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1、第五章核酸化学第五章 核酸化学第一节 核酸的种类、分布 从1868年瑞士的年青科学家F. Miescher发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸(nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类（种类）。 （分布）DNA主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在细胞质中。DNA是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA的相对分子质量一般在106以上。DNA分布在染色体内，是染色体的主

2、要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压缩的DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个DNA分子。各种病毒都是核蛋白，其核酸要么是DNA，要么是RNA，至今未发现两者都含有的病毒。DNA的含量很稳定，在真核细胞中， DNA与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA含量为生殖细胞（单倍体）DNA含量的两倍。DNA在代谢上也比较稳定，不受营养条件、年龄等因素的影响。DNA是遗传信息的载体，遗传信息的传递是通过DNA的自我复制完成的。 RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要的RNA： （1）核糖体RNA（ribosomel RNA，缩写成

3、rRNA） rRNA含量大，占细胞RNA总量的80左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约40的蛋白质和60的RNA，由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA（原核细胞）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类（真核细胞）：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。 （2）转运RNA（transfer RNA，缩写成tRNA） tRNA约占细胞RNA的15。tRNA的相对分子质量较小，在25 000左右，由7090个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸的作用。tRNA有许多种，每

4、一种tRNA专门转运一种特定的氨基酸。tRNA除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA的反转录合成及其他代谢调节中都有重要作用。（3）信使RNA（messenger RNA，缩写成 mRNA） mRNA约占细胞RNA含量的5。mRNA生物学功能是转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有一种特定的mRNA负责编码，因此mRNA的种类很多。第二节 核酸的组成 核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷又是由碱基和戊糖组成的。 核酸中的戊糖有两类：D-核糖（D-nbose）和D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）。核酸的分

5、类就是根据两种戊糖种类不同而分为RNA和DNA的。碱基在RNA中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA中也有四种碱基，与RNA不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。表4-1 两种核酸的基本化学组成核酸的成分DNARNA嘌呤碱(purine bases)腺嘌呤(adenine)A鸟嘌呤(guanine)G腺嘌呤A鸟嘌呤G嘧啶碱(pyrimidine bases)胞嘧啶(cytosine)C胸腺嘧啶(thymine)T胞嘧啶C尿嘧啶(uracil)U戊 糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷 酸磷 酸一、碱基核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。（各碱基的代号要掌握）1嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍

6、生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。2嘌呤碱 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类：腺嘌呤和鸟嘌呤。3稀有碱基 除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基。植物DNA中有相当量的5-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中5-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。二、核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1和嘌呤碱的N9相连接。这种糖与碱基之间的连键是NC键，称为N-C糖苷键。 核苷中的D-核糖与D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状

7、结构。糖环中C1是不对称碳原子，所以有-及-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面互相垂直。 核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用1，2，表示）： 三、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为两种核苷酸的结构式。 生物体内存在的游离核苷酸多是5-核苷酸。用碱水解RNA时，可得到 2核苷酸与3核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表4-2。 四、细胞内的游离核苷酸及其衍生物在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物在生

8、物体的能量代谢中起着重要作用。 腺苷一磷酸（AMP或腺苷酸）与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸（ADP），腺苷二磷酸再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸（ATP）。 表4-2 常见的核苷酸碱基核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate.)鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP)胞嘧啶核苷酸(cytidine monophosphate, GMP)尿嘧啶核苷酸(uridine monophosphate, UMP)脱氧腺嘌呤核苷酸(deoxyadenosine monophosphate,dAMP)脱氧鸟

9、嘌呤核苷酸(deoxyguanosine monophosphat.dGMP)脱胞嘧啶核苷酸(deoxycytidine monophosphate,dCMP)脱氧胸腺嘧啶核苷酸(deoxythymidine monophosphate,dTMP)磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以代表它。含的化合物叫高能化合物。ATP含有两个。物质代谢所产生的能量使ADP和磷酸合成ATP，这是生物体内贮能的一种方式。ATP分解又释放能量。高能磷酸键水解裂开时，每生成l mol磷酸就放出能量约30.5kJ（一般磷酸酯水解释能8.412.5kJmol）。放出的能量可以支持生理活

10、动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的合成）。所以 ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源（能量通币）。 其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷酸化合物（可简写为ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP和dTTP）是DNA合成的直接原料。它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还参与特殊的代谢过程，如UTP参加磷酯的合成，GTP参加蛋白质和嘌呤的合成等。此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核

11、苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶，NADP）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅酶。 近年来，对3，5-环腺苷酸（cAMP或环腺一磷）的作用有了新的认识。cAMP在体内由ATP转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP具有如上结构式：类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。第三节 核酸的分子结构 一、脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构 1DNA的一级结构 DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶

12、核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3，5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中C2上不含羟基，C1又与碱基相连接，所以唯一可以形成的键是3，5-磷酸二酯键。故DNA没有侧链。 图4-1表示DNA多核苷酸链的一个小片段。 图的右侧是多核苷酸的几种缩写法。B为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基，P代表磷酸基，由P引出的斜线一端与C3相连，另一端与C5相连。C为文字式缩写，P在碱基之左侧，表示P在C5位置上。P在碱基之右侧，表示P与C3相连接。有时，多核苷酸中磷酸二酯键上的P也可省略，而写成PACTG。这两种写法对DNA和RNA分子都适用。图4-1 DNA中

13、多核苷酸链的一个小片段及缩写符号A. DNA中多核苷酸链的一个小片段；B. 为条线式缩写；C. 为文字式缩写2DNA的二级结构 DNA的双螺旋结构模型是Watson和 Crick于1953年提出的。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的。Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA称为B型DNA（B-DNA）。在相对湿度低于75时获得的DNA钠盐纤维，其结构有所不同，称为A-DNA。此外还有Z-DNA将在后面讨论。这里我们将详细讨论B-DNA。 （1）双螺旋结构模型的主要依据 X光衍射数据：Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维

14、具有相似的X光衍射图谱这说明DNA可能有共同的分子模型。X光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链。 关于碱基成对的证据：Chargaff等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分析，发现DNA中的腺嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，胞嘧啶（包括5-甲基胞嘧啶）的数目和鸟嘌呤的数目相等（表4-3）。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶之间可以生成两个氢键；而胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以允许生成三个氢键。表4-3 不同来源DNA的碱基组成来 源碱基的相对含量(摩尔) 来 源碱基的相对含量(摩尔%)腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶*胸腺嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶人30.919.919.829.4

15、扁豆29.720.620.129.6牛胸腺28.221.522.527.8酵母31.318.717.132.9牛 脾27.922.722.127.3大肠杆菌24.726.025.723.6牛精子28.722.222.027.2金黄色葡萄球菌30.821.019.029.2大鼠(骨髓)28.621.421.528.4结核分枝杆菌15.134.935.414.6母鸡28.820.521.529.2174(单链)24.624.118.532.7蚕28.622.521.927.2174(复制型)26.322.322.326.4小麦(胚)27.322.722.827.1噬菌体21.328.627.222

16、.9*包括5-甲基胞嘧啶。电位滴定行为：用电位滴定法证明，DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基和一NHCO一则不能滴定，它们是用氢键连结的。（2）B-DNA双螺旋结构模型的要点A、DNA分子是由两条反向平行互补的多核苷酸链构成的，一条链的方向是53，另一条链则是35。B、两条链的糖一磷酸主链都是右手螺旋,有一共同的螺旋轴。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。C、两条链的碱基在内侧，糖一磷酸主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连。D、双螺旋直径为2nm。碱基对的平面约与螺旋轴垂直，相邻碱基对平面间的距离（碱基堆积距离）是0.34nm。相邻核苷酸彼此相差36。双螺旋的每一转有10对核苷酸，每转高度为

17、3.4 nm。E、碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。因此有四种可能的碱基对，即AT，TA，GC和CG。A和T间构成二个氢键，G和C间构成三个氢键。由于四种碱基对都适合此模型，每条链可以有任意的碱基顺序，但由于碱基成对的规律性，如一条链的碱基顺序已确定，则另一条链必有相对应的碱基顺序。两条链的碱基组成和排列顺序并不一定相同。大多数天然DNA具有双链结构。某些小细菌病毒如X174和M13的DNA是单链分子。DNA双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”（碱基配对）概念。根据碱基互补原则，当一条多核苷酸的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极其

18、重要的生物学意义。DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。 （3）双螺旋结构的稳定性 DNA双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。A、维持这种稳定性的主要因素是碱基堆积力（base stacking force）。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于DNA分子中的其他弱键在维持双螺旋结构的稳定上也起一定作用。这些弱键包括：B、互补碱基对间的氢键；C、磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键；D、范德华引力（vander Waalsforce）。

19、图4-2 DNA分子双螺旋结构模型（a）及其图解（b） （4）DNA双螺旋的不同类型 A-DNA的结构：在相对湿度为75以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析资料表明，这种DNA纤维具有不同于B-DNA的结构特点，称为A-DNA。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而短，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈19。RNA分子的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构。RNA分子由于在糖环上有2-OH存在，从空间结构上说不可能形成B-型结构。 Z-DNA分子的结构：除了A-DNA和B-DNA以外，自然界中还发现有一种Z-DNA。ARich在研究

20、CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。虽然CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋，所以这种DNA称为左旋DNA。那么Z-DNA的名称是从何而来的呢？在CGCGCG晶体中，（图磷酸基在多核苷酸骨架上的分布为Z字形4-3）。所以也称它为Z-DNA。Z-DNA只有一条大沟，而无小沟。图4-3 Z-DNA与B-DNA比较 天然B-DNA的局部区域可以出现Z-DNA结构，说明B-DNA与Z-DNA之间是可以互相转变的。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何种生物学功能。表4-4中比较了A-DNA、B-DNA、Z-DNA的一些主要特性。表4-4 A-DNA，B-DNA和Z-D

21、NA的比较比较项螺旋类型ABZ外形每对碱基之距离螺旋直径螺旋方向糖苷键构型每匝螺旋碱基对数目螺距碱基对与中心轴之倾角大沟小沟粗短0.23nm2.55nm右手反式112.46nm19狭，很深很宽，浅适中0.34nm2.37nm右手反式10.43.32nm1宽，深狭，很深细长0.38nm1.84nm左手C、T反式，G顺式124.56nm9平坦很狭，深3DNA的三级结构 双链DNA多数为线形，少数为环形。某些小病毒、线粒体、叶绿体以及某些细菌中的DNA为双链环形。在细胞内这些环形DNA进一步扭曲成“超螺旋”的三级结构，如图4-4。真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子。染色质DNA的结构极

22、其复杂。双螺旋DNA先盘绕组蛋白形成核粒（超螺旋），许多核粒（或称核小体）由DNA链连在一起构成念珠状结构，念珠状结构进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。据估算，人的DNA大分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩8 00010 000倍。图4-4a 多留病毒的环状分子和超螺旋结构图4-4b 核粒结构示意图 (a) 表示前面; (b) 表示背面。圆球代表组蛋白，缠绕在组蛋白上的带子为DNA超螺旋 二、核糖核酸（RNA）的分子结构RNA也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖

23、。RNA分子中也还有某些稀有碱基。图4-5为RNA分子中的一小段以示RNA之结构。组成RNA的核苷酸也是以3,5-磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管RNA分子中核糖环C2上有一羟基，但并不形成2,5-磷酸二酯键。用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNA时，降解产物中只有3-核苷酸，并无2-核苷酸，就支持了上述结论。 天然RNA并不像DNA那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇形成氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环（loop），被排斥在双螺旋结构之外，如图4-6。RNA中的双螺旋结构为 A-DNA

24、类型的结构。每一段双螺旋区至少需要有46对碱基才能保稳定。一般说来，双螺旋区约占RNA分子的50。1RNA的类型动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA，即核糖体RNA （rRNA）、转运RNA（tRNA）、信使RNA（mRNA）。表4-5中列出了大肠杆菌中三类RNA的主要特性。此外，真核细胞中还有少量核内小RNA（small nuclear RNA，缩写成snRNA）。2mRNA的结构真核细胞mRNA的结构有某些特点：A、极大多数真核细胞mRNA在3-末端有一段长约200个核苷酸的polyA（Polyade nylicacid）。PolyA是在转录后经PolyA聚合酶的作用而添加上去的。

25、polyA聚合酶对mRNA专一，也不作用于rRNA和tRNA。原核生物的mRNA一般无3-polyA，但某些病毒mRNA也有3-polyA。polyA可能有多方面功能：与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关；新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。图4-5 RNA分子中一小段结构 图4-6 RNA分子自身回折 形成双螺旋区表4-5 大肠杆菌中的RNARNA类型相对含量沉降系数/S相对分子质量分子长度/个核苷酸rRNAtRNAmRNA801552316541.21030.551033.61012.5101变化范围大3700170012075B

26、、真核细胞mRNA5-末端还有一个特殊的结构：3- mG5- Nm- 3-P，称为5-帽子（cap）。5-末端的鸟嘌呤N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5,5-磷酸二酯键。这种结构有抗5-核酸外切酶降解的作用。目前认为5-帽子可能与蛋白质合成的正确起始作用有关，它可能协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG起始密码子处开始。某些真核细胞病毒也有5-帽子结构。 3tRNA的二级结构和三级结构 细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA。许多tRNA的一级结构早就被阐明，tRNA的二级结构和三级结构也比较清楚。 （1）相对分子质量在2.5

27、万左右，由7090 ？（50-95）个核苷酸组成，沉降系数在4S左右； （2）碱基组成中有较多的稀有碱基； （3）3-末端都为CPCPAOH，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端称为接受末端； （4）5末端大多为PG，也有PC的； （5）tRNA的二级结构都呈三叶草形，如图4-7。双螺旋区构成了叶柄，突环区好像是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构所占比例甚高，tRNA的二级结构十分稳定。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和T环等五个部分组成。图4-8 酵母苯丙氨酸tRNA的三级结构 氨基酸臂（amino acid arm）由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为一CCA，接受活化的氨

28、基酸。二氢尿嘧啶环（dihydrouridine loop）由812个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。通过由34对碱基组成的双螺旋区（也称二氢尿嘧啶臂）与tRNA分子的其余部分相连。反密码环（anticodon loop）由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（也称肌苷酸，缩写成I）常出现于反密码子中。反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分相连。 额外环（extra loop）由318个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标。 假尿嘧啶核苷一胸腺嘧啶核糖核苷环（T臂）与tRNA的其余部分相连

29、。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有T。 （6）tRNA的三级结构 tRNA三级结构的形状像一个倒写的字母L（如图4-8）。Kim（1973）和Robertus（1974）应用X光衍射分析法对tRNA晶体进行研究，并先后阐明了tRNA的三级结构。 4rRNA的结构图4-9 大肠杆菌5SrRNA的结构 rRNA含量大，占细胞RNA总量的80左右，是构成核糖体的骨架。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA，5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类；5Sr-RNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构

30、都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。图4-9为大肠杆菌5SrRNA的结构。第三节 核酸的某些理化性质一、一般性质1溶解度 DNA和RNA均微溶于水，它们的钠盐在水中的溶解度较大DNA和RNA均能溶于2-甲氧乙醇，但不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，所以在分离核酸时，加入乙醇即可使之从溶液中沉淀出来。2分子大小、形状和粘度 大多数DNA为线形分子，分子极不对称，其长度可以达到几个厘米，而分子的直径只有2nm。因此DNA溶液的粘度极高。RNA溶液的粘度要小得多。3沉降特性 溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉。不同构象的核酸（线形、开环、超螺旋结构），蛋白质及其他杂质，在超离心机的强大引力场中，沉降的速率有很大差异，所以可以用超离心法纯化核酸或将不同构象的核酸进行分离，也可以测定核酸的沉降常数与分子量。 用不同介质组成密度梯度进行超离心分离核酸时，效果较好。RNA分离常用蔗糖梯