第三章 多聚核苷酸与核酸
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第三章
多聚核苷酸与核酸
Polynucleotides AND Nucleic Acids
第一节 多聚核苷酸
Polynucleotides
一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物
多个核苷酸（nucleitide）通过3，5磷酸二酯键（phosphodiester bond）连接、 形成的链状聚合物，即多聚核苷酸 （polynucleotides）
A
由于核苷酸间
的差异主要是碱基
不同，所以也称为
G
碱基序列。 3端
• DNA 分 子 主 要 由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 和
dTMP 四 种 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 所 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。
•
• RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四 种核糖核苷酸组成。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。
• 1950～1953，夏尔加夫（Chargaff,Erwin) 研究小组对DNA的化学组成进行了研究，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 原 则 或 叫 碱 基 组 成 规 律。
• 1951年发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存 在两种周期性反射，证明DNA是一种螺旋构 象。
• Watson和Crick综合对DNA的知识，提出DNA
双螺旋结构模型
(二) B型双螺旋DNA的结构特点：
（1）两条链反向平行，绕同一轴相互缠 绕成右手螺旋； （2）磷酸和戊糖交替处于螺旋外围，碱 基处于内部，形成碱基对；
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
（四）核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)
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。
核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)分布于细胞
（一）3, 5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键
• 一分子的核苷
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
酸二酯键，从 而将两分子核 苷酸连接起来。
（二）多聚核苷酸 5端 链有方向性
C
A G 3端
（三）书写方法
AGT GCT 5 P P P P P P OH 3
不足，DNA双链上就会产生额外的张力而发 生扭曲，以抵消张力。这种扭曲称为DNA双 链的超螺旋结构。
负超螺旋(negative supercoil) DNA双螺旋为右旋螺旋。自然界中闭合双链 DNA，即细胞中的环状DNA，一般呈负超螺旋。 由于右旋螺旋不足，导致部分碱基不形成配 对。 在拓扑异构酶的作用下，分子通过整体拓扑 学上的右旋来补足右旋螺旋的不足。旋进过 分的方向与DNA双链的螺旋方向相反
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
二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和 转录而合成
生物体内的DNA链或RNA链的合成是 在包括DNA聚合酶或RNA聚合酶在内的一 组酶共同参与下完成的。这个合成过程以 dNTP或NTP为原料，以单链DNA链为模 板，逐步地完成从5-末端到3-末端的合成。
第二节
DNA的结构和功能
Structure and Function of DNA
一、 DNA的二级结构是右手双螺旋
（一）DNA双螺旋结构的研究背景：
夏尔加夫（Chargaff,Erwin) 奥地利-美国生 物化学家。 四十年代后期，夏尔加夫是定量 确定存在于核酸分子中的各种氮碱的科学家之 一。 他采用纸层析法和紫外法仔细分析了DNA的组 成成分，对各种核酸分子进行广泛的试验。 发现通常每种核酸分子里腺嘌呤的数目同胸腺 嘧啶的数目相等；鸟嘌呤的数目则和胞嘧啶的 数目相等。 这一发现对克里克和沃森建立沃森-克里克DNA 结构模型是非常有益的 。
两条互补链间碱基对形成氢键，横向稳定。 相邻的两个碱基对在旋转过程中会彼此重叠， 产生具有疏水性的碱基堆积力，维持纵向稳 定。对双螺旋结构稳定更为重要。
Watson-Crick的DNA双螺旋
B型双螺旋DNA的结构特征
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
（三）DNA构象有多态性
DNA双螺旋分子的钠盐结晶结构一共发现了三种， 分别 命名为A、B和C型。
二、DNA在二级结构基础上形成超螺旋结构
（一）超螺旋结构具有不同的拓扑异构体
DNA在双螺旋结构基础上通过盘绕 和折叠所形成的空间构象称为三级结构。
松弛态DNA（relaxed DNA） 在溶液中是以能量最低的状态存在的线性
DNA 。
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) 将DNA的两端固定，使之旋进过分或旋进
其中B型与Watson-Crick提出的模型一致，是在相 对湿度92％下得到的，这是DNA双螺旋在水性环境 和生理条件下最稳定结构。
A和C型在相对低湿度的条件下形成，它们的螺距 都比B型要短。沟槽、旋转角度等都有变化。
右手螺旋。
Z型DNA首先在富含GC的DNA短片段中发现，后来证 明天然DNA中也有，它是一种左旋螺旋，在细胞中 可能有助解链和调控基因表达的作用。
(3) 双螺旋的直径为2nm， 螺距为3.4nm； 每个螺旋有10.5个碱基对，每两个碱
基对间相对旋转角度为36°
（4）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）；一条链的核 苷酸序列可以决定另一条互补链的核苷酸序 列。
（5）螺旋的稳定因素为： 氢键和碱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ堆积力；
三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成
（一）DNA聚合酶链反应是当前获得DNA 片段最常用技术 （二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷 酰胺三酯方法合成 （三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合 成
四、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷酸
链的一级结构
5端
C
多聚核苷酸链的核
苷酸从5-末端到3-
末端的排列顺序。
多聚核苷酸与核酸
Polynucleotides AND Nucleic Acids
第一节 多聚核苷酸
Polynucleotides
一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物
多个核苷酸（nucleitide）通过3，5磷酸二酯键（phosphodiester bond）连接、 形成的链状聚合物，即多聚核苷酸 （polynucleotides）
A
由于核苷酸间
的差异主要是碱基
不同，所以也称为
G
碱基序列。 3端
• DNA 分 子 主 要 由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 和
dTMP 四 种 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 所 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。
•
• RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四 种核糖核苷酸组成。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。
• 1950～1953，夏尔加夫（Chargaff,Erwin) 研究小组对DNA的化学组成进行了研究，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 原 则 或 叫 碱 基 组 成 规 律。
• 1951年发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存 在两种周期性反射，证明DNA是一种螺旋构 象。
• Watson和Crick综合对DNA的知识，提出DNA
双螺旋结构模型
(二) B型双螺旋DNA的结构特点：
（1）两条链反向平行，绕同一轴相互缠 绕成右手螺旋； （2）磷酸和戊糖交替处于螺旋外围，碱 基处于内部，形成碱基对；
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
（四）核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)
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。
核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)分布于细胞
（一）3, 5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键
• 一分子的核苷
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
酸二酯键，从 而将两分子核 苷酸连接起来。
（二）多聚核苷酸 5端 链有方向性
C
A G 3端
（三）书写方法
AGT GCT 5 P P P P P P OH 3
不足，DNA双链上就会产生额外的张力而发 生扭曲，以抵消张力。这种扭曲称为DNA双 链的超螺旋结构。
负超螺旋(negative supercoil) DNA双螺旋为右旋螺旋。自然界中闭合双链 DNA，即细胞中的环状DNA，一般呈负超螺旋。 由于右旋螺旋不足，导致部分碱基不形成配 对。 在拓扑异构酶的作用下，分子通过整体拓扑 学上的右旋来补足右旋螺旋的不足。旋进过 分的方向与DNA双链的螺旋方向相反
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
二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和 转录而合成
生物体内的DNA链或RNA链的合成是 在包括DNA聚合酶或RNA聚合酶在内的一 组酶共同参与下完成的。这个合成过程以 dNTP或NTP为原料，以单链DNA链为模 板，逐步地完成从5-末端到3-末端的合成。
第二节
DNA的结构和功能
Structure and Function of DNA
一、 DNA的二级结构是右手双螺旋
（一）DNA双螺旋结构的研究背景：
夏尔加夫（Chargaff,Erwin) 奥地利-美国生 物化学家。 四十年代后期，夏尔加夫是定量 确定存在于核酸分子中的各种氮碱的科学家之 一。 他采用纸层析法和紫外法仔细分析了DNA的组 成成分，对各种核酸分子进行广泛的试验。 发现通常每种核酸分子里腺嘌呤的数目同胸腺 嘧啶的数目相等；鸟嘌呤的数目则和胞嘧啶的 数目相等。 这一发现对克里克和沃森建立沃森-克里克DNA 结构模型是非常有益的 。
两条互补链间碱基对形成氢键，横向稳定。 相邻的两个碱基对在旋转过程中会彼此重叠， 产生具有疏水性的碱基堆积力，维持纵向稳 定。对双螺旋结构稳定更为重要。
Watson-Crick的DNA双螺旋
B型双螺旋DNA的结构特征
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
（三）DNA构象有多态性
DNA双螺旋分子的钠盐结晶结构一共发现了三种， 分别 命名为A、B和C型。
二、DNA在二级结构基础上形成超螺旋结构
（一）超螺旋结构具有不同的拓扑异构体
DNA在双螺旋结构基础上通过盘绕 和折叠所形成的空间构象称为三级结构。
松弛态DNA（relaxed DNA） 在溶液中是以能量最低的状态存在的线性
DNA 。
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) 将DNA的两端固定，使之旋进过分或旋进
其中B型与Watson-Crick提出的模型一致，是在相 对湿度92％下得到的，这是DNA双螺旋在水性环境 和生理条件下最稳定结构。
A和C型在相对低湿度的条件下形成，它们的螺距 都比B型要短。沟槽、旋转角度等都有变化。
右手螺旋。
Z型DNA首先在富含GC的DNA短片段中发现，后来证 明天然DNA中也有，它是一种左旋螺旋，在细胞中 可能有助解链和调控基因表达的作用。
(3) 双螺旋的直径为2nm， 螺距为3.4nm； 每个螺旋有10.5个碱基对，每两个碱
基对间相对旋转角度为36°
（4）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）；一条链的核 苷酸序列可以决定另一条互补链的核苷酸序 列。
（5）螺旋的稳定因素为： 氢键和碱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ堆积力；
三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成
（一）DNA聚合酶链反应是当前获得DNA 片段最常用技术 （二）单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷 酰胺三酯方法合成 （三）核糖核苷酸链可利用体外转录体系合 成
四、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷酸
链的一级结构
5端
C
多聚核苷酸链的核
苷酸从5-末端到3-
末端的排列顺序。