第三章 核酸化学

NH

核苷
N N
2 N 9 N
糖苷键
CH O H O 2 1'
H H OH H 2' O H H
嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷 键相连形成核苷。

核苷酸(ribonucleotide)
NH2
酯键
O
N N O
N
9 N
糖苷键
HO P O CH 2 O
-
H
H
OH
' 1 H H 2'
第三章 核酸化学
学习目标： 1.掌握核酸的分类、基本组成成分，核酸的基本单位及连接方式， 2. DNA和RNA在分布、化学组成、基本组成单位和功能等方面的不同； 3.熟悉几种重要的核苷酸的作用，DNA的一级结构，双螺旋结构的要点； 4.了解几种RNA的功能，DNA的变性、复性和杂交。

核酸的分类及分布 存在于细胞核和线粒体 携带遗传信息，并通过复制传递 给下一代。
HOH2C
4'
5'
O H
3' 2'
OH H OH
1'
HOH2C
4'
5'
O H
3' 2'
OH H H
1'
H
H
H
H
OH
OH
D-核糖
D-2-脱氧核糖

3.磷酸 核酸分子中含磷酸，所以呈酸性。核酸中磷元素的含量恒定， DNA的含磷量平均为9.9%，RNA的含磷量平均为9.4%。通过测定样品中 的含磷量可推算核酸 三、核酸的基本结构单位——核苷酸 嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1与戊糖的C1′以糖苷键连接形成核苷。核苷可 以分为核糖核苷和脱氧核糖核苷。核苷中戊糖的C5′与磷酸之间以酯键 连接形成核苷酸。 1.一磷酸核苷酸 一个磷酸与核糖核苷或脱氧核糖核苷通过酯键相连称为 一磷酸核糖核苷（ NMP）和一磷酸脱氧核糖核苷（dNMP）。NMP包括 AMP、GMP、CMP和UMP，是RNA的基本组成单位；dNMP包括dAMP， dGMP ， dCMP和dTMP ，是DNA的基本组成单位。
N O O
-

NH2 N N OCH2
-
O O
-
O O
-
N H H
P O
-
P O
-
P O
O
H H
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P )

多磷酸核苷酸
5′-磷酯键
N N O -O O O O O
NH 2
N
N

P O-

P O-

P O-
O源自文库
CH 2 H H OH
O H H H
脱氧腺嘌呤核苷 脱氧腺嘌呤一磷酸 (dAMP) 脱氧腺嘌呤二磷酸 (dADP) 脱氧腺嘌呤三磷酸 (dATP)

3.核蛋白体核糖核酸（rRNA） rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80﹪以上 。rRNA可与多种蛋白质结合，构成大、小亚基。在蛋白质合 成时，大小亚基结合形成核蛋白体或称核糖体(ribosome)，作 为蛋白质多肽链生物合成的场所。原核生物70S的核蛋白体由 30S小亚基和50S大亚基构成；真核生物的80S核蛋白体由40S 小亚基和60S大亚基构成。
2. 真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸尾
真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不
一的聚腺苷酸。
mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白 （poly(A)-binding protein，PABP）结合存在。

帽子结构和多聚A尾的功能
mRNA核内向胞质的转位
mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控

帽子结构:m7GpppNm
OH OH H H H H O 5' CH2 OO P O O O P O
-
NH2 O O P O
-
N O 5' CH2 H H O O H 3' 2' N N
N
H2N HN
N
N N
O
CH3
H OCH3
mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白 (cap binding protein， CBP)结合。
* tRNA的二级结构
——三叶草形
氨基酸臂 DHU环 反密码环
额外环
TΨC环
tRNA的倒L三级结构
tRNA的功能 活化、搬运氨基酸 到核糖体，参与蛋 白质的翻译。
3. tRNA的3-末端连接氨基酸
tRNA的3-末端为

CCA结尾。

3-末端的A与氨基酸 以酯键相连生成氨基
O
P O-
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
H H H
5′端
二、核酸的一级结构是 核苷酸的排列顺序
定义
核酸中核苷酸的排列顺序。 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 。
C
A
G
3′端

书写方法：
A G T G C T
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
密码子

2.信使核糖核酸（mRNA） mRNA占细胞总RNA的3％～5％ ，大小相差很大，不稳定，寿命很短。mRNA在细胞核中合 成后转移到细胞质，作为蛋白质多肽链合成的模板。 原核生物和真核生物的mRNA结构不同，现介绍真核生物成 熟mRNA的结构，如图所示。 真核生物成熟mRNA的5′末端都有一个甲基化的鸟嘌呤核苷 三磷酸，即m7GpppNm的帽子结构(cap)；在mRNA的3′末端 ，有一个长度为30～200个多聚腺苷酸(poly A)结构，称为多 聚腺苷酸尾。“帽”和“尾”都是mRNA转录完成成后添加 上去的，两者中间是基因编码区，存有大量遗传信息。

3.环化核苷酸 目前发现，细胞中普遍存在两种环化核苷酸：3'，5'-环化 腺苷酸（cAMP）和3'，5'-环化鸟苷酸（cGMP），环化核苷酸可作为激素 的第二信使，在细胞的代谢调节中有重要作用。 其结构如下：

3'，5'-环腺苷酸（cAMP）
3'，5'-环鸟苷酸（cGMP）

4.辅酶类核苷酸 一些核苷酸的衍生物是重要的辅酶或辅基，如辅酶 NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶Ⅰ）、NADP+（尼克酰胺腺嘌 呤二核苷酸磷酸，辅酶Ⅱ）、FMN(黄素单核苷酸)和FAD（黄素腺嘌呤二 核苷酸）等。它们在物质代谢中常起到递氢体的作用。
第二节 核酸的分子结构

一、核酸分子中核苷酸的连接方式
一个核苷酸的C3'羟基与另一个核苷酸的C5'磷酸基脱水形成的 化学键称为3'，5'-磷酸二酯键，如图。许多个核苷酸之间通 过磷酸二酯键相连，形成的长链状化合物称为多核苷酸链。 有游离磷酸的一端称为5'-磷酸末端；有游离3'羟基的一端称 为3'-羟基末端。其书写方法如图所示。现在最常用的是下列 的书写方法，常将5'端写在左侧，3'端写在右侧，如： 5'……ACGU……3'


⑴tRNA的二级结构 tRNA的二级结构含4个局部配对的双链区，形成发夹 结构，显示为三叶草型，如图所示。左右两个环根据含有的稀有碱基， 分别称为DHU环和假尿嘧啶环，位于下方的环称为反密码环。反密码环 中间的3个核苷酸称为反密码子（anticoden),在蛋白质生物合成时，tRNA 通过反密码子辨认识别mRNA上相应的密码子，引导其携带的氨基酸正 确地定位在合成的肽链上。

rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。

思考题：


体内有哪些重要的核苷酸？各有何作用？
DNA和RNA在化学组成、分子结构和生理功能有何异同？ 利用核酸的理化性质在临床实践中有何应用？


成熟的真核生物mRNA
编码区 AUG UAA 3' AAA……An
5' m7Gppp
5'非翻译区
3'非翻译区
成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。
5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-
A tail)结构。
1. 真核生物mRNA的5-端有特殊帽结构
酰-tRNA 。

不同的tRNA结合不 同的氨基酸。
4. tRNA的反密码子识别mRNA的密码子
3′ 酪氨酸
A C C

tRNA的反密码子环 上 有 反 密 码 子 (anticodon)。 tRNA上的反密码子 通过碱基互补识别 mRNA上的密码子
5′

反密码子
A UG
5′ mRNA
UA C
3′
N
NH2
嘧啶(pyrimidine，Py)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)

2.戊糖 构成核酸的戊糖有两种，D-核糖和D-2-脱氧核糖。前者参与RNA 的构成，后者构成DNA，所含戊糖不同是划分两类核酸的依据。为了与 碱基区别，戊糖的各原子编号常带′。

DNA双螺旋结构模式图
DNA的结构特征

DNA双螺旋结构模型要点如下：
1. 为右手、反平行双螺旋； 2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧； 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键 ，称为碱基互补原则（ A 与 T 为两个氢键， G 与 C 为 三个氢键）；
4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力；
1.碱基
碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
NH2
嘌呤(purine，Pu)
N
N
N 7 8 9 NH
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)

三、RNA分子的结构 与DNA相比，RNA分子常较小，稳定性差，易被核酸酶水解。RNA通 常为单链，链内如有碱基互补的区域可形成局部双链区。体内RNA种类 繁多，包括信使RNA（messanger RNA，mRNA）、转运RNA (transfer RNA，tRNA)、核蛋白体RNA (ribosomal RNA，rRNA)，还有多种小RNA （small RNA，sRNA）。 1.转运核糖核酸（tRNA）
脱氧核糖核酸 (DNA)
核糖核酸 (RNA)
分布于细胞核、细胞质、线粒体
是DNA转录的产物，参与遗传信 息的复制与表达。某些病毒RNA 也可作为遗传信息的载体
第一节 核酸的化学组成

一、核酸的元素组成 核酸由碳、氢、氧、氮、磷等元素组成，其中磷的含量在各种核酸中相 对恒定，平均为9.5%左右。利用这个特点可对核酸溶液进行定量测定。 二、核酸的基本组成成分 核酸在核酸酶的作用下水解可得到核苷酸，它是核酸的基本组成单位。 核苷酸继续水解得到三类组成成分，即磷酸、戊糖和碱基。
5 A C T G C T 3

二、DNA的分子结构 1.DNA的一级结构 DNA的一级结构是指多核苷酸链中脱氧核苷酸的排列 顺序。在多核苷酸链中脱氧核糖和磷酸交替连接构成核酸分子的骨架，4 种不同的碱基则排列在骨架的一侧，遗传信息就存在于DNA的不同碱基 排列顺序中。 2.DNA的二级结构 1953年，Watson和Crick根据DNA 的X衍射分析数据和 碱基分析数据，提出了DNA的双螺旋结构模型学说。这个学说的提出极 大推动了生物学的发展，成为生物化学发展史上的里程碑，他们也因此 获得1962年的诺贝尔医学和生理学奖。
5´-末端
C
磷酸二酯键
A
磷酸二酯键 G
3´-末端
5´-磷酸基团
OO P OH O CH 2 O H O
碱基
DNA链的方向是5 → 3
交替的磷酸基团和戊 糖构成了DNA的骨架 。 核酸方向
H H H
O O P OH O CH2 H
碱基
O H H H
O
碱基
CH2 O H H H H H
3´,5´-磷酸二酯键
5. 螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
三、DNA是遗传信息的物质基础 DNA 的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并 作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基 础，也是个体生命活动的信息基础。
基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，
其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。
OH
核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸 或脱氧核苷酸。

2.多磷酸核苷 含有多个磷酸的核苷酸称为多磷酸核苷。含两个磷酸的二 磷酸核苷，包括二磷酸核糖核苷（NDP)和二磷酸脱氧核糖核苷（dNDP) ；含有三个磷酸的三磷酸核苷 ，包括三磷酸核糖核苷(NTP)和三磷酸脱 氧核糖核苷(dNTP),它们都具有重要的生理作用。磷酸与磷酸之间形成酸 苷键，属于高能磷酸键，用～表示。二磷酸及三磷酸核苷均为高能化合 物。其中最重要的是三磷酸腺苷ATP，它是体内一切生命活动能量最主 要直接供给体。ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水 解时, 可以释放出大量自由能。 它的结构如下：