一 核酸二核酸的化学成分三 核酸的理化性质四 DNA 的一级结构五 DNA 的二级结构六 DNA 的高级结构七基因与基因组

第一章 核酸－遗传物质

一 核酸

＊ 1925 － 1930 年， Levene 确定核酸是由 4 种核苷酸组成； C

hargaff 发现四种核苷酸并不是简单的 1 ： 1 的关系。

1 核酸的发现

＊ 1968 年， Miescher 发现核素，是一类在白细胞中富含磷酸酸性的物质。

＊ 1889 年， Altmann 在酵母中制备了不含蛋白的核素，称之为核酸（ Nucleic acid ）。

＊转化实验 1928 年， Griffith 等人肺炎双球菌实验（图 1 － 1 ）； 1944 年， Avery 提出转化因子是 DNA （图 1 － 2 ）。

＊ Blendor 实验 1952 年， Hershey 进一步证明 DNA 是遗传物质 （图 1 － 3 ）。

噬菌体模式图

2 核酸的分类与分布

90% 以上分布于细胞核，

其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。

分布于胞核、胞液。

(deoxyribonucleic acid, DNA)

脱氧核糖核酸

(ribonucleic acid, RNA)

核糖核酸

携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型 (genotype)。

参与细胞内 DNA 遗传信息的表达。某些病毒 RNA 也可作为遗传信息的载体。

二 核酸的化学成分 磷酸 核糖 → →核酸 核苷酸 { 戊糖 → { 核苷 → { 脱氧核糖 嘌呤碱 含氮碱— — — — — — — — → { 嘧啶碱

嘧啶碱嘧啶碱

嘌呤碱嘌呤碱

＊碱基

β-D- 核糖 β-D-2- 脱氧核糖

＊戊糖

腺苷 (AR) 脱氧胞苷 (dCR)

β1’,N9- 糖苷键 β1’,N1- 糖苷键

β1’β1’

N9 N1

β， N糖苷键主要核苷有八种＊核苷

＊核苷酸

＊核酸

P P

5'

3' 3'

5'

P P

5'

3'

P

5'

3'

A C G T

5＇ pＡ pＣ pＴ pＴ pＧ pＡ pＡ pＣ pＧ 3＇ DNA

5＇ pＡ pＣ pＵ pＵ pＧ pＡ pＡ pＣ pＧ 3＇ RNA

5＇ pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ 3＇

5＇ pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ 3＇

核酸的简写式：

5’→3’

5’→3’

三 核酸的理化性质

＊溶解性 均溶于水

不溶于一般有机溶剂,在70%乙醇中形成沉淀

＊晶形 DNA 为白色纤维状固体 RNA 为白色粉末状固体

＊两性解离 呈酸性 在中性溶液中带负电荷

＊沉降速度： RNA > 环状 DNA > 开环、线状 DNA

＊粘度 DNA 粘度大 RNA 粘度小

＊旋光性 均很强

＊密度 RNA> 双链 DNA ； 环状 DNA > 开环、线状 DNA

单链 DNA > 双链 DNA

＊核酸的紫外吸收 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

1OD260dsDNA=50μg/ml

1OD260ssDNA=33μg/ml

1OD260 RNA=40μg/ml

纯 DNA

A260/A280=1.8

纯 RNA

A260/A280=2.0

＊核酸的酸解和碱解 DNA 和 RNA 对酸或碱的耐受程度有很大差别

RNA 的碱解

＊酶水解 核酸水解酶 : 水解磷酸二酯键。 DNA 水解酶（ DNases ） : 以 DNA 为底物 RNA 水解酶（ RNases ） : 以 RNA 为底物的。 核酸外切酶 : 从一端（ 3′- 端或 5′- 端）开始 核酸内切酶 : 从中间开始

四 DNA 的一级结构

1 、 DNA 的一级结构

DNA 分子中核苷酸的排列顺序， DNA 顺序（或序 列）

DNA 分子主要由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 和 dTMP

四种脱氧核糖核苷酸所组成

DN

A

一级结构模式

图

1 ） DNA 结构的特点：

＊ DNA 分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。

＊ DNA 分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。

＊两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律。

2 ） DNA 分子的多样性

＊ 碱基的排列顺序，构成了 DNA 分子的多样性

＊ 100bpDNA分子可能排列方式就是 4100

＊ DNA 中的碱基排列顺序是 DNA 分子的重要属性

＊基因的功能取决于 DNA 的一级结构

五 DNA 的二级结构

1 、 DNA 二级结构特征

＊ Watson 和 Crick 在 1953 年根据 DNA 纤维 X射线晶体衍射图，提出了 DNA 为右手双螺旋结构的科学假设。

＊二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。

＊通常情况下， DNA 二级结构分为两类：一类是右手螺旋， 如 A － DNA ， B － DNA ；一类是左手螺旋，即 Z － DN

A 。

2 、 DNA 双螺旋的稳定性

• 氢键• 疏水作用• 碱基堆积力• 离子

3 、 DNA 结构的多态性

目前已知 DNA 双螺旋结构可分为 A 、 B 、 C 、 D及 Z 型等数种，除 Z 型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。

B 型 A 型 D 型

C 型 E 型

92 ％相对湿度 75 ％相对湿度DNA － RNA杂交分子

66 ％相对湿度

碱基对减少

1) 右手螺旋

DNA 结构类型和螺旋参数

结构类型

螺旋（ nm ）

螺旋对称性

每个核苷酸残基轴（ h ）和扭角轴（ I ）

沟的宽度（ nm ）

沟的深度（ nm ）

h （ nm ） I （度） 小沟 大沟 小沟 大沟

A 2.82 11 0.256 32.7 1.10 0.27 0.28 1.35

B 3.38 10 0.338 36.0 0.57 1.17 0.75 0.85

C 3.10 9.33 0.332 38.6 0.48 1.05 0.79 0.75

D 2.43 8 0.304 45.0 0.13 0.89 0.58

E 2.43 7.5 0.325 48.0

Z 型 : 在 DNA 单链中存在嘌呤与嘧啶（ CGCGCG 或 CACA

CA ）交替排列的顺序时，就会出现左手双螺旋结构。在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列，犹如“之”字形一样，因此叫做 Z 型沟象。

2) 左手螺旋－－ Z 型

特点：每圈螺旋 12 个碱基，螺距 4.46 － 4.47nm ， h

为 0.74nm ， -60 度旋转，碱基负倾斜 -7 度，直径 1.81-1.84n

m （ B 型 DNA 为 1.93nm ），只有小沟，且窄而深（宽 0.88n

m ，深 1.38nm ），嘌呤糖苷键呈顺式（ B 型所有糖苷键均为反式）。

不同螺旋形式 DNA 分子主要参数比较

双螺旋 碱基倾角（度）

碱基间距（ nm）

螺旋直径（ nm）

每轮碱基数 螺旋方向

A-DNA 20 0.26 2.6 11 右

B-DNA 6 0.34 2.0 10 右

Z-DNA 7 0.37 1.8 12 左

3 ） Z 型 DNA 与生物的基因调控有关

A 邻近调控

控制区－启动子 转录区

Z-DNA

B-DNA

不转录

转录

B 远距离调控

●

● ●

● ●

●

控制区

Z-DNA

B － DNA

可能转录

负超螺旋程度高，有扭转能力

不转录

负超螺旋程度低，无扭转张力

六 DNA超螺旋结构

超螺旋结构是 DNA 分子高级结构的主要形式。可分

为正超螺旋和负超螺旋两类。

负超螺旋 松弛 DNA 正超螺旋拓扑异构酶溴乙锭

拓扑异构酶溴乙锭

A ：正超螺旋； B ：环状双链DNA ； C ：负超螺旋

用电话线说明 DNA 链中的螺旋与超螺旋

1 、超螺旋特点

I 型 DNA共价闭合环状

II 型 DNA开环，松弛型

Ⅲ型线状

I° 型开环，松弛型

pH11.3 pH11.3 pH11.3 pH11.3

I

溴化乙锭（ ethidium bromide ， EB ），通过嵌入到配对碱基之间的方式与 DNA 结合，导致 DNA 双螺旋的局部解旋（ untwisting ）

沉降系

数

EB浓度

CsCl 密度梯度（含 EB ）离心： 超螺旋〉开环、线性

环状 DNA 分子常以超螺旋结构存在，并以负超螺旋为主，有利于转录的起始。 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于 DNA复制和 RNA 转录过程具有关键作用。

七核小体与染色体

1 、 核小体

DNA 双螺旋链，等距离缠绕组蛋白（见表 2-5 ）（ H2A 、

H2B 、 H3 、 H4 ）各二分子，组成八聚体，形成众多核心颗粒，外绕 1.75圈左右的 DNA 链，每圈约 85bpDNA ，各颗粒之间为带有 H1 组蛋白的连接区 DNA 。

1

进化上的极端保守性；无组织特异性；氨基酸分布的不对称性；修饰作用；组蛋白富 H5含赖氨酸 .

核小体单位

核心颗粒

染色小体

2

3

H2A 、 H2B 、 H3 和 H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白，双螺旋 DNA(146b

p) 以左手超螺旋的方式绕核心颗粒 1.75 圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒，两端各有 11bp 与 H1 结合，形成完整的核小体连接区 DNA （平均 55

bp ）将相邻的核小体连接。

4

5

其他非组蛋白：• HMC 蛋白；

• DNA 结合蛋白；

• A24非组蛋白 .

DNA （ 2nm, 200bp ）

核小体链（ 11nm, 每个核小体 200bp ）

纤丝（ 30nm, 每圈 6 个核小体）

突环（ 150nm, 每个突环大约 75000bp ）

玫瑰花结 （ 300nm ,6 个突环）

螺旋圈（ 700nm, 每圈 30 个玫瑰花）

染色体

（ 1400nm 每个染色体含 10 个玫瑰花）

核小体核小体

螺线管螺线管

超螺线管超螺线管

染色单体染色单体

压缩 7 倍

压缩 6 倍

压缩 5 倍

压缩 30-40 倍

DNA

共压缩 6300-8400 倍

八、基因与基因组

1、基因 DNA 分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的多肽链或 RN

A 所必需的全部核酸序列（通常是 DNA 序列）。

类型

编码蛋白质的基因

不转录的基因

只有转录而没有翻译功能的基因

结构基因

调节基因

酶和结构蛋白

阻遏蛋白

tRNA 基因rRNA 基因启动基因

操纵基因调节控制作用

2 、基因组

指某种生物所包含的全套基因。

不同生物体中具有不同的基因组大小。

3 、 原核生物基因组

＊基因组很小，且大小相差较大＊单倍体（逆转录病毒除外）＊基因重叠＊结构简练＊转录单元（多顺反子结构）＊基因多是连续的（真核细胞病毒除外）

基因组大小 编码蛋白质 乙肝病毒 3Kb 4 种 痘病毒 3000Kb 几百种大肠杆菌 4600Kb 3000 － 4000

ΦX174 ：单链 DNA 病毒编码 11 个蛋白质分子，总分子量为 25万左右，相当于 6

078 个核苷酸所容纳的信息量，但其 DNA 本身只有 537

5 个核苷酸，最多能编码总分子量为 20万的蛋白质分子，为解决这一矛盾，出现了基因重叠。

基因重叠的几种情况： （ 1 ）完全重叠 （ 2 ）部分重叠 （ 3 ）两个基因只有一个碱基重叠 一个基因终止密码子的最后一个碱基是另一个基因起始

密码子的第一个碱基

＊读框不同

5’……GAAGGAGUGAUGUAAUGUCUAAAGGU……3’5’……GAAGGAGUGAUGUAA……3’ Glu Gly Val Met Stop 基因 D 5’……AUGUCUAAAGGU……3’ Met Set Lys 基因 J5’……GAAGGAGUGA……3’ Lys Gly Stop 基因 E

ΦX174mRNA D 、 J 、 E 基因重叠

5’……GCTGGTGGAAAATGAGGAAATTCAAT……3’ DNA 序列 Leu Val Glu Asn Glu Glu Ile Gln K 蛋白 Ala Gly Gly Lys Ter A 蛋白 FMet Arg Lys Phe Asn C蛋白 噬菌体 G4 一段 DNA 序列内 A 、 C 、 K 基因三重重叠

* 基因读框相同，只是起始部位不同

4 、真核生物基因组

1 ） C值 单倍体基因组中的 DNA 含量

同类生物不同种属之间 DNA总量变化很大 从编码每类生物所需 DNA量的最低值看， C值具有从低等到高等增加的趋势

A 基因组大，含有多种序列组分B 染色体C 重复序列 D 断裂基因E 单顺反子　

　　

2 ）特点

C 重复序列（序列组分）

• 快复性成分 高度重复序列• 中复性成分 中度重复序列• 慢复性成分 不重复序列

• 高度重复序列：重复频率高，复性速度很快 ，在基因组中所占比例随种属而异。常被称为卫星DNA

。

特点 2-100bp 成串排列 着丝粒区和端粒区 约占 5-6％根据长度 卫星 DNA： 100bp左右 小卫星 DNA： 15-70bp 微卫星 DNA：2-5bp功能 与染色体稳定性有关　

• 中度重复序列

特点＊在基因组中重复数十至数万（ <105 ）次＊复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序＊所占比例在不同种属之间差异很大＊大多不编码蛋白质＊大多数与单拷贝基因间隔排列 ,少数在基因组中 成串排列在一个区域＊具有种特异性

● r RNA

♦ 真核生物 rRNA 基因的重复次数多♦ 真核生物有四种 rRNA （ 18S 、 28S 、 5S 、 5.8S )

♦ 基因组中 18S 、 28S 和 5.8S rRNA 基因在同一转录单位 5S rRNA 在低等真核生物（如：酵母）中也和 18S 、 18SrRN

A 在同一转录单位；而在高等生物中， 5S rRNA 是单独转录 ,而且其在基因组中的重复次数高于 18S 和 28S rRNA 基因

● 组蛋白基因

• 不重复序列

＊在单倍体基因组中只出现一次或几次＊复性速度很慢＊在基因组中占 50-80 ％＊储存了巨大的遗传信息，编码蛋白质＊尚不清楚确切数字＊断裂基因

D 断裂基因

• 真核生物的结构基因不仅在两侧有非编码区，而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列（ intervening sequenc

es ），称为内含子（ intron ），编码区则称为外显子（ exo

n ）• 内含子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后内

含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的 mRNA 作为指导蛋白质合成的模板

• 内含子的共同特征： 5’ 端以 GT 开始 ,3’ 端以 AG 结束，成为 GT/AG 规则。

E 单顺反子

真核生物中每个基因都单独构成一个转录单位，产生单顺反子 m RNA ，编码一种蛋白质

编码两种以上的 mRNA 可通过拼接方式来完成

两种拼接方式产生肌钙蛋白 a 或 b

▲ 基因家族

来自一个祖先基因，通过扩增形成多个结构和功能相关的基因，成为基因家族。

所编码的蛋白质是同源的，如组蛋白基因家族，有 5 个成员，即 H1 、 H2A 、 H2B 、 H3

、 H4 。

▲ 假基因或自私基因

在哺乳动物包括人体基因组中，存在着大量的非编码顺序。这些顺序中，只有很小一部份具有重要的调节功能，绝大部部分都没有什么特殊功用。在这些 DNA 序列中虽然积累了大量缺失，重复或其他突变，但对生物并没有什么影响，它们的功能似乎只是自身复制，所以人们称这类 DNA 为自私DNA 或寄生DNA （ parasite D

NA ）。自私DNA 也许有重要的功能，但目前我们还不了解。