生物化学课件之核酸的结构和性质

NH 2 N
ON
HO CH 2 O HH
H
H
OH OH
syn-Cytidine
NH 2
N
N
NN
HO CH 2 O HH
H
H
OH OH
syn-Adenosine
NH 2 N
N
HO CH2 O HH
H
H
OH OH
anti-Cytidine
N
O
天然核苷：一般 为反式构象
NH 2 N
NN
HO CH2 O HH
核苷：一个字母：A、G、C、T、U 核苷酸：5’－AMP、pA、Ap
碱基、核苷、核苷酸的概念和关系
Pyrimidines
Purihes
CT
U
A
G
Cytosine Thymine Uracil
Adenine
Guanine
Phosphate
Nitrogenous base
核苷 酸
核苷 磷酸
Pentose sugar
结构，其间是单链形成的“环”。绝大多数tRNA 经过这样的折叠形成4个茎和4个环组成的特征性 三叶草形二级结构 •三叶草型（四臂四环）
四环 ：
二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环 、
Τ ψ C环、可变环
四臂 ：
二氢尿嘧啶臂（D臂）、反密码臂、
Τ ψ C臂、氨基酸臂
酵母tRNA Ala 的二级结构
3´
A Ala
O
H3C NH
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
NH
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
嘌呤(purine)
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
NH2
鸟嘌呤(guanine, G)
互变异构现象
O
C HN
ON H
uracil 酮式
H
H
OH OH
anti-Adenosine
——核糖核苷：腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷、胞嘧啶 核苷、尿嘧啶核苷
——脱氧核糖核苷：腺嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧 核苷、胞嘧啶脱氧核苷、胸腺嘧啶脱氧核苷
核苷
核糖核苷（核苷）：A、G、C、U 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT
（2）. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名
5′端 C
A
G 3′端
RNA DNA
， 一 级 结 构 示 意 图
（1）主链 核酸的主链骨架是磷酸和戊糖相间排列成的长链，
碱基挂在戊糖的另一侧。
（2）核酸分子的两个末端： 5’-OH末端(5’-末端)和3’-OH末端(3’-末端)
（3）一级结构的书写方向规定为5’-末端3’-末端
① 线条书写：竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G 表示不同的碱基，P代表磷酸基，由P引出的斜线 一端与C3’相连，另一端与C5’相连。
胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物，烯醇式酮 式 RNA中：胞嘧啶、尿嘧啶 DNA中：胞嘧啶、胸腺嘧啶 （2）嘌呤碱： 腺嘌呤、鸟嘌呤 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物，烯醇式酮式
嘧啶(pyrimidine)
O
5 4 3N 612
NH
NH2
N
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
A型结构 碱基平面倾斜20º，螺旋变粗 变短，螺距2～3nm。
Z型结构 左手螺旋，只有小沟
3、RNA二级结构
大多数RNA分子是一条单链 线形分子，只有局部区 域的碱基互补配对（A— U、C—G）构成双螺旋 结构。
一般来说，双螺旋区约占 RNA分子的50％。
tRNA的二级结构 半数碱基可经过自身回折，形成局部双螺旋“茎”
性状： DNA为白色纤维状固体， 而RNA为白色粉末。
一、核酸的溶解性
（1）溶解性： DNA、RNA微溶于水，常用乙醇作沉淀剂，使其从
溶液中析出。
核酸、核苷酸、碱基溶解度依次减小。
（2）0.14mol法－分离DNA蛋白和RNA蛋白的方法 核蛋白的溶解度与盐浓度有关，DNA在0.14mol/L的
NaCl中最低，仅为1％，几乎不溶；而RNA在 0.14mol/L的NaCl中较高。
应用X－光衍射分析已证明，核苷中 碱基与糖环平 面互相垂直。
核苷可以分为核糖核苷与脱氧核糖核苷。
核苷中戊糖与碱基的连接方式：
NH 2
N
N
9
N
N
HOH 2C
O
1'
H
H
H
H
OH
OH
腺嘌呤核苷 （adenosine）
NH 2
N
HOH 2C H
H
1 ON
O
1' H
H
OH
H
胞嘧啶脱氧核苷 （deoxycytidne）
1、DNA 二级结构——双螺旋结构模型 DNA双螺旋结构模型提出的依据 目前公认的DNA双螺旋结构模型的建立，主要有两
方面依据：
I 、DNA碱基组成的定量分析； II、DNA纤维和DNA晶体的X光衍射分析。 Wastson和Crick两人在1953年提出DNA分子双螺
旋结构模型。
（2）DNA双螺旋结构模 型的特征
基对（bp）的数量表示。 人类基因组：3×109 bp，30亿个，有3×104－3.5×104个
基因。
二、核酸的化学组成 元素组成：C、H、O、N、P P元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。 P－特征性元素
1、分类——核酸分DNA 和RNA
脱氧核糖核酸
90%以上分布于细胞核，其余分布于
(deoxyribonucleic acid, 核外如线粒体，叶绿体，质粒等。
tRNA必须识别相应的氨基酸和识别mRNA 上相应的密码子。
tRNA怎样识别 mRNA上相应 的密码子
RNA的三级结构
tRNA二级结构中突环上未配对的碱基， 由于RNA链的再度扭曲而与另一突环上 的未配对碱基相遇，形成新的氢键配对 关系，其结果是平面花形结构变成立体 花形结构。
tRNA的三级结构象一个倒写的L形字母。
DNA的三级结构－超螺旋
电
话 线
的 螺
旋
和
螺旋
超
螺 旋 超螺
旋
环状 DNA
右旋
人体每个体细胞DNA长2m, 细胞直径0.1mm,细胞核 0.05mm
反之，则为正超螺旋
自然界通常为负超螺 旋。
DNA形成三级结 构的意义何在？
负超螺旋 答案：压缩分子空间 固定
第三节 核酸的性质及研究技术
分子大小：DNA Mr 106～1010或更大 RNA Mr 104～106或更大
② 文字式书写：P在碱基左侧，表示P在C5’位置上， P在碱基右侧，表示P在C3’位置上。有时，P也可 以省略，这两种写法对DNA与RNA分子都适用。
书写方法
AGT GCT 5 P P P P P P OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
wenku.baidu.com、核酸的高级结构
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核苷酸
核苷酸衍生物
继续磷酸化
NH2
N
N
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH 三磷酸腺苷 (AATMP)P
ADP
ATP
核酸组分的表达方式
碱基：三个字母：腺嘌呤－Ade；鸟嘌呤－Gua； 胞嘧啶－Cyt；胸腺嘧啶－Thy； 尿嘧啶－Ura
三、核酸的紫外吸收
1、紫外吸收——由碱基的共轭体系决定 吸收光波长范围λ=240-290nm, 核酸及核苷酸测定：λmax=260 nm 原因：嘌呤、嘧啶的共轭体系，大π键引起的
2、定性测定——核苷酸、核苷、碱基 指标：max、min、A250/A260、A280/A260、
A290/A260
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）。
NH2
N O
核苷酸：
HO P HO CH2 O N O OH
AMP, GMP, UMP, CMP
脱氧核苷酸：
OH OH
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
核苷酸 = 核苷+磷酸 =戊糖+碱基+磷酸
腺苷酸
HH
脱氧腺苷酸
脱氧核苷酸
3、定量测定 核苷酸％＝ 比消光系数法：测核酸
例题：已知一条DNA链，求互补链的碱基组成。
5，—ATTGCTA—3， 3，—TAACGAT—5，
③ 螺旋参数：2nm，0.34nm，36，10个，3.4nm ④ 螺旋表面：大沟和小沟
（3）DNA双螺旋结构的稳定因素
1. 氢键：使四种碱基形成特异配对关系，G-C间可 形成3对氢键，A-T之间有两对氢键 。
①DNA的二级结构是双螺
旋结构，即两条多聚
核苷酸链围绕一个共
同轴，相互盘绕在一
起构成双螺旋，碱基
小 沟
在螺旋内部，碱基平
面垂直于右旋的螺旋
轴。螺旋结构中两条
链走向相反。
2.0 nm
大 沟
② 碱基配对 各种生物DNA碱基组成的定量测定，有如下规律： ——碱基等比定律 I、 所有DNA中A=T，G=C，因此A+G=C+T。 II、DNA的碱基组成具有种的特异性，但DNA没有
OH C N
HO N
uracil 烯醇式
DNA：A、G、C、T、（m5C）
RNA：A、G、C、U、（tRNA中有 10%左右的稀有碱基）
4、核苷酸——基本结构单位 核苷：
核苷由戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接， 糖环上的C1与嘧啶碱的N1或与嘌呤碱的N9相连 接，所以糖与碱基之间 连接键是N-C键，称为N －糖苷键。
DNA)
携带遗传信息，决定细胞和个
体的基因型(genotype)。
核糖核酸
分布于胞核、胞液。
(ribonucleic acid, RNA) 参与细胞内DNA遗传信息的表
达。某些病毒RNA也可作为遗
传信息的载体。
RNA——tRNA 、mRNA 、rRNA mRNA：(messenger RNA) 信使RNA
转录DNA上的遗传信息 并指导蛋白质的生物合成,是蛋白质的模板。
rRNA（ribosomal RNA) 核糖体RNA RNA总量的80% 是核糖体的骨架，蛋白质的合成产所。
tRNA：（transfer RNA)转移、转运、受体RNA RNA总量的15% 携带活化的氨基酸（转运）
核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又由碱基、戊 糖与磷酸组成。
二、核酸的解离 1、多价解离 核酸和核苷酸是两性电解质：
酸性基团（负电）——磷酸：解离程度高； 碱性基团（正电）——碱基，由于氢键配对而解离很少。
核酸呈多阴离子态，可看作酸性较强的多元酸。 核酸和核苷酸的等电点 DNA的pI约为4～5，RNA的pI约为2.0～2.5。
2、带电性 pH值决定带电荷情况，可利用离子交换层析分离。
核酸
核苷酸
水
解
磷酸
核苷
戊糖
碱基
2、核酸中的糖——核糖和脱氧核糖
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β-D2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 O OH HH
H
H
OH OH
D-核 糖
Ribose
HOCH2 O OH HH
H
H
OH H
D-2-脱氧 核糖
Deoxyribose
3、含氮碱基 （1）嘧啶碱：
组织和器官的特异性。生长发育阶段、营养状况 和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。
（提出A与T，G与C之间碱基互补的可能性：双螺 旋结构的重要依据）
氢键的数目：A与T ：三个； G与C：两个。
碱基成对规律→
当一条链的碱基顺序确定，则另一条必有相对应 的碱基顺序，但两条链的碱基组成和排列顺序并 不相同。
第十章 核酸的结构和性质
学习要点：
1、了解染色体、基因、核酸的概念及核酸的分类， 掌握核酸 化学组成。
2、掌握DNA、RNA 一级结构和二级结构，了解三 级结构。
3、了解核酸 溶解性、紫外吸收性、含量与纯度的 测定方法，掌握DNA变性与复性的性质。
第一节 概述
一、染色体、基因、DNA 染色体和基因 染色体的概念：每一条染色体包含一个线状DNA分子。 人类单倍体染色体数目：23 核酸：——DNA 和RNA 基因： 基因是有功能的DNA片段。为蛋白质提供编码。 基因组：一个物种中所有基因的整体组成。基因组一般用碱
C C 5´
氨基酸臂
DHU环
反密码子 G G C
可变环 TψC环 反密码环
遗传信息的传递路线： DNA mRMA 蛋白质
遗传密码 （genetic code）
密码子（codon）
tRNA的作用
tRNA接受氨基酸、携带氨基酸，把氨基酸转运 到核糖体上，然后按照mRNA上的密码顺序装配成多 肽或蛋白质。
戊糖 碱基
HOCH2
OH
HOCH2
OH
HO
H
Ribose (in RNA) Doxyribose (in DNA)
第二节 核酸的结构
一、核酸的一级结构： 1、一级结构的涵义： 核酸的一级结构是核苷酸排列顺序。包括核苷酸间连接键 （1）磷酸二酯键：3’、5’－磷酸二酯键
（2）一级结构：
5’ 3’ 5’ 3’
2. 疏水相互作用：轴向平行相邻的碱基平面自发地 相互靠近，从而使碱基缔合、层层堆积，形成了 碱基堆积力 ，它是使DNA结构稳定的主要力量。
3. 离子键：磷酸残基上的负电荷与介质中的正离子， 如Na+，K+，Ｍg＋等之间形成的离子键。
（4）DNA双螺旋结构类型
B型结构
Watson Crick DNA双螺旋结构