核酸化学汇编.docx

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核酸化学汇编

1.4.3第三章　核酸化学

第三章　核酸化学

学习目标

知识目标

（1）阐述核酸的元素组成、组成成分及组成单位。

（2）描述DNA、mRNA、tRNA和rRNA的结构特点。

（3）阐述核酸的变性、复性、杂交等基本概念，并列举其应用。

（4）了解核酸的性质、体内重要的游离核苷酸及其衍生物的功能。

（5）概括核酸提取的有关原理和注意事项。

能力目标

（1）至少会用一种方法完成核酸的含量测定。

（2）具备核酸类药物在使用、储存和运输中的基本技能。

核酸是生物体的基本组成物质，是重要的生物大分子，从高等的动物、植物到简单的病毒都含有核酸。

核酸是遗传信息的载体。

1869年，年轻的瑞士科学家Miescher从脓细胞核中分离出一种含有C、H、O、N和P的物质，当时称为核素。

因发现核素显酸性，后又改称为核酸，意即来自细胞核的酸性物质。

随后，Hoppe－Seyler从酵母中分离出一种类似的物质，即现在的RNA。

自那之后，核酸研究并非非常顺利。

直到1909年，美国生物化学家Owen发现核酸中的糖分子是由5个碳原子组成的核糖。

1930年，他又发现Miescher在绷带上发现的核酸中的糖分子比Hoppe－Seyler发现的“酵母核酸”中的糖分子少了1个氧原子，因此将这种糖分子称为脱氧核糖，含两种不同糖分子的核酸分别称为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。

1934年，Owen将核酸水解，证明核酸的基本组成单位是核苷酸。

同时，在这一时期还证明了核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸组成。

20世纪50年代初，Chargaff发现DNA的嘌呤和嘧啶组成有其特殊规律。

1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。

从此，核酸的研究经历了基因克隆、人类3×109个碱基对（basepair，bp）的基因测序，开始进入基因组学研究阶段。

1.4.3.1第一节　核酸的化学组成

第一节　核酸的化学组成

一、核酸的元素组成

组成核酸的元素有C、H、O、N、P5种，其中磷的含量在各种核酸中变化范围不大，平均含磷量为9%～10%。

因而，可通过测定生物样品中磷的含量来计算样品中核酸含量。

二、核酸的基本组成单位——核苷酸

核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸，因此核酸的基本组成单位是核苷酸。

为区别多、寡核苷酸，故将核苷酸也称为单核苷酸。

核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的碱基、戊糖和磷酸。

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核苷酸的利用

调味料：

鸟苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等核苷酸属于呈味性核苷酸，除了本身具有鲜味之外，在和左旋谷氨酸（味精）组合时，还有提高鲜味的作用，可作为调料、汤料的原料使用。

食品添加剂：

母乳中含有尿苷酸（UMP）、胞苷酸（CMP）、腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等多种核苷酸，对提高婴儿的免疫调节功能和记忆力发挥着作用。

在欧美等国家生产的婴儿奶粉均按照母乳中的含量添加微量核苷酸，也有添加RNA的例子。

药物：

核苷酸作为药物，可抑制尿道发炎，在美国也有作为免疫调节剂给手术后的患者使用的例子。

（一）核苷酸的组成成分

1．碱基

核酸中的碱基主要有嘧啶碱（pyrimidinebase）和嘌呤碱（purinebase）两种。

（1）嘧啶碱：

嘧啶碱是含有两个相间氮原子的六元杂环化合物。

核酸中主要的嘧啶碱衍生物有三种：

胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U）。

（2）嘌呤碱：

嘌呤碱由嘧啶环与咪唑环合并而成。

核酸中的嘌呤碱主要有两种，即腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）。

（3）稀有碱基：

核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基（或修饰碱基）。

常见的稀有嘧啶碱基有5－甲基胞嘧啶、5，6－二氢尿嘧啶等；常见的稀有嘌呤碱基有7－甲基鸟嘌呤、N6－甲基腺嘌呤等。

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20世纪90年代，人类基因工程启动，科学家每天人工测序5000对碱基。

21世纪初期，自动测序仪每天可以测序10万对碱基，而现在，每天可以测序250亿对碱基。

但是，目前要分析人类所有的基因仍然需要至少几周的时间。

韩国KAIST的研究人员让一个DNA通过纳米通道，每个碱基就会附着在石墨纳米带状体上几微秒。

通过改变石墨导电性能的方式分离四种碱基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤。

这样基因测序可以通过观察导电性变化，更快更准确地进行。

预计可以在1h内分析30亿对碱基，这对于基因组测序研究而言具有重要的意义。

这项研究对于基因和生物工程领域研究意义重大，而且还能够为疑难杂症的治疗提供解决方案。

这种方法还将推进基于基因信息的医疗、基因突变、遗传性疾病、个体和适应性疾病的发展，甚至推进人类进化研究的进程。

2．戊糖

核酸中所含的糖是核糖（D－ribose）和脱氧核糖（deoxy－D－ribose），均属于戊糖。

戊糖都是以β－D－呋喃糖的环状形式存在。

由于环状糖中的第1位碳原子（C1′）是不对称碳原子，所以有α－及β－两种构型。

核酸中所含的戊糖均为β－型。

核糖中的C2′—OH脱氧后形成脱氧核糖（2′－deoxy－D－ribose）。

核糖上的碳原子序号上加“′”，是为了区别于碱基上的碳原子序号。

（二）核苷酸的分子结构

1．核苷

由一个戊糖（核糖或脱氧核糖）和一个碱基（嘌呤碱或嘧啶碱）缩合而成。

戊糖第1位碳原子（C1′）上的羟基与嘌呤碱第9位氮原子（N9）或嘧啶碱第1位氮原子（N1）上的氢缩合脱水形成糖苷键。

核糖与碱基通过糖苷键连成核糖核苷，脱氧核糖与碱基通过糖苷键连成脱氧核糖核苷。

2．核苷酸

核苷酸由磷酸与一分子核苷通过磷酸酯键连成。

核苷中戊糖的羟基与磷酸作用形成磷酸酯键，核苷与磷酸通过磷酸酯键连接成的化合物即为核苷酸。

核苷酸分为核糖核苷酸（nucleosidemonophosphate，NMP）和脱氧核糖核苷酸（deoxynucleosidemonophosphate，dNMP），分别由核糖核苷和脱氧核糖核苷与磷酸作用形成。

体内通常由核糖核苷的戊糖C5′的自由羟基（—OH）与磷酸形成酯键，构成5′－核苷酸。

构成DNA和RNA的8种常见核苷酸的组成比较如表3－1所示。

表3－1　两类核酸的主要碱基、核苷及核苷酸组成

三、体内重要的游离核苷酸及其衍生物

1．多磷酸核苷酸

结合一个磷酸的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），因此，游离的5′－腺苷酸（AMP）和5′－脱氧腺苷酸（dAMP）分别称为腺苷一磷酸和脱氧腺苷一磷酸。

结合两个和三个磷酸的，则分别称为核苷二磷酸（NDP）和脱氧核苷三磷酸（NTP），又统称为多磷酸核苷酸，结构如图3－1所示。

图3－1　AMP、ADP、ATP的结构示意图

核苷三磷酸（NTP和dNTP）是合成核酸（DNA和RNA）的直接原料。

2．体内重要的核苷酸衍生物

（1）环化核苷酸：

细胞中普遍存在两种环化核苷酸：

3′，5′－环腺苷酸（cAMP）和3′，5′－环鸟苷酸（cGMP），其结构如下：

环化核苷酸不是核酸的组成成分，在细胞中含量很少，但有重要的生理功能。

现已证明，两者均可作为激素的第二信使，在细胞的代谢调节中有重要作用。

（2）辅酶类核苷酸：

一些核苷酸的衍生物是重要的辅酶（辅基），如辅酶NAD＋（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶Ⅰ）、NADP＋（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶Ⅱ）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）等。

1.4.3.2第二节　核酸的结构与功能

第二节　核酸的结构与功能

核酸是生物体内重要的生物大分子化合物，参与遗传信息的储存、转录和表达。

这些生物学功能都与其复杂的化学结构密切相关。

核酸是核苷酸的多聚化合物。

一个核苷酸C3′上的羟基与另一个核苷酸C5′上的磷酸缩合脱水形成3′，5′－磷酸二酯键，多个核苷酸经3′，5′－磷酸二酯键构成一条没有分支的线性大分子，称为多聚核苷酸链，3′，5′－磷酸二酯键是核酸的主键。

由核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸通过3′，5′－磷酸二酯键相连组成的多聚核苷酸链是所有RNA或DNA的共同结构。

这一连接方式决定了多聚核苷酸链具有方向性，每条多聚核苷酸链上具有两个不同末端，戊糖5′磷酸基指向的一端称为5′末端，戊糖3′羟基指向的一端称为3′末端。

习惯上将5′端写在左边，将3′端写在右边，即按5′→3′书写。

5′……ACTACGGUA……3′

一、DNA的结构

（一）DNA的一级结构

多数DNA分子是由两条多聚脱氧核苷酸链构成的双链分子，两条链中脱氧核苷酸可按一定的顺序通过磷酸二酯键相连而成，从而形成了每一种DNA分子特定的核苷酸序列。

DNA分子的核苷酸排列顺序，称为DNA的一级结构。

DNA分子的序列特征代表其一级结构特征，同时记录有相应的遗传信息。

分析DNA分子的一级结构对阐明DNA结构与功能的关系具有重要的意义。

（二）DNA的二级结构

1953年，Watson和Crick根据DNA的X线衍射分析数据和碱基分析数据，提出了DNA的双螺旋结构模型（图3－2），确定了DNA的二级结构形式，大大推动了生物学的发展。

图3－2　DNA的双螺旋结构的三种结构模型

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DNA分子双螺旋结构模型的诞生

20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯（Wilkins）等用X线衍射技术对DNA结构研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构；另一方面，女物理学家富兰克林拍到一张十分清晰的DNA的X线衍射照片。

1952年5月，威尔金斯向克里克（Crick）介绍了这张照片。

当时克里克正与美国青年生物学家沃森（Watson）在卡文迪许实验室研究DNA结构。

美国的查尔加夫（Chargaff）在脱氧核糖核酸的研究中，发现A（%）＝T（%）、G（%）＝C（%）的事实，克里克立即意识到，嘌呤碱和嘧啶碱的数目相等意味着只有一种可能，那就是他们之间互相以配对的形式存在，于是他提出了DNA中嘌呤碱与嘧啶碱的碱基配对的假设。

1953年4月25日，克里克与沃森在《自然》杂志上发表了一篇短文，宣告DNA分子双螺旋结构模型的诞生。

1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人同时获得了诺贝尔生理和医学奖。

DNA双螺旋结构模型的要点如下。

（1）两条平行的多聚核苷酸链，以相反的方向（即一条由5′→3′，另一条由3′→5′）围绕着同一个（想象的）中心轴，以右手旋转方式构成双螺旋结构。

（2）疏水的嘌呤碱基和嘧啶碱基平面层叠于螺旋的内侧，亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连形成的骨架位于螺旋的外侧。

（3）内侧碱基呈平面状，碱基平面与中心轴垂直，脱氧核糖的平面与碱基平面几乎成直角。

每个平面上有两个碱基（每条链各一个）形成碱基对。

相邻碱基平面在螺旋轴之间的距离为0．34nm（1nm＝10）。

旋转夹角为36°，每10．5对核苷酸绕中心轴旋转一圈，故螺旋的螺距为3．4nm。

（4）双螺旋的直径为2nm。

沿螺旋的中心轴形成的大沟（majorgroove）和小沟（minorgroove）交替出现。

DNA双螺旋之间形成的沟称为大沟，而两条DNA链之间形成的沟称为小沟。

（5）两条链被碱基对之间形成的氢键稳定地维系在一起。

在双螺旋中，碱基总是腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，用A＝T表示；鸟嘌呤与胞嘧啶配对，用G≡C表示（图3－3）。

这种碱基配对也称为碱基互补。

因此，严格按照碱基互补的原则，当一条多核苷酸链的碱基顺序确定以后，即可推知另一条互补链的碱基顺序。

碱基互补原则是DNA双螺旋结构最重要的特性，其重要的生物学意义在于，它是DNA的复制、转录以及反转录的分子基础。

图3－3　碱基通过氢键互补配对

（三）DNA的高级结构

在细胞内，DNA分子在双螺旋结构基础上进一步扭曲螺旋，形成DNA的三级结构。

细菌质粒、某些病毒及线粒体的环状DNA分子，多扭曲成所谓“麻花”状的超螺旋结构，即DNA的三级结构（图3－4）。

在真核细胞中，线状的双螺旋DNA分子先围绕组蛋白核心盘绕形成核小体结构，核小体中的DNA呈现