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第一篇 细胞学 细胞生物学是研究细胞的结构、功能、生活史以及生命活动本质和规律的科学，是生物科学的主要分支之一，也是生命科学和分子生物学研究的基础。本章包括细胞的化学成分，细胞器，细胞代谢，DNA、RNA和蛋白质的生物合成，有丝分裂和减数分裂，细胞工程等部分。 第一章 细胞的物质基础  尽管自然界细胞形态多样，功能各异，但其化学成分基本相似，主要包括：糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶类等。 第五节 核酸 天然的核酸可分为两大类：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。真核细胞中，RNA主要分布在细胞质内，在细胞核内仅有少量存在，线粒体、叶绿体内也有分布；DNA主要分布在细胞核内，线粒体、叶绿体内也有少量存在。 (一)核酸的组成成分 将核酸水解可以得到核酸的基本组成单位——核苷酸，而核苷酸还可以进一步分解成核苷和磷酸。核苷又可进一步分解成碱基和戊糖。 1、戊糖 组成核酸的戊糖有两种：β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖。前者存在于RNA，后者存在于DNA。 2、碱基 碱基分为两类：一类是嘌呤，为双环分子，一般有腺嘌呤(A)、鸟嘌吟(G)两种；另一类是嘧啶，为单环分子，一般有胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)三种。DNA中含有A、G、C、T，RNA中含有A、G、C、U。凡含有酮基的嘧啶碱或膘吟碱，在溶液中可以发生酮式和烯醇式的互变异构现象。结晶状态时，为这种异构体的等量混合物。在生物体内则以酮式占优势，这对核酸分子中氢键结构的形成非常重要。 在核酸中还存在少量其他修饰碱基。核酸中的修饰碱基多是4种主要碱基的衍生物，大多是甲基化碱基，都是在核酸生物合成后，酶促加工修饰而成。这些修饰碱基对核酸的生物功能具有重要的作用。tRNA的修饰碱基种类较多，如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶。 3、核苷 戊糖C－l’的羟基与嘧啶碱N－l或嘌呤碱N－9上的氢缩合连接成共价的β-N-糖苷键。形成核苷。由核糖组成的核苷为核糖核苷，用单符号（A、G、C、U）表示，由脱氧核糖构成的核苷，称脱氧核苷，则在单个符号前加一个小写的d（dA、dG、dC、dT）。 在tRNA中存在少量5-核糖尿嘧啶，是一种碳苷，其C－1’是与尿嘧啶的第5个碳原子相连，因为戊糖与碱基连接方式比较特殊．也称假尿苷苦．用符号Ψ表示。 4、核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯。核糖核苷酸的核糖有3个自由的羟基，因此磷酸酯化分别可生成2′-、3′-和5′-核苷酸。脱氧核苷酸的糖上只有两个自由羟基，只能生成3′-和5’-脱氧核苷酸。生物体内的游离核苷酸多为5′-核苷酸。 (二)核酸的结构 1、DNA的结构 （1）一级结构 构成DNA的脱氧核苷酸之间，由前一个残基的脱氧核糖3′-羟基与后一个残基脱氧核糖的5′-磷酸形成：3′，5′-磷酸二酯键，彼此相连而形成多脱氧核苷酸长链(图1-1-12)。整个长链有两个游离的末端：脱氧核糖5'-OH末端(称5′-末端)和脱氧核糖3′-OH末端(称3′-末端)，长链由5′-末端向3′-末端的延伸(5′-末端→3′-末端)。 DNA的一级结构就是指脱氧核苷酸链中脱氧核苷酸的排列顺序。不同的DNA分子具有不同的一级结构，即含有的脱氧核苷酸数目不同，四种碱基的比例不同，排列顺序也不同。 （2)二级结构 根据Chargaff发现的A=T、G=C的碱基组成规律以及Wilkins和Franklin的DNA晶体的X光衍射实验数据，1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型(如图1-1-13)。 该模型认为：①DNA分子由两条多脱氧核苷酸链反向平行(一条链是3′→5′，另一条链为5’一3′)，围绕着同一个轴，右手盘旋成一个右平行螺旋结构，螺旋的直径为2.0nm；②磷酸和脱氧核糖在螺旋体的外侧，通过磷酸二酯键连结形成DNA分子的骨架；③碱基对位于螺旋体内侧，按A与T，C与G配对，A-T对有2个氢键，C-G对有3个氢键，碱基平面与纵轴垂直，每个碱基对间相隔0.34nm，旋转方向相差360°，因此绕中心轴每旋转一圈有10个核苷酸，每隔3.4nm重复出现同一结构；④螺旋表面有一条大沟和一条小沟，这两条沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的。 DAN双螺旋结构很稳定，有3种化学键维持：互补碱基之间的氢键，碱基对之间的碱基堆集力，以及主链上带负电的磷酸与溶液阳离子之间的离子键，其中碱基堆集力起主要作用。 进一步研究发现，在不同湿度条件下，含不同盐离子的DNA结晶，其X光衍射图谱也不同，说明有不同的双螺旋构象。据此，又可将DNA分为A型、B型、C型、D型和Z型等多种构象。 (3)三级结构 DNA的三级结构是指双螺旋DNA的扭曲或再螺旋、超螺旋是DNA三级结构的基本形式。 绝大多数原核生物以及线粒体和叶绿体的DNA是共价环双链DNA，这种环状双螺旋DNA分子，如果通过细胞内拓扑异构酶的作用，即可在环形分子的内部引起张力，这种新产生的张力不能释放到分子外部，而只能在DNA分子内部促使原子的位置重排，造成双螺旋的再螺旋，形状似麻花，即产生超螺旋结构。 真核细胞染色质和有些病毒DNA是双螺旋线形分子，当线形DNA分子的两端均固定时也可形成超螺旋结构。染色质DNA中双螺旋DNA分子先盘绕组蛋白形成核小体，许多核小体由DNA链连在一起构成念珠状结构，念珠状结构可进一步盘绕压缩成更高层次的结构-据估汁，人的DNA分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩8000～10000倍。 2、RNA的结构 RNA主要有三大类，分别是：核糖体RNA(rRNA)，占RNA总量的80％以上，是核糖体的主要成分；转运RNA(1RNA)，占总量的15％，在蛋白质的合成中搬运氨基酸；信使RNA(mRNA)，占总量的5％，是合成蛋白质的模板。不同种类的RNA结构各不相同，为了表述方便，将mRNA作为一级结构的例子，tRNA作为二级结构、三级结构的例子。 (1)一级结构 RNA分子的基本结构是一条线形的多核苷酸链，由四种核苷酸以3′，5’-磷酸二酯键连接而成。RNA的一级结构是指RNA链上的核苷酸顺序以及各功能部位的排列顺序。 mRNA是以DNA为模板转录产生的，一般原核mRNA直接转录生成，而真核mRNA首先形成的是分子大小极不均一的hnRNA，再经过加工成为成熟的mRNA。原核mRNA一般为多顺反子，即一条mRNA链含有指导合成几种蛋白质的信息。它的5′-末端和3′-末端无特殊结构。在分子内部，一个顺反子的编码区，是从起始密码AUG开始，到终止密码UAG为止，各顺反子的编码区之间，以及5′端第一个顺反子的编码区之前，3′端最后一个顺反子编码区之后，都含有一段非编码区。真核mRNA一般为单顺反子，一条RNA只翻译产生一种多肽链。真核细胞成熟mRNA分子3’端有150-200个腺苷酸(A)顺序，即多聚腺苷酸(polyA)，它的作用可能是使mRNA分子穿过核膜进入细胞质；5′端是一个甲基化的鸟苷酸，即G-帽，它除起保护作用外，还使mRNA分子识别核糖体，和核糖体结合，进行蛋白质合成。 (2)二级结构 RNA的二级结构是指单链RNA自身回折，链内的互补碱基对形成的局部双螺旋区与非配对顺序形成的突环相间分布的花形结构。 tRNA的二级结构是三叶草型的，一般由四臂四环组成(分子中由A-U、C-C碱基对构成的双螺旋区叫臂，不能配对仍显单链的部分叫环)。四环是：D环(I)、反密码子环(Ⅱ)、TΨC环(Ⅳ)和可变环(Ⅲ)，四臂为氨基酸接受臂、D臂、反密码子臂和TΨC臂。在氨基酸接受臂，3’-OH端有一个单链区CCA-3’-OH，在氨基酸合成酶的作用下，活化了的氨基酸连接tRNA分子末端腺苷3’-OH上；在反密码子环上其中有3个碱基代表着某种氨基酸的反密码子，正好与mRNA配对，如图1-1-14所示。 (3)三级结构 RNA的二级结构在细胞中还要进一步回折扭曲，以使分子内部的自由能达到最小值；在二级结构中突环上未配对的碱基，由于RNA链的再度扭曲而与另一突环上的未配对碱基相遇，形成新的氢键配对关系，其结果使平面的二级结构变成立体的三级结构，如图l-1-15所示。tRNA的三叶形的二级结构变成三级结构的倒L型，tRNA发挥生物功能以其倒L型三级结构为基础。
(三)核酸的性质 1、一般理化性质 核酸既有磷酸基，又有碱性基团，是两性电解质，因磷酸的酸性强，通常表现为酸性。DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，都微溶于水，不溶于一般有机溶剂，常用乙醇从溶液中沉淀核酸。D-核糖与浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热产生绿色，D-2-脱氧核糖与酸和二苯胺一同加热产生蓝紫色。可利用这两种糖的特殊颜色反应区分DNA和RNA或作为二者测定的基础。 2、核酸的紫外吸收性质 核酸中的嘌呤和嘧啶环的共轭体系强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收值在260nm处。利用这一特性可以对核酸进行定性和定量测定。如待测DNA或RNA样品的纯度，可用它们的A260／A280的比值来判断，纯DNA溶液的A260／A280比值为1.8，而纯RNA溶液的比值为2.0，样品中若含有蛋白质，则A260／A280的比值要下降，因为蛋白质的最大吸收峰在280nm。纯核酸在变性时，吸收值显著升高，称为增色效应。在一定条件下，变性的核酸可复性，则吸收值又回复至原来水平，称减色效应。 3、核酸的变性和复性 核酸的变性是指双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团状态的过程。变性只涉及次级键的变化，而不涉及磷酸二酯键的断裂，故一级结构并不发生破坏(磷酸二酯键的断裂称为核酸降解)。核酸变性以后，紫外吸收值明显升高，黏度下降，浮力密度升高，生物功能部分或全部丧失。引起核酸变性的因素很多，如温度、有机溶剂、酸碱度、尿素、酰胺等试剂均可以使核酸变性。DNA热变性是爆发式的，只在很窄的温度范围之内发生。通常将热变性温度称为“熔点”或解链温度，用Tm表示。DNA的解链温度Tm是指增色效应达到最高值一半时的温度。 Tm值与碱基组成有关，C—C含量高的核酸，Tm值也高，两者成正比，可用经验公式表示：(G-C)％=(Tm—69．3)X2．44。 DNA复性是指变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。变性核酸复性时需缓慢冷却，故又称退火。在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成双链，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂交双链，此过程称分子杂交。分子杂交技术在核酸结构与功能的研究上是一个重要手段。
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