第五章核酸化学 第一节核酸的种类、分布 从1868年瑞士的年青科学家F. Miescher发现核酸起,经过不断的硏究证明,核酸 ( nucleic acid)存在于任何有机体中,包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本 构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid,DNA和核糖核酸 ( ribonucleic acid,RNA)两大类(种类)。 (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。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。DNA是遗传信息的敦体,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( ribosome 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 (原核细胞):5SRNA,16SRNA,23SRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类(真核细胞) 5SrRNA, 5. 8SrRNA, 18SrRNA, 28 SrRNA (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25000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 种特定的mRNA负责编码,因此mRNA的种类很多
－76－ 第五章 核酸化学 第一节 核酸的种类、分布 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。核酸是以单核苷酸为基本 构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸 （ribonucleic acid，RNA）两大类（种类）。 （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。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。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 （原核细胞）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA 有四类（真核细胞）： 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(D2- 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 腺嘌呤( adenine一A 腺嘌呤一A purine bases) 嘧啶碱 胞嘧啶( cytosine)C 胞嘧啶一C (pyrimidine bases) D-2-脱氧核糖 磷酸 、碱基 核酸中的碱基分两类:嘧啶碱和嘌呤碱。(各碱基的代号要掌握) (新系统) 胞嘧啶 CHOH 胸脲嘧啶 羟甲基胞嘧啶 1.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
－77－ 第二节 核酸的组成 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)—A 鸟嘌呤(guanine)—G 腺嘌呤—A 鸟嘌呤—G 嘧啶碱 (pyrimidine bases) 胞嘧啶(cytosine)—C 胸腺嘧啶(thymine)—T 胞嘧啶—C 尿嘧啶(uracil)—U 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。（各碱基的代号要掌握） 1．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 2.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 腺嘌呤 3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。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 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 碱的N相连接。这种糖与碱基之间的连键是NC键,称为N-C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α-及β-两种构型。但核酸分孑中的糖苷键均为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): HOCH 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷 、核苷酸
－78－ 嘧啶和胸腺嘧啶。 2．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。 3．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。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。 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-C糖苷键。 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。 生物体内存在的游高核苷酸多是5′核苷酸。用碱水解RNA时,可得到2′一核苷 酸与3′—核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表42 O-P-0—CH2 5-腺嘌呤核苷酸 3-胞嘧啶脱氧核苷酸 四、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′-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(AM或腺苷酸)与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸(AD),腺苷二磷酸 再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸(AP)。 表4-2常见的核苷酸 腺嘌呤 腺嘌呤核苷酸( adenosine monophosphate.) 脱氧腺嘌呤核苷酸 (deoxyadenosine monophosphate, dAMP) 鸟嘌呤 鸟嘌呤核苷酸( guanosine monophosphate,GMP) 脱氧鸟嘌呤核苷酸 (deoxyguanosine monophosphate. dGMP) 胞嘧啶核苷酸( cytidine monophosphate,GP) 脱胞嘧啶核苷酸 (deoxycytidine monophosphate, dOMP) 尿嘧喷 尿嘧啶核苷酸( uridine monophosphate,UP) 胸腺嘧啶 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 (deoxythymidine monophosphate, dIMp) 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。A1P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。高能磷酸键水解裂 开时,每生成Imol磷酸就放出能量约305kJ(一般磷酸酯水解释能84~-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
－79－ 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。 四、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′-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(能量 通币)。 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AIP,CIP,GIP,UIP)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,dCIP,dGTP和dTIP)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,GIP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,NAD)、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 HOP~O-P~0-P一0-CH2 OH ATP 3’5环腺苷酸(cAMP) 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具有如上结构式 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 第三节核酸的分孑结构 、脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构 1.DNA的一级结构
－80－ 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（能量 通币）。 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。 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 具有如上结构式： 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 第三节 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的一级结构是由教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41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引出的斜线端与C3相连,另一端与Cs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-TG…。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rick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O=p-oH 种DNA称为B型DNAd (BDNA)。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ZDNA将o=oH 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 O=P-OH 原的DNA纤维具有相似的 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日 条以上具有螺旋结构的多核苷 酸链。 关于碱基成对的证据:图41DNA中多核昔酸链的一个小片段及缩写符号 Chargaff等应用层析法对多种ADNA中多核苷酸链的一个小片段 生物DNA的碱基组成进行了B.为条线式缩写 C.为文字式缩写
－81－ 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 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
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;而胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以允许生成三个氢键。 表4-3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% 腺嘌呤|鸟嘌呤胞嘧啶·|胸腺嘧啶 来源 腺嘌呤|鸟嘌呤|胞嘧啶/胸腺嘧 19.9 29.6 牛胸腺 8.221.522.5|278 酵母 31.3 8717.1|32.9 大肠杆菌 7|26025.7 牛精子 金黄色葡萄球菌30.821.019029.2 大鼠(骨髓 28621.421.5284 结核分枝杆菌 15.1 35.4 14.6 8.820.521 中×174(单链) 24624.118.532.7 219 φx174(复制型)26.3 小麦胚) 27.3 噬菌体λ 21.3 27229 ·包括5-甲基胞嘧啶 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 NH—CO一则不能滴定,它们是用氢键连结的。 (2)BDNA双螺旋结构模型的要点 A、DNA分子是由两条反向平行互补的多核苷酸链构成的,一条链的方向是5 另一条链则是3′→5′。 两条链的糖一磷酸主链都是右手螺旋有一共同的螺旋轴。螺旋表面有一条大沟和 条小沟 C、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 D、双螺旋直径为2nm。碱基对的平面约与螺旋轴垂直,相邻碱基对平面间的距离 基堆积距离)是034m。相邻核苷酸彼此相差36。双螺旋的每一转有10对核苷酸, 转高度为3.4nm E、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AT,T一A,GC和C-G。A和T间构成二个氢键,G 和C间构成三个氢键 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。 多数天然DNA具有双链结构。某些小细菌病毒如中X174和M13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
－82－ 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。 表 4-3 不同来源 DNA 的碱基组成 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 A、DNA 分子是由两条反向平行互补的多核苷酸链构成的，一条链的方向是 5′→3′， 另一条链则是 3′→5′。 B、两条链的糖一磷酸主链都是右手螺旋,有一共同的螺旋轴。螺旋表面有一条大沟和 一条小沟。 C、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。 D、双螺旋直径为2nm。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。 E、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。 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 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
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。A、维持这 种稳定性的主要因素是碱基堆积力( base stacking force)a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:B、互补碱基对 间的氢键:C、磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键:D、范德华引力( vander Waa' force)。 OH 3,4nm G≡ C在磷酸酯键中 C和N在碱基中 图4-2DNA分子双螺旋结构模型(a)及其图解(b) (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 83
－83－ 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。A、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：B、互补碱基对 间的氢键；C、磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键；D、范德华引力（vander Waal'sforce）。 图 4-2 DNA 分子双螺旋结构模型（a）及其图解（b） （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′-OH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BDNA以外,自然界 中还发现有一种 Z-DNAcA.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ZDNA的名称 是从何而来的呢?在 CGCGCG 晶体中,(图磷酸基在多核苷酸 骨架上的分布为Z字形4-3)。所 以也称它为Z-DNA。ZDNA只 有一条大沟,而无小沟 天然BDNA的局部区域可 以出现ZDNA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 B-DNA ZDNA宄竞具有何种生物学功 图4-3ZDNA与B-DNA比较 表4-4中比较了A-DNA、BDNA、ZDNA的一些主要特性 表4-4A-DNA,B-DNA和z-DNA的比较 比较项 螺旋类型 每对碱基之距离 螺旋直径 2.55nm 2.37mm 螺旋方向 C、T反式,G顺式 匝螺旋碱基对数目 2.46nm 3.32nm 碱基对与中心轴之倾角 很狭,深 3.DNA的三级结构
－84－ 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，（图磷酸基在多核苷酸 骨架上的分布为 Z字形 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 3．DNA 的三级结构 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
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 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8000~10000倍 图4-4a多留病毒的环状分子和超螺 图4-4b核粒结构示意图 (a)表示前面;(b)表示背面 圆球代表组蛋白,缠尧在组蛋白上的带子为DNA 超螺旋 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 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 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46。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 NA(tRNA)、信使RNA(mRNA)。表45中列出了大肠杆菌中三类RNA的主要特性 此外,真核细胞中还有少量核内小RNA( small nuclear rna,缩写成 SnRNA)
－85－ 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。 此外，真核细胞中还有少量核内小 RNA（small nuclear RNA，缩写成 snRNA）。 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) 表示前面; (b) 表示背面。 圆球代表组蛋白，缠绕在组蛋白上的带子为 DNA 超螺旋