Chapter13 核酸的结构
N
N
N
H
N
N H
2
Chapter13 核酸的结构
一、核酸的组成
核 酸 核苷酸
磷 酸
核 苷
戊 糖
碱 基
(一)核酸的元素组成
平均含磷量,DNA9.9% ; RNA9.4%
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
Chapter13 核酸的结构
一、核酸的组成
? 核酸( DNA和 RNA)是一种线性多聚核苷酸,它的基本
结构单元是 核苷酸 。
? 核苷酸本身由核苷和磷酸组成,
? 而核苷则由戊糖和碱基形成
? DNA与 RNA结构相似,但在组成成份上略有不同。
( 1)组成核酸的碱基
? 腺嘌呤 Adenine
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
? 鸟嘌呤 guanine
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 1)组成核酸的碱基
? 胞嘧啶 cytosine
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 1)组成核酸的碱基
N
N
H
N H
2
O
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 1)组成核酸的碱基
? 尿嘧啶 uracil
N H
N
H
O
O
? 胸腺嘧啶 thymine
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 1)组成核酸的碱基
N H
N
H
O
O
? 碱基都具有芳香环的结构特征 。 嘌呤环和嘧
啶环均呈平面或接近于平面的结构 。
? 碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式 — 烯
醇式或胺式 — 亚胺式互变异构 。
? 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系,
在紫外区有吸收 ( 260 nm左右 )
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
组成核酸的碱基的结构特征
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 2) 戊糖 (pentose)
? 组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为 β -D-
2-脱氧核糖; RNA所含的糖则为 β -D-核糖。 O
H
H
O H
H
O H
O H
H
H O C H 2 H O C H
2
O
H
H
O H
H
H
O H
H
D- 核糖 D - 2 - 脱 氧 核 糖
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 3) 核苷 nucleoside
? 糖与碱基之间的 C-N键,称为 C-N糖苷键 。
胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷
N
N
O H
H O
N
N
N H 2
H O
N
N
O H
H 2 N
N
N
N
N
N
N
N H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H 2 H O C H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
H O C H 2
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 4) 核苷酸 nucleotide
? 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为 DNA或 RNA结构单元的核
苷酸分别是 5′ -磷酸 -脱氧核糖核苷和 5′ -磷酸 -核糖
核苷。
O
B
O H O H
O H 2 CP
O H
H O
O
B= 腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,尿嘧啶或 胸腺密啶
核 糖 核 苷 酸
O H 2 CP
O H
H O
O
O
B
O H
脱 氧 核 糖 核 苷 酸
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 5) 修饰成分
? 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱
基的种类很多,大部分是上述碱基的甲基化产
物。
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 6) 核苷酸的衍生物
1,ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸 )
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
三磷酸腺苷 ( A T P )
ATP 分子的最显著特点
是含有两个高能磷酸键。
ATP水解时,可以释放
出大量自由能。
ATP 是生物体内最重要
的能量转换中间体。
ATP 水解释放出来的能
量用于推动生物体内各
种需能的生化反应。
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 6) 核苷酸的衍生物
2,GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸 )
? GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷
酸衍生物 。 它具有 ATP 类似的结构,也是一种
高能化合物 。
? GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体 。 在
许多情况下,ATP 和 GTP 可以相互转换 。
一、核酸的组成
(二)核酸的基本结构单位 —— 核苷酸
( 6) 核苷酸的衍生物
3,cAMP 和 cGMP
? cAMP(3’,5’- 环腺 嘌呤 核苷 一磷 酸 ) 和
cGMP( 3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸 )的主要
功能是作为细胞之间传递信息的信使 。
? cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能
键 。 在 pH 7.4 条件下,cAMP 和 cGMP
的水解能约为 43.9 kj /mol,比 ATP 水
解能高得多 。
一、核酸的组成
(三)多聚核苷酸
? 多聚核苷酸是通过核苷酸的 5’-磷酸基与
另一分子核苷酸的 C3’-OH形成磷酸二酯键
相连而成的链状聚合物 。
? 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为 DNA链;
? 由核糖核苷酸聚合而成的则称为 RNA链 。
多聚核苷酸的特点
一、核酸的组成
(三)多聚核苷酸
? 在多聚核苷酸中, 两个核苷酸之间形成
的磷酸二酯键通常称为 3′ → 5′ 磷酸二
酯键 。
? 多聚核苷酸链一端的 C5′ 带有一个自由
磷酸基, 称为 5′ -磷酸端 ( 常用 5’-P表
示 ) ;另一端 C3’带有自由的羟基, 称为
3′ -羟基端 ( 常用 3’-OH表示 ) 。
? 多聚核苷酸链具有方向性, 当表示一个
多聚核苷酸链时, 必须注明它的方向是
5′ → 3′ 或是 3′ → 5′ 。
? 在多聚核苷酸( DNA或
RNA)链中,由于构成核
苷酸单元的戊糖和磷酸
基是相同的,体现核苷
酸差别的实际上只是它
所带的碱基,所以多聚
核苷酸链结构也可表示
为,
一、核酸的组成
(三)多聚核苷酸
多聚核苷酸的特点
P P
5'
3' 3'
5'
P P
5'
3'
P
5'
3'
A C G T
A DNA的一级结构
B 线条式表示法
C 文字表示法
方向性
? 在讨论有关核酸问题时, 一
般只关心其中碱基的种类和
顺序, 所以上式可以进一步
简化为,
5′ PAPCPGPCPTPGPTPA 3′
?
? 或 5′ ACGCTGTA 3′
二、核酸的结构
? (一)核酸的一级结构
? 多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而
成的线性结构聚合物,因此,它具有一定的核苷酸顺序,即
碱基顺序。
? 核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。
? DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界
物种的多样性即寓于 DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同
排列组合之中。
? 而 mRNA(信息 RNA)的碱基顺序,则直接为蛋白质的氨基酸编
码,并决定蛋白质的氨基酸顺序。
Chapter13 核酸的结构
(二) DNA的二级结构
Chapter13 核酸的结构
二、核酸的结构
? 1953年, J,Watson和 F,
Crick 在前人研究工作的
基础上, 根据 DNA结晶的
X-衍射图谱和分子模型,
提出了著名的 DNA双螺旋
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 。
二、核酸的结构
(二) DNA的二级结构
1,DNA双螺旋结构的特点
? ( 1) DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链
(简称 DNA单链 )组成 。 两条链沿着同一根轴平
行盘绕, 形成右手双螺旋结构 。 螺旋中的两条
链方向相反, 即其中一条链的方向为 5′ → 3′,
而另一条链的方向为 3′ → 5′ 。
二、核酸的结构
(二) DNA的二级结构
1,DNA双螺旋结构的特点
? ( 2) 嘌呤碱和嘧
啶碱基位于螺旋的
内侧, 磷酸和脱氧
核糖基位于螺旋外
侧 。 碱基环平面与
螺旋轴垂直, 糖基
环平面与碱基环平
面成 90° 角 。
二、核酸的结构
(二) DNA的二级结构
1,DNA双螺旋结构的特点
? ( 3)螺旋横截面的直
径约为 2 nm,每条链相
邻两个碱基平面之间的
距离为 3.4 nm,每 10个
核苷酸形成一个螺旋,
其螺矩(即螺旋旋转一
圈)高度为 34 nm。
二、核酸的结构
(二) DNA的二级结构
1,DNA双螺旋结构的特点
? ( 4)两条 DNA链相互结合以及形
成双螺旋的力是链间的碱基对所
形成的氢键。碱基的相互结合具
有严格的配对规律,即腺嘌呤( A)
与胸腺嘧啶( T)结合,鸟嘌呤
( G)与胞嘧啶( C)结合,这种
配对关系,称为碱基互补。 A和 T
之间形成两个氢键,G与 C之间形
成三个氢键。
? 在 DNA分子中, 嘌呤碱基的总数与
嘧啶碱基的总数相等 。
二、核酸的结构
(二) DNA的二级结构
2,DNA双螺旋结构的稳定性
? DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。
? 维持这种稳定性的因素包括:两条 DNA链之间形成的氢
键;
? 由于双螺旋结构内部形成的疏水区,消除了介质中水
分子对碱基之间氢键的影响;介质中的阳离子(如 Na+、
K+和 Mg2+)中和了磷酸基团的负电荷,降低了 DNA链之
间的排斥力、范德华引力等。
? 改变介质条件和环境温度,将影响双螺旋的稳定性。
DNA的存在形式
Chapter13 核酸的结构
二、核酸的结构
(三) RNA的二级结构
? RNA是单链分子, 因此, 在 RNA分子中, 并不遵守碱基种类的数量
比例关系, 即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数 。
? RNA分子中, 部分区域也能形成双螺旋结构, 不能形成双螺旋的
部分, 则形成突环 。 这种结构可以形象地称为, 发夹型, 结构 。
? 在 RNA的双螺旋结构中, 碱基的配对情况不象 DNA中严格 。 G 除了
可以和 C 配对外, 也可以和 U 配对 。 G-U 配对形成的氢键较弱 。
不同类型的 RNA,其二级结构有明显的差异 。
? tRNA中除了常见的碱基外, 还存在一些稀有碱基, 这类碱基大部
分位于突环部分,
二、核酸的结构
(三) RNA的二级结构
? 1,tRNA的二级结构
tRNA的二级结构都呈,
三叶草, 形状,在结构上
具有某些共同之处,一般可
将其分为五臂四环:包括氨
基酸接受区、反密码区、二
氢尿嘧啶区,T?C区和可变
区。除了氨基酸接受区外,
其余每个区均含有一个突环
和一个臂。
(1)氨基酸接受区
包含有 tRNA的 3’ -末端和 5’ -
末端,3’ -末端的最后 3个核
苷酸残基都是 CCA,A为核苷。
氨基酸可与其成酯,该区在蛋
白质合成中起携带氨基酸的作
用。
(2)反密码区
与氨基酸接受区相对的一般含
有 7个核苷酸残基的区域,其中
正中的 3个核苷酸残基称为反密

?1,tRNA的二级结构
3)二氢尿嘧啶区
该区含有二氢尿嘧啶。
(4) T?C区 该区与二氢尿嘧啶
区相对,假尿嘧啶核苷 —
胸腺嘧啶核糖核苷环 (T?C)
由 7个核苷酸组成,通过由 5
对碱基组成的双螺旋区 (T?C
臂 )与 tRNA的其余部分相连。
除个别例外,几乎所有 tBNA
在此环中都含有 T?C 。
(5)可变区
位于反密码区与 T?C区之间,
不同的 tRNA该区变化较大。
?1,tRNA的二级结构
2,tRNA的三级结构
? 在三叶草型二级结构的基础上,突环上
未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配
成对,目前已知的 tRNA的三级结构均为
倒 L型
The end