生化第二章 核酸

4种核苷酸的解离曲线
可在pH2.0～5.0之间分离各种核苷酸
pH3.5时各核苷酸所带电荷
核苷酸
AMP
磷酸基电荷 碱基的电荷
-1 +0.54
净电荷
-0.46
GMP
CMP
-1
-1
+0.05
+0.84
-0.95
-0.16
UMP
-1
+0
-1
（四）核苷酸的生物学功能 1、细胞中的携能 物质
ATP是能量的直接供体； （脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料； ATP、GTP、CTP、TTP、UTP； ADP、GDP、CDP、TDP、UDP； 参加合成代谢； UTP--糖类合成、GTP--蛋白质合成、CTP--脂类合成
N
N H
Cytosine，C
N H
嘧啶
尿嘧啶
Uracil，U
胞嘧啶
胸腺嘧啶
Thymine，T
2. 嘌呤碱(purine)：
6 1N 2 N 3 NH2 5 N7 8 4 N 9 H N N H
2 HN
O N HN N N N H
N
嘌呤
腺嘌呤(adenine, A)
鸟嘌呤(guanine, G)
二、戊糖与核苷
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
意义: 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。
mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白 质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三 联体称为遗传密码（coden)。

rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。 rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物 合成的场所。 tRNA在蛋白质的生物合成过程中转运氨基酸。

第二节 核酸的化学组成
二、核酸的生物学功能
（一）DNA是主要的遗传物质
图：肺炎球菌的转化图解 （1944年，O. Avery)
图：35S和32P标记的噬菌体T2感染大肠杆菌图解 （1952年，A.D.Hershey和M.Chase）
（二）RNA参与蛋白质的生物合成

mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合 成提供模板(templet)。
稀有碱基
O HN O
5 1NH
O HN N N
N R I
次黄嘌呤
R ψ 假尿嘧啶 O HN O N CH2 CH2 H2N N N
OH
C来自百度文库3
7
N
N R
m
R DHU 二氢尿嘧啶
G 7-甲基鸟嘌呤
* tRNA的二级结构特点-三叶草形 tRNA分子结构与其它RNA一样，多都 是单链结构，局部区域碱基配对形成双 螺旋，约占4070%，配对不象DNA那
键，从而将两分子核苷酸连接起来。
3',5'-磷酸二酯键的形成
多核苷酸链
5′端 C
核酸就是由许多核苷酸单 位 通 过 3,5- 磷 酸 二 酯 键 连接起来形成的不含侧链 的长链状化合物。 核酸是有方向性的： 多核苷酸链的两端，一端 称 为 5- 端 ， 另 一 端 称 为
G
A
3-端。
3′端
Chargaff 研究小组的贡献
1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进 行了分析研究，发现： ① DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差 异越大；
② 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且 不因年龄、环境及营养而改变；
③ DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性 ，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为 Chargaff规则。
OH
N9 β1 N1 β1
腺苷(AR)
N9-β1糖苷键
脱氧胞苷(dCR)
N1-β1糖苷键
核苷小结：
碱基和核糖的缩合物，以N-糖苷键相连；
成苷位置：
核糖C-1与嘧啶N-1； 核糖C-1与嘌呤N-9。
核苷：
腺苷A，鸟苷G，胞苷C，尿苷U；
脱氧核苷：
脱氧腺苷dA, 脱氧鸟苷dG, 脱氧胞苷dC, 脱氧胸苷dT；
“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。
假尿苷（ψ） 1, C5-糖苷键
C5
1
三、核苷酸
（一）核苷酸的组成 核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后 生成的磷酸酯类化合物，包括:
核糖核苷酸: 5-AMP, 5-GMP, 5-CMP, 5-UMP 脱氧核糖核苷酸: 5-dAMP, 5-dGMP, 5-dCMP, 5-dTMP
Franklin和Wilkins等人完成的研究工作
1953 年由 Franklin 和 Wilkins 等人完成的研究工作， 发现了DNA晶体的X-线衍射图谱中存在两种周期性 反射，并证明DNA是一种螺旋构象。
Franklin
Wilkins
X-线衍射图谱
（二）DNA的二级结构—双螺旋结构
DNA双螺旋结构是 DNA二级结构的一 种重要形式，它是 Watson和Crick两位 科学家于1953年提出 来的一种结构模型 （获1962年度诺贝尔 奖）。
染色质纤维
伸展形染色质片段
密集形染色质片段
整个染色体
三、RNA的空间结构
动物细胞内主要RNA的种类及功能
细胞核和胞液 核蛋白体RNA 信使RNA 转运RNA 核内不均一RNA 核内小RNA 核仁小RNA 胞浆小RNA rRNA mRNA tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 线粒体 mt rRNA mt tRNA 功 能
O O H H
N
pKa1=0.80
O HO P O H OH O CH2 H
O O H
N
pICMP=
=
pKa1+pKa2 2
0.8+4.5 2
H
H OH
±
= 2.65
NH2 N
NH2
CMP
O
N
pKa3=6.4
HO P O CH2 O H H O H H OH OH CMP -
O O N O P O CH2 O H H O H H OH OH CMP
第二章
核 酸
Chapter 2 Nucleic acid
什么是核酸?
核酸的发现：1869年，瑞士米歇尔（Miescher）
核酸的定义：
生物体内一类含有磷酸基团的重要生物大分子（酸性物 质），是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体， 在蛋白质的生物合成中起重要的作用。
细胞质
细胞 细胞核 染色体 非组蛋白
James Watson (左) and Francis Crick (右)
1、DNA双螺旋结构模型特点
（1） 两条链反向平行，围 绕同一中心轴构成右手 双螺旋 (double helix)。 螺旋直径2nm，表面有 大沟和小沟。
（2） 磷酸-脱氧核糖骨架位 于螺旋外侧，碱基垂直 于螺旋轴而伸入内侧。 每圈螺旋含10个碱基对 (bp)，螺距为3.4nm。
核酸一级结构的表示方法
DNA的一级结构： 5-AGTCCATG-3 3-TCAGGTAC-5
AGTCCATG
RNA的一级结构： 5-AGUCCAUG-3
AGUCCAUG
二、DNA的高级结构
（一）DNA双螺旋结构的研究背景
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T] [G] = [C] DNA纤维的X-线衍射图谱分析 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对
动态中的DNA超螺旋结构
2. DNA的超螺旋在染色质中的组装
原核生物DNA的高级结构 • 绝大多数原核生物的 DNA都是共价封闭的环状双螺旋。 • 如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。
DNA在真核生物细胞核内的组装
DNA在真核生物细胞核内的组装
核蛋白=DNA-蛋白质复合物
DNA双螺旋片段 串珠状核小体
DNA双螺旋结构的多样性
A型DNA 碱基对与水平面成20度角 右手螺旋 11个碱基对/转，螺距2.8nm 溶液中DNA一般为B型 水活度降低时转变为A 型 Z型DNA 为左手双螺旋结构 12个碱基对/转，螺距4.5nm A型 B型 Z型
（三）DNA的三级结构 1. DNA的超螺旋结构
核苷酸的命名及缩写符号
脱氧
d
碱基
A G T C U
磷酸基数目
M D T
磷酸
P
（三）核苷酸的性质
一般物理性质 ；
互变异构现象； 紫外吸收，260nm ； 核苷酸的两性解离和等电点 ；
互变异构现象
NH 2 N
NH
O HN O C N N H HO
OH C
N H
NH
O
N H
O
氨基态胞嘧啶
Section 2 The Chemical Component of Nucleic Acid
核酸的水解产物：
磷酸
核糖
戊糖 脱氧核糖
核酸
核苷酸
核苷
嘌呤碱
含氮碱 嘧啶碱
一、嘌呤碱和嘧啶碱
1. 嘧啶碱(pyrimidine)：
4
3N 2 N 1 O NH2
O
HN O CH3
5 HN
6 O N H O
1、DNA双螺旋结构模型特点
（3） 两条链通过碱基间的氢 键相连，A对T有两个氢键， C对G有三个氢键，这种AT、C-G配对的规律，称为 碱基互补规则。 （4） 维持双螺旋稳定的因素： 横向为氢键，纵向为螺旋 内侧的疏水性碱基堆积在 一起相互吸引形成碱基堆 积力。
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
1．戊糖(pentose)：
HO CH2 O
5´
OH
HO
CH2 O
OH
4´
3´ 2´
OH OH
1´
OH
-D-核糖(ribose) （构成RNA）
-D-脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
2．核苷(nucleoside)：
核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成
的化合物。
在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖 的C-1′ -羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩 合，故生成的化学键称为N- 糖苷键。
2、酶的辅助因子的结构成分 3、细胞通讯的媒介
第二信使（cAMP、cGMP），影响多种酶的活性 调节核苷酸ppGpp
第三节 核酸的分子结构
Section 2 The Structure of Nucleic Acid
一、核酸的一级结构
一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸
的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯
O
亚氨基态胞嘧啶
OH
N
NH N
N
uracil 酮式
uracil 烯醇式
N H
O
OH
酮式尿嘧啶
稀醇式尿嘧啶
碱基的紫外吸收
最大吸收峰在260nm附近
核苷酸的两性解离和等电点
胞嘧啶核苷酸的解离
NH2 + HN O HO P O CH2 OH H OH OH + CMP
N O
pKa2=4.5
NH2 + HN
5′端
多核苷酸链简写方法 书写方向规定为： 5-端→3-端。
C
A
G 3′端
核酸的一级结构
DNA分子： 由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成。 DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核 苷酸的排列顺序及连接方式(3,5-磷酸二酯键)。
RNA分子：
由AMP，GMP，CMP，UMP组成。 RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的 排列顺序及连接方式。
与磷酸基缩合的位置：2-核苷酸、3-核苷酸和
5-核苷酸。
最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）
5 -核苷酸的分子结构
（二）核苷酸的磷酸化
5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸
核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。
环核苷酸的分子结构
环一磷酸腺苷
环一磷酸鸟苷
核酸DNA 若干基因 组蛋白
第一节
Section 1
概述
Summary
一、核酸的分类
核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)
RNA主要参与遗传信息的表达。
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)
DNA是遗传信息的载体。 RNA和DNA都是以单核苷酸(nucleotide)为基 本单位所组成的多核苷酸长链。
样严格，不能配对的形成环状突起；
研究发现tRNA多具有类似的二、三级 结构。
* tRNA的二级结构——三叶草形
四臂四环： • 氨基酸接受区（一臂） • 反密码区（一臂一环） • 二氢尿嘧啶区（一臂一环） • TC区（一臂一环） • 可变区 维持稳定：氢键
核蛋白体组分 转运氨基酸 成熟mRNA的前体
mt mRNA 蛋白质合成模板
参与hnRNA的剪接、转运 rRNA的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分
（一）转运核糖核酸（transfer RNA, tRNA)
* tRNA的一级结构特点

含稀有碱基较多 3´末端为 — CCA-OH 5´末端大多数为G 由70~90个核苷酸组成