第2章 核酸的结构

第2章核酸的结构NucleicAcid核酸（DNA和RNA）是线性多聚核苷酸，基本结构单元是核苷酸DNA与RNA结构相似，组成成份上略有不同核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸一、核苷酸（nucleotide)（一）碱基嘌呤碱：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)嘧啶碱：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)稀有碱基：

嘌呤环

嘧啶环（1）嘌呤碱AG（2）嘧啶碱(uracil)(cytosine)(thymine)RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A

胺式亚胺式互变异构碱基中酮基和氨基，受溶剂酸碱度和离子的影响酮式烯醇式互变异构（3）稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶

都是基本碱基的化学修饰型（二）核苷：核糖+碱基DNA含β-D-2-脱氧核糖RNA含β-D-核糖核苷nucleoside糖与碱基之间的C-N键：C-N糖苷键，且都是β糖苷键。C1——N1（嘧啶）C1——N9（嘌呤）碱基与糖环平面垂直。核苷nucleoside糖苷键核苷nucleoside

稀有核苷：1、2’-0-甲基-核糖-核苷2、稀有碱基DHU3、假尿嘧啶核苷假尿苷，pseudouridine，ψ5（三）核苷酸磷酸碱基戊糖H2OH2O碱基磷酸戊糖核苷键酯键核苷酸碱基连接（核苷键）酯键（对DNA为H）1`2`3`4`5`八种核苷酸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（四）核苷酸的衍生物生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP的性质是重要的能量转换中间体ATP含两个高能磷酸键：水解时可释放大量自由能，推动体内各种需能反应。ATP也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。

(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)生物体内游离存在，也是一种高能化合物具有类似ATP的结构主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在许多情况下,ATP和GTP可以相互转换（3）cAMP和cGMPcAMP3’,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：pH7.4时水解能约为43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。二、核酸的共价结构DNA一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序。

(核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）（一）DNA的一级结构脱H2O脂键相连3`，5`-磷酸二酯键首尾3`5`（1）核苷酸间以3′-5′磷酸二酯键相连（2）一端称为5′-磷酸端（5′-P表示）一端称为3′-羟基端（3′-OH表示）（3）多聚核苷酸链具有方向性，表示时，需注明方向：5′→3′或是3′→5′DNA一级结构的简写形式戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOHpApCpTpG-pA-C-T-G核苷酸顺序又称碱基顺序（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C][嘌呤碱]=[嘧啶碱]

已知核酸的化学结构

DNA纤维的X-射线衍射图谱分析

三、DNA的高级结构DNA碱基组成具有：生物种的特异性；

DNA的四种含氮碱基组成具有物种特异性。即四种含氮碱基的比例在同物种不同个体间是一致的，但在不同物种间则有差异。无组织/器官特异性；不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。Chargaff规则：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥如G:TDNA一股的核苷酸序列与另一股的序列

互补：A-T、G-CFranklin,RosalindElsie(1920-58),Britishbiophysicist.BorninLondon,shewaseducatedinphysicalchemistryatNewnhamCollege,Cambridge.FranklinconductedX-raydiffractionstudiesonthestructureoftheDNAmolecule,thecarrierofhereditaryinformation,whileworkinginthelaboratoryofBritishbiophysicistMauriceWilkins.ThisworkenabledAmericanbiochemistJamesDeweyWatsonandtheBritishFrancisCricktodeterminethehelicalstructureoftheDNAmolecule.

★DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析Franklin(二)DNA二级结构—B型双螺旋JamesWatson(left)andFrancisCrick,1953大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B型小沟大沟5`3`5`3`反向、平行、右手螺旋2链间碱基配对相连每10个碱基对螺旋上升一周疏水碱基位于内部相邻碱基平面互相平行，垂直于螺旋轴（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕，为右手螺旋。1、结构特征（2）碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧，通过3’，5’－磷酸二酯键构成骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm。（3）主要参数双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角36°，每圈螺旋含10个核苷酸，螺距3.4nm。（4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。

A＝TG≡C（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。2、稳定双螺旋结构的因素DNA分子中碱基的堆积可使碱基缔合，称为碱基堆积力，碱基堆积力是由于杂环碱基的П电子间相互作用引起，DNA分子中碱基层层堆积，在其内部形成一个疏水核心

3、DNA双螺旋结构的多样性DNA的类型类型结晶状态螺距碱基距离每圈旋转

(nm)(nm)bp数方向

A相对湿度75%2.80.25611右手

DNA钠盐B相对湿度92%3.40.3410右手

DNA钠盐C相对湿度66%3.10.3329.3右手

DNA锂盐Zd(GCGCGC)4.440.3712左手1、DNA双螺旋通过扭曲或再次螺旋就构成了DNA的三级结构

2、超螺旋是DNA三级结构的主要形式3、超螺旋的形成与分子能量状态有关

（三）DNA的三级结构1、DNA超螺旋结构形成原因由于某种原因使双螺旋多旋转或少旋转几圈，这样双螺旋内的原子偏离正常位点，产生额外张力，能量增大。如果双螺旋末端是开放的，这种张力可通过链的转动释放出来，DNA就恢复到原来正常状态。如果螺旋双端是闭和或固定（不能转动），那么这些张力就不能释放出来，只能在DNA分子内部，使原子位置重新排列，这样使得DNA发生扭曲，即超螺旋结构。2、生物体内的超螺旋结构在细菌、真核生物中的环状DNA，叶绿体DNA是超螺旋结构。生物的细胞核内DNA是线形双螺旋DNA，当两端固定时，可形成，例如：人的染色体DNA与组蛋白结合，成环状DNA，形成核小体，许多核小体串联在一起，再经过反复折叠缠绕、压缩形成超螺旋结构。

正超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋，在外力往紧缠的方向捻转时，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外力捻转造成的胁变。这样形成的螺旋为正超螺旋。

负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在外力向松缠的方向捻转时，产生一个右旋的超螺旋以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为负超螺旋。MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA负超螺旋正超螺旋真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构（四）DNA与蛋白质的复合体1、染色体染色体是DNA的载体①DNA可通过复制遗传给下一代人体23对染色体,分别来自于父母复制后的染色体（H2A、H2B、H3、H4）2

DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA是遗传信息的物质基础三、RNA的结构核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连形成的长链（一）RNA的一级结构RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA的种类、分布、功能研究最多：tRNA、rRNA、mRNA及一些小分子RNA1、tRNA分子特点：蛋白质生物合成过程中转运氨基酸约由73－93个核苷酸组成碱基中有较多稀有碱基分子中含有较多的修饰成分（10-20%）3’-末端都具有－CCA－OH的结构5’-末端磷酸化，常为G（pC）RNA一级结构特点假尿苷，pseudouridine，ψ51tRNA的二级结构tRNA的功能：

结合活化氨基酸（3´-CCA-OH）搬运氨基酸到核糖体识别mRNA密码子参与蛋白质的翻译①5´末端帽子结构：m7GpppN（7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸）②3´末端有多聚腺苷酸尾巴结构（polyA）③单顺反子（一条mRNA链上有一个编码区）2、mRNA一级结构的特点：帽子结构5´5´5′帽子密码子3′polyAm7Gppp-AUGGUG……………UAAAAAA…AA5′端非翻译区编码区3′非翻译区真核生物mRNA的共价结构帽子结构：识别翻译起始

polyA：维持mRNA的稳定性

与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关

新合成的mRNApolyA较长，衰老的mRNApolyA较短功能极大多数真核细胞mRNA在3’-末端有一段长约200核苷酸的polyA。与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA,．polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短5’–帽子，与蛋白质的起始合成有关。原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。多顺反子mRNA(polycistronicmRNA)：一条mRNA链上有多个编码区（2）原核细胞mRNAmRNA的功能★蛋白质合成的模板（传递DNA的遗传信息；指导蛋白质的合成）*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA3、rRNA一级结构特点rRNA的功能1、与核糖体蛋白共同构成核糖体，成为蛋白质合成场所。（作为核糖体的骨架）2、在蛋白质合成中，核糖体起“装配机”的作用，无论mRNA或tRNA，都必须与核糖体中相应rRNA结合，氨基酸才能有序进入，肽链合成才能启动和延伸（催化肽键的形成）

RNA通常是单链线形分子自身回折形成局部双螺旋（二级结构）进而折叠（三级结构）多数形成核蛋白复合物（四级结构），如核糖体、拼接体、编辑体等。

RNA病毒是具有感染性的RNA复合物（二）、RNA的高级结构RNA中的碱基配对原则

A-U

G-CA-U

G-C双螺旋区每个螺旋区至少有4-6对碱基才能保持稳定①氨基酸臂：由7对碱基组成，富含G，末端为CCA，接受活化氨基酸②二氢尿嘧啶环（D环）：

由8－12个核苷酸组成③反密码环：识别密码子④额外环：大小是tRNA分类的重要指标⑤假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环（TΨC环）1、二级结构（一）tRNA的高级结构tRNA的三叶草型二级结构123叶子反密码子环

反密码子载运氨基酸臂稀有碱基D环TψC环额外环四环四臂2、tRNA的三级结构TΨC环氨基酸臂反密码环二氢尿嘧啶环tRNA的三级结构：倒“L”形

核糖体：rRNA+蛋白质催化肽键合成的是rRNA

蛋白质维持rRNA构象，起辅助作用（二）rRNA的高级结构大肠杆菌16srRNA第四节核酸的理化性质

一、核酸的分子大小大分子化合物。DNA分子量特别巨大，一般在106-1010之间。不同生物、不同种类DNA分子量差异很大，如多瘤病毒DNA分子量为3×106，而果蝇染色体DNA分子量为8×1010；DNA具有双螺旋结构，使分子具有一定的刚性，但DNA极为细长，又具有柔性。RNA分子量在数百至数千万之间。

二、核酸的溶解度与粘度RNA和DNA都是极性化合物，都微溶于水，而不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。它们的钠盐比自由酸易溶于水，RNA钠盐在水中溶解度可达4％。DNA溶液粘度极大。RNA的粘度比DNA粘度小。当DNA溶液加热，或在其他因素作用下发生螺旋→线团转变时，粘度降低。所以可用粘度作为DNA变性的指标。

三、核酸的酸碱性质

可以把核酸看成是多元酸，核酸的等电点较低，在体内呈多阴离子状态，可以与金属离子结合成盐。核酸盐的溶解度比游离酸的溶解度要大得多。对DNA来说碱基对在pH4.0-11.0之间最为稳定，超越此范围，DNA就要变性。

四、核酸的紫外吸收由于核酸的组成成分嘌呤碱及嘧啶碱具有强烈的紫外吸收，所以核酸也有强烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm处。利用这一特性，可以鉴别核酸样品中的蛋白质（280nm）杂质，也可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。

五、核酸的变性、复性与杂交(1)核酸的变性核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。DNA变性的特征DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点，用Tm表示（增色效应达到一半时的温度）。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的