核酸化学

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（base pair，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、P 5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。

知识链接

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（pyrimidine base）和嘌呤碱（purine base）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。

知识链接

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（nucleoside monophosphate，NMP）和脱氧核糖核