端都具有末端都具有CpCpAOHCpCpAOH的结构。的结构。l真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一段长达末端有一段长达200200个核个核苷酸左右的聚腺苷酸苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)(polyA)，称为，称为“尾结尾结构构
7、”，5-5-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为为”帽结构帽结构“。lRNARNA是单链分子，因此，在是单链分子，因此，在RNARNA分子中，并不遵守碱基分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。定等于嘧啶碱基的总数。lRNARNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为为“发夹型发夹型”结构。结构。l在在RNARNA的双螺旋结构中，碱基的配
8、对情况不象的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNADNA中严中严格。格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，也可以和配对外，也可以和U U 配对。配对。G-U G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,RNA,其二级结构有其二级结构有明显的差异。明显的差异。ltRNAtRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分类碱基大部分位于突环部分l1 1，tRNAtRNA的二级结构的二级结构ltRNAtRNA的二级结构都呈的二级结构都呈”三叶草三叶草”形状，形状，在结构上具有某些共同之处，一般
9、可将在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五臂四环：包括氨基酸接受区、其分为五臂四环：包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、反密码区、二氢尿嘧啶区、T T C C区和可变区和可变区。除了氨基酸接受区外，其余每个区区。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。均含有一个突环和一个臂。(3)(3)二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶。该区含有二氢尿嘧啶。(4)T(4)T C C区区该区与二氢尿嘧啶区相对，各种该区与二氢尿嘧啶区相对，各种tRNAtRNA在此区均含有在此区均含有T T C C。(5)(5)可变区可变区位于反密码区与位于反密码区与T T C C区之间，不同的区之
10、间，不同的tRNAtRNA该区变化较大。该区变化较大。l在三叶草型二级结构的基础上，突环上在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的成对，目前已知的tRNAtRNA的三级结构均为的三级结构均为倒倒L L型型l19531953年，年，J.WatsonJ.Watson和和F.Crick F.Crick 在前人在前人研究工作的基础上，根据研究工作的基础上，根据DNADNA结晶的结晶的X-X-衍衍射图谱和分子模型，提出了著名的射图谱和分子模型，提出了著名的DNADNA双双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义螺旋结构模型，并对模型
11、的生物学意义作出了科学的解释和预测。作出了科学的解释和预测。lDNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单链组成。单链组成。lDNADNA的双螺旋结构是分子中两条的双螺旋结构是分子中两条DNADNA单链单链之间基团相互识别和作用的结果。之间基团相互识别和作用的结果。l双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级结构的最基本形式。二级结构的最基本形式。l（1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称简称DNADNA单链单链)组成组成。两条链沿着同一根轴平两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方
12、向相反链方向相反，即其中一条链的方向为，即其中一条链的方向为5353，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3535。l（2 2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成糖基环平面与碱基环平面成9090角。角。l（3 3）螺旋横截面的直径约为）螺旋横截面的直径约为2 nm2 nm，每条链相，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为邻两个碱基平面之间的距离为3.4 nm3.4 nm，每，每1010个个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一核苷酸形成
13、一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为圈）高度为34 nm34 nm。l（4 4）两条）两条DNADNA链相互结合以及形成双螺旋的力链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A A）与胸）与胸腺嘧啶（腺嘧啶（T T）结合，鸟嘌呤（）结合，鸟嘌呤（G G）与胞嘧啶（）与胞嘧啶（C C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。结合，这种配对关系，称为碱基互补。A A和和T T之之间形成两个氢键，间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。l在在DNA
14、DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。总数相等。lDNADNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。l维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间链之间形成的氢键；形成的氢键；l由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如阳离子（如NaNa+、K K+和和MgMg2+2+）中和了磷酸基团的）中和了磷酸基团的负电荷，降低了负电荷，降低了DNADNA链之间的排斥力、
15、范德华链之间的排斥力、范德华引力等。引力等。l改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。定性。lDNADNA的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通过过DNADNA单链之间形成氢键实现的。单链之间形成氢键实现的。l一、含氮碱基的性质一、含氮碱基的性质l嘌呤碱基和嘧啶碱基是核酸中最重要的组分。嘌呤碱基和嘧啶碱基是核酸中最重要的组分。它们的性质对于核酸的性质和生物功能具有重它们的性质对于核酸的性质和生物功能具有重要影响作用。要影响作用。l含氮碱基具有芳香环的结构特点。由于环上极含氮碱基具有芳香环的结构特点。由于环上极性基团
16、（如羰基、氨基等）的存在，碱基能够性基团（如羰基、氨基等）的存在，碱基能够发生酮式发生酮式烯醇式或氨式烯醇式或氨式亚氨式的互变异构。亚氨式的互变异构。因此，碱基既有芳香环的特性，也具有氨、酮因此，碱基既有芳香环的特性，也具有氨、酮和烯醇等相应的化学性质。和烯醇等相应的化学性质。l嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。l环内氨基的环内氨基的p pK Ka a值约为值约为9.59.5。l碱基环外的氨基（存在于碱基环外的氨基（存在于A A、G G和和C C）的碱性很）的碱性很弱，在生理弱，在生理pHpH条件下不能被质子化。这种情况条件下不能被质子化。这种情况与苯胺分子中的氨
17、基相似。与苯胺分子中的氨基相似。l因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的因此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环内氨基的贡献。贡献。l由于含氮碱基中的嘌呤环和嘧啶环具有芳香环由于含氮碱基中的嘌呤环和嘧啶环具有芳香环的结构特点，因而可以发生环上的亲电取代反的结构特点，因而可以发生环上的亲电取代反应。应。l环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的功能。嘧啶环中反应活性最高的是功能。嘧啶环中反应活性最高的是C C5 5，嘌呤环，嘌呤环中反应活性最高的是中反应活性最高的是C C8 8。（2 2）尿嘧啶核苷的氯代）尿嘧啶核苷的氯代NRNHOOCl Cl尿嘧啶核苷NRNH
18、OOClH+NRNHOOClHNRNHOOCl5-氯尿嘧啶核苷NNRNNNH2Br BrNNBrRNNNH2CH3ONaNH2NH2NaN38-甲基腺苷8-肼基腺苷8-叠氮腺苷腺苷8-溴代腺苷l（1 1）水解反应）水解反应l含有羰基的碱基（含有羰基的碱基（G G、C C、T T和和U U），具有酰胺键），具有酰胺键的结构特点，因此在碱性条件下，能够发生水的结构特点，因此在碱性条件下，能够发生水解开环反应。解开环反应。l腺嘌呤碱基不含羰基，对碱比较稳定。腺嘌呤碱基不含羰基，对碱比较稳定。HNNOOROH-NORNH2COO-l嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。嘧啶碱基能够与肼作用，得到
19、碱基环分解的产物。l此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反应，因此在核酸分析中有重要应用价值。应，因此在核酸分析中有重要应用价值。HNNOORNH2NH2HNNOORNHNH2HNNORNHNHONHNHOHNNHOR+H2Ol在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。应。l在同样条件下，在同样条件下，U U和和T T基本上不起反应。应用基本上不起反应。应用CHCH2 2N N2 2作为作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。HNN+H2NOCH3
20、NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NNH2ORCH3l环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。l胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变改变DNADNA的碱基组成。的碱基组成。l腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄嘌呤核苷（形成次黄嘌呤核苷（I I）和黄嘌呤核苷（）和
21、黄嘌呤核苷（X X）。）。l这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致导致DNADNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。NNNH2ORHONONNN2+ORH2ONNOHORHNNOROl胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：应：l l在在DNADNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转
22、录。常复制或转录。NCH3HNOORNHNOORCH3NHNOORCH3NCH3HNOOROHNHNORCH3OHUVROOHNCH3NH2Ol由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转异构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为稳定的烯醇醚。变为稳定的烯醇醚。l鸟嘌呤核苷烷基化形成鸟嘌呤核苷烷基化形成6-6-甲氧基鸟嘌呤甲氧基鸟嘌呤核苷后，不再与核苷后，不再与C C配对，而与配对，而与T T配对。配对。l这种情况将引起这种情况将引起DNADNA的复制、转录及信息的复制、转录及信息表达出现错误。表达出现错误。l1 1核酸的两性性质及等电点核
23、酸的两性性质及等电点l与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。l由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNADNA的等电点为的等电点为4 44.54.5，RNARNA的等电点为的等电点为2 22.52.5。lRNARNA的等电点比的等电点比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核糖基分
24、子中核糖基2-2-OHOH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNADNA没有这种没有这种作用。作用。l（1 1）酸或碱水解）酸或碱水解 l核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。断。lDNADNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA几乎可以完全水解，生成几乎可以完全水解，生成2-2-或或3-3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNADNA在同样条件下则不受影响。在同样条件下则不受
25、影响。这种水解性能上的差别，与这种水解性能上的差别，与RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的邻基的邻基参与作用有很大的关系。在参与作用有很大的关系。在RNARNA水解时，水解时，2-OH2-OH首先进首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。再在碱的作用形成水解产物。l生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解生物体内存在多种核酸水解酶。这些酶可以催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。l以以DNADNA为底物的为底物的DNADNA水解酶（水解酶（DNasesDNases）和以
26、）和以RNARNA为底物的为底物的RNARNA水解酶（水解酶（RNasesRNases）。）。l根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。l核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-3-端或端或5-5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；核端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。l在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内在分子生
27、物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。顺序部位。l在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在线吸收光谱，一般在260nm260nm左右有最大吸左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。量测定的依据。l(1)(1)核酸的变性核酸的变性l核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单
28、链结构的过程。变性核间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构结构(碱基顺序碱基顺序)保持不变。保持不变。l能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。的变性。l当当DNADNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80-10080-100时，双螺旋结构即发时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。生解体
29、，两条链彼此分开，形成无规线团。lDNADNA变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外吸收吸收(260 nm)(260 nm)值升高值升高,粘度降低等。粘度降低等。lRNARNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有性质变化没有DNADNA那样明显。那样明显。l利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。例利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。例如，天然状态的如，天然状态的DNADNA在完全变性后，紫外吸收在完全变性后，紫外吸收(260 nm)(260 nm)值增加值增加2525
30、40%40%，而，而RNARNA变性后，约增加变性后，约增加1.1%1.1%。这种现。这种现象称为增色效应象称为增色效应lDNADNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起区间内完成。因此，通常将引起DNADNA变性的温变性的温度称为融点，用度称为融点，用T Tm m表示。表示。l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70857085 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分值与分子中的子中的G G和和C C的含量有关。的含量有关。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmT
31、m值，可反值，可反映映DNADNA分子中分子中G,CG,C含量，可通过经验公式计算：含量，可通过经验公式计算：l （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.44l变性变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重在适当的条件下，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。新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNADNA复性复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。得到部分的恢复。lDNADNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。复性的程度、速率与复性过程
32、的条件有关。l将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。不可能复性。但是将变性的但是将变性的DNADNA缓慢冷却时，可以复性。缓慢冷却时，可以复性。分子量越大分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNADNA的复性的复性也与它本身的组成和结构有关。也与它本身的组成和结构有关。l热变性的热变性的DNADNA单链，在复性时并不一定与单链，在复性时并不一定与同源同源DNADNA互补链形成双螺旋结构，它也可互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源以与在某些区域有互补序列的异源DNADNA
33、单单链形成双螺旋结构。链形成双螺旋结构。l这样形成的新分子称为杂交这样形成的新分子称为杂交DNADNA分子。分子。DNADNA单链与互补的单链与互补的RNARNA链之间也可以发生链之间也可以发生杂交。杂交。l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。究中具有重要意义。l一、一、DNADNA的复制与生物遗传信息的保持的复制与生物遗传信息的保持lDNADNA复制的要点是：复制的要点是：l1 1）在复制开始阶段，）在复制开始阶段，DNADNA的双螺旋拆分成两条单链。的双螺旋拆分成两条单链。l2 2）以）以DNADNA单链为模板，按照碱基互补配对的原则单链为
34、模板，按照碱基互补配对的原则,在在DNADNA聚合酶催化下，合成与模板聚合酶催化下，合成与模板DNADNA完全互补的新链，完全互补的新链，并形成一个新的并形成一个新的DNADNA分子。分子。l3)3)通过通过DNADNA复制形成的新复制形成的新DNADNA分子分子,与原来的与原来的DNADNA分子分子完全相同。完全相同。经过一个经过一个 复制周期后，子代复制周期后，子代DNADNA分子的两分子的两条链中，一条来自亲代条链中，一条来自亲代DNADNA分子，另一条是新合成分子，另一条是新合成l的，所以又称为半保留复制。的，所以又称为半保留复制。l首先，首先，DNADNA通过转录作用，将其所携带的遗
35、传通过转录作用，将其所携带的遗传信息（基因）传递给信息（基因）传递给 mRNA,mRNA,在三种在三种 RNARNA（mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA）的共同作用下，完成蛋）的共同作用下，完成蛋白质的合成。白质的合成。l生物的遗传信息从生物的遗传信息从 DNADNA传递给传递给 mRNAmRNA的过程称为转录。根据的过程称为转录。根据 mRNAmRNA链上的遗传信息合成蛋链上的遗传信息合成蛋 白质的过程，被称为翻译和白质的过程，被称为翻译和 表达。表达。19581958年年CrickCrick将生物将生物 遗传信息的这种传递方式称为中心法则。遗传信息的这种传递方式称为中心
36、法则。DNARNA蛋白质转录反转录翻译复制复制l基因转录是以基因转录是以DNADNA为模板合成与其碱基顺序互为模板合成与其碱基顺序互补的补的mRNAmRNA的过程。的过程。l细胞生长周期的某个阶段，细胞生长周期的某个阶段，DNADNA双螺旋解开成双螺旋解开成为转录模板，在为转录模板，在RNARNA聚合酶催化下，合成聚合酶催化下，合成mRNAmRNA。mRNAmRNA不能自我复制，即其本身不能作为复制模不能自我复制，即其本身不能作为复制模板，因此在转录过程中即使出现某些差错，也板，因此在转录过程中即使出现某些差错，也不会遗传下去。不会遗传下去。lmRNA mRNA 是是DNADNA的转录本，携带
37、有合成蛋白质的全的转录本，携带有合成蛋白质的全部信息。蛋白质的生物合成实际上是以部信息。蛋白质的生物合成实际上是以mRNAmRNA作作为模板进行的。为模板进行的。lmRNAmRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（种碱基（A A、G G、C C和和U U）以特定顺序排列成三个一组的三）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。l这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码子。子。l因此因此 mRNA mRNA
38、 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。基酸顺序。l mRNAmRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。的每一个密码子代表一个氨基酸。2020种基本氨基种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子是肽链合成起始密码子是肽链合成起始密码子,三个是终止密码子，以保证蛋三个是终止密码子，以保证蛋白质合成能够有序地进行。白质合成能够有序地进行。ltRNAtRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶的帮助下，能够识合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过别相应的氨基酸，并通过tRNAtR
39、NA氨基酸臂的氨基酸臂的 3-3-OH OH 与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰-tRNA-tRNA。l氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的形成是一个两步反应过程：第的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与一步是氨基酸与 ATP ATP 作用作用,形成氨基酰腺嘌形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到第二步是氨基酰基转移到 tRNA tRNA 的的 3-OH 3-OH 端上端上,形成氨基酰形成氨基酰-tRNA-tRNA。氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶合成酶l氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+H2O 氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPil每一种氨基酸至少
40、有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA 合成酶。合成酶。它既催化氨基酸与它既催化氨基酸与 ATP 的作用的作用,也催化氨基酰基转移也催化氨基酰基转移到到 tRNA。l氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶具有高度的专一性。合成酶具有高度的专一性。每一种氨基每一种氨基酰酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的 tRNA。ltRNA 分子能接受相应的氨基酸分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基决定于它特有的碱基顺序顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA 合成酶所识合成酶所识别。别。l氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA通过反密码臂
41、上的三联体反密码子识别通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNAmRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNAmRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。合成肽链。l现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子即甲硫氨酸的密码子(AUG)(AUG)和氨酸的密码子和氨酸的密码子(GUG)(GUG)(极少极少出现出现)。在大肠杆菌中。在大肠杆菌中,起始密码子起始密码子AUG AUG 所编码的氨基所编码的氨基酸并不是甲硫
42、氨酸本身酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。而是甲酰甲硫氨酸。lDNADNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异。物特征或性状发生变异。l所以，一切生物的变异和进化都可以认所以，一切生物的变异和进化都可以认为是由于为是由于DNADNA结构的改变而引起蛋白质组结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。成和性质变化的结果。l生物遗传变异的分子机制是生物遗传变异的分子机制是DNADNA分子中为氨基酸编码的分子中为氨基酸编码的三联体密码子的改变。三联体密码子的改变。DNADNA遗传
43、密码的改变主要有如下遗传密码的改变主要有如下几种类型：几种类型：碱基顺序颠倒，如碱基顺序颠倒，如TATA被颠倒成被颠倒成ATAT；某个碱基被调换，如某个碱基被调换，如GCGC换成换成GTGT；少了或多了一对或少了或多了一对或几对碱基，例如：几对碱基，例如：l5 ATGGCTATGC 3 5 ATGGCTATGC 3 变成变成 5 ATGGTATGC 5 ATGGTATGC 33 3 TACCGATACG 5 3 TACCATACG 3 TACCGATACG 5 3 TACCATACG 55l上述上述DNADNA碱基顺序的改变，是碱基顺序的改变，是DNADNA在复制过程中出现错在复制过程中出现错
44、误产生的。由于误产生的。由于DNADNA是具有复制功能的分子，一旦是具有复制功能的分子，一旦DNADNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。l由于由于DNADNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因现象，称为基因“突变突变”。lDNADNA分子的碱基，存在酮式分子的碱基，存在酮式烯醇式或氨烯醇式或氨式式亚胺式互变异构。不同的互变异构亚胺式互变异构。不同的互变异构体形成氢键的方向和能力不同，有可能体形成氢键的方向和能力不同，有可能导致复制时出现错误。导致复制时出现错误。l例如在正常情况下，例
45、如在正常情况下，A A（氨式结构）与（氨式结构）与T T（酮式结构）配对；当（酮式结构）配对；当A A以亚胺式存在时以亚胺式存在时（几率非常小），则与（几率非常小），则与C C配对。配对。l能够引起基因突变的物理因素主要包括：紫外线能够引起基因突变的物理因素主要包括：紫外线（UVUV）、高能射线和电离辐射等。）、高能射线和电离辐射等。l 当当DNADNA受到大剂量紫外线（波长受到大剂量紫外线（波长260nm260nm附近）照射时，附近）照射时，可引起可引起DNADNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如聚体，例如TTTT二聚体。二聚体。lX-X
46、-射线以及放射性物质产生的辐射具有很高的能量，射线以及放射性物质产生的辐射具有很高的能量，能直接引起能直接引起DNADNA物理或化学性质的改变。另外，电离辐物理或化学性质的改变。另外，电离辐射将也能使射将也能使DNADNA周围环绕的其它分子（主要是水）产生周围环绕的其它分子（主要是水）产生具有很高活性的自由基，这些自由基能够进一步与具有很高活性的自由基，这些自由基能够进一步与DNADNA分子反应，导致分子反应，导致DNADNA结构发生变化。结构发生变化。l化学因素是引起化学因素是引起DNADNA结构发生变化的最常见因素，主要结构发生变化的最常见因素，主要包括：烷基化试剂，亚硝酸盐以及碱基类似物
47、等。包括：烷基化试剂，亚硝酸盐以及碱基类似物等。l烷基化试剂能够与烷基化试剂能够与DNADNA分子中的氨基或氧作用，生成烷分子中的氨基或氧作用，生成烷基化基化DNADNA。除了碱基上有多个位置可被烷基化外，。除了碱基上有多个位置可被烷基化外，DNADNA链上磷酸二酯键中的氧也容易被烷基化，从而导致链上磷酸二酯键中的氧也容易被烷基化，从而导致DNADNA链的断裂。链的断裂。l亚硝酸盐能够与碱基环外氨基作用，引起碱基的改变。亚硝酸盐能够与碱基环外氨基作用，引起碱基的改变。例如例如A A经亚硝酸盐作用后变成次黄嘌呤（经亚硝酸盐作用后变成次黄嘌呤（I I），），C C经亚硝经亚硝酸盐作用后，则转变成酸
48、盐作用后，则转变成U U。l碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到DNADNA链中，干扰链中，干扰DNADNA的正常复制和转录。的正常复制和转录。l常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。例如例如5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU5-BU），它与胸腺嘧啶碱基），它与胸腺嘧啶碱基的结构相似，能取代的结构相似，能取代T T与与A A配对。配对。l又如一种
49、称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物又如一种称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物（2,3,7,8-2,3,7,8-四氯四氯-二苯二苯-二恶英，简称二恶英，简称TCDDTCDD），），是一种具有强烈致癌和致畸物质。它能够进入是一种具有强烈致癌和致畸物质。它能够进入细胞并与细胞并与DNADNA结合，导致结合，导致DNADNA复制发生错误，从复制发生错误，从而可能诱发癌变。而可能诱发癌变。l长时间以来，人们认为酶都是蛋白质。长时间以来，人们认为酶都是蛋白质。19811981年，年，美国两位生物化学家美国两位生物化学家T.CechT.Cech和和S.A.AltmanS.A.Altman发现了某些核糖核酸发现了
50、某些核糖核酸(RNA)(RNA)的催化作用，并提的催化作用，并提出了核酸酶出了核酸酶(核酶核酶)的概念。的概念。l核酸酶的发现，证明了核酸既是信息分子，又核酸酶的发现，证明了核酸既是信息分子，又是功能分子，对于研究生命的起源，了解核酸是功能分子，对于研究生命的起源，了解核酸新功能新功能,以及重新认识酶的概念等都具有重要以及重新认识酶的概念等都具有重要意义。意义。l核酸酶是具有特殊结构的核酸酶是具有特殊结构的RNARNA。不同核酸酶的多聚核苷。不同核酸酶的多聚核苷酸链的长度有很大的差异。例如一种原核生物的核酸酸链的长度有很大的差异。例如一种原核生物的核酸酶酶RNase PRNase P链长在链长
