第三章.核酸

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
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
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
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
～
～
2、环化核苷酸
一个磷酸与同一戊糖分子形成两个酯键
最常见： 3 ´，5 ´-环腺苷酸 cAMP
3 ´，5 ´-环鸟苷酸 cGMP
结构见图
功能：生物体内的基本调节物质，起第二 信使的作用。
cAMP的结构
第三节 核酸的结构
I、DNA的结构
一、DNA的一级结构 核酸的一级结构是指单核苷酸之间的连 接方式及核酸分子中的核苷酸排列顺序。 DNA、RNA都是由许多核苷酸通过3´、 5´－磷酸二酯键将前一个核苷酸与后一个核 苷酸连接起来，形成无分支的多核苷酸链。
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)
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。
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
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）
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?
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。
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。
均为极性化合物，易溶于水，难溶于有机溶剂。
二、紫外吸收性质
嘌呤碱和嘧啶碱均含有共轭双键结 构，因此，碱基、核苷、核苷酸、DNA 和RNA在240nm～290nm范围内均有紫 外吸收。最大吸收峰在258nm～260nm。
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
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
3’-m7G-5 ’ppp5 ’-Nm3 ’-p
帽子结构可防止5'-核酸外切酶的降解， 并与蛋白质合成的正确起始有关。
多聚腺苷酸尾(polyA尾)并不是从DNA 上转录下来，而是由polyA聚合酶催化添加 的。其作用是延长mRNA的半寿期，从而 可以增加蛋白质合成的数量。此外，还有 助于mRNA穿过核膜，进入细胞质执行其 模板功能。
1´
9
O N N HO O H H OH H H
1´
9
N N
NH N NH 2
H
H
脱氧胞苷
脱氧胸苷
NH 2 N N HO O H H OH H H
1´
1
O H 3C NH N HO O H H OH H H
1´
1
O
O
H
H
NH 2 N N HO O H H OH H H OH N N
O N N HO O H H OH H H OH N NH NH 2
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。
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。
核酸分子的多核苷酸链有两个末端：
在链的一端的一个戊糖的3´位上OH是 游离存在的，另一端的戊糖其5 ´位上连有 一个磷酸基团呈单磷酸酯状态，这两个末 端分别称为3´-末端及5´-末端。
多核苷酸链的表达方式∶ (见图)
二、DNA的二级结构
即DNA双螺旋结构模型(见图) DNA双螺旋结构模型的要点∶ (1) DNA分子是由两条反平行的多聚脱氧核苷酸 链，绕同一中心轴盘旋形成的右手螺旋结构； (2) 每条主链由脱氧核糖与磷酸通过3´、5´-磷酸 二酯键连接而成，并位于螺旋外侧。碱基位于 螺旋内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直。螺旋 表面有两条螺旋形的凹槽∶大沟和小沟。
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）
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
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
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：
2、rRNA的二级结构
rRNA的单链也自身回折，链内的
互ห้องสมุดไป่ตู้碱基配对，形成局部双螺旋区， 形成特定的二级结构。 (见图)
三、RNA的三级结构
RNA在二级结构基础上进一步回折扭 曲，使分子内部的自由能达到最小，在二 级结构中突环上未配对的碱基由于RNA链 的再度扭曲与另一突环上的未配对碱基相 遇，形成新的氢键配对关系，其结果是平 面花形结构变成立体花形结构。
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
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
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
第三章 核酸化学
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 概述 核酸的组成 核酸的结构 核酸及核苷酸的性质 核酸的分离纯化
第一节
一、核酸的发现与发展

概述
1869年瑞士人Mischell从细胞核中分离出核素。 1871年Ottoman分离出类似物质，命名为核酸。

1944年Avery进行了肺炎球菌转化实验，揭示了 核酸的生物功能。