2012生物化学第二章核酸的化学

⑵1990：美国政府出资30亿美元，计划用15年时间完成
（1991——2005）。中国政府1999年加入该计划，承担了 约1%的工作。其间还有英国，日本，法国，德国参加。目 前该计划已经提前完成。随后，一些生物的DNA顺序也被测
定。例如水稻，家蚕等。目前生命科学已经进入后基因组
时代，即蛋白质组时代。
5-甲基胞嘧啶核苷(m5C) 脱氧腺嘌呤核苷：dA 脱氧胞嘧啶核苷：dC
四. 核苷酸
⒈化学组成
核糖分子上有5个羟基，其中，2’，3’和5’ 三个游离
羟基，可分别与无机磷酸结合成相应的核苷酸；脱氧核糖
只有3’和5’ 二个游离羟基，仅能形成3’和5’ 二种核苷酸。
还可形成环核苷酸，例如细胞中大量存在的环腺苷酸，
只在嘧啶碱基发生，嘌呤碱基不发生，在核酸分析中应用。
⒊碱基环氮原子的烷基化
碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。
NH2 N N O HN H2N N
+
NH2 CH3 N
+
NH2 N N N N R CH3 N
+
N N
+
N CH3
+
N R
N R
CH3 O N HN N
NH2 CH3 O N
+
N R
O HN O N R
-
OH
NH2 O N R
COO
-
腺嘌呤碱基不含羰基，对碱比较稳定。
（2）与肼的反应
嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。
O HN NH2NH2 O N R O HN O N R NH NH O HN NH R + H2O HN O N R O NH NH NHNH2 O
五、核苷酸之间的连接
⒈化学键： 3’,5’-磷酸二酯键 多核苷酸链就是核苷酸间通过3’,5’-磷酸二酯键
形成的。即一个核苷酸的3’羟基与另一个核苷酸
5’磷酸脱水形成3’,5’-磷酸二酯键。
两个核苷酸通过3＇，5＇-磷酸二酯键形成的聚合物 叫二核苷酸； 由2个以上、十个及以下核苷酸通过3‘，5’-磷酸二
子可发生亲电取代反应。
环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的
功能。嘧啶环中反应活性最高的是C5，嘌呤环中 反应活性最高的是C8。
（1）腺嘌呤核苷的溴代
NH2 N N N R 腺苷 N Br Br N N N R 8-溴 代 腺 苷 NH2 N Br CH3ONa NH2NH2 NaN 3 8-甲 基 腺 苷 8-肼 基 腺 苷 8-叠 氮 腺 苷
酯键形成的称寡核苷酸；
十个以上则称多核苷酸。
多核苷酸无分枝，又叫多核苷酸链。
多核苷酸链中的核苷酸称残基。
⒉核苷酸链的表示
用简写式表示，方向是从5＇到3＇
P—磷酸基团；大写单字母表示碱基；P在左侧表示磷酸与
糖环5’羟基结合，右侧表示磷酸基团与糖环的3＇羟基结
合。例如
pApCpApGpT
5-甲基胞嘧啶(m5C) 5-羟甲基胞嘧啶(hm5C)
N6-甲基腺嘧啶(m6A)
4-硫尿嘧啶(s4U) 次黄嘌呤(I)
N6-异戊烯基腺嘌呤(i6A)
三、含氮碱基的性质(略）
嘌呤和嘧啶是核酸中最重要的组分,对核酸的性质和生物功能 有重要影响。
含氮碱基具有芳香环的结构特点，由于环上羰基、氨基等的存
在，使碱基可发生酮 烯醇或氨 亚氨的互变异构。
表示方法：大写三字母
第一个字母表示碱基
第二个字母表示磷酸酯键数量
第三个字母表示磷酸残基
d表示脱氧
c表示成环状磷酸酯键
可在前面加上表示磷酸酯键的位置
例如3’-AMP；dAMP；cAMP；ATP
⒊核苷酸的用途
⑴合成核酸的原料：例如，ATP、CTP、UTP、GTP ⑵代谢能量载体： 主要是 ATP，磷酸与核糖连接是磷酸酯
H2N
N R
N R
CH3
同样条件下，U和T基本上不反应；应用CH2N2作为烷基化剂，
所有碱基都能发生上述反应。
⒋环外氨基的反应
环外氨基在适当条件下，也可以发生反应。 胞嘧啶的环外氨基在亚硝酸作用下，形成重氮盐，再转变为尿
嘧啶核苷。意义？
NH2 N O N R HONO O N N R N2
+
酸水解产物：核酸对酸不稳定，用酸完全水解成嘌呤、嘧啶和
戊糖及磷酸。
核酸
水
嘌呤
嘧啶
戊糖
磷酸
解
酶水解产物
核酸酶水解，产物为核苷和核苷酸；
核苷酶水解，水解产物为等分子的核糖及碱基；
核苷酸酶水解，水解产物为等分子的核苷、磷酸。 核酸
核苷酸
核苷
酶
水 解
核 糖
磷 酸
碱 基
核 糖
碱 基
一. 核糖和脱氧核糖
DNA测序技术。
⑹限制性内切酶等技术的发现及应用，大大推进了对遗传
物质的结构分析和重组研究，由此产生的基因工程目前已 经在医药、医学，工业、农业、畜牧等领域得到日益广泛 的应用，正在带来越来越多的变化。
⒊基因组时代
⑴1986：诺贝尔奖获得者H.Dulbecoo在Science杂志上率
先提出人类基因组计划（简称HGP）。
平、利尿和增加
胃酸的分泌。
⒉嘧啶
嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶
胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶；修饰嘧啶（稀有嘧啶）5-甲基胞
修饰嘧啶
修饰嘧啶
⒊碱基的缩写
第一字母。
DNA 尿嘧啶(U) 5-羟甲基尿嘧啶(hm5U) RNA 5,6-二氢尿嘧啶(DHU) 5-甲基尿嘧啶，即胸腺嘧啶(T)
与碱基一样，核苷酸能发生烯醇化转化，在溶液中， 酮式与烯醇式两种互变异构体常同时存在，并处于 一定的平衡。核苷酸以酮式结构为主参与形成核酸。

⒊核苷酸的解离（略）
碱基、核苷的解离主要源于环上氨基，而核苷酸
三.核苷
⒈定义： 核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶生成的糖苷
⒉连接：
核糖或脱氧核糖C1与嘌呤N9或嘧啶N1氮原子以糖苷键相连。
假尿嘧啶核苷（C1’—C5）
注意核糖标号C1’，以区别碱基编号。
腺嘌呤核苷
胞嘧啶核苷
书写方式
核苷用大写单字母表示，脱氧核苷在其前加一小写的d，取 代基团用小写字母表示，取代位置写在取代基团符号的右 上角。 例如，腺嘌呤核苷：A 胞嘧啶核苷：C
键，能量为14kJ/mol，第一个磷酸与第二个磷酸间及第二
个与第三个磷酸间的连接是高能磷酸键，能量为30kJ/mol。 ⑶酶的辅助因子：例如NAD+（辅酶Ⅰ，NADP+）
⑷生物合成：例如GTP参加糖的转化、CTP参加磷脂
合成
⑸传递信号：例如cAMP
⑹调控代谢：ATP/AMP+ADP+ATP比例（能荷）
⑷1943：发现DNA中A=T和C=G的规律，推翻四核苷
酸学说。
⑸1944：进行了著名的肺炎双球菌转化实验，证明
使肺炎双球菌遗传发生转变的转化因子是DNA。
⑹1953年：提出DNA的双螺旋分子模型,奠基分子水
平的生命科学研究及应用。
⒉分子生物化学时代
⑴1970：发现、分离、纯化出细菌限制性内切酶；
因此，碱基既有芳香环的特性，也具有氨、酮和烯醇等相应的 化学性质。
⒈碱性
嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。 环上氨基的pKa值约为9.5。 碱基环外的氨基（存在于A、G和C）的碱性很弱，在
生理pH条件下不能被质子化（与苯胺相似）。
因此，其碱性主要是环上氨基的贡献。
⒉碱基环的亲电取代
由于嘌呤和嘧啶的芳香环结构，其上的正碳原
3’，5’-环腺苷酸（cAMP）
脂键
5` 4` 3` 2` 1`
碱基连接（糖苷键）
（对DNA为H）
⒉核苷酸命名及表示
根据其分子上的磷酸酯键位置、数量及碱基命名。
例如，腺嘌呤核苷在5’位置上有一磷酸酯键，即称5’-腺
嘌呤核苷ຫໍສະໝຸດ Baidu；在3’上则称3’-腺嘌呤核苷酸；
若在同一位置有连续的磷酸酯键则称多核苷酸，例如， 腺嘌呤二核苷酸、三核苷酸；若在不同位置上连有多个 磷酸酯键，则加上位置区别，例如3’，5’-二磷酸核苷酸 或3’-核苷酸-5’-磷酸。
⑵1971：应用限制性内切酶切割DNA，绘制出酶切点图谱
（限制性图谱）；
⑶1972：喉病毒SV40环状DNA分子内插入外源DNA片段，获
得DNA体外重组体。
上述三项技术的建立，导致70年代初DNA重组技术诞生。
⑷1973：获得细菌质粒重组体并实现克隆；
⑸1975：建立酶法DNA测序技术；1978年，建立了化学法
（2）尿嘧啶核苷的氯代
O Cl Cl N NH O Cl H + N R R 尿嘧啶核苷 O NH O Cl H + N R O Cl NH O N R 5-氯 尿 嘧 啶 核 苷 O NH O
3．碱基环的亲核加成
（1）水解
含羰基的碱基（G、C、T和U），具有酰胺键的结构特
点，在碱性条件下，可发生水解开环反应。
OH H2O O N N R O HN
O
N R
腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄
嘌呤核苷（I）和黄嘌呤核苷（X）。
影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致DNA
复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。
⒌光聚合反应
胸腺嘧啶在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：
HN O HN O N R CH3 CH3 N R O NH O H2O O N R CH3 UV HN O N R O CH3 OH OH NH N R O CH3 CH3 N R O O NH O
和激动素N6-呋喃甲基腺嘌呤等
增强膈肌收缩力，有益于改善呼吸功能;微弱舒张冠
状动脉，外周血管作用和轻微利尿作用
强\持久利尿作用\扩张 冠状动脉\兴奋心肌及 松弛气管平滑肌的作用; 对弱兴奋中枢,直接增 强横纹肌机能和能力,
剂量大引起肌肉僵硬。
咖啡碱升高血压、 增加血液中的儿
茶酚胺的含量、
增强血液中高血 压蛋白原酶的活 力、提高血清中 游离脂肪酸的水
易溶解于水，不溶解于有机溶剂
具有旋光性
在酸性溶液中不稳定，易分解破坏
在中性或弱碱性溶液中稳定
⒉紫外吸收
碱基、核苷、核苷酸在240—290nm有强烈吸收。
定量；用260nm测定，公式：
核苷酸（%）=（ A260/E260 × C）× M × 100
M为其分子量。
E260为所测核苷酸的摩尔消光系数，C为样品浓度（mg/mL），
也可省去式中的P，用连字符代替。
例如pA-C-G-T
也可以用竖式表示
B代表碱基，竖线代表戊糖碳链，P代表磷酸基。与P相连的 斜线表示3',5’-磷酸二酯键
B
B
B
B
B
B
B
'3 P
'3 P
'3 P
'3 P
'3 P
'3 P
'3
5'
5'
5'
5'
5'
5'
5'
六. 核苷酸的性质
⒈一般性状
无色粉末或结晶
定性分析：不同核苷酸的紫外吸收峰值不同，可以 选定两个波长之比，用作鉴别不同核苷酸的指标。 常用的为250/260；280/260；290/260。
例如5’-AMP，250/260 pH2时0.85；7.0时0.80；
280/260 pH2时0.22；7.0时0.15
⒊核苷酸的互变异构作用（略）
脱氧核糖：DNA的核糖为β-D-2-脱氧核糖 核糖：RNA的核糖为β-D-核糖，少量含有β-D-2-O甲基核糖。
OH
β-D-核糖
β-D-2’-脱氧核糖
二. 碱基
⒈嘌呤：腺嘌呤，鸟嘌呤，黄嘌呤，次黄嘌呤等，修 饰嘌呤如1-甲基嘌呤，6-甲基嘌呤
腺嘌呤 A
嘌呤类似物
如尿酸、茶叶碱、可可碱、咖啡碱、玉米素—N6异戊烯腺嘌呤
DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，
可能发生上述聚合反应，破坏正常复制或转录。
⒍环外氧的反应
含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，烯醇式羟基可
以被烷基化为稳定的烯醇醚。导致何种后果？
O OCH3 N N
NH
N
+
N H N NH2
CH3I
N H N
+
NH2
HI
鸟嘌呤烷基化形成6-甲氧基鸟嘌呤后，不再与C配 对，而与T配对。 引起DNA的复制、转录及信息表达出现错误。
二、主要种类及定位
两类:DNA和RNA DNA：细胞核或拟核，线粒体、叶绿体、质粒。 RNA：主要在细胞质，包括nRNA; mRNA；tRNA等。 近年发现少量RNA有调节和催化功能。
染色 体
质粒
叶绿体中含 有环状DNA
细菌等原核生物
线粒体中含 有环状DNA
第二节 核酸的化学组成
第二章
核酸的化学
本章重点:核酸的结构和性质
难点:DNA和基因
第一节 概述
一、发现及研究历史
⒈传统生物化学时代
⑴1868：从脓细胞核中分离出一种高含磷的酸性 有机物—核素。 ⑵1889：分离出核酸。
⑶随后，证明核酸有两种,即脱氧核糖核酸（DNA）
和核糖核酸（RNA）。