5 核酸化学

1. 5 核酸化学

2. 核酸（Nucleic acid） 是一种线性大分子，包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），由相应核苷酸（nucleotide）聚合而成多聚核苷酸（polynucleotide）。核苷酸由碱基（Base）、糖（Sugar）、和磷酸（Phosphate）所组成。

3. 主要内容 5.1 核苷酸是DNA和RNA的构件分子 5.2 DNA分子中贮存着遗传信息 5.3 DNA的碱基组成是有规律的 5.4 DNA二级结构是一个双螺旋结构 5.5 DNA双螺旋可以以几种不同类型的构象存在 5.6 环状双螺旋DNA可形成超螺旋（DNA的三级结构） 5.7 真核细胞核内DNA被包装形成染色质

4. 5.8 细胞中含有几种类型的RNA 5.9 某些RNA具有稳定的二级结构 5.10 在体外双链DNA和RNA可以变性和复性 5.11 不同来源的核酸可以形成杂化体 5.12 核酸酶催化核酸的磷酸二酯键水解 5.13 限制性内切酶在特殊部位催化双螺旋DNA 水解

5. 5.1 核苷酸是DNA和RNA的构件分子 核苷酸由三部分组成：一个弱碱性的含氮化合物（称为碱基），一个五碳糖（戊糖）和一个磷酸基团。 含氮碱基是嘧啶和嘌呤；戊糖为核糖（D-呋喃核糖）或脱氧核糖（2-脱氧-D-呋喃核糖）。这两种糖的嘧啶或嘌呤的N-糖苷称为核苷。核苷酸是核苷的磷酸酯。含有核糖的核苷酸称为核糖核苷酸，而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸。

6. 核苷酸含有两类碱基 在核苷酸中发现的所有碱基或是嘧啶的衍生物，或是嘌呤的衍生物。两种类型的碱基都是不饱和的，即都含有共轭双键。这一特性使得环呈平面，也说明它们具有吸收紫外光的能力（max＝260nm ）。

7. 嘧啶的衍生物 嘌呤的衍生物

8. 核苷每一个杂环碱存在着两种互变异构形式。 腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨的形式存在也可以以亚胺的形式存在； 鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以酮式存在，也可以以醇式存在。 在大多数细胞的内部，氨式和酮式占优势，是最稳定的。

9. 一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值，它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物。例如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症。5-氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸，是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂，胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶。

10. 核苷是核糖或脱氧核糖的N-苷 在每一种核苷中，糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的-N-糖苷键与碱基连接的。核糖中的碳原子的编号都带有“ ˊ”以区别于碱基中的原子编号。 核糖核苷 脱氧核糖核苷

11. ☆变旋现象的产生：单糖的醛基或酮基(象醛或酮一样)可与（自身的）醇（羟基）反应形成分子内的半缩醛或半缩酮结构(图)，于是原来的醛基（或酮基）碳原子变成了一个新的不对称碳原子。其上的羟基可以左右调换位置。这种变化的结果导致变旋现象的产生和比旋的改变。☆变旋现象的产生：单糖的醛基或酮基(象醛或酮一样)可与（自身的）醇（羟基）反应形成分子内的半缩醛或半缩酮结构(图)，于是原来的醛基（或酮基）碳原子变成了一个新的不对称碳原子。其上的羟基可以左右调换位置。这种变化的结果导致变旋现象的产生和比旋的改变。 半酮缩醇

12. 异头物(anomer)： 异头物是指在羰基（carbonyl）碳原子上的构型彼此不同的单糖同分异构体形式（如图）。D-glucose的α-和β-型即是一对异头物。它们是非对映异构体。 图示：糖类α，β异构体

13. 核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有3个可以被磷酸酯化的羟基(2ˊ、3ˊ和5ˊ)，而脱氧核苷含有2个这样的羟基(3ˊ和5ˊ)。**磷酰基通常都是连接在5ˊ-羟基的氧原子上，因此不作特别指定时，提到一个核苷酸指的都是5ˊ-磷酸酯。 例如腺苷的5ˊ-单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（ AMP），也可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的5ˊ-磷酸酯可以称之脱氧胞苷一磷酸（dCMP），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧核苷的5ˊ-磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称之脱氧胸苷酸。 下图给出了出现在DNA和RNA中的主要的脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸，它们都是相应核苷的5ˊ-磷酸酯。

15. 核苷酸由于含有嘧啶和嘌呤碱基，所以在260nm附近 都有紫外吸收。

16. 核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ ATP）的结构。

17. ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3ˊ,5ˊ-环腺苷酸（cAMP）,同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3ˊ,5ˊ-环鸟苷酸（cGMP）。通常把激素称之第一信使，把cAMP（或cGMP）称之第二信使。ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3ˊ,5ˊ-环腺苷酸（cAMP）,同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3ˊ,5ˊ-环鸟苷酸（cGMP）。通常把激素称之第一信使，把cAMP（或cGMP）称之第二信使。

18. 核酸中核苷酸是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键连接的 交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸链的共价骨架。连接在戊糖单位上的碱基给出了核酸序列上的变化。聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP 是RNA合成的底物（或称原料），而dATP、dGTP、dCTP和dTTP是DNA合成的底物（或称原料），。 聚合酶通过催化一个核苷酸的3ˊ-OH与另一个核苷酸的5ˊ-磷酸之间形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键将核苷单磷酸加到生长的多核苷酸链上，下图给出了DNA分子的延长反应。 由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸(RNA)；由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸(DNA)。

19. 聚合酶

20. 核酸的一级结构是通过3ˊ, 5ˊ-磷酸二酯键连接的核苷酸序列。 DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向进行的，没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向读写。 右图DNA片段可缩写为pdApdTpdGpdCpdA 可以简写为 ATGCA 磷酸二酯键

21. 5.2 DNA分子中贮存着遗传信息 1944年O.T.Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗传信息的分子，几年之后，A.Hershy和M.Chase通过噬菌体感染实验也证实DNA是遗传物质。 A.肺炎球菌的转化实验 肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出了O.T.Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验过程。

22. （a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。 （b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。 （c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。 （d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。 （e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并尽可能将混在DNA中的蛋白质除去，然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。

24. B. 噬菌体感染实验 用32P标记噬菌体DNA，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器（10000转/分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性。用35S标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。 结果大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清中。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。

25. 32P标记 噬菌体DNA 35S标记 噬菌体外壳

26. 5.3 DNA的碱基组成是有规律的 Chargaff观察到来自不同种属的DNA的4种碱基组成不同，例如来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的DNA的碱基的数量和相对比例很不相同，即DNA的碱基组成具有种属的特异性。但来自同一种属不同组织的DNA样品具有相同的碱基组成，即碱基组成没有组织和器官的特异性。 对于一个给定种属的DNA碱基组成不会随有机体的年龄、营养状态和环境变化而改变。Chargaff 得出的一个最重要的碱基定量关系是不管种属如何不同，但在所有的DNA中，腺嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数（即，A＝T），而鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数（即，G＝C）（表5.2）。从这些关系中可以得出，嘌呤残基的总摩尔数等于嘧啶残基的总摩尔数，即A＋G＝T＋C。

27. DNA中碱基组成的这些定量关系，也称为Chargaff法则，后来又被其他的研究者证实。碱基之间的这些定量关系对于建立DNA的三维结构以及遗传信息是如何编码在DNA中一代一代传下去是一个关键。 5.2不同来源的DNA的碱基组成（摩尔百分比）和碱基比例

28. 5.4 DNA二级结构是一个双螺旋结构 肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相信DNA是遗传物质，但遗传信息是如何贮存在DNA分子中的呢？ 当时摆在研究者面前的问题就是建立一个DNA分子的三维模型，该模型要能够解释Chargaff法则，以及遗传规律等问题。 提出DNA双螺旋模型的是年仅25岁的沃森和35岁的克里克，但不要忘记富兰克林以及查格夫等人的贡献，正是由于富兰克林拍摄的DNA X-射线衍射图成就了沃森和克里克。1962年沃森、克里克和威尔森三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。

29. 亲本 DNA 复制的 子链 DNA 半保留复制

30. 1951年 Franklin和 Wilkins利用X-射线衍射方法分析了DNA的晶体，得到了DNA X-射线衍射图。从衍射图推测出DNA的结构是一个螺旋结构，螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性，第一个周期出现在0.34nm，第二个周期出现在3.4nm。这对于确定DNA的结构是至关重要的线索。 DNA晶体 X-射线衍射图

31. （二）DNA的二级结构 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA纤维和DNA结晶的X-衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中碱基的物化数据测定，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。 1.定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。

32. （二）DNA的二级结构 注：在这些沟内，碱基对的边缘是暴露给溶剂的，所以能够与特定的碱基对相互作用的分子可以通过这些沟去识别碱基对，而不必将螺旋破坏。这对于可以与DNA结合并“读出”特殊序列的蛋白质是特别重要的。 2．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′，螺旋结构上有大沟和小沟。

33. 2.DNA双螺旋结构的要点 • （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，彼此以3 ′-5 ′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。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。

34. 2.DNA双螺旋结构的要点 （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0.34 nm，相邻核苷酸的夹角为36。沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm。 （即螺旋旋转一圈）高度为3.4 nm。

35. 2.DNA双螺旋结构的要点 （4）双螺旋内部的碱基按规则配对，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。 双螺旋的两条链是互补关系。

36. 直径2.0nm 大沟2.2nm 螺距3.4nm (含10个碱基对) 小沟1.2nm

37. 3.DNA双螺旋结构提出的生物学意义 • 第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。

38. 4．DNA双螺旋的稳定因素 • DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。 • 维持这种稳定性的主要因素包括：两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力； • 另外，存在于DNA分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。 • 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

39. A和T之间 形成二个氢键 G和C之间形成三个氢键

40. 亲本链 双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理，解释了遗传物质自我复制的机制。 模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的互补链，这样就得到了两对链，解决了一个基本的生物学问题－遗传复制中样板的分子基础。 子链 子链

41. 5.5 DNA双螺旋存在几种不同类型的构象 在Watson和Crick 的 DNA双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序列的寡核苷酸的X-射线晶体衍射图的研究发现，存在着B型、A型和Z型DNA。B-DNA和A-DNA都是右手双螺旋结构，而Z-DNA是左手双螺旋结构。 B-DNA、A-DNA和Z-DNA双螺旋结构特点

43. ts-DNA： 三股螺旋（在分子内或分子间形成，分子内形成时需要低 pH下胞嘧啶质子化，故称H-DNA）。 Hoogsteen配对：Py • Pu * Py； Py • Pu * Pu 和 Py • Pu * rPy H-DNA存在于基因调控区和其他重要区域，故显示出具有重要的生物学意义。

44. 5.6 双螺旋DNA可形成超螺旋（DNA的三级结构） 一、定义： DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、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三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。

45. 用两手分别捏住线性DNA分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当向右捻动时（即沿右手螺旋方向捻动），等于紧旋（所谓的“上劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为过旋。用两手分别捏住线性DNA分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当向右捻动时（即沿右手螺旋方向捻动），等于紧旋（所谓的“上劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为过旋。 当将处于松弛状态（B构型）的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“ 卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。 当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺旋，称为负超螺旋。

46. 正超螺旋 负超螺旋 向右捻 向左捻 松弛型

47. 二、环状DNA的拓扑学特征 1.链环数（linking number） 链环数指在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示。 2.扭转数（缠绕数：twisting number） 扭转数是指DNA分子中Watson-Crick的螺旋数，以T表示。 3.超螺旋数（writhing number）以W表示。 所以：L=T+W

48. 请看下面的例子。 DNA分子具有相同的结构，但L值不同，所以称它们为拓扑异构体。拓扑异构酶能够催化它们之间的转换。 DNA负超螺旋易于解链，在DNA复制、重组和转录等过程中都需要两条链解开，所以负超螺旋利于这些功能的实施。

49. 解链环形 L=23 T=23 W=0 负超螺旋 L=23 T=25 W=-2 松弛形 L=25 T=25 W=0

50. 4.比连环差 • 比连环差以表示。用它表示DNA的超螺旋程度。 =（L-L0）/L0 L0表示松弛环形DNA的L值，如在上述超螺旋中，L=23，L0=25 所以=-0.08 可以视为DNA的超螺旋密度。天然DNA的超螺旋密度一般在-0.03到-0.09。负号表示超螺旋周为左手螺旋。