第三章核酸的结构与功能
核酸的结构和功能
核酸的结构和功能核酸是生命体中非常重要的一类化合物，它们呈现出多种不同的结构和功能，具有广泛的生理活性和重要的医学应用价值。
因此，本文将从核酸的结构和功能两个方面对其进行详细的探讨和分析。
一、核酸的结构核酸是由核苷酸构成的，其中核苷酸是由糖、碱基和磷酸组成的。
糖和碱基是核苷酸的主要结构单元，而磷酸则是连接各个核苷酸单元的桥梁。
糖的选择在DNA和RNA中有所不同，DNA中的糖是脱氧核糖，而RNA中的糖是核糖。
这种区别使得DNA和RNA结构上存在一些差别，比如在酸碱度条件下，DNA更容易形成稳定的结构，背景下我们来详细讨论DNA和RNA的结构特点。
1. DNA的结构DNA是双链结构，由两个聚合物互相结合而成，这些聚合物通过碱基间的氢键相互连接。
DNA的结构是基于鲍尔理论建立的，它是由两个不合位置条，其中的一条旋转了一定的角度，使得这两个链在三维空间中形成一个双螺旋结构。
这种双螺旋结构基本上是由两个不同形式的基对构成，互补的碱基间相互配对，即腺嘌呤和胸腺嘧啶之间存在两个氢键，而鸟嘌呤和胞嘧啶之间则存在三个氢键。
这种氢键结构赋予了DNA一定程度上的稳定性，保证了基因信息的稳定性和传递性。
2. RNA的结构RNA是单链结构，由一个核苷酸链构成，在链上存在一系列氨基酸残基、一个五碳糖和一个碱基，其中的碱基和DNA是相同的。
在RNA中，碱基的选择和排列方式是独立于它的糖和磷酸残基的。
这种构造决定了RNA的结构和功能具有很大的多样性，比如，一些RNA可以形成自身结构，同时也能与其他分子发生特异性的相互作用，这些相互作用可以形成多种不同的RNA-RNA、RNA-蛋白质和RNA-糖等复合物。
二、核酸的功能核酸具有多种复杂的生理和生化功能，其中一些主要功能如下：1. 遗传信息的存储和传递DNA是生物体内最重要的分子之一，它通过氢键和反选配的规则对碱基进行配对来存储和传递生物体的遗传信息。
由于这种针对性的选择性，碱基对之间的氢键是典型的尺度互补，这种互补性导致了新链的合成，比如，DNA复制过程中就是通过这种互补性黏连在新的链上的。
核酸的结构与功能
第一节
核酸的化学组成及其一级结构
The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid
核酸的化学组成
1. 元素组成 C、H、O、N、P（9~10%）
2. 分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)
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
NNHHN22H2
N
NNN
O OO OOO HO PHOO PPHOOO PPP OOO CCHCH22HOO2O NNN
NN N O CH2O N
NN N
OH OOHH OOHOHH
cAMP
ADANPTAPD+AMP OOHOHHOOHOHH
O P O OH OHNADP+
NH2 N
N
5′端
二、核酸的一级结构
C
定义
核酸中核苷酸的排
列顺序。
A
由于核苷酸间的差
异主要是碱基不同，所
以也称为碱基序列。
G
3′端
一级结构（primary structure）
碱基
嘌呤(purine)
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
NH2
核酸的结构与功能
DNA的结构与功能
1．DNA分子中核苷酸的连接方式
5’→3’
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生物体内DNA多以5’-核苷酸为主
HOH2C H H OH
O H H
OH H
(5´-dAMP)
β-D-2-脱氧核糖
(5´-dAMP)
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相互之间以 3’-5’磷酸二脂键连接 有方向
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（二）DNA的二级结构
DNA双螺旋结构模型（double-helical structure） 1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分 子的双螺旋结构模型，揭示了遗传信息是如何储存 在DNA分子中，以及遗传性状何以在世代间得以保 持。这是生物学发展的重大里程碑。
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1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。
H OH
OH
HOH2C H
O H
OH H OCH3
β-D-核糖
β-D-2-脱氧核糖
β-D-2-O-甲基核糖
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核糖
阿拉伯糖
木糖
来苏糖
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葡萄糖的成环
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3．磷酸（phosphoric acid）
+ H + H + H
2- pKa3=12
pKa1=2
H3PO4
（3）线粒体RNA（mitochondrial RNA, mit RNA）
（4）叶绿体RNA（chloroplast RNA, chlRNA或ctRNA）
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（二）RNA的一级结构
1．RNA分子中核苷酸之间的连接方式
3´,5´-磷酸二酯键
【高中生物】核酸的结构与生物学功能
（生物科技行业）核酸的结构与生物学功能核酸的结构与生物学功能核酸是生物体内极其重要的生物大分子，是生命的最基本的物质之一。
最早是瑞士的化学家米歇尔于1870年从脓细胞的核中分别出来的，由于它们是酸性的，并且最先是从核中分其他，故称为核酸。
核酸的发现比蛋白质晚得多。
核酸分为脱氧核糖核酸（简称DNA）和核糖核酸（简称RNA ）两大类，它们的基本结构单位都是核苷酸（包含脱氧核苷酸）。
1 ．核酸的基本单位——核苷酸每一个核苷酸分子由一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）、一分子磷酸和一分子含氮碱基组成。
碱基分为两类：一类是嘌呤，为双环分子；另一类是嘧啶，为单环分子。
嘌呤一般均有A、G2种，嘧啶一般有C、 T、 U3种。
这 5 种碱基的结构式以以下图所示。
由上述结构式可知：腺嘌呤是嘌呤的 6 位碳原子上的 H 被氨基取代。
鸟嘌呤是嘌呤的 2 位碳原子上的 H 被氨基取代， 6 位碳原子上的 H 被酮基取代。
3 种嘧啶都是在嘧啶 2 位碳原子上由酮基取代 H ，在 4 位碳原子上由氨基或酮基取代 H 而成，对于 T，嘧啶的 5 位碳原子上由甲基取代了 H 。
凡含有酮基的嘧啶或嘌呤在溶液中可以发生酮式和烯醇式的互变异构现象。
结晶状态时，为这类异构体的容量混杂物。
在生物体内则以酮式占优势，这对于核酸分子中氢键结构的形成特别重要。
比方尿嘧啶的互变异构反应式以以下图。
酮式（ 2 ， 4–二氧嘧啶）烯酸式（ 2 ， 4 –二羟嘧啶）在一些核酸中还存在少量其他修饰碱基。
由于含量很少，故又称微量碱基或稀有碱基。
核酸中修饰碱基多是 4 种主要碱基的衍生物。
tRNA 中的修饰碱基种类很多，如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶、 5 –甲基尿嘧啶、 4 –硫尿嘧啶等， tRNA 中修饰碱基含量不一，某些tRNA中的修饰碱基可达碱基总量的10 ％或更多。
核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶生成的糖苷。
戊糖的第 1 碳原子（ C1）平时与嘌呤的第 9 氮原子或嘧啶的第 1 氮原子相连。
核酸的结构与功能
基因表达调控的意义
维持细胞正常功能
调控细胞生长和分化
参与应激反应和适应性反 应
维持生物体内环境稳态
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DNA的复制与转录
DNA复制是DNA双链在细胞分裂时进行自我复制的过程，是保持遗传信息稳定和传递的关键环 节。
DNA转录是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程，是基因表达 的第一步。
DNA复制和转录过程中，需要多种酶的参与，这些酶的作用是促进DNA的解旋、合成和修饰等 过程。
细胞分裂与增殖：DNA在细胞分裂过 程中发挥关键作用，确保遗传物质在 细胞分裂时能够正确地分配给子细胞。
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基因表达与调控：DNA中的基因通 过转录和翻译过程，指导蛋白质的 合成，影响生物体的性状和功能。
生物进化与适应性：DNA的变异和 自然选择影响生物的进化过程，使 生物适应环境变化并产生新的物种。
RNA的结构特点
由核糖核苷酸组 成
含有碱基、磷酸 和核糖
分为mRNA、 tRNA和rRNA三 种类型
具有特定的序列 结构，与蛋白质 合成密切相关
RNA的功能
编码蛋白质：RNA将DNA中的遗传信息转录为氨基酸序列，指导蛋白质的合成。 调节基因表达：RNA可以作为microRNA等非编码RNA，通过与mRNA结合等方式， 调控基因的表达。
调节方式：包括转录水平、翻译水平、磷酸化等调节方式，以及小分子RNA的调节作用。
核酸在生物体内 的表达调控
基因表达的调控方式
转录水平调控：通过调节核酸转录 的起始和终止，控制基因的表达水 平
表观遗传调控：通过DNA甲基化、 组蛋白修饰等表观遗传学机制，调 控基因的表达
3. 核酸结构
(2)双螺旋内侧：碱基对 A T (氢键 2) (疏水) G C (氢键 3) (3)双螺旋外侧：脱氧核糖和磷酸
(亲水骨架)
图3-12
30
亲水 骨架
11
31
A
T A
T
G
C
C
G
12 32
(4) 碱基对为平面分子，与螺旋中心轴垂直 (5) 螺距3.4nm, 10个bp/螺旋内 间距0.34nm/bp,螺旋直径2nm (6) 两个螺旋形凹槽(螺旋表面) 大沟（major groove） 小沟（minor groove） DNA与蛋白质结合的部位
33
亲水 骨架
11
34
* 维系DNA二级结构稳定性的因素 (l)碱基对之间氢键 H--O、H--N (2)碱基堆集力(stacking force) 0.34nm间距 范氏引力 碱基疏水性 疏水键 氢键-堆集力: 彼此协同
(图3-11)
(横向)
(纵向)
* 非稳定性的因素： 静电斥力 — 磷酸基团(-)
66
可变环
20
67
2. mRNA
● ●
功能 — 抄录、转送DNA遗传信息 特点：
* 占细胞中总RNA的1-5%
* 不均一分子 (各种mRNA长短差别很大) * 半衰期最短 (传递信息) * 原核和真核mRNA结构差异大(多、单顺反子)
68
多顺反子: mRNA结构中含有几种功能上相关的 蛋白质编码序列,可翻译出几种蛋白质
(p109) (p197)
20
第二节 核酸的分子பைடு நூலகம்构
核酸的构件分子 — 核苷酸
图
* 组成DNA的核苷酸 — 4种脱氧核苷酸 (dAMP、dGMP、dCMP、dTMP) * 组成RNA的核苷酸 — 4种核苷酸 (AMP、GMP、CMP、UMP)
生物
第三章核酸的结构与功能核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，是生物化学与分子生物学研究的重要对象和领域。
由于核酸的结构和功能比较复杂，分子很不稳定，在细胞中的含量又比较小，在四类生物大分子中，它的研究开始最晚。
现代生物化学建立于18世纪下半叶。
“蛋白质”一词最早于1838年，由J.J.Berzelius提出，“核酸”这个词出现要晚半个世纪。
1868年瑞士外科医师米歇（Friedrich Miescher）由脓细胞中分离提取出一种含磷量很高的酸性物质，称为核素（nuclein），继任者发展了制备不含蛋白质的核酸的方法，1889年R.Altmann最早提出“核酸”（nucleic acid）一词。
核酸的研究改变了整个生命科学的面貌，并由此诞生了分子生物学这一当今发展最迅速、最有活力的学科。
核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）。
RNA根据其结构和功能的不同主要分为三类：信使RNA(messenger RNA,mRNA)、转运RNA(transfer RNA,tRNA)和核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)。
DNA 是遗传信息的贮存和携带者，RNA主要是转录、传递DNA上的遗传信息，直接参与细胞蛋白质的的生物合成。
在真核细胞中，DNA绝大部分（约98%）存在于细胞核染色质中，其余分布于细胞器（如线粒体、叶绿体）中；RNA绝大部分（约90%）分布在细胞质中，其余分布在细胞核内。
第一节核酸的分子组成核酸是一种多聚核苷酸，它的基本结构是核苷酸（nucleotide）。
采用不同的降解法，可以将核酸降解成核苷酸，核苷酸还可以进一步降解为核苷和磷酸。
核苷再进一步分解生成含氮碱基（base）和戊糖。
碱基分两大类：嘌呤碱和嘧啶碱。
所以，核酸由核苷酸组成，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。
表3-1-1 两类核酸的基本化学组成一、核苷酸核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类。
核酸的结构与功能
核酸（nucleic acid）是一类重要的生物大分子，是生物遗
传的物质基础。
生物细胞中有两类核酸，一类是脱氧核糖核酸（DNA）， 主要存在于细胞核内，是遗传信息的储存和携带者，是遗传的 物质基础。另一类是核糖核酸（RNA），主要分布在细胞质中，
参与遗传信息表达的各过程。
第三节 RNA的结构和功能
RNA的一般结构特征
• 主要存在于细胞质中。
• 单链分子，碱基组成不遵守Chargaff规则。
• 与DNA在碱基组成上的区别是RNA分子中含有
的是U，U与T具有相同的结构信息量。
• 一般是单链分子。
• RNA核糖分子上C2’-OH是游离的，是一个易发
生不良反应的位置，因此RNA不如DNA稳定。
3、分子杂交
两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核苷 酸片段在溶液中经退火处理可以形成双螺旋结构。如
DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。
Watson-Crick double helix model 特征：
两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴，右手螺旋。 磷酸-戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以A=T、G=C相 连，构成碱基平面，位于螺旋内侧。 螺距为3.4nm，旋转一周为10个碱基对。螺旋直径为2.0nm。
major groove
基因（gene)是生物遗传信息的携带者，它是所核苷酸 链中能决定一种蛋白质或一条多肽链或一种RNA或一种 DNA合成的功能片段，它是一个功能性遗传单位，也是 一个突变单位或重组单位。 基因组（genome）指细胞或生物体的一套完整单个 的遗传物质。一个基因组包括一整套基因。 结构基因（structural gene）编码蛋白质或RNA。