第二章核酸化学

第二章核酸化学 目的和要求：熟悉核酸的分类和化学组成，重点掌握DNA和RNA的结构特征，熟悉核酸的结构特征与其功能的相关性；了解核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。思考 返回

核酸的结构与功能 第一节核酸通论第二节核酸基本构件单位—核苷酸第三节 DNA的分子结构与功能第四节 RNA的分子结构与功能第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节人类基因组计划简介

第一节核酸通论 一、核酸的研究历史和重要性二、核酸的种类和分布三、DNA储存遗传信息的证实

核酸的研究历史和重要性  1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。  1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。  1953Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了生物化学和分子生物学的迅猛发展。  1958Crick提出遗传信息传递的中心法则，阐明了遗传信息的流动方向。 60年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。

核酸的研究历史和重要性（续）历史  70年代建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。  80年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。  90年代以后实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：功能基因组学（functional genomics）蛋白质组学（proteomics）结构基因组学（structural genomics） RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学（ribonomics）

核酸分类和分布 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。

肺炎球菌转化实验图解 III S型细胞（有毒） II R型细胞（无毒）破碎细胞 DNA + R（粗糙） S（光滑） II R型细胞接受III S型DNA DNAase降解后的DNA R R S 大多数仍为II R型只有II R型少数II R型细胞被转化产生III S型荚膜

第二节核酸的基本结构单位—核苷酸 一、核苷酸的化学组成与命名 1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 2、常见碱基的结构与命名法 3、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名 4、稀有核苷酸 5、细胞内游离核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物学功能

核酸核苷酸磷酸核苷核糖嘌呤碱基戊糖嘧啶脱氧核糖

磷酸 戊糖碱基两类核酸在分子组成上的异同点 RNA DNA 组分磷酸核糖脱氧核糖脱氧核糖 A G 嘌呤嘧啶 U C T

O O 5´-磷酸核苷酸的基本结构 O （N = A、G、C、U、T） 5´ N 碱基 O- P O CH2 O- H 1´ 磷酸 4´ H H H 3´ 2´ OH (O)H 核糖

Pyrimidines Purihes C T U A G Cytosine Thymine Adenine Guanine Uracil HOCH2 OH 核酸 HO 核苷磷酸 HOCH2 OH 碱基戊糖 H Ribose (in RNA) Doxyribose (in DNA) 碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 Nitrogenous base Phosphate Pentose sugar

嘧啶嘌呤 Cytosine (C) Uracil (U) Thymine (T) Adenine (A) Guanine (G) 基本碱基结构和命名

鸟嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）核苷酸的结构和命名 H OH 腺嘌呤核苷酸（ AMP）Adenosinemonophosphate 脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosinemonophosphate

P P P P P P P P 常见（脱氧）核苷酸的结构和命名胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）

CH3 H3C H H H 5 H CH3 Am m26G 假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）几种稀有核苷

CH3 H3C 几种稀有核苷酸 H H H 5 H CH3 Am m26G 假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）

细胞内游离核苷酸及其衍生物 • 多磷酸核苷酸 • 环核苷酸 • 辅酶类核苷酸

5´-NMP 5´-NDP 5´-NTP N=A、G、C、U 5´-dNMP 5´-dNDP 5´-dNTP N=A、G、C、T 腺苷酸及其多磷酸化合物 AMP Adenosinemonophosphate ADP Adenosinediphosphate ATP Adenosinetriphosphate

O A (G) O CH2 H H O H H O P O OH OH cAMP(cGMP)的结构 Cyclic adenylie (Guanine)acid

二、核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体 细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、GTP） 酶的辅助因子的结构成分（如NAD） 细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）

第二节 DNA的分子结构 一、核酸分子中的共价键二、 DNA一级结构三、DNA碱基组成的Chargaff规则四、 DNA的二级结构五、 DNA的三级结构六、DNA与蛋白质复合物的结构

5 3 5 3 核酸分子中核苷酸之间的共价键 3  -5 磷酸二酯键

5´ 3´ 二、DNA 的一级结构  DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。  一级结构的表示法结构式，线条式，字母式

A C T G 3´ 1´ OH 5´ 3´ 5´ 线条式 3´ 5´ACTGCATAGCTCGA 3´ p p p p 字母式结构式 DNA一级结构的表示法

三、DNA碱基组成的Chargaff规则 Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在１９５０年总结出DNA碱基组成的规律： 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。 鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。 含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即 A+C=G+T。 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。

OH 5´ 5´ 3´ 3´ OH OH RNA一级结构 DNA、RNA的一级结构 DNA一级结构

四、DNA的二级结构 （1） DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型) （2）DNA双螺旋结构特征及意义（3） DNA双螺旋的多态性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）

Francis Crick and James Watson

Watson和Crick的著名论文全文

5´ 3´ 5´ 3´ 磷酸核糖 T-A碱基对碱基 C-G碱基对 3´ 5´ 3´ 5´ DNA的双螺旋结构的形成

DNA的双螺旋模型特点 a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。 b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律） c. 螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（base pair, bp）重复一次，间隔为3.4nm，碱基平面与中心轴垂直。 d.分子表面有大小沟各一条。 e.嘌呤、嘧啶均为反式。

DNA的双螺旋结构稳定因素 氢键 碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中

DNA的双螺旋结构的意义 该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。

DNA双螺旋的不同构象

三种DNA双螺旋构象比较 A B Z 外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm 碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm 碱基夹角 32.70 34.60 60.00 每圈碱基数 11 10.4 12 轴心与碱基对关系 2.46nm 3.32nm 4.56nm 碱基倾角 190 10 90 糖苷键构象反式反式 C、T反式，G顺式大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深

T-A-T 多聚嘌呤 C-G-C 多聚嘧啶 DNA三链间的碱基配对 DNA分子内的三链结构 DNA分子间的三链结构

五、DNA的三级结构 DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。 • 1．超螺旋DNA（supercoiled DNA） • (1)超螺旋状态的定量描述 • (2)超螺旋DNA的形成 • (３) DNA超螺旋结构形成的重要意义 • 2．拓朴异构酶（topoisomerase） • (1) 两类拓朴异构酶 • (2) 拓朴异构酶作用机理

螺旋和超螺旋电话线 螺旋超螺旋

23 1 5 L=25,T=25,W=0 20 松弛环形 10 15 1 5 10 15 20 25 1 5 10 15 20 23 右手旋转拧松两匝后的线形DNA 1 23 4 21 13 20 L=23,T=23,W=0 5 1 解链环形 16 23 8 L=23,T=25,W=–2负超螺旋 15 10 DNA超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式： L=T+W 或 =+

23 1 5 L=25,T=25,W=0 20 松弛环形 10 15 4 21 13 1 16 23 8 L=23,T=25,W=–2负超螺旋超螺旋状态的定量描述公式： L=T+W L——连环数（linking number），DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 T——DNA分子中的螺旋数（twisting number） W——超螺旋数或缠绕数（writhing number）

DNA超螺旋结构形成的意义 • 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中； • 推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。

原核生物两类拓扑异构酶 除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即使L增加１，反应无需供给能量。拓扑异构酶II则刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次，L 减少２，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。

原核拓扑异构酶I的作用机制 连接数 = n+1 连接数 = n 切割穿越断口和使两端连接 c a b d

DNA 双链穿过 DNA 双链断裂 DNA 双链重新连接重复起始 DNA 的释放拓扑异构酶II的作用机制

拓扑异构酶

六、DNA与蛋白质复合物的结构 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。　DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。１、病毒２、细菌拟核３、真核染色体

头部颈圈尾部基板尾丝尖钉噬菌体T2结构

动物病毒切面模式图 被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣壳（蛋白质）突起（糖蛋白）病毒粒核酸

细菌拟核（nucleoid ）的突环结构 平均一个突环含有约40kpDNA RNA-蛋白质核心突环由双链DNA结合碱性蛋白质组成

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