核酸的结构与功能

double helix：The natural coiled conformation of two complementary, antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs.
目录
一、DNA的二级结构是双螺旋结构
C5
β1’
目录

核苷酸(ribonucleotide) AMP, GMP, UMP, CMP
脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
N H2
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'
OH
核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸 (ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。
Rosalind Franklin
目录
Watson and Crick's 1953 Nature paper proposing a double helix structure for DNA
Structure for Deoxyribose Nucleic Acid 2 April 1953 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS
5 4 N
O
NH
6 1 NH
NH2
3 2
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)

戊糖
CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
HO
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成
核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷
酸3种成分以共价键依次连接而成。
目录
核酸的化学组成
元素组成
C、H、O、N、P（9%~10%） 分子组成
—— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
—— 戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖
—— 磷酸(phosphate)
目录
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
目录
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)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine，Py)
[A] = [T]，[G] = [C]

获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。 提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。
目录

不同生物来源DNA碱基组分和相对比例
A G C T A/T G/C G+C 嘌呤/嘧 啶
大肠杆 26.0 菌
24.9
25.2
23.9
1.09
5 的 α- 磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键 (phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了 具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷 酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。
5´-末端
C
磷酸二酯键
A
磷酸二酯键 G
3´-末端
目录
5´-磷酸基团
OO P OH O CH 2 O H O
碱基
DNA链的方向是5 → 3
H H H
O O P OH O CH2 H
碱基
核酸方向
O H H H
交替的磷酸基团和戊 糖 构 成 了 DNA 的 骨 架 (backbone)。
O
碱基
CH2 O H H H H H
3´,5´-磷酸二酯键
O
P O-

碱基堆积作用力
（三）DNA双螺旋结构的多样性
Z
目录

三种DNA构型的比较
旋向 螺距 碱基数 螺旋直径 (nm) （每圈） （nm） 2.3 11 2.5 骨架 走行 平滑 存在条件 体外脱水
A型 右手
B型 右手
3.4
10
2.3
平滑
DNA生理条件
Z型 左手
4.5
12
1.8
锯齿型
CG序列
目录
目录
目录

大沟与小沟
2.DNA双链之间形成了互补碱基对 碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对 (complementary base pair)。 DNA 的 两 条 链 则 互 为 互 补 链 (complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。
3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋 结构的稳定。 相邻两个碱基对会有重叠， 产生了疏水性的碱基堆积力 (base stacking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的 氢键共同维系着 DNA 结构的 稳定。
(oligonucleotide) 。自然界中的 DNA 和 RNA 的
长度可以高达几十万个碱基。
第二节 DNA的空间结构与功能
Dimensional Structure and Function of DNA

DNA的空间结构(spatial structure) 构成DNA的所有原子在三维空间 具有确定的相对位置关系。 DNA 的空间结构又分为二级结构 (secondary structure)和高级结构。
NH2 N
NH2
N
N HO CH 2
HOH2C O H H H
N
1
O N O
N
1´
OH
H
H
糖苷键
反式脱氧腺苷
OH H OH
嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖 苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。
目录
“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核
苷。
假尿苷（ψ） β1’,C5-糖苷键
目录

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

P O-

P O-

P O-
O
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)
目录

核苷酸衍生物
环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信 号转导中的第二信使。

DNA二级结构
B-DNA helix： A right-handed double helix with the following characteristics: the two strands are antiparallel; the bases are inside the helix and the phosphates and deoxyribose sugars are on the outside; adenine forms hydrogen bonds with thymine, and guanine forms them with cytosine; the bases in each pair are coplanar; there are 10.4 residues per turn, with a pitch of 35 Å.
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
目录
H H H
三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键 的线性大分子
RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形 成的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。
目录
5′端
四、核酸的一级结构是 核苷酸的排列顺序
Watson and Crick: 1953年提出双螺旋结构模型, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
（一）DNA双螺旋结构的研究背景
Chargaff 规则

不同生物种属的DNA的碱基组成不同
同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成 相同。
（四）DNA的多链螺旋结构

Hoogsteen氢键 可与鸟嘌呤的 N-7 原子形成氢键；同时，胞嘧 啶的 N-4 的氢原子也可与鸟嘌呤的 O-6 形成氢 键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。
在酸性的溶液中，胞嘧啶的 N-3 原子被质子化，
Hoogsteen 氢键，不破坏 Watson-Crick 氢键， 由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。
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 核酸的化学组成及其一级结构
The Chemical Component and Primary
Structure of Nucleic Acid
核酸的基本结构单位是核苷酸
核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。
0.99
50.1
1.04
结核杆 15.1
菌 酵母 牛 31.7 29.0
34.9
35.4
14.6
1.03
0.99
70.3
1.00
18.3 21.2
17.4 21.2
32.6 28.7
0.97 1.01
1.05 1.00
35.7 42.4
1.00 1.01
目录
1953 年 由 Wilkins 研 究 小 组 的 Rosalind Franklin 获得了高质量的 X 线衍射照片，显 示出 DNA 是螺旋形分子，从密度上也提示了 DNA为双链分子。
目录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 (antiparallel) 。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺 旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm， 螺距为3. 4nm。
脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋 结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟 (major groove) 和一个小沟(minor groove)。
NH2 N O CH2 N O N N
cAMP
O P OH O OH
体内重要的核苷酸衍生物

含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP
NAD+
NADP+
目录
二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键 连接形成的大分子
一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸
定义
C
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。
3′端
A
G

书写方法：
A G 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
核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目 来表示。 小 的 核 酸 片 段 (<50bp) 常 被 称 为 寡 核 苷 酸

核酸组成
核酸 (DNA和RNA) 核苷酸 磷酸 戊糖 核糖 脱氧核糖 核苷和脱氧核苷 碱基 嘌呤 嘧啶
目录
一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位
分子组成
碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)

碱基 碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
第二章 核酸的结构与功能
重点、难点： 基本概念:核苷酸 ,DNA、RNA, Tm等 DNA双螺旋结构模型的要点； mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能； DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其 应用。
目录

核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，
携带和传递遗传信息。
目录

三链结构
目录

四链结构
H N N H H N N N N N O H H N N O H H H N N O N N N H N N N N N H
G G
• 1869 Miescher isolated DNA for the first time. • 确定了生物遗传 的物质基础是 DNA
目录

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。
脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)
核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)

核苷
NH2 N N
AR, GR, UR, CR
N 9 N
NH2 N
糖苷键
HO CH 2 O
1
N O
CH2OH O H H OH
H 2'
1' H H
1´
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(ribonucleoside)。
目录
O
OH OH

脱氧核苷
dAR, dGR, dTR, dCR