核酸的结构

• 稳定DNA双螺旋结构的主要力量:
• 1.碱基堆积力（base stacking power）：邻 近碱基平面间的碱基堆积力即Van der Wall‘s力和疏水作用。 • 2. 氢键：链与链间碱基对所形成的氢键对 稳定DNA双螺旋结构也有重要作用。 • 3. 离子键 ：DNA分子表明的正、负电荷与 周围介质中的离子所形成的离子键
• 硷基配对使两条链间紧密连接在一起， 两条链间相互称为互补链。所以，一旦 DNA分子一条链的碱基序列确定以后， 就可推出另外一条链上的碱基序列。 • 由于碱基对都是由一个嘌呤和一个嘧啶 组成，所以每碱基对的长度大致相等， 螺旋是一平滑的圆柱型； 4.螺旋直径为2nm，同一条链内碱基平面 与碱基平面之间相距0.34nm，每圈螺旋 有10个碱基，螺距3.4nm。
④磷酸
以磷脂键与核苷中戊糖的第五位碳原子相连。连 接后的结构即是核苷酸。通常称5`-核苷酸。如果 磷酸与核苷中核糖的2`-羟基生成磷脂键，则称为 2`-核苷酸；如果磷酸与核苷中核糖或脱氧核糖的 3`-羟基生成磷脂键，则称为3`-核苷酸。
在5`-核苷酸或5`-脱氧核苷酸的磷酸末端羟基 与第二个磷酸以磷酸脂键相连，则为5`-核苷二 磷酸或5`-脱氧核苷二磷酸，通常称为核苷二磷 酸或脱氧核苷二磷酸。如果核苷酸或脱氧核苷 酸的核糖的5-羟基上连有三个磷酸，则为核苷 三磷酸或脱氧核苷三磷酸。
化学组成
• 研究生物大分子化学组成的方法是：将 大分子物质在一定的条件下水解；鉴定 水解后的产物是属于什麽类型的物质。 • 所以研究核酸也是采用的水解法，常用 酸、核酸酶对核酸进行水解。
DNA彻底水解产生碱基、脱氧核糖和磷 酸。碱基包括：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌 呤、胸腺嘧啶四种硷基、 RNA彻底水解产生碱基，核糖和磷酸。 碱基包括：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、 尿嘧啶四种。
2 核苷二磷酸和核苷三磷酸
3．二核苷酸和多聚核苷酸
一个核苷酸核糖或脱氧核 糖上的3`羟基与另一个核 苷酸的5`磷酸基团以磷酸 酯键相连形成二核苷酸或 脱氧二核苷酸，三个核苷 酸依次形成三核苷酸或脱 氧三核苷酸，多个核苷酸 则形成多核苷酸或脱氧多 核苷酸。通常两个核苷酸 之间的连接键称3`,5`-磷酸 二酯键。
多核苷酸以链状存在，称为多核苷酸链。核苷酸 链通常有两个末端：3`端和5`端。5`端通常含有一 个磷酸基团，3`端通常含有一个羟基。多核苷酸 链也就有了顺序，在书写核苷酸链的顺序时，规 定是由5`端（左）到3`端（右）。DNA由多核苷 酸链组成。
字母式缩写:
由于核苷酸链的差别仅在于其碱基顺序， 因此，在书写核苷酸链时，只用碱基的缩写符 号来表示相应的核苷酸。如一核苷酸链序列为 ACGATTC，则表示该核苷酸链序列依次由脱 氧腺苷酸残基、脱氧胞苷酸残基，脱氧鸟核苷 酸残基，脱氧腺核苷酸残基，脱氧胸苷酸残基， 脱氧胸苷酸残基和脱氧胞苷酸残基组成。其 5ˊ- 端是脱氧腺苷酸残基，它含有游离的5ˊ磷酸基，3ˊ- 端是脱氧胞苷酸残基，它含有游 离的3ˊ- 羟基。 ACGATTC的左端表示5`端 ,右端表示3`端。
•
第二节 DNA的结构
一、DNA的一级结构 由脱氧核苷酸构成的脱氧多核苷酸链 是DNA的一级结构； 一级结构的要素包括：硷基顺序， 这 个顺序从链的5`端到3`端； 3`,5`磷酸二 酯键，核苷酸残基之间的连接键。 所有的核苷酸链除了硷基顺序不同而 外，磷酸-戊糖的骨架是完全相同的。
DNA分子的碱基组成规律：
核酸分子生物学
基础医学院 生物化学教研室
第一章 核酸的简介
核酸(Nucleic Acids)包括脱氧核糖核酸
(Deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸 (Ribonucleic acid，RNA)两类。 分布：DNA分布在细胞核和线粒体。 RNA分布在胞液和细胞核。 功能：DNA的主要功能是贮存遗传信息， RNA的主要功能是传递遗传信息。
1950年，Chargaff等人总结出了DNA分子的碱基组成规律： 1．来自不同种生物的DNA，4种碱基的含量和比例是不同的， 即每种生物的DNA具有自己特定的碱基组成 2. 所有生物DNA的碱基组成规律（Chargaff规则）是: 1)腺嘌呤的摩尔含量等于胸腺嘧啶的摩尔含量（即A=T），腺 嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔比接近1（A/T≈1.0）。 2)鸟嘌呤的摩尔含量等于胞嘧啶的摩尔含量（即G=C）鸟嘌呤 与胞嘧啶的摩尔比接近1（G/C≈1.0）。 3)嘌呤的摩尔总量等于嘧啶的摩尔总量（A+G= T + C），也就 是嘌呤与嘧啶的摩尔比接近1[（A+G）/（T+C）≈1.0]。
• 来源于不同生物的组蛋 白十分相似：H3和H4的 氨基酸成分十分接近， 102个氨基酸残基中，只 有1个或2个不同。
• 牛的H4和豌豆的H4只有 两个氨基酸不同一个精 氨酸取代了赖氨酸；另 一个异亮氨酸取代了缬 氨酸。
• 组蛋白是十分保守，在 生物的进化上，从动物 与植物分离到今已有109 年，但组蛋白的结构并 没有变化。
核酸 ↓ 核苷酸 ↓ 核苷 ↓ 碱基 戊糖 磷酸
核酸的基本结构单位是核苷酸。 DNA中核苷酸为脱氧核苷酸；RNA中
的核苷酸即称为 核苷酸。
它们的主要区别在于戊糖的2ˊ位上是
否有羟基，2ˊ位上有羟基者称为核苷 酸；而2ˊ位上没有羟基者称为脱氧核 苷酸。
第一节 核酸的化学和分子组成
一、核酸的化学组成 有5种化学元素参与组成核酸；它们是N， H，O，C，P。其 P占分子量的10%。
B型DNA和Z型DNA的结构
• 具有上述特征的DNA是 B型DNA（B-DNA）， 它是DNA钠盐在相对湿 度为92%时的一种状态， 也是DNA在极性溶液中 最稳定的结构。 • 1979年，Rich等人发现， 有左手螺旋的DNA存在， 由于左手螺旋结构呈Z 型，故又称为Z-DNA。
• 如果双股的六核苷酸CGCGCG的溶液中 NaCl 超 过 2moles/L 或 MgCl2 超 过 0.7moles/L时，螺旋变成左手螺旋，这时 的螺旋即 Z-DNA。 B型和A型DNA 都是 右手螺旋。Z-DNA的糖-磷酸的骨架走成 之字形，每圈有十二对碱基，在螺旋的 表面只有一条沟；这种螺旋不仅限于多 聚(dG.dC)可以形成，其它的嘌呤和嘧啶 交 替 的 脱 氧 多 聚 核 苷 酸 都 可 以 形 成 ZDNA。用荧光抗体技术可以显示Z-DNA 区域在动物的染色体上
核小体
核心粒子由组蛋白的 8聚体和140bp DNA在8聚体上绕1.75圈而成。8聚体由 组蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子聚 合而成。 • 组蛋白是非常硷性的蛋白质。 • 共有5种类型 • H1、H2A、H2B、H3、H4
组蛋白（Histones）
• 组蛋白含有特殊的氨基酸成分， 即富含带正电荷的氨基酸：赖氨 酸和精氨酸 各种组蛋白所含的赖氨酸和精氨 酸的比例各不相同，但带正电荷 是组蛋白的主要特征，使它们能 与DNA的带负电荷的磷酸基团相 结合。 • 组蛋白和核酸的结合可用高浓度 的盐溶液（0.5mol/L NaCl)破坏。 它破坏组蛋白和核酸之间的静电 作用，使它解开成游离的组蛋白 和游离核酸。
不同来源DNA的碱基组成
碱基组成 %A %G %C %T A/T G/C 嘌呤总数 /嘧啶总数 人肝 30.3 19.5 19.9 30.3 1.00 0.98 0.99 胡萝卜 26.7 23.1 23.2 26.9 0.99 1.00 0.99 大肠杆菌 23.8 26.0 26.4 23.8 1.00 0.98 0.99 λ噬菌体 26.0 23.8 24.3 25.8 1.01 0.98 0.99
二、核酸的分子组成
1 核苷酸 核苷酸是组成核酸分子的基本结构单位， 即构件分子。 最简单核苷酸通常是含有一 个含氮碱基、一个戊糖、一个磷酸物质。 ①含氮碱基：属于杂环化合物。 主要有两大类，含九个原子组成双环结构 的嘌呤碱基，由六个原子组成单环结构的 嘧啶碱基。
嘌呤的结构
嘧啶(Pyrimidine)的结构
③核苷
• 核苷：含氮碱基与戊糖之间通过糖苷键 相连形成的结构。
嘌呤碱基的第九位N原子与戊糖的第一位C原子相 连。腺嘌呤形成的核苷叫腺苷或脱氧腺苷；鸟嘌 呤形成的核苷叫鸟苷或脱氧鸟苷。 嘧啶碱基是其第一位N原子与戊糖的第一位C原子 相连。胞嘧啶、胸腺嘧啶、Fra Baidu bibliotek嘧啶形成的核苷叫 胞苷或脱氧胞苷、胸苷或脱氧胸苷、尿苷或脱氧 尿苷。
DNA的二级结构
• 对DNA的研究表明：DNA分子是一个延伸的 高度有序的结构。 • 物理分析DNA的最重要的技术是X-射线衍射 技术。应用该项技术可以获得DNA不同部分 的三维结构和原子排列的信息，其中最重要 的是DNA分子呈螺旋状；核苷酸的碱基以平 面相重叠，碱基平面间的距离是3.4Å。 • 用化学分析从不同物种获得DNA的碱基成分， 得到了[A]=[T]；[G]=[C]。[]表示碱基的克分 子浓度。
参与DNA结构的有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、 胸腺嘧啶；参与RNA组成的主要有腺嘌呤、 鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。以上为常见碱基。 RNA还含有其它碱基。这些碱基含量很少， 故又称稀有碱基。例如次黄嘌呤、二氢尿嘧 啶、5-甲基胞嘧啶等。
②戊糖：
戊糖是5碳糖。 参与DNA组成的是2-脱氧核糖； 参与RNA组成的是核糖。
4．核苷酸的生理功能
核苷酸dNTP是合成DNA、NTP是RNA的原料 ATP是生物体内能量的直接供体。 cAMP、cGMP是信号从细胞膜传递到细胞内 的载体，又称第二信使。 某些二核苷酸是体内许多酶的辅酶，是酶活性 必不可少的。在物质代谢上起重要的作用。 例如FAD、FMN、NAD+、NADP+等。 在体内的合成代谢中，核苷酸参与许多物质的 合成。例如UDPG，UDPGA、CDP-胆碱、 CDP-乙醇胺等。
75%(钠盐) 92%(钠盐) 66%(锂盐)
Z-DNA 左手 12 0.37 4.5 7° 1.8 -
三、DNA的三级结构
• DNA的三级结构为超螺旋结构。 • 真核细胞染色质的核小体即含有DNA的 超螺旋结构：核小体由核心粒子和连接 DNA组成。 • 核心粒子由组蛋白八聚体构成核心，外 面缠绕DNA链。
DNA的双螺旋结构
2. 磷酸-糖的骨架在螺 旋的外面，而碱基在 螺旋的内部。螺旋表 面有大沟和小沟。 3. 碱基平面垂直于中 心轴，相邻碱基并非 完全重叠，而相邻碱 基平面错开约20°
4. DNA双螺旋结构中的硷基配对
• DNA分子的两条链间严格按碱基配对，即A配T， G配C（称为碱基配对规则）。对应碱基间形成 氢键（hydrogen bond），A-T间有2个氢键，GC间有3个氢键，
当相对湿度或盐的种类不同，DNA还可有其它的 类型如A-DNA。B-DNA与A-DNA在溶液中可以 互变，处于动态平衡，而盐浓度可影响其平衡点。
A、B、C、Z-DNA的主要特征比较
螺旋方向
每圈螺旋碱基数
碱基间距离(nm)
螺距(nm) 碱基平面倾斜 螺旋直径(nm) 相对湿度
A-DNA B-DNA C-DNA 右手 右手 右手 11 10 9 0.255 0.34 0.34 2.8 3.4 3.1 20° 6° 6° 2.3 2.0 2.0
James Watson和Francis Crick结合化学 的和物理的资料提出： 1. DNA分子中存在两股核苷酸链相互盘 曲形成一双股的右手螺旋，即双螺旋 结构 1）两股核苷酸链的方向是不同， 即逆向的，一股的3`端与另一股的5`端 相邻近，在一条线状DNA双螺旋的每 一个端点都有一个5`磷酸的末端和一 个3`-OH的末端。2）两股核苷酸链是 平行的。3）右手螺旋。
3.同一种生物的不同组织细胞的DNA， 都有相同的碱基组成
来自同一种生物的不同组织器官的 DNA，都有相同的碱基组成，或者说同 种生物的DNA碱基组成没有组织器官的 特异性， 这种恒定的碱基组成一般不受年龄、 营养和环境条件变化的影响。
同一种生物的不同组织器官细胞的DNA 含量相等。 但生殖细胞的DNA的量。只有体细胞 DNA含量的一半.