核酸的化学
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第五讲 核酸的化学
磷酸酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱 基有嘌呤和嘧啶两类。 DNA组成： 脱氧核糖、磷酸、 A、G、C、T RNA组成： 核 糖 、磷酸、A、G、C、U
第一节 核酸的组成成分
三 核 酸 的 组 分 .
碱基
磷酸基团
核糖 RNA 核糖核苷酸
第一节 核酸的组成成分
三 碱基 三.核 酸 的 组 分 核 磷酸酯基团 酸 核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷 的 酸酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱基 组 脱氧核糖 分 有嘌呤和嘧啶两类。 .
命名方法
核糖核苷酸以三个字母表示，第一个字母代表 碱基，第三个字母“P”代表磷酸，第二个字母中 “M”代表一，“D”代表二，“T”代表三； 脱氧核糖核苷酸则在上述三个字母前加“d”
例
UDP：二磷酸尿苷 dGMP：一磷酸脱氧鸟苷 dTTP：三磷酸脱氧胸苷
CTP： 三磷酸胞苷
GMP：一磷酸鸟苷
AMP
蛋 白 质 生 物 合 成
第二节
蛋 白 质 生 物 合 成
蛋白质的生物合成
转运RNA(tRNA)
这是细胞中最小的一种RNA ，约占总的15%，是 目前研究得最清楚的一类，在蛋白质合成中起携 带（选择供应）氨基酸的作用； 信使RNA (mRNA) 在胞内含量很少，约占5%，代谢活跃。在蛋白 质合成中起着模板的作用；
C1 H－C2－OH H－C3－OH H－C4 CH2OH5 β-D-呋喃核糖
OH
H
O
核糖
碱基 (base)
2.嘌呤 (purine) 胞嘧啶(cytosine，C)、 胸腺嘧啶（thymine，T)、 腺嘌呤(adenine，A)
1.嘧啶：(pyrimidine)：
尿嘧啶(uracil，U) ；
第一节 核酸的组成成分
三 核 酸 的 组 分 .
碱基
磷酸基团
核糖 RNA 核糖核苷酸
第一节 核酸的组成成分
三 碱基 三.核 酸 的 组 分 核 磷酸酯基团 酸 核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷 的 酸酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱基 组 脱氧核糖 分 有嘌呤和嘧啶两类。 .
命名方法
核糖核苷酸以三个字母表示，第一个字母代表 碱基，第三个字母“P”代表磷酸，第二个字母中 “M”代表一，“D”代表二，“T”代表三； 脱氧核糖核苷酸则在上述三个字母前加“d”
例
UDP：二磷酸尿苷 dGMP：一磷酸脱氧鸟苷 dTTP：三磷酸脱氧胸苷
CTP： 三磷酸胞苷
GMP：一磷酸鸟苷
AMP
蛋 白 质 生 物 合 成
第二节
蛋 白 质 生 物 合 成
蛋白质的生物合成
转运RNA(tRNA)
这是细胞中最小的一种RNA ，约占总的15%，是 目前研究得最清楚的一类，在蛋白质合成中起携 带（选择供应）氨基酸的作用； 信使RNA (mRNA) 在胞内含量很少，约占5%，代谢活跃。在蛋白 质合成中起着模板的作用；
C1 H－C2－OH H－C3－OH H－C4 CH2OH5 β-D-呋喃核糖
OH
H
O
核糖
碱基 (base)
2.嘌呤 (purine) 胞嘧啶(cytosine，C)、 胸腺嘧啶（thymine，T)、 腺嘌呤(adenine，A)
1.嘧啶：(pyrimidine)：
尿嘧啶(uracil，U) ；
核酸的化学
一、填空题1．核酸的基本结构单位是。
2．20世纪50年代，Chargaff等人发现各种生物体DNA碱基组成有的特异性，而没有的特异性3．DNA双螺旋中只存在种不同碱基对。
T总是与配对，C总是与配对。
4．核酸的主要组成是，和。
5．两类核酸在细胞中的分布不同，DNA主要位于中，RNA主要位于中。
6．核酸分子中的糖苷键均为型糖苷键。
糖环与碱基之间的连键为键。
核苷与核苷之间通过键连接形成多聚体。
7．嘌呤核苷有顺式，反式二种可能，但天然核苷多为。
8．X射线衍射证明，核苷中与平面相互垂直。
9．核酸在260nm附近有强吸收，这是由于。
10．给动物食用3H标记的，可使DNA带有放射性，而RNA不带放射性。
11．双链DNA中若含量多，则T m值高。
12．双链DNA热变性后，或在pH2以下，或pH12以下时，其OD260，同样条件下，单链DNA的OD260。
13．DNA样品的均一性愈高，其熔解过程的温度范围愈。
14．DNA所处介质的离子强度越低，其熔解过程的温度范围越，溶解温度越，所以DNA应保存在较浓度的盐溶液中，通常为mol/L的NaCl溶液。
15．DNA分子中存在于三类核苷酸序列：高度重复序列、中度重复序列和单一序列。
tRNA，rRNA以及组蛋白等由编码，而大多数蛋白质由编码。
16．硝酸纤维素膜可结合链核酸。
将RNA变性后转移到硝酸纤维素膜上再进行杂交，称印迹法。
17．变性DNA的复性与许多因素有关，包括，，，，等。
18．DNA复性过程符合二级反应动力学，其Cot1/2值与DNA的复杂程度成比。
19．双链DNA螺距为3.4nm，每匝螺旋的碱基数为10，这是型DNA的结构。
20．RNA分子的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链具有与型DNA相似的结构，外形较为。
21．NAD+，FAD和CoA都是的衍生物。
22．维持DNA双螺旋结构稳定的主要因素是，其次，大量存在于DNA分子中的弱作用力如，和也起一定作用。
23．tRNA的三级结构为形，其一端为，另一端为。
第5章核酸的化学 第四节 核酸的性质
食品生物化学
图5-15 RNA紫外吸收曲线
波长nm
食品生物化学
四、核酸的变性与复性
当核酸在某些理化因素（如有机溶剂、酸、碱、尿素、加 热及酰胺等）作用下，互补碱基对间的氢键断裂，双螺旋结构 松散，变成单链的过程称为变性(denaturation)。变性使核酸的 二级结构、三级结构改变，但核苷酸排列顺序不变。变性后的 核酸理化性质改变，生物学活性丧失。
核酸是相对分子质量很大的高分子化合物，高分子溶液比 普通溶液黏度要大得多，高分子形状的不对称性愈大，其黏度 也就愈大，不规则线团分子比球形分子的黏度大，线形分子的 黏度更大。由于DNA分子极为细长，因此即使是极稀的溶液也 有极大的黏度，RNA的黏度要小得多。
二、核酸的酸碱性质
核酸和蛋白质一样，也是两性电解质，在溶液中发生两性 电离。因磷酸基的酸性比碱基的碱性强，故其等电点偏于酸性。 利用核酸的两性解离能进行电泳，在中性或偏碱性溶液中，核 酸常带有负电荷，在外加电场力作用下，向阳极泳动。利用核 酸这一性质，可将相对分子质量不同的核酸分离。
DNA的变性是可逆的。变性DNA在适当条件下，变性的两 条互补链重新结合，恢复原来的双螺旋结构和性质，这个过程 称为复性(renaturation)。热变性的DNA经缓慢冷却（称退火处 理）即可复性。最适宜的复性温度比Tm值约低25℃，这个温度 又叫退火温度。
食品生物化学
图5-16 两种不同来源的DNA在260nm的吸收值与温度变化的关系
食品生物化学
DNA的解链过程发生于一个很窄的温度区内，DNA的变性 过程是爆发式的，有一个相变过程，把A260达到最高值的一半时 对应的温度称为该DNA的解链温度或融解温度，用Tm表示。 Tm值大小与DNA碱基组成有关，由于G-C之间的氢键联系要比 A-T之间的氢键联系强得多，故G＋C含量高的DNA其Tm值越高。 通过测定Tm值可知其G＋C碱基的含量。
第5章核酸的化学 第二节 核酸的化学组成
DNA和RNA分子中，主要元素有碳、氢、氧、氮、磷等， 个别核酸分中还含有微量的S。磷在各种核酸中的含量比较接 近和恒定，DNA的平均含磷量为9.9%，RNA的平均含磷量为 9.4%。因此，只要测出生物样品中核酸的含磷量，就可以计算 出该样品的核酸含量，这是定磷法的理论基础。
食品生物化学
二、核酸的水解产物
3.次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）
在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成 次黄嘌呤核苷酸。
次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤 核苷酸的关键物质，对生物的遗传有重要的功能。另外，它还 是一种很好的助鲜剂，有肉鲜味，与味精以不同比例混合制成 具有特殊风味的强力味精（见第九章第二节鲜味）。
2.腺苷衍生物——环腺苷酸（cAMP）
cAMP是由ATP经腺苷酸环化酶催化而成的。
食品生物化学
图5-7 环腺苷酸（cAMP）
食品生物化学
cAMP广泛存在于一切细胞中，浓度很低。它们的主要作 用不是作为能量的供体，而是在生物体内参与细胞内多种调节 功能，如它可调节细胞内催化糖和脂肪反应的一系列酶的活性， 也可以调节蛋白激酶的活性。一般把激素称为第一信使，而称 cAMP为“第二信使”。
核酸是一种聚合物，它的结构单位是核苷酸 。
核酸
核苷酸
磷酸
核苷
碱基
戊糖
(嘌呤碱和嘧Ch啶em碱Pa)st(e核r 糖或脱氧核糖)
图5-1 核酸的水解产物
食品生物化学
三、核酸水解产物的化学结构
1．戊糖
DNA和RNA的主要区别是所含戊糖不同，DNA分子中的戊 糖是β-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是β-D-核糖 。
碱基 Ade Gua Cyt Ura
食品生物化学
二、核酸的水解产物
3.次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）
在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成 次黄嘌呤核苷酸。
次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤 核苷酸的关键物质，对生物的遗传有重要的功能。另外，它还 是一种很好的助鲜剂，有肉鲜味，与味精以不同比例混合制成 具有特殊风味的强力味精（见第九章第二节鲜味）。
2.腺苷衍生物——环腺苷酸（cAMP）
cAMP是由ATP经腺苷酸环化酶催化而成的。
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图5-7 环腺苷酸（cAMP）
食品生物化学
cAMP广泛存在于一切细胞中，浓度很低。它们的主要作 用不是作为能量的供体，而是在生物体内参与细胞内多种调节 功能，如它可调节细胞内催化糖和脂肪反应的一系列酶的活性， 也可以调节蛋白激酶的活性。一般把激素称为第一信使，而称 cAMP为“第二信使”。
核酸是一种聚合物，它的结构单位是核苷酸 。
核酸
核苷酸
磷酸
核苷
碱基
戊糖
(嘌呤碱和嘧Ch啶em碱Pa)st(e核r 糖或脱氧核糖)
图5-1 核酸的水解产物
食品生物化学
三、核酸水解产物的化学结构
1．戊糖
DNA和RNA的主要区别是所含戊糖不同，DNA分子中的戊 糖是β-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是β-D-核糖 。
碱基 Ade Gua Cyt Ura
第三章核酸的化学
胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U）
DNA特有
RNA特有
O
O
C
C
HN C CH3 HN CH
C CH ON
C CH ON
H
H
3、磷酸：DNA、RNA均有
HO OH
RNA(AMP)
HO OH
H
DNA(dAMP)
两类核酸的基本化学组成比较
组成成分 DNA
腺嘌呤(A) 嘌呤碱 鸟嘌呤(G)
碱基
嘧啶碱
胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶(T)
NH2
N
N
~ ~ O
O- P O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH 三磷酸腺苷 (ATP)
AMP ADP
ATP
1、腺苷三磷酸(ATP)
▪ 主要功能： 提供能量
能量储存
AMP
能量释放
能量储存
ADP
能量释放
AMP ADP ATP
ATP
2、环苷酸
▪ 主要功能：细胞内信号传导过程中的重 要信息分子。
➢ 1952年，Hershey和Chase利用病毒完成更有说服力的“噬菌体” 实验。
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构，20世纪自 然科学最伟大的成就之一。
1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)
一、核酸的发现和研究简史
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结 构，20世纪自然科学最伟大的成就之一。
RNA:NTP
三磷酸腺苷酸ATP 三磷酸鸟苷酸 GTP 三磷酸胞苷酸 CTP 三磷酸尿苷酸 UTP
DNA特有
RNA特有
O
O
C
C
HN C CH3 HN CH
C CH ON
C CH ON
H
H
3、磷酸：DNA、RNA均有
HO OH
RNA(AMP)
HO OH
H
DNA(dAMP)
两类核酸的基本化学组成比较
组成成分 DNA
腺嘌呤(A) 嘌呤碱 鸟嘌呤(G)
碱基
嘧啶碱
胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶(T)
NH2
N
N
~ ~ O
O- P O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH 三磷酸腺苷 (ATP)
AMP ADP
ATP
1、腺苷三磷酸(ATP)
▪ 主要功能： 提供能量
能量储存
AMP
能量释放
能量储存
ADP
能量释放
AMP ADP ATP
ATP
2、环苷酸
▪ 主要功能：细胞内信号传导过程中的重 要信息分子。
➢ 1952年，Hershey和Chase利用病毒完成更有说服力的“噬菌体” 实验。
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构，20世纪自 然科学最伟大的成就之一。
1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)
一、核酸的发现和研究简史
➢ 1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结 构，20世纪自然科学最伟大的成就之一。
RNA:NTP
三磷酸腺苷酸ATP 三磷酸鸟苷酸 GTP 三磷酸胞苷酸 CTP 三磷酸尿苷酸 UTP
第三章 核酸化学
rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。
思考题：
体内有哪些重要的核苷酸？各有何作用？
DNA和RNA在化学组成、分子结构和生理功能有何异同？ 利用核酸的理化性质在临床实践中有何应用？
N O O
-
NH2 N N OCH2
-
O O
-
O O
-
N H H
P O
-
P O
-
P O
O
H H
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P )
多磷酸核苷酸
5′-磷酯键
N N O -O O O O O
NH 2
N
N
P O-
P O-
P O-
O
CH 2 H H OH
O H H H
脱氧腺嘌呤核苷 脱氧腺嘌呤一磷酸 (dAMP) 脱氧腺嘌呤二磷酸 (dADP) 脱氧腺嘌呤三磷酸 (dATP)
NH
核苷
N N
2 N 9 N
糖苷键
CH O H O 2 1'
H H OH H 2' O H H
嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷 键相连形成核苷。
核苷酸(ribonucleotide)
NH2
酯键
O
N N O
N
9 N
糖苷键
HO P O CH 2 O
-
H
H
OH
' 1 H H 2'
* tRNA的二级结构
——三叶草形
氨基酸臂 DHU环 反密码环
额外环
生物化学第三章核酸
第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
• DNA和RNA的区别
不同点 戊糖 碱基 二级结构 碱基互补配对 种类 RNA 核糖 G C A U 单链 忠实性较低 多 （mRNA，rRNA， tRNA 等） DNA 脱氧核糖 G C A T 双链 忠实性高 少
碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶(A-T)
4.双螺旋表面存在大沟和小沟
小沟
大沟
（二） DNA二级结构的多样性
• 三种DNA构型的比较
螺距 旋向 (nm) 每圈碱 基数 螺旋直径 （nm） 骨架 走行
存在条件
A型 右手 B型 右手
2.3 3.54
11 10.5
2.5 2.4
平滑 平滑
体外脱水 生理条件
（二）碱基
碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
NH2
嘌呤(purine，Pu)
N 7 8 9 NH
N
N
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
(二) 原核生物DNA的环状超螺旋结构
原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形 式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
DNA超螺旋结构的电镜图象
(三) DNA在真核生物细胞核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成
基本单位是核小体
DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。
第二章 核酸的化学3
（四）核酸的变性
2.热变性和 热变性和Tm: 热变性和 加热DNA的稀盐溶液，达到一定温度后在 的稀盐溶液， 吸光度骤 加热 的稀盐溶液 达到一定温度后在260nm吸光度骤 吸光度 然增加，表明两条链开始分开，吸光度增加约40%后变化趋 然增加，表明两条链开始分开，吸光度增加约 后变化趋 于平坦，说明两条链已完全分开。这表明DNA变性是一个突 于平坦，说明两条链已完全分开。这表明 变性是一个突 变过程，类似结晶的熔解，引起DNA变性的温度称为熔点， 变性的温度称为熔点， 变过程，类似结晶的熔解，引起 变性的温度称为熔点 表示。 用Tm表示。 表示 Tm：通常把ε(p)达最高时的 ： 达最高时的1/2温度叫做 温度叫做Tm。凡分子中 、 温度叫做 。凡分子中G、 C含量高的 含量高的Tm高。一般 值在70-85℃之间。 含量高的 高 一般DNA的Tm值在 的 值在 ℃之间。 3.影响 影响Tm的因素： 的因素： 影响 的因素 G-C对含量：G-C含量越高 对含量： 含量越高Tm愈高，经验公式（G+C）%= 愈高， 对含量 含量越高 愈高 经验公式（ ） （Tm-69.3）×2.44 ） 溶液的离子强度：离子强度较低的介质中Tm较低。 较低。 溶液的离子强度：离子强度较低的介质中 较低 溶液的pH值 完全变性； 溶液的 值： pH＞11.3时，DNA完全变性； pH﹤5. 0时， ＞ 时 完全变性 ﹤ 时 DNA易脱嘌呤。 易脱嘌呤。 易脱嘌呤 变性剂：甲酰胺、尿素、甲醛等可破坏H键 变性剂：甲酰胺、尿素、甲醛等可破坏 键，妨碍碱基堆积 下降。 使Tm下降。 下降
核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30~40%，当核 酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应 增色效应），但核酸 增色效应 复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应 减色效应）。 减色效应