第五章 核 酸
（ Chemistry of nucleic acid）
1868年, 瑞士科学家 F,Miescher 从
外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷
的有机物质, 称为, 核素, (nuclein)。 他
的论文发表在 Med.Chem.Unters
1872年, 他从莱茵河鲑鱼中得到类似
物,同时还分离到一种碱性化合物, 称为鱼
精蛋白 （ protamine）
5.1 概 述
1889年, Altman等人又从酵母和动物
的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸, 并
首次使用, 核酸, （ Nucleic Acid） 命名 。
1944年, Avery等人通过细菌转化实
验证明 核酸就是遗传物质 。
5.1 概 述
5.1 概 述
Nucleic Acid (NA)
Polynucleotide chain (poly Nt)
Nucleotide (Nt) basic unit
Mono-phosphate (Mp) Nucleoside (Ns)
Deoxy-ribose ( Ribose ) Base
Purin (pu) Pyrimidine (py)
Adenine (A) Thymine (T)
Guanine (G) Uracil (U)
Cytosine (C)
DNA分子的片段
5.1 概 述?5.1.1 核酸的种类、分布与功能
种 类 分 布 功 能
DNA
原核生物：核质区
真核生物,95%在细胞核、
5%在线粒体和叶绿体
遗传信息的载体
RNA
tRNA 原核生物：细胞质
真核生物,75%在细胞质
15%在线粒体和叶绿体
10%在细胞核
携带、转移 aa
mRNA 肽链合成的模板
rRNA 核糖体主要成分
5.1 概 述5.1.1 核酸的种类、分布与功能
l DNA 与 RNA的区别
RNA
2' 单磷酸核苷酸 3 ' 单磷酸核苷酸
2',3 ' 环式单核苷酸
RNase pH 11.5
l Ribose l Base
l D.S,& S.S,l Numbers & length
l Stability
核酸的基本结构单元
核苷酸
核酸是由许多核苷酸组成的长链
Nucleotide
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
核苷
酸 磷
酸
核
苷
戊
糖
碱
基
核
糖
脱氧核糖
嘌
呤
嘧
啶
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
1,戊 糖
它
们
均
以
呋
喃
糖
态
存
在
RNA 中
DNA 中
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
2、碱 基
DNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶,胸腺嘧
啶
RNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶,尿嘧啶
3、磷 酸
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
碱 基
5-甲基 -2,4-
二氧嘧啶Thy
胸腺嘧
啶
2,4-二氧嘧
啶Ura尿嘧啶
2-氨基 -6-
氧嘌呤Gue鸟嘌呤
2-氧 -4-氨
基嘧啶Cyt胞嘧啶
嘧啶
6-氨基嘌
呤Ade腺嘌呤嘌呤
12
4N
N
3 5
6
1
3
5 7N
N
N
N
CH2 4
6
89
H
N
N
N
N
CH
NH2
H
N
N
N
N
CH
O
HH2N
N
N
NH2
O H
N
NO
O
N
NO
O
CH
3
核 苷
戊糖第 1位碳原子上的羟基与 嘌呤的第 9位氮原子
或与 嘧啶的第 1位氮原子 形成的 N-C糖苷键 。
腺苷 脱氧鸟苷
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
核 苷 酸
RNA
中
的
核
苷
酸
腺苷酸 AMP
鸟苷酸 GMP
胞苷酸 CMP
尿苷酸 UMP
DNA
中
的
核
苷
酸
脱氧腺苷酸 d AMP
脱氧鸟苷酸 d GMP
脱氧胞苷酸 d CMP
脱氧胸苷酸 d TMP
生
物
体
内
存
在
的
核
苷
酸
，
多
是
5
核
苷
酸
。
'
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
Nucleotide (Nt) basic unit
Adenine (A) Guanine (G)Thymine (T)
NH3O O NH3O NH
3
Uracil (U) Cytosine (C)
p
OH
O OH
O OH
p
O
p
p
OH
OH
RNA
RNase
pH11.5 O
2’,3’ 环式单核苷酸
O
p
3 ' 单磷酸核苷酸
p
O OH
2 ' 单磷酸核苷酸
p
OOH
5.2 DNA的分子结构
DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方
式和排列顺序。
四种脱氧核苷酸通过 3’,5’ -磷酸二酯键
连接起来的多核苷酸链的排列顺序。
1,定义
5.2 DNA的分子结构5.2.1 DNA的一级结构
DNA单链的延伸 5’ 3’ 端
?
?
?
?
??
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
? 无分枝 的长链
2,多聚脱氧核苷酸链的结构特点
? 由糖 -磷酸相互间隔连接, 构成 主链 ；碱基连接
在主链的核糖上, 形成 侧链 。
? 具有 方向性 。两个末端分别为 5'端和 3'端。
在天然 DNA中, 5'端常为磷酸, 3'端为游离羟基 。
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
3、一级结构的表示方法
1）线条法
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
5' pGpCpTpTpAOH 3'
5' pGCTTAOH 3'
pGCTTAOH
GCTTA
2）文字式
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
DNA的二级结构是指 DNA的 双螺旋结构 。
双螺旋结构是 DNA的两条链 围着同一中心
轴旋绕而成的一种空间结构。
DNA的双螺旋模型是由 Watson和 Crick两
位科学家于 1953年 提出的。
1,二级结构的概念
5.2 DNA的分子结构5.2.2 DNA的二级结构
1953年 Watsosn & Crick
Right handed B-form DNA
Double helix Model
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
2,双螺旋结构模型提出的依据
A.DNA的 X-射线衍射图,
(1) 衍射斑点呈交叉状分布
(2) 衍射点之间的距离与层次表明有 0.34nm和 3.4nm的
周期性
(3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
M,H,F,Wilkins & Rosalind Frankin
X~ray photograph of DNA
with high quality
1952年
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
B,DNA的碱基组成分析, （ Chargaff定则 ）
(1) 所有 DNA分子中 A=T,G=C
(2) 同一种生物的所有体细胞 DNA的碱基组成相同,
与年龄, 健康状况, 外界环境无关, 可作为该物种
的特征, 用 不对称比率 (A+T)/(G+C) 来衡量 。
(3) 亲缘越近的生物, 其 DNA的碱基组成越近, 即不
对称比率越相近 。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
C,DNA的碱基物化数据
如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴
定等。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
3,双螺旋结构模型的基本特征
(1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成 右手螺旋 。
DNA的
双螺
旋结
构
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫 小沟,另
一条叫 大沟 。
l 碱基顶部基团裸露在 DNA大沟 内
l 蛋白质因子与 DNA 的特异结合依赖于
氨基酸与 DNA 间的氢键的形成
l 蛋白质因子沿 大沟 与 DNA形成专一性
结合的机率与多样性 高于沿小沟 的结合
l 大沟的空间 更有利于与蛋白质的结合
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(3) 由糖 -磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；
碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。
Right
handed
B-form DNA
Double
helix Model
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(4) 双螺旋内部的碱基按
规则配对,A与 T配对,
形成 2个氢键 ； G与 C配
对, 形成 3个氢键, 称
为碱基互补配对, 双螺
旋的两条链也呈互补关
系 。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
A=T
G C
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(5) 双螺旋直径为 2nm,每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转
36°,上升 0.34nm。 所以每 10个 碱基对形成一个螺旋
，螺距 3.4nm。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond)
弱键,可加热解链
氢键堆积,有序排列 (线性,方向 )
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
碱基堆集力 (Base stacking forces),碱基
堆集成非极性的区域, 相互间
产生疏水作用和范德华力
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction)
☆ Van de waals force (1.7A° / 嘌呤环与嘧啶环
作用半径 )
3.4A°
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
离子键
磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键,需酶促解链
消除 DNA单链上磷酸基团间的静电
斥力
l 0.2 mol / L Na+生理盐条件
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
在生理状态及在溶液中, DNA一般为 B型 (含水量 90
％ 以上, NaCl浓度为 2.5 M） 。
当水合的 DNA脱水时, 转变为 A型 (含水量 75％ )。
还有 Z型 的 DNA(左手螺旋,0.7 M MgCl2)。
5.DNA双螺旋构象的多态性
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
DNA的分子构型 ( B,Z,A ) 比较
Z-DNAZ-DNA A-DNAB-DNA
DNA的分子构型 ( B,Z,A ) 比较
Form B Z A
Helix Direction Right Left Right
bp/circle 10 12 10.7
Distance/bp ~0.34nm ~0.38nm ~0.25nm
Distance/helix 3.4nm 4.46nm 2.8nm
Diameter/helix 2.0 nm 1.8nm 1.9nm
Sequence Any Poly G-C Any
Poly C-A
Poly T-G
Poly T-A
0.2 M Nacl Z-DNA 趋于稳定
rabbit
Antibody of Z-DNA
B-DNA Z-DNA Z-DNA
4M Nacl Br+
Z-DNA 的检测
羊抗兔二级抗体
goat
Antibody of Z-DNA
偶联荧光标记
免疫反应
果蝇唾液腺染色体
细胞学制片
Z-DNA in Drosophila chromosome
proved by anti-Z antibody
Immunoligi
caslid
Cytological
slid
可能的功能
基因表达调控
Z-DNA (小沟,信息少 ) 基因关闭
B-DNA (大沟,信息多 ) 基因表达
● 二级结构的形态
Linear DNA,L
Open Circle DNA OC
Supercoiled circle
Covalent Closed Circle CCC
D.S,L 1.00
D.S,OC 1.14
S.S,L 1.30
D.S,CCC 1.41
Collapsed 3.00
Svedberg Unit (S)
polymer
OC
L
CCC
核酸分子的二级结构 (分别出现在 DNA复制,转录，重组等阶段 )
核酸分子的二级结构 分别出现在 DNA复制,转录，重组等阶段
(knot)
6,三股螺旋 DNA (Trible Helix DNA,T.S DNA)
※ T.S DNA 的发现与证实
l 1953 年以前 Pauling (Chemist)
提出 T.S DNA 存在的可能性
l 1953 年 Watson & Crick D.S DNA model
证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体
潜在的专一与 DNA (蛋白质 ) 结合的能力
形成 T.S DNA 可能性
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
l 1957年 Davis,Felsenfeld,Rich 发现
poly(U) + poly(U) + poly(A) T.S RNA
T.S DNA的概念
l 1966年 Miller & Sobell
实现 RNA + D.S DNA
Trible polyNt
as Repressor 关闭基因
但由于 D.S
DNA的提出
而被忽视
但因证明 LacI
产物为
Repressor 而被
忽视
● 1975年 Perlgut
人工 合成 T.S DNA并证明其 Tm 值,沉降系数 (S)
l 1987 年 Mirkin, S, M Nature 330 (495)
证明 plasmid DNA 在 pH= 4.3的溶液中,
有 T.S DNA的存在
● 1987年 Dervan, Moser Science 238 (645)
合成 S.S DNA + D.S DNA → T.S DNA
? 实现 DNA的定点切割
? 研究 X-ray photograph
? 核磁共振 → 结构功能
继 Davis（ 1957） 后 30年
第一次证明 T.S DNA 在生物体内的存在
PolyT/A TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
PolyT/A TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
● D.S,DNA + D.S.DNA
T.S,DNA + S.S,DNA
6.三链 DNA (T.S,DNA)
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
● Homologous palindromic sequence in a D,S,DNA
-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT------
-------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----
Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA
--------TTCCCTCTTTCCC--------
--------AAGGGAGAAAGGG--------
-------TTCCCTCTTTCCC---------
--------AAGGGAGAAAGGG-------
Nodule DNA
Hinged DNA
free DNA
l S,S,DNA + D,S,DNA T,S,DNA
☆ PU + PU/PY (偏碱性介质中稳定 )
☆ PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定 ) 常见类型
l第三条链位于 B-DNA的
Major groove中
l与 D,S,DNA一起旋转
T,S,DNA可能的功能
a) T,S,DNA可阻止调节蛋白与 DNA结合,关闭基因转录过程
b) T,S,DNA 与基因重组,交换有关
c) 加入第三条 S,S,DNA 作为分子剪刀 (molecular scissors),
定点切割 DNA分子
d) 加入反义的第三条链 (anti-sence polydNt) 终止基因的表达
e) 相反的观点 ----T,S,DNA 与基因表达呈正相关 !?
四股螺旋 DNA ( tetraplex DNA,Tetrable Helix DNA )
发现 1958,Poly(I) X-ray photograph
碱基形成环状氢键连接结构
Tetrable Helix DNA
均有形成
四股螺旋 DNA
的可能
5’ ---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’
3’---AATCCCAATCCC-5’
? Poly (G),4 (dG)
? 染色体端粒高度重复的 DNA序列 (TG)
? 着丝点附近的高度重复序列
结 构 特 点
Linked by
Hoogsteen
Bonding
G
G
G
G
2 × d(T4G4) 2 × d(G4C4)
结 构 特 点
可能的功能
A 稳定真核生物染色体结构
B 保证 DNA末端准确复制
C 与 DNA分子的组装有关
D 与染色体的 meiosis (减数分裂 )& mitosis (有丝分裂 )有关
Hoogsteen Bonding
5?-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT
3? -----AATCCCAATCCC GGG
T
A
超螺旋,双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结
构, 包括 DNA扭曲, 超螺旋, 多重螺旋 和 连环 等 。
1,DNA超螺旋的概述
DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态, 双螺
旋中没有张力而处于松弛状态 。 如果这种正常双螺
旋额外增加或减少螺旋圈数, 就会使双螺旋内的原
子偏离正常的位置而产生张力, 这样正常的双螺旋
就发生扭曲而形成超螺旋 。 超螺旋总是向着抵消初
级螺旋改变的方向发展 。
5.2 DNA的分子结构5.2.3 DNA的三级结构
2,DNA超螺旋的特点
1）线状 DNA分子
双螺旋与蛋白质
结合后扭曲盘绕
而形成螺旋的螺
旋结构。
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
positive supercoiled
2）环状 DNA分子
双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
所有生物的 DNA几乎 有 5%为 Negative Superhelix
Negative Supercoiled
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
负超螺旋,当螺旋旋转 360?时，其相应碱基
对数小 于 10，二级结构处于 松缠 状
态。
正超螺旋,当螺旋旋转 360?时, 其相应碱基
对数大 于 10，二级结构处于 紧缠 状
态。
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
In vitro
EB inserted
Neg,→ Pos.
Superhelix change
L (linking Number)不变
T (Twisting Number)减少
L= T+W
W = L - T = 正值
DNA向紧缩方向发展
base
base
3.4埃 EB 7.0埃
base
base
base base
局部 DNA
的紧缩
0 0.05 0.1 EB/bp
16s
21s
Neg,Pos.
0 0.05 0.1
lB-DNA是力学上稳定
的结构（ 10 bp/ helix）
l 虽交叉数减少，但需转
换为一种应力，以维持
10bp/helix的螺旋数，
l 应力的重新分配
或在 B-DNA状态中保留一
单链区或螺旋力将维持 B-
DNA的右旋结构,形成超螺
旋
420bp
L=42
T=42
W=0
无
应
力
状
态
应
力
的
分
配
松开 6圈螺旋
△ L = － 6
L = 36
T = 36
W = 0
L = 36
T = 42
W = -6
360o/helix 360o-26o/helix / 0ne of EB inserted
Neg,Superhelix
OC,L,DNA
Pos,Superhelix
EB对超螺旋结构的影响
l 拓扑异构酶
(topoisomerase I,II)
参与构型的改变
Top I (swivelase or ? enzyme
or niking-closing enzyme)
From Molecular Cell Biology
L=n L= n-1
Top-1
Top-1
The top-1 attach to one strand
of DNA and nick it,the complex
then rotates,and the strand is
resealed,For each complete
rotation,the Linking Number is
decreased by 1 and one
supercoil is removed
l 拓扑异构酶 (topoisomerase I,II) 参与构型的改变
Top I (swivelase,niking-closing enzyme)
Breakage & rejoining of S.S,DNA
at phosphor-diester bonds
减少 L（ 在酶的作用下, DNA单链断裂 ）
松弛 双螺旋
消除负超螺旋
CCC → OC
No ATP,NAD
Top II (gyrase)
ATP needed
Cutting & ligation
of D,S,DNA使松弛的双螺旋
紧缩
形成双螺旋
A
A
BBtetramer
Cut
D.S,DNA
ATP
Ligate
Top I
对负超螺旋处的
单链 DNA具有极
强的亲合力
Top II
Top I 与 Top II
功
能
比
较
拓
扑
酶
功
能
比
较
性质 I 型 II型
原核 真核 原核 真核
亚基分子量 kD 100 95 97.9 150
亚基数 单体 单体 A2 B2 均二聚体
切口连接数 1 1 2 2
ATP - - + +
Mg2+ + - + +
产生负超螺旋 - - + +
松弛负超螺旋 + + - +
松弛正超螺旋 - + + +
连环打结 + + + +
3,DNA超螺旋的生物学意义
? DNA被压缩和包装，使其体积大大减小
? 增加了 DNA的稳定性
? 可能与复制和转录的调控有关
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
（ Chemistry of nucleic acid）
1868年, 瑞士科学家 F,Miescher 从
外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷
的有机物质, 称为, 核素, (nuclein)。 他
的论文发表在 Med.Chem.Unters
1872年, 他从莱茵河鲑鱼中得到类似
物,同时还分离到一种碱性化合物, 称为鱼
精蛋白 （ protamine）
5.1 概 述
1889年, Altman等人又从酵母和动物
的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸, 并
首次使用, 核酸, （ Nucleic Acid） 命名 。
1944年, Avery等人通过细菌转化实
验证明 核酸就是遗传物质 。
5.1 概 述
5.1 概 述
Nucleic Acid (NA)
Polynucleotide chain (poly Nt)
Nucleotide (Nt) basic unit
Mono-phosphate (Mp) Nucleoside (Ns)
Deoxy-ribose ( Ribose ) Base
Purin (pu) Pyrimidine (py)
Adenine (A) Thymine (T)
Guanine (G) Uracil (U)
Cytosine (C)
DNA分子的片段
5.1 概 述?5.1.1 核酸的种类、分布与功能
种 类 分 布 功 能
DNA
原核生物：核质区
真核生物,95%在细胞核、
5%在线粒体和叶绿体
遗传信息的载体
RNA
tRNA 原核生物：细胞质
真核生物,75%在细胞质
15%在线粒体和叶绿体
10%在细胞核
携带、转移 aa
mRNA 肽链合成的模板
rRNA 核糖体主要成分
5.1 概 述5.1.1 核酸的种类、分布与功能
l DNA 与 RNA的区别
RNA
2' 单磷酸核苷酸 3 ' 单磷酸核苷酸
2',3 ' 环式单核苷酸
RNase pH 11.5
l Ribose l Base
l D.S,& S.S,l Numbers & length
l Stability
核酸的基本结构单元
核苷酸
核酸是由许多核苷酸组成的长链
Nucleotide
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
核苷
酸 磷
酸
核
苷
戊
糖
碱
基
核
糖
脱氧核糖
嘌
呤
嘧
啶
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
1,戊 糖
它
们
均
以
呋
喃
糖
态
存
在
RNA 中
DNA 中
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
2、碱 基
DNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶,胸腺嘧
啶
RNA中的 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶,尿嘧啶
3、磷 酸
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
碱 基
5-甲基 -2,4-
二氧嘧啶Thy
胸腺嘧
啶
2,4-二氧嘧
啶Ura尿嘧啶
2-氨基 -6-
氧嘌呤Gue鸟嘌呤
2-氧 -4-氨
基嘧啶Cyt胞嘧啶
嘧啶
6-氨基嘌
呤Ade腺嘌呤嘌呤
12
4N
N
3 5
6
1
3
5 7N
N
N
N
CH2 4
6
89
H
N
N
N
N
CH
NH2
H
N
N
N
N
CH
O
HH2N
N
N
NH2
O H
N
NO
O
N
NO
O
CH
3
核 苷
戊糖第 1位碳原子上的羟基与 嘌呤的第 9位氮原子
或与 嘧啶的第 1位氮原子 形成的 N-C糖苷键 。
腺苷 脱氧鸟苷
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
核 苷 酸
RNA
中
的
核
苷
酸
腺苷酸 AMP
鸟苷酸 GMP
胞苷酸 CMP
尿苷酸 UMP
DNA
中
的
核
苷
酸
脱氧腺苷酸 d AMP
脱氧鸟苷酸 d GMP
脱氧胞苷酸 d CMP
脱氧胸苷酸 d TMP
生
物
体
内
存
在
的
核
苷
酸
，
多
是
5
核
苷
酸
。
'
5.1 概 述5.1.2 核酸的化学组成
Nucleotide (Nt) basic unit
Adenine (A) Guanine (G)Thymine (T)
NH3O O NH3O NH
3
Uracil (U) Cytosine (C)
p
OH
O OH
O OH
p
O
p
p
OH
OH
RNA
RNase
pH11.5 O
2’,3’ 环式单核苷酸
O
p
3 ' 单磷酸核苷酸
p
O OH
2 ' 单磷酸核苷酸
p
OOH
5.2 DNA的分子结构
DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方
式和排列顺序。
四种脱氧核苷酸通过 3’,5’ -磷酸二酯键
连接起来的多核苷酸链的排列顺序。
1,定义
5.2 DNA的分子结构5.2.1 DNA的一级结构
DNA单链的延伸 5’ 3’ 端
?
?
?
?
??
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
? 无分枝 的长链
2,多聚脱氧核苷酸链的结构特点
? 由糖 -磷酸相互间隔连接, 构成 主链 ；碱基连接
在主链的核糖上, 形成 侧链 。
? 具有 方向性 。两个末端分别为 5'端和 3'端。
在天然 DNA中, 5'端常为磷酸, 3'端为游离羟基 。
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
3、一级结构的表示方法
1）线条法
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
5' pGpCpTpTpAOH 3'
5' pGCTTAOH 3'
pGCTTAOH
GCTTA
2）文字式
5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构
DNA的二级结构是指 DNA的 双螺旋结构 。
双螺旋结构是 DNA的两条链 围着同一中心
轴旋绕而成的一种空间结构。
DNA的双螺旋模型是由 Watson和 Crick两
位科学家于 1953年 提出的。
1,二级结构的概念
5.2 DNA的分子结构5.2.2 DNA的二级结构
1953年 Watsosn & Crick
Right handed B-form DNA
Double helix Model
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
2,双螺旋结构模型提出的依据
A.DNA的 X-射线衍射图,
(1) 衍射斑点呈交叉状分布
(2) 衍射点之间的距离与层次表明有 0.34nm和 3.4nm的
周期性
(3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
M,H,F,Wilkins & Rosalind Frankin
X~ray photograph of DNA
with high quality
1952年
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
B,DNA的碱基组成分析, （ Chargaff定则 ）
(1) 所有 DNA分子中 A=T,G=C
(2) 同一种生物的所有体细胞 DNA的碱基组成相同,
与年龄, 健康状况, 外界环境无关, 可作为该物种
的特征, 用 不对称比率 (A+T)/(G+C) 来衡量 。
(3) 亲缘越近的生物, 其 DNA的碱基组成越近, 即不
对称比率越相近 。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
C,DNA的碱基物化数据
如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴
定等。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
3,双螺旋结构模型的基本特征
(1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成 右手螺旋 。
DNA的
双螺
旋结
构
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫 小沟,另
一条叫 大沟 。
l 碱基顶部基团裸露在 DNA大沟 内
l 蛋白质因子与 DNA 的特异结合依赖于
氨基酸与 DNA 间的氢键的形成
l 蛋白质因子沿 大沟 与 DNA形成专一性
结合的机率与多样性 高于沿小沟 的结合
l 大沟的空间 更有利于与蛋白质的结合
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(3) 由糖 -磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；
碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。
Right
handed
B-form DNA
Double
helix Model
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(4) 双螺旋内部的碱基按
规则配对,A与 T配对,
形成 2个氢键 ； G与 C配
对, 形成 3个氢键, 称
为碱基互补配对, 双螺
旋的两条链也呈互补关
系 。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
A=T
G C
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
(5) 双螺旋直径为 2nm,每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转
36°,上升 0.34nm。 所以每 10个 碱基对形成一个螺旋
，螺距 3.4nm。
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond)
弱键,可加热解链
氢键堆积,有序排列 (线性,方向 )
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
碱基堆集力 (Base stacking forces),碱基
堆集成非极性的区域, 相互间
产生疏水作用和范德华力
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction)
☆ Van de waals force (1.7A° / 嘌呤环与嘧啶环
作用半径 )
3.4A°
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
离子键
磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键,需酶促解链
消除 DNA单链上磷酸基团间的静电
斥力
l 0.2 mol / L Na+生理盐条件
4,影响双螺旋结构稳定性的因素
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
在生理状态及在溶液中, DNA一般为 B型 (含水量 90
％ 以上, NaCl浓度为 2.5 M） 。
当水合的 DNA脱水时, 转变为 A型 (含水量 75％ )。
还有 Z型 的 DNA(左手螺旋,0.7 M MgCl2)。
5.DNA双螺旋构象的多态性
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
DNA的分子构型 ( B,Z,A ) 比较
Z-DNAZ-DNA A-DNAB-DNA
DNA的分子构型 ( B,Z,A ) 比较
Form B Z A
Helix Direction Right Left Right
bp/circle 10 12 10.7
Distance/bp ~0.34nm ~0.38nm ~0.25nm
Distance/helix 3.4nm 4.46nm 2.8nm
Diameter/helix 2.0 nm 1.8nm 1.9nm
Sequence Any Poly G-C Any
Poly C-A
Poly T-G
Poly T-A
0.2 M Nacl Z-DNA 趋于稳定
rabbit
Antibody of Z-DNA
B-DNA Z-DNA Z-DNA
4M Nacl Br+
Z-DNA 的检测
羊抗兔二级抗体
goat
Antibody of Z-DNA
偶联荧光标记
免疫反应
果蝇唾液腺染色体
细胞学制片
Z-DNA in Drosophila chromosome
proved by anti-Z antibody
Immunoligi
caslid
Cytological
slid
可能的功能
基因表达调控
Z-DNA (小沟,信息少 ) 基因关闭
B-DNA (大沟,信息多 ) 基因表达
● 二级结构的形态
Linear DNA,L
Open Circle DNA OC
Supercoiled circle
Covalent Closed Circle CCC
D.S,L 1.00
D.S,OC 1.14
S.S,L 1.30
D.S,CCC 1.41
Collapsed 3.00
Svedberg Unit (S)
polymer
OC
L
CCC
核酸分子的二级结构 (分别出现在 DNA复制,转录，重组等阶段 )
核酸分子的二级结构 分别出现在 DNA复制,转录，重组等阶段
(knot)
6,三股螺旋 DNA (Trible Helix DNA,T.S DNA)
※ T.S DNA 的发现与证实
l 1953 年以前 Pauling (Chemist)
提出 T.S DNA 存在的可能性
l 1953 年 Watson & Crick D.S DNA model
证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体
潜在的专一与 DNA (蛋白质 ) 结合的能力
形成 T.S DNA 可能性
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
l 1957年 Davis,Felsenfeld,Rich 发现
poly(U) + poly(U) + poly(A) T.S RNA
T.S DNA的概念
l 1966年 Miller & Sobell
实现 RNA + D.S DNA
Trible polyNt
as Repressor 关闭基因
但由于 D.S
DNA的提出
而被忽视
但因证明 LacI
产物为
Repressor 而被
忽视
● 1975年 Perlgut
人工 合成 T.S DNA并证明其 Tm 值,沉降系数 (S)
l 1987 年 Mirkin, S, M Nature 330 (495)
证明 plasmid DNA 在 pH= 4.3的溶液中,
有 T.S DNA的存在
● 1987年 Dervan, Moser Science 238 (645)
合成 S.S DNA + D.S DNA → T.S DNA
? 实现 DNA的定点切割
? 研究 X-ray photograph
? 核磁共振 → 结构功能
继 Davis（ 1957） 后 30年
第一次证明 T.S DNA 在生物体内的存在
PolyT/A TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
PolyT/A TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT
AAAAAAAAAA
● D.S,DNA + D.S.DNA
T.S,DNA + S.S,DNA
6.三链 DNA (T.S,DNA)
5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构
● Homologous palindromic sequence in a D,S,DNA
-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT------
-------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----
Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA
--------TTCCCTCTTTCCC--------
--------AAGGGAGAAAGGG--------
-------TTCCCTCTTTCCC---------
--------AAGGGAGAAAGGG-------
Nodule DNA
Hinged DNA
free DNA
l S,S,DNA + D,S,DNA T,S,DNA
☆ PU + PU/PY (偏碱性介质中稳定 )
☆ PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定 ) 常见类型
l第三条链位于 B-DNA的
Major groove中
l与 D,S,DNA一起旋转
T,S,DNA可能的功能
a) T,S,DNA可阻止调节蛋白与 DNA结合,关闭基因转录过程
b) T,S,DNA 与基因重组,交换有关
c) 加入第三条 S,S,DNA 作为分子剪刀 (molecular scissors),
定点切割 DNA分子
d) 加入反义的第三条链 (anti-sence polydNt) 终止基因的表达
e) 相反的观点 ----T,S,DNA 与基因表达呈正相关 !?
四股螺旋 DNA ( tetraplex DNA,Tetrable Helix DNA )
发现 1958,Poly(I) X-ray photograph
碱基形成环状氢键连接结构
Tetrable Helix DNA
均有形成
四股螺旋 DNA
的可能
5’ ---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’
3’---AATCCCAATCCC-5’
? Poly (G),4 (dG)
? 染色体端粒高度重复的 DNA序列 (TG)
? 着丝点附近的高度重复序列
结 构 特 点
Linked by
Hoogsteen
Bonding
G
G
G
G
2 × d(T4G4) 2 × d(G4C4)
结 构 特 点
可能的功能
A 稳定真核生物染色体结构
B 保证 DNA末端准确复制
C 与 DNA分子的组装有关
D 与染色体的 meiosis (减数分裂 )& mitosis (有丝分裂 )有关
Hoogsteen Bonding
5?-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT
3? -----AATCCCAATCCC GGG
T
A
超螺旋,双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结
构, 包括 DNA扭曲, 超螺旋, 多重螺旋 和 连环 等 。
1,DNA超螺旋的概述
DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态, 双螺
旋中没有张力而处于松弛状态 。 如果这种正常双螺
旋额外增加或减少螺旋圈数, 就会使双螺旋内的原
子偏离正常的位置而产生张力, 这样正常的双螺旋
就发生扭曲而形成超螺旋 。 超螺旋总是向着抵消初
级螺旋改变的方向发展 。
5.2 DNA的分子结构5.2.3 DNA的三级结构
2,DNA超螺旋的特点
1）线状 DNA分子
双螺旋与蛋白质
结合后扭曲盘绕
而形成螺旋的螺
旋结构。
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
positive supercoiled
2）环状 DNA分子
双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
所有生物的 DNA几乎 有 5%为 Negative Superhelix
Negative Supercoiled
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
负超螺旋,当螺旋旋转 360?时，其相应碱基
对数小 于 10，二级结构处于 松缠 状
态。
正超螺旋,当螺旋旋转 360?时, 其相应碱基
对数大 于 10，二级结构处于 紧缠 状
态。
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
In vitro
EB inserted
Neg,→ Pos.
Superhelix change
L (linking Number)不变
T (Twisting Number)减少
L= T+W
W = L - T = 正值
DNA向紧缩方向发展
base
base
3.4埃 EB 7.0埃
base
base
base base
局部 DNA
的紧缩
0 0.05 0.1 EB/bp
16s
21s
Neg,Pos.
0 0.05 0.1
lB-DNA是力学上稳定
的结构（ 10 bp/ helix）
l 虽交叉数减少，但需转
换为一种应力，以维持
10bp/helix的螺旋数，
l 应力的重新分配
或在 B-DNA状态中保留一
单链区或螺旋力将维持 B-
DNA的右旋结构,形成超螺
旋
420bp
L=42
T=42
W=0
无
应
力
状
态
应
力
的
分
配
松开 6圈螺旋
△ L = － 6
L = 36
T = 36
W = 0
L = 36
T = 42
W = -6
360o/helix 360o-26o/helix / 0ne of EB inserted
Neg,Superhelix
OC,L,DNA
Pos,Superhelix
EB对超螺旋结构的影响
l 拓扑异构酶
(topoisomerase I,II)
参与构型的改变
Top I (swivelase or ? enzyme
or niking-closing enzyme)
From Molecular Cell Biology
L=n L= n-1
Top-1
Top-1
The top-1 attach to one strand
of DNA and nick it,the complex
then rotates,and the strand is
resealed,For each complete
rotation,the Linking Number is
decreased by 1 and one
supercoil is removed
l 拓扑异构酶 (topoisomerase I,II) 参与构型的改变
Top I (swivelase,niking-closing enzyme)
Breakage & rejoining of S.S,DNA
at phosphor-diester bonds
减少 L（ 在酶的作用下, DNA单链断裂 ）
松弛 双螺旋
消除负超螺旋
CCC → OC
No ATP,NAD
Top II (gyrase)
ATP needed
Cutting & ligation
of D,S,DNA使松弛的双螺旋
紧缩
形成双螺旋
A
A
BBtetramer
Cut
D.S,DNA
ATP
Ligate
Top I
对负超螺旋处的
单链 DNA具有极
强的亲合力
Top II
Top I 与 Top II
功
能
比
较
拓
扑
酶
功
能
比
较
性质 I 型 II型
原核 真核 原核 真核
亚基分子量 kD 100 95 97.9 150
亚基数 单体 单体 A2 B2 均二聚体
切口连接数 1 1 2 2
ATP - - + +
Mg2+ + - + +
产生负超螺旋 - - + +
松弛负超螺旋 + + - +
松弛正超螺旋 - + + +
连环打结 + + + +
3,DNA超螺旋的生物学意义
? DNA被压缩和包装，使其体积大大减小
? 增加了 DNA的稳定性
? 可能与复制和转录的调控有关
5.2.3 DNA的三级结构 5.2 DNA的分子结构
