核苷酸与核酸NucleotidesandNucleicAcids
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生物化学―名词解释
生物化学―名词解释核苷nucleoside：是嘌呤或嘧啶碱通过共价键与戊糖连接组成的化合物。
核糖与碱基一般都是由糖的异头碳与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的β-N-糖键连接核苷酸nucleotide：核苷的戊糖成分中的羟基磷酸化形成的化合物cAMP cycle AMP：3@,5@-环腺苷酸，是细胞内的第二信使，由于某部些激素或其它分子信号刺激激活腺苷酸环化酶催化ATP环化形成的磷酸二脂键phosphodiester linkage：一种化学基团，指一分子磷酸与两个醇（羟基）酯化形成的两个酯键。
该酯键成了两个醇之间的桥梁。
例如一个核苷的3@羟基与别一个核苷的5@羟基与同一分子磷酸酯化，就形成了一个磷酸二脂键脱氧核糖核酸DNA：含有特殊脱氧核糖核苷酸序列的聚脱氧核苷酸，脱氧核苷酸之间是通过3@,5@-磷酸二脂键连接的。
DNA是遗传信息的载体核糖核酸RNA：通过3@,5@-磷酸二脂键连接形成的特殊核糖核苷酸序列的聚核糖核苷酸转化transformation：一个外源DNA 通过某种途径导入一个宿主菌，引起该菌的遗传特性改变的作用转导transduction：借助于病毒载体，遗传信息从一个细胞转移到另一个细胞。
碱基对base pair：通过碱基之间氢键配对的核酸链中的两个核苷酸，例如A与T或U，以及G与C配对夏格夫法则Chargaff’s rules：所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等（A=T），鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔含量相等（G=C），既嘌呤的总含量相等（A+G=T+C）。
DNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织和器官的特异性。
另外，生长和发育阶段`营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成拓扑异构酶topoisomerse：通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕和封口来改变DNA连环数的酶。
拓扑异构酶Ⅰ、通过切断DNA中的一条链减少负超螺旋，增加一个连环数。
某些拓扑异构酶Ⅱ也称为DNA促旋酶染色质chromatin：是存在与真核生物间期细胞核内，易被碱性染料着色的一种无定形物质。
高中化学竞赛【核酸】
DNA 的结构
Waston-Crick Model
DNA 双螺旋结构 J D. Waston, F.H C Crick (1953)
39
F. H. C. Crick and J. D. Watson
40
41
Photo 51 - The world famous x-ray that established DNA as a helix
20
§16.2 核苷 Nucleosides
核糖、2-脱氧核糖与杂环碱形成的糖苷
21
组成 DNA 的核苷
2-脱氧腺苷 dA 2-deoxyadenosine
2-脱氧鸟苷 dG 2-deoxyguanosine
22
2-脱氧胞苷 dC 2-deoxycytidine
2-脱氧胸苷 dT 2-deoxythymidine
(DNA, RNA)
Guanine 鸟嘌呤 G (DNA, RNA)
9
核酸的发现
Johann Friedrich Miescher (Ger.) 1871
J. F. Miescher discovered and isolated NUCLEIN (DNA) in the cells from pus in open wounds. It became known as nucleic acid after 1874, when Miescher separated it into a protein and an acid molecule.
of nucleic acids.
25
26
ribonucleotides
N
O
-O P O O-
N O
H
2011-4-19核苷酸与核酸
核酸的结构
tRNA的高级结构
• 三叶草形二级结构：茎＋环• 倒L形三级结构核酸的结构
维系tRNA三级结构的因素：氢键、碱基堆积力 tRNA分子功能：转运氨基酸 tRNA分子具有与其功能相适应的柔韧性。
核酸的理化性质
• 核酸的水解 • 核酸的酸碱性质
• 核酸的紫外吸收
• 核酸的变性和复性
核酸的研究方法
核酸的研究方法
核酸的分离纯化和定量测定 核酸的离心分析
核酸的凝胶电泳
核酸的测序
PCR
DNA的化学合成
核酸的研究方法
核酸的分离纯化
要点： 利用各种核酸的特性选择合适的纯化方法（注意 掌握原理）； 抑制核酸酶的作用，防止核酸的降解和变性。
核酸的研究方法
核酸含量的测定
• 紫外分光光度法
50 g/ml 双螺旋DNA A260=1 40 g/ml 单链DNA/RNA 20 g/ml 寡核苷酸
核酸的研究方法
核酸的凝胶电泳
琼脂糖凝胶电泳分离核酸 并测定DNA分子量
核酸的研究方法
核酸测序
双脱氧终止法测定DNA序列
核酸的研究方法
DNA聚合酶链反应（PCR） PCR：体外扩增DNA的技术
或核糖
戊糖（pentose）
碱基（base）
核酸的结构
核糖与碱基之间通过N-(-)糖苷键相连，形成 核苷；
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸， 核苷与磷酸之间主要通过5’-磷酸酯键相连。
核酸的结构
5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 4’
5’ 1’ 3’ 2’
(OH)
(OH)
嘧啶核苷
嘌呤核苷
在DNA的变性过程中， (P)值增大（增色效应，hyperchromic effect）
04章核苷酸和核酸1
DNA结构变化的意义
• 复制、转录、重组——起始、调节位点
3. DNA的三级结构
DNA的三级结构是指DNA分子（双螺旋） 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、单链与二级结构
单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺 旋结构是三级结构的一种。
（2）特殊的二级结构
回文结构（palindromic structure）也称反 向重复（inverted repeats）：链内互补
发夹形和十字形结构
镜象重复（mirror repeat）
H-DNA——三螺旋DNA
Hoogsteen碱基配对 三链DNA的碱基配对形式
双链DNA的碱基配对形式
2．一些核苷酸是细胞通讯的媒介(第二信 使分子)：cAMP , cGMP
ATP
腺苷酸环化酶
cAMP + PPi
3. 核苷酸是许多酶辅助因子的结构成分
第二节 磷酸二酯键与 多核苷酸
1. 核苷酸的连接
5´端
C
核苷酸之间以磷酸
二酯键（phosphodiester
linkage）连接形成多核
苷酸链（polynucleotide chain）。 寡核苷酸：＜50核苷酸 多核苷酸
第四节
DNA的结构
Structure of DNA
一、DNA储存遗传信息的证实
1. 细 菌 转 化 实 验 1928年Frederick Griffith和1944年O. Avery
Avery细菌转化实验（1944）
噬菌体
2. 噬菌体侵染细菌的实验
二、各物种DNA有着独特的碱基组成
• DNA结构有关重要线索来自Chargaff等(1950)的 研究结果：
核苷酸代谢
核苷酸代谢概况
合成代谢 从头合成途径 (de novo synthesis pathway) 补救合成途径 (salvage synthesis pathway) 分解代谢
从头合成途径 (de novo synthesis pathway)
利用磷酸核糖、氨基酸、 利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和 等简单物质为原料， CO2 等简单物质为原料，经过一系列酶 促反应，合成核苷酸的途径. 促反应，合成核苷酸的途径. 这是主要合成途径, 主要在肝脏 肝脏进行 这是主要合成途径, 主要在肝脏进行 主要合成途径
IMP
_
XMP
_
腺苷酸代 琥珀酸
AMP
ADP GDP
ATP GTP
IMP
GTP
+
XMP
_
ATP
+GMP
原则之一： 原则之一：
满足需求， 满足需求，防止供过于求
原则之二： 原则之二：
相互调整， 相互调整，比例平衡
嘌呤核苷酸从头合成特点 嘌呤核苷酸从头合成特点
从头合成的特点： 从头合成的特点： 生物体内不是先合成嘌呤碱， 生物体内不是先合成嘌呤碱，再与核糖 和磷酸结合成核苷酸， 和磷酸结合成核苷酸，而是在磷酸核糖 的基础上从PRPP开始， PRPP开始 的基础上从PRPP开始，经过一系列酶促 反应，逐步合成嘌呤环的。先生成IMP IMP， 反应，逐步合成嘌呤环的。先生成IMP， 然后再转变为AMP AMP和 然后再转变为AMP和GMP
合成RNA 合成
dADP/dGDP
ATP ADP
dATP/dGTP
合成DNA 合成
•嘌呤核苷酸从头合成的调节 嘌呤核苷酸从头合成的调节 调节方式：反馈调节和交叉调节 调节方式：反馈调节和 5-磷酸核糖
核苷酸和核酸
第二章核昔酸和核酸引言核酸的发现：核酸是瑞士科学家F.Miesher于18 6 8年在研究细胞核化学组成成分时发现的，他把从细胞中分离出来的酸性的含磷的物质称为核酸。
二、如何证明核酸是遗传物质的载体？1.19 4 4年0. T. Avery的细菌转化实验是获得DNA携带遗传信息的第一个证明。
2・1 9 5 2年Alfred D.和Hershey等人建立的TJ筮菌体捣碎的实验——第二个证据。
材证明噬菌体复制的物质是DNA而不是蛋白质外壳3.1953年Watson和Crick的DNA双螺旋模型的发现，更进一步揭示了DNA作为遗传物质储存和信息传递的化学机制。
4.核酶的发现，一些核酸本身具有酶催化的活性。
三、核酸的种类和分布1.分类：根据分子中所含戊糖的种类分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。
2.分布：DNA:真核:98%核中（染色体中）核外:线立体（mD\A）叶绿体（ctD\A）原核:拟核核外:质粒病毒：D\A病毒RNA：以细胞质中存在为主，细胞核中也有：tRNA （转移RNA） RRNA（核糖体RNA） MRNA（信使RNA） RNA 病毒：SARS第一节核酸的基本化学组成前言已经讲过蛋口质，核酸是生物体中另一种重要的大分子，两者合起来称为生物体内最重要的两大分子。
蛋白质的完全水解产物一一各种氨基酸的混合物不完全水解产物一一各种大小不等的肽段和氨基酸混合物核酸的完全水解产物一一嚓吟和喘唳碱、戊糖和磷酸混合物不完全水解产物一一核昔和核甘酸因此眈是蛋口质的基本组成单位，核昔酸是核酸的组成单位，核酸就是多聚核昔酸。
一.核酸的化学组成1 •元素组成：CH0NP,蛋白质元素组成：还有其他元素。
2. ------------- 分子组成：一一碱基（base）： BI吟碱，陀唏碱一一戊糖（ribose）:核糖，脱氧核糖磷酸（phosphate）DNA的碱基组成：A G C T； RNA的碱基组成：A G C U二.核昔酸的结构1.戊糖组成核酸的戊糖有两种。
第一章 核酸和核苷酸
3.碱基（base）
4.核苷（nucleosides） 核糖，脱氧核糖与碱基的缩合产物为核 苷。 5.核苷酸（nucleotides）
6.稀有碱基（修饰性碱基）
二.磷酸二酯键与核酸链（多核苷酸）
1.核苷酸通过磷酸二酯键连接成“寡核苷 酸”,“多核苷酸”。少于50个核苷酸残 基的核苷酸聚合物称为寡核苷酸，多于 50个核苷酸残基称为多核苷酸。天然核 酸为多核苷酸（polynucleotide）。 2.核酸链的简化表示法 如无特别注明一条核酸链左边为5‘末端， 右边为3’末端。
内切酶
外切酶一般有末端特异性；
内切酶常有碱基顺序特异性；
3.DNA限制性内切酶 能识别一定核苷酸顺序，并在识别顺序 或识别顺序附近同时切割DNA双链的酶， 称为DNA限制性内切酶。
限制性DNA内切酶与DNA甲基化酶构成
“限制－修饰”系统，是用于保护细菌 本身的染色体DNA，限制外来入侵DNA 的一种防御系统。 限制型内切酶的命名：以分离出限制酶 的菌株属名的第一个字母（大写），加 上细菌种名的前两个字母来表示。有时 再加菌株名和发现次序，如大肠杆菌细 胞R株第一个发现的限制酶称EcoR I。
限制性片断长度多态性（RFLP，
Restriction Fragment Length Polymorphism） 可以看成是物种基因组在限制酶切点上的 遗传多态性，例如在某一限制酶识别的靶 位点碱基改变，导致由相关限制酶切割产 生的片断长度和数目上的差异，RFLP用 于对基因组进行遗传作图，是一种常用的 遗传标记。
2.导致DNA双螺旋结构建立的一些基础 a.证明DNA储存遗传信息；转化因子的发 现；噬菌体T2感染大肠杆菌的同位素示 踪实验（见图）； b.DNA碱基组成的Chargaff规则； c.DNA纤维的X光衍射分析（见图）；
生物化学 Chap4 nucleic acid
the phosphate attaching to the hydroxyl group at the 5’ position of the sugar is in turn bonded to the hydroxyl group on the 3’ carbon of the sugar of the next nucleotide.
In 1944，Avery finished the experiment of transmission in vitro
SⅢ 杀死细菌 分离提取
A
DNA+DNase
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
可杀死 小鼠
不杀死 小鼠
RⅡ
Clover structure of tRNA (tRNA的三叶草形结构)
Tertiary structure of tRNA
Upside-down “L”(倒L形)
Section 3
Important properties of nucleic acid
Ultraviolet absorbance
Factors for denaturation of nucleic acid
physical factors: heat, radiation chemical factors: concentrated acids base, urea
维系双螺旋结构的作用力：碱基对之间的氢键；相邻
碱基平面之间的疏水作用力（碱基堆积力）。
Tertiary structure of DNA
Super double helix (超螺旋)
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意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学
变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过 程具有关键作用。
（一）原核生物DNA的是环状超螺旋结构
（二）真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是 环状超螺旋结构
真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体 DNA(mtDNA)是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA 全长16,569个碱基对，共计37个基因, 分别编码13个蛋 白质、2个rRNA、22个tRNA。
HO CH2
OH HO CH2
OH
5´ O
O
4´
1´
3´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
OH H
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸
1. 碱基和戊糖缩合成核苷 β-N-糖苷键
2. 糖苷键是可以旋转 碱基位置存在顺式和反式结构
顺式鸟嘌呤核苷
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
2．核酸中存在稀有碱基
核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基 (rare base)。稀有碱基种类很多，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%。
核酸中部分稀有碱基
嘌呤 嘧啶
DNA m7G 7-甲基鸟嘌呤 N6-m6A N6-甲基腺嘌呤
连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。
NH2
N O
核苷酸：
HO P O CH2 O N O OH
AMP, GMP, UMP, CMPΒιβλιοθήκη 脱氧核苷酸：OH OH
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
腺嘌呤核苷三磷酸 ATP
腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMP
环式腺苷一磷酸cAMP 环式鸟苷一磷酸cGMP
鸟苷四磷酸 ppGpp
相邻碱基平面距离0.34nm， 螺旋一圈螺距3.4nm，一圈 10对碱基。
DNA双链模型
碱基互补配对
A
T
C
G
3、疏水力和氢键维系DNA双螺旋的稳定
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。
Watson-Grick和Hoogsteen DNA螺旋中碱基对间氢键的位置
（三）DNA双螺旋结构具有多样性
0.99
牛脾 27.9 22.7 22.1 27.3 1.01 1.01 44.7
1.04
牛精子 28.7 22.2 22.0 27.2 1.06 1.01 44.2
1.04
猪
29.8 20.7 20.7 29.1 1.02 1.00 41.4
1.01
酵母 31.7 18.3 17.4 32.6 0.97 1.05 35.7
DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 DNA双螺旋结构模型要点
DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
DNA的超螺旋结构 原核生物DNA的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装
DNA的功能
一、 DNA的二级结构是双螺旋结构
（一）Waston和Crick提出DNA双螺旋结构模型
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T]
分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)
磷酸
核酸酶
核酸
核苷酸
水解
核苷或 核苷酶
脱氧核 苷
戊糖 碱基
核糖
脱氧核糖 嘌呤
嘧啶
（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤碱两类
1．核酸中常见的5种碱基
碱 基:
嘌呤 (purine)
3, 5-磷酸二酯键
（二）多聚核苷酸链有 5端
C
方向性
A
G 3端
书写方法
AGT GCT 5 P P P P P P OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
目录
四、核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类
（一）RNA是单链多聚核糖核苷酸 （二）DNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸 （三）组成DNA和RNA成分不同 （四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本
核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子，携带和传递遗传信息。
核酸的发现和研究工作进展
1869年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
O
HN
N
H2N
N
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
N
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
O NH
N NH2
反式鸟嘌呤核苷
O
NH
NO
反式胞嘧啶核苷
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
O
NH
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH H
O
反式胞嘧啶脱氧核苷
（四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键
a 组蛋白八聚体核心
b 核小体
c 直径30nm纤维的剖面图显示H1的位置 d 核小体组成串珠样的染色质
2．组蛋白是小分子量的碱性蛋白质
组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中 富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白， 但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生 物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能 是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似 性很少。
DNA的拓扑异构体发生改变。
类型：大肠杆菌至少有2型4种拓扑异构酶。Ⅰ型拓扑 异构酶包括拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅲ ，其功能是去除 负超螺旋而松弛DNA ；Ⅱ型拓扑异构酶包括拓扑异构酶Ⅱ 和拓扑异构酶Ⅳ，其功能是引入负超螺旋 。
真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。 I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I 和III；II型拓扑异构酶， 包括拓扑异构酶IIα和IIβ。与原核生物的拓扑异构酶不同， 真核生物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋， 拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。
Z型 细长 左手
18 A 12 3.7 A 4.56 嘧啶反式，嘌呤 顺式 平坦 较窄、很深 不穿过碱基对
（四）某些DNA 具有更复杂的螺旋结构
1. Hoogsteen碱基配对 形成三股螺旋DNA
H-DNA的结构
2． 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA
3.在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构
1.00
大肠杆菌 26.0 24.9 25.2 23.9 1.09 0.99 50.1
1.04
结核杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6 1.03 0.99 70.3
1.00
★ 包括5-甲基胞嘧啶 ▲ 比值偏离1 ：1是实验误差所致
（二） DNA双螺旋结构具有特征性
（Watson, Crick, 1953） 1、DNA是反向平行的互补双链结构
体内重要的游离核苷酸及其衍生物
多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP
含核苷酸的生物活性物质：
NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP
NAD+
NADP+
三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接 成多聚核苷酸
（一）3, 5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键
目录
不同类型的DNA双螺旋结构
A、B和Z型DNA分子的比较
外型 螺旋方式 直径 每螺旋的碱基对数 每碱基对的升距 螺距
A型 粗短 右手 26 A 11 2.6 A 2.53
B型 中 右手 20 A 10.5 3.4 A 3.54
糖苷键构型
反式
反式
大沟
窄深
小沟
宽浅
轴心与碱基对的关系 不穿过碱基对
宽深 窄深 穿过碱基对
结构
五、核苷酸还有其他功能
脱氧核苷酸主要的作用是DNA的组成成分，为 数不多的参与代谢的调节。
核糖核苷酸除了是RNA的组成成分外，还以多 种方式参与细胞内的生理和生化过程。
第二节
DNA的三维结构
The Three Dimensional Structure of DNA
基本内容
DNA的二级结构是双螺旋结构
碱基序列依赖性的局部DNA 可形成发夹形或十字形结构
二、DNA的三级结构是超螺旋结构
DNA的超螺旋结构
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
[G] [C] 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理
DNA纤维的X-线衍射图谱分析
目录
不同生物来源的DNA碱基组成(摩尔，mole)与碱基比（mole比）
来源
A
G
C★
T
A/T
G/C
G+C
嘌呤/嘧啶
▲
人
30.4 19.9 19.9 30.1 1.01 1.0 39.8