第13章+核酸的结构

一、碱基 （base）
• 碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。 • 1．嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。
2. 嘌呤碱
应用X光衍射分析法已证 明了各种嘌呤和嘧啶的三 度空间结构。 嘌呤和嘧啶环很接近平面， 但稍有挠折。
3. 稀有碱基
• 除了5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基， 称为稀有碱基。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化 碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10％。
三股螺旋DNA
K. Hoogsteen
1963
通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸 - 寡嘌呤核苷酸双螺 旋的大沟结合：
oligo(Py) : oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)
★当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可 以形成三股螺旋（铰链DNA，hinged DNA , H-DNA)
糖的C1与嘧 啶碱的N1
糖的C1与嘌 呤碱的N9
规律：
• （1）核苷中的戊糖为呋喃型的D-核糖或D-脱 氧核糖，糖苷键均为β —糖苷键。
• （2）对嘧啶核苷来说，糖的C1与嘧啶碱的N1 相连；对嘌呤核苷来说，糖的C1与嘌呤碱的N9 相连
• （3）应用X射线衍射法已证明，核苷中的碱基 与糖环平面互相垂直。
嘌呤——次黄嘌呤 I；N6、 N6-二甲基腺嘌呤m26A； N1、 N2 、 N7 –三甲基鸟嘌呤 m31,2,7G 嘧啶——5-甲基胞嘧啶 m5C ； 5-羟甲基胞嘧啶 hm5U ；二氢 尿嘧啶 DHU
二、核苷
• 核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。之间 以糖苷键相连接。一般称之为N—糖苷键。核酸 分子中的糖苷键均为β —糖苷键。
三、 核苷酸
核苷中的戊糖羟基被磷酸 酯化，就形成核苷酸。核 苷酸是核苷的磷酸酯。
HOCH2 H H OH O H H OH H OH H
碱基 OH
HOCH2 H
O
碱基 OH
H H
D- 核 糖
D-2- 脱 氧 核 糖
核糖核苷酸 2’、3’或5’－核糖核苷酸
核苷酸
脱氧核糖核苷酸 3’或5’－脱氧核糖核苷酸
第二节
核酸的共价结构
• 一、核酸的共价结构也就是核酸的一级 结构，通常是指核酸的核苷酸序列。 发现过程：
1. 核酸的酸碱滴定曲线显示，在核酸分子中的 磷酸基只有一级解离，它的另两个酸基必定 与糖环的羟基形成了磷酸二酯键。由此可见， 核酸中的核苷酸以磷酸二酯键彼此相连。
2.使用特殊的磷酸二酯酶水解核酸的磷酸二酯 键。（牛脾水解5’—羟基形成的磷酸酯键；蛇毒 水解3’—羟基形成的磷酸酯键 ）
（6）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相 连系；根据对碱基构象研究的结果，A只能与T相配
对，形成两个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。
二、DNA双螺旋结构模型提出的依据
• 1. 已知核酸化学结构和核苷酸键长和键 角的数据。 • 2.对DNA纤维的X射线衍射分析结果证实。 • 3. Chargaff规则 的提出
• 真核生物的mRNA都是单顺反子，5’端有帽子 (cap)结构，然后依次是5’非编码区、编码区、 3’非编码区，3’端为多聚腺苷酸(polyadenylic acid，poly(A))尾巴。其分子内有时还有极少 甲基化的碱基。
5′帽子
m7Gppp-
密码子
AUG GUG …………… UAA
3′polyA
• 1. tRNA结构特点： • tRNA通常由73至93个核苷酸组成，相对 分子质量都在25 000左右，沉降常数为 4S。含有较多稀有碱基，可达碱基总数 的10％～15％。 • 沉降系数：指在单位离心力的作用下粒 子的沉降速度，以svedberg表示，简写 为S，单位为时间，1S = 1×10-13 s
Chargaff规则（1950年总结）
• (1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。 • (2) 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。 • (3) 含氨基的碱基(腺嘌呤和胞嘧啶)总数等于含 酮基的碱基(鸟嘌吟和胸腺嘧啶)总数，即 A+C=G+T。 • (4) 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T。 所有DNA中碱基组成必定是A=T，G=C，这一 规律暗示A与T，G与C相互配对的可能性，为 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构提供了重要 根据。
二、DNA的一级结构
• • • • • • • 1.定义 一级结构指核酸的核苷酸排列序列。 2.特点： （1）碱基组成：A、T、C、G，戊糖为脱氧核糖。 （2）各核苷酸之间通过3’ 5’磷酸二酯键相连 （3）DNA无分支链，相对分子质量非常大 （4）各物种的DNA基因组结构特点不同
1. 细菌（原核生物）的基因组结构特点
重叠基因
三、RNA的一级结构
• 一级结构共同特点： • （1）碱基由A、U、C和G组成，另外还有一 些稀有碱基 • （2）戊糖不是脱氧核糖，而是核糖 • （3）组成RNA的核苷酸也是以3 ’ 5’—磷酸二 酯键彼此连接起来的；所以也是无分支线型多 聚核苷酸 • （4）RNA种类多，结构差异大 主要种类为tRNA, rRNA, mRNA。
三、DNA二级结构类型
• DNA的结构可受环境条件(相对湿度、溶液的盐 浓度、离子类型、有机溶剂等)的影响而改变。 • A型：相对湿度75%制得的DNA纤维结构；右手 螺旋。 • B型：相对湿度92%制得的DNA纤维结构;右手 螺旋（Watson and Crick的结构)。 • C型、D型：相对湿度44~46% ， 60% 制得的 DNA纤维结构;右手螺旋 • Z型：左手双螺旋；
• DNA的类型
类型 A 结晶状态 相对湿度75% DNA钠盐 相对湿度92% DNA钠盐 d(GCGCGC) 螺距 (nm) 2.8 碱基距离 (nm) 0.256 每圈 bp数 11 旋转 方向 右手
B Z
3.4 4.44
0.34 0.37
10 12
右手 左手
P489表13-6 三种类型DNA的比较
• 2. rRNA结构特点： • 细菌的rRNA有5S、16S和23S三种， • 哺乳动物的rRNA有5S、5.8S、18S和28S 四种， • rRNA核苷酸数一般100多个bp ，少数有 稀有碱基
3. mRNA结构特点： • 原核生物以操纵子作为转录单位，产生多顺反子 mRNA（一条mRNA链上有多个编码区），5’端和3’端 各有一段非翻译区(untranslated region，UTR)。 • 原核生物mRNA，包括噬菌体RNA，都无修饰碱基。
第13章 核酸的结构
NH2 N
N
N H
N
核酸的组成
核酸 基本 结构 单位
水
核苷酸
解
磷酸 核苷
核糖 脱氧核糖
戊糖 碱基
嘌呤AG 嘧啶CTU
戊糖
核酸的分类就是根据所含戊糖种类不同而分为核糖
核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)
DNA 嘌 呤 碱 腺嘌呤(adenine) 鸟嘌呤(guanine) RNA 腺嘌呤(adenine) 鸟嘌呤(guanine)
• 连续、无内含子，功能相关的基因组成操 纵子，有共同的调控序列，很少有重复序 列。 • 内含子（intro）：真核生物的基因通常是 断裂基因，保留在成熟RNA中的序列称为 外显子（exon），插入的非编码序列称为 内含子。
• 操纵子：指原核生物基因表达的协调单 位，包括在功能上彼此相关的基因及其 调控部位，调控部位由启动子和操纵基 因（阻遏蛋白结合区）所组成。
(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)
• 生物体内游离存在，核酸合成的前体，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 cGMP
cAMP 3’,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： pH 7.4 时水解 能约为43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。
连接方式：3’，5’ 磷酸二酯键
蛇毒
牛脾
核酸一级结构的简写形式
（1）竖线式，用竖线代表戊糖，B为碱基，P为磷 酸基；原则上5’端在左侧，3’端在右侧，磷酸二酯 键的走向为3’ 5’。 A G C T G B 3`-OH P P P P P 戊糖 5`
C
P
P
3`
OH
（2）文字式：……pApCpTpG…… …….pA-C-T-G…… 或 5′ AGCTGC 3′
生物体内游离存在核苷酸主要是5’－核苷酸
核苷酸
酯键
5` 4` 3` 2` 1`
碱基连接（核苷键）
（对DNA为H）
八种核苷酸
腺嘌呤 A AMP dAMP 鸟嘌呤 G GMP dGMP 胞嘧啶 C CMP dCMP 尿嘧啶 U UMP 未发现 胸腺嘧啶 T 未发现 dTMP
RNA DNA
• M/单，D/二，T/三；P-磷酸（都表示5’磷酸） • RNA的名称为单/二/三苷酸， DNA在单/二/三前加脱氧两字（d表示）。 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
2. 真核生物的基因组特点
• 断裂、有内含子、功能相关基因不形成操纵子， 调控序列所占比例大，有大量重复序列。例如： 人的基因组大小为3.2X109 bp，但编码蛋假基因
基因外区域
外显子 内含子
3. 病毒基因组的特点
• 基因组较小，但十分紧凑，有的基因是重 叠基因。 • 重叠基因：指调控具有独立性，但部分使 用共同基因序列的基因。
嘧 啶 碱
胞嘧啶(cytosine) 胞嘧啶(cytosine) 尿嘧啶(uracil) 胸腺嘧啶 (thymine) D-2-脱氧核糖 磷 酸 D-核糖 磷 酸