第二章 核酸的结构

5、三链DNA 第三条链与双螺旋构按Hoogsteen方式配对。
Hoogsteen方式配对 嘌呤A或者G第6，7位与嘧啶3，4位形成的H键连接。
（三） DNA的高级结构（三级结构） 三级结构 DNA双螺旋进一步扭曲和折叠形成的特定构象。 超螺旋是DNA中最常见的三级结构。 负超螺旋（表现为右手超螺旋） 超螺旋
2、DNA双螺旋结构（B型）的要点(特点、特征）
①由两条反向平行的脱氧 多核苷酸链围绕同一中心 轴，构成右手双螺旋结构。
②两条亲水的“糖-磷酸”单 链构成骨架，居双螺旋外侧； 疏水的碱基位于双螺旋内侧， 并与中心轴垂直。糖环平面 与中轴平行。
③每圈螺旋含10个核苷酸残
基，螺距：3.4nm，直
OHCH2 O
O
H2O
5´
OH OH
1´
戊糖
核苷的糖环上有 3个自由羟基，理论上可以酯化 分别生成2´-，3´-和5´-三种核苷酸。
5'-核苷酸 3'-核苷酸 2'-核苷酸
5'-脱氧核苷酸
3'-脱氧核苷酸
脱氧核糖核苷的糖环上只有2个自由羟基，能生成3´-和5´脱氧核苷酸。生物体内游离存在的是5´-核苷酸，
NaCl浓度为2.5 M）。
当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。
还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7 M MgCl2)。
B-DNA Watson和Crick提出的 DNA双螺旋结构属于B构 象，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92% 相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测 的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定 的结构。
构成核酸大分子的也是5´-核苷酸。
八种常见核苷酸 碱基
RNA DNA 腺嘌呤 A AMP dAMP 鸟嘌呤 G GMP dGMP 胞嘧啶 C CMP dCMP 尿嘧啶 U UMP 胸腺嘧啶 T
dTMP
M/单，D/二，T/三；P-磷酸 RNA的名称为单/二/三苷酸， DNA在单/二/三前加脱氧两字。 如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸） 稀有核苷酸与上类似
二、核酸的结构
（一）核酸的一级结构 指核酸分子中核苷酸的 排列顺序和连接方式。
1、核酸分子中核苷酸连接方式。 核酸是核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键（一个
核苷的3ˊ羟基与另一个核苷的5ˊ羟基与同一分子 磷酸酯化,就形成了一个磷酸二酯键）连接构成的
大分子。 其两个末端分别是： 5’-末端（游离磷酸基） 3’-末端（游离羟基）。
子。
9
1´
1
1´
天然核苷： 核糖核苷（核苷）：A、G、C、U
核苷
脱氧核糖核苷（脱氧核苷）： dA、dG、dC、dT
4、 核苷酸(ribonucleotide) 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接
形成核苷酸（脱氧核苷酸）。
O
NH
碱基
N N
酯键
N
N O H
OH
HN N H
H2O 糖苷键
O
磷酸 O P OH
体内代谢能量的直接来源和利用形式
AMP
ADP
ATP
（2）cAMP 和 cGMP（环状核苷酸）
• cAMP 3’,5’环腺嘌呤核苷一 磷酸 • cGMP 3’,5’-环鸟嘌呤核苷一 磷酸 • ——细胞间信使 • cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是 一个高能键：pH 7.4时水解能 约为43.9 kJ /mol，比 ATP 水 解能高得多。
Franklin
衍射斑点呈交叉状分布（说明它是螺旋形，翻转180度之后看起来 还是一样，说明两条链是反向的）
衍射点之间的距离与层次有0.34nm和3.4nm的周期性
图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状（说明嘌呤碱 和嘧啶碱垂直于螺旋轴，每隔3.4埃规律出现一对）
（2）碱基组成分析 Chargaff 规则
3’,5’-磷酸二酯键
H
核苷酸数≤50—寡核苷酸(oligonucleotide) 核苷酸数≥50—多聚核苷酸(polynucleotide)
2、核酸链的表示方法 由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不 同，所以DNA分子碱基的排列顺序就代表了脱氧 核苷酸的排列顺序。 同理， RNA分子碱基的排列顺序就代表了核 苷酸的排列顺序。 阅读、书写方向： 5′ 3′
β-D-核糖的呋 喃糖形式
D-2-脱氧 核糖
β-D-2-脱氧核糖 的呋喃糖形式
2、碱基
腺嘌呤 鸟嘌呤
嘌呤(purine) 嘧啶(pyrimidine)
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶
稀有碱基(修饰 碱基) —甲基化碱基
嘧啶环 嘌呤环
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
1,3-二氮杂苯
6 1 NH
第二章 核酸的结构与功能
一、核酸的种类和化学组成 二、核酸的结构 三、核酸的理化性质
一、核酸的种类和化学组成
（一）核酸的种类和分布
脱氧核糖核酸
(deoxyribonucleic acid,)
DNA 信使RNA（mRNA)
种类
核糖核酸 RNA
(ribonucleic acid, RNA)
核糖体RNA（rRNA） 转移RNA（tRNA）
A－DNA 在以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为75%时， DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－ DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后， 大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。 C-DNA 以锂作反离子，相对湿度进一步降为66％，DNA 分子的X－射线衍射图给出的是C构象。C构象 仅在实验室中观察到。 Z-DNA 1979年美国A·Rich等人发现了左旋DNA（左手 DNA双螺旋结构）
H2A，H2B
H3
H4
平均每200bp的DNA绕组蛋白左旋1.8圈，因此真核生 物的DNA分子为负超螺旋。
（四）RNA的结构 • RNA分子一般为单链分子，可自身回折形成局 部双螺旋(二级结构)，进而折叠(三级结构)。 双链部分符合Watson-Click双螺旋模型。 • RNA有较多的茎环（发夹）结构。 • 不同种类的RNA结构各不一样。
径:2nm。顺轴方向每隔
0.34nm有一个核苷酸，两
个核苷酸之间的夹角为36°。
（以后实测为10.5核苷酸残
基，螺距：3.6nm）
④一条多核苷酸链上的嘌
呤碱基与另一条链上的嘧
啶碱基以氢键相连，匹配
原则和氢键数： A=T;
GC
一பைடு நூலகம்链为另一条链的互补 链
胞嘧啶
胸腺嘧啶
腺嘌呤 鸟嘌呤
⑤双螺旋结构有两个沟：大沟和小沟。
亲代双链DNA (父母链) 5′ 新复制的DNA链 (子女链) 3′ 新复制的DNA链 (子女链) 每一条链的复制 都以其互补链作 为模板 两个子代双链DNA
双链DNA复制的示意图
4、DNA双螺旋结构的多态性 DNA的结构是动态和多态的
在生理状态及在溶液中，DNA一般为B 型(含水量90％以上，
分布
细胞核（主要）
DNA 分布 RNA
细胞质：叶绿体、线粒体、质粒DNA
细胞质（主要）
细胞核（核仁）
（二）核酸的化学组成成分 核酸 核苷酸
磷酸酯键
基本单元
磷酸 基本成分 戊糖 （核糖或脱氧核糖）
核苷
糖苷键
碱基 嘌呤或嘧啶
核苷酸 基本单元
核苷
核酸
磷酸 基本成分
戊糖
碱基
1、戊糖
核糖 脱氧核糖
D-核糖
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
2,4(1H,3H)-嘧啶二酮
NH2 N
NH
NH
2-羰基-4-氨基嘧啶
O
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)
5-甲基尿嘧啶
嘌呤(purine)
N
NH2 N
N 7 8 9 NH
5 4
6 3 N
1N 2
NH N 腺嘌呤(adenine, A)
正超螺旋（表现为左手超螺旋）
DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态，双螺 旋中没有张力而处于松弛状态。如果这种正常双 螺旋额外增加或减少螺旋圈数，就会使双螺旋内 的原子偏离正常的位置而产生张力，这样正常的 双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。超螺旋总是向 着抵消初级螺旋改变的方向发展。
超螺旋结构分为正超螺旋和负超螺旋两种 正超螺旋：对于右手螺旋DNA分子来讲，向右捻， （进一步旋紧）双螺旋结构处于紧缠状态，螺 距、每圈螺旋碱基对数减小，DNA分子会形成 左旋的超螺旋抵抗外力对双螺旋结构的影响。 负超螺旋：对于右手螺旋DNA分子来讲，向左捻， （放松）双螺旋结构处于松缠状态螺距、每圈 螺旋碱基对数增大，DNA分子会形成右旋的超 螺旋抵抗外力对双螺旋结构的影响。
mono
DNA 磷酸 戊糖 磷酸 2-脱氧核糖
RNA 磷酸 核糖
嘌呤
嘧啶
A、 G
C、 T
A、 G
C、 U
核苷酸的衍生物 （1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸（腺苷三磷酸 )
NH2 N O O
-
N N N H H
O O
-
O O
-
P O
-
P O
-
P O
-
OCH2 H H
O
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P )
② 碱基对间的氢键:维持双链横向稳定性。
GC含量越多，越稳定
③静电斥力和离子键（盐键）：磷酸基上的负电 荷导致静电斥力不利于双螺旋结构的稳定， 磷酸基与介质中的阳离子或组蛋白之间形成离子 键则有利于双螺旋结构的稳定。
④碱基分子内能：内能大不利于双螺旋结构的稳 定。
Watson – Crick双螺旋结构模型的生物学意义 主要表现在以下两个方面： 1.它第一次提出了遗传信息的贮存方式—— DNA分子中的碱基顺序。 绝大多数生物（包括所有的细胞生物和部分病毒） 以DNA分子为遗传物质，只有部分病毒以RNA分子 为遗传物质。 2.它第一次提出了DNA复制的机理——每一条 DNA链的复制都以其互补链为模板。
负超螺旋 右旋
正超螺旋 左旋
生物体内大多数DNA分子都处于负超螺旋结构。
原核生物DNA、真核生物细胞器DNA ： DNA环状，直接形成超螺旋结构，或与蛋白质结合再形 成超螺旋结构的拟核。 螺旋结构 。
真核生物细胞核DNA： DNA线状，先与蛋白质结合成核小体，再形成超螺旋结构。
核小体：细胞内DNA与蛋白质结合而成的复合体 核小体的化学组成 DNA： 约200bp 组蛋白: H1
3、影响双螺旋结构稳定的因素 ① 碱基堆集力：碱基堆集成非极性的区域，相互 间产生疏水作用和范德华力 维持双链纵向稳定 性。 （稳定的主要因素）
3.4A°
(1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径)
由于碱基堆积力，使双螺旋内部形成一个强 大的疏水区(碱基呈疏水性)，消除了介质中 水分子对碱基之间氢键的影响，利于碱基之 间形成氢键。这是最主要因素。
（3）辅酶类核苷酸
一些核苷酸或其衍生物还是重要的辅酶或 者辅基的组成成分。 如： CoASH、 NAD+、NADP+、FMN、FAD等
（三）核酸的生物学功能 1、 DNA：遗传物质，遗传信息的载体。某些病毒 RNA也可作为遗传信息的载体。 2、RNA参与细胞内DNA遗传信息的表达（蛋白质的 合成）。 • 信使RNA（mRNA)：在蛋白质合成中起着模板作用 • 核糖体RNA（rRNA）：与蛋白质结合构成核糖 体，是合成蛋白质的场所 • 转移RNA（tRNA）： 在蛋白质合成时起着携带 活化氨基酸的作用 3、酶作用。
简写式
A G
竖线式 文字式
T G C T
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
如何区分DNA 与RNA?
（二）DNA的二级结构 1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。
4月25日
1、提出双螺旋结构模型的主要依据 （1）DNA的X-光衍射图谱分析
所有DNA分子中A=T，G=C
同一种生物的所有体细胞 DNA的 碱基组成相同，与年龄、健康状况、 外界环境无关，可作为该物种的特 征，用不对称比率 (A+T)/(G+C) 来 衡量。 亲缘越近的生物，其DNA的碱基 组成越近，即不对称比率越相近。
（3） DNA的碱基物理化学数据测定
酸碱滴定情况：DNA中的磷酸基可滴定，但碱 基上的氨基不能滴定。这说明氨基可能与羰基氧 原子形成氢键。 DNA中的嘌呤碱基比嘧啶碱基大一些。如果A 与T配对，G与C配对，从几何大小和键长键角来看 是合适的。 这些物理化学测定为Watson-Crick双螺旋模 型提供了有关A与T，G与C以氢键配对的依据。
O N
咪唑环和嘧啶环
NH
NH N 鸟嘌呤(guanine, G)
NH2
3、 核苷(ribonucleoside)
碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键(C-N 键)连接形成核苷（脱氧核苷）。
嘧啶核苷：C1′- N1
嘌呤核苷：C1′-N9
为了与碱基分子中的原子编号相区别，戊糖的碳原子编号
都要加上“´”，如1´，5´，2´等均表示核糖上的某个原