第五章核酸化学 第一节核酸的种类、分布与化学组成 一、核酸的种类和分布 1种类从l868年瑞士的年青科学家F.Miescher发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸 (nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是生物高分子，它的 基本构感单位是单核甘酸。核酸分脱氧核糖核酸deoxvribonucic acid,DNA和核糖核酸 (ribonucleic acid,RNA)两大类。 2分布 DNA主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在细胞质 中。DNA是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA的相对分子质量一般在10的以上。DNA 分布在染色体内，是染色体的主要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压缩的 DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个DNA分子。各种病毒都是核蛋 白，核酸要么是DNA,要么是RNA,至今未发现西者都含有的病蓬。特点：DNA的含 量很稳定，在真核细胞中，DNA与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA 含量为生殖细胞（单倍体）DNA含量的两倍。DNA在代谢上也比较稳定，不受营养条件、 年龄等因素的影响。 二、核酸的化学组成 核酸的基本构成单位是核苷酸(nucleotide)。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷又是 由碱基和戊糖组成的。 核酸中的戊糖有两类：D核糖(D-nbose)和D2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)。核酸 的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为RNA和DNA的。 碱基在RNA中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌吟、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA中也有四种碱 基，与RNA不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。 表4-1两种核酸的基本化学组成 核酸的成分 DNA RNA 嘌吟碱 腺嘌吟(adenine) 腺嘌吟 (purine bases) 鸟嘌吟(guanine) 鸟嘌吟 哓啶碱 胞嘧啶(cytosine) 胞嘧啶 (pyrimidine bases) 胸腺嘧啶(thymine) 尿嘧啶(uracil 戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷酸 磷酸 -77
－77－ 第五章 核酸化学 第一节 核 酸的种类、分布与化学组成 一、核酸的种类和分布 1 种类 从 1868 年瑞士的年青科学家F. Miescher 发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸 (nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是生物高分子，它的 基本构成单位是单核苷酸。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸 （ribonucleic acid，RNA）两大类。 2 分布 DNA 主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有 DNA。RNA主要分布在细胞质 中。DNA 是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA 的相对分子质量一般在 106以上。DNA 分布在染色体内，是染色体的主要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压缩的 DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个 DNA 分子。各种病毒都是核蛋 白，其核酸要么是 DNA，要么是 RNA，至今未发现两者都含有的病毒。特点：DNA 的含 量很稳定，在真核细胞中， DNA 与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA 含量为生殖细胞（单倍体）DNA 含量的两倍。DNA 在代谢上也比较稳定，不受营养条件、 年龄等因素的影响。 二、核酸的化学组成 核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷又是 由碱基和戊糖组成的。 核酸中的戊糖有两类：D-核糖（D-nbose）和 D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）。核酸 的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为 RNA 和 DNA 的。 碱基在 RNA 中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA 中也有四种碱 基，与 RNA 不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。 表 4-1 两种核酸的基本化学组成 核酸的成分 DNA RNA 嘌呤碱 (purine bases) 腺嘌呤(adenine) 鸟嘌呤(guanine) 腺嘌呤 鸟嘌呤 嘧啶碱 (pyrimidine bases) 胞嘧啶(cytosine) 胸腺嘧啶(thymine) 胞嘧啶 尿嘧啶(uracil) 戊 糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸
(一、)碱基 核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。 气用建晓暖 5羟甲乐验嘧 嘧啶碱嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿 嘧啶和胸腺嘧啶。植物DNA中有相当量的5'，甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中5 羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。 嘌呤碱嘌呤碱是母体化合物嘌的衔生物。核酸中常见的嘌吟有两类：腺嘌呤和 鸟嘌吟。 稀有碱基除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。 稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。RNA中含有较多 的稀有碱基。 (二)核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的C,与嘧啶碱的N1和嘌呤 碱的相连接。这种糖与碱基之间的连键是N一C键，称为N糖苷键。 -78-
－78－ （一、）碱基 核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。 嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿 嘧啶和胸腺嘧啶。植物 DNA 中有相当量的5′-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中 5′ -羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。 嘌呤碱 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类：腺嘌呤和 鸟嘌呤。 稀有碱基 除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。 稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA 中含有较多 的稀有碱基。 （ 二、）核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的 C1 与嘧啶碱的 N1 和嘌呤 碱的 N9 相连接。这种糖与碱基之间的连键是 N—C 键，称为 N-糖苷键
核苷中的D核糖与D2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中C:是不对称碳原子， 所以有ā一及B-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为B-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面 互相垂直。 核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌吟核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如 下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用1'，2’，表示）： OH 腺嘌核 饱嘧啶脱氧核 (三、)核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸脂。 核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为 两种核苷酸的结构式。 生物体内存在的游离核苷酸多是5'-核苷酸。用碱水解RN人时，可得到2'-核苷酸 与3'-核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表4-2。 腺哪吟核苷酸 3胞嗜绽膜氧核苷酸 三、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 -79
－79－ 核苷中的 D-核糖与 D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中 C1 是不对称碳原子， 所以有α-及β-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面 互相垂直。 核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如 下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用 1′，2′，.表示）： （三、）核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为 两种核苷酸的结构式。 生物体内存在的游离核苷酸多是5′-核苷酸。用碱水解 RNA 时，可得到 2′-核苷酸 与 3′-核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表 4-2。 三、细胞内的游离核苷酸及其衍生物
在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷5'-一磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物 在生物体的能量代谢中起着重要作用。 腺苷一磷酸(AMP或腺苷酸)与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸(ADP),腺苷二磷酸 再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸(ATP)。 表4-2常见的核苷酸 料家留透 鸟嘌吟 鸟嘌吟核苷酸(guaosine moophosphateG 胞密宽 (deoxycytidi e monophosphate.dMP) 脱氧胸腺姥绽核背酸 (deoxythymidine.Mp 磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以~代 表它。含~的化合物叫高能化合物。ATP含有两个~。物质代谢所产生的能量使ADP和 磷酸合成AP,这是生物体内贮能的一种方式。AIP分解又释放能量。高能磷酸健水解裂 开时，每生成1mol磷酸就放出能量约30.5（一般磷酸水解释能8.4~12.5k/mol)。 放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的 合成)。所以ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源。 其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷 酸化合物（可简写为ATP,CTP,GTP,UTP)实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱 氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP,dCTP,dGTP和dTTP)是DNA合成的直接原料。 它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还 参与特殊的代谢过程，如UTP参加磷酯的合成，GP参加蛋白质和嘌吟的合成等。 此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌吟二 核苷酸（辅酶I,NAD)、尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP)、黄素单核苷 酸(FMN)、黄素腺嘌吟二核苷酸(FAD)等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅 酶。 -80-
－80－ 在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5′-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物 在生物体的能量代谢中起着重要作用。 腺苷一磷酸（AMP 或腺苷酸）与 1 分子磷酸结合成腺苷二磷酸（ADP），腺苷二磷酸 再与 1 分子磷酸结合成腺苷三磷酸（ATP）。 表 4-2 常见的核苷酸 碱基 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶 腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate.) 鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP) 胞嘧啶核苷酸(cytidine monophosphate, GMP) 尿嘧啶核苷酸(uridine monophosphate, UMP) 脱氧腺嘌呤核苷酸 (deoxyadenosine monophosphate,dAMP) 脱氧鸟嘌呤核苷酸 (deoxyguanosine monophosphat.dGMP) 脱胞嘧啶核苷酸 (deoxycytidine monophosphate,dCMP) 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 (deoxythymidine monophosphate,dTMP) 磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以～代 表它。含～的化合物叫高能化合物。ATP 含有两个～。物质代谢所产生的能量使 ADP 和 磷酸合成 ATP，这是生物体内贮能的一种方式。ATP 分解又释放能量。高能磷酸键水解裂 开时，每生成 l mol 磷酸就放出能量约 30.5kJ（一般磷酸酯水解释能 8.4～12.5kJ／mol）。 放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的 合成）。所以 ATP 是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源。 其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷 酸化合物（可简写为 ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内 RNA合成的直接原料。各种脱 氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP 和 dTTP）是 DNA 合成的直接原料。 它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还 参与特殊的代谢过程，如 UTP 参加磷酯的合成，GTP 参加蛋白质和嘌呤的合成等。 此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP）、黄素单核苷 酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅 酶
ATP 35环腺苷象(cAP) 近年来，对3'，5'环腺苷酸(CAMP或环腺一磷)的作用有了新的认识。cAMP在 体内由ATP转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP具有如右结构式： 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 四、核酸的生物学功能 DNA是遗传信息的载体，遗传信息的能递是通过DNA的自我复削完成的。 RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要 的RNA: (I)核糖体RNA(ribosomel RNA,缩写成rRNA)rRNA含量大，占细胞RNA总量 的80%左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约40%的蛋白质和60%的RNA,由两 个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类RNA: 5 SrRNA,I6SRNA,23SRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类：5RNA,5.8 SrRNA, 18SrRNA,28SrRNA. (2)转运RNA(transfer RNA,缩写成tRNA)tRNA约占细胞RNA的I5%。tRNA 的相对分子质量较小，在250O0左右，由70~90个核苷酸组成。RNA在蛋白质的生物合 成中具有转运氨基酸的作用。tRNA有许多种，每一种RNA专门转运一种特定的氨基酸。 tRNA除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA的反转录合成及其他代谢调节中 -81
－81－ 近年来，对 3′，5′-环腺苷酸（cAMP 或环腺一磷）的作用有了新的认识。cAMP在 体内由 ATP 转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP 具有如右结构式： 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 四、核酸的生物学功能 DNA 是遗传信息的载体，遗传信息的传递是通过 DNA 的自我复制完成的。 RNA 在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要 的 RNA： （1）核糖体 RNA（ribosomel RNA，缩写成 rRNA）rRNA 含量大，占细胞 RNA 总量 的 80％左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约 40％的蛋白质和 60％的 RNA，由两 个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类 rRNA： 5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体 rRNA 有四类：5SrRNA，5.8SrRNA， 18SrRNA，28SrRNA。 （2）转运 RNA（transfer RNA，缩写成 tRNA）tRNA 约占细胞 RNA 的 15％。tRNA 的相对分子质量较小，在 25 000 左右，由70～90 个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合 成中具有转运氨基酸的作用。tRNA 有许多种，每一种tRNA 专门转运一种特定的氨基酸。 tRNA 除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA 的反转录合成及其他代谢调节中
都有重要作用 (3)信使RNA(messenger RNA,缩写成mRNA)mRNA约占细胞RNA含量的5%， mRNA生物学功能是转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有一种 特定的mRNA负责编码，因此mRNA的种类很多。 第二节 核酸的分子结构 一、脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构 L.DNA的一级结构 DNA的一级结构是由数量 极其庞大的四种脱氧核糖核苷 酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧 鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷 酸和脱氧胸腺密啶核苷酸，通过 3',5'.磺酸二酯键车接起来的 直线形或环形多聚体。由于脱氧 核糖中C上不含羟基，C又与 碱基相连接，所以唯一可以形成 的健是3'，5'磷酸二酯键。 故DNA没有侧链。图4-1表示 DNA多核苷酸链的一个小片段。 图的右侧是多核苷酸的几种 缩写法。B为线条式缩写，竖线 表示核糖的碳链，A、C、T、G 表示不同的碱基，P代表磷酸基， -pApcpTro 由P引出的斜线一端与C相连 -A—CT—G=- 另一端与C相连。C为文字式 缩写，P在碱基之左侧，表示P 在C5:位置上。P在碱基之右侧， 表示P与C相连接。有时，多 核苷酸中磷酸二酯键上的P也可 省略，而写成.A一C一T G.。这两种写法对DNA和 RNA分子都适用。 图41DNA中多核苷酸链的一个小片段及缩写符号 2.DNA的二级结梅 DNA中多核苷酸链的一个小片段 DNA的双螺旋结构模 B.为条线式缩写： C.为文字式缩写 -82
－82－ 都有重要作用。 （3）信使 RNA（messenger RNA，缩写成 mRNA）mRNA 约占细胞 RNA 含量的 5％。 mRNA 生物学功能是转录 DNA 上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有一种 特定的 mRNA 负责编码，因此 mRNA 的种类很多。 第二节 核酸的分子结构 一、脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构 1．DNA 的一级结构 DNA 的一级结构是由数量 极其庞大的四种脱氧核糖核苷 酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧 鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷 酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过 3′，5′-磷酸二酯键连接起来的 直线形或环形多聚体。由于脱氧 核糖中 C2 上不含羟基，C1 又与 碱基相连接，所以唯一可以形成 的键是 3′，5′-磷酸二酯键。 故 DNA 没有侧链。 图4-1 表示 DNA 多核苷酸链的一个小片段。 图的右侧是多核苷酸的几种 缩写法。B 为线条式缩写，竖线 表示核糖的碳链，A、C、T、G 表示不同的碱基，P 代表磷酸基， 由 P引出的斜线一端与 C3′相连， 另一端与 C5′相连。C 为文字式 缩写，P 在碱基之左侧，表示 P 在 C5′位置上。P在碱基之右侧， 表示 P 与 C3′相连接。有时，多 核苷酸中磷酸二酯键上的 P 也可 省略，而写成.PA—C—T— G.。这两种写法对 DNA 和 RNA 分子都适用。 2．DNA 的二级结构 DNA 的双螺旋结构模 图 4-1 DNA 中多核苷酸链的一个小片段及缩写符号 A. DNA 中多核苷酸链的一个小片段； B. 为条线式缩写； C. 为文字式缩写
型是Watson和Cick于1953年提出的。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的。 Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92%时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA 称为B型DNA(B-DNA)。在相对湿度低于T5%时获得的DNA钠盐纤维，其结构有所不 同，称为A-DNA。此外还有Z-DNA将在后面讨论。这里我们将详细讨论B-DNA。 (1)双螺旋结构模型的主要依据 X光衍射数据：Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X光衍射图 谱.这说明DNA可能有共同的分子模型。X光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具 右螺梅结构的多核杵酸裤。 关于碱基成对的证据：ChargafT等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分 析，发现DNA中的腺嘌吟的数目与胸腺嘧啶的数目相等，胞嘧啶（包括5甲基胞嘧啶） 的数目和鸟嘌吟的数目相等（表43）。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶之间可以生成两 个氢键：而胞嘧啶和鸟嘌吟之间可以允许生成三个氢键。 电位滴定行为：用电位滴定法证明，DNA的磷酸基可以滴定，而嘌吟和嘧啶的氨基和 ·NH一CO一则不能商定，它们是用氢键连结的。 (2)B-DNA双螺旋结构模型的要点 DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成的，两条链的糖一磷酸主链都是右 手螺旋有一共同的螺旋轴。一条链的方向是5 →3 ”，另一条链则是3 →5'。螺旋直 径为2nm。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。 两条链的碱基在内侧，糖一磷酸主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连。碱基对的 平面约与螺旋轴垂直，相邻碱基对平面间的距离（碱基堆积距离）是0.34m。相邻核苷酸 彼此相差36。双螺旋的每一转有10对核苷酸，每转高度为3.4nm。 碱基成对有一定规律，腺嘌吟一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌吟一定与胞嘧啶成对。因此 有四种可能的碱基对，即A一T,T一A,G一C和C一G。A和T间构成二个氢键，G和C 间构成三个氢键。 表43不同来源DNA的碱基组成 碱基的相对含量（摩尔%） 碱基的相对含量（摩尔%） 源 腺嘌吟鸟嘌吟胞嘧啶胸腺嘘啶 来 源 腺嘌吟鸟嘌吟胞嘧啶胸嘧啶 人 30.9 19.9 19.8 29.4 扁豆 29.7 20.6 20.1 29.6 牛胸腺 282215 225 278 酵母 313 18.717.132.9 牛脾 27.9 22.7 22.1 27.3 大肠杆菌 24.7 26.0 25.7 23.6 牛精子 287222 22.0 27.2 金黄色萄萄球菌30.8 21.019.0 292 大鼠（骨髓 28.621.4 21.5 28.4 结核分技杆菌15.1 34.935.4 14.6 母鸡 288 20.5 21.5 29,2 中×174（单链） 24.6 24.1 18.5 32.7 蚕 28.6 22.5 21.9 27.2 中×174（复制型） 26.3 22.3 22.3 26.4 小麦（胚 27.322.7 22.8 27.1 噬菌体入 21.3 28.627.2 22.9 ·包括5甲基胞嘧啶 -83
－83－ 型是 Watson 和 Crick 于 1953年提出的。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的。 Watson 和 Crick 所用的资料来自在相对湿度为 92％时所得到的DNA 钠盐纤维。这种 DNA 称为 B 型 DNA（B-DNA）。在相对湿度低于 75％时获得的 DNA 钠盐纤维，其结构有所不 同，称为 A-DNA。此外还有 Z-DNA 将在后面讨论。这里我们将详细讨论 B-DNA。 （1）双螺旋结构模型的主要依据 X 光衍射数据：Wilkins 和 Franklin 发现不同来源的 DNA 纤维具有相似的 X 光衍射图 谱．这说明 DNA 可能有共同的分子模型。X 光衍射数据说明 DNA 含有 2 条或 2 条以上具 有螺旋结构的多核苷酸链。 关于碱基成对的证据：Chargaff 等应用层析法对多种生物 DNA 的碱基组成进行了分 析，发现 DNA 中的腺嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，胞嘧啶（包括 5-甲基胞嘧啶） 的数目和鸟嘌呤的数目相等（表 4-3）。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶之间可以生成两 个氢键；而胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以允许生成三个氢键。 电位滴定行为：用电位滴定法证明，DNA 的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基和 一 NH—CO 一则不能滴定，它们是用氢键连结的。 （2）B-DNA 双螺旋结构模型的要点 DNA 分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成的，两条链的糖一磷酸主链都是右 手螺旋,有一共同的螺旋轴。一条链的方向是 5′→3′，另一条链则是 3′→5′。螺旋直 径为 2nm。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。 两条链的碱基在内侧，糖一磷酸主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连。碱基对的 平面约与螺旋轴垂直，相邻碱基对平面间的距离（碱基堆积距离）是 0.34nm。相邻核苷酸 彼此相差 36°。双螺旋的每一转有 10 对核苷酸，每转高度为 3.4 nm。 碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。因此 有四种可能的碱基对，即 A—T，T—A，G—C 和 C—G。A 和 T 间构成二个氢键，G 和 C 间构成三个氢键。 表 4-3 不同来源 DNA 的碱基组成 来 源 碱基的相对含量(摩尔％) 来 源 碱基的相对含量(摩尔%) 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶* 胸腺嘧啶 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 人 30.9 19.9 19.8 29.4 扁豆 29.7 20.6 20.1 29.6 牛胸腺 28.2 21.5 22.5 27.8 酵母 31.3 18.7 17.1 32.9 牛 脾 27.9 22.7 22.1 27.3 大肠杆菌 24.7 26.0 25.7 23.6 牛精子 28.7 22.2 22.0 27.2 金黄色葡萄球菌 30.8 21.0 19.0 29.2 大鼠(骨髓) 28.6 21.4 21.5 28.4 结核分枝杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6 母鸡 28.8 20.5 21.5 29.2 φ×174(单链) 24.6 24.1 18.5 32.7 蚕 28.6 22.5 21.9 27.2 φ×174(复制型) 26.3 22.3 22.3 26.4 小麦(胚) 27.3 22.7 22.8 27.1 噬菌体λ 21.3 28.6 27.2 22.9 *包括 5-甲基胞嘧啶
●】 在磷酸酯健中 C和N在碱基中 图4-2DNM分子双螺旋结构模型(a)及其图解(b) 由于四种碱基对都适合此模型，每条链可以有任意的碱基顺序，但由于碱基成对的规 律性，如一条链的碱基顺序己确定，则另一条链必有相对应的碱基顺序。两条链的碱基组 成和排列顺序并不一定相同。 大多数天然DNA具有双链结构。某些小细菌病毒如中XI74和M的DNA是单链分 。 DNA双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”（碱基配对）概念。根据碱基互补原则 当一条多核苷酸的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极 其重要的生物学意义。DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补 (3)双螺旋结构的稳定性DNA双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。维持这种稳 定性的主要因素是碱基堆积力(base stacking force)。嘌吟与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分 布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结 构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于DNA分子中 -84
－84－ 图 4-2 DNA 分子双螺旋结构模型（a）及其图解（b） 由于四种碱基对都适合此模型，每条链可以有任意的碱基顺序，但由于碱基成对的规 律性，如一条链的碱基顺序已确定，则另一条链必有相对应的碱基顺序。两条链的碱基组 成和排列顺序并不一定相同。 大多数天然 DNA 具有双链结构。某些小细菌病毒如φX174 和 M13的 DNA 是单链分 子。 DNA 双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”（碱基配对）概念。根据碱基互补原则， 当一条多核苷酸的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极 其重要的生物学意义。DNA 复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。 （3）双螺旋结构的稳定性 DNA 双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。维持这种稳 定性的主要因素是碱基堆积力（base stacking force）。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分 布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结 构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于 DNA 分子中
的其他弱辣在维持双螺旋结构的稳定上也起一定作用。这些弱球包括：互补减基对间的氨 键：磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键：范德华引力(vander Waal'sforce) (4)DNA双螺旋的不同类型 ADNA的结构：在相对湿度为75%以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析 资料表明，这种DNA纤维具有不同于B-DNA的结构特点，称为ADNA。A-DNA 也是由反向的两条多核苷酸链组成的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而短，碱基对 与中心轴之倾角也不同，呈19°。RNA分子 的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有 与A-DNA相似的结构。RNA分子由于在糖 环上有2'-0H存在，从空间结构上说不可 能形成B型结构。 ZDNA分子的结构：除了A-DNA和 B-DNA以外，自然界中还发现有一种 Z-DNA。A.Rich在研究CGCGCG寡聚体 的结构时发现了这类DNA。吊然CGCGCG 在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺 旋，而是左手螺旋，所以这种DNA称为左 旋DNA。那么ZDNA的名称是从何而来的 呢？在CGCGCG晶体中，磷酸基在多核苷 酸骨架上的分布为Z字形（图43）。所以也 称它为ZDNA。ZDNA只有一条大沟，而 无小沟。 天然BDNA的局部风域以出现 Z-DNA结构，说明BDNA与Z-DNA之间 B-DNA 是可以互相转变的。目前仍然不清楚ZDNA 图4-3Z-DNA与B-DNA比 究竞具有何种生物学功能。 表4-4中比较了A-DNA、B-DNA、ZDNA的一些主要特性。 表4-4A-DNA,B-DNA和Z-DNM的比较 比较项 螺旋类型 B 对碱基之距离 33 反式，G题式 辉配对与中心轴之烦 很狭。深 -85
－85－ 的其他弱键在维持双螺旋结构的稳定上也起一定作用。这些弱键包括：互补碱基对间的氢 键；磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键；范德华引力（vander Waal'sforce）。 （4）DNA 双螺旋的不同类型 A-DNA 的结构：在相对湿度为 75％以下所获得的 DNA 纤维的 X 光 衍射分析 资料表明 ，这种 DNA 纤维 具有 不同于 B-DNA 的结构特点，称为 A-DNA。A-DNA 也是由反向的两条多核苷酸链组成的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而短，碱基对 与中心轴之倾角也不同，呈 19º。RNA分子 的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有 与 A-DNA 相似的结构。RNA 分子由于在糖 环上有 2′-OH 存在，从空间结构上说不可 能形成 B-型结构。 Z-DNA 分子的结构：除了 A-DNA 和 B-DNA 以外，自然界中还发现有一种 Z-DNA。A．Rich 在研究 CGCGCG 寡聚体 的结构时发现了这类 DNA。虽然 CGCGCG 在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺 旋，而是左手螺旋，所以这种 DNA 称为左 旋 DNA。那么 Z-DNA的名称是从何而来的 呢？在 CGCGCG 晶体中，磷酸基在多核苷 酸骨架上的分布为 Z 字形（图 4-3）。所以也 称它为 Z-DNA。Z-DNA 只有一条大沟，而 无小沟。 天然 B-DNA 的局部区域可以出现 Z-DNA 结构，说明 B-DNA 与 Z-DNA 之间 是可以互相转变的。目前仍然不清楚 Z-DNA 究竟具有何种生物学功能。 表 4-4 中比较了 A-DNA、B-DNA、Z-DNA 的一些主要特性。 表 4-4 A-DNA，B-DNA 和Z-DNA 的比较 比较项 螺旋类型 A B Z 外形 每对碱基之距离 螺旋直径 螺旋方向 糖苷键构型 每匝螺旋碱基对数目 螺距 碱基对与中心轴之倾角 大沟 小沟 粗短 0.23nm 2.55nm 右手 反式 11 2.46nm 19° 狭，很深 很宽，浅 适中 0.34nm 2.37nm 右手 反式 10.4 3.32nm 1° 宽，深 狭，很深 细长 0.38nm 1.84nm 左手 C、T 反式，G 顺式 12 4.56nm 9° 平坦 很狭，深 图 4-3 Z-DNA 与 B-DNA 比较
3.DNA的三级结构 双链DNA多数为线形，少数为环形。 某些小病毒、线粒体、叶绿体以及某些细菌中的DNA为双链环形。在细胞内.这些 环形DNA进一步扭曲成“超螺旋”的三级结构，如图44。 (a) 图4-4妇多留病毒的坏状分子和超螺旋结 图4-4b核粒结构示意图(@)前面)背面 构 圆球代表组蛋白，缠绕在组蛋白上的带子为DNA超 螺旋 真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子。染色质DNA的结构极其复杂 双螺旋DNA先盘绕组蛋白形成核粒（超螺旋），许多核粒（或称核小体）由DNA链连在 一起构成念珠状结构，念珠状结构进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。据估算，人的DN 大分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩800010000倍。 二、核糖核酸(RM)的分子结构 NA也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核 糖核苷酸、鸟嘌吟糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的 戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。RNA分子中也还有某些稀有碱基。图45为RNA分子中 的一小段以示RNA之结构。 组成RNA的核苷酸也是以3'，5'磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管RNA分子中 核糖环C2上有一羟基，但并不形成2'，5'磷酸二酯键，用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNA 时，降解产物中只有3核苷酸，并无2'核苷酸，就支持了上述结论。 天然RNA并不像DNA那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双 螺旋结构。这些双链结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇形成 氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环(Io0p),被排斥在双螺 旋结构之外，如图46。RNA中的双螺旋结构为ADNA类型的结构。每一段双螺旋区至 少需要有4~6对碱基才能保稳定。一般说来，双螺旋区约占RNA分子的50%。 L.RNA的类型 动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA,即核糖体RNA(rRNA)、转运 RNA(tRNA)信使RNA(mRNA)。表45中列出了大肠杆菌中三类RNA的主要特性。 -86
－86－ 3．DNA 的三级结构 双链 DNA 多数为线形，少数为环形。 某些小病毒、线粒体、叶绿体以及某些细菌中的 DNA 为双链环形。在细胞内．这些 环形 DNA 进一步扭曲成“超螺旋”的三级结构，如图 4-4。 真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子。染色质DNA的结构极其复杂。 双螺旋 DNA 先盘绕组蛋白形成核粒（超螺旋），许多核粒（或称核小体）由 DNA 链连在 一起构成念珠状结构，念珠状结构进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。据估算，人的 DNA 大分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩 8 000～10 000 倍。 二、核糖核酸（RNA）的分子结构 RNA 也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核 糖核苷酸、鸟嘌呤糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的 戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。RNA 分子中也还有某些稀有碱基。图 4-5 为 RNA 分子中 的一小段以示 RNA 之结构。 组成 RNA 的核苷酸也是以 3′,5′-磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管 RNA 分子中 核糖环 C′2上有一羟基，但并不形成 2′,5′-磷酸二酯键。用牛脾磷酸二酯酶降解天然 RNA 时，降解产物中只有 3′-核苷酸，并无 2′-核苷酸，就支持了上述结论。 天然 RNA 并不像 DNA 那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双 螺旋结构。这些双链结构是由于 RNA 单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇形成 氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环（loop），被排斥在双螺 旋结构之外，如图 4-6。RNA 中的双螺旋结构为 A-DNA 类型的结构。每一段双螺旋区至 少需要有 4～6 对碱基才能保稳定。一般说来，双螺旋区约占 RNA 分子的 50％。 1．RNA 的类型 动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要 RNA，即核糖体 RNA （rRNA）、转运 RNA（tRNA）、信使 RNA（mRNA）。表 4-5中列出了大肠杆菌中三类 RNA 的主要特性。 图 4-4a 多留病毒的环状分子和超螺旋结 构 图 4-4b 核粒结构示意图 (a) 前面 (b) 背面 圆球代表组蛋白，缠绕在组蛋白上的带子为DNA 超 螺旋