有机化学课件：第17章 核酸

1868年，瑞士内科医生FriedrichMiescher

从外科医院包扎伤口绷带的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物；后来他又从鲑鱼精子细胞核中也分离出类似物质，因而将其命名为核酸(nucleicacid)。

1889年Altman从酵母和动物组织中成功提取了核酸；核酸概述1930－40年，Kossel&Levene等确定了核酸的组分：DNA和RNA；

1920－40年代末，Griffith（英国）和Avery（美国）的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质；1953年Watson(美)和Crick(英)提出DNA的双螺旋结构，这是20世纪自然科学最伟大的成就之一；1990年美国政府决定出资30亿美元正式启动“人类基因组计划(HGP)”，预期到2005年拿到人体的全部基因序列（共约30亿个碱基对全序列）；我国于1999年7月加入，承担约1％的测序任务。2002年2月12日,历时10载耗资20亿美元的人类基因组计划最终完成,并报道了99%的人类基因组序列。从此,生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分,现为后基因组时代。后基因组时代生物科学的重心，已从揭示生命的遗传信息，转移到在整体水平对生物功能进行研究的功能基因组学上。即在整体水平研究细胞内蛋白质的组成及活动规律，包括蛋白质的分离鉴别、修饰加工、转运定位、结构变化、蛋白质分子间和蛋白质与其它生物分子间的相互作用等。

核酸是生物体内最重要的生物大分子，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。任何生物体，甚至无细胞结构的病毒和噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。第一节核酸的分类和组成一、核酸的分类核酸主要存在于细胞核中，含量占细胞干重的5～15%。

根据核酸的化学组成和生物学功能分为：

脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid)简称DNA

核糖核酸(ribonucleicacid)简称RNA核酸脱氧核糖核酸核糖核酸转运核糖核酸tRNA信使核糖核酸mRNA核糖体核糖核酸rRNA遗传信息的载体(DNA)(RNA)遗传信息传递或遗传信息的载体DNA分布:绝大部分存在于细胞核染色体中；线粒体和叶绿体中也含有少量DNA。功能:DNA是生物体遗传信息的物质基础，能储存、复制和传递遗传信息。RNA

信使RNA－mRNA（messengerRNA）把DNA的遗传信息带给核糖体，指导蛋白质合成；转运RNA－tRNA

（transferRNA）携带和转运活性氨基酸，识别mRNA上的密码子；核糖体RNA－rRNA

（ribosomalRNA）核糖体的结构成分，核糖体是蛋白质合成“机器”。

分布：细胞质中。功能：三种RNA共同参与蛋白质的生物合成。二、核酸的化学组成2、化学组成：C、H、O、N、P等1、核酸是生物大分子，分子量从几十万至几百万。核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。核酸定量测定就是以测定P含量来代表核酸量的。3、核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。核酸水解核苷酸水解磷酸核苷或脱氧核苷戊糖碱基核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶核苷酸通式表示为：碱基＋戊糖＋磷酸

戊糖

碱基磷酸核苷核苷酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。⒈磷酸(基)

核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性，可与Na+、多胺、组蛋白结合。核酸中的磷酸参与形成3

,5

-磷酸二酯键，使核苷酸连成多核苷酸链。核苷酸的组成

核酸中的戊糖：核糖(ribose)

存在于核糖核苷酸脱氧核糖(deoxyribose)

存在于脱氧核糖核苷酸

2.戊糖结构为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。（构成RNA）

核糖

（构成DNA）脱氧核糖核糖的结构如下：

核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是:

腺嘌呤(adenine,A)和鸟嘌呤(guanine,G);

嘧啶碱(pyrimidine)主要是:

胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)、

胸腺嘧啶(thymine,T)。3.组成核苷酸的碱基嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基结构：含氮杂环化合物

嘧啶（pyrimydine,

Py）胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)碱基结构嘌呤

嘧啶

碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有每种核酸都含有四种碱基。RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤ADNARNA基本单位五碳糖含氮碱基结构主要存在部位显色反应DNA、RNA的主要区别脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸脱氧核糖A,G,C,TA,G,C,U

双螺旋核糖细胞核细胞质遇吡罗红呈红色遇甲基绿呈绿色单链ATGC核酸DNA(脱氧核糖核酸)RNA(核糖核酸)双链脱氧核糖核苷酸单链

核糖

核苷酸碱基脱氧核糖磷酸碱基核糖磷酸AUGC课堂小结

核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-

亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。

酮式－烯醇

受介质pH影响

＋⒈糖苷键与核苷嘌呤碱基N-9或嘧啶碱基N-1与戊糖C-1

以N-β-糖苷键连接构成的分子称为核苷。第二节核苷和核苷酸的结构及命名⑴存在于RNA中的核苷1´911´⑵存在于DNA中的脱氧核苷⒉磷酸酯键与核苷酸⑴核苷与磷酸以磷酸酯键连接，形成一磷核苷酸，也称核苷酸。碱基与戊糖之间：糖苷键核苷与磷酸之间：磷酸酯键NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO5'腺苷酸核苷酸磷酸碱基戊糖⑵根据磷酸基与戊糖连接位置不同，可以形成：5

-核苷酸3

-核苷酸2

-核苷酸生物体中的核苷酸多为5'-核苷酸。RNA中的核苷酸DNA中的脱氧核苷酸３.酸酐键（焦磷酸酯键）AMP（一磷酸腺苷）ADP（二磷酸腺苷）ATP

(三磷酸腺苷)αβγADP，腺苷-5

-二磷酸（腺二磷）ATP，腺苷-5

-三磷酸（腺三磷）AMP，腺苷酸ADP，腺苷-5

-二磷酸（腺二磷）ATP，腺苷-5

-三磷酸（腺三磷）焦磷酸酯键高能磷酸键

水解30kJ·mol-1磷酸酯键

水解14kJ·mol-1ATP是生物体内的能源库，是体内所需能量的主要来源。核苷酸的种类核苷一磷酸

核糖核苷一磷酸AMP、GMP、CMP、UMP脱氧核苷一磷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMP核苷二磷酸

核糖核苷二磷酸ADP、GDP、CDP、UDP脱氧核苷二磷酸dADP、dGDP、dCDP、dTDP核苷三磷酸

核糖核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP脱氧核苷三磷酸dATP、dGTP、dCTP、dTTP多磷酸核苷酸：指含两个以上磷酸基的核苷酸,如ADP、ATP、GDP、GTP、UDP和UTP等.ATP在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。

UTP参与糖原合成作用以供给能量,

UDP有携带转运葡萄糖的作用。

GDP和GTP为蛋白质生物合成的起始和延伸提供能量四、核苷酸的功能作为核酸的单体细胞中的携能物质（如ATP、GTP）酶的辅助因子的结构成分细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）第三节核酸的分子结构一、核酸的一级结构二、DNA的空间结构和功能三、RNA的结构和功能一、核酸的一级结构定义:由核苷酸按一定的数目、比例和特定的排列顺序，通过3´,5´-磷酸二酯键连接而成的多核苷酸长链。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。5´端3´端CGA一个核苷酸3

－OH

与另一个核苷酸5

－H3PO4

脱水形成3

,5

－磷酸二酯键核苷酸通过3

,5

－磷酸二酯键相连形成的大分子多核苷酸链就是核酸。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。方向从5

-端向3

-端字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。核酸一级结构的书写方法：简写式中：出现T为DNA链，出现U为RNA链。以5

和3

表示链的末端及方向，分别置于简写式左右二端。

5

pApCpTpTpGpApApCpGOH3

DNA5

pApCpUpUpGpApApCpCOH3

RNA简化为：5

pACTTGAACG3

DNA5

pACUUGAACG3

RNA简写式的5

-末端均含有一个磷酸残基（与糖基的C-5

位上的羟基相连），3

-末端含有一个自由羟基（与糖基的C-3

位相连）。线条式：以竖线和斜线分别表示糖基和磷酸酯键。糖基的C-3

位糖基的C-5

位字母式pppppATGCA

OH5´3´RNA:5´UGCCA3´多核苷酸链的简写式：DNA:5´dpApTpGpCpA-OH3´

或5´ATGCA3´线条式缩写字母式缩写ATGCAUGCCA5´→3´

碱基序列从左到右表示5

—3

，由3

,5

磷酸二酯键连接。若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：

5

A-T-G-C-C-T-G-A3

3

T-A-C-G-G-A-C-T5

读向二、DNA双螺旋结构它必须能够携带遗传信息能够自我复制传递遗传信息能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动并且能够突变并保留突变

DNA应该有什么样的结构，才能担当遗传的重任？

这4点，缺一不可，如何建构一个DNA分子模型解释这一切？

DNA双螺旋结构模型的主要依据：

chargaff

规则

A＝TG＝C；A/T＝G/C=1

碱基的理化性质分析

A－TG－C以氢键配对较为合理

DNA的X衍射分析

DNA分子为线性双螺旋结构DNA的碱基组成—Chargaff规则（1）DNA有独特的碱基组成，有物种差异性，无组织、器官差异性；（2）DNA的碱基组成不受个体、年龄、营养和环境影响；（3）不同生物种属DNA碱基组成均存在以下关系：A=T,G＝C；A/T＝G/C=1，A+G=T+C即：嘌呤碱数目总和=嘧啶碱数目总和

这一规律暗示A与T，C与G相互配对的可能性。DNANa盐纤维X光衍射具有非凡才能的英国女科学家Franklin（1920～1958）加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了新的实验方法，1952年5月她获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。弗兰克林与威尔金斯提出DNA的结构可能是双螺旋。

1950年，爱尔兰科学家Wilkins（1916～）研究小组测定DNA的X射线衍射。提示DNA的整个结构为螺旋形。威尔金斯（MauriceWilkins）罗莎琳德·富兰克林(Rosalind

Franklin)

受此激发，1953年2月28日沃森和克里克提出了正确的DNA双螺旋结构。1953年4月25日《自然》杂志发表了他们DNA双螺旋结构假说的短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》（不到1000字）。1953年2月28日，他们用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。沃森（JDWatson，1928--）克里克（FHCCrick，1916～2004）分享1962年诺贝尔生理学或医学奖

DNA的结构，发表于《自然》171卷(1953)737-738页)上的插图

DNA双螺旋结构发现的历史意义：揭示了遗传信息稳定传递中DNA半保留复制的机制；从本质上揭示生物遗传性状得以世代相传的分子奥秘；是分子生物学发展的里程碑。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋。一股链的走向为53，另一股链的走向为35。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对

(bp)。3.碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。4.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规律。碱基互补配对规律是DNA双螺旋结构的精髄！！！！！A、T配对2个氢键C、G配对3个氢键AGTACTCG碱基配对原则:A＝T,G≡C2.8Å3.0Å2.9Å3.0Å2.9Å5´3´5´3´

?

?

?2.0nm小沟大沟5´ACTGTAACGT

磷酸脱氧核糖

碱基2.0nm小沟大沟螺旋直径2nm螺旋周期包含10bp螺距3.4nm相邻碱基对平面间距0.34nm双螺旋表面有两条沟槽：大沟(主槽)宽1.2nm小沟(次槽)宽0.6nm53355.结构参数

1）氢键：互补碱基对之间形成氢键；是双螺旋水平方向作用力，维持双链横向稳定性；

2）碱基堆积力：层层堆积的碱基电子云交错形成的力使双螺旋结构内部形成强大的疏水核心区，有利于互补碱基间形成氢键，是双螺旋中垂直方向的作用力，维持双链纵向稳定性。6.影响双螺旋结构稳定的因素

3）离子键双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键（盐键），可减少双链间的静电斥力，对DNA双螺旋结构也有一定稳定作用；

4）碱基分子内能分子内部无规则运动形成的能量，受温度等外部因素的影响。DNA碱基互补双螺旋结构的意义：

自身复制的功能，根据碱基配对和碱基互补原则，通过复制可以合成与其一模一样的DNA分子。DNA双螺旋结构的多态性

多核苷酸链中，脱氧核糖的五元环能折叠成多种构象，此外，分子还可绕N-C糖苷键以及3‘,5’-磷酸二酯键旋转一定的角度，产生新的构象，DNA构象的这种差异称为多态性。

Watson和Crick所描述的DNA双螺旋构象为B型DNA，另外还有A型、C型和Z型等构象的DNA，一定条件下B型可转变为A型或C型。A-DNAB-DNAZ-DNA三、RNA的结构（一）RNA的基本结构（二）tRNA的二级结构（三）RNA的功能1.转运RNA(tRNA)：蛋白质合成时携带活化氨基酸

3.核糖体RNA(rRNA):

与蛋白质结合构成核糖体,蛋白

质合成场所2.信使RNA(mRNA)：蛋白质合成中起模板作用RNA分类（一）RNA的基本结构RNA为直线型多核苷酸链，链间也是以3

,5

-磷酸二酯键彼此连接起来。

RNA的碱基组成没有DNA那样的规律，大多数天然RNA分子是一条单链，其可发生分子自身回折，而使互补碱基区形成局部双螺旋区，不能配对的碱基区域则形成突环，形成类似发夹式结构。RNA双链部分的碱基配对原则：

A＝U,G≡

C存在形式:

单股多核苷酸链(主），部分双链（次）5´3´ACGUA（二）tRNA的二级结构辨认并结合氨基酰tRNA合成酶携带氨基酸识别mRNA上的密码识别并结合核蛋白体三叶草形二级结构：四臂三环氨基酸臂反密码子臂和反密码子环TψC臂和TψC环二氢尿嘧啶臂和二氢尿嘧啶环(D臂和D环)（三）RNA的功能1.RNA在传递遗传信息方面发挥重要作用2.具有生物催化功能3.在DNA复制、转录、翻译中起重要调控作用；4.可作为遗传物质（如逆转录病毒）;RNA即可为遗传物质，又可行使蛋白质的功能，故RNA在生命起源和生物进化的研究中有重要意义DNA:主要的遗传物质，主要存在于细胞核；通过复制传递遗传信息给子代；通常为双链；