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第三章 核酸化学

核酸（nucleic acid）：由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子化合物，在生物体内负责生命信息的储存和传递。

核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。

核酸不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异也有密切相关。 第一节 核酸的种类与分布 T2噬菌体

第二节 核酸的化学组成 元素组成：

核酸含有C、H、O、N、P。

通常RNA平均含磷9.4%，而DNA含磷9.9% 。这样可从含磷量推算出核酸的含磷量。 两类核酸的基本化学组成

??RNA DNA ㏒???琰茞??ü ㏒???琰茞??ü 戊糖 碱基 核糖 脱氧核糖 ??组成 A G C A G C U T Pi(磷Pi(磷磷酸 酸二酯酸二键) 酯键) 一、 核糖 二、 碱基

嘧啶碱：尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶 嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤、嘌呤衍生物 修饰碱基：100余种，多数是甲基化的产物 N9是成苷位置

N1是成苷位置

修饰碱基（稀有碱基）：多数为主要碱基的修饰产物或代谢产物，在体内含量甚少的碱基，tRNA中大约有10%的稀有碱基。 碱基的性质 几乎不溶于水；

互变异构：酮式（内酰胺）烯醇式（内酰亚胺）； 氨基式 亚氨基式

（在体内主要以酮式和氨基式为主）

紫外吸收：嘌呤碱基和嘧啶碱基分子中都含有共轭双键，在紫外区有强烈吸收（260 nm左右），该性质是定性或定量测定碱基和核苷酸、核酸的依据。 各种碱基的紫外吸收光谱（pH7.0） 三、核苷（nucleoside）

核苷：含氮碱基与戊糖缩合而成的糖苷。 核苷 ＝ 戊糖 + 碱基（C-N糖苷键）

连接方式：戊糖 C1’-OH→H-N9 嘌呤碱基 戊糖 C1'-OH→H-N1 嘧啶碱基

核苷的构象：DNA和RNA螺旋中的核苷主要为反式构象。 常见的核糖核苷：腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷。

常见的脱氧核苷：脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷、脱氧胸苷。 核苷的性质

核苷的水溶性大于自由碱基； 核苷在碱性条件下稳定；

嘧啶核苷抗酸水解，嘌呤核苷易被酸水解。 三、核苷酸

核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷酸 ＝ 核苷 + 磷酸 核苷中戊糖C2、C3、C5 羟基被磷酸酯化

构成DNA的核苷酸：5’－脱氧核苷酸 构成RNA的核苷酸：5’－核苷酸 核苷单磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸

环化核苷酸：环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP）和环鸟苷酸（cyclic GMP，cGMP），作为细胞之间传递信息的信使。

核苷酸的构象：具有一定的柔性。 核苷酸的功能

作为核酸的单体，承载遗传信息；

细胞中化学能量的主要载体，运输化学能量； 许多酶辅因子的结构成分（如辅酶A，NAD＋等）；

一些核苷酸是调节分子（作为第二信使的cAMP和cGMP等）。 一、DNA的结构

一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。

二级结构：两条DNA多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。

第三节 核酸的结构 （一）DNA的一级结构

由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3’、5’-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体，以磷酸-糖-磷酸-糖?形成核酸骨架。 5′pTpCpAp-OH3′ 5′TCA3′

（二）DNA的二级结构

查格夫规则：1943年 Chargaff（查格夫）证明，DNA中4种碱基的比例并不是相等，总是A=T，G=C，并认为在DNA中是A-T配对、G-C配对的规律。

1953年，Watson和Crick根据Chargaff规律和DNA钠盐纤维的X光衍射分析结果提出了DNA的双螺旋结构模型。 双螺旋结构模型要点

两条脱氧多核苷酸链反向平行且均为右手螺旋； 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起；

两条链上的碱基间互补配对，且正确配对必定为A=T，G≡C； 糖-磷酸主链在螺旋外侧，碱基对平面在内侧且平面与螺旋轴垂直； 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行；

螺旋每圈含10个碱基对，螺距为3.4nm，双螺旋平均直径2nm；

螺旋表面有一条大沟和一条小沟；大沟宽1.2nm ，深0.85nm；小沟宽0.6nm，深0.75nm。 螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持；

稳定双螺旋结构的因素

由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心（碱基堆积力），是稳定DNA最重要的因素；

碱基配对的氢键，GC含量越多，越稳定；

磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和磷酸基上负电荷间的斥力，有助于DNA稳定；

碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。 DNA双螺旋结构模型的理论意义：解释特定生命现象。 DNA的复制； 遗传与变异； 生物的性状控制； 为现代分子生物学 与基因工程奠定了 理论基础。

其他类型的DNA二级结构

A-DNA：右手双螺旋，外形粗短；RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。 Z-DNA：左手螺旋，外形细长；天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。 A-DNA

钠盐纤维，相对湿度75%；

结构特征：右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm，11个碱基对/周，其碱基平面倾斜20°；

A-DNA存在及意义：存在于脱水条件下的DNA双螺旋、生理条件下的RNA双螺旋和DNA-RNA杂合双螺旋中。推测在转录时DNA分子发生B→A的构象转变。

Z-DNA

存在于d(CGCGCGCG)结晶体结构中；

左手螺旋，螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm，12碱基对/周，核酸链骨架呈Z字型走行； 螺旋表面只有小沟；

意义：与基因的调控有关；Z-DNA转换成B-DNA将产生使双螺旋链解开的张力，因而暴露出蛋白质结合位点（复制起始点以及调控转录的启动子和增强子顺序）。

对间 碱基转 bp/类型 直距 圈 垂直对 方径 nm 距离 倾角 向 nm nm 旋 螺A－DNA 右 20o 2.3 2.8 11 0.26 B－右 2.0 3.4 10 0.34 0o DNA 1.8 4.5 12 0.27 左 7o Z－DNA

不同类型DNA双螺旋比较

三股螺旋DNA (triple helix DNA, 又称H-DNA)

由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。 组成三股螺旋的

DNA单链，一般都 由单一的嘌呤碱基 （A和G）或单一的 嘧啶碱基（C和T）

旋螺碱基