核酸的化学

第二章核酸的结构与功能第一节核酸的概念和化学组成一、核酸的发现及研究进展1、最早1868年，瑞士科学家Miescher从绷带脓细胞中发现含磷2.5%的化合物，称为核素。

2、1881年，Altmann从小牛胸腺、酵母中得到，它不含Pro，命名为核酸。

3、1914年，把小牛胸腺中得到的核酸称胸腺核酸（动物核酸），把从酵母中分离得到的核酸称酵母核酸(植物核酸)。

又根据戊糖分为脱氧核糖核酸——DNA和核糖核酸——RNA4、1944年，Avery研究肺炎球菌转化实验，证明DNA是遗传物质的结论。

最初是1928年，Gniffith以肺炎球菌作为转化的材料。

肺炎球菌光滑型（S型）：菌落光滑、有荚膜、有毒性。

粗糙型（R型）：菌落粗糙、无荚膜、无毒性。

活体转化，四组实验：①活S型菌—→Rat—→die②活R型菌—→Rat—→live③加热杀死的S型菌—→Rat—→live④加热杀死的S型菌—→Rat—→die活R型菌说明R型菌可以转化为活S型菌，加热杀死的S型菌中有一种物质可使活R型菌转化为S型菌。

1944年美国科学家Avery做了大量实验确定这种物质是DNA （转化因子）。

5、1953年，沃森和克里克提出DNA的双螺旋模型结构，不但阐明了DNA结构，而且对DNA的复制、遗传物质的传递、都作了重要的说明。

6、20世纪70年代，DNA重组技术应用——基因工程诞生。

7、2000~2002年人类基因组计划完成。

二、核酸的概念和重要性核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子物质，包括DNA和RNA。

DNA主要分布在细胞核中；RNA分布在细胞质和细胞核中，主要有三种信使RNA（mRNA）、核蛋白体（rRNA）、转运（tRNA）。

真核生物中还有HnRNA和SnRNA，HnRNA是mRNA 的前体，SnRNA参与RNA的修饰加工等。

DNA是遗传的物质基础。

（一）核酸是遗传物质细胞核内DNA含量恒定，不受外界环境的影响。

生物遗传特征的延续和生物进化都由基因所决定的。

基因是具有遗传效应的DNA 片段。

（二）核酸参与蛋白质的生物合成mRNA是蛋白质合成材料，rRNA是核糖体的成分。

三、核酸在医药上的应用1、RNA：来源与微生物发酵，动物内脏，可用于改善精神迟缓，记忆衰退，刺激造血，促进白细胞再生，治疗初级癌症。

2、DNA：来源于微生物发酵，可用于改善疲劳，提高抗癌疗效。

3、免疫核糖核酸（iRNA）：来源于免疫的动物内脏，用于肿瘤的免疫治疗。

4、多聚核苷酸（polyC，polyI）：来源于微生物发酵和化学合成，作为干扰素的诱导剂。

5、核苷-磷酸（IMP、CMP、UMP）：来源于微生物发酵。

IMP：治疗肝炎、肾炎、白血球升高等症CMP；治疗肝炎、肾炎、白血球、血小板升高四、核酸的基本结构单位——单核苷酸（一）核苷酸的概念核酸水解生成核苷酸，核苷酸进一步水解生成核苷和磷酸，核苷再水解生成碱基和戊糖。

核苷酸：由碱基、戊糖和磷酸组成和化合物，是核酸的基本结构单位。

核酸分子中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱，嘌呤碱主要有腺嘌呤A、鸟嘌呤G；嘧啶碱主要有胞嘧啶C、尿嘧啶U和胸腺嘧啶T，称为基本碱基。

有些核酸分子中还有1-甲基腺嘌呤、次黄嘌呤、N6-甲基腺嘌呤等，它们在核酸分子中并不多见，称为稀有碱基。

核酸分子中的戊糖有两种：D-核糖、D-脱氧核糖，结构式如下：DNA和RNA分子的化学组成为RNA DNA碱基AGCU AGCT戊糖R dR磷酸磷酸磷酸（二）核苷酸的分子结构1、核苷核苷：由碱基和戊糖缩合形成的化合物。

碱基与核糖缩合形成核糖核苷，碱基与脱氧核糖核苷缩合形成脱氧核糖核苷，如腺嘌呤与核糖缩合生成腺嘌呤核苷，简称腺苷，其它核苷可依此命名，它们的分子结构如下：（投影膜）在核苷分子中，嘌呤碱基的N9与戊糖的C1连接，连接键为N-C 键，一般称为N-糖苷键，并且戊糖环的C1-OH为β构型，所以碱基与戊糖的连接为β-糖苷键。

为了与碱基相区别，将核苷分子中戊糖上原子的定位加“‘”表示。

2、核苷酸核苷分子中戊糖环上的羟基磷酸酯化，形成核苷酸，也可称磷酸核苷。

根据核苷酸分子中戊糖的不同，核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖苷酸两类。

核糖有3个游离羟基（2，3，5）因此可形成三种核苷酸；脱氧核糖只有两个游离羟基（3，5）。

自然界中存在的游离核苷酸多为5‘-核苷酸（代号可略）。

如5‘-腺嘌呤核苷酸，简称腺苷酸。

，其它核苷酸的命名依次类推。

（投影膜）五、核苷酸的衍生物（一）多磷酸核苷酸凡含有一个磷酸基的核苷酸称为一磷酸核苷。

其中5‘-一磷酸核苷的磷酸基可进一步磷酸化，生成5‘-二磷酸核苷和5‘-三磷酸核苷。

以腺苷酸为例，结构式如下：（投影）常用的核苷酸及其简化符号见投影：常用的核苷酸及简化符号见表2-2一磷酸二磷酸三磷酸腺苷AMP ADP ATP鸟苷GMP GDP GTP胞苷CMP CDP CTP尿苷UMP UDP UTP 脱氧胸苷dTMP dTDP dTTP生物体内多磷酸核苷具有重要的生物学作用。

四种三磷酸核苷是合成RNA的重要原料，四种三磷酸脱氧核苷是合成DNA的重要原料。

ATP在生物体内化学能的储存和利用中起重要的作用。

（二）环核苷酸5‘-核苷酸的磷酸基可与戊糖上的3‘-OH缩合形成3‘，5‘-环核苷酸。

重要的环核苷酸有3‘，5‘-环腺苷酸（cAMP）和3‘，5‘-环鸟苷酸（cGMP），它们在组织细胞中起着传递信息的作用，称为“第二信使”。

（三）辅酶类核苷酸一些辅酶属于核苷酸类衍生物。

辅酶Ⅰ（NAD+）和辅酶Ⅱ（NADP+）都是腺嘌呤与尼克酰胺组成化合物，黄素单核苷酸（FMN）是异咯嗪、核醇和磷酸组成的化合物，黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是由黄素单核苷酸与腺嘌呤核苷酸组成的化合物。

辅酶A（CoA-SH）是由腺嘌呤、氨基乙硫醇和叶酸组成的化合物，它们在糖、脂肪和蛋白质代谢中起着重要的作用。

第二节核酸的分子结构一、DNA的分子结构(一)DNA的碱基组成参与DNA组成主要四种碱基：A、C、G、T，还有少量稀有碱基。

20世纪50年代应用纸层析及紫外分光光度计对各种生物DNA 的碱基组成进行定量测定，发现如下规律：1、所有DNA中A和T的摩尔含量相等，即A=T，G和C的摩尔含量相等，即G=C，因此A+G=C+T。

2、DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的DNA具有独特的碱基组成，但无组织和器官的特异性，且生长发育阶段、营养状态、环境都不会影响DNA的碱基组成。

（二）DNA的一级结构1977年，英国科学家Sanger首次测定噬菌体ΦX174的DNA，它是单链，由5386个碱基组成。

现已测定的最大噬菌体为λ-噬菌体。

DNA一级结构的定义：构成DNA的各个单核苷酸的数目和排列顺序。

实验分子表明，核酸分子中相邻核苷酸之间通过3‘，5‘-磷酸二酯键连接。

因为3‘，5‘-磷酸二酯键是在一个核苷酸的3‘-羟基与另一个核苷酸的5‘-磷酸之间形成的，所以由此连接的开链多核苷酸具有两端，戊糖3‘-羟基指向的一端称为3‘-末端，5‘-羟基指向的末端称为5‘-末端。

DNA的一级结构即是DNA分子中核苷酸的排列。

多核苷酸的分子结构书写格式可以写成线条式或文字缩写式如图:（投影膜）P和斜线代表3‘，5‘-磷酸二酯键,竖线表示核糖的碳链。

（三）DNA的二级结构1953年，Waston and Crick提出DNA的双螺旋结构模型。

（投影膜）1、DNA双螺旋模型提出的依据1）DNA碱基组成的分析：发现腺嘌呤和胸腺嘧啶含量相同（摩尔含量）A=T，C=G，说明可能A和T，G和C是配对的。

2）碱基的理化数据分析：嘌呤碱大，嘧啶碱小，因此A-T，G-C 配对是较合理的。

3）DNA纤维X-光衍射结构分析：Franklin制得精致的DNA纤维X-光衍射图，表明DNA分子中3.4Á和34Á的周期性结构，说明DNA可能存在着双螺旋性。

2、DNA双螺旋结构的特点1）DNA双螺旋分子由两条多核苷酸链组成，反向平行，即一条链走向3‘→5‘，另一条链为5‘→3‘，两条链均为右手螺旋，围绕同一中心轴形成右手螺旋。

2）脱氧核苷酸和磷酸基形成的链为基本骨架，在螺旋外侧，碱基分布在螺旋内侧3）内侧互补的碱基通过氢键性形成，A-T之间形成三个氢键，G-C之间形成两个氢键。

4）每个碱基对位于同一个平面内，碱基平面与中心轴垂直，相邻两个碱基距离为0.34nm，每螺旋一圈有10对碱基，相邻碱基平面距离为3.4 nm。

5）双螺旋结构上有二条螺形凹槽，一条较深，一条较浅。

较深的沟称大沟，较浅的沟称小沟。

3、维持DNA结构稳定的作用力1）碱基平面之间堆积力是维持双螺旋结构的主要力量。

2）碱基对之间的氢键。

3）磷酸基团上的负电荷和介质中的阳离子形成的离子键。

4、DNA双螺旋结构种类1）右手螺旋结构：由于DNA纤维的含水量不同，可分为三种：B-DNA、A-DNA、C-DNA。

①B-DNA：Waston and Crick提出的DNA双螺旋结构为B-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的DNA可能是B-DNA。

②A-DNA：碱基与中心轴不相垂直，而呈20倾角。

③C-DNA：可能存在于染色体与某些病毒的DNA中。

三者区别见书本P91。

2）左手螺旋DNA1979年，美国麻省理功学院Rich从d（GpCpGpCpGpCp）一段脱氧核苷酸链X衍射中发现，糖与磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋称为Z-DNA螺旋。

Z-DNA和B-DNA的区别见P92。

（五）DNA的三级结构定义：指DNA双螺旋链的扭曲或压缩。

常见的形成超螺旋结构。

1、DNA超螺旋结构形成原因由于某种原因使双螺旋多旋转或少旋转几圈，这样双螺旋内的原子偏离正常位点，产生额外压力，能量增大。

如果双螺旋末端是开放的，这种张力可通过链的转动释放出来，DNA就恢复到原来正常状态。

如果螺旋双端是闭和或固定（不能转动），那么这些张力就不能释放出来，只能在DNA分子内部，使原子位置重新排列，这样使得DNA发生扭曲，即超螺旋结构。

2、生物体内的超螺旋结构在细菌、真核生物中的环状DNA，叶绿体DNA是超螺旋结构。

生物的细核内DNA是线形双螺旋DNA，当两端固定时，可形成，例如：人的染色体DNA与组蛋白结合，成环状DNA，形成核小体，许多核小体串联在一起，再经过反复折叠缠绕、压缩形成超螺旋结构。

二、RNA的种类和分子结构生物细胞内含有三种主要的RNA，即转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）。

（一）转运RNA（tRNA）占全部RNA的15%，分子量较小，在2.5×104左右，由70—90个核苷酸组成。

tRNA在蛋白质生物合成过程中具有转运氨基酸的作用。

细胞内tRNA种类很多，每一种氨基酸都有相应的一种或几种tRNA。