第一章 核酸的化学第一章 核酸的化学（（ Chemistry of nucleic Chemistry of nucleic

acidacid ））

第一章 核酸的化学第一章 核酸的化学（（ Chemistry of nucleic Chemistry of nucleic

acidacid ））

早先，人们认为遗传物质是蛋白质。

1868 年，瑞士科学家 F.miescher 从外科绷带上脓细胞的核中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素”。

1872 年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物。

引 言

1889 年， Altman 等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （ Nucleic Acid ）命名。

1944 年， Avery 等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。

引 言

引 言

1952 年， Hershey and Chase 用同位素32P ， 35S 标记噬菌体 T2 的核酸和蛋白质，发现进入细菌体内进行复制的是核酸面非蛋白质。

引 言

种 类 分 布 功 能

DNA原核生物：核质区真核生物： 95% 在细胞核、

5%在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体

RNA

tRNA 原核生物：细胞质真核生物： 75% 在细胞质

15% 在线粒体和叶绿体10% 在细胞核

携带、转移 aa

mRNA 肽链合成的模板

rRNA 核糖体主要成分

一 . 核酸的种类、分布与功能 引 言

1. 元素组成

C 、 H 、 O 、N 、 P

其中 P 的含量在核酸中相对恒定。

在 DNA 中为 9.9% ，在 RNA 中为 9.4%

。

这可用于测定核酸的含量——定磷法。

其中 P 的含量在核酸中相对恒定。

在 DNA 中为 9.9% ，在 RNA 中为 9.4%

。

这可用于测定核酸的含量——定磷法。

二 . 核酸的化学组成

引 言

2. 核酸的基本结构单元

核苷酸核苷酸

核酸是由许多核苷酸组成的长链

NucleotideNucleotide

引 言二 . 核酸的化学组成

第一节 核苷酸的结构

  核苷酸

磷酸

核苷

戊糖

碱基

核糖脱氧核糖

嘌呤嘧啶

1 、 戊 糖

它们均以呋喃糖态存

在

核苷酸的结构

RNA 中

DNA 中

2 、碱 基

DNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶

RNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶

3 、磷 酸

核苷酸的结构

碱 基

5- 甲基 -2,4- 二氧嘧啶Thy

胸腺嘧啶

2,4- 二氧嘧啶Ura尿嘧啶

2- 氨基 -6-氧嘌呤 Gue鸟嘌呤

2- 氧 -4- 氨基嘧啶Cyt胞嘧啶

嘧啶

6- 氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤

124N

N

3 56

13

5 7N

N

N

NCH2 4

689

H

N

N

N

NCH

NH2

H

N

N

N

NCH

O

HH2N

N

N

NH2

O H

N

NO

O

N

NO

O

CH

3

核 苷

戊糖第 1位碳原子上的羟基与嘌呤的第 9位氮原子或与嘧啶的第 1位氮原子形成的 N-C糖苷键。

腺苷

脱氧鸟苷

核苷酸的结构

核 苷 酸

RNA中的核苷酸

腺苷酸 AMP

鸟苷酸 GMP

胞苷酸 CMP

尿苷酸 UMP

DNA中的核苷酸

脱氧腺苷酸 d AMP

脱氧鸟苷酸 d GMP

脱氧胞苷酸 d CMP

脱氧胸苷酸 d TMP

生物体内存在的核苷酸，多

生物体内存在的核苷酸，多

是是55

核苷酸。

核苷酸。

'

核苷酸的结构

核苷酸除了作为核酸的基本结构单元外，它们在机体中还行使着许多重要的生理功能。

核苷酸及其衍生物的功能核苷酸的结构

1 、多磷酸化核苷酸 AMP AMP AMP磷酸化 磷酸化

如腺苷酸的三种磷酸化形式

核苷酸及其衍生物的功能核苷酸的结构

2 、环化核苷酸

    核苷酸的磷酸基团既与 3'-OH又与 5'-OH相连，从而形成环化的核苷酸，叫做 3',5'- 环核苷酸。

如 3',5'-环腺苷酸（ cAMP）

核苷酸及其衍生物的功能 核苷酸的结构

3 、辅酶核苷酸

    核苷酸是多种辅酶的组成成分，有些辅酶本身就是特殊的核苷酸。

类似的辅酶有NAD+ 、 NADP+ 、 FMN、 FAD、 CoA等。

核苷酸及其衍生物的功能 核苷酸的结构

第二节 DNA 的分子结构

DNA 的分子结构

DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。

四种脱氧核苷酸通过 3’,5’- 磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。

一、 DNA 的一级结构

1. 定义

一、 DNA 的一级结构

DNA 单链的延伸 5’ 3’ 端

DNA 的分子结构

无分枝的长链

2. 多聚脱氧核苷酸链的结构特点

由糖 - 磷酸相互间隔连接，构成主链；碱基连接在主链的核糖上，形成侧链。

具有方向性。两个末端分别为 5'端和 3' 端。

在天然 DNA中， 5' 端常为磷酸， 3' 端为游离羟基。

一、 DNA 的一级结构 DNA 的分子结构

3 、一级结构的表示方法

1 ）线条法

一、 DNA 的一级结构 DNA 的分子结构

5' pGpCpTpTpAOH 3'

5' pGCTTAOH 3'

pGCTTAOH

GCTTA

2 ）文字式

一、 DNA 的一级结构 DNA 的分子结构

DNA 一 级 结 构 分 析 （ DNA sequencing ）

DNA 的分子结构 一、 DNA 的一级结构

a) 1972 年 . Herbert Boyer

限制性核酸内切酶 II (RE-II)

1975 年 . Sanger C.

“ ＋ , —” 法

1977 年 . Maxam Gilbert

化学定序法

1977 年 .Sanger C.

ddNTP( 酶 )法

DNA 的分子结构

一、 DNA 的一级结构

b) Chemical sequencing G 系统； pH 8.0

硫酸二甲酯 → G → m7G →C8~N9 断裂 →脱G

A+G 系统； pH 2.0

哌啶甲酸（ pidine ）→ 嘌呤环 N 质子化→ 脱嘌呤 C 系统； 1.5 mol/L NaCl

C + 肼（ hydrazine ）→ 脱 C

T + C 系统； 肼 (hydrazine) → 打开嘧啶环 →重新 5C 环化→脱嘧啶

DNA 的分子结构

一、 DNA 的一级结构

Chemical sequencing

G 系统 脱 G

A+G 系统 脱嘌呤 C 系统 脱 C

T + C 系统 脱嘧啶 AACAGCTTCA

一、 DNA 的一级结构

c) 双脱氧法

H H

N

4ddNTP 系统中

DNA 链均终止

在 ddXTP( 二脱氧核苷酸 )

ddATP ddCTP ddTTP ddGTP

A C T GCTGACTTCGACAA

一、 DNA 的一级结构

DNA 的分子结构

一、 DNA 的一级结构

二、 DNA 的二级结构

DNA的二级结构是指 DNA的双螺旋结构。 双螺旋结构是 DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。 DNA的双螺旋模型是由 Watson 和 Crick

两位科学家于 1953 年提出的。

1. 二级结构的概念

DNA 的分子结构

1953 年 Watsosn & Crick

Right handed B-form DNA

Double helix Model

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

2. 双螺旋结构模型提出的依据

A.DNA的 X-射线衍射图：

(1) 衍射斑点呈交叉状分布

(2) 衍射点之间的距离与层次表明有 0.34nm和3.4nm的周期性

(3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin

X~ray photograph of DNA

with high quality

1952 年

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

B. DNA的碱基组成分析：（ Chargaff定则）

(1) 所有 DNA分子中 A=T， G=C

(2) 同一种生物的所有体细胞 DNA 的碱基组成相同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可作为该物种的特征，用不对称比率 (A+T)/(G+C) 来衡量。

(3) 亲缘越近的生物，其 DNA的碱基组成越近，即不对称比率越相近。

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

DNA 双螺旋结构模型 (DNA Double Helix Model)

1950年 Chargaff

A + G / T + C = 1

A+T = G + C

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

C、 DNA的碱基物化数据

如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

3. 双螺旋结构模型的基本特征

(1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。

DNA的双螺旋结构

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

(2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。

  碱基顶部基团裸露在 DNA 大沟内

  蛋白质因子与 DNA 的特异结合依赖于

氨基酸与 DNA 间的氢键的形成

   蛋白质因子沿大沟与 DNA 形成专一性

结合的机率与多样性高于沿小沟的结合   大沟的空间更有利于与蛋白质的结合

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

(3) 由糖 -磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。

Right

handed

B-form

DNA

Double

helix

Model

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

(3) 由糖 -磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。

Right

handed

B-form

DNA

Double

helix

Model

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

(4) 双螺旋内部的碱基按规则配对： A 与 T 配对，形成 2个氢键； G 与

C 配对，形成 3 个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

A =

T

G C

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

(5) 双螺旋直径为 2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转 36°，上升 0.34nm。所以每 10 个碱基对形成一个螺旋，螺距 3.4nm。

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

4. 影响双螺旋结构稳定性的因素

互 补 碱 基 之 间 的 氢 键 (Hydrogen bond)

弱键 , 可加热解链

氢键堆积 , 有序排列 ( 线性 , 方向 )

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

碱基堆集力 (Base stacking forces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力 ☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction)

☆ Van de waals force (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径 )

3.4A°

4. 影响双螺旋结构稳定性的因素

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

离子键

  磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键 , 需酶促解链

消除 DNA 单链上磷酸基团间的静电斥力

  0.2 mol / L Na+ 生理盐条件

4. 影响双螺旋结构稳定性的因素

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

在生理状态及在溶液中， DNA一般为 B 型 (含水量 90％以上， NaCl浓度为 2.5 M）。

当水合的 DNA 脱水时，转变为 A 型 (含水量 75％ )。

还有 Z 型的 DNA(左手螺旋， 0.7 M MgCl2) 。

类型 旋转方向 螺旋直径 螺距 每转碱基对数 碱基对间距 碱基倾角

A-DNA A-DNA 右 右 2.3 2.8 11 0.255 22.3 2.8 11 0.255 200

B-DNA B-DNA 右 右 2.0 3.4 10 0.34 02.0 3.4 10 0.34 0

Z-DNA Z-DNA 左 左 1.8 4.5 12 0.37 71.8 4.5 12 0.37 7

5.DNA 双螺旋构象的多态性

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

DNA 的分子构型 ( B, Z, A ) 比较

Z-DNAZ-DNA A-DNAB-DNA

PolyT/A TTTTTTTTTTT

AAAAAAAAAA

PolyT/A TTTTTTTTTTT

AAAAAAAAAA

TTTTTTTTTTT

AAAAAAAAAA

TTTTTTTTTTT

AAAAAAAAAA

● D.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA

6. 三链 DNA (T.S. DNA)

二、 DNA 的二级结构

DNA 的分子结构

● Homologous palindromic sequence in a D. S. DNA

-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT------

-------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----

Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA

--------TTCCCTCTTTCCC--------

--------AAGGGAGAAAGGG--------

-------TTCCCTCTTTCCC---------

--------AAGGGAGAAAGGG-------

Nodule DNA Hinged DNA

free DNA

       S. S. DNA + D. S. DNA T. S. DNA

☆      PU + PU/PY ( 偏碱性介质中稳定 )

☆ PY + PU/PY ( 偏酸性介质中稳定 ) 常见类型

第三条链位于 B-DNA的 Major groove 中

与 D. S. DNA 一起旋转

超螺旋 :双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，包括 DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和连环等。

1. DNA 超螺旋的概述

DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态，双螺旋中没有张力而处于松弛状态。如 果这种正常双螺旋额外增加或减少螺旋圈数，就会使双螺旋内的原子偏离正常的位置而产生张力，这样正常的双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。超螺旋总是向着抵消初级螺旋改变的方向发展。

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构

2. DNA 超螺旋的特点 1 ）线状 DNA分子

双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺旋结构。

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构

B-DNA overwinding ( 右旋 )

positive supercoiled

2）环状 DNA分子

双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构。

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构

B-DNA unwinding ( 左旋 )

所有生物的 DNA 几乎 有 5% 为 Negative Superhelix

Negative Supercoiled

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构

负超螺旋：当螺旋旋转 360⁰时，其相应碱基对数小于 10，二级结构处于松缠状态。

正超螺旋：当螺旋旋转 360⁰时，其相应碱基对数大于 10，二级结构处于紧缠状态。

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构

3 、 DNA 超螺旋的生物学意义

DNA被压缩和包装，使其体积大大减小 增加了 DNA的稳定性 可能与复制和转录的调控有关

三、 DNA 的三级结构

DNA 的分子结构