生物化學(xué)-第四章、核酸

1、第四章、核酸第四章、核酸 核酸是重要的生物大分子核酸是重要的生物大分子 ，是生物化學(xué)和分子生物學(xué)，是生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究的重要對(duì)象和領(lǐng)域，生物的特征是由生物大分子決定研究的重要對(duì)象和領(lǐng)域，生物的特征是由生物大分子決定的。糖和脂質(zhì)物質(zhì)是由酶（蛋白質(zhì)）催化合成的，它們與的。糖和脂質(zhì)物質(zhì)是由酶（蛋白質(zhì)）催化合成的，它們與蛋白質(zhì)在一起，增加了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性。蛋白蛋白質(zhì)在一起，增加了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性。蛋白質(zhì)的合成取決于核酸；然而生物功能需要通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)質(zhì)的合成取決于核酸；然而生物功能需要通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括核酸合成也有賴(lài)于蛋白質(zhì)的作用。核酸有兩類(lèi)，現(xiàn)，包括核酸合成也有賴(lài)于蛋白質(zhì)

2、的作用。核酸有兩類(lèi)，即脫氧核糖核酸（即脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（）和核糖核酸（RNA）。）。 因此，最重要的生物大分子是因此，最重要的生物大分子是DNA、RNA和蛋白質(zhì)，和蛋白質(zhì)，由生物大分子和有關(guān)生物分子與無(wú)機(jī)分子或離子共同構(gòu)成由生物大分子和有關(guān)生物分子與無(wú)機(jī)分子或離子共同構(gòu)成生物機(jī)體不同層次的結(jié)構(gòu)。生物大分子之間以及與其他分生物機(jī)體不同層次的結(jié)構(gòu)。生物大分子之間以及與其他分子之間的相互作用決定了一切生命活動(dòng)。子之間的相互作用決定了一切生命活動(dòng)。 所有生物細(xì)胞都含有核糖核酸和脫氧核糖核酸。所有生物細(xì)胞都含有核糖核酸和脫氧核糖核酸。DNA主要集中在細(xì)胞核中。線(xiàn)粒體、葉綠素也含有主要集中

3、在細(xì)胞核中。線(xiàn)粒體、葉綠素也含有DNA。RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)中。但是對(duì)于病毒來(lái)說(shuō)，要么只含主要分布在細(xì)胞質(zhì)中。但是對(duì)于病毒來(lái)說(shuō)，要么只含DNA，要么只含要么只含RNA。還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)既含。還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)既含DNA有含有含RNA的病毒。因的病毒。因此可將病毒分為此可將病毒分為DNA病毒和病毒和RNA病毒。病毒。 由于核酸的結(jié)構(gòu)與功能比較復(fù)雜，分子很不穩(wěn)定，由于核酸的結(jié)構(gòu)與功能比較復(fù)雜，分子很不穩(wěn)定，在在4類(lèi)生物大分子中，它的研究開(kāi)始最晚?，F(xiàn)代生物化學(xué)類(lèi)生物大分子中，它的研究開(kāi)始最晚。現(xiàn)代生物化學(xué)建立于建立于18世紀(jì)下半葉，世紀(jì)下半葉，“蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)”一詞出現(xiàn)于一詞出現(xiàn)于1838年。年?！昂撕怂崴帷币辉~

4、的出現(xiàn)晚半個(gè)世紀(jì)。然而對(duì)它的研究卻改變了一詞的出現(xiàn)晚半個(gè)世紀(jì)。然而對(duì)它的研究卻改變了整整個(gè)生命科學(xué)的面貌，并由此誕生了分子生物學(xué)這一當(dāng)今個(gè)生命科學(xué)的面貌，并由此誕生了分子生物學(xué)這一當(dāng)今發(fā)展最迅速、最有活力的學(xué)科。發(fā)展最迅速、最有活力的學(xué)科。 核酸的生物學(xué)作用是在發(fā)現(xiàn)核酸以后核酸的生物學(xué)作用是在發(fā)現(xiàn)核酸以后70多年才被證多年才被證實(shí)的。實(shí)的。1944年年Avery等完成了著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，等完成了著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，證明了使遺傳性發(fā)生改變的轉(zhuǎn)化因子是證明了使遺傳性發(fā)生改變的轉(zhuǎn)化因子是DNA。 1953年年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，被認(rèn)為是雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，被認(rèn)為是20世世紀(jì)自然科

5、學(xué)中的重大突破之一。它揭開(kāi)了分子生物學(xué)研究紀(jì)自然科學(xué)中的重大突破之一。它揭開(kāi)了分子生物學(xué)研究的序幕，為分子遺傳學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。的序幕，為分子遺傳學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。 70年代初建立起來(lái)的年代初建立起來(lái)的DNA重組技術(shù)是生命科學(xué)發(fā)展重組技術(shù)是生命科學(xué)發(fā)展的又一重大突破，基因工程誕生了。基因工程技術(shù)又大推的又一重大突破，基因工程誕生了。基因工程技術(shù)又大推動(dòng)了分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。動(dòng)了分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。第一節(jié)第一節(jié) 核酸的結(jié)構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu) 核酸（核酸（nucleic acid）是一種多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)）是一種多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸（單位是核苷酸（

6、nucleotide）。而核苷酸又由堿基、戊糖與）。而核苷酸又由堿基、戊糖與磷酸組成。磷酸組成。 核酸中的戊糖分兩類(lèi)：核酸中的戊糖分兩類(lèi)：D-核糖和核糖和D-2-核糖。核酸的分類(lèi)就核糖。核酸的分類(lèi)就是根據(jù)所含戊糖的種類(lèi)不同而分為核糖核酸和脫氧核糖核酸。是根據(jù)所含戊糖的種類(lèi)不同而分為核糖核酸和脫氧核糖核酸。兩類(lèi)核酸的基本化學(xué)組成兩類(lèi)核酸的基本化學(xué)組成一、核苷酸一、核苷酸1.1. 堿基堿基 核酸中的堿基分為兩類(lèi)核酸中的堿基分為兩類(lèi): :嘌呤堿和嘧啶堿。嘌呤堿和嘧啶堿。（1 1）嘧啶堿）嘧啶堿 核酸中常見(jiàn)的嘧啶堿有三種：胞嘧啶、尿嘧啶、核酸中常見(jiàn)的嘧啶堿有三種：胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶。胸腺嘧啶。

7、其中，其中，胸腺嘧啶胸腺嘧啶只存在于只存在于DNA中，但是中，但是tRNA中也中也有少量存在。尿嘧啶只存在于有少量存在。尿嘧啶只存在于RNA中。植物中。植物DNA中，有中，有相相當(dāng)量的當(dāng)量的5-甲基胞嘧啶。一些大腸桿菌噬菌體甲基胞嘧啶。一些大腸桿菌噬菌體DNA中，中，5-羥甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。羥甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。（2）嘌呤堿）嘌呤堿 核酸中常見(jiàn)的嘌呤堿有兩類(lèi)：腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤。核酸中常見(jiàn)的嘌呤堿有兩類(lèi)：腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤。 應(yīng)用應(yīng)用x光衍射分析法已證明了各種嘌呤和嘧啶的三維空間光衍射分析法已證明了各種嘌呤和嘧啶的三維空間結(jié)構(gòu)。嘌呤和嘧啶環(huán)很接近平面，但稍有撓折。結(jié)構(gòu)。嘌呤和嘧啶環(huán)很接近平面

8、，但稍有撓折。 自然界存在許多重要的嘌呤衍生物。一些生物堿，如茶自然界存在許多重要的嘌呤衍生物。一些生物堿，如茶葉堿（葉堿（1，3-二甲基黃嘌呤）、可可堿（二甲基黃嘌呤）、可可堿（3，7-二甲基黃呤）、二甲基黃呤）、咖啡堿（咖啡堿（1，3，7-三甲基黃嘌呤）等都是黃嘌呤（三甲基黃嘌呤）等都是黃嘌呤（2，6-二羥二羥嘌呤）的衍生物。有些植物激素如玉米素、激動(dòng)素等也是嘌嘌呤）的衍生物。有些植物激素如玉米素、激動(dòng)素等也是嘌呤類(lèi)衍生物。此外，還有些抗生素物質(zhì)也是嘌呤類(lèi)衍生物。呤類(lèi)衍生物。此外，還有些抗生素物質(zhì)也是嘌呤類(lèi)衍生物。（3）稀有堿基）稀有堿基 核酸中還有一些含量很少的堿基，稱(chēng)為稀有堿基，大多核

9、酸中還有一些含量很少的堿基，稱(chēng)為稀有堿基，大多是甲基化堿基。是甲基化堿基。2. 核苷核苷 核苷是一種糖苷，由戊糖和堿基縮合而成。糖與堿核苷是一種糖苷，由戊糖和堿基縮合而成。糖與堿基之間以糖苷鍵相連接，糖與堿基之間的連鍵是基之間以糖苷鍵相連接，糖與堿基之間的連鍵是N-C鍵，鍵，一般稱(chēng)之為一般稱(chēng)之為N-糖苷鍵。核苷分為核糖核苷和脫氧核糖核糖苷鍵。核苷分為核糖核苷和脫氧核糖核苷，命名時(shí)先堿基名稱(chēng)，糖環(huán)中的碳原子標(biāo)號(hào)上加苷，命名時(shí)先堿基名稱(chēng)，糖環(huán)中的碳原子標(biāo)號(hào)上加“”。3. 核苷酸核苷酸 核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸。因核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸。因此核苷酸就是核苷的磷酸酯。

10、核苷酸分成核糖核苷酸和此核苷酸就是核苷的磷酸酯。核苷酸分成核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸。脫氧核糖核苷酸。 核糖核苷的糖環(huán)上有核糖核苷的糖環(huán)上有3個(gè)自由羥基，能形成個(gè)自由羥基，能形成3種不同種不同的核苷酸：的核苷酸：2 -核糖核苷酸，核糖核苷酸，3 -核糖核苷酸和核糖核苷酸和5 -核核糖核苷酸。脫氧核糖的糖環(huán)上只有兩個(gè)自由羥基，所以糖核苷酸。脫氧核糖的糖環(huán)上只有兩個(gè)自由羥基，所以只能形成兩種核苷酸：只能形成兩種核苷酸：3-脫氧核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸和5-脫氧脫氧核糖核苷酸。生物體內(nèi)游離存在核苷酸多是核糖核苷酸。生物體內(nèi)游離存在核苷酸多是5-核苷酸，核苷酸，用堿水解用堿水解RNA時(shí)，可得到時(shí)，可

11、得到2-與與3-核糖核苷酸的混合核糖核苷酸的混合物。物。 細(xì)胞內(nèi)有一些游離存在的多磷酸核苷酸，它們是核細(xì)胞內(nèi)有一些游離存在的多磷酸核苷酸，它們是核酸合成的前體、重要的輔酶和能量載體。酸合成的前體、重要的輔酶和能量載體。二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu) 核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，無(wú)分支結(jié)構(gòu)。核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，無(wú)分支結(jié)構(gòu)。核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)也就是核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，通常是指核酸的核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)也就是核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，通常是指核酸的核苷酸序列。核苷酸序列。1. 核酸中核苷酸的連接方式核酸中核苷酸的連接方式 核酸可被酸、堿和酶水解。核酸水解產(chǎn)生各種寡核苷酸、核酸可被酸、堿和酶水解

12、。核酸水解產(chǎn)生各種寡核苷酸、核苷酸、核苷和堿基。這就說(shuō)明，核苷酸是核酸的結(jié)構(gòu)單核苷酸、核苷和堿基。這就說(shuō)明，核苷酸是核酸的結(jié)構(gòu)單位，核苷和堿基都是由核苷酸水解而來(lái)。核酸的酸堿滴定位，核苷和堿基都是由核苷酸水解而來(lái)。核酸的酸堿滴定曲線(xiàn)顯示，在核酸分子中的磷酸只有一級(jí)解離，它的另兩曲線(xiàn)顯示，在核酸分子中的磷酸只有一級(jí)解離，它的另兩個(gè)酸基必定與糖環(huán)的羥基形成了磷酸二酯鍵。通過(guò)核酸的個(gè)酸基必定與糖環(huán)的羥基形成了磷酸二酯鍵。通過(guò)核酸的外切酶，可知外切酶，可知RNA以以3，5-磷酸二酯鍵連接核苷酸，而磷酸二酯鍵連接核苷酸，而DNA的糖為的糖為2-脫氧核糖，只能形成脫氧核糖，只能形成3，5-磷酸二酯鍵。磷酸

13、二酯鍵。核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)（一級(jí)結(jié)構(gòu)）有幾種表示方法。上圖是豎核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)（一級(jí)結(jié)構(gòu)）有幾種表示方法。上圖是豎線(xiàn)式，用豎線(xiàn)代表戊糖，線(xiàn)式，用豎線(xiàn)代表戊糖，B為堿基，為堿基，P為磷酸基，原則上為磷酸基，原則上5端在左側(cè)，端在左側(cè)，3端在右側(cè)，磷酸二酯鍵的走向端在右側(cè)，磷酸二酯鍵的走向35。在文字式中，在文字式中，P在核苷之左表示與在核苷之左表示與C5相連，在右表示與相連，在右表示與C3相連，有時(shí)相連，有時(shí)P也可省略，僅以字母表示核苷酸的序列。也可省略，僅以字母表示核苷酸的序列。2. DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)的一級(jí)結(jié)構(gòu) DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是由數(shù)量及其龐大的脫氧核糖核的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是由數(shù)量及其龐大的脫氧核糖核苷

14、酸，通過(guò)苷酸，通過(guò)3，5-磷酸二酯鍵連接起來(lái)的直線(xiàn)形或環(huán)磷酸二酯鍵連接起來(lái)的直線(xiàn)形或環(huán)形多聚體。而且它沒(méi)有支鏈。形多聚體。而且它沒(méi)有支鏈。 DNA的相對(duì)分子質(zhì)量非常大，通常一個(gè)染色體就是的相對(duì)分子質(zhì)量非常大，通常一個(gè)染色體就是一個(gè)一個(gè)DNA分子，最大的染色體分子，最大的染色體DNA可超過(guò)可超過(guò)108bp，即大，即大于于1011。如此大的分子能夠編碼的信息量是十分巨大的。如此大的分子能夠編碼的信息量是十分巨大的。 為了闡明生物的遺傳信息，首先要測(cè)定生物基因組為了闡明生物的遺傳信息，首先要測(cè)定生物基因組的序列，迄今已經(jīng)測(cè)定生物基因組序列的生物數(shù)以百計(jì)，的序列，迄今已經(jīng)測(cè)定生物基因組序列的生物數(shù)以百

15、計(jì)，其中包括病毒、大腸桿菌、果蠅、玉米、水稻和人類(lèi)的其中包括病毒、大腸桿菌、果蠅、玉米、水稻和人類(lèi)的基因組?；蚪M。 人類(lèi)基因組的大小為人類(lèi)基因組的大小為3.2Gb，其中，其中2.95Gb為常染色為常染色質(zhì)，真正用于編碼蛋白質(zhì)的序列僅占基因組的質(zhì)，真正用于編碼蛋白質(zhì)的序列僅占基因組的1.1-1.4%3. RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)的一級(jí)結(jié)構(gòu) RNA也是無(wú)分支的也是無(wú)分支的線(xiàn)型多聚核糖核苷酸，線(xiàn)型多聚核糖核苷酸，主要由四種核糖核苷酸主要由四種核糖核苷酸組成。這些核苷酸中的組成。這些核苷酸中的戊糖不是脫氧核糖而是戊糖不是脫氧核糖而是核糖。核糖。 組成組成RNA的核苷酸的核苷酸也是以也是以3，5-磷酸二磷酸二

16、酯鍵彼此連接起來(lái)的。酯鍵彼此連接起來(lái)的。三、三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu) 1953年年Watson與與Crick提出提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，主要有雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，主要有三方面的依據(jù)：一是已知核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)和核苷酸鍵長(zhǎng)與鍵角的三方面的依據(jù)：一是已知核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)和核苷酸鍵長(zhǎng)與鍵角的數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)；二是Chargaff發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的DNA堿基組成規(guī)律，顯示堿基間的堿基組成規(guī)律，顯示堿基間的配對(duì)關(guān)系；三是對(duì)配對(duì)關(guān)系；三是對(duì)DNA纖維進(jìn)行纖維進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析獲得的精確結(jié)射線(xiàn)衍射分析獲得的精確結(jié)果。果。DNA雙螺旋模型的建立不僅揭示了雙螺旋模型的建立不僅揭示了DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，也開(kāi)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，也開(kāi)創(chuàng)了生

17、命科學(xué)研究的新時(shí)期。創(chuàng)了生命科學(xué)研究的新時(shí)期。1. DNA組成的組成的Chargaff規(guī)則規(guī)則 20世紀(jì)世紀(jì)40年代應(yīng)用紙層析及紫外分光技術(shù)測(cè)定各種生物年代應(yīng)用紙層析及紫外分光技術(shù)測(cè)定各種生物DNA的堿基組成具有生物種的特異性，不同物種的的堿基組成具有生物種的特異性，不同物種的DNA有其有其獨(dú)特的堿基組成。獨(dú)特的堿基組成。不同生物不同生物DNA的堿基組成的堿基組成 Chargaff首先注意到了首先注意到了DNA堿基組成的某些規(guī)律性。堿基組成的某些規(guī)律性。1950年他總結(jié)出年他總結(jié)出DNA堿基組成的規(guī)律，稱(chēng)為堿基組成的規(guī)律，稱(chēng)為Chargaff規(guī)則：規(guī)則：（1）腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即）

18、腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T;（2）鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)相等，即）鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)相等，即G=C;（3）含氨基的堿基（腺嘌呤和胞嘧啶）總數(shù)等于含酮基堿）含氨基的堿基（腺嘌呤和胞嘧啶）總數(shù)等于含酮基堿 基（鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶）總數(shù)，即基（鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶）總數(shù)，即A+C=G+T;（4）嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即）嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。 所有所有DNA中堿基組成必定是中堿基組成必定是A=T, C=G，這一規(guī)律暗，這一規(guī)律暗示示A與與T，G與與C相互配對(duì)的可能性，為相互配對(duì)的可能性，為Watson和和Crick提出提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要根據(jù)。雙螺旋結(jié)構(gòu)

19、提供了重要根據(jù)。 2. DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)Watson和和Crick于于1953年提出了年提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞， 兩條鏈均為右手螺旋。兩條鏈均為右手螺旋。（2）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與核糖在外側(cè)，）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與核糖在外側(cè)， 彼此通過(guò)彼此通過(guò)3，5-磷酸二酯鍵相連接，形成磷酸二酯鍵相連接，形成DNA分子分子 的骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)的平面則與縱軸平的骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)的平面則與縱軸平 行。多核苷酸鏈的方向取決于核苷酸間磷酸二酯鍵的走行。多核苷酸鏈的方向取決于核苷酸間磷酸二酯鍵的走 向，習(xí)慣上以向，習(xí)慣上以C3 C5為正向。兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)，為正向。兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)， 形成一條大溝和一條小溝。形成一條大溝和一條小溝。（3）雙螺旋的平均直徑為）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰堿基對(duì)之間的距離，兩個(gè)相鄰堿基對(duì)之間的距離 為為0.34nm，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10個(gè)核苷酸。個(gè)核苷酸。（4）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相聯(lián)系）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵