第十三章核酸化学.docx

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第十三章核酸化学

第十三章核酸化学

内容

　　4．1核酸的概念和重要性139

　　4．2核酸的类别、分布和组成139

　　4．2．1类别139

　　4．2．2分布140

　　4．2．3组成140

　　4．3核苷与核苷酸143

　　4．3．1核苷143

　　4．3．1．1核苷的结构143

　　4．3．1．2修饰核苷144

　　4．3．2核苷酸144

　　4．3．2．1核苷酸的结构145

　　4．3．2．2核苷酸的性质147

　　4．3．2．3核苷酸的重要衍生物147

　　4．4核酸的结构150

　　4．4．1核酸的一级结构150

　　4．4．1．1核酸分子中核苷酸之间的连接键150

　　4．4．1．2与核酸结构研究有关的工具酶150

　　4．4．1．3DNA一级结构的测定153

　　4．4．1．4RNA一级结构的测定155

　　4．4．2DNA的二、三级结构155

　　4．4．2．1DNA的二级结构（双螺旋结构）155

　　4．4．2．2DNA的三级结构157

　　4．4．3RNA的二、三级结构159

　　4．5核酸的性质164

　　4．5．1性状和溶度164

　　4．5．2分子大小164

　　4．5．3吸收光谱164

　　4．5．4变性、复性与杂交165

　　4．5．4．1变性165

　　4．5．4．2复性165

　　4．5．4．3杂交167

　　4．5．5沉降167

　　4．5．6降解167

　　4．6核酸的生物学功能和实践意义168

　　4．6．1核酸与遗传信息的传递和表达168

　　4．6．1．1DNA是基本遗传物质168

　　4．6．1．2RNA在传递遗传信息上的作用170

　　4．6．1．3反转录170

　　4．6．2核酸与蛋白质的生物合成170

　　4．6．3核酸结构改变与生物变异171

　　4．6．4DNA与细菌转化172

　　4．6．5核酸与病变172

　　4．6．5．1核酸与遗传性疾病172

　　4．6．5．2核酸与病毒173

　　4．6．6DNA的损伤和修复174

　　4．6．7基因重组与遗传工程174

　　4．6．8克隆（clone）与克隆化（cloning）175

　　4．6．9核酸及其水解产物在人类生活上的实践意义176

　　4．7核酸的分离、合成和鉴定原理177

　　4．7．1分离和纯化177

　　4．7．2合成177

　　4．7．3鉴定和含量测定178

　　总结性思考题178

　　提要及学习指导本章主要介绍核酸的化学本质、结构和功能总的要求是：

　　1．了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异。

　　2．弄清楚嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子结构上的关系。

　　3．了解核酸的结构和它们的性质、功能的相互关系。

　　4．认识核酸在生物科学上的重要性及其实践意义。

　　在学习本章时要注意：

①核苷酸是核酸的基本组成单位，应以腺嘌呤核苷酸和胞嘧啶核苷酸为代表，彻底弄清楚核苷酸的化学结构和化学性质。

为了学好核苷酸的结构，首先要结合有机化学把嘌呤和嘧啶的基本结构搞清楚，同时也要把核酸中存在的腺嘌呤、鸟嘌呤同嘌呤核的关系，胞嘧啶、尿嘧啶及胸腺嘧啶同嘧啶核的关系以及D-脱氧核糖同D-核糖的关系搞清楚，最好能记熟。

②注意嘌呤（指腺嘌呤、鸟嘌呤）、嘧啶（指胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶）同核糖（或脱氧核糖）在哪个部位连接成核苷。

核苷如何同磷酸连接成核苷酸（包括核苷二磷酸、核苷三磷酸），核苷酸又如何连接成一级结构的核苷酸链。

并要特别注意核酸的二、三级结构中碱基的配对规律。

③从分析比较核酸分子的组成和结构上的特点，进而联系它们的性质和生物功能。

4．1核酸的概念和重要性

　　核酸最早是在1868年由瑞士的一位年青科学家米歇尔（F.Miescher）发现的，他当时从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从细胞核中分离得到了一种含磷很多的酸性化合物，称它为核素（nuclein），实际上就是我们现在所指的核蛋白。

　　从实验结果知道，核蛋白初步水解后可产生蛋白质和核酸。

核酸水解后产生多个分子的核苷酸，因此，核酸又称多核苷酸。

核苷酸水解后产生磷酸及核苷，后者水解产生核糖（或脱氧核糖）、嘌呤或嘧啶。

　　由此可知，核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体（多核苷酸），呈酸性，最初从细胞核中发现，故称核酸。

　　核酸对生物遗传和蛋白质生物合成皆有重要功用，对肿瘤和许多其他疾病的发病也有重要作用。

4．2核酸的类别、分布和组成

　　4．2．1类别核酸分核糖核酸（简称RNA）与脱氧核糖核酸（简称DNA）两类。

RNA中又分mRNA、tRNA和rRNA3种。

　　信使RNA（messengerRNA，简称mRNA）约占总RNA的5％左右，为单链结构，不同细胞的mRNA的链长和相对分子质量的差异很大，其功用为将DNA的遗传信息传递到蛋白质的合成基地（核糖体）。

新合成的肽链的氨基酸顺序即根据mRNA所传递的信息来决定的。

　　转移RNA（transferRNA，简称tRNA）约占细胞总RNA的10％～15％，在蛋白质生物合成过程中起转运氨基酸到核糖体和翻译的作用。

tRNA有很多种，已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。

tRNA分子的大小很相似，链长一般在73～88个核苷酸之间，最长的有93个核苷酸（大肠杆菌Ser-tRNA）。

相对分子质量一般约为25000。

　　核糖体RNA（ribosomalRNA，简称rRNA）约占全部RNA的80%，是核糖体的核酸，因此得名，其结构为单链螺旋，不稳定。

原核细胞的rRNA有23S、16S和5S3种，真核细胞的rRNA有28S、18S，5.8S和5S4种。

rRNA的功用尚不甚清楚，但必须与蛋白质的生物合成有密切关系，很可能与新合成的蛋白质粒子聚合成具特定构象的蛋白质分子有关。

　　DNA分腺嘌呤-胸腺嘧啶型（A-T型）和鸟嘌呤-胞嘧啶型（G-C型）。

前者含腺嘌呤和胸腺嘧啶较多，后者含鸟嘌呤、胞嘧啶较多。

　　4．2．2分布DNA主要存在于细胞核的染色质（chromatin）中，线粒体和叶绿体中也有。

　　90％的RNA存在于细胞质中，10％存在于细胞核中。

　　rRNA主要存在于核糖体内。

　　4．2．3组成RNA与DNA皆含氮碱（嘌呤、嘧啶）、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸。

DNA与RNA组分上的异同见表4-1。

　　一般而论，RNA与DNA成分的差别仅在于糖和一个嘧啶。

在DNA分子中以D-2-脱氧核糖代替了RNA的D-核糖，以胸腺嘧啶代替了RNA的尿嘧啶。

这些成分与核酸的结构和性质都有关系。

在讲核酸的结构和性质之前有必要对核糖、嘌呤碱、嘧啶碱的结构和性质作扼要陈述。

　　一、核糖及脱氧核糖RNA所含的糖为D-核糖，DNA所含的糖为D-2-脱氧核糖，其结构式如第141页所示。

　　D-核糖与浓HCl和甲基间苯二酚混合后，加热呈绿色（因核糖与酸作用产生糠醛，糠醛与甲基间苯二酚和FeCl3作用呈绿色）。

D-2-脱氧核糖与酸和二苯胺一同加热呈蓝色（因D-2-脱氧核糖与酸作用产生ω-羟基-γ-酮戊醛，后者与二苯胺作用呈蓝色）。

此二反应可作RNA和DNA的测定基础。

　　二、嘌呤碱为核酸中的嘌呤类物质，主要为腺嘌呤和鸟嘌呤两种，次黄嘌呤与黄嘌呤是腺嘌呤的代谢产物。

　　三、嘧啶碱核酸中存在的嘧啶碱有胞嘧啶、尿嘧啶及胸腺嘧啶3种，它们的结构式如第142页所示。

　　DNA含胸腺嘧啶，不含尿嘧啶，RNA则相反。

在高等植物、胸腺和小胚DNA中尚含有少量5-甲基胞嘧啶。

几种大肠杆菌（E.coli）、噬菌体的DNA中发现5-羟甲基胞嘧啶代替胞嘧啶。

几种细菌DNA中已证明含少量6-甲氨基嘌呤。

这些稀有的微量碱基衍生物称稀有碱基（minorbase）或修饰碱基（modifiedbase）。

这类碱基大多数是甲基化碱基，也有硫代，甲硫代、乙酰化及带各种侧链的碱基。

　　必须注意的是：

含酮基的嘧啶碱和含酮基的嘌呤碱皆有酮式和烯醇式互变异构现象而且处于平衡状态，书写时用任何一种皆可。

例如上面所举的鸟嘌呤和尿嘧啶的结构式就各有上列两种形式，其他含酮基的嘌呤和嘧啶类推。

　　由于变成烯醇式后，—OH的H可以解离，因此呈酸性，此种异构现象与核酸解离有关。

　　嘧啶碱与嘌呤碱分子中皆有共轭双键，对紫外线（波长260nm左右）有强烈的吸收能力。

每一碱基各有其特殊的紫外线吸收光谱，因此可利用此性质鉴定不同的碱基。

由于有的碱基环状结构上带有—OH基（烯醇式），有的环上含有=N—结构，其解离常数各不相同（烯醇式羟基可解离释放H+，呈酸性，=N—可接受H+而变为=N+H—，呈碱性），紫外线吸收光谱因而随pH的改变而改变。

　　嘧啶碱和嘌呤碱较稳定，不被稀酸、稀碱破坏，和苦味酸可结为晶体。

嘌呤碱还可被银盐沉淀，这对于嘌呤碱和嘧啶碱的分离和鉴定皆有裨益。

4．3核苷与核苷酸

　　用核酸酶水解核酸可得到核苷酸。

RNA和DNA各得4种核苷酸。

核苷酸经核苷酸酶水解又产生核苷和磷酸。

由这些事实可见核苷酸必然为核酸的组成单位，而核苷与磷酸又必然为组成核苷酸的基本物质。

这种关系可表示如下：

　　4．3．1核苷从核苷酸水解产物中分别发现有几种核苷（表4-2）。

　　4．3．1．1核苷的结构由于用核苷酸酶水解核苷酸产生核苷，而用酸或核苷酶水解核苷酸又可得嘧啶（或嘌呤）和核糖磷酸酯，可知嘧啶和嘌呤在核苷酸（或核酸）分子中是与核糖或脱氧核糖相连接成核苷，核苷的糖基是与磷酸连接成核苷酸。

　　经用X射线衍射分析证实嘌呤核苷是嘌呤第9位N与核糖或脱氧核糖第1′位碳相连。

嘧啶核苷则由嘧啶第1位N与糖第1′位碳相连。

最典型的核苷可用以下二式代表：

　　腺苷、鸟苷、胞苷和它们相应的脱氧核苷以及脱氧胸苷的结构式可照例类推。

　　核糖核苷糖基的第2′、3′或第5′位和脱氧核苷糖基的第3′或第5′位上的羟基皆可分别磷酸酯化，产生不同的核苷酸异构体。

天然核酸只有5′-核糖磷酸酯。

　　4．3．1．2修饰核苷也称稀有核苷。

核酸分子中存在的核苷，除表4-2所列8种常见的正常核苷外，还有许多种修饰核苷，包括由修饰碱基与核糖或脱氧核糖及由正常碱基与修饰核糖（如2′-O-甲基核糖）组成的核苷以及碱基和糖连接方式特殊的核苷三类。

现各举一例如下：

　　修饰核苷常用缩写代号表示，其方法通常是将碱基取代基、取代位置和取代基数目写在核苷单字代号（例如A）的左边，用小写英文字母代表取代基例如用m代表甲基，用数目字表示取代基的位置和数目，写在取代基代号（例如m）右上角的数字（例如2）为取代基在核苷分子碱基环上的位置，写在右下角的数字，为取代基的数目，如仅有一个取代基，“1”字不写例如m2A即表示腺苷的嘌呤环第2位的一个H被甲基取代了。

同理，A表示腺苷嘌呤环上的第6位有两个甲基取代基，即N6，N6-二甲基腺苷。

　　在核糖上修饰的核苷，即核苷的糖分子中OH基的H被其他基团取代后的产物，例如2′-O-甲基核苷，其表示方法即在其核苷单字代号（例如A）的右边加上代表取代基的小写字母代号，例如m，成为Am。

Am的全名为2′-O-甲基腺苷。

即腺苷的核糖第2′位上OH基的H被甲基（m）所取代。

　　少数修饰核苷直接用单字代号表示，如5，6-二氢尿苷用D表示，假尿苷用ψ表示，肌苷用Ⅰ表示。

　　其他修饰核苷的结构将于第4．4．3节讲RNA的二、三级结构时再作补充。

　　4．3．2核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯，由嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖和磷酸所组成。

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