第二章 核酸化學(xué)1

1、第二章第二章 核酸化學(xué)核酸化學(xué)核酸的研究歷史核酸的研究歷史核酸的發(fā)現(xiàn)：核酸的發(fā)現(xiàn)：l1868年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生F. Miescher從膿細(xì)胞核中從膿細(xì)胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核素素(nuclein)；l后來他又從鮭魚精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出后來他又從鮭魚精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成的，此它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成的，此酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在所知的核酸酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在所知的核酸(nucleic acid)。l1889年Altman制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品,命

2、名為核酸.以后四五十年中,Kossel和Levene等在確定核酸組分方面做了大量的工作,逐步明確核酸可分為兩大類:脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA).l1944年Avery等人對(duì)肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)徹底糾正了蛋白質(zhì)攜帶遺傳信息這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，確立了核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位； 1952年，Alfred Hershey和Martha Chase用放射性同位素P標(biāo)記噬菌體進(jìn)一步肯定了DNA遺傳作用。1953年,Watson和Crick創(chuàng)立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不僅闡明了DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復(fù)制(replication)過程中，遺

3、傳信息的傳遞方式及高度保真性，為遺傳學(xué)進(jìn)入分子水平奠定了基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史上最為輝煌的里程碑。 l核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機(jī)體不可缺少的組成部分。l核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對(duì)于生命的延續(xù)、生物物種遺傳特性的保持、生長發(fā)育、細(xì)胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。l因此，核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。 核酸是存在于細(xì)胞中的一類大分子酸性物質(zhì)，包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。 RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。 RNA主要參與遺傳信息的表達(dá)，而DNA則是遺傳

4、信息的載體。l核酸分為兩大類.l脫氧核糖核酸（DNA）Deoxyribonucleic Acidl核糖核酸（RNA）Ribonucleic Acid。核酸的分類lDNA分子含有生物物種的所有遺傳信息，分子量一般都很大。lDNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結(jié)構(gòu)大分子，也有少部分呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。lDNA主要分布于細(xì)胞核中；線粒體和葉綠體中也有DNA。1、脫氧核糖核酸（DNA）2、核糖核酸（RNA）lRNA主要分布于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中。lRNA為單鏈分子。lRNA主要是負(fù)責(zé)DNA遺傳信息的翻譯和表達(dá)，分子量要比DNA小得多。但RNA在細(xì)胞中的含量比DNA高。RNA的類別的類別l原核和真核細(xì)胞中都含有三種主

5、要RNA：lmRNA（信使RNA）ltRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）lrRNA（核糖體RNA）l真核細(xì)胞中還含有其它的RNA： hnRNA（核不均RNA）mRNA的前體物 SnRNA（核小RNA）參與RNA的加工1）mRNA (信使信使RNA)l約占總約占總RNARNA的的5%5%。l不同細(xì)胞的不同細(xì)胞的mRNAmRNA的鏈長和分子量差異很大。的鏈長和分子量差異很大。l它的功能是將它的功能是將DNADNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地 核糖核蛋白體。核糖核蛋白體。Messenger RNA2）tRNA (轉(zhuǎn)移RNA)l約占總約占總RNARNA的的10-15%10-15%。l

6、它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖核蛋白體的作用。核蛋白體的作用。l已知每一個(gè)氨基酸至少有一個(gè)相應(yīng)的已知每一個(gè)氨基酸至少有一個(gè)相應(yīng)的tRNAtRNA。lRNARNA分子的大小很相似，鏈長一般在分子的大小很相似，鏈長一般在73-7873-78個(gè)核苷酸之間。個(gè)核苷酸之間。lTransfer RNA3）rRNA (核糖體RNA)l約占全部約占全部RNARNA的的80%80%，l是核糖核蛋白體的主要組成部分。是核糖核蛋白體的主要組成部分。lrRNA rRNA 的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)。的功能與蛋白質(zhì)生物合成

7、相關(guān)。lRibosome RNA二、核酸的分布二、核酸的分布原核細(xì)胞內(nèi)原核細(xì)胞內(nèi)DNA集中在核質(zhì)區(qū)集中在核質(zhì)區(qū)RNA分散在細(xì)胞質(zhì)中分散在細(xì)胞質(zhì)中真核細(xì)胞內(nèi)真核細(xì)胞內(nèi)DNA95%細(xì)胞核中細(xì)胞核中5%線粒體及葉綠體中線粒體及葉綠體中RNA75%細(xì)胞質(zhì)中細(xì)胞質(zhì)中15%線粒體及葉綠體線粒體及葉綠體中中10%細(xì)胞核中細(xì)胞核中三、核酸的生物學(xué)功能三、核酸的生物學(xué)功能l除少數(shù)病毒（RNA病毒）以RNA作為遺傳物質(zhì)外，多數(shù)有機(jī)體的遺傳物質(zhì)是DNA。l不同有機(jī)體遺傳物質(zhì)（信息分子）的結(jié)構(gòu)差別，使得其所含蛋白質(zhì)（表現(xiàn)分子）的種類和數(shù)量有所差別，有機(jī)體表現(xiàn)出不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝類型。lRNA的主要作用是：l1）從D

8、NA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。l2）作用于RNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾l3）基因表達(dá)與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)l4）生物催化與其它細(xì)胞持家功能l5）遺傳信息的加工與進(jìn)化一、核酸的元素組成一、核酸的元素組成l基本元素：C H O N Pl核酸的元素組成有兩個(gè)特點(diǎn)：l 1. 一般不含Sl 2. P含量較多，并且恒定（9%-11%）。 l 因此，實(shí)驗(yàn)室中用定磷法進(jìn)行核酸的定量分析。（DNA9.9% 、RNA9.5%）二二 、核酸的分子組成、核酸的分子組成l核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。l核苷酸本身由核苷和磷酸組成, l而核苷則由戊糖和堿基形成lDNA與RNA結(jié)構(gòu)相似

9、，但在組成成份上略有不同。核酸核酸Nucleic Acid 核苷核苷 Nucleoside磷酸磷酸戊糖（戊糖（Pentose)堿基堿基(Base)核苷酸核苷酸 Nucleotide核糖和脫氧核糖核糖和脫氧核糖嘌呤堿和嘧啶堿嘌呤堿和嘧啶堿1、戊糖l組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為-D-核糖。-D-2-脫氧核糖脫氧核糖-D-核糖核糖D-核糖與D-脫氧核糖的區(qū)分lD-核糖l 與濃HCl和甲基間苯二酚混合后，加熱呈綠色；l 原理：核糖與酸作用生成糠醛，糠醛與甲基間苯二酚和FeCl3呈綠色。l-2脫氧核糖l 與二苯胺作用呈藍(lán)色反應(yīng)；l 原理：它與酸生成-羥基-

10、酮戊醛，后者再與二苯胺作用呈藍(lán)色 2、堿 基1）嘌呤）嘌呤(purine) 2）嘧啶）嘧啶(pyrimidine) DNA中含有的堿基是：中含有的堿基是：A T C G RNA中含有的堿基是：中含有的堿基是：A U C G3 3）修飾堿基（稀有堿基）修飾堿基（稀有堿基） 多數(shù)為主要堿基的修飾產(chǎn)物或代謝產(chǎn)物,在體內(nèi)含量甚少的堿基。l tRNA中大約有10%的稀有堿基。l嘌呤次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、N2、N2-二甲基鳥嘌呤。l嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶l都是基本堿基的化學(xué)修飾型。( I ) ( m1I )( m22,2G )( m1G )( A )( G )

11、嘧啶堿基嘧啶堿基（C）（U）( T )(hm5C )(m5C )（D） 4 4）堿基的性質(zhì)）堿基的性質(zhì)l 幾乎不溶于水l 互變異構(gòu)l 酮式 烯醇式；l 氨基式 亞氨基式l （在體內(nèi)主要以酮式和氨基式為主） 嘧啶堿基和嘌呤堿基最重要的功能基團(tuán)是環(huán)上嘧啶堿基和嘌呤堿基最重要的功能基團(tuán)是環(huán)上的氮和羰基，以及環(huán)外的氨基。的氮和羰基，以及環(huán)外的氨基。 強(qiáng)烈的紫外吸收強(qiáng)烈的紫外吸收 嘌呤堿基和嘧啶堿基分子中都含有共軛雙鍵體嘌呤堿基和嘧啶堿基分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收（系，在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收（260 nm左右）。左右）。 堿基的紫外吸收性質(zhì)是定性或定量測定堿基堿基的紫外吸收性質(zhì)是定性或定量

12、測定堿基和核苷酸、核酸的依據(jù)。和核苷酸、核酸的依據(jù)。3、磷酸 核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸都含有磷酸，所以核酸呈酸性呈酸性。 核酸中的磷酸參與形成核酸中的磷酸參與形成3，5-磷酸二酯磷酸二酯鍵鍵，使核苷酸連接成多核苷酸鏈。，使核苷酸連接成多核苷酸鏈。 4、核苷、核苷 戊糖與嘧啶或嘌呤堿以C-N糖苷鍵連接而形成的糖苷就稱為核苷。核苷是由核糖或脫氧核糖的C1 -羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進(jìn)行縮合，生成的化學(xué)鍵為C-N糖苷鍵。NONO尿苷尿苷91OHOCH2H HHHOH OH23451脫氧腺苷脫氧腺苷NNNNNH2OH HOHOCH2H

13、 HHH23451戊糖戊糖 C1-OH H-N9 嘌呤堿基嘌呤堿基戊糖戊糖 C1-OH H-N1 嘧啶堿基嘧啶堿基1）常見的核苷 核糖核苷：腺苷核糖核苷：腺苷(A)、鳥苷、鳥苷(G)、胞苷、胞苷(C)、尿苷、尿苷(U)。 脫氧核苷：脫氧腺苷脫氧核苷：脫氧腺苷(dA)、脫氧鳥苷、脫氧鳥苷(dG)、 脫氧胞苷脫氧胞苷(dC)、 脫氧胸苷脫氧胸苷(dT)。2 2）修飾核苷）修飾核苷l 1）修飾堿基核糖核苷l 2）堿基修飾核糖核苷l 3）非N-糖苷鍵相連核苷5 C戊糖戊糖 C1-OH H-C5 假尿苷假尿苷(tRNA)5 5、核苷酸、核苷酸l核苷酸是核苷的磷酸酯。l作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分

14、別是5-磷酸-脫氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。1 1）核苷酸的分子結(jié)構(gòu)）核苷酸的分子結(jié)構(gòu)磷酸堿基戊糖2 2）核苷酸衍生物）核苷酸衍生物5-5-核苷酸可按其在核苷酸可按其在55位縮位縮合的磷酸基的多少，分為一合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。酸核苷和三磷酸核苷。八種核苷酸如下表所示 lRNARNA的名稱為的名稱為某（一、二、三）苷酸某（一、二、三）苷酸，DNADNA在在某（一、某（一、二、三）前加脫氧二、三）前加脫氧兩字。兩字。l如如AMPAMP稱腺苷一磷酸稱腺苷一磷酸( (或腺苷酸）或腺苷酸） dAMPdAMP稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧

15、腺苷酸）。稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）。l稀有核苷酸與上類似；稀有核苷酸與上類似；ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結(jié)構(gòu)如下：OOHHOONNH2NNNadenosine triphosphate (ATP)POOOPOOOPOHOOATP (ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸) )ATP的性質(zhì)lATP 分子的最顯著特點(diǎn)是含有兩個(gè)高能磷酸鍵。ATP水解時(shí), 可以釋放出大量自由能。lATP 是生物體內(nèi)最重要的能量轉(zhuǎn)換中間體。ATP 水解釋放出來的能量用于推動(dòng)生物體內(nèi)各種需能的生化反應(yīng)。lATP 也是一種很好的磷?；瘎Ａ柞；磻?yīng)的底物可以是普通的有機(jī)分子，也可以是酶。磷?；牡孜锓肿泳哂休^高的能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟。 GTP (GTP (鳥嘌呤核糖核苷三磷酸鳥嘌呤核糖核苷三磷酸) )lGTP是生物體內(nèi)游離存在的另一種重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 類似的結(jié)構(gòu), 也是一種高能化合物。lGTP主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w。在許多情況下, ATP 和 GTP 可以相互轉(zhuǎn)換。 cAMP 和和 cGMPlcAMP(3,5- 環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3,5-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作為細(xì)胞之間傳遞信息的信使。lcAMP 和 cGMP 的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能