第五章核酸的化学

3、Z-DNA
里奇在研究d(CG)n的结构时发现的，磷酸 基在多核苷酸骨架上呈锯齿状排列，因此称ZDNA。 Z-DNA为左手双螺旋结构，只有一条 深的螺旋槽。
第二节 DNA分子的结构
三、DNA的比较
A-，B-，和Z-DNA的特性比较
第二节 DNA分子的结构
五、DNA的三级结构
在双螺旋结构的基础上，形成三级结 构：双链环形的超螺旋型(superhelix)和 开环型。环形就是DNA链首尾相连或称 共价闭合。超螺旋DNA 具有更紧密的结 构，当超螺旋DNA 的一条链上出现一个 缺口时，超螺旋结构就被松开，而形成 开环结构。
O PO
O
5'CH2 O
碱基
4' H
H 1'
H O3' 2'H H
5' A C T G C T 3'
A.核苷酸的连接方式
B.DNA的书写方式举例
第二节 DNA分子的结构
四、DNA的二级结构
1、双螺旋结构（B-DNA结构）要点 （1）由两条反平行的多核苷酸链，围绕着同一
个中心轴，以右手螺旋方式构成一个双螺旋 结构。 （2）疏水的嘌呤和嘧啶碱基平面叠于螺旋的内 侧，亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键 相连形成的骨架位于外侧。 （3）碱基平面与中心轴相垂直，糖环平面与纵 轴平行，与碱基平面几乎呈直角。
（ 2 ） 嘌 呤 碱 ： N9 均 有 氢 ， 存 在 于 RNA、DNA中
• 腺嘌呤(adenine) ：6-氨基嘌呤
• 鸟嘌呤 (guanine)：2-氨基，6-氧嘌呤
H C
N
C
HC
C
N
NH2
C
N
N
C
CH
N
HC
C
H
N
O
N CH
C
HN
C
N H
H2N C
C
N
N CH
N H
嘌呤
腺嘌呤
鸟嘌呤
第一节 核酸的化学组成
有酮式烯醇式结构两种，可互变。
O
C
HN
CH
C
CH
O
N H
酮式
OH
C
N
CH
C
CH
HO
N
烯醇式
第一节 核酸的化学组成
（1）嘧啶碱：N1均有氢，用于形成核 苷
– 胞嘧啶(cytosine)：2-氧-4-氨基嘧啶，存 在于RNA、 DAN 中。
– 尿嘧啶(uracil)：2，4-二氧嘧啶，只存 在于RNA。
– 胸腺嘧啶(thymine)：5-甲基尿嘧啶，只 存在于DNA。
– 稀有嘧啶碱：5-甲基胞嘧啶、5，6-二 氢尿嘧啶。
第一节 核酸的化学组成
嘧啶的结构
H C
N
CH
HC
CH
N
嘧啶
NH2
C
N
CH
O
C
HN
CH
O
C
HN
C CH3
C
CH
O
N H
胞嘧啶
C
CH
O
N H
尿嘧啶
C
CH
O
N H
胸腺嘧啶
第一节 核酸的化学组成
第二节 DNA分子的结构
2. 没有器官和组织的特异性，在同一 生物体内的各种不同器官和组织的 DNA碱基组成基本相似。
3. 在各种DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的 摩尔数相等，即A=T;鸟嘌呤与胞嘧 啶（包括5-甲基胞嘧啶）的摩尔数相 等，即G=C+m5C;因此嘌呤碱基的总 摩尔数等于嘧啶碱基的总摩尔数， 即A+G=T+C+mC。这个碱基摩尔比 例规律称为DNA的碱基当量定律。
腺苷酸环化酶
磷酸二脂酶
ATP ─────→cAMP ────→5’-AMP PPi
第一节 核酸的化学组成
环核苷酸结构
O CH2 O
A
H
H
H
OP
O
H OH
OH
3',5'－cAMP
O CH2 O
G HO CH2 O
N
H
H
H
H
H
OP
O
H OH
H O
H O
OH
P
O OH
3',5'－cGMP
2',3'－cNMP
O－
O－
O－
H
H
OH
H H
OH
AMP
ADP
AT P
第一节 核酸的化学组成
六、环化腺苷酸
重 要 的 有 3’ ， 5’ ， - 环 化 腺 苷 酸 （ cAMP ） ， 3’ ， 5’ ， - 环 化 鸟 苷 酸 （cGMP）， 许多激素（第一信使）是通 过cAMP、 cGMP起信号传递作用，称为 第二信使 。
第五章 核 酸(nucleic acid)
第一节 核酸的化学组成 一、戊糖 二、碱基 三、核苷 四、核苷酸 五、多磷酸核苷酸 六、环化腺苷酸
第二节 DNA分子的结构 一、DNA分子大小 二、DNA的碱基组成 三、DNA的一级结构 四、DNA的二级结构 五、DNA的三级结构 六、DNA的性质
第三节 RNA分子的结构 一、RNA的类型 二、RNA的碱基组成 三、RNA的结构
– 稀有嘌呤碱：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿 酸、咖啡碱
O
O
O
O
C
C
C
H
C
CH3
HN
CN
HN
CH
CN
HN
CH
C N C O H3C N
CN CH
HC
CN
N
H
C
CN
O
N H
H
C
CN
O
N H
H
C
CN
ON
次黄嘌呤
黄嘌呤
尿酸
CH3 咖啡碱
第一节 核酸的化学组成
三 、 核 苷 (nucleoside) ： 戊 糖 以 β-OH 与 一 个碱基缩合而成
第五章 核酸(nucleic acid)
第一节 核酸的化学组成 核酸→低聚核苷酸→核苷酸→磷酸+
核苷→戊糖 +碱基
两类核算的基本化学组成
第一节 核酸的化学组成
一、戊糖：是核苷、核苷酸及核酸分类的依据。
核糖 (ribose)：β-D-呋喃核糖，只存在于RNA中 脱氧核糖(deoxyribose) ：β-D-2-脱氧核糖，只存 在于DNA中
– 核糖核苷酸成键方式：2’,3’,5’. – 脱氧核糖核苷酸成键方式：3’,5 ’. – 核苷酸:腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）
胞苷酸（CMP）、 尿苷酸（UMP） – 脱氧核苷酸: 脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧
鸟苷酸（dGMP）、脱氧胞苷酸dCMP）、脱 氧 胸腺苷酸 （dUMP）。
第一节 核酸的化学组成
– 核糖核苷：存在于 RNA中，有腺苷
（A）、鸟苷（G）、胞苷 （C）、 尿苷（U）。
– 脱氧核苷：存在于 DNA中，有脱氧腺苷
（dA） 、脱氧鸟苷（dG）、 脱氧胞苷（dC）、 脱氧胸苷
（dT）。
第一节 核酸的化学组成
核苷的结构
NH2
C
N
C
HC
C
N
N CH
N
O
C
HN
CH
C
CH
O
N
CH2OH O H
第二节 DNA分子的结构
• 变性的因素：加热、酸碱、乙醇、丙酮 等有机溶剂、尿素、酰胺等试剂。
• 解链温度(melting temperature):DNA加热
DNA的前体。 – 鸟苷四磷酸（ppGpp）：参与rRNA合成的调
控 – 鸟苷五磷酸（pppGpp） – 高能磷脂键（~P）：键能大于33.49kJ/mol，
一般为8.37~12.56 kJ/mol
第一节 核酸的化学组成
多磷酸核苷结构
NH2
C
N
CN
CH
O
O
HC
CN
O
N
~ ~ O－ P O P O P OCH2 O
H OH
H H
OH
腺嘌呤核苷A
CH2OH O H
H OH
H H
OH
尿嘧啶核苷U
O
C
HN
CN
CH
C
CN
H2N
N
NH2
C
N
CH
C
CH
O
N
CH2OH O H
H OH
H H
H
脱氧鸟嘌呤核苷dG
CH2OH O H
H OH
H H
H
脱氧胞嘧啶核苷dC
第一节 核酸的化学组成
四、核苷酸(nucleotide) ：核苷中戊糖-OH 与磷酸所成的磷酸酯
HO C
HC OH
HC OH
HC OH
CH2OH D－核糖 直链式
CH2OH O H
H OH
OH H
H OH
β－D－核糖 呋喃式
HO C
CH2 HC OH
HC OH
CH2OH D－2－脱氧核糖
直链式
CH2OH O H
H OH
OH H
H H
β－D－2－脱氧核糖 呋喃式
第一节 核酸的化学组成
二、碱基(base) 主要有嘌呤碱、嘧啶碱，均
一个3’-端，DNA没有侧链，其延长方向总是向
3’延长，或5’→3’。
第二节 DNA分子的结构
O
O PO O
• DNA分子的一级结构图
5'CH2 O
碱基
4' H
H 1'
H 3' O
2'H H
ACT G CT
OPO
O
5'CH2 O
碱基
4' H
H 1'
H 3' O
2'H H
5' P P P P P P OH 3'
第二节 DNA分子的结构
左手螺旋Z-DNA(a）和右手螺旋B-DNA（b)的测试图
• 三B-DNA的结构
•
第二节 DNA分子的结构
(7) 维持DNA双螺旋结构的作用力:碱基堆积力, 氢键,离子键
2、A-DNA的结构
这种结构是螺旋每圈含11个碱基，呈右手 螺旋，只是碱基对平面与螺旋轴的垂直线有 19°偏差。B-DNA脱水即成A-DAN。RNA分 子的双螺旋区以及RNA- DAN杂交双连也具有 A-DAN相似的结构。
第二节 DNA分子的结构
一、DNA分子大小
天然存在的DNA分子很大，一般在106~1010。大 肠杆菌染色体由400万碱基对（bp)组成的双螺旋 DNA单分子，其分子质量为2.6×106,它外形很不 对称,长度为14 × 106nm,相当于1.4mm,而直径为 20nm,相当于原子的大小.黑腹果蝇最大染色体由 6.2 ×107 bp组成长2.1cm,多瘤病毒的DNA由 5100bp组成,长1.7μm(17000nm),最长的蛋白质 之一胶原蛋白,长度只有3000nm,足见DNA之 长.DNA有的呈双股螺旋线性分子，有些为环状， 也有少数呈单股环状。
第二节 DNA分子的结构
4.年龄、营养状况、环境的改变不影 响DNA的碱基组成。 绝 大 多 数 生 物 中 DNA 的 碱 基 组 成 符 合 碱 基 当 量 定 律 ， 这 是 Watson 和Crick提出DNA双螺旋结构的依据 之一。但也有些例外，如噬菌体 ΦΧ174的DNA是单链的，其A和T不 相等，G和C不相等。
第二节 DNA分子的结构 三、 DNA 的二级 结构图
DNA双螺旋结构示意图
两条链表示磷酸-糖链,横棍表示连接两条链的碱基对
第二节 DNA分子的结构
•三 • DNA的二级结构图
•
DNA中多核苷酸链的一部分示意图
DNA中的A=T,C=G配对
第二节 DNA分子的结构
（4）每个平面上由两个碱基形成碱基对(base pairing, bp)。相邻碱基平面在螺旋轴之间的距 离为0.34nm 旋转夹角为36°，沿中心轴每旋转 一周有10个核苷酸，螺旋的螺距是3.4nm。直 径是2nm。
第二节 DNA分子的结构
三、DNA的一级结构
•
核酸的一级结构是指多核苷酸链中各核苷
酸之间的连接方式，核苷酸的种类数量，以及
核苷酸的排列顺序。
•
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四
种脱氧核糖核苷酸，通过3’，5’，-磷酸二酯键
(phosphodiester band)，彼此连接起来的直线或
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环状分子。形成的核苷酸链都具有一个5’-端和
第二节 DNA分子的结构 • 三、DNA的三级结构比较
DNA三级结构模式图
（a）直线型双螺旋结构；（b）开环型结构；（c）闭合环超螺旋结构
第二节 DNA分子的结构
六、DNA的性质
1、粘度 天然DNA分子的长度可达到几个cm，
而分子的直径只有2 nm，所以即使是极 稀的DNA溶液，也有极大的粘度。RNA 的粘度要小得多，当核酸溶液因受热或 在其他因素作用下发生螺旋→线团转变 时，则粘度降低。
第二节 DNA分子的结构
二、DNA的碱基组成
DNA分子中的碱基主要是由腺嘌呤、鸟嘌 呤、胞嘧啶、和胸腺嘧啶四种碱基组成，此外， 也 含 有 少 量 的 稀 有 碱 基 ， 如 5- 甲 基 胞 嘧 啶 （m5C）和5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）等。各种 生物的DNA的碱基组成具有如下规律：
1、具有种的特异性，来自不同种生物的 DNA其碱基组成不同，而且种系间愈接近的生 物，其碱基组成也愈接近。
（5）双螺旋的链之间沿中心轴形成大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。
（6）两条链彼此依靠碱基对之间形成的氢键而 结合在一起，A与T相结合，形成两个氢键；C 与G相结合，形成三个氢键。碱基之间相互匹 配的情形称为碱基互补。当一条多核苷酸链的 碱基顺序确定以后，可推知另一条互补链的碱 基顺序。
第二节 DNA分子的结构
2、变性
– 定义：DNA的变性是指双螺旋结构分 开，成为两条单链的DNA分子，这个 过程分别称为DNA分子的变性。
– 变性的本质:是因为维系碱基配对的氢 键断裂，并不涉及核苷酸间共价键的 断裂。两条链彼此分离，形成无规则 线团。
– 变性的表现：生物活性的丧失，粘度 下降，紫外光吸收值增加，沉降系数 增加，比旋下降。
核苷酸结构
NH2
C
N
CN
CH
HC
CN
N O
HO P OCH2 O
OH
H
H
OH
H H
OH
5'－腺苷酸
O
C
HN
C
C
C
O H2N
N
N CH
N
HO P OCH2 O
OH
H
H
H OH
H H
5'－脱氧鸟苷酸
第一节 核酸的化学组成
五、多磷酸核苷酸
– 核苷一磷酸（NMP） – 核苷二磷酸（NDP）：UDP、CDP – 核苷三磷酸（NTP）：传递能量，合成RNA、