核酸是遺傳物質(zhì)
1868年瑞士Miesher.從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出可溶于堿而不溶于稀酸的酸性物質(zhì)。
間接證據(jù)：同一種生物的不同種類的不同生長(zhǎng)期的細(xì)胞，DNA含量基本恒定。
直接證據(jù)：T2噬菌體DNA感染E.coli
用35S標(biāo)記噬菌體蛋白質(zhì)，感染E.coli，又用32P標(biāo)記噬菌體核酸，感染E.coli
DNA、RNA的分布（DNA在核內(nèi)，RNA在核外)。
第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成
核酸是一種線形多聚核苷酸，基本組成單位是核苷酸。
結(jié)構(gòu)層次： 核 酸
核苷酸
磷酸 核苷
戊糖 堿基
組成核酸的戊糖有兩種：：D-核糖和D-2-脫氧核糖，據(jù)此，可以將核酸分為兩種：核糖核酸（RNA)和脫氧核糖核酸（DNA)
P330 表5-1 兩類核酸的基本化學(xué)組成
一、 堿基
1. 嘌呤堿： 腺嘌呤 鳥嘌呤
2. 嘧啶堿： 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶
P331 結(jié)構(gòu)式
3. 修飾堿基
植物中有大量5-甲基胞嘧啶。
E.coli噬菌體中，5-羥甲基胞嘧啶代替C。
稀有堿基：100余種，多數(shù)是甲基化的產(chǎn)物。
DNA由A、G、C、T堿基構(gòu)成。
RNA由A、G、C、U堿基構(gòu)成。
二、 核苷
核苷由戊糖和堿基縮合而成，糖環(huán)上C1與嘧啶堿的N1或與嘌呤堿的N9連接。
核酸中的核苷均為β-型核苷
P332 結(jié)構(gòu)式 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脫氧核苷
DNA 的戊糖是：脫氧核糖
RNA 的戊糖是：核糖
三、 核苷酸
核苷中戊糖C3、C5羥基被磷酸酯化，生成核苷酸。
1、 構(gòu)成DNA、RNA的核苷酸
P333表5-3
2、 細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物
①核苷5’-多磷酸化合物
ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG
在能量代謝和物質(zhì)代謝及調(diào)控中起重要作用。
②環(huán)核苷酸
cAMP（3’，5’-cAMP) cGMP（3’，5’-cGMP)
它們作為質(zhì)膜的激素的第二信使起作用，cAMP調(diào)節(jié)細(xì)胞的糖代謝、脂代謝。
③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物
ppGpp pppGpp ppApp
④核苷酸衍生物
HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等輔助因子。
GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供體。
第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)
一級(jí)：脫氧核苷酸分子間連接方式及排列順序。
二級(jí)：DNA的兩條多聚核苷酸鏈間通過(guò)氫鍵形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。
三級(jí)：DNA雙鏈進(jìn)一步折疊卷曲形成的構(gòu)象。
一、 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)
DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是4種脫氧核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)通過(guò)3/、5/-磷酸二酯鍵連接起來(lái)的線形多聚體。3/、5/-磷酸二酯鍵是DNA、RNA的主鏈結(jié)構(gòu) 。
P334 圖 5-1
書寫方法：5/ → 3/：
5’-pApCpTpG-3’，或5’…ACTG…3’（在DNA中，3/-OH一般是游離的)
在DNA分子中，不變的骨架成分磷酸二酯鍵被逐漸省略，真正代表DNA生物學(xué)意義的是堿基的排列順序。
遺傳信息貯存在DNA的堿基排列順序中，生物界生物的多樣性即寓于DNA分子4種核苷酸千變?nèi)f化的精確的排列順序中。
二、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)
1953年，Watson和Crick根據(jù)Chargaff 規(guī)律和DNA Na鹽纖維的X光衍射數(shù)據(jù)提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。
1、 Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)建立的根據(jù)
①Chargaff 規(guī)律 1950年
a. 所有DNA中，A=T，G=C 且A+G=C+T。
P334表5—4。
b. DNA的堿基組成具有種的特異性，即不同生物的DNA皆有自己獨(dú)特的堿基組成。
c. DNA堿基組成沒有組織和器官的特異性。
d. 年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境等因素不影響DNA的堿基組成。
② DNA的Na鹽纖維和 DNA晶體的X光衍射分析。
相對(duì)濕度92%，DNA鈉鹽結(jié)晶，B—DNA。
相對(duì)濕度75%，DNA鈉鹽結(jié)晶，A—DNA。
Z—DNA。
生物體內(nèi)DNA均為B—DNA。
Franklin 的工作
2、 Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
P335 圖5—2
a.兩條反平行的多核苷酸鏈繞同一中心軸相纏繞，形成右手雙股螺旋，一條5’→3’，另一條3’→5’
b.嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與脫氧核糖在外側(cè)。磷酸與脫氧核糖彼此通過(guò)3/、5/-磷酸二酯鍵相連接，構(gòu)成DNA分子的骨架。
寬1.2 nm 寬0.6nm
大溝 小溝
深0.85nm 深0.75nm
c.螺旋平均直徑2nm
每圈螺旋含10個(gè)核苷酸
堿基堆積距離：0.34nm
螺距：3.4nm
d.兩條核苷酸鏈，依靠彼此堿基間形成的氫鏈結(jié)合在一起。堿基平面垂直于螺旋軸。A=T、G=C
P336 圖5—4
堿基互補(bǔ)原則具有極重要的生物學(xué)意義，DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄等的分子基礎(chǔ)都是堿基互補(bǔ)。
3、 穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素
①堿基堆積力（主要因素) 形成疏水環(huán)境。
②堿基配對(duì)的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。
③磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負(fù)電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。
④堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。
三、 DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的不均一性和多型性
（一) DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的不均一性
1、 反向重復(fù)序列（回文序列)
DNA序列中，以某一中心區(qū)域?yàn)閷?duì)稱軸，其兩側(cè)的堿基對(duì)順序正讀和反讀都相同，即對(duì)稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)180°后，與另一側(cè)片段對(duì)稱重復(fù)。
較長(zhǎng)的回文結(jié)構(gòu)，在某些因素作用下，可形成莖環(huán)式的十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)。功能還不完全清楚，但轉(zhuǎn)錄的終止作用與回文結(jié)構(gòu)有關(guān)。
較短的回文序列，可作為一種特別信號(hào)，如限制性核酸內(nèi)切酶的識(shí)別位點(diǎn)。
2、 富含A T的序列
高等生物中，A+T與C+G的含量差不多相等，但在它們的染色體的某一區(qū)域，A T含量可能很高。
在很多有重要調(diào)節(jié)功能（不是蛋白質(zhì)編碼區(qū))的DNA區(qū)段都富含A T堿基對(duì)。特別是在復(fù)制起點(diǎn)和啟動(dòng)的Pribnow框的DNA區(qū)中，富含A T對(duì)。這對(duì)于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的起始十分重要，因?yàn)镚 C對(duì)有三個(gè)氫鍵，而A T對(duì)只有兩個(gè)氫鍵，此處雙鍵易解開。
（二) DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的多型性
P339 表5-6 A-、B-、Z-DNA的比較
1、 B—DNA：典型的Watson-Crick雙螺旋DNA
右手雙股螺旋
每圈螺旋10.4個(gè)堿基對(duì)
每對(duì)
螺旋扭角36°
螺距：3.32nm
堿基傾角：1°
2、 A-DNA
在相對(duì)濕度75%以下所獲得的DNA纖維。
A-DNA也是右手雙螺旋，外形粗短。
RNA-RNA、RNA-DNA雜交分子具有這種結(jié)構(gòu)。
3、 Z-DNA
左手螺旋的DNA。
天然B-DNA的局部區(qū)域可以形成Z0-DNA。
4、 DNA三股螺旋
在多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，序列中有較長(zhǎng)的鏡像重復(fù)時(shí)，可形成局部三股螺旋，稱H-DNA。
鏡像重復(fù)：
TAT配對(duì)
C+GC酸對(duì)
DNA的三鏈結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在DNA復(fù)制、重組、轉(zhuǎn)錄的起始或調(diào)節(jié)位點(diǎn)，第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶等難以與該區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達(dá)。
四、 環(huán)狀DNA
生物體內(nèi)有些DNA是以雙鏈環(huán)狀DNA的形式存在，包括：
某些病毒DNA
某些噬菌體DNA
某些細(xì)菌染色體DNA
細(xì)菌質(zhì)粒DNA
真核細(xì)胞中的線粒體DNA、葉綠體DNA
1、 環(huán)形DNA的不同構(gòu)象
P340 圖5-8 松馳環(huán)、解鏈環(huán)、負(fù)超螺旋
（1)、 松弛環(huán)形DNA
線形DNA直接環(huán)化
（2)、 解鏈環(huán)形DNA
線形DNA擰松后再環(huán)化
（3)、 正超螺旋與負(fù)超螺旋DNA
線形DNA擰緊或擰松后再環(huán)化，成為超螺旋結(jié)構(gòu)。
繩子的兩股以右旋方向纏繞，如果在一端使繩子向纏緊的方向旋轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)左旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)造成的脅變，這樣的超螺旋叫正超螺旋。
如果在繩子一端向松纏方向旋轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)右旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)所造成的脅變，這樣的超螺旋稱負(fù)超螺旋。
對(duì)于右手螺旋的DNA分子，如果每圈初級(jí)螺旋的堿基對(duì)數(shù)小于10.4，則其二級(jí)結(jié)構(gòu)處于緊纏狀態(tài)，是正超螺旋。
如果每圈初級(jí)螺旋的堿基對(duì)數(shù)大于10.4，則其二級(jí)結(jié)構(gòu)處于松纏狀態(tài)，是負(fù)超螺旋。
2、 環(huán)形DNA的拓?fù)鋵W(xué)特性
以260bp組成的線形B-DNA為例，螺旋周數(shù)260/10.4=25。
P340 圖25-8 松馳環(huán)、解鏈環(huán)、負(fù)超螺旋
①連環(huán)數(shù)（L)
DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)，以L表示。
松馳環(huán)：L=25
解鏈環(huán)：L=23
超螺旋：L=23
②纏繞數(shù)（T)
DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以T表示
松馳環(huán)T=25
解鏈環(huán)T=23
超螺旋T=25
③超螺旋周數(shù)（扭曲數(shù)W)
松馳環(huán)W=0
解鏈環(huán)W=0
超螺旋W= -2
L=T+W
④比連環(huán)差（λ)
表示DNA的超螺旋程度
λ=（L—L0)/L0
L0是指松馳環(huán)形DNA的L值
天然DNA的超螺旋密度一般為-0.03~-0.09，平均每100bp上有3-9個(gè)負(fù)超螺旋。
負(fù)超螺旋DNA是由于兩條鏈的纏繞不足引起，很易解鏈，易于參加DNA的復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄等需要將兩條鏈分開才能進(jìn)行的反應(yīng)。
3、 拓?fù)洚悩?gòu)酶
此酶能改變DNA拓?fù)洚悩?gòu)體的L值。
①拓?fù)洚悩?gòu)酶酶I（擰緊)
能使雙鏈負(fù)超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀DNA，每一次作用可使L值增加1，同時(shí)，使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成正超螺旋。
②拓?fù)洚悩?gòu)酶酶II（擰松)
能使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形DNA，每次催化使L減少2，同時(shí)能使正超螺旋轉(zhuǎn)變成松馳DNA。
五、 染色體的結(jié)構(gòu)
1、 大腸桿菌染色體
大腸桿菌染色體是由4.2×106bp組成的雙鏈環(huán)狀DNA分子，約3000個(gè)基因。
大腸桿菌DNA結(jié)合蛋白： 每個(gè)細(xì)胞
H 兩個(gè)28KD的相同亞基 30000個(gè)二聚體
HU 兩個(gè)各9KD的不同亞基 40000個(gè)二體聚體
HLP1 17KD的亞基 20000個(gè)單體
P 3KD的亞基 未知
這些DNA結(jié)合蛋白，使4.2×106bp的E.coli染色體DNA壓縮成為一個(gè)手腳架形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中心是多種DNA結(jié)合蛋白，DNA雙螺旋分子有許多位點(diǎn)與這些蛋白結(jié)合，形成約100個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的DNA都是負(fù)超螺旋，一個(gè)小區(qū)的DNA有兩個(gè)端點(diǎn)被蛋白質(zhì)固定，每個(gè)小區(qū)相對(duì)獨(dú)立。
圖
用極微量的DNA酶I處理時(shí)，只能使少量小區(qū)的DNA成為松馳狀態(tài)，而其它小區(qū)仍然保持超螺旋狀態(tài)。
2、 真核生物染色體
主要由組蛋白和DNA組成。
組蛋白是富含堿性a.a(Lys、Arg)的堿性蛋白質(zhì)，根據(jù)Lys/Arg比值不同，可分為H1、H2A、H2B、H3、H4五種，均為單鏈蛋白質(zhì)，分子量11000-21000。
H2A、H2B、H3、H4各兩分子對(duì)稱聚集成組蛋白八聚體。
146bp長(zhǎng)度的DNA雙螺旋盤繞在八聚體上形成核小體。
核小體間DNA長(zhǎng)度15-100bp（一般60bp)其上結(jié)合有H1
圖
2H2A、2H2B、2H3、2H4組蛋白八聚體 146bpDNA 核小體
串聯(lián) 染色質(zhì) 折疊 染色體
DNA（直徑2nm)
盤繞組蛋白八聚體上，結(jié)合H1，壓縮比1/7
核小體（一級(jí)結(jié)構(gòu))
螺旋化，壓縮比1/6
螺線管（二級(jí)結(jié)構(gòu))
再螺旋化，壓縮比1/40
超螺線管（三級(jí)結(jié)構(gòu))
折疊，壓縮比1/5
染色單體（四級(jí)結(jié)構(gòu))
總壓縮比：1/8400~1/10000
六、 DNA的生物學(xué)功能
首次直接證明DNA的遺傳功能的是Avery的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。
P342 1~4 Avery的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)
第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)
一、 RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)
RNA是AMP、GMP、CMP、UMP通過(guò)3/、5/磷酸二酯鍵形成的線形多聚體。
P343 圖5-10 RNA基本結(jié)構(gòu) 醫(yī)學(xué)全在線 gydjdsj.org.cn
① 組成RNA的戊糖是核糖
② 堿基中RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中還有一些稀有堿基。
③ 天然RNA分子都是單鏈線形分子，只有部分區(qū)域是A-型雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋區(qū)一般占RNA分子的50%左右。
二、 RNA的類型
細(xì)胞中的RNA，按其在蛋白質(zhì)合成中所起的作用，主要可分為三種類型。
核糖體RNA rRNA
轉(zhuǎn)運(yùn) RNA tRNA
信使 RNA mRNA
此外，真核生物細(xì)胞中有少量核內(nèi)小RNA（small nuclear RNA snRNA)
P344 表5-7 大腸桿菌中的RNA
沉降系數(shù)：?jiǎn)挝浑x心場(chǎng)中的沉降速度，以S為單位，即10-13秒。
如23S rRNA ，單位離心場(chǎng)中沉降 23×10-13秒
5S rRNA ，單位離心場(chǎng)中沉降 5×10-13秒
三、 tRNA的結(jié)構(gòu)
tRNA約占全部RNA的15%
主要功能：在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。
已知一級(jí)結(jié)構(gòu)的tRNA有160種，每種tRNA可運(yùn)載一種特定的a.a，一種a.a可由一種或多種tRNA運(yùn)載。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
①分子量在25kd左右，70-90b，沉降系數(shù)4S左右
②堿基組成中有較多稀有堿基
圖
③3’末端為…CpCpA-OH，用來(lái)接受活化的氨基酸，此末端稱接受末端。
④5’末端大多為pG…或pC…
⑤二級(jí)結(jié)構(gòu)是三葉草形
