第04章核酸的结构与功能

ADAPTP AMP OOHOHHOOHOHH
二、核酸的分子组成
（二）核苷酸的结构
3. 酸酐键与高能化合物
一磷酸（脱氧）核苷可以通过酸酐键结
合第二个、第三个磷酸基，形成二磷酸（脱
氧）核苷（NDP/dNDP）和三磷酸（脱氧）核
苷（NTP/dNTP）。
NH2
O
O
O
N
N
HO P O P O P O CH2O N OH OH OH
第三章 核酸化学
Nucleic Acid Chemistry
李春梅 生物化学与分子生物学系
主要内容
一、核酸的分类、分布与功能 二、核酸的分子组成 三、核酸的分子结构 四、核酸的理化性质 五、核酸的提取与定量(自学)
一、核酸的分类、分布与功能
（一）什么是核酸（ Nucleic Acid ）？ 核酸是以核苷酸为基本组成单位、通过
H
OH OH
腺苷
NH2
酯键 N
N
9
O
N
N
HO P O CH 2 O
O-
H2O
HH
1'
H 2'
H
OH OH
腺苷酸 AMP
核苷酸(ribonucleotide)
NH2
NH2
酯键 N
N
9
O
N
N
HO P O CH 2 OHH
O
1'
H 2'
H
N
O
NO
糖苷键 HO P O CH 2 O
OHH
1'
H 2'
H
OH OH
嘧啶(pyrimidine，Py)
O
嘧啶碱基
NH2
5 4 3N 61 2
NH
N
NH
NH O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
NH
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
NH O
胸腺嘧啶(thymine, T)
重要的碱基：如次黄嘌呤（Hypoxanthine，H)、 黄嘌呤（Xanthine，X）。
O
OH OH
OH
3'-磷酸酯键
3'
O
OH
N2 HO P O CH2 O
HO P
5'
O CH2
O
N2
O
H2O O
3'
OH OH
5'-磷酸酯键 OH OH
核苷酸的连接方式
➢核苷酸的链接方式 为：3',5'-磷酸二酯
5´-末端
键
➢核酸链的方向是 5→3
➢交替的磷酸基团和 戊糖构成核酸链的 骨架 (backbone)
稀有碱基：有些核酸中某些碱基的氢可被其他 化学基团如甲基、羟甲基、-F、-S、乙酰基等 取代，形成修饰碱基，通常含量很少，故称 为～。目前已发现几十种稀有碱基。 如7－甲 基鸟嘌呤（m7G)、 5－甲基胞嘧啶（m5C)、 m7A、F5U、 N－m6U等。
2020/4/22
广东药学院 李春梅
二、核酸的分子组成
（二）核苷酸的结构 1. 糖苷键与核苷
碱基与核糖或脱氧核糖通过糖苷键缩合形成核 苷(nucleotide)、脱氧核苷(dioxynucleoside)。
核苷(nucleotide)或脱氧核苷(dioxynucleoside)
NH2
NN
【腺嘌呤】
N N9
H
NH2 NN
N N9
HOCH2 O OH
1’
核酸的书写方法
A T CGA TCG
5’
3’
P
OH
核苷酸简式
N 1’
R 2’
P
3’
5’
5’ pApTpCpGpApTpCpG-OH 3’ 5’ pATCGATCG-OH 3’ ATCGATCG
（二）DNA的二级结构 1. DNA双螺旋结构的研究背景
20世纪20年代，大多数科学家认为蛋白质是遗传
物质，而不是DNA 1944年Avery等利用从致病肺
核苷酸的命名
dAMP deoxyadenosine monophosphate 脱氧一磷酸腺苷 或 脱氧腺苷一磷酸 简称：脱氧腺苷酸
dADP deoxyadenosine diphosphate 脱氧二磷酸腺苷 或 脱氧腺苷二磷酸
dATP deoxyadenosine triphosphate 脱氧三磷酸腺苷 或 脱氧腺苷三磷酸
Watson
生物化学
护理学专业本科教材
Crick
生物化学
护理学专业本科教材
DNA双螺旋结构示意图
A
T
G
C
DNA 俯视图
（二）DNA二级结构——双螺 旋结构
2. 结构要点： （1）DNA分子由两条相互平
行但走向相反的脱氧多核苷 酸链围绕同一中心轴构成的 双螺旋结构，一条链的走向 是5’→3’，另一条链是3’→5’。 两条多核苷酸链都是右手螺 旋。
2020/4/22
★ 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成 右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’
广东药学院 李春梅
（2）两条链中，磷酸与脱氧核 糖链位于螺旋外侧，碱基位于 内侧。碱基平面与脱氧核糖平 面垂直。螺旋表面形成大沟 (major groove)及小沟(minor groove) 。 这 些 沟 状 结 构 与 DNA、Pr之间识别有关。
核酸的水解
碱基 嘌呤 嘧啶
二、核酸的分子组成
（一）核苷酸的组成
1. 戊糖（pentose ）
HO 5CH2 O OH
HO CH2
OH
O
4
1
32
OH OH
核糖(ribose) 【 构成RNA】
OH
脱氧核糖(deoxyribose) 【构成DNA 】
二、核酸的分子组成
（一）核苷酸的组成 2. 碱基（base）
γβ α
OH OH
N
β、γ-磷酸基是高能基团
ATP
核苷酸的命名
AMP adenosine monophosphate 一磷酸腺苷 或 腺苷一磷酸 简称：腺苷酸
ADP adenosine diphosphate 二磷酸腺苷 或 腺苷二磷酸
ATP adenosine triphosphate 三磷酸腺苷 或 腺苷三磷酸
二、核酸的分子组成
核酸的元素组成
碳、氢、氧、氮、磷
核酸含磷量比较稳定，RNA含磷约9.0%， 而DNA和核苷酸含磷约9.2%，故可以利用定 磷来测定核酸含量。
二、核酸的分子组成
（一）核苷酸的组成 核酸(DNA和RNA)
核苷酸 【核酸的基本单位】
磷酸
核苷或脱氧核苷
戊糖
核糖 脱氧核糖 【RNA】 【DNA】
★ 磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘磷酸二酯键相连接，构成DNA分子 的骨架。
★磷2酸020与/4/脱22 氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤广与东药嘧学啶院碱李位春梅于双螺旋的内侧。
（3）双螺旋的直径为2 nm，碱基平面与螺 旋纵轴垂直。相邻碱基平面距离0.34 nm， 螺旋一圈螺距3. 4 nm，一圈10对碱基。
嘌呤碱基
腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）
碱基
DNA：胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T）
嘧啶碱基 RNA：胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U）
嘌呤碱基（purine，Pu）
NH2 N
N
N 7
5 6 1N
8 9 NH
43 2 N
嘌呤碱基
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
NH2
鸟嘌呤(guanine, G)
3‘, 5’-磷酸二酯键连接而成富含磷元素的酸性 生物大分子，为生命的最基本物质之一，其 主要功能是携带和传递遗传信息。
核酸结构示意图
C
3',5'-磷酸二酯键 3',5'-磷酸二酯键
A G
一、核酸的分类、分布与功能
（二）核酸的分类与功能
核糖核酸（ribonucleic acid, RNA） 主要分布于细胞质，亦存在于细胞核、线粒体、
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DNA双螺旋结构的研究背景
1952年， Chargaff等科学家 采用层析和紫外吸收光谱分 析等技术发现了DNA碱基的 组成规律（Chargaff定律）
生物化学
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Chargaff
DNA双螺旋结构的研究背景
综合了前人的研究成果， Watson和 Crick提出了 DNA分子的双螺旋结构 模型 ，并于1953年4月在 英国《Nature》杂志上发 表
炎球菌中提取的DNA使另一
种非致病性肺炎球菌的遗传
性状改变而成为致病菌，证
实了遗传物质是DNA而不是
蛋白质
Avery
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DNA双螺旋结构的研究背景
1951年， Pauling利用X线 晶体衍射技术研究α角蛋白 的空间结构，发现了蛋白 质的α螺旋结构
一磷酸（脱氧）核苷可以通过酸酐键结
合第二个、第三个磷酸基，形成二磷酸（脱
氧）核苷（NDP/dNDP）和三磷酸（脱氧）核
苷（NTP/dNTP）。
NNHHN22H2
O OO OOO
NN N
NN N
HO PHOO PPH OOO PPP OOO CCHCH2H2OO2O NNN NN N OH OOHH OOHOHH
3',5'-磷酸 二酯键
3',5'-磷酸 二酯键
C A G
3´-末端
（一）核酸分子的一级结构
核酸的一级结构是核酸分子的核苷酸序列， 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以 也称为碱基序列。
核酸分子的大小常用碱基（base）数目 或碱基对（base pair，bp）来表示。小的核 酸片段（<50bp）常被称为寡核苷酸。大的核 酸片段（>50bp）则被称为多核苷酸。
脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA 主要存在于细胞核、线粒体和叶绿体。 DNA储存了生命活动的全部遗传信息，是物种
保持世代繁衍和进化的物质基础。
主要内容
一、核酸的分类、分布与功能 二、核酸的分子组成 三、核酸的分子结构 四、核酸的理化性质 五、核酸的提取与定量(自学)
C5 假尿苷（ψ） β1’,C5-糖苷键
β1’
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广东药学院 李春梅
二、核酸的分子组成
（二）核苷酸的结构 2. 磷酸酯键与核苷酸
核苷的戊糖与磷酸以磷酸酯键相连形成 核苷酸。
核苷酸(ribonucleotide)
NH2
N
N
9
O
N
N
HO P OH + OH
O-
CH 2 HH
O
H1' 2'
细胞膜外的激素 信号为第一信使，通 过跨膜蛋白的连锁反 应，生成第二信使 cAMP。
生成的cAMP最 终引发激素（第一信 使）的生物学作用。
• 含核苷酸的生物活性物质：
NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含 有 AMP
NAD+
NADP+
主要内容
一、核酸的分类、分布与功能 二、核酸的分子组成 三、核酸的分子结构 四、核酸的理化性质 五、核酸的提取与定量(自学)
1
5'
1'
或
9
核苷
核苷酸
总结：DNA、RNA分子组成比较
核酸类型 戊糖 DNA 脱氧核糖
碱基组成 A、G、C、T
RNA
核糖
A、G、C、U
DNA组成的基本单位：dAMP dGMP dCMP dTMP RNA组成的基本单位： AMP GMP CMP UMP
二、核酸的分子组成
（二）核苷酸的结构
3. 酸酐键与高能化合物
OH OH
腺苷酸(AMP)
胞苷酸(CMP)
核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷 酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。默认情况下核苷酸均为5'-核苷酸。
核苷酸(ribonucleotide)
核苷酸结构示意图：
酯
磷酸 键
核糖 或
糖 苷 键
碱基
脱氧核糖
习惯上把核苷酸的通式书写为： NMP、NDP、NTP或者dNMP、dNDP、dNTP （N代表任意一个碱基的符号）
二、核酸的分子组成
（二）核苷酸的结构 4. 磷酸二酯键与环核苷酸
环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）
N
5’
O CH2O N
NH2 N
N
cAMP
OP
3’
O OH
OH
细胞间信号传导示意图
三、核酸的分子结构
一级结构（primary structure）
二级结构(secondary structure)
空
三级结构(tertiary structure)：超螺旋
间 构
结构、染色体结构
象
三、核酸的分子结构 （一）核酸的一级结构
OH N1
HO P O CH2 O O
OH 5'
N1
HO P O CH2 O
α螺旋结构理论首次用分子形 成螺旋这种方式解释生物大 分子的空间结构
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Linus Pauling
DNA双螺旋结构的研究背景
Franklin获得高质量的DNA X射线衍射图谱
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DNA双螺旋结构的研究背景
Wilkins通过 X射 线衍射获得了精确 的DNA分析数据
叶绿体等。其主要功能是参与蛋白质的生物合成。 参与蛋白质合成的核糖核酸又分为三大类：
➢ 信使RNA（messenger RNA, mRNA） ➢ 转运RNA（transfer RNA，tRNA） ➢ 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）
一、核酸的分类、分布与功能
（二）核酸的分类与功能
HOCH2 O
1’
OH OH
【核糖】
H2O
OH OH
腺嘌呤核苷 【腺苷, A】
核苷(nucleotide)或脱氧核苷(dioxynucleoside)
HOCH2 O
NH2
N 【胞嘧啶】
NH1 O
OH
1’
HOCH2 O
NH2
N
N
1
O
1’
OH H
【2-脱氧核糖】
H2O
OH H
胞嘧啶脱氧核糖 【脱氧胞苷, dC】