《生物化学》课程教学资源（教案）核酸的结构.doc_大学文库

7-2 核酸的结构 P478 核酸的基本结构单位是核苷酸，核苷酸由核苷和磷酸组成，核苷由戊糖和碱基组成。碱基：在 RNA 中为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等四种；在 DNA 中，为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（代替尿嘧啶），也是四种。（一）核苷酸：由所含戊糖不同分为（核糖）核苷酸和脱氧（核糖）核苷酸，所含戊糖分别为 D-核糖和 D-2-脱氧核糖。（1）碱基：携带遗传信息，5 种基本碱基化学组成，见 P478 表 13-1，结构式见 P479。 1. 嘧啶碱：胞嘧啶 2-氧-4-氨基嘧啶 Cyt C 尿嘧啶 2，4-二氧嘧啶 Ura U 胸腺嘧啶 5-甲基尿嘧啶 Thy T 2. 嘌呤碱：腺嘌呤 6-氨基嘌呤 Ade A 鸟嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤 Gua G 3. 稀有碱基：除以上 5 种基本碱基外，核酸中还有的一些含量甚少的碱基，大多数为甲基化碱基，tRNA 中含有较多的稀有碱基，可高达 10%。 P479 表 13-2 为核酸中一部分稀有碱基的名称，注意缩写： hm5 U 5-羟甲基尿嘧啶 m5 C 5-甲基胞嘧啶 DH U 5，6-二氢尿嘧啶 mo5 U 5-甲氧基尿嘧啶 m2 6 U N6，N6 -二甲基腺嘌呤次黄嘌呤 6-氧嘌呤 Ⅰ （2）核苷：由核糖和碱基组成，糖环上编号右上角加一撇。糖与碱基间连键是 N-C 键，为β-糖苷键。碱基与糖环平面互相垂直。结构式见 P480，如腺嘌呤核苷 A 胞嘧啶脱氧核苷 dc 另外还有 C-C 糖苷键的核苷，如假尿嘧啶核苷 Ψ，结构式见 P481，为尿嘧啶 C5 与核糖 1 ‘ -位碳相连。此外在 tRNA 中还含有碱基不是嘌呤环，而为鸟嘌呤衍生物的 W(Y)和 Q 核苷，见 P481。常见的核苷 P480 表 13-3 核（糖核）苷腺（嘌呤核）苷 adenosine A 鸟（嘌呤核）苷 guanosine G 胞（嘧啶核）苷 Cytidine C 尿（嘧啶核）苷 Uridine U 脱氧核（糖核）苷脱氧腺苷 deoxyadenosine dA 脱氧鸟苷 deoxyguanosine dG 脱氧胞苷 deoxycytidine dC 脱氧胸苷 deoxythymidine dT

(3)核苷酸:核苷的磷酸酯: 核糖核苷糖环上有3个自由羟基,可生成三种核苷酸。脱氧核糖糖环上有2个自由羟基,可生成二种核苷酸。生物体内游离存在多为5-核苷酸。常见核苷酸见P481表13-4,为核糖-5-一磷酸。 amp gmP cmp uMp damp dgmp dtmp dCMP 若为核苷-3-磷酸或-2磷酸,应标出3或2,如3-AMP,2-AMP 核糖-5-二磷酸:如ADP,核糖-5-三磷酸:如ATP。环核苷酸一般为3,5-环化,如c-AMP。 (二)核酸的共价结构 (1)核酸中核苷的连接方式:P482 核酸中核苷酸以3ˆ,5-磷酸二酯键彼此相连,走向为3→5。简写时从5→3 从左到右书写 ACtG pG表示p在5位,Gp表示p在3位因此ACTG与GTCA不一样,一个5端为A,A上有游离的5-OH,一个5端为G,G上有游离的5-OH (2)DNA一级结构 DNA中D-核糖没有2-OH,所以只能形成3,5-磷酸二酯键,DNA无支链。 P483图13-2表示DNA多核苷酸的一个小片段及竖线式缩写和文字式缩写。 NA相对分子量非常大,分子量可超过10bp(碱基对),可编码信息量十分巨大为阐明生物的遗传信息,首先要测定生物基因组的序列原核生物基因序列是连续的,常组成操纵子,很少重复序列:真核生物基因序列是断裂的,有内含子,不组成操纵子,含有较高比例的重复序列,调控序列比占比例大。人类基因组大小为32亿碱基对,真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的 1.1%到14%,编码蛋白质基因大约为3.1万个。 (3)RNA一级结构: 虽有2-OH,但仍为无分支线型多聚核糖核苷酸,组成RNA核苷酸仍为3,5 磷酸二酯键彼此连接。 1.tRNA:通常由73~93个核苷酸组成,沉降系数45。3端为 CpCpAOH,5端多为pG,也有为pC的。 2.rRNA:含有较多甲基化的核糖。细菌的rRNA有5S、16S和23S三种,哺乳动物rRNA有5S、58S、16S和28S四种。rRNA除作为核糖体骨架外,还分别与 mRNA和tRNA作用,催化肽键的形成,促使蛋白质合成的正确进行。 3.mRNA:原核生物一条mRNA链上有多个编码区,5端和3端各有一段非翻译区;真核生物mRNA一级结构通式如P484图13-4所示,5端有帽子,Ⅰ型帽子结构见P485,可记作mGp3 NmpNp,(m在字母左,表示碱基被甲基化, 右上角数字表示甲基化位置,m在字母右侧表示核糖被甲基化,G-鸟苷,N为任意核苷,p磷酸)。这种结构有抗5-核酸外切酶的降解作用,并有助于核糖体对mRNA 的识别和结合,使翻译得以正确开始。3端大多有一尾巴,为20-250个A的聚腺苷酸poly(A),与mRNA的半寿期有关 (三)DNA的高级结构 (1)1953年 Watson与 Crick提出的DNA双螺旋结构模型,主要有三方面依据: 1.核酸化学结构和核苷酸键长和键角数据

（3）核苷酸：核苷的磷酸酯：核糖核苷糖环上有 3 个自由羟基，可生成三种核苷酸。脱氧核糖糖环上有 2 个自由羟基，可生成二种核苷酸。生物体内游离存在多为 5 ‘ -核苷酸。常见核苷酸见 P481 表 13-4，为核糖-5 ‘ -一磷酸。 AMP GMP CMP UMP dAMP dGMP dTMP dCMP 若为核苷-3 ‘ -磷酸或-2 ‘磷酸，应标出 3 ‘或 2 ‘，如 3 ‘ -AMP，2 ‘ -AMP。核糖-5 ‘ -二磷酸：如 ADP，核糖-5 ‘ -三磷酸：如 ATP。环核苷酸一般为 3 ‘，5 ‘ -环化，如 c-AMP。（二）核酸的共价结构（1）核酸中核苷的连接方式： P482 核酸中核苷酸以 3 ‘，5 ‘ -磷酸二酯键彼此相连，走向为 3 ‘→5 ‘。简写时从 5 ‘→3 ‘ , 从左到右书写: 如 pACTG pG 表示 p 在 5 ‘位，Gp 表示 p 在 3 ‘位 5 ‘ 3 ’ 因此 ACTG 与 GTCA 不一样，一个 5 ‘端为 A，A 上有游离的 5 ‘ -OH，一个 5 ‘端为 G，G 上有游离的 5 ‘ -OH。 (2) DNA 一级结构： DNA 中 D-核糖没有 2 ‘ -OH，所以只能形成 3 ‘，5 ‘ -磷酸二酯键，DNA 无支链。 P483 图 13-2 表示 DNA 多核苷酸的一个小片段及竖线式缩写和文字式缩写。 DNA 相对分子量非常大，分子量可超过 108bp（碱基对），可编码信息量十分巨大。为阐明生物的遗传信息，首先要测定生物基因组的序列。原核生物基因序列是连续的，常组成操纵子，很少重复序列；真核生物基因序列是断裂的, 有内含子，不组成操纵子，含有较高比例的重复序列，调控序列比占比例大。人类基因组大小为 32 亿碱基对，真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的 1.1%到 1.4%，编码蛋白质基因大约为 3.1 万个。 (3) RNA 一级结构：虽有 2 ‘ -OH，但仍为无分支线型多聚核糖核苷酸，组成 RNA 核苷酸仍为 3 ‘，5 ‘ - 磷酸二酯键彼此连接。 1. tRNA：通常由 73~93 个核苷酸组成，沉降系数 45。3 ‘端为 CpCpAOH，5 ‘端多为 pG，也有为 pC 的。 2. rRNA：含有较多甲基化的核糖。细菌的 rRNA 有 5S、16S 和 23S 三种，哺乳动物 rRNA 有 5S、5.8S、16S 和 28S 四种。rRNA 除作为核糖体骨架外，还分别与 mRNA 和 tRNA 作用，催化肽键的形成，促使蛋白质合成的正确进行。 3. mRNA：原核生物一条 mRNA 链上有多个编码区，5 ‘端和 3 ‘端各有一段非翻译区；真核生物 mRNA 一级结构通式如 P484 图 13-4 所示，5 ‘端有帽子，Ⅰ型帽子结构见 P485，可记作 m7G5’ppp5’NmpNp，（m 在字母左，表示碱基被甲基化，右上角数字表示甲基化位置，m 在字母右侧表示核糖被甲基化，G-鸟苷，N 为任意核苷，p 磷酸）。这种结构有抗 5 ‘ -核酸外切酶的降解作用，并有助于核糖体对 mRNA 的识别和结合，使翻译得以正确开始。3 ‘端大多有一尾巴，为 20~250 个 A 的聚腺苷酸 poly(A)，与 mRNA 的半寿期有关。（三）DNA 的高级结构：（1） 1953 年 Watson 与 Crick 提出的 DNA 双螺旋结构模型，主要有三方面依据： 1. 核酸化学结构和核苷酸键长和键角数据

2.DNAⅩ-射线衍射分析。 3.DNA碱基组成的 Chargaff规则:同一物种不同组织和器官,DNA碱基组成具有生物种特异性。且摩尔数为A=T,G=C,A+C=G+T (2)DNA二级结构: W-CDNA分子双螺旋结构模型见P480图13-5,要点如下: 两条反向平向的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕,两条链均为右手螺旋 2.碱基位于双螺旋内侧,核酸与核糖在外侧,彼此通过3,5-磷酸二酯键相连接,形成DNA分子骨架。碱基平面与纵轴重直,糖环平面与纵轴平行。多核苷酸链方向3→5为正向(P487图13-6),形成一条大沟和一条小沟 3.双螺旋平均直径为2nm,两个相邻碱基对之间相距高度为0.34nm,两核苷酸之间夹角为36°,沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸,每一转的高度(螺距为34nm。两条链被碱基之间形成的氢键连成一体,互相匹配,A与T配对,形成两个氢键,G与C配对,形成三个氢键 5.碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制,一条链序列确定后则决定另一条互补链序列。遗传信息由碱基序列所携带。 DNA结构可受环境影响而改变,有A、B、C、D、E和Z型等不同构象存在 A、B型是DNA基本构象,E型为左手双螺旋 B型:为W-C双螺旋结构,DNA钠盐在较高湿度下(92%)制得的纤维结构。 A型:螺体较宽而短,RNA分子双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链具有与 A-DNA相似结构 P489表13-6A、B和Z型DNA的比较。 DNA二级结构主要是形成双螺旋,但在某些情况下也能形成三股螺旋,第三股的碱基可与W-C碱基对中嘌呤碱形成配对。P489图13-10三股螺旋DNA 碱基配对。 H-DNA是通过分子内折叠形成的三股螺旋(P490图13-11H-DNA结构), 它存在于基因调控区,因而有重要生物学意义 (3)DNA三级结构: DNA三级结构指DNA分子(双螺旋),通过扭曲和折叠形成的特定构象,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的拓扑特征超螺旋是DNA三级结构的一种形式,是双螺旋的螺旋将环状DNA分子再额外多转几圈或少转几圈,都会使双螺旋中存在张力为抵消张力,环状DNA分子的轴再曲绕而形成超螺旋,左旋为负,右旋为正 DAN分子十分巨大,要组装到有限的空间,压缩比达10002000,组装成染色体则高达80001000492表137)。为此绝大多数DNA以超螺旋形式存在把很长的DNA压缩成很小的体积内。如人类第一号染色体DNA长72cm,经弯曲缠绕后只有近10μm(压缩约7700倍) 由于DNA双螺旋为右旋,负超螺旋〔左旋)有利于双螺旋解旋,自然界存在的环状DNA几乎全是负超螺旋。 DNA复制、重组或转录时,必须解旋解链,暴露出DNA结合位点,使各种调控蛋白发挥作用,随后再形成超螺旋,存在拓扑学问题。生物过程需负超螺旋程度不同,可通过DNA拓扑异构来调节其功能

2. DNA X-射线衍射分析。 3. DNA 碱基组成的 Chargaff 规则；同一物种不同组织和器官，DNA 碱基组成具有生物种特异性。且摩尔数为 A=T， G=C， A+C=G+T。（2） DNA 二级结构： W-C DNA 分子双螺旋结构模型见 P480 图 13-5，要点如下： 1. 两条反向平向的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。 2. 碱基位于双螺旋内侧，核酸与核糖在外侧，彼此通过 3 ‘，5 ‘ -磷酸二酯键相连接，形成 DNA 分子骨架。碱基平面与纵轴重直，糖环平面与纵轴平行。多核苷酸链方向 3 ‘→5 ‘为正向（P487 图 13-6），形成一条大沟和一条小沟。 3. 双螺旋平均直径为 2nm，两个相邻碱基对之间相距高度为 0.34nm，两核苷酸之间夹角为 360，沿中心轴每旋转一周有 10 个核苷酸，每一转的高度（螺距）为 3.4nm。 4. 两条链被碱基之间形成的氢键连成一体，互相匹配，A 与 T 配对，形成两个氢键，G 与 C 配对，形成三个氢键。 5. 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，一条链序列确定后则决定另一条互补链序列。遗传信息由碱基序列所携带。 DNA 结构可受环境影响而改变，有 A、B、C、D、E 和 Z 型等不同构象存在。 A、 B 型是 DNA 基本构象，E 型为左手双螺旋。 B 型：为 W-C 双螺旋结构，DNA 钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维结构。 A 型：螺体较宽而短，RNA 分子双螺旋区以及 RNA-DNA 杂交双链具有与 A-DNA 相似结构。 P489 表 13-6 A、B 和 Z 型 DNA 的比较。 DNA 二级结构主要是形成双螺旋，但在某些情况下也能形成三股螺旋，第三股的碱基可与 W-C 碱基对中嘌呤碱形成配对。P489 图 13-10 三股螺旋 DNA 碱基配对。 H-DNA 是通过分子内折叠形成的三股螺旋（P490 图 13-11 H-DNA 结构），它存在于基因调控区，因而有重要生物学意义。（3） DNA 三级结构： DNA 三级结构指 DNA 分子（双螺旋），通过扭曲和折叠形成的特定构象，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。超螺旋是 DNA 三级结构的一种形式，是双螺旋的螺旋。将环状 DNA 分子再额外多转几圈或少转几圈，都会使双螺旋中存在张力，为抵消张力，环状 DNA 分子的轴再曲绕而形成超螺旋，左旋为负，右旋为正。 DAN 分子十分巨大，要组装到有限的空间，压缩比达 1000-2000，组装成染色体则高达 8000-10000（p492 表 13-7）。为此绝大多数 DNA 以超螺旋形式存在，把很长的 DNA 压缩成很小的体积内。如人类第一号染色体 DNA 长 7.2cm，经弯曲缠绕后只有近 10μm(压缩约 7700 倍)。由于 DNA 双螺旋为右旋，负超螺旋（左旋）有利于双螺旋解旋，自然界存在的环状 DNA 几乎全是负超螺旋。 DNA 复制、重组或转录时，必须解旋解链，暴露出 DNA 结合位点，使各种调控蛋白发挥作用，随后再形成超螺旋，存在拓扑学问题。生物过程需负超螺旋程度不同，可通过 DNA 拓扑异构来调节其功能

环状DNA的一些重要拓扑学性质 (拓扑学是数学的一个分支,研究物体变形后仍保留下的结构特性。) 1.连环数L: 为一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕次数,为一个整数。 L值不同,则为拓扑异构扭转数T: 指DNA分子中的 Watson- Crick螺旋数。天然DNAT变化不大,变化时有张力 3.超螺旋数W 为超螺旋的超绕数,右旋为正,左旋为负。 L、T、W三者关系: L =T+W L为整数,T、W可带小数。 4.比连环差λ 表示超螺旋程度 λ=L-Lo/LoL为松弛环形DNA(无超螺旋)的L值 P491图13-12环状DNA不同构象: A:线型DNA B:环状DNA,松弛型DNA,L=25,T=25,W=0。 C:解链环状:拧松两周后,可形成两种环状DNA,一种即为解链环状L=23 T=23,W=0有张力:另一种为超螺旋DNA,为D D:负超螺旋:形成超螺旋(左旋)消除解链影响,在力能学上有利,为自发过程,L=23,T=25,W=-2。 DNA拓扑异构:除连环数不同外(如上述L=25,L=23),其他性质均相同的DNA 分子。双螺旋DNA在拓扑异构变化中T相同,是W不同导致L不同。 DNA拓扑异构现象:为DNA超螺旋状态与解旋状态之间的相互转换,不发生碱基组成或顺序(一级结构)的任何变化,是DNA复制、重组或转录时所必需的。拓扑异构酶:引起DNA拓扑异构之间转变的酶,可改变DNA拓扑异构体的L 值,有两类: Ⅰ类:使双链超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA,每一次催化作用可消除一个负超螺旋,L值增加1。 Ⅱ类:使松弛型环状DNA转变成负超螺旋型DNA,每次催化作用使L减少2 又称促旋酶两类酶含量严格控制,使细胞内DNA保持一定超螺旋水平。 (2)DNA与蛋白质复合物的结构(四级结构) 病毒、细菌拟核和真核生物的染色体都存在DNA的组装和一定程度的压缩核小体是真生物染色质的基本结构单位,由核小体链形成纤维,进而折叠螺旋化,组装成不同层次结构的染色质和染色体。病毒:通常只有几个至几十个基因,主要由核酸和蛋白质组成,有时还含有脂质和糖类。病毒的侵染性由核酸决定。核酸位于内部,蛋白质包裹着核酸为衣壳,有的还有脂蛋白被膜。由宿主不同,病毒分为噬菌体(宿主细菌与放线菌),植物病毒和动物病毒, 动物病毒含DNA或含RNA,有的还有被膜,如流感病毒(冠状病毒),表面有

环状 DNA 的一些重要拓扑学性质： (拓扑学是数学的一个分支，研究物体变形后仍保留下的结构特性。) 1. 连环数 L：为一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕次数，为一个整数。 L 值不同，则为拓扑异构。 2. 扭转数 T：指 DNA 分子中的 Watson-Crick 螺旋数。天然 DNAT 变化不大，变化时有张力。 3. 超螺旋数 W：为超螺旋的超绕数，右旋为正，左旋为负。 L、T、W 三者关系： L=T+W L 为整数，T、W 可带小数。 4. 比连环差λ：表示超螺旋程度 λ=L-L0/L0 L0 为松弛环形 DNA（无超螺旋）的 L 值。 P491 图 13-12 环状 DNA 不同构象： A：线型 DNA。 B：环状 DNA，松弛型 DNA，L=25，T=25，W=0。 C：解链环状：拧松两周后，可形成两种环状 DNA，一种即为解链环状 L=23， T=23，W=0 有张力；另一种为超螺旋 DNA，为 D。 D：负超螺旋：形成超螺旋（左旋）消除解链影响，在力能学上有利，为自发过程，L=23，T=25，W=-2。 DNA 拓扑异构：除连环数不同外（如上述 L=25，L=23），其他性质均相同的 DNA 分子。双螺旋 DNA 在拓扑异构变化中 T 相同，是 W 不同导致 L 不同。 DNA 拓扑异构现象：为 DNA 超螺旋状态与解旋状态之间的相互转换，不发生碱基组成或顺序（一级结构）的任何变化，是 DNA 复制、重组或转录时所必需的。拓扑异构酶：引起 DNA 拓扑异构之间转变的酶，可改变 DNA 拓扑异构体的 L 值，有两类： Ⅰ类：使双链超螺旋 DNA 转变成松弛型环状 DNA，每一次催化作用可消除一个负超螺旋，L 值增加 1。 Ⅱ类：使松弛型环状 DNA 转变成负超螺旋型 DNA，每次催化作用使 L 减少 2，又称促旋酶。两类酶含量严格控制，使细胞内 DNA 保持一定超螺旋水平。（2） DNA 与蛋白质复合物的结构（四级结构）病毒、细菌拟核和真核生物的染色体都存在 DNA 的组装和一定程度的压缩。核小体是真生物染色质的基本结构单位，由核小体链形成纤维，进而折叠螺旋化，组装成不同层次结构的染色质和染色体。病毒：通常只有几个至几十个基因，主要由核酸和蛋白质组成，有时还含有脂质和糖类。病毒的侵染性由核酸决定。核酸位于内部，蛋白质包裹着核酸为衣壳，有的还有脂蛋白被膜。由宿主不同，病毒分为噬菌体（宿主细菌与放线菌），植物病毒和动物病毒。动物病毒含 DNA 或含 RNA，有的还有被膜，如流感病毒（冠状病毒），表面有