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第三章.核酸

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生物化学第三章核酸PPT课件

生物化学第三章核酸PPT课件

DNA与RNA结构差异
五碳糖不同
DNA中的五碳糖是脱氧核糖，而 RNA中的五碳糖是核糖。
碱基不同
DNA中的碱基包括腺嘌呤（A） 、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T） 和胞嘧啶（C），而RNA中的碱 基包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（ G）、尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C
）。
空间结构不同
DNA通常是双链结构，而RNA 通常是单链结构。
核酸药物设计思路及前景展望
核酸药物设计思路
核酸药物是一类以核酸为靶点的药物，通过 特异性地与核酸结合，调节基因表达或抑制 病原体复制，从而达到治疗疾病的目的。设 计核酸药物时需要考虑靶点选择、药物稳定 性、特异性、安全性等因素。
前景展望
随着基因组学和生物信息学的发展，越来越 多的疾病相关基因和靶点被发现，为核酸药 物的研发提供了广阔的空间。未来，核酸药 物有望在肿瘤、遗传性疾病、病毒感染等领 域发挥重要作用，成为一类重要的治疗药物 。同时，随着技术的不断进步和成本的降低 ，核酸药物的研发和应用将更加普及和便捷
DNA拓扑异构酶的作用
拓扑异构酶能够改变DNA的超螺旋状态，从而调节DNA的拓扑结构和功能。拓扑异构酶 在DNA复制、转录、修复和重组等过程中发挥重要作用。
RNA结构与性质
03
tRNA三叶草结构特点
01
02
03
三叶草二级结构
由DHU环、反密码环、 TΨC环、额外环和可接受 茎组成，形似三叶草。
反密码环
人类基因组计划与意义
1 2 3
人类基因组计划的目标
破译人类全部遗传信息，解读人类基因组所蕴含 的生命奥秘。
研究成果及应用
揭示了人类基因组的组成、结构和功能，为医学 、生物技术和制药等领域提供了重要的科学基础 。

核酸基础

核酸基础

§3-2
核酸的结构
第三章 核酸
一、核酸是通过3′,5′磷酸二酯键的多聚体,它的基本单位是核苷酸.
化学组成：核酸→核苷酸→磷酸+戊糖+含氮碱
NH2 N N P OH2 C O N
NH2 N N N N H
碱基
N
OH
H
核苷酸
HOH2C
O
OH
H3PO4
磷酸 核 酸
OH
H
戊糖
第三章 核酸
1. 含氮碱：
N N H
磷含量及紫外吸收值然后算出摩尔磷吸光系数。
(P)=A/cL
=30.98A/WL 一般天然DNA的(P)为6600，RNA为7700～7800。由于 单链核苷酸的(P)比双链的要高，所以核酸发生变性时， (P)升高，故称增色效应；复性时(P)降低，称为减色 效应。
四、核酸的变性、复性与杂交
拖尾序列和尾巴
帽子 前导序列 编码序列 拖尾序列
尾巴
蛋白质
5′—端有帽子，其结构如图
A-A-A-A-A-A-AA ……
功能：保护作用，参与蛋白质合成起始
3′—端有尾巴（多聚A200左右个核苷酸）是转录后在经poly（A）聚合酶作用添加上 去的。 功能：保护作用；
O HN H2 N N
CH3 N+ O N O CH2O P OH OH OH O O P OH O O P OH O P OH2 C 碱基 O
、稀有碱基
见表13-2（解释）
HOH2C
O
OH
HOH2C
O
OH
OH
OH
OH
H
—D—核糖
—D—脱氧核糖
第三章 核酸
3.核苷酸

第三章核酸的化学

第三章核酸的化学
胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U）
DNA特有
RNA特有
O
O
C
C
HN C CH3 HN CH
C CH ON
C CH ON
H
H
3、磷酸：DNA、RNA均有
HO OH
RNA(AMP)
HO OH
H
DNA(dAMP)
两类核酸的基本化学组成比较
组成成分 DNA
腺嘌呤(A) 嘌呤碱 鸟嘌呤(G)
碱基
嘧啶碱
胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶(T)
NH2
N
N
~ ~ O
O- P O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH 三磷酸腺苷 (ATP)
AMP ADP
ATP
1、腺苷三磷酸(ATP)
▪ 主要功能： 提供能量
能量储存
AMP
能量释放
能量储存
ADP
能量释放
AMP ADP ATP
ATP
2、环苷酸
▪ 主要功能：细胞内信号传导过程中的重 要信息分子。
➢ 1952年，Hershey和Chase利用病毒完成更有说服力的“噬菌体” 实验。
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构，20世纪自 然科学最伟大的成就之一。
1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)
一、核酸的发现和研究简史
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结 构，20世纪自然科学最伟大的成就之一。
RNA:NTP
三磷酸腺苷酸ATP 三磷酸鸟苷酸 GTP 三磷酸胞苷酸 CTP 三磷酸尿苷酸 UTP

第三章：核酸的结构与功能 一、名词解释 1不对称比率 2碱基互补 3发

第三章：核酸的结构与功能 一、名词解释 1不对称比率 2碱基互补 3发

第三章：核酸的结构与功能一、名词解释1.不对称比率2.碱基互补3.发夹结构4.DNA的一级结构5.分子杂交6.增色效应7.减色效应8.核酸的变性9.核酸的复性10.DNA的熔解温度（Tm）11.假尿苷（Ψ）12.三叶草型结构13.snRNA 14 ．回文序列15.拓扑异构体16.超螺旋结构17. H-DNA （tsDNA ）18.单顺反子19.多顺反子二、填空题1.( )和( )提出DNA 的双螺旋模型，从而为分子生物学的发展奠定了基础。

2.DNA 与RNA 的结构差别：DNA为( )链，RNA为( )链，DNA 中有( )和( ) ，而RNA 代之为( )和( )。

3．RNA 分为( )、( )和( )，其中以( )含量为最多，分子量( )为最小，( )含稀有碱基最多。

4.胸苷就是尿苷的( )位碳原子甲基化。

5.核酸按其所含糖不同而分为( )和( )两种，在真核生物中，前者主要分布在( )中，后者主要分布在( )中。

6.在核酸分子中由( )和( )组成核苷，由( )和( )组成核苷酸。

（）是组成核酸的基本单位。

无论是DNA 还是RNA 都是有许许多多的（）通过（）键连接而成的。

7.核苷中，嘌呤碱基与核糖是通过( )位( )原子和( )位( )原子相连，嘧啶碱基与核糖是通过( )位( )原子和( )原子相连。

8.一条单链（+）DNA 的碱基组成为A21% ，G9%，C29%，T21%，用DNA聚合酶复制出互补的（-）链，然后用得到的双链DNA 做模板，用RNA聚合酶转录其中的（-）链，产物的碱基组成是( )。

9.常见的环化核苷酸是( )和( ),作用是( )，它们是通过核糖上( )位( )位的羟基与磷酸环化形成酯键。

10.生物体内有一些核苷酸衍生物可作为辅酶而起作用，如：( )、( )、( )和( )等。

11.某双链DNA 中含A为30％(按摩尔计) ，则含C 为( )％，含T 为( )％。

12.某双链DNA 的一段链上，已知碱基(按摩尔计) 组成A=30% ，G=24% ，则同一链中的T+C 是( )％，其互补链中的T 是( )％， C 为( )％，A+G 是( )％。

第三章：核酸的结构与功能 一、名词解释 1不对称比率 2碱基互补 3发

第三章：核酸的结构与功能 一、名词解释 1不对称比率 2碱基互补 3发

第三章：核酸的结构与功能一、名词解释1.不对称比率2.碱基互补3.发夹结构4.DNA的一级结构5.分子杂交6.增色效应7.减色效应8.核酸的变性9.核酸的复性10.DNA的熔解温度（Tm）11.假尿苷（Ψ）12.三叶草型结构13.snRNA 14 ．回文序列15.拓扑异构体16.超螺旋结构17. H-DNA （tsDNA ）18.单顺反子19.多顺反子二、填空题1.( )和( )提出DNA 的双螺旋模型，从而为分子生物学的发展奠定了基础。

2.DNA 与RNA 的结构差别：DNA为( )链，RNA为( )链，DNA 中有( )和( ) ，而RNA 代之为( )和( )。

3．RNA 分为( )、( )和( )，其中以( )含量为最多，分子量( )为最小，( )含稀有碱基最多。

4.胸苷就是尿苷的( )位碳原子甲基化。

5.核酸按其所含糖不同而分为( )和( )两种，在真核生物中，前者主要分布在( )中，后者主要分布在( )中。

6.在核酸分子中由( )和( )组成核苷，由( )和( )组成核苷酸。

（）是组成核酸的基本单位。

无论是DNA 还是RNA 都是有许许多多的（）通过（）键连接而成的。

7.核苷中，嘌呤碱基与核糖是通过( )位( )原子和( )位( )原子相连，嘧啶碱基与核糖是通过( )位( )原子和( )原子相连。

8.一条单链（+）DNA 的碱基组成为A21% ，G9%，C29%，T21%，用DNA聚合酶复制出互补的（-）链，然后用得到的双链DNA 做模板，用RNA聚合酶转录其中的（-）链，产物的碱基组成是( )。

9.常见的环化核苷酸是( )和( ),作用是( )，它们是通过核糖上( )位( )位的羟基与磷酸环化形成酯键。

10.生物体内有一些核苷酸衍生物可作为辅酶而起作用，如：( )、( )、( )和( )等。

11.某双链DNA 中含A为30％(按摩尔计) ，则含C 为( )％，含T 为( )％。

12.某双链DNA 的一段链上，已知碱基(按摩尔计) 组成A=30% ，G=24% ，则同一链中的T+C 是( )％，其互补链中的T 是( )％， C 为( )％，A+G 是( )％。

第三章 核酸化学

第三章 核酸化学


rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。

思考题：


体内有哪些重要的核苷酸？各有何作用？
DNA和RNA在化学组成、分子结构和生理功能有何异同？ 利用核酸的理化性质在临床实践中有何应用？
N O O
-

NH2 N N OCH2
-
O O
-
O O
-
N H H
P O
-
P O
-
P O
O
H H
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P )

多磷酸核苷酸
5′-磷酯键
N N O -O O O O O
NH 2
N
N

P O-

P O-

P O-
O
CH 2 H H OH
O H H H
脱氧腺嘌呤核苷 脱氧腺嘌呤一磷酸 (dAMP) 脱氧腺嘌呤二磷酸 (dADP) 脱氧腺嘌呤三磷酸 (dATP)


NH

核苷
N N
2 N 9 N
糖苷键
CH O H O 2 1'
H H OH H 2' O H H
嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷 键相连形成核苷。

核苷酸(ribonucleotide)
NH2
酯键
O
N N O
N
9 N
糖苷键
HO P O CH 2 O
-
H
H
OH
' 1 H H 2'
* tRNA的二级结构
——三叶草形
氨基酸臂 DHU环 反密码环
额外环

生物化学第三章核酸

生物化学第三章核酸

第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
• DNA和RNA的区别
不同点 戊糖 碱基 二级结构 碱基互补配对 种类 RNA 核糖 G C A U 单链 忠实性较低 多 （mRNA，rRNA， tRNA 等） DNA 脱氧核糖 G C A T 双链 忠实性高 少

碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶(A-T)
4.双螺旋表面存在大沟和小沟
小沟
大沟
（二） DNA二级结构的多样性
• 三种DNA构型的比较
螺距 旋向 (nm) 每圈碱 基数 螺旋直径 （nm） 骨架 走行
存在条件
A型 右手 B型 右手
2.3 3.54
11 10.5
2.5 2.4
平滑 平滑
体外脱水 生理条件
（二）碱基
碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
NH2
嘌呤(purine，Pu)
N 7 8 9 NH
N
N
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
(二) 原核生物DNA的环状超螺旋结构
原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形 式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
DNA超螺旋结构的电镜图象
(三) DNA在真核生物细胞核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成
基本单位是核小体
DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。

第三章 多聚核苷酸与核酸

第三章 多聚核苷酸与核酸

二、DNA在二级结构基础上形成超螺旋结构
（一）超螺旋结构具有不同的拓扑异构体
DNA在双螺旋结构基础上通过盘绕 和折叠所形成的空间构象称为三级结构。
松弛态DNA（relaxed DNA） 在溶液中是以能量最低的状态存在的线性
DNA 。
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) 将DNA的两端固定，使之旋进过分或旋进
其中B型与Watson-Crick提出的模型一致，是在相 对湿度92％下得到的，这是DNA双螺旋在水性环境 和生理条件下最稳定结构。
A和C型在相对低湿度的条件下形成，它们的螺距 都比B型要短。沟槽、旋转角度等都有变化。
右手螺旋。
Z型DNA首先在富含GC的DNA短片段中发现，后来证 明天然DNA中也有，它是一种左旋螺旋，在细胞中 可能有助解链和调控基因表达的作用。
A
由于核苷酸间
的差异主要是碱基
不同，所以也称为
G
碱基序列。 3端
• DNA 分 子 主 要 由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 和
dTMP 四 种 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 所 组 成 。 DNA 的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖 核苷酸的排列顺序及连接方式。
•
• RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四 种核糖核苷酸组成。RNA的一级结构就 是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序 及连接方式。
（一）3, 5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键
• 一分子的核苷
酸 的 3′- 位 羟 基
与另一分子核
苷 酸 的 5′- 位 磷
酸基通过脱水
可形成3′,5′-磷
酸二酯键，从 而将两分子核 苷酸连接起来。
（二）多聚核苷酸 5端 链有方向性

第三章 核酸——生物化学(ssy)

第三章 核酸——生物化学(ssy)

螺旋直径为2nm，相邻碱基
平面距离0.34nm，螺旋一圈
螺距3.4nm，一圈10对碱基。
碱基垂直螺旋轴居双螺旋内
側，与对侧碱基形成氢键配 对 （ 互 补 配 对 形 式 ： A=T; GC） 。
碱基互补配对 A T G C
氢键维持双链横向稳定性
碱基堆积力维持双链纵向
稳定性。 离子键屏蔽磷酸基团之间 的静电斥力
5′端
C
A
G
3′端
书写方法
A
G
T
G
C
T
线条式
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
字母式
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
2、 DNA二级结构-双螺旋结构
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T] [G] [C] 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理
第 三 章 核 酸 化 学
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俗
语
生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理 功能上常常相似的现象，就是遗传现象。
牛的后代仍然是牛 早在公元前3世纪，《吕氏春 秋》中就记载着“夫种麦而得麦， 种稷而得稷，人不怪也”
金丝猴的后代 仍然是金丝猴
思考： 到底是什么物质在亲子代的遗传 中起作用呢？
2004年12月26日，圣诞节欢乐的气氛尚未结束， 此时，位处南亚的印尼发生了史上第四大强震， 芮氏规模9.0，引发波及东南亚8个国家的海啸。
b. 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。

第三章 核酸化学

第三章 核酸化学

反向平行是指一条链是 5’
一条链必为3’ 5’端。
3’ 端，则另
（二）DNA的二级结构
• 双螺旋结构模型的要点

（2）磷酸与核糖彼此通过3’,5’-磷酸 二酯键相连接位于双螺旋外侧，形成 DNA分子的骨架。碱基位于内侧。碱 基平面与螺旋轴基本垂直，糖环平面 与螺旋轴基本平行。
（二）DNA的二级结构
3.多磷酸核苷酸
A
P ～ P ～ P
O
腺苷一磷酸 （AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP） ATP参与多种物质代谢，为各项生命活动提供能量。
NMP NDP
dNMP
RNA
AU U C G
dNDP dNTP
DNA
A T C G
NTP
AMP UDP CTP
dGMP dADP dTTP
（ TTP ）
功能： 与蛋白质结合形成核蛋白体，是蛋白质
生物合成场所。
结构： 核蛋白体有大、小两个亚基组成。
特点：
数量最多。
（三）mRNA的分子结构与功能
“帽子结构” 的作用：
防止mRNA被降解。 蛋白质生物合成时被起始因子识别的标志。
Poly A的作用：引导mRNA由胞核转移到胞质。
点滴积累
1. DNA的一级结构实质是指碱基的排列顺序。 2. DNA的二级结构是双螺旋型，其要点包括：由两条反向 平行的多核苷酸链围绕中心轴形成；磷酸和脱氧核糖位 于螺旋外侧，碱基位于螺旋内侧；碱基配对具有一定的 规律性，即A与T配对，G与C配对。 3. DNA双螺旋结构模型要点及稳定因素。 4. 3种RNA的空间结构决定了它们在蛋白质生物合成过程 中的不同作用。
E．S
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生物化学第三章核酸化学

生物化学第三章核酸化学

核糖核酸酶类
牛胰核糖核酸酶：存在于牛胰中，简称为 RNaseⅠ，只作用于RNA，十分耐热，是具 有极高专一性的内切酶。 核糖核酸酶T1：从米曲霉中获得的，耐热， 耐酸，专一性更强。 核糖核酸酶T2：来源同T1，核酸酶：也叫做DNaseⅠ， 需要镁离子参与，切断双链DNA或者单链 DNA为寡聚核苷酸，平均长度为4个核苷酸。 ② 牛脾脱氧核糖核酸酶：也叫做DNaseⅡ， 需要钠离子激活，镁离子抑制活性。 ③ 限制性内切酶：主要降解外源性DNA，目 前发现有数千种，是基因工程最重要的工 具酶。
RNA功能的多样性
① ② ③ ④ ⑤ 控制蛋白质的生物合成； 作用于RNA转录后的加工与修饰； 基因表达与细胞功能调节； 生物催化与其他的细胞功能 遗传信息的加工与进化
第三节
核酸的分子结构
一． 核酸中核苷酸的连 接方式 二． DNA的分子结构 三． RNA的分子结构
核酸中核苷酸的连接方式
1. 核苷酸可以被酸、碱 和酶水解，水解后产 生寡核苷酸、核苷酸、 核苷和碱基。 2. 实验证明，核苷酸是 通过磷酸二酯键彼此 相连，并且形成的是 3’-5’磷酸二酯键（后 面核酸降解中详细说 明）。
tRNA的一级结构特点
① 一般由73-78个核苷酸组成； ② 碱基中有较多的稀有碱基； ③ 3’末端均有CCA-OH结构，用以携带氨基 酸，5’多为pG或者pC。
tRNA的二级结构特点
① 氨基酸臂，由3’和5’末端的7对互补碱基构 成，携带氨基酸，富含G，形成双螺旋； ② 二氢尿嘧啶环，8-12个核苷酸组成，由34对碱基构成双螺旋； ③ 反密码子环，7个核苷酸组成，其中3个组 成反密码子环； ④ 额外环，是tRNA分类的重要标志 ⑤ TψC环，是tRNA中起连接作用的。

第三章 核酸(3)核酸的理化性质

第三章 核酸(3)核酸的理化性质

5、变性后其它理化性质变化：OD260增高；粘
度下降；比旋度下降；浮力密度升高；酸碱滴定 曲线改变。
6、DNA的热变性和熔解温度（Tm）
增色效应 (hyperchromic effect) ： DNA 变性 时其溶液OD260增高的现象。

DNA的解链曲线
连续加热 DNA 的过 程中以温度相对于A260 值作图，所得的曲线称 为解链曲线。
（3）溶液的pH值和变性剂
（二）核酸的复性
1、复性：变性DNA在适当条件下，两条彼
此分开的单链重新缔合成为双螺旋结构的
过程
退火：将热变性的 DNA 骤然冷却至低温时，
DNA 不可能复性。但是将变性的 DNA 缓慢
冷却时，可以复性，又称“退火”。
（二）核酸的复性
2、复性表现：许多理化性质可恢复，生物活 性得以部分恢复。
1、酸或碱水解
（2）酸水解
酸性条件下，磷酸二酯键比糖苷键稳定，嘌 呤与脱氧核糖之间的糖苷键稳定性最差。 若对核酸进行酸水解，首先生成的是无嘌呤 酸。因此对核酸进行部分水解时，很少采用酸水
解。
3、酶水解
核酸酶分类
根据底物不同：DNA水解酶（DNase） RNA水解酶（RNase）
根据作用方式：核酸外切酶 (限制性和非限制性)
核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研 究中具有重要意义。

核酸分子杂交
六、核酸序列测定——Sanger法
应用最广。 原理： 碱基配对； 聚合酶可催化在试管内 合成与模板互补的 DNA新链； 双脱氧核苷酸无3’-OH， 合成到此终止； 可电泳分离随机得到的 大小不等的片段。
双 脱 氧 法
三、核酸的酸碱性质及等电点

第三章 多聚核苷酸和核酸

第三章 多聚核苷酸和核酸

第三章多聚核苷酸和核酸§3.0概述核酸的分类及分布核酸分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。

脱氧核糖核酸（DNA）存在于细胞核和线粒体，携带遗传信息，并通过复制传递给下一代；核糖核酸（RNA）分布于细胞核、细胞质、线粒体，是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。

某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

§3.1多聚核苷酸多个核苷酸（nucleitide）通过3’,5’-磷酸二酯键（phosphodiester bond）连接、形成的链状聚合物，即多聚核苷酸（polynucleotides）。

连接键（基本结构键）：3’,5’-磷酸二酯键5’末端[-P]，游离磷酸集团；3’末端[-OH]，游离羟基多聚核苷酸连具有方向性，书写时从5’→3’寡核苷酸（长度小于50nt）与多核苷酸3’,5’-磷酸二酯键§3.2 DNA的结构与功能一、DNA的碱基组成DNA中的碱基：A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）DNA的碱基组成遵循Chargaff法则：①不同种属生物的DNA碱基组成不同；②同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成；③对于一个特定的组织的DNA，其碱基组份不随其年龄、营养状态和环境而变化；④腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等。

[A] = [T]，[G] [C]二、DNA的一级结构脱氧核糖核苷酸在多聚核苷酸链中的排列顺序（碱基序列）基本结构键：3’,5’-磷酸二酯键三、DNA的空间结构（一）DNA的二级结构——双螺旋结构1.双螺旋的结构特点（1）两链平行，方向相反，右手双螺旋（2）碱基向内，严格配对，两链互补（3）维系力：碱基堆积力+氢键（4）每一螺圈含10.4bp（碱基对），直径为2 nm，螺距为3.4 nm（5）DNA 双螺旋结构的表面存在一个大沟和一个小沟2.DNA双螺旋结构具多样性（二）DNA的三级结构1.超螺旋结构将DNA的两端固定，使之旋进过分或旋进不足，DNA双链上就会产生额外的张力而发生扭曲，以抵消张力。

化学生物学 第三章 核酸

化学生物学 第三章 核酸
▪ 核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。DNA的碱基 顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界 物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变 万化的不同排列组合之中。而mRNA(信息RNA) 的碱基顺序，则直接为蛋白质的氨基酸编码，并 决定蛋白质的氨基酸顺序。
一、DNA的结构
▪ 1953年，J. Watson 和F. Crick 在前人研 究工作的基础上，根 据DNA结晶的X-衍射 图谱和分子模型，提 出了著名的DNA双螺 旋结构模型，并对模 型的生物学意义作出 了科学的解释和预测。
▪ 几乎所有天然DNA都是负超 螺旋类型。
(c)负超螺旋引 起链的分离
(a)松弛环状DNA (b)负超螺旋的DNA
二、RNA的结构
▪ RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基 种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定 等于嘧啶碱基的总数。在RNA的双螺旋结构中，碱基的 配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也 可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。 RNA分子 中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的 部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型” 结构。
▪ 在多聚核苷酸（DNA或RNA） 链中，由于构成核苷酸单元的 戊糖和磷酸基是相同的，体现 核苷酸差别的实际上只是它所 带的碱基，所以多聚核苷酸链 结构也可表示为：
方向性
在讨论有关核酸 问题时，一般只 关心其中碱基的 种类和顺序，所 以上式可以进一 步简化
第二节 核酸的结构
▪ 多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的 顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有 一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。
的最显著 特点是含 有两个高 能磷酸键。 ATP水解 时, 可以 释放出大 量自由能。

生物化学讲义（3）讲述

生物化学讲义（3）讲述

⽣物化学讲义（3）讲述第三章核酸（6学时）核酸是⽣命最重要的分⼦，最简单的⽣命仅含有核酸（病毒）。

1868年⾸次在绷带上的脓细胞核中发现⼀种富含磷酸呈酸性⼜不溶于酸溶液的分⼦，命名为核素，其实是核蛋⽩，1898年从⼩⽜的胸腺中提取了⼀种溶于碱性溶液中的纯净物，这才是真正的核酸，从此，对核酸的研究全⾯展开，揭开了⽣物化学领域惊天动地的⼀页。

1944年Avery等所完成的著名肺炎双球菌转化试验，证明了DNA是遗传物质，⽽不是蛋⽩质。

1953年Watson-Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从分⼦结构上阐明了DNA的遗传功能。

核酸（nucleic acid）是重要的⽣物⼤分⼦，它的构件分⼦是核苷酸（nucleotide），天然存在的核酸可分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两类。

DNA贮存细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。

RNA中参与蛋⽩质合成的有三类：转移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。

20世纪末，发现许多新的具有特殊功能的RNA，⼏乎涉及细胞功能的各个⽅⾯。

第⼀节碱基、核苷和核苷酸⼀、核酸的种类、分布和化学组成核酸分为两⼤类：脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）。

98％核中（染⾊体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿（ctDNA）DNA 拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒RNA主要存在于细胞质中。

信使RNA －－mRNA核糖体RNA－－rRNA转移RNA－－tRNA核酸的化学组成：对核酸的⽔解发现（脱氧）核酸—--→（脱氧）核苷酸—------→P+（脱氧）核苷----→戊糖+碱基由上⾯可知，核酸的结构单位是（脱氧）核苷酸，核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成。

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顺反子∶是指mRNA上对应于DNA上一个完整 基因的一段核苷酸序列。
2、真核mRNA的一级结构
真核的mRNA一般为单顺反子，即一条
mRNA链只翻译产生一条多肽链。其结构模
式为∶
5’-帽子-5’非编码区-编码区-3’非编码区多聚A 与原核生物相比较，多了5’-帽子结构和 3’-polyA尾巴。
5’-帽子结构为：
腺苷
NH 2 N N O
HO
鸟苷
O
四种核苷
N O H H OH H H OH
NH O
HO O H H OH H H OH
胞苷
尿苷
核苷酸是核苷的磷酸酯。 核糖核苷酸的磷酸酯有三种形式(2´ 、3´和5´位)； 脱氧核糖核苷酸的磷酸酯有两种形式（3´和5´位)。 构成RNA∶AMP、GMP、CMP、UMP 构成DNA∶dAMP、dGMP、dCMP、dTMP （不注明磷酸基团位置时都是指5´核苷酸）
核酸的紫外吸收性质可以用于鉴定DNA和 RNA的纯度，常用A260/A280比值来判断。 纯DNA ∶A260/A280=1.8 纯RNA ∶A260/A280=2.0 若样品含有蛋白质杂质，A260/A280比值下降。
核酸变性或复性时，紫外吸收性 质发生变化。
增色效应∶当核酸变性或降解时，其紫外 吸收显著增强，这就是核酸的增色效应。
核苷酸的解离常数pKa
碱基=NH+ 烯醇式 羟基 磷酸基一级 磷酸基二级
AMP
（N1)
3.70 9.33
0.89 0.70
6.01 5.92
GMP(N7) 2.30
CMP(N3) 4.24
UMP 9.43
0.80
1.02
5.97
5.88
TMP
10.0
1.6
核酸的类别∶
DNA∶主要集中在细胞核内
RNA∶主要分布在细胞质中，分为三种
rRNA(核糖体RNA) 占80%以上；
mRNA(信使RNA)
tRNA(转运RNA)
占5%；
占15%。
三、应用与生产

在食品方面∶强力助鲜剂，如肌苷酸 和鸟苷酸。 在医药方面∶ATP、CoA等。

第二节 核酸的组成
一、核酸的元素组成
3.4×10-10×6.4×109×1014=2.2×1014m
Ⅱ、RNA的结构
一、RNA的一级结构(以mRNA为例) RNA分子的基本结构是一条线性
的多核苷酸链，由四种核糖核苷酸以
3'，5'-磷酸二酯键连接而成。
1、原核mRNA的一级结构
原核mRNA一般为多顺反子。在5 '末 端和3 '末端无特殊结构。在mRNA分子内 部，每一个编码区从起始密码(AUG)开始， 到终止密码为止。各个编码区之间、5 '端 的第一个编码区之前以及3 '端的最后一个 编码区之后，都有一段非编码区。
染色体是由一个DNA分子和许多不同 种类的蛋白质结合而成的复合物，其 中蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。很 长的DNA分子经过好几个层次的折叠 压缩，被包裹在染色体中。
染色体的结构
示意图

如果人体有1014个细胞,每个细胞DNA含 量为6.4×109bp,试计算人体DNA(以双螺 旋形式存在)的总长度为多少米?
消光系数，指含磷为1摩尔的核酸溶液在 260nm处的消光值。
有公式：A =
ε(p) c L
( c= W/30.98)
ε(p)= 30.98×A/W.L
W = 30.98×A/
ε(p).L
未知核酸的近似浓度= W×11
在260 nm波长天然RNA的ε(p)在7000～10000之间； 而DNA的ε(p)在6000～8000之间。
减色效应∶ 当变性的核酸在一定条件下恢 复其原有的性质时，紫外吸收的强度又 可恢复到原有的水平，这种现象称为减 色效应。
三、核酸和核苷酸的两性解离
在核酸和核苷酸分子中，既含有可以 给出H+的磷酸基团，又含有可以得到H+的 碱性基团(碱基上的－N=，如嘌呤的N1和 N7，胞嘧啶的N3)，所以核酸和核苷酸是 两性化合物，有等电点。
34
(3) 双螺旋的直径是2nm，沿中心轴，每一 个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距是3.4 nm， 碱基对之间的距离（碱基堆积距离）为 0.34nm。 (4) 两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配 有两个氢键，G与C配有三个氢键。DNA分 子所含嘌呤碱基的总数等于嘧啶碱基的总数 (即A+G=T+C)。 ( 见图)
DNA)。
三、DNA的三级结构
DNA的三级结构是指双螺旋DNA的扭曲 或再螺旋。 如∶开环形----由直链双螺旋DNA分子两端连 接而成，其中一条链留有一个小缺口。 闭环超螺旋形----是双链环形DNA扭曲 成麻花状。 发夹形----DNA变性后在反相重复序列时， 可形成发夹形。
四、染色体的结构
肺炎球菌转化试验

1950年前后，前苏联科学家Chargaff等人研究发 现了碱基互补配对原则，即构成DNA的四种碱 基在数量上A=T，C=G。 同一时期，Wilkins对DNA分子进行了X-射线衍 射研究，得到衍射图谱。 1953，Watson-Crick提出了DNA的双螺旋模型。


二、核酸的类别、分布和功能
N
N
HO H H O O-
O H H OH
O P O-
四、稀有组分
稀有组分是稀有碱基和稀有核苷的总称。
1、稀有碱基∶ 次黄嘌呤(I)、黄嘌呤(X)、5-甲基胞嘧啶(m5C)、 二氢尿嘧啶(D)、 5-羟甲基胞嘧啶(hm5C) 2、稀有核苷∶ (见图)
假尿嘧啶核苷(Ψ)、次黄嘌呤核苷、二氢尿嘧 啶核苷
16 12 8 4 0 胞嘧啶 鸟嘌呤 腺嘌呤 胸腺嘧啶 尿嘧啶
克分子吸收
180
220 260 300 波长(nm)
嘌呤、嘧啶在pH7时的吸收曲线
核酸类物质可利用公式 ：A = K C L 定量分析。K 为（比）消光系数，代表一定 浓度溶液的消光值。K换成ε—称摩尔消光 系数。
ε 主要应用在核苷酸的定性定量上。核 酸上应用时将ε用ε(p)代替，它表示摩尔磷
5
H
H H H H
4
3
H
H
3
H
1 2
6 3
5 4
7 8 9
1 2
6 3
5
4
7 8 9
3 2
4 1
5 6
3 2
4
5 6
3 2
4 1
5 6
1
三、核苷与核苷酸

嘌呤核苷是嘌呤的第9位N与核糖或 脱氧核糖第1´位碳连接。

嘧啶核苷是嘧啶的的第1位N与核糖 或脱氧核糖第1´位碳连接。
脱氧腺苷
脱氧鸟苷
NH 2 N N HO O H H OH H H
⑸ 稳定DNA双螺旋的主要作用力
①碱基堆积力（相邻碱基对平面间的疏水相互 作用，是维持双螺旋结构的主要力量）
②互补碱基间的氢键
③DNA磷酸基与溶液中阳离子形成离子键 ④原核生物： DNA与精胺、亚精胺结合 真核生物： DNA与组蛋白结合
DNA双螺旋的种类
DNA双螺旋结构模型阐述的是常 见的B型DNA(右旋DNA) ，除此之外 还存在A型DNA和Z型DNA(左旋
核酸的基本组成单位∶戊糖、磷酸、含氮碱基。
其中碱基包括∶嘌呤(腺嘌呤A、鸟嘌呤G)
嘧啶(胞嘧啶C、尿嘧啶U、胸腺嘧啶T)
磷酸 OH HO-P=O OH 戊糖∶ 核糖和脱氧核糖 (见图) 碱基∶ (见图) 1、嘌呤 A（腺嘌呤） G（鸟嘌呤) 2、嘧啶 C (胞嘧啶） U（尿嘧啶） T（胸腺嘧啶)
5 4 H
五、重要的核苷酸衍生物
凡是具有含氮杂环-糖醇-磷酸结构的都称为 核苷酸的衍生物。 1、多磷酸核苷酸
指体内核苷酸可进一步在原位磷酸化而生成 多磷酸核苷酸如：ATP GDP CDP UDP GTP CTP UTP dATP ……等等。
其中ATP最常见，称为高能化合物 ——能量 传递中心（包含两个高能磷酸键）
二、RNA的二级结构
RNA的二级结构是指单链RNA分子自身 回折，链内的互补碱基配对，形成局部双螺 旋区，未配对的部分则形成突环相间分布成 花形结构。 1、tRNA的二级结构 tRNA的二级结构呈三叶草形。 (见图)
包括以下结构单元：
（1）AA接受臂 末端为CCA，接受活化AA （2）二氢尿嘧啶环（D环） （3）二氢尿嘧啶臂（D臂） （4）反密码环 中间三个核苷酸称为反密码子 （5）反密码臂 （6）TψC环 是核糖体识别部位 （7）TψC臂 （8）额外环（可变环） tRNA分类的重要指标
由C、H、O、N、P五种元素组成。 P是特征性元素，含量相对恒定： RNA含磷9.0％；DNA含磷9.2％。 定磷法测定核酸含量的原理是先用强酸将 有机磷转化成无机磷酸，再与定磷试剂反 应可测出含P量，进一步算出核酸含量。
二、核酸的完全水解产物
核酸的水解： 核酸 聚核苷酸
核苷酸
磷酸 核苷
戊糖 碱基
5 ´ -d AMP
3 ´ -d AMP
NH 2 N O -O P O OH H OH O H H H N N N
HO H H O OO H H
NH 2 N N
N N
H
O P O-
5 ´ -AMP
3 ´ -AMP
NH 2 N
NH 2
N N
N O -O P O OH H OH O H H OH N N
tRNA三级结构呈倒L型。
tRNA的三级结构
tRNA 结构
第四节 核酸及核苷酸的性质
一、一般物理性质
DNA的相对分子量很大(106-109)，白色絮状； RNA的相对分子量较小(1-10万)，白色粉末或结晶状。