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1、核酸化学主题医学知识 核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）和脱氧核糖核）和脱氧核糖核酸（酸（deoxyribonucleic acid,DNA）两大类）两大类。RNA和和DNA都是以单核苷酸都是以单核苷酸(nucleotide)为基本单位为基本单位所组成的多核苷酸长链。所组成的多核苷酸长链。RNA主要参与遗传信息的表达，而主要参与遗传信息的表达，而DNA则是遗传信则是遗传信息的载体。息的载体。DNADNA主要存在于细胞核中，线粒体、叶绿体、质粒主要存在于细胞核中，线粒体、叶绿体、质

2、粒中也有少量中也有少量DNADNA。RNARNA主要分布在细胞质中。在自主要分布在细胞质中。在自然界中，人、动物、植物和微生物都含有核酸。核然界中，人、动物、植物和微生物都含有核酸。核酸占细胞干重的酸占细胞干重的5 51515。第一节第一节 概概 述述核酸化学主题医学知识2一、核酸的元素组成一、核酸的元素组成 组成核酸的基本元素：组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中其中P 的含量比较稳定，占的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定，通过测定P 的的 含量来推算核酸的含量（定磷法）。含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为平均含磷量为9.9%，RNA为为9.4%。任何核酸都含磷

3、酸，所以核酸呈酸性。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。二、核酸的基本组成单位二、核酸的基本组成单位-核苷酸核苷酸 核酸部分水解产生核酸部分水解产生核苷酸核苷酸，核苷酸进一步水解生成，核苷酸进一步水解生成核苷和磷酸核苷和磷酸。核苷再水解生成。核苷再水解生成碱基碱基(嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱)和和戊糖戊糖(核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖)。核酸的各种水解产物可用层析。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。核酸的逐步水解过程可表示如或电泳等方法分离鉴定。核酸的逐步水解过程可表示如下：下：核酸化学主题医学知识3核酸核苷酸磷酸核苷碱基戊糖 核糖嘌呤嘧啶核酸完全水解产物核酸完全水解产物:脱氧核

4、糖核酸化学主题医学知识4 核苷酸是核酸的基本结构单位，核酸是一类多聚核核苷酸是核酸的基本结构单位，核酸是一类多聚核苷酸。苷酸。RNARNA和和DNADNA的基本化学组成见表。的基本化学组成见表。核酸化学主题医学知识5（一）核糖和脱氧核糖（一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖O核糖核糖+H+糠醛糠醛甲基间苯二酚甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖脱氧核糖+H+-羟基羟基-酮酮戊醛戊醛二苯胺二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定核酸化学主题医学知识6（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二）嘌呤碱和

5、嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤嘌呤NH2腺嘌呤腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤鸟嘌呤 guanine（G）核酸化学主题医学知识7NNHHHH嘧啶嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶胞嘧啶 Cytosine（C）尿嘧啶尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHNNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶胸腺嘧啶 thymine（T）核酸化学主题医学知识8NNOOHHH酮式酮式HNNOOHHH酮式酮式HHH烯醇式烯醇式稀有碱基：稀有碱基：除五种基本的碱基外，核酸中还有除五种基本的碱基外，核酸中还有些含量甚少的些含量甚少的碱基，称为稀有碱基

6、。很多稀有碱基是甲基化碱基。一些稀有碱基，称为稀有碱基。很多稀有碱基是甲基化碱基。一些稀有碱基的结构式如下：碱基的结构式如下：核酸化学主题医学知识9（三）核苷（三）核苷 戊糖和碱基缩合而成的戊糖和碱基缩合而成的糖苷称为核苷糖苷称为核苷(nucleoside)(nucleoside)。戊糖和碱基之间的连接是戊戊糖和碱基之间的连接是戊糖的第一位碳原子糖的第一位碳原子(C-1)(C-1)与嘧与嘧啶碱的第一位氮原子啶碱的第一位氮原子(N-1)(N-1)或或嘌呤碱的第九位氮原子嘌呤碱的第九位氮原子(N-9)(N-9)相连接，相连接，戊糖和碱基之间的戊糖和碱基之间的连接键是连接键是N-CN-C键，键，故生

7、成的故生成的化学键称为化学键称为，N-糖苷键糖苷键。应用应用X X射线衍射法证明，核射线衍射法证明，核苷中的碱基与糖环平面互相苷中的碱基与糖环平面互相垂直。根据核苷中所含戊糖垂直。根据核苷中所含戊糖不同，将核苷分为核糖核苷不同，将核苷分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两类。和脱氧核糖核苷两类。OHOH2COHOHOH12345核核 糖糖NNOOHHH尿嘧啶尿嘧啶H1尿苷尿苷(1(1,N1-,N1-糖苷键糖苷键)核酸化学主题医学知识10OCH2HHOHHOHHNNONH2HOsyn-CytidineOCH2HHOHHOHHNNNH2HOanti-CytidineOOCH2HHOHHOHHHOsyn-Ad

8、enosineNNNNNH2OCH2HHOHHOHHHOanti-AdenosineNNNNNH2天然核苷：一般为反式构象天然核苷：一般为反式构象核酸化学主题医学知识11修饰核苷（修饰核苷（modified nucleosidemodified nucleoside）：也称稀有核苷（也称稀有核苷（minor nucleosideminor nucleoside）修饰核苷包括三种情况修饰核苷包括三种情况:（1）由）由修饰碱基修饰碱基和糖组成的核苷和糖组成的核苷NNNNNHCH3dRN6-Methyl-dAHNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(D or hU)NNCH3NH25

9、-Methyl-dCOdR核酸化学主题医学知识12OHOH2COHOH12345核核 糖糖NCOONHHH51OH假尿苷（假尿苷（）（2）由非修饰碱基和）由非修饰碱基和2-O-甲基甲基 核糖核糖组成的核苷组成的核苷（3）由碱基与糖）由碱基与糖连接方式连接方式特殊特殊的核苷的核苷 OCH2HHOHHOCH3HHO2-O-甲基腺苷Ade(Am)核酸化学主题医学知识13RNARNA中主要的核糖核苷有四种：中主要的核糖核苷有四种：腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷(adenosine(adenosine，A)A)、鸟嘌呤核苷鸟嘌呤核苷(guanosine(guanosine，G)G)、胞嘧啶核苷、胞嘧啶核苷(cyt

10、idine(cytidine，C)C)和尿和尿嘧啶核苷嘧啶核苷(uridine(uridine，U)U)。其结构式如下其结构式如下：胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2 A G C U 腺苷腺苷 鸟苷鸟苷 胞苷胞苷 尿苷尿苷核酸化学主题医学知识14 DNADNA中主要的脱氧核糖核苷也有四种：中主要的脱氧核糖核苷也有四种：腺嘌呤脱氧核苷腺嘌呤脱氧核苷(deoxyadenosine(deoxyadenosine，dA)dA)、

11、鸟嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷(deoxyguanosine(deoxyguanosine，dG)dG)、胞嘧啶脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷(deoxycytidine(deoxycytidine，dC)dC)、胸腺嘧啶脱氧、胸腺嘧啶脱氧核苷核苷(deoxythymidine(deoxythymidine，dT)dT)。其结构式其结构式 如下：如下：(A)(G)(C)(T)(A)(G)(C)(T)核酸化学主题医学知识15(四四)核苷酸核苷酸 核苷中戊糖的羟基磷酸酯化，就形成核苷酸。核苷中戊糖的羟基磷酸酯化，就形成核苷酸。即核苷酸是即核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷的磷酸酯。根据核苷酸中的戊糖不同，根据核

12、苷酸中的戊糖不同，核苷酸可分为两大核苷酸可分为两大类：核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。类：核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。由于核糖中有三个游离的由于核糖中有三个游离的羟基羟基(2(2、33和和5)5)，因此核糖核苷酸有，因此核糖核苷酸有2-2-核苷酸、核苷酸、3-3-核苷酸和核苷酸和5-5-核苷酸三种。而脱氧核糖只有核苷酸三种。而脱氧核糖只有33和和55两个游离羟基可被酯化，两个游离羟基可被酯化，因此只有因此只有3-3-脱氧核苷酸和脱氧核苷酸和5-5-脱氧核苷酸两种。脱氧核苷酸两种。自然界存在的自然界存在的游离核苷酸为游离核苷酸为5-5-核苷酸，一般其代号可略核苷酸，一般其代号可略55。核酸化学主题医

13、学知识16(2-AMP)(3-AMP)(5-AMP)Deoxyadenosine 3-monphosphate (3-dAMP)Deoxyadenosine 5-monphosphate (5-dAMP)核酸化学主题医学知识17核酸化学主题医学知识18三、核苷酸的性质三、核苷酸的性质(一一)一般性状一般性状 核者酸为无色粉末或结晶，易溶于核者酸为无色粉末或结晶，易溶于水，不溶于有机溶剂。由于戊糖含有不对称碳原子，水，不溶于有机溶剂。由于戊糖含有不对称碳原子，因此核苷酸溶液因此核苷酸溶液具有旋光性。具有旋光性。(二二)紫外吸收紫外吸收 由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双

14、键，因此碱基、核苷和核苷酸在因此碱基、核苷和核苷酸在240290nm240290nm波段有吸收波段有吸收峰，其最大吸收值峰，其最大吸收值在在260nm260nm附近，不同的核苷酸有不附近，不同的核苷酸有不同的吸收特性。因此，可以用紫外分光光度法对核苷同的吸收特性。因此，可以用紫外分光光度法对核苷酸作定性和定量测定。酸作定性和定量测定。1 1核苷酸的定量测定核苷酸的定量测定 精确称取核苷酸若干毫克，用精确称取核苷酸若干毫克，用0.01mol/L0.01mol/L盐酸定盐酸定容至一定体积，在波长容至一定体积，在波长260nm260nm下测定样品的吸收度，下测定样品的吸收度，根据核苷酸的摩尔吸收系数

15、可以计算出样品中核苷酸根据核苷酸的摩尔吸收系数可以计算出样品中核苷酸的百分含量。计算公式为：的百分含量。计算公式为：核酸化学主题医学知识19式中式中 A A260 260 所测样品的吸收度；所测样品的吸收度；M M 所测核苷酸的分子量；所测核苷酸的分子量；E E260260所测核苷酸的摩尔吸收系数；所测核苷酸的摩尔吸收系数；C C 所测核苷酸的样品浓度所测核苷酸的样品浓度(mg(mgm1)m1)。核核苷苷酸酸A260E260MrC100核酸化学主题医学知识202 2核苷酸的定性鉴定核苷酸的定性鉴定 由于不同的核苷酸有其独特的紫外吸收曲线，因此，选定由于不同的核苷酸有其独特的紫外吸收曲线，因此，

16、选定某两个波长的吸收值之比，可以用作鉴定不同核苷酸的指标。某两个波长的吸收值之比，可以用作鉴定不同核苷酸的指标。其标准比值见表。由于溶液的其标准比值见表。由于溶液的pHpH会影响核苷酸的解离状态，因会影响核苷酸的解离状态，因而影响其紫外吸收特性，所以测定时要严格控制溶液的而影响其紫外吸收特性，所以测定时要严格控制溶液的pHpH值。值。250/260 280/260 290/2602.07.02.07.02.07.05-CMP0.460.842.100.991.550.305-AMP0.850.800.220.150.030.0035-UMP0.740.730.380.400.030.035-G

17、MP1.221.150.680.680.400.28光密度光密度 比值比值pH核苷酸核苷酸核酸化学主题医学知识21(三三)核苷酸的互变异构作用核苷酸的互变异构作用 碱基上带有酮基的核苷酸能转化为烯醇式。在溶碱基上带有酮基的核苷酸能转化为烯醇式。在溶液中，酮式和烯醇式两种互变异构体常同时存在，处液中，酮式和烯醇式两种互变异构体常同时存在，处于平衡态。于平衡态。在生物体内，核酸结构中的核苷酸主要是在生物体内，核酸结构中的核苷酸主要是酮式。酮式。核酸化学主题医学知识22核酸化学主题医学知识23(四四)核苷酸的两性解离和等电点核苷酸的两性解离和等电点 核苷酸中含有磷酸基，使核苷酸具有较强的酸性。核苷酸

18、中含有磷酸基，使核苷酸具有较强的酸性。在核苷酸中，两个磷酸基解离常数分别为在核苷酸中，两个磷酸基解离常数分别为pKpK1 1 0.70.71.61.6，pKpK2 2 5.95.96.56.5。由于核苷酸含有碱基和磷酸基，因此，核苷酸为由于核苷酸含有碱基和磷酸基，因此，核苷酸为两性电解质，两性电解质，它们在不同它们在不同pHpH值的溶液中解离程度不同，值的溶液中解离程度不同，在一定条件下可形成在一定条件下可形成兼性离子。兼性离子。当处在等电点时，当处在等电点时，腺腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸苷酸、鸟苷酸、胞苷酸主要是兼性离子存在。主要是兼性离子存在。尿苷酸尿苷酸的碱基碱性极弱，测不出含氮环的解离曲线

19、。所以不的碱基碱性极弱，测不出含氮环的解离曲线。所以不能形成兼性离子。能形成兼性离子。核酸化学主题医学知识24胞嘧啶核苷酸的解离胞嘧啶核苷酸的解离:OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMPpKa2=4.5-OCH2HHOHHOHHONNONH2POOOCMPpKa3=6.4-pI =CMPpKa1+pKa22=0.8+4.52=2.65OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHOCMPpKa1=0.80H+-OCH2HHOHHOHHONNONH2POOHHOCMP+H+核酸化学主题医学知识25可在可在pH2.05.0之间分离各种核苷酸之间分离各种核苷酸 pH3.5时各核苷酸所

20、带电荷时各核苷酸所带电荷 核苷酸核苷酸 磷酸基电荷磷酸基电荷 碱基的电荷碱基的电荷 净电荷净电荷 AMP-1+0.54-0.46GMP-1+0.05-0.95CMP-1+0.84-0.16UMP-1+0-1核酸化学主题医学知识26四、生物体内重要的核苷酸衍生物四、生物体内重要的核苷酸衍生物(一一)5-)5-二磷酸核苷类和二磷酸核苷类和5-5-三磷酸三磷酸核苷类核苷类 5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5 位缩合位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。核苷。OHOH2COHOHOH12345核 糖NNN

21、NHNHH9腺嘌呤胸 苷PO-OO腺腺苷苷-5-磷酸磷酸AMPOP O-OOADPATPP O-OO核酸化学主题医学知识27 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和和DNA合成的直接原料。合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用在体内能量代谢中的作用：ATP能量能量“货币货币”UTP参加糖的互相转化与合成参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMP 核苷三磷酸化合物在生物体内的能量代谢中起着重要的作核苷三磷酸化合物在生物体内的能量代谢中起着重要的作用。用。体内物

22、质氧化时所产生的能量一般不能直接用于生理活动，体内物质氧化时所产生的能量一般不能直接用于生理活动，但释放出来的能量可供但释放出来的能量可供ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP。因此体内物质氧。因此体内物质氧化所放出的能量先储存于化所放出的能量先储存于ATPATP中，当体内需要能量时，中，当体内需要能量时，ATPATP水水解释放出能量以满足生理活动的需要。可见，解释放出能量以满足生理活动的需要。可见，ATPATP在生物体内在生物体内化学能的储存和利用中起着关键的作用。化学能的储存和利用中起着关键的作用。核酸化学主题医学知识28核酸化学主题医学知识29 ATPATP的磷酸酯键显示出高的水解

23、性能，可以从它的特的磷酸酯键显示出高的水解性能，可以从它的特殊化学结构来解释。殊化学结构来解释。a a静电效应：静电效应：在生理在生理pH(7.35)pH(7.35)条件条件下，下，ATPATP的磷酸根中的磷酸根中4 4个可离解质子全部离解，因此共带有个可离解质子全部离解，因此共带有4 4个负电荷。这些负电荷之间静电排斥作用使磷酸酯键处个负电荷。这些负电荷之间静电排斥作用使磷酸酯键处于高势能状态。于高势能状态。b b共振稳定因素：共振稳定因素：ATPATP离解成离解成ADPADP和磷和磷酸或酸或AMPAMP和焦磷酸以后，共振稳定性大大增加。和焦磷酸以后，共振稳定性大大增加。核酸化学主题医学知识

24、30核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸dAMPGDTTCU核酸化学主题医学知识31(二二)环化核苷酸环化核苷酸 环化核苷酸如环化腺苷酸和环化鸟苷酸普遍存在于动植环化核苷酸如环化腺苷酸和环化鸟苷酸普遍存在于动植物和微生物细胞中。它们的结构式如下：物和微生物细胞中。它们的结构式如下：环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷 环化核苷酸有重要的生理功能，它们参与调节细胞生理生环化核苷酸有重要的生理功能，它们参与调节细胞生理生化过程而控制生物的生长、分化和细胞对激素的效应。化过程而控制生物的生长、分化和细胞对激素的效应。核酸化学主题医学知

25、识32第二节第二节 核酸的结构核酸的结构一、一、DNA DNA的结构的结构 (一一)DNA)DNA的碱基组成的碱基组成 (二二)DNA)DNA的一级结构的一级结构(三三)DNA)DNA的二级结构的二级结构 (四四)DNA)DNA的三级结构的三级结构二、二、RNA RNA的结构的结构 (一一)RNARNA的类型的类型 (二二)RNA)RNA的碱基组成的碱基组成(三三)RNA)RNA的一级结构的一级结构 (四四)RNA)RNA的构象的构象三、核酸中核苷酸顺序的测定三、核酸中核苷酸顺序的测定 (一一)RNA)RNA的核苷酸顺序测定的核苷酸顺序测定(二二)DNA)DNA的核苷酸顺序测定的核苷酸顺序测定

26、核酸化学主题医学知识33一、一、DNADNA的结构的结构(一一)DNA)DNA的碱基组成的碱基组成 DNA DNA由四种主要的碱基由四种主要的碱基(腺嘌呤、腺嘌呤、鸟嘌鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)组成。此外，还含有少量稀有碱基。应组成。此外，还含有少量稀有碱基。应用纸层析和紫外分光光度法对多种生物用纸层析和紫外分光光度法对多种生物DNADNA的碱基组成进行定量的碱基组成进行定量测定，总结出如下规律：测定，总结出如下规律：(1)(1)所有所有DNADNA中腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即中腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即A AT T；鸟嘌呤和胞嘧啶；鸟嘌呤和胞嘧啶(包括包括

27、5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶)的摩尔含量的摩尔含量相等，即相等，即G GC C。因此，嘌呤总数等于嘧啶总数，即。因此，嘌呤总数等于嘧啶总数，即A+GA+GC+TC+T。(2)DNA(2)DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物的的碱基组成具有种属特异性，即不同生物的DNADNA具有自己独特的碱基组成。具有自己独特的碱基组成。(3)DNA(3)DNA的碱基组成没有组织特异性，即同的碱基组成没有组织特异性，即同生物体的生物体的不同器官、不同组织的不同器官、不同组织的DNADNA具有相同的碱基组成。具有相同的碱基组成。所有所有DNADNA中中A AT T，G GC C这一规律的发现，为这一规律的发

28、现，为DNADNA双螺旋结构模双螺旋结构模型的建立提供了重要的根据。型的建立提供了重要的根据。核酸化学主题医学知识34(二二)DNA)DNA的一级结构的一级结构(DNADNA的一级结构是指的一级结构是指DNADNA分子中核苷酸排列的顺分子中核苷酸排列的顺序。序。实验表明，核酸中实验表明，核酸中一分子核苷酸的一分子核苷酸的3-位羟基与位羟基与另一分子核苷酸的另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷磷酸二酯键酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。，从而将两分子核苷酸连接起来。因此在因此在DNADNA链中，除了第一个和最后一个核苷酸外，所有核链中，除了第一个和最后一

29、个核苷酸外，所有核苷酸的苷酸的33，5-5-羟基都参与磷酸二酯键。第一个核苷酸羟基都参与磷酸二酯键。第一个核苷酸的的5-5-磷酸基不连到别的核苷酸上，而最后一个核苷酸磷酸基不连到别的核苷酸上，而最后一个核苷酸则有一个自由的则有一个自由的3-3-羟基。羟基。所以所以DNADNA链有方向性或极性，链有方向性或极性，它有它有55端和端和33端。端。DNADNA是由数量极其庞大的四种脱氧是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，通过核糖核苷酸，通过33，5-5-磷酸二酯键彼此连接起来的磷酸二酯键彼此连接起来的直线形或环形分子直线形或环形分子，DNADNA没有侧链。没有侧链。DNA中有中有4种类种类型的核苷

30、酸，有型的核苷酸，有n个核苷酸组成的个核苷酸组成的DNA链中可能有的不链中可能有的不同序列总数为同序列总数为4n。下图表示下图表示DNADNA多核苷酸链的一个小多核苷酸链的一个小片段。片段。核酸化学主题医学知识35HO-O OCH2 TO=PO-35OHHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHH AO=POO-35351PPPOHATGd-pGpTpAOHd-pG-T-Ad-pGTA核酸化学主题医学知识36核酸化学主题医学知识37写出二核苷酸写出二核苷酸d-ApTpd-ApTp的结构的结构核酸化学主题医学知识38(三三)DNA的二级结构的二级结构 1953年，年，J.Watso

31、n和和F.Crick 在前人研究工作的基础上，根在前人研究工作的基础上，根据据DNA结晶的结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺双螺旋结构模型旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。DNA二级结构的二级结构的WatsonCrick模型模型 B-型型DNA 双螺旋结构模型的要点：双螺旋结构模型的要点：(1)DNA分子由两条脱氧多核苷酸链构成，两条链都是右手螺旋，分子由两条脱氧多核苷酸链构成，两条链都是右手螺旋，这这两条链反向平行两条链反向平行(即一条为即一条为5-3，另一条为，另一条为3-

32、5)，围绕同一个，围绕同一个中心轴构成双螺旋结构，链之间的螺旋形成一条大沟和一条小沟。中心轴构成双螺旋结构，链之间的螺旋形成一条大沟和一条小沟。(2)磷酸基和脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键相连接，磷酸基和脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键相连接，形成形成DNA的骨架。碱基连接在糖环的内侧。糖环平面与碱基平的骨架。碱基连接在糖环的内侧。糖环平面与碱基平面相互垂直。面相互垂直。(3)双螺旋的直径为双螺旋的直径为2nm。顺轴方向，每隔。顺轴方向，每隔0.34nm有一个核苷酸，有一个核苷酸，两个相邻核苷酸之间的夹角为两个相邻核苷酸之间的夹角为36。每一圈双螺旋有。每一圈双螺旋有10对核苷酸

33、，对核苷酸，每圈高度为每圈高度为34nm。核酸化学主题医学知识39(4)两条链由碱基间的氢键相连，而且碱基间形成氢键有一定规两条链由碱基间的氢键相连，而且碱基间形成氢键有一定规律：腺嘌呤与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤与胞嘧啶成对。律：腺嘌呤与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤与胞嘧啶成对。A和和T间形间形成两个氢键，成两个氢键，G和和C间形成三个氢键。间形成三个氢键。这种碱基之间互相配对称这种碱基之间互相配对称为碱基互补。为碱基互补。(5)沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的全部空间。沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的全部空间。由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间不对称，因此在由于碱基对的方向

34、性，使得碱基对占据的空间不对称，因此在双螺旋的表面形成大沟和小沟。双螺旋表面的沟对双螺旋的表面形成大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA和蛋白和蛋白质相互识别是很重要的。质相互识别是很重要的。核酸化学主题医学知识40B B型型DNADNA双螺旋结构模式图双螺旋结构模式图核酸化学主题医学知识41碱基配对及氢键形成碱基配对及氢键形成核酸化学主题医学知识42DNADNA双螺旋结构的稳定因素：双螺旋结构的稳定因素：DNA DNA双螺旋结构是很稳定的。主要有三种作用力双螺旋结构是很稳定的。主要有三种作用力使使DNADNA双螺旋结构维持稳定。双螺旋结构维持稳定。一种作用力是互补碱基一种作用力是互补碱基之间的氢

35、键，之间的氢键，但氢键并不是但氢键并不是DNADNA双螺旋结构稳定的主双螺旋结构稳定的主要作用力，因为氢键的能量很小。要作用力，因为氢键的能量很小。DNADNA分子中碱基的分子中碱基的堆集可以使碱基缔合，这种力称为碱基堆集力，是使堆集可以使碱基缔合，这种力称为碱基堆集力，是使DNADNA双螺旋结构稳定的主要作用力。双螺旋结构稳定的主要作用力。碱基堆集力是由碱基堆集力是由于杂环碱基的于杂环碱基的 电子之间相互作用所引起的。电子之间相互作用所引起的。DNADNA分分子中碱基层层堆集，在子中碱基层层堆集，在DNADNA分子内部形成一个疏水核分子内部形成一个疏水核心。疏水核心内几乎没有游离的水分子，这

36、有利于互心。疏水核心内几乎没有游离的水分子，这有利于互补碱基间形成氢键。补碱基间形成氢键。第三种使第三种使DNADNA分子稳定的力是磷分子稳定的力是磷酸基的负电荷与介质中的阳离子的正电荷之间形成的酸基的负电荷与介质中的阳离子的正电荷之间形成的离子键。离子键。它可以减少它可以减少DNADNA分子双链间的静电斥力，因分子双链间的静电斥力，因而对而对DNADNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。双螺旋结构也有一定的稳定作用。核酸化学主题医学知识43DNA双螺旋的种类双螺旋的种类:目前已知目前已知DNA双螺旋结构可分为双螺旋结构可分为A、B、C、D及及Z型等数种，型等数种，除除Z型为左手双螺旋外，其余均为

37、右手双螺旋。型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。外外形形碱基碱基距离距离直径直径nm螺旋螺旋方向方向螺距螺距nm碱基碱基数目数目螺旋螺旋表面表面A型型短短粗粗0.232.55右手右手2.4611大小沟大小沟B型型适适中中0.342.00右手右手3.4010.4大小沟大小沟Z-DNA细细长长0.381.84左手左手4.5612小沟深小沟深核酸化学主题医学知识44核酸化学主题医学知识45(四四)DNA)DNA的的三级结构三级结构 DNADNA的二的二级结构指双螺级结构指双螺旋结构。双螺旋结构。双螺旋链的扭曲或旋链的扭曲或再次螺旋就构再次螺旋就构成了成了DNADNA的三的三级结构。级结构。超螺超螺

38、旋是旋是DNADNA三级三级结构的一种形结构的一种形式。式。超螺旋螺螺旋旋核酸化学主题医学知识46(superhelix 或或supercoil)(positive supercoil)(negative supercoil)DNA超螺超螺旋结构形成的重要意义旋结构形成的重要意义:使使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中；推动推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。部变性，利于复制和转录。核酸化学主题医学知识47松弛环

39、形松弛环形115201052315101520251510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNA解链环形解链环形1510152023负超螺旋负超螺旋12148231613核酸化学主题医学知识48核酸化学主题医学知识49 绝大多数原核生物的绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。成麻花状的超螺旋结构。原核生物原核生物DNADNA的高级结构：的高级结构：核酸化学主题医学知识50DNADNA在真核生物细胞核内的组装：在真核生物细胞核内的组装：生物体内的核酸通常都与生物体内的核

40、酸通常都与蛋白质结合形成复合物，蛋白质结合形成复合物，以核蛋白以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。的形式存在。DNA分子十分子十分巨大，与蛋白质结合后分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。被组装到有限的空间中。在真核生物中，双螺旋的在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为特殊的串珠状结构，称为核小体核小体(nucleosome)。核。核小体结构属于小体结构属于DNA的高级的高级结构。结构。核酸化学主题医学知识51DNADNA的功能的功能 DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物的基

41、本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为分子中具有特定生物学功能的片段称为基因基因(gene)。一个生物体的全部。一个生物体的全部DNA序列称为序列称为基因组基因组(genome)。基因组的大小与生物的复杂性有关，。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒如病毒SV40的基因组大小为的基因组大小为5.1103bp，大肠杆，大肠杆菌为菌为5.7106bp，人为，人为3.2109bp。核酸化学主题医学知识52二、二、RNARNA的结构的结构 (一一)RNA)RNA的类型的类型 根据结构、

42、功能不同，动物、植物和微生物细胞根据结构、功能不同，动物、植物和微生物细胞的的RNARNA主要有三类：核蛋白体主要有三类：核蛋白体RNA(rRNA)RNA(rRNA)，转运，转运RNA(tRNA)RNA(tRNA)，信使，信使RNA(mRNA)RNA(mRNA)。1 1核蛋白体核蛋白体RNA RNA(rRNA)rRNA)核蛋白体核蛋白体RNARNA是细胞中主要的一类是细胞中主要的一类RNARNA，rRNArRNA占细胞中全部占细胞中全部RNARNA的的8080左右，是一类代谢稳定、分左右，是一类代谢稳定、分子量最大的子量最大的RNARNA，存在于核蛋白体内。核蛋白体，存在于核蛋白体内。核蛋白体

43、(ribosome)(ribosome)又称为核糖体或核糖核蛋白体。又称为核糖体或核糖核蛋白体。它是细胞它是细胞内蛋白质生物合成的场所。内蛋白质生物合成的场所。核蛋白体由两个亚基组成，核蛋白体由两个亚基组成，一个称为大亚基，另一个称为小亚基，两个亚基都含一个称为大亚基，另一个称为小亚基，两个亚基都含有有rRNArRNA和蛋白质，但其种类和数量却不相同。和蛋白质，但其种类和数量却不相同。核酸化学主题医学知识532 2转运转运RNA(tRNA)RNA(tRNA)转运转运RNARNA是细胞中一类最小的是细胞中一类最小的RNARNA，tRNAtRNA一一般由般由73739393个核苷酸构成，分子量个核

44、苷酸构成，分子量230002300028000 28000，但含有但含有稀有碱基最多稀有碱基最多的的RNA，其稀有碱基的含量可多，其稀有碱基的含量可多达达20%。tRNA tRNA约占细胞中约占细胞中RNARNA总量的总量的1515。在蛋白在蛋白质生物合成中质生物合成中tRNAtRNA起携带氨基酸的作用。起携带氨基酸的作用。细胞内细胞内tRNAtRNA的种类很多，每一种氨基酸都有与其相对应的的种类很多，每一种氨基酸都有与其相对应的一种或几种一种或几种tRNAtRNA。3 3信使信使RNARNA mRNAmRNA在细胞中含量很少，占在细胞中含量很少，占RNARNA总量的总量的3535。mRNAm

45、RNA在代谢上很不稳定，在代谢上很不稳定，它是合成它是合成蛋白质的模板，每种多肽链都由一种特定的蛋白质的模板，每种多肽链都由一种特定的mRNAmRNA负负责编码。责编码。因此，细胞内因此，细胞内mRNAmRNA的种类很多。的种类很多。mRNAmRNA的的分子量极不均一，其沉降系数在分子量极不均一，其沉降系数在4 425S25S间，间，mRNAmRNA的平均分子量约的平均分子量约500000500000。核酸化学主题医学知识54 除上述三类除上述三类RNARNA以外，细胞内还有一些其他类型的以外，细胞内还有一些其他类型的RNARNA，如细胞核内的不均一核如细胞核内的不均一核RNA(HnRNA)R

46、NA(HnRNA)、小分子核、小分子核RNA(LnRNA)RNA(LnRNA)和染色质和染色质RNA(ChRNA)RNA(ChRNA)等。等。核蛋白体核蛋白体 RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一 RNA核内小核内小 RNA胞浆小胞浆小 RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA 的前体的前体参与参与hnRNA 的剪接、转运的剪接、转运rRNA 的加工、

47、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小 RNA核蛋白体核蛋白体 RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一 RNA核内小核内小 RNA胞浆小胞浆小 RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA 的前体的前体参与参与hnRNA 的剪接、转运的剪接、转运rRNA 的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定

48、位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小 RNARNARNA的种类、分布与功能的种类、分布与功能核酸化学主题医学知识55(二二)RNA)RNA的碱基组成的碱基组成 RNARNA中含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧中含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种基本碱基。此外，目前已发现啶四种基本碱基。此外，目前已发现RNARNA中有中有6060多种稀有碱基。多种稀有碱基。(三三)RNA)RNA的一级结构的一级结构 RNA RNA分子由许多核苷酸构成，实验证明，分子由许多核苷酸构成，实验证明，核苷核苷酸之间也是通过磷酸二酯键连接，酸之间也是通过磷酸二酯键连接，一个核苷酸一

49、个核苷酸C C5 5 的的磷酸基与相邻的核苷酸的磷酸基与相邻的核苷酸的C C3 3 的羟基结合成的羟基结合成33，5-5-磷磷酸二酯键。下图所示为酸二酯键。下图所示为RNARNA分子中多核苷酸链的一分子中多核苷酸链的一小片段。小片段。RNARNA分子的一级结构就是指多核苷酸链中核分子的一级结构就是指多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。苷酸的排列顺序。核酸化学主题医学知识56图图 RNA RNA分子中多核苷酸链的小片段分子中多核苷酸链的小片段pApGpCppApGpCp核酸化学主题医学知识57(四四)RNA)RNA的构象的构象 根据根据RNARNA的某些理化性质和的某些理化性质和X X射线衍射分析射线

50、衍射分析证明大多数天然证明大多数天然RNARNA分子是单链。分子是单链。多核苷酸链多核苷酸链可以发生自身回折，使可以配对的一些碱基相遇，可以发生自身回折，使可以配对的一些碱基相遇，碱基按一定规律，碱基按一定规律，A A与与U U之间形成氢键，之间形成氢键，GG与与C C之之间也可以形成氢键连接起来，构成双螺旋区；不间也可以形成氢键连接起来，构成双螺旋区；不能配对的碱基则形成环状突起，这种构象就是能配对的碱基则形成环状突起，这种构象就是RNARNA的二级结构。的二级结构。RNARNA中的双螺旋结构为中的双螺旋结构为A-A-DNADNA类型的结构。每一段螺旋区至少需要有类型的结构。每一段螺旋区至少