第三章 核酸化学

《动物生物化学》授课内容内容第三章核酸化学与结构核酸（nucleic xcids）属生物大分子，是一切生物必不可少的组成物质。

DNA 脱氧核糖核酸（dexyribonucleic acid）RNA 核糖核酸（ribonucleic acid）种类分布功能DNA 原核生物：核质区真核生物：95%在细胞核、5%在线粒体和叶绿体遗传信息的载体RNA tRNA 原核生物：细胞质携带、转移aa mRNA 真核生物：75%在细胞质肽链合成的模板15%在线粒体和叶绿体10%在细胞核rRNA 核糖体主要成分DNA主要分布细胞核，少量在线粒体、叶绿体；RNA主要分布细胞质，少量在线粒体和叶绿体；所有细胞(真核、原核)都含有DNA 和RNA。

病毒只含一种核物质；有DNA病毒和RNA 病毒之分。

一般情况下，真核细胞的核酸与某种特殊蛋白质组合在一起，形成复合物。

DNA：贮存全部生物信息的载体（以核苷酸排列方式，对信息进行多层次、结构复杂的组合贮存）。

通过DNA自我复制进行完整的结构与信息遗传；通过转录，把DNA信息转抄在指导合成的RNA上；通过翻译，将RNA信息转抄在指导合成的蛋白质上；以蛋白质结构与功能形式，表达出DNA生物信息的物质形态、结构特征与生物功能等。

转录翻译DNA RNA 蛋白质合成其他物质mRNA 或行使功能复制tRNArRNA生物遗传的中心法则（1958年提出）1、DNA是生物遗传信息的载体。

2、信息从DNA →RNA（主要指mRNA ）→蛋白质的单向传递过程；3、信息从DNA →DNA的单向传递（复制）过程；*4、信息从模板RNA →DNA的单向传递（逆转录）后，再沿联DNA →RNA（mRNA ）→蛋白质进行单向传递。

注：* 70年代克瑞克进行了修正。

1、RNA病毒以模板RNA为信息载体，这种RNA与三类RNA在构成上基本相似，但功能不同：只能指导合成对应的DNA，再以DNA为模板，合成mRNA等三类RNA，再指导合成蛋白质。

2、模板RNA具有相应的复制酶，可以进行自我复制。

遗传中心法则复制转录翻译DNA RNA 蛋白质合成其他物质mRNA 或行使功能反转录tRNA模板RNA rRNA复制3．1 核酸化学组成核酸分子的最基本组成单位是核苷酸（Nucloticle 简称Nt）。

它又是由更小的单元所构成。

核糖有脱氧、非脱氧两种核苷核酸核苷酸碱基有四种碱基磷酸一、碱基（base）是核酸的特征性物质。

DNA和RNA均有四种：DNA 腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）RNA 腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）嘌呤由嘧啶环和咪唑环组成。

另外嘌呤和嘧啶还有几种衍生物称为稀有碱基，（如次黄嘌呤和5—甲基胞嘧啶等）均在代谢过程中生产，在代谢及调控方面方面有重要作用。

不同物种还可产生特殊的衍生物，如可可碱、茶碱、咖啡碱等。

二、核糖(ribose)两种核酸的核糖都是戊糖——五碳糖。

DNA C 2上无OH基，称脱氧核糖核酸。

RNA C 2上有OH基，称核糖核酸。

由于分子结构中C 1为手性碳，故构型上有α、β两种，天然核酸中的戊糖均为β型；C 4也为手性碳，则有D、L型之分，天然核酸中均为D型；核糖形成的五元环为呋喃环。

三、核苷（Nucleoside ）核糖C 1上的OH与碱基上的N 1 或N 9 脱去一分子水，以β—糖苷键相连（又称N—糖苷键）。

四、核苷酸(nucleotide)戊糖C5上的OH被磷酸化，形成磷酸酯键的即为单核苷酸。

1、三磷酸核苷酸单核苷酸上的磷酸基，一定条件下可再连接一个或二个磷酸基，形成的磷酸酯键具有极高的能量（比一般的磷酸键能量高2—4倍），称为高能磷酸酯键。

是生物代谢中最重要的能量贮存、转换、运输载体，参与很多代谢过程，并直接提供能量。

对应于四种碱基，则有四种类型。

每类有三种。

例AMP含1个磷酸，称腺苷一磷酸；ADP含1个高能磷酸键，称腺苷二磷酸；ATP含2个高能磷酸键，称腺苷三磷酸。

2、环化核苷酸单核苷酸分子内环化形成。

是生物体重要的信息载体。

如cAMP、cGMP 等。

cAMP（环化腺苷酸）：5′的磷酸基与3′的OH形成双酯键六元环。

cAMP在细胞内由环化酶合成，二酯酶分解。

A TP 腺苷酸环化酶cAMP 磷酸二酯酶5′—AMPppicAMP是很多激素的信息传递物质，激素称为第一信使，cAMP称为第二信使。

它通过一定机制，将激素信号传递到细胞内，并将信号放大后再传递给胞内其他介质；有些组织中的cAMP还可传递神经信号、遗传信号等不同形式的化学、电子信息等。

五、核酸由核苷酸之间以磷酸二酯键相连排列成线性结构。

并具有严格的5′ 3′方向性。

3．2 DNA分子结构核酸均为无分枝的多核苷酸长链结构。

核苷酸间均以3′5′磷酸二酯键相连，构成长链的主轴。

核酸上的四种碱基，只能A/T、G/C以氢键相配，且物质的总含量符合[A+C]=[G+T]规则，称为碱基当量定律。

一级结构核苷酸以3′5′磷酸二酯键连结成的线性排列结构。

因核酸链5′端有一个P ，3′端有一个OH基，故规定序列写法：5′→3 ′从结构上看，一级结构决定高级结构；从功能上看，一级结构的精确排列决定了遗传信息内容。

1977年英国的桑格首先测出了噬菌体φχ174的单链环状DNA的5386NT的线性排列结构。

90年代中期，开始进行多国合作的人类基因组大规模测序工作。

现在有专门的设备来进行测序，时间短，工作效率极高。

二级结构1953年,美国沃森(Watsosn)和克瑞克(Crick)提出：DNA右手双螺旋模型。

“Right handed B-form DNA Double helix Model ”特征要点：①每条DNA链均由2条平行的多核苷酸链相反平行构成，并围绕同一个中心轴，形成右手螺旋状。

②疏水性碱基层叠于螺旋内侧，亲水性磷酸和戊糖形成DNA骨架主链，位于螺旋的外侧。

③碱基平面间距0.34 nm，并与中心轴垂直；螺旋每周有10对核苷酸；螺距3.4 nm ；相邻碱基转角36º。

④双螺旋直径20 nm，因碱基对所占空间不对称，故在螺旋结构中留下大、小两条沟。

大沟更有利于和专一性蛋白质结合。

⑤两条链的碱基之间互补配对：嘧啶/嘌呤（即A—T，G—C）；碱基间以氢键相连，A T，G C。

按此原则，确定单链排列后，就可知另一条互补链序列。

上述特征是天然DNA中最主要的、最稳定的B型结构。

A型：右手螺旋，由B型脱水后形成。

天然态在RNA—DNA杂交链中常出现。

Z型：左手螺旋，生物意义还不很明确，可能与基因信息表达与关闭有关。

三链螺旋体；1957年发现在基因的调控区或染色质的重组部位有DNA的三螺旋结构。

可能的功能有：可阻止调节蛋白与DNA结合，关闭基因转录过程；与基因重组，交换有关；作为分子剪刀(molecular scissors)，定点切割DNA分子；加入反义的第三条链(anti-sence polydNt) 终止基因的表达等。

维持双螺旋结构稳定的主要因素：碱基堆积力、疏水力、氢键、离子键、范氏引力等次级键。

高级结构在二级结构的基础上进一步形成高级结构。

线性DNA 指常见的双螺旋结构，也是行使功能的基本结构；它的分子张力最小。

环形DNA 当线性结构的2个端口，呈开放的互补状时（称粘性末端），末端可以发生碱基配对，并共价连接成闭环形态。

且分子张力增大。

这是线粒体、叶绿体以及多数原核生物DNA 的主要存在方式。

超螺旋DNA（Superhelix or Supercoil DNA）在环形链基础形成。

左手超螺旋称负超螺旋（缠松），右手称正超螺旋（缠紧），天然态以负超为主。

这种结构在DNA复制、转录控制过程中，具有非常重要的作用。

超螺旋又称拓扑结构，形成或解除这一复杂结构有专一性很强的拓扑异构酶（Top I 与Top II ）完成。

Top I 对负超螺旋处的单链亲合力极高，主要起切链解旋作用；Top II 对非超螺旋有亲合力，起切链加螺旋作用。

真核细胞中核DNA的高级结构是一种极为复杂的特殊超螺旋。

核←染色体←单染色体←染色丝←核小体组蛋白核小体(nucleosome) 由DNA双螺旋以负超螺旋方式，盘绕在组蛋白球上（八聚体共有5种）1又1/3圈构成。

盘绕部分的DNA长140个碱基对，间链约60个碱基对，共200个碱基对。

核小体结构相当于超螺旋。

是染色体最基本的结构单位。

3．3 RNA特点与结构1、主要特点RNA主要有三类：mRNA（信使）、tRNA（转运）、rRNA（核糖），另一类特殊的模板RNA，存在于RNA型病毒中。

mRNA ：合成蛋白质的模板；占RNA总量3—5%，但种类很多；分子大小不一（均一性差）；分子活跃但不稳定。

真核生物：在核内合成，进入胞质后，需修饰加工才有活性并保持稳定；寿命长，从几小时到几十天（卵细胞）；5′加“帽子”：RNA的5′端接一个7—甲基鸟苷酸（m7G）3′长“尾巴”：RNA的3′端接一段polyA，由专一聚合酶完成原核生物：在胞质中合成，无需修饰就有活性（无帽子和尾巴结构），但分子稳定性差，寿命短，从几秒到几分钟。

rRNA：是核糖体重要组成之一（占其质量60%）。

核糖体是合成蛋白质的场所，分布在胞浆中；rRNA占RNA总量80%；代谢稳定，分子量大，一般由大小两个亚基组成。

tRNA：在合成蛋白质时，是氨基酸的运输载体；每种tRNA可带至少一种氨基酸进入核糖体；分子量小，含75—90个核苷酸组成；占RNA总量15%。

模板RNA：功能上相当于DNA；可以是双链（多为分子内双链）也可以是单链；主要存在于RNA型病毒。

2、结构一级结构核苷酸以3′5′磷酸二酯键连结成的线性排列结构。

主要有AGCU四种碱基；部分RNA中含有少量稀有碱基，（碱基衍生物），与RNA 特殊功能有关。

链的书写方向为5′→3′。

二级结构RNA分子一般为单链，局部可以相互配对形成双链区（配对原则与DNA同，A/U，C/G），并可能产生右螺旋，而非配对区为直链或开环状如：“发夹”结构、“三叶草”结构等。

三叶草结构是tRNA的典型结构，主要特征有：①氨基酸臂：分子3′端由4个单链碱基和7个配对碱基对臂组成；CCA为携带活化氨基酸的活性位点。

②D环（二氢尿嘧啶环）：由8—12个核苷酸组成，含有二氢尿嘧啶碱基（稀有碱基。

③反密码环：由7个碱基组成，含反密码子序列（由3个核苷酸组成）；能识别mRNA 上密码子信号的位点。

④TψC环：由7个核苷酸构成，含有稀有修饰碱基T、ψ；识别结合核糖体的功能位点。

⑤可变环：核苷酸数目不详，功能也不明；是tRNA分类的重要指标。

高级结构：因RNA链内局部双链螺旋、直链和环化结构共存，使整个分子的空间结构发生变形、强行扭曲；进而形成特定高级结构。

分子高级结构中，均以稳定分子、提高活性为目的，最大限度的暴露和利用活性位点的功能。