中國農業科學院生物化學筆記

生物化學(biochemistry;是碩士命化學的科學，它在分子水平上探討生命的本質，即碩士

物體的分子構造與功能，物質代謝與調整，遺傳信息的傳遞與調控，及其在生命活動中的作

用。

人們一般將研究核酸、蛋白質等所有生物大分子的構造、功能及基因構造、體現與調控的內

容，稱為分子生物學。因比分子生物學是生物化學的重要構成部分。

一、生物化學發展簡史

1.初期階段(18世紀一20世記初)

生物化學的研究始于18世紀，但作為一門獨立的科學是在2()世紀初期。重要碩士物體的化

學構成。

2.蓬勃發展階段(從20世記初一20世記中期)

重要在營養學，內分泌學，酶學，物質代謝及其調控等方面獲得了重大進展。

3.分子生物學發展階段(從20世紀中期至今)

重要有物質代謝途徑的研究繼續發展，重點進入代謝調整與合成代謝的研究。

此外，明顯特性是分子生物學的崛起。DAN雙螺旋構造模型的提出，遺傳密碼的破譯，重組

DNA技術的建立等。

20世紀末始動的人類基因組計劃(humangenomeproject)是人類生命科學中的又?偉大

創舉。

以基因編碼蛋白質的構造與功能為重點之一的功能基因組研究已迅速崛起。忖前出現的的蛋

白質組學(proteomics)領域。

闡明人類基因組功能是一項多學科的任務，因而產生了一門前景廣闊的新興學科——生物

信息學(bioinformatics)?

我國科學家對生物化學的發展做出了重大的奉獻。

一、生物化學研究的重要內容

1.生物分子的構造與功能

2.物質代謝及其調整

3.基因信息傳遞及其調控

三、生物化學與醫學

生物化學是一門重要的醫學基礎課，與醫學有著緊密的聯絡。

生物大分子一般均有一定的分子構造規律，即由一定的基本構造單位，按一定的排列次序和

連接方式而形成的多聚體。蛋白質和核酸是體內重要的生物大分子，各自有其構造特性，并

分別行使不一樣的生理功能。

酶是一類重要的蛋白質分子，是生物體內的催化劑。

本篇將簡介蛋白質的構造、功能；核酸的結核與功能；醛等三章。重點掌握上述生物大分子

物質的構造特性，重要功能及基本的理化性質與應用，這對理解生命的木質具有重要意義。

蛋白質是生物體含量最豐富的生物大分子物質，約占人體固體成分的45%,且分布廣泛，所

有細胞、組織都具有蛋白質。生物體構造越復雜，蛋白質的種類和功能也越繁多。蛋白質也

是機體的功能分子(workingmolecules)。它參與機體的,切生理活動，機體的多種生理

功能幾乎都是通過蛋白質來完畢的，并且在其中起著關鍵作用，因此蛋白質是生命的物質基

礎。

第一節蛋白質的分子構成

ConformationofProteinMolecules

一、蛋白質的元素構成

構成蛋白質的元素除具有碳、氫、氧外都具有氮。有些蛋白質還具有少許硫、磷、鐵、錦、

鋅、銅、碘等。

大多數蛋白質含氮量比較靠近，平均為16樂這是蛋白質元素構成的一種特點。

蛋白質的元素構成中具有氮，是碳水化物、脂肪在營養上不能替代蛋白質的原因。

二、氨基酸

氨基酸(aminoacid)是構成蛋白質的基本單位。構成人體蛋白質的氨基酸僅有20種。其

化學構造式有一種共同特點，即在連接撥基的。碳原子上尚有一種氨基，故稱a氨基酸(除

甘氨酸外)o

(一)氨基酸的構造

構成人體蛋白質的20種氨基酸，

多種氨基酸在構造上有下列特點。

1.構成蛋白質的氨基酸，除甘氨酸外，均屬1，-a-朝基酸。

2.不一樣的L-a-氨基酸，其側鏈(R)不一樣。

(二)氨基酸的分類

根據氨基酸側鏈R基團的構造和性質，可將20種氨基酸提成四類。

1.非極性疏水性氨基酸

2.極性中性氨基

3.酸性氨基酸

4.堿性氨基酸

在蛋白質的修飾過程中，蛋白質分子中20種氨基酸殘基的某些基團還可被甲基化、甲酰

化、乙?；愇於┗土姿峄?。

(三)氨基酸的理化性質

1.兩性解離及等電點：所有氨基酸都具有堿性的a-氨基和酸性的a-沒基，因此氨基酸是一

種兩性電解質，具有兩性解離的特性。

2.紫外吸取性質根據氨基酸的吸取光譜，具有共枕雙鍵的色氨酸、酪氨酸的最大吸取峰在

280nm波長附近。

3.苛三酮反應：可作為氨基酸定最分析措施。

三、肽(peptides)

㈠肽(peptide)

在蛋白質分子中由一分子氨基酸的a-峻基與另一分子氨基酸的a-氨基脫水生成的鍵稱為肽

鍵(peptidebond)。肽健是蛋白質分子中基本的化學鍵。如由二個氨基酸以肽鍵相連形

成的肽稱為二肽，互相之間以肽鍵相連。二肽還可通過肽鍵與另一分子氨基酸相連生成三

肽。此反應可繼續進行，依次生成四肽、五肽……。由10個以內的氨基酸由肽鍵相連生成

的肽稱為寡肽(oligopeptide),由更多的氨基酸借肽鍵相連生成的肽稱為多肽

(polypeptide)o多肽是鏈狀化合物,故稱多肽鏈(polypeptidechain)o多肽鏈中的氨

基酸分子因脫水縮合而基團不全，故稱為氨基酸殘基(residue)。多肽鏈中形成肽鍵的4

個原子和兩側的a-碳原子成為多肽鏈的骨架或主鏈。構成多肽鏈骨架或主鏈的原子稱為主

鏈原子或骨架原子，而余下的R基團部分，稱為側鏈。多肽鏈的左端有自由氨基稱為氨基末

端(aminoterminal)或N-端,右端有自由竣基稱為較基末端(carboxy1terminal)或C-

端。把具有51個氨基酸殘基、分子量為5733的胰島素稱作蛋白質。這似乎是習慣上的多肽

與蛋白質的分界線。

㈡生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH是由谷、半胱和甘氨酸構成的三肽。第一種肽鍵與一

般不一樣，由谷氨酸丫-段基與半胱氨酸的氨基構成，分子中半胱氨酸的疏基是該化合物的

重要功能基團。

2.多肽類激素及神經肽

第二節蛋白質的分子構造

MolecularStructureofProtein

人體的蛋白質分子是由20種氨基酸借肽鍵相連形成的生物大分子。每種蛋白質均有其一定

的氨基酸構成及氨基酸排列次序，以及肽鏈特定的空間排布。從而體現了蛋白質的特性，是

每種蛋白質具有獨特生理功能的構造基礎。蛋白質分子杓造提成一級構造、二級構造、三級

構造、四級構造4個層次，后三者統稱為空間構造、高級構造或空間構象

(conformation)o蛋白質的空間構造涵蓋了蛋白質分子中的每一原子在三維空間的相對位

置，它們是蛋白質特有性質和功能的構造基礎。由一條肽鏈形成的蛋白質只有一級構造、二

級構造和三級構造，由二條或二條以上肽鏈形成的蛋白質才也許有四級構造。

一、蛋白質的一級構造

蛋白質中氨基酸的排列次序稱為蛋白質的一級構造(primalstructure),＞肽鍵是一級構

造的重要化學鍵。有些蛋白質還包括二硫鍵，即由兩個半胱氨酸琉基脫氫氧化而成。

目前已知?級構造的蛋白質數量已相稱可觀，并且還以更快的速度增長。國際互聯網有若干

重要的蛋白質數據庫(updatedproteindatabases),搜集了大量最新的蛋白質一級構造

及其他資料，為蛋白質構造與功能的深入研究提供了便利。

二、蛋白質的二級構造

蛋白質的二級構造(secandarystructure)是指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間構

造，也就是該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置。不波及氨基酸殘基側鏈的構象。蛋白質

的二級構造重要包括a-螺旋、B-折疊、轉角和無規卷曲。

(-)肽單元

構成肽鍵的4個原子和與其相鄰的兩個a碳原子(Ca)構成一種肽單元(peptide

unit)o由于參與肽單元的6個原子----Cal、C、0、N、H、Ca2位于同一平面，故又稱

為肽平面。

(―)a-螺旋

a-螺旋(a-helix)：蛋白質分子中多種肽單元通過氨基酸a-碳原子的旋轉，使多肽鏈的

主鏈圍繞中心軸呈有規律的螺旋上升，回旋成穩定的螺旋構象。a螺旋*氫鍵維持。若氫

鍵破壞，則a-螺旋構象即遭破壞。

(三)B-折疊(B-pleatedsheet)

每個肽單元以Ca為旋轉點，依次折疊成裾齒狀構造，氨基酸殘基側鏈交替地位于鋸齒狀

構造的上下方，氫鍵是維持折疊構造的重要次級鍵。

(四)轉角(B-turn)和無規卷曲(randomcoil)

轉角伸展的肽徒形成180°回折，即U形轉角構造。無規卷曲系指沒有確定規律性的那

部分肽鏈構象。

(五)模體(motif)

在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級構造的肽段，在空間上互相靠近，形成一

種特殊的空間構象，被稱為模體。?種模序總有其特性性的氨基酸序列，并發揮特殊的功

能。如在許多鈣結合蛋白分子中一般有一種結合鈣離子的模序。它由a-螺旋-環-a-螺旋三

個肽段構成。鋅指構造(zincfinger)也是一種常見的模體例子。此模體由1個a-螺旋和2

個反平行的B-折疊三個肽段構成。由于Zn2+可穩固模體中a-螺旋構造，致使此a-螺旋能

鑲嵌于DNA的大溝中，因比含鋅指構造的蛋白質都能與DNA或RNA結合?？梢娔ｓw的特性性

空間構象是其特殊功能的構造基礎。

(六)氨基酸殘基的側鏈對二級構造形成的影響

蛋白質二級構造是以一級閡造為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成a-螺旋或

B-折疊，它就會出現對應的二級構造。

三、蛋白質的三級構造

(一)蛋白質的三級構造(tertiarystructure)是指整條肽鏈中所有氨基酸殘基的相對空間

位置，也就是整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。

例:Mb(肌紅蛋白)是由153個氨基酸殘基構成的單條肽鏈的蛋白質，具有1個血紅素輔

基?？蛇M行可逆的氧合和脫氧。

蛋白質三級構造的形成和穩定重要*次級鍵一一疏水鍵、離子鍵(鹽鍵)、氫鍵和Vander

Waals力等。疏水性氨基酸的側鏈R基為疏水基團，有避開水，互相匯集而藏于蛋白質分子

內部的自然趨勢，這種結合力叫疏水鍵。

(二)構造域

分子量大的蛋白質三級構造?？煞指畛?個和數個球狀或纖維狀的區域，折疊得較為緊密，

各行其功能，稱為構造域(domain)。如纖連蛋白(fibronectin),它由二條多肽鏈通過近5

端的兩個二硫鍵相連而成，具有6個構造域，各個構造域分別執行一種功能，有可與細胞、

膠原、DNA和肝素等配體結合的構造域。

(三)分子伴侶

除一級構造為決定原因外，蛋白質空間構象的對的形成還需要一類稱為分子伴侶(chaperon)

的蛋白質參與。分子伴侶通過提供一種保護環境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級

構造。分子伴侶廣泛地存在于從細菌到人的生物體中，其中有很大一部分被稱之為熱休克蛋

白(heatshockprotein)。

四、蛋白質的四級構造

在體內有許多蛋白質分子具有二條或多條多肽鏈，才能全面地執行功能。每?條多肽鋌均有

其完整的三級構造，稱為蛋白質的亞基(subunit),這種蛋白質分子中各個亞基的空間排

布及亞基接觸部位的布局和互相作用，稱為蛋白質的四級構造(quaternarystructure)o

在四級構造中，各個亞基間的結合力重要是氫鍵和離子鍵維持四級構造。具有四級構造的蛋

白質，單獨的亞基一般沒有生物學功能，只有完整的四級構造寡聚體才有生物學功能。亞基

分子構造相似，稱之為同二聚體(homodimer),若亞基分子構造不一樣，則稱之為異二聚體

(heterodimer)。血紅蛋白(hemoglobin,Hb)是由2個a亞基和2個B亞基構成的四聚體,兩

種亞基的三級構造頗為相似，且每個亞基都結合有1個血紅素(heme)輔基。

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第2樓

五、蛋白質的分類

(一)根據蛋白質構成成分可提成單純蛋白質和結合蛋白質，單純蛋白質只含氨基酸；結合

蛋白質，除蛋白質部分外，還具有非蛋白質部分，為蛋白質的生物活性或代謝所依賴。結合

蛋白質中的非蛋白質部分被稱為輔基，絕大部分輔基通過共價鍵方式與蛋白質部分相連。輔

基的種類也很廣，常見的有色素化合物、其糖、脂類、磷酸、金屬離子甚至分子量較大的核

酸。

(二)蛋白質還可根據其形狀分為纖維狀蛋白質和球狀登白質兩大類。

第三節蛋白質的構造與功能的關系

RelationshipofProteinStructureandFunction

一、蛋白質的一級構造與功能的關系

(一)蛋白質的一級構造是空間構象的基礎

Anfinsen在研究核糖核酸酶時已發現，蛋白質的功能與其三級構造親密有關，而特定三級

構造是以氨基酸次序為基礎的。核糖核酸酶是由124個氨基酸殘基構成的一條多肽鏈，分子

中8個半胱氨酸的疏基構成四對二硫鍵(Cys26和Cys84,Cys40和Cys95,Cys58和CysllO,

Cys65和Cys72)(圖1T7A)。進而形成具有?定空間構象的球狀蛋白質。用變性劑和還原劑

疏基乙醇處理該的溶液，分別破壞一硫鍵和次級鍵，使其空間構造被破壞。但肽鍵不受

影響，一級構造仍保持完整，酶變性失去活性。如用透析措施除去尿素和B-疏基乙醵后，

核糖核酸前又從無序的多肽鏈卷波折疊成天然睡的空間構造，陋從變性狀態復性，陋的活性

又恢復至本來水平。這充足證明，只要其一級構造未被破壞，就也許恢復本來的三級構造，

功能仍然存在，因此多肽性中氨基酸的排列次序是蛋白質空間構造的基礎。

(二)一級構造與功能的關系

己經有大量的試驗成果證明，?級構造相似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功能也相似。

例如不一樣哺乳類動物的胰島素分子構造都由A和B兩關鏈構成，且二硫鍵的配對和空間構

象也極相似，它們都執行著相似的調整糖代謝等的生理功能。

又例如垂體前葉分泌的促腎上腺皮質激素(ACTH)和促黑激素(a-MSB,B-MSH)共有一段相似

的氨基酸序列，因此，ACTH也可增進皮下黑色素生成，但作用較弱。

又例存在于生物界的蛋白質如細胞色素C(cytochromcC),比較它們的一級構造，可以協助

理解物種進化間的關系。

但有時蛋白質分子中起“關鍵”作用的氨基酸殘基缺失或被替代，都會嚴重影響空間構象乃

至生理功能，甚至導致疾病產生。例如正常人血紅蛋白B亞基的第6位氨基酸是谷氨酸，而

鐮刀形貧血患者的血紅蛋白中，谷氨酸變成了綴氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，僅

此一種氨基酸之差，本是水溶性的血紅蛋白，就匯集成絲，互相粘著，導致紅細胞變形成為

鐮刀狀而極易破碎,產生鑲刀形紅細胞性貧血(sicklecellanemia)。這種由蛋白質分子

發生變異所導致的疾病，被稱之為“分子病”，其病由于基因突變所致。

二、蛋白質空間構造與功能的關系

體內蛋白質所具有的特定空間構象都與其發揮特殊的生理功能有著親密的關系。

（一）肌紅蛋白和血紅蛋白構造

肌紅蛋白（myoglubin,Mb）與血紅蛋白都是具有血紅素輔基的蛋白質。血紅素是鐵H卜咻化合

物，它由4個毗咯環通過4個甲塊基相連成為一種環形，Fe2+居于環中。從X線衍射法分

析獲得的肌紅蛋白的三維構造中，可見它是一種只有三級構造的單鏈蛋白質，氨基酸殘基上

的疏水側鏈大都在分子內部，富極性及電荷的則在分子表面，因此其水溶性很好。Mb分子

內部有一種袋形空穴，血紅素居于其中。

血紅蛋白（hemoglubin,Hh）具有四個亞基構成的四級構造，每個亞基構造中間有一種疏水局

部，可結合1個血紅素并攜帶1分子氧，因此一分子Hb共結合4分子氧。成年人紅組胞中

的Hb重要由兩條a肽鏈和兩條B肽鏈（a2B2）構成，a鏈含141個氨基酸殘基，B鏈含

146個氨基酸殘基。胎兒期重要為a2丫2,胚胎期為a2c2。lib各亞基的三級構造與Mb極

為相似。Hb亞基之間通過8對鹽鍵，使四個亞基緊密結合而形成親水的球狀蛋白。

（二）血紅蛋白的構象變化與結合氧

Hb與Mb同樣可逆地與（）2結合，氧合Hb占總Hb的百分數（稱百分飽和度）隨02濃度變化而

變化。圖1-22為Hb和Mb的氧解離曲線，前者為S狀曲線,后者為直角雙曲線。可見,Mb

易與02結合，而11b與02的結合在02分壓較低時較難。為何？根據S形曲線的特性可知，

Hb中第?種亞基與02結合后來，增進第二及第三個亞基與02的結合，目前三個亞基與02

結合后，又大大增進第四個亞基與02結合，這種效應稱為正協同效應（positive

cooperativity）。協同效應的定義是指一種亞基與其配體（Hb中的配體為02）結合后，能影

響此寡聚體中另一亞基與配體的結合能力。假如是增進作用則稱為正協同效應；反之則為負

協同效應。還可根據Perutz等運用X線衍射技術分析Hb和氯合Hb結晶的三維構造圖譜，

提出理解釋02與Hb結合的正協同效應的理論。未結合02時，Hb的a1/81和a2/B2呈

對角排列，構造較為緊密，稱為緊張態（lensestate,T態），T態Hb與02的親和力小。伴

隨02的結合，4個亞基短基末端之間的鹽鍵斷裂，其二級、三級和四級構造也發生變化，

使al/Bl和a2/B2的長軸形成15。的夾角，構造顯得相對松弛，稱為松弛態（relaxed

state,R態）。Hb氧合與脫氧時T態和R態互相轉換的乜許方式有多種。此種一種氧分子與

Hb亞基結合后引起亞基構象變化，稱為變構效應（allostericeffect）o小分子02稱為變

構劑或效應劑，Hb則被稱為變構蛋白。變構效應具有普遍生物學意義。

（三）蛋白質構象變化與疾病

若蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其一級構造不變，但蛋白質的構象發生變化，仍可影響其功

能，嚴重時可導致疾病發生，有人將此類疾病稱為蛋白構象疾病。有些蛋白質錯折疊后互相

匯集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產生毒性而致病，體現為蛋白質淀粉樣纖維

沉淀的病理變化，此類疾病包括人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨丁頓舞蹈病

（Huntingtondisease）、瘋牛病等。

第四節蛋白質的理化性質及其分離純化

TheCharactersofProteinanditsPurification

一、蛋白質的理化性質

（-）蛋白質的兩性電離

蛋白質是由氨基酸構成，其分子末端除有自由的a-NH2和a-COOH外，許多氨基酸殘基的側

鏈上尚有可解離的基因，這些基團在溶液?定pH條件下可以解離成帶負電荷或正電荷的基

團。當蛋白質溶液在某一pH時，蛋白質解離成正負離子的趨勢相等，即成兼性離子，凈電

荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點（isoelectricpoint,PI）o蛋白質溶液的pH

不小于等電點時，該蛋白質顆粒帶負電荷，不不小于等電點時則帶正電荷。

（二）蛋白質的膠體性質

蛋白質是生物大分子，分子量可自1萬至100萬之巨，其分子的直徑可達1?lOOnm,為膠

粒范圍之內。

（三）蛋白質的變性、沉淀和凝固

在某些物理和化學原因作用下，蛀特定的空間構象被破壞，也即有序的空間構造變成無序的

空間構造，從而導致其理化性質的變化和生物活性的喪失，稱為蛋白質的變性

（denaturation）。

1.蛋白質變性的特性：蛋白質變性的重要特性是生物活性喪失。

2.蛋白質變性的本質：一般認為蛋白質的變性重要發生二硫鍵和非共價鍵的破壞，蛋白質

變性是蛋白質空間構象的變化或破壞，不波及一級構造中氨基酸序列的變化。

3.蛋白質變性的意義：在臨床醫學上，變性原因常被應用來消毒及滅菌。此外，防止蛋白

質變性也是有效保留蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。

4.若蛋白質變性程度較輕，清除變性原因后，有些蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構

象和功能，稱為復性（rcnaturation）。不過許多蛋白質變性后，空間構象嚴重被破壞，不能

復原，稱為不可逆性變性。

5.蛋白質經強酸、強堿作用發生變性后，仍能溶解于強酸或強堿溶液中，若將pH調至等電

點，則變性蛋白質立即結成絮狀的不溶解物，此絮狀物仍可溶解于強酸和強堿中。如再加熱

則絮狀物可變成比較結實的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中，這種現象稱為蛋白質的

凝固作用（proteincoagulation）<,

（四）蛋白質的紫外吸取

蛋白質在280nm波長處有特性性的紫外吸取，可作蛋白質定量測定。

（五）蛋白質的呈色反應

1.即三酮反應（ninhydrinreaction）蛋白質經水解后產生的氨基酸也可發生即三酮反應，

詳見本章第一節。

2.雙縮腺反應（biuretreaction）蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，展

現紫色或紅色，稱為雙縮脈反應。氨基酸不出現此反應。

二、蛋白質的分離和純化

（-）透析及超濾法

（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀

（三）電泳

（四）層析

（五）分子篩

（六）超速離心

小結

Summary

蛋白質是重要的生物大分子，在體內分布廣泛，含量豐富，種類繁多。每一種蛋白質均有其

特定的空間構象和生物學功能。

構成蛋白質的基本單位為L-a-氨基酸，共有20種，可分為非極性疏水性氨基酸、極性中

性氨基酸、酸性氨基酸和減性氨基酸四類。氨基酸屬于兩性電解質，在溶液的pH等于其pl

時，氨基酸呈兼性離子。氨基酸可通過肽鍵相連而成肽。不不小于10個氨基酸構成的肽稱

為寡肽，不小于10個則稱為多肽。體內存在許多如GSH、促甲狀腺釋放激素和神經肽等重

要的生物活性肽。

復雜的蛋白質構造可提成一級、二級、三級和四級構造四個層次。蛋白質一級構造是指蛋白

質分子中氨基酸自N端至C端的排列次序，即氨基酸序列，其連接鍵為肽鍵，還包括二硫鍵

的位置。形成肽鍵的6個原子處在同一平面，構成了所謂的肽單元。二級構造是指蛋白質主

鏈局部的空間構造，不波及氨基酸殘基側鏈構象。重要為a-螺旋、B-折疊、B-轉角和無

規卷曲，以氫鍵維持其穩定性,在蛋白質分子中，空間上互相鄰近的二個或三個具有二級構

造的肽段，完畢特定的生物學功能，稱之為模體。三級構造是指多肽鏈主鏈和側鏈的所有原

子的空間排布位置。三級閡造的形成和穩定重要*次級鍵。某些蛋白質的三級構造可形成1

個或數個球狀或纖維狀的區域，各行其功能，稱為構造域。四級構造是指蛋白質亞基之間的

締合，也重要*次級鍵維系。根據蛋白質的形狀，可提成球狀蛋白質和纖維狀蛋白質。根據

構成成分，還可提成單純蛋白質和結合蛋白質，前者僅具有氨基酸，后者除氨基酸外，還具

有非蛋白質的輔基成分。

一級構造是空間構象的基礎，也是功能的基礎。一級構造相似的蛋白質，其空間構象及功能

也相近。若蛋白質的一級構造發生變化則影響其正常功能，由此引起的疾病稱為分子病。

生物體內蛋白質的合成、加工和成熟是一種復雜的過程，其中多肽鏈的對.的折疊對其對的構

象形成和功能發揮至關重要。蛋白質折疊成對的的空間構象過程，除一級構造是其決定原因

外，還需要分子伴侶參與。若蛋白質的折疊發生錯誤，盡管其一級構造不變，但蛋白質的構

象發生變化，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發生，有人將此類疾病稱為蛋白構象疾

病。

蛋白質空間構象與功能有著親密關系。血紅蛋白亞基與02結合可引起另一亞基構象變化，

使之更易與02結合，因此血紅蛋白的氧解離曲線呈S型。這種變構效應是蛋白質中普遍存

在的功能調整方式之一。蛋白質的空間構象發生變化，可導致其理化性質變化和生物活性的

喪失，稱之為蛋白質變性。蛋白質發生變性后，只要其一級構造未遭破壞，仍可在一定條件

下發性，恢復原有的空間構象和功能。

分離、純化蛋白質是研究單個蛋白質構造與功能的先決務件。一般運用蛋白質的理化性質，

采用不損傷蛋白質構造和功能的物理措施來純化蛋白質。常用的技術有電泳法、層析法、超

速離心法等。

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第3樓

概述

Introduction

核酸(nucleicacid)是以核俘酸為基本構成單位的生物信息大分子。核酸可以分為脫氧核

糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)和核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)兩大類。

第一節核酸的化學構成及一級構造

Chemicalconstitutionandprimaryconstructionofnucleicacid

核酸的基本構成單位是核甘酸(nucleotide),而核甘酸則由堿基、戊糖和磷酸三種成分連

接而成。DNA的基本構成單位是脫氧核糖核甘酸(deoxyribonuc1eotide或

dcoxynuclootide),RNA的基本構成單位是核糖核芯酸(ribonucleotide)。

一、核甘酸的構造

(一)堿基的種類：構成核甘酸的五種堿基(base)分別屬于喋吟(purine)和喀咤

(pyrimidine)兩類含氮雜環化合物(見圖2-1)。DNA分子中的堿基成分為A、G、C和T

四種；而RNA分子則重要由A、G、C和U四種堿基構成。

圖2T參與構成核酸的重要堿基

(二)戊糖與核甘：是核甘酸的另一重要成分。脫氧核糖核甘酸中的戊糖是b-D-2■脫氧

核糖；核糖核甘酸中的戊糖為b-D-核糖。這一構造上的差異使得DNA分子較RNA分子在

化學上更為穩定，從而被自然選擇作為生物遺傳信息的儲存載體。為區別于堿基中的碳原子

編號，核糖或脫氧核糖中的碳原子標以C-l´、C-2´(圖2-2)等。

堿基和核糖或脫氧核糖通過糖行健(glycosidicbond)縮合形成核昔或脫氧核甘，連接位

置是C-l&acule;。DNA和RNA中的核昔構成及其中英文對照見表2-1。

(三)核昔與磷酸通過酯鍵結合即構成核昔酸或脫氧核昔酸。生物體內多數核甘酸都是

5´核甘酸，即磷酸基團位于核糖的第五位碳原子C-5&acuto;上(圖2?3)。根據磷

酸基團的數目不一樣，有核甘一磷酸(nucleosidemonophosphate,NMP)、核甘二磷酸

(nucleosidediphosphate,NDP)、核昔三磷酸(nucleosideti'iphosphate,NTP)的命

名方式；根據堿基成分的不一樣，有AMP(adenosinemonophosphate)、ADP(adenosine

diphosphate)、ATP(adenosinetriphosphate)等命名。

圖2-2核糖和核首

(四)核甘酸除了構成核酸大分子以外，還參與多種物質代謝的調控和多種蛋白質功能的調

整。例如ATP和UTP在能量代謝中均為重要的底物或中間產物；環腺甘酸(cyclicAMP,

cAMP)和環鳥甘酸(cyclicGMP,cGMP)等則在細胞信號轉導過程中具有重要調控作用。

圖2-3不一樣類型核甘酸的構造

二、核酸的一級構造

(一)定義:核酸的一級構造是指DNA和RNA分子中核甘酸的排列次序，也稱核甘酸序列。由

于核酸分子中不一樣核昔酸之間的差異僅在于堿基的不一樣，因此也稱為堿基序列。

(二)連接方式：磷酸二酯鍵。四種脫氧核甘酸按照一定的排列次序以化學鍵：3',5,磷酸

二酯鍵(phosphodiesterlinkage)相連形成的多聚脫氧核甘酸(polydeoxynucleotides)

鏈稱為DNA。多聚核甘酸(polynucleotides)鏈則稱為RNA。這些脫氧核甘酸或核甘酸的連

接具有嚴格的方向性，由前一位核甘酸的3´-OH與下一位核甘酸的5´位磷酸

基之間形成3´,5´磷酸二酯鍵，從而構成一種沒有分支的線性大分子（圖2-

4）o它們的兩個末端分別稱為5&acule;末端（游離磷酸基）和3&acule;末端（游離羥

基）。書寫規則應從5&ac」te;末端到3´末端。（見六版教材圖2-4）

圖2-4DNA的一級構造及其書寫方式

（三）DNA和RNA一級構造的差異：

RNA是生物體內另一大類核酸,它與DNA的差異是：①構成它的核俘酸的戊糖不是脫氧核

糖而是核糖；②RNA中的啼嚏成分為胞喘噓和尿喀呢，而不具有胸腺喀啜，因此構成RNA

的基本四種核甘酸是AMP、GMP、CMP和UMP,其中U替代了DNA中的T。

DNA和RNA對遺傳信息的攜帶和傳遞，是依東堿基排列次序變化而實現的。

第二節DNA的空間構造與功能

SpacestructureandfunctionofDNA

一、DNA的二級構造一一雙螺旋構造模型

（一）雙螺旋構造的研究背景

1.堿基構成的Chargaff規則：①A=T,C=G；②不一樣種屬的DNA堿基構成不一樣；③同一

種體不一樣器官、不一樣組織的DNA具有相似的堿基構成。

2.DNA纖維的X線圖譜分析顯示DNA是螺旋型分子，且為雙鏈分子。

3.RosalindFranklin獲得了高質量的DNA的X線衍射照片，顯示出DM是螺旋形分子，

并且從密度上提醒DNA是雙鏈分子。1953年Watson和Crick總結前人的研究成果，提出了

DNA的雙螺旋構造模型。

（二）DNA雙螺旋構造模型的要點

1.DNA是一反向平行的互補雙鏈構造：DNA分子是由兩條反向平行的脫氯多核甘酸鏈構

成，一條鏈的走向是5,一3',另一條鏈的走向是3,~>5'。在DNA雙鏈構造中，外側是

由親水的脫氧核糖基和磷酸基構成的骨架，內側是堿基，兩條鏈的堿基之間以氫鍵結合即A

與T配對；C與G配對。兩個配對的堿基構造幾乎在一種平面上，并且此平面與線性分子的

長軸相垂直（圖2-5）。

2.DNA是右手螺旋構造DNA線性長分子通過初始的折疊形成一種右手螺旋式構造，螟旋直

徑為2nm,螺旋一周包括了10對堿基，螺距為3.4nm。外觀上，DNA雙螺旋分子存在一種大

溝和一種小溝，此溝狀構造也許與蛋白質和DNA間的識別有關（圖2-5）。

圖2-5DNA雙螺旋構造示意圖

3.疏水力和氫鍵維系DNA雙螺旋構造的穩定DNA雙螺旋構造的穩定性橫向*兩條鏈間互補

堿基的氫鍵維系，縱向則*堿基平面間的疏水性堆積力維持，由后來者更為重要。

（三）DNA構造的多樣性

不一樣的環境條件下，DNA的構造不一樣，自然界存在的DNA有：

B-DNA右手螺旋（Watson-Crick模型構造）

Z-DNA左手螺旋

A-DNA右手螺旋

體內不一樣構象的DNA在功能上有所差異，也許參與基因體現的調整和控制。（見六版教材

圖2-6）

圖2-6不一樣類型的DNA雙螺旋構造

二、DNA的超螺旋構造及其在染色質中的組裝

DNA是十分巨大的信息高分子，DNA的長度規定其必須形成緊密折疊扭轉的方式才可以存在

于很小的細胞核內。

(―)DNA的超螺旋構造

DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋構造(superhelix或supercoil)。盤繞方向與DNA雙螺

旋方同相似為正超螺旋(positivesupercoi1)；盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反則為負超

螺旋(negativesupercoil),＞自然界的閉合雙鏈DNA重要是以負超螺旋形式存在。

(二)原核生物DNA的高級構造

絕大部分原核生物的DNA都是共價封閉的環狀雙螺旋分子。在細胞內深入盤繞，并形成類核

(nucleoid)構造，以保證其以較致密的形式存在于細胞內。在細菌基因組中，超螺旋可以

互相獨立存在，形成超螺旋區(圖2-7),各區域間的DNA可以有不一樣程度的超期旋構

造。

圖2-7環狀DNA的超螺旋構造示

(三)DNA在真核生物細胞核內的組裝

在真核生物，DNA以非常致密的形式存在于細胞核內。在細胞周期的大部分時間里以分散存

在的染色質(chromatin)形式出現，在細胞分裂期形成高度組織有序的染色體

(chromosome)染色質的基本構成單位被稱為核小體(nucleosome),由DNA和5種組蛋白

(histone,H)共同構成。核小體中的組蛋白分別稱為Hl,H2A,H2B,H3和H4。各兩分子

的H2A,H2B,H3和H4共司構成八聚體的關鍵組蛋白，DMA雙螺旋鏈纏繞在這一關鍵上形成

核小體的美鍵顆粒(coreparticle)o核小體的關鍵顆粒之間再由DNA(約60bp)和組蛋

白H1構成的連接區連接起來形成串珠樣的構造(圖2-8)。

圖2?8核小體的構造示意圖

核小體是DNA在核內形成致密構造的第一層次折疊，使得DNA的整體體積減少約6倍。第二

層次的折疊是核小體卷曲(每周6個核小體)形成直徑30nm＞在染色質和間期染色體中都

可以見到的纖維狀構造和番狀構造，DNA的致密程度增長約40倍。第三層次的折疊是30nm

纖維再折疊形成柱狀構造，致密程度增長約1000倍，在分裂期染色體中增長約1000C倍，

從而將約1米長的DNA分子壓縮，容納于直徑只有數微米的細胞核中(圖2-9)。

圖2-9DNA在染色質中的組裝

人類的基因組2.8X109bp

DNA的構造特點是具有高度的復雜性和穩定性，可以滿足遺傳多樣性和穩定性的需要。

第三節RNA的空間構造與功能

Spacestructureandfur.ctionofRNA

RNA在生命活動中同樣具有重要作用。它和蛋白質共同負責基因的體現和體現過程的調控。

RNA分子遠不不小于DNA分子，分子大小的差異變化大，小的僅有數十個核甘酸，大的由數

千個核昔酸構成。

RNA分子一般以單鏈形式存在，局部有二級構造或三級構造。

RNA的種類具有多樣性，同步RNA的功能也是多樣性的。(表2—2)

表2-2動物細胞內重要RNA的種類及功能

一、信使RNA(messengerRNA,mRNA)的構造與功能

mRNA的長短差異很大，半期最短，由幾分鐘到數小時不等，在細胞核內合成的mRNA初級產

物比成熟的mRNA分子大得多，此種初級產物稱為不均一RNA(heterogeneousnuclear

RNA,hnRNA),通過剪接成為成熟的mRNA并移位至細胞質。

圖2-10真核細胞mRNA的構造示意圖

構造特點：

1.5'端具有帽子構造：大多數真核生物的mRNA在轉錄后5´-末端以7-甲基鳥喋

吟-三磷酸鳥背為起始構造，這種m7GpppN構造被稱為帽構造(capsequence)o5´

-帽構造是由鳥甘酸轉移酶加到轉錄后的mRNA分子上的，與mRNA中所有其他核甘酸呈相反

方向。帽構造中的鳥甘酸及相鄰的A或G都可以發生甲基化，由于甲基化位置的差異可產生

數種不一樣的帽構造。

mRNA的帽構造可以與一類稱為帽結合蛋白(capbindingproteins,CBPs)的分子結合。

這種mRNA和CBPs復合物對于mRNA從細胞核向細胞質的轉運、與核蛋白體的結合、與翻譯

起始因子的結合、以及mRNA穩定性的維系等均有重要作用。

2.3'末端有polyA尾巴：直核生物mRNA3'末端有數十至一百多種腺甘酸連接而成，稱

為多聚A尾［poly(A)］。。poly(A)構造也是在mRNA轉錄完畢后來額外加入的，催化這一

反應的酶為poly(A)轉移酶。poly(A)在細胞內與poly(的結合蛋白(poly(A)-binding

protein,PABP)相結合而存在。這種3´-末端多聚A尾構造和5´一帽構造共

同負責mRNA從核內向胞質的轉位、mRNA的穩定性維系以及翻譯起始的調控。清除多聚A尾

和帽構造是細胞內mRNA降解的重要環節。

3.mRNA的功能：是轉錄核內DNA遺傳信息的堿基排列次序，并攜帶至細胞質，指導蛋白質

合成中的氨基酸排列次序。mRNA分子從5´-末端的AUG開始，每3個核昔酸為一

組，決定肽鏈上一種氨基酸，稱為三聯體密碼(tripletcode)或密碼子(codon)。

二、轉運RNA(transferRNA,IRNA)的構造與功能

細胞內分子量最小的?類核酸，由74到95個核甘酸構成。

1.構造特點：

(1)tRNA分子中具有10$一20%的稀有堿基如：雙氫尿嚅噓(DUH)、假尿喘噬(力，

pseudouridinc)、甲基化的喋吟(mG,mA)

(2)tRNA能形成莖環構造：構成tRNA的幾十個核甘酸中存在著某曲能局部互補配對的區

域，可以形成局部的雙鏈。這些局部雙鏈呈莖狀，中間不能配對的部分則膨出形成環或禊狀

構造，稱為莖環(slem-hop)構造或發夾構造。由于這些莖環構造的存在，使得IRNA整個

分子的形狀類似于三葉草形(cloverleafpattern)o此構造稱為三葉草構造。

(3)tRNA分子末端有氨基酸接納莖：所育tRNA的3&acut。;端的最終3個核甘酸序歹J均為

CCA,是氨基酸的結合部位，稱為氨基酸接納莖(acceptorstem)o

(4)tRNA序列中有反密碼子：每個tRNA分子中均有3個堿基與mRNA上編碼對應氨基酸的

密碼子具有堿基反向互補關系，可以配對結合，這3個堿基被稱為反密碼子

(anticodon),位于反密碼環內&

tRNA的三級構造：X射線衍射構造分析表明，IRNA的共同三級構造是倒L型。(圖2-

11b)

圖2-11tRNA的構造示意圖

2.tRNA的功能：在蛋白質合成過程中作為氨基酸的載體并將其轉呈給mRNA

三、核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)的構造與功能

核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)是細胞內含量最多的RNA,約占RNA總量的80%以

上。rRNA與核蛋白體蛋白(ribosomalprotein)共同構成核蛋白體或稱為核糖體

(ribosome)。原核生物和真核生物的核蛋白體均由易于解聚的大、小兩個亞基構成。

原核生物的rRNA共有5S,16S,23S三種；而真核生物的rRNA有18S,5S,5.8S,28S四

利它們分別與蛋白質?起構成核蛋白體的大亞基和小亞基，然后由大小亞基共同構成核蛋

白體完畢其功能。真核生物的18srRNA的二級構導致花狀(圖2-12)

圖272真核生物18srRNA的二級構造示意圖

rRNA的功能：rRNA與核蛋白體蛋白共同構成核蛋白體，為蛋白質的合成提供場所。

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四、其他小分子RNA及RNA組學

除了上述三種RNA外，細胞的不一樣部位還存在著許多其他種類的小分子RNA,這些小RW

被統稱為非mRNA小RNAIsmailnon-messengerRNA,snmRNAs)。有關snmRNAs的研究近

年來受到廣泛重視，并由比產生了RNA組學(RNomics)的概念。

SnmRNAs重要包括核內小RNA(smallnuclearRNA,snRNA)、核仁小RNA(small

nucleolarRNA,snoRNA)、胞質小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)、催化性小RNA

(smallcatalyticRNA)、小片段干擾RNA(smallinterferingRNA,siRNA)等。這些

小RNA在hnRNA和rRNA的轉錄后加工、轉運以及基因體現過程的調控等方面具有非常重要

的生理作用

核酹：某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修飾中具有重要

作用。這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic

RNA)o

小片段干擾RNA：近年siRNA的研究受到了尤其關注。siRNA是生物宿主對于外源侵入的基

因所體現的雙鏈RNA進行切割所產生的、具有特定長度(21個核甘酸)和序列的小片段

RNA。它可以與外源基因體現的mRNA相結合，并誘發這些mRNA的降解。

第四節核酸的理化性質

Phisicochemicalpropertyofnucleicacid

一、核酸的一般理化性質：

1.核酸是多元酸，有較強的酸性

2.DNA是線性高分子，機械作用下易發生斷裂，而RNA分子遠不不小于DNA

3.DNA粘度較大，而RNA的粘度要小得多

4.DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸取峰(圖2-13),因此可進行定量分析。

圖2-13幾種堿基的紫外吸取光譜圖

二、DNA的變性：

1.變性：在某些理化原因作用下，DNA分子互補堿基對之間的氫鍵斷裂，使DNA雙螟旋構

造松散，變成單鏈，即為變性。DNA變性只變化其二級構造，不變化它的核甘酸排列。

變性的措施：強酸、強堿、加熱以及變性試劑(如尿素、乙醇、丙酮等)

變性的本質：雙鏈間氫鍵的斷裂，即空間構造的破壞，不波及一級構造的變化。

理化原因的變化：A260的值增長、粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、酸堿滴定曲線

變化、生物活性喪失

2.增色效應(hyperchroniceffect)：在DNA解鏈過程中，由于更多的共挽雙鍵得以暴

露，DNA在紫外區260nm處的吸光值增長，并與解鏈程度有一定的比例關系，這種關系稱

為DNA的增色效應(hyperchromiceffect)o(可通過測A260的變化來監測DNA與否發生

變性)

3.解鏈曲線：在持續加熱DNA的過程中以溫度對A260的關系作圖，所得的曲線稱為解鏈曲

線(圖2?14)。

圖2T4DNA的解鏈曲線

從曲線中可以看出，DW的變性從開始解鏈到完全解鏈，是在?種相稱窄的溫度內完畢的。

在這一范圍內，紫外光吸取值到達最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度(molting

temperature,Tm)又稱融解溫度。

4.Tm值：核酸分子內的30%雙鏈構造被解開時的溫度

Tm值的大小與堿基中的G+C比例有關，G+C比例越高，Tm值越大。

計算公式為：Tm=4(G+C)+2(A+T)

三、DNA的復性與分子雜交

1.復性：變性的DNA分子在合適條件下，兩條互補鏈可重新恢豆天然的雙螺旋構象,稱為復

性。DNA的復性速度受溫度的影響，只有溫度緩慢下降才可使其重新配對復性。一般認為，

比Tm低25C的溫度是DNA復性的最佳條件。

2.退火(annealing)：熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性,此過程稱為退火。

注意：DNA受熱變性后，溫度緩慢冷卻才能復性,如迅速冷卻至如下，則幾乎不能及性。

一般認為，比Tm值低25℃的溫度是DNA復性的最佳條件。

3.分子雜交(hybridization)：在DNA復性過程中，不一樣來源的DNA單鏈分子或者

DNA和RNA分子之間，序列完全互補或者不完全互補的兩個單鏈核酸分子之間能形成雙鏈，

這種現象稱為分子雜交。(見六版教材圖2T5)

圖2-15核酸分子雜交原理示意圖

第五節核酸酶

nucleases

一、核酸酶(nucleases)是指所有可以水解核酸的酶。常用于DNA重組技術中。

二、分類：

1.按作用的底物分:DNA酶(DNase)和RNA酶(RNase)

2.按作用的部位分：

核酸外切酶：作用于多核甘酸鏈的5'末端或3'末端（5’末端外切酶和3'末端外切酶）

核酸內切酶：作用于多核甘酸鏈的內部，如有嚴格的序列依賴性則稱為限制性核酸內切酶。

核酸的底物是核酸，因此從功能上來講也屬于核酸內切醛，且為序列特異性的核酸內切的.

人工合成的寡聚脫氧核甘酸片段也具有序列特異性降解RNA的作用，稱為催化性DNA

（DNAzyme）0催化性DNA與催化性RNA相比，具有更好的化學穩定性和生物學穩定性，在

疾病治療方面的將有更好的前景。尚未發現天然的催化性DNA的存在。

小結

Summary

核酸是以核甘酸為構成單位的線性多聚生物信息分子，分為DNA和RNA兩大類。DNA由脫氧

核糖核昔酸連接而形成，RNA的基本構成單位則是核糖核甘酸。DNA分了?中的脫氧核糖核首

酸的堿基成分為A、G、C和T四種；而RNA分子中核糖核甘酸的則由A、G、C和U四種堿基

構成。堿基與戊糖結合形成核甘。脫氧核昔中的戊糖是b-D-2-脫氧核糖；核昔中的戊糖

為b-D-核糖。核甘與磷酸通過酯鍵連接形成核甘酸。

DNA的一級構造是指DNA分子中的核甘酸的堿基排列次序，DNA對遺傳信息的貯存正是運用

堿基排列方式變化而實現的。DNA是雙鏈構造，兩條鏈呈反向平行走向。DNA雙鏈中的腺喋

吟一直與胸腺唯咤配對存在，形成兩個氫鍵；鳥噪吟一直與胞喀咤配對存在，形成二個氫

鍵。DNA雙鏈是右手螺旋構造。DNA在形成雙鏈螺旋式構造的基礎上在細胞內還將深入折疊

成為超螺旋構造，并且在蛋白質的參與下構成核小體。DNA的基本功能是作為生物遺傳信息

復制的模板和基因轉錄的模板。

RNA是生物體內的另一大類核酸。mRNA以DNA為模板合成后轉位至胞質，在胞質中作為蛋白

質合成的模板。成熟的mRNA的構造特點是具有特殊5´-末端帽和3´-末端的

多聚A尾構造。mRNA分子上每3個核昔酸為一組，決定肽鏈上一種氨基酸，稱為三聯體密

碼或密碼子。tRNA的構造特點包括存在反密碼子、莖環構造和具有稀有堿基等。tRNA的功

能是在細胞蛋白質合成過程中作為多種氨基酸的運載體并將其轉呈給mRNAorRNA與核蛋白

體蛋白共同構成核蛋白體，核蛋白體是細胞合成蛋白質的場所。核蛋白體中的rRNA和蛋白

質共同為mRNA.tRNA和肽鏈合成所需要的多種蛋白因子提供結合位點和互相作用所需要的

空間環境。RNA組學研究細胞中snmRVAs的種類、構造和功能。同畢生物體內不一樣種類的

細胞、同一種細胞在不一樣步間、不一樣狀態下SnmRNAs的體現具有時間和空間特異性。

核酸具有多種重要理化性質。核酸的紫外吸取特性被廣泛用來對核酸、核甘酸、核甘和堿基

進行定性定量分析。核酸的沉降特性用于超速離心法純化核酸。DNA的變性和復性是核酸最

重要的理化性質之一。

DNA變性的本質是雙鏈的解鏈。DNA的變性從開始解鏈到完全解鏈，紫外光吸取值到達最大

值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度（Tm）。在Tm時，核酸分子內50%的雙鏈構造被解

開。熱變性