第三章 核酸的生物有机化学(上)

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DNA三螺旋形成的条件是比较特殊的，因而在生 物体内存在的可能性较小，但在实验室中则容易实现。 目前，关于DNA三螺旋的生物学意义还只是一些预测，
显然，在这方面进行深入的研究是很有意义的。
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4. RNA的结构和分类 RNA与DNA在结构上有明显的差异。除了核苷酸 的组成不同外，更重要的是表现在立体结构上。 ⑴ RNA是单链分子：RNA分子是单多聚核苷酸 链。在RNA分子中，并不遵守碱基种类的比例关系，
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脱氧核糖(或核糖)中C1上的半缩醛羟基(β-构型 )与嘌呤碱基的N9-H或嘧啶碱基的Nl-H脱水生成 CN糖苷键，形成相应的核苷(nucleoside)。
NH2 N
N
N CH2OH H H OH OH
N H OH
O H H
核苷
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⑶ 磷酸和核苷酸：核苷的核糖C5上的羟基与磷酸 所形成的磷酸酯，称为核苷酸(nucleotide)。核苷 酸是构成核酸(DNA和RNA)的结构单元分子。
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② tRNA(transfer RNA, 转移-RNA):tRNA约占 RNA总量的15%。它的特点是不同种类的tRNA虽然 碱基顺序不同，但其大小和形状差别不大，链长平 均约为75个核苷酸。tRNA的功能是将mRNA所携带 的蛋白质氨基酸顺序信息翻译成相应的氨基酸，并 将氨基酸以活化的形式运送到核糖核蛋白体合成蛋
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③ 螺旋的横截面的直径约为20Å。每条链相邻 两个碱基之间轴距为3.4Å。每10个核苷酸形成一个
螺旋。螺旋的螺距（即螺旋旋转一圈）高度为34Å。
④ 两条多聚核苷酸链的盘绕力是链间的碱基对 所形成的氢键，碱基对的形成有严格的配对规律：
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因此，在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶 碱基的总数相等。
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② 腺嘌呤核苷的溴代
生成的8-溴腺嘌呤核苷可以进一步转变成多种 腺苷衍生物：
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③ 尿嘧啶核苷转变成胸腺嘧啶核苷：
④ 5-甲基胞嘧啶的生物合成：RNA或DNA中的胞嘧 啶，在甲基化酶(methylase)的作用下，能与SAM作
用，转变成5-甲基胞嘧啶。
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S-腺苷甲硫氨酸
⑵ 亲核-加成消除反应：碱基的含氮杂环中各个原子 上的电子云密度分布是不均匀的，在一定条件下也
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⑴ 亲电取代反应：在嘧啶环上含有两个氮原子， 由于电子效应的结果，使C5上的电子云密度比其他
碳原子高一些，因此对亲电取代反应最敏感。与此
相似，嘌呤环中，C8的电子云密度比C2和C6高 ，因 此C8对亲电取代反应也最敏感。
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嘌呤和嘧啶碱基可以发生多种亲电取代反应。主要
的反应有： ① 尿嘧啶核苷的氯代：
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⑵ DNA的复制及其生理意义：Watson和Crick发现
了DNA的双螺旋结构不久，就提出了著名的DNA复 制(replication)机制假说，其要点是：
① DNA在复制过程中，组成双螺旋的两条DNA链先
拆分成两条单链； ② 以DNA单链为模板，合成与模板完全互补的新链， 并形成一个新的DNA双螺旋分子。经过一个复制周 期后，子代 DNA分子的两条多聚核苷酸链中，一条 来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称
可以发生亲核加成反应。
① 水解反应：含有羰基的碱基(G,C,T,U), 从结构上 看具有酰胺键特点。因此在碱性条下，能发生水解
开环反应：
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腺嘌呤碱基不含羰基，因此对碱比较稳定。 ② 与肼的反应：嘧啶碱基能与肼作用，得到两种不同的产物：
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此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌
呤碱基不能发生这类反应，因此
腺嘌呤 胞嘧啶 鸟嘌呤 胸腺嘧啶 胸腺嘧啶
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பைடு நூலகம்
上述多聚核苷酸的核苷酸顺序可表示为： 5'PAPCPGPTPT3' 如果仅仅只关心其中的碱基顺序，则可以写成： 5'ACGTT3' 注意：上式所表示的核苷酸顺序是从左至右5'→3'。
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3. DNA 的结构
1953年，Watson J和Crick F在前人的研究工 作基础上，应用DNA结晶的X衍射图谱和分子模型， 提出了著名的DNA双螺旋(DNA double helix)结构 模型，并对模型的生理意义作了科学的解释和预测。
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⑵ RNA的分类：RNA的基本功能是负责DNA遗 传信息的传递、翻译和表达。根据RNA功能不同可以
分为三类。
① mRNA(messenger RNA, 信使—RNA):mRNA 约占细胞中RNA总量的5%。不同类型mRNA的链长 差别很大。它的功能是将DNA遗传信息传递到蛋白质 生物合成基地，并作为蛋白质生物合成的模板。
第三章
核酸的生物有机化学 （上）
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3.1 核酸和生命遗传的化学本质
在活细胞的各种组分中，核酸是非常重要的生
物大分子之一。 在自然界中，生物能够一代 一代地遗传下去，而且它们的各 种生物特性得以继续保留。 遗传物质是什么？ 遗传信息是如何传递的？ 遗传信息与蛋白质的氨基酸
在细胞中，遗传 物质是一种特殊 的生物大分子— DNA（脱氧核糖 核酸）。DNA兼 具储存和传递
三个是嘧啶（pyrimidine）的衍生物：胞嘧啶
（Cytosine, C）、胸腺嘧啶（Thymine, T）和尿嘧 啶（Uracil, U）。
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DNA中存在四种碱基：
腺嘌呤(A)，鸟嘌呤 (G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)
RNA中存在四种碱基：
腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C) 和尿嘧啶(U)
即RNA分子中嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基总数。
在RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构。不能 形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可形象地
称为“发夹型”(hairpin loops)结构，见图3-6。
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注意： RNA的双螺旋结
构中碱基配对情况并
不如DNA中严格。G 除了可以和C配对以外 （主要配对方式）， 也可以和U配对。但是 G-U配对形成氢键能 力较弱。
在核酸分析中有重要的应用价值。 ③与羟胺的反应：嘧啶碱基能与羟胺反应，环外的 氨基也会受到影响。
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尿嘧啶核苷与羟胺在pH=9~10条件下反应时，将发
生碱基开环分解反应：
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⑶ 氨基的烷基化反应：在一般烷基化反应条件下，含 氮碱基的烷基化反应主要发生在杂环的氮原子上，不 同的烷基化剂，烷基化产物也有所不同。
为半保留复制(semiconservative replication)。
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DNA复制理论是生物基因遗传的最基本分子机
制。1958年，科学家们用实验精确地证明了DNA复
制理论的正确性。 ⑶ DNA的三螺旋结构： 1957年，Rich A 等用两条多 聚尿嘧啶核苷酸链(poly U)和一条多聚腺嘌呤核苷酸 链(poly A)合成出一种三链结构的物质，并提出了 DNA三螺旋结构(triple helix)的概念。近年来，对于
Watson和Crick的发现，是20世纪最伟大的科学成
就之一。
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⑴ DNA分子的双螺旋结构：DNA双螺旋结构具有如
下几个特点。 ① DNA分子由两条多聚核苷酸链组成。两条链 沿着一个共同的轴平行盘绕，形成(右手)双螺旋结构。
螺旋中的两条链方向相反，即其中一条DNA链方向
为5'→3', 而另一条链方向为3'→5'。 ② 嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和 脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂 直，糖基环平面与碱基环平面成90°。
有一个游离的3'-羟基。多聚核苷酸链具有方向性，
必须注明(如5'→3'或3'→5')。
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② 多聚核苷酸是由含有不同碱基的核苷酸组
成。因此具有一定的核苷酸顺序，即核酸的碱基顺 序。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱 基顺序具有极其重要的生理意义。DNA的碱基顺序 本身就是遗传信息储存的分子形式。 多聚核苷酸的结构也可以简化为：
白质。因此，20种基本氨基酸，每一种最少有一个
相应的tRNA。
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③ rRNA(ribosomal RNA, 核糖体-RNA): 它约占
RNA的80%, 是组成蛋白质合成基地—核糖核蛋白
体—的主要成分。rRNA结构比较复杂，它的详细作 用机制目前还不很清楚。
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3.3 核酸和生命遗传的化学本质
含氮碱基：嘌呤碱基和嘧啶碱基—是核酸中最 重要的组分。它们的性质和反应性能对于核酸的性 质和生理功能具有重要影响作用。 嘌呤碱基和嘧啶碱基都是高熔点(300℃以上)的 无色晶体物质。在水中溶解度很小，当它们转变成 核苷或核苷酸后，溶解度大大增加。它们都是弱碱
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2. 碱基的碱性 嘌呤碱基和嘧啶碱基都具有弱碱性。杂环上氨
基的pKa值约为9.5。例如，尿嘧啶中N1或N3上质子 离解的pKa值为9.5；腺嘌呤N9上质子离解的pKa值为 9.8。
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碱基环上氨基的碱性可以从阴离子的共振稳定 性和环上氮原子的sp2杂化来解释。环外的氨基（存 在于A, G, C三种碱基中）的碱性很弱，在生理pH条 件下不能质子化，这种情况与苯氨的氨基相似。因 此嘌呤和嘧啶碱基的碱性主要是环上氨基的贡献。 3. 嘌呤和嘧啶碱基的化学反应 含氮碱基的化学性质主要决定于氮原子的存在 状态。
“遗传信息”的
双重功能。
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顺序有什么关系？
DNA遗传信息的传递，主要
是由三个步骤组成。第一步，DNA
的复制。实际上是将亲代DNA进行 拷贝，得到子代DNA的过程。子代 DNA保留了亲代DNA全部遗传信 息。第二步，由DNA转录成RNA
（核糖核酸）。在这一步中，部分
DNA的遗传信息被转录到RNA上。 第三步，RNA 所携带的遗传信息 翻译和表达成具有一定的氨基酸顺 序的蛋白质。
NH2 N
N
O O P O H OH OH HO CH2 H O
N
N H OH H H OH
核苷酸
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2. 多聚核苷酸
通过核苷酸的磷酸基与另一分子核苷酸的核糖 C3上的羟基形成磷酸二酯桥相连而成的长链结构化 合物—多聚核苷酸，即DNA或RNA（见图3-1）。 多聚核苷酸链具有如下特点： ① 多聚核苷酸是通过5'-3'磷酸二酯键连接而成。 链的一端一般含有一个游离的5'-磷酸基，另一端则
DNA三螺旋结构和功能的研究已经取得了很大的进展，
认为它在阻断基因转录和对 DNA进行“分子剪切” 方面具有潜在的应用价值，因而引起了广泛的关注。
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DNA的三螺旋与双螺旋相似，都是通过DNA单
链之间形成氢键实现的。DNA三螺旋结构具有如下
一些特点： ① 组成三螺旋的DNA单链，一般都是由单一的
嘌呤碱基(A和G)或单一的嘧啶碱基(C和T)所组成。 ② DNA三螺旋的基本结构有两种。一种是由两
条多聚嘧啶碱基核苷酸链和一条多聚嘌呤碱基核苷 酸链组成，简单表示为：嘧啶-嘌呤-嘧啶。三条链中 碱基形成氢键的情况是：T-A-T, C-G-C。
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第二种是由两条多聚嘌呤碱基核苷酸链和一条
多聚嘧啶碱基核苷酸链组成，简单表示为：嘌呤-嘌
呤-嘧啶。三条链中碱基形成氢键的情况是：A-A-T, G-G-C。上述两种结构中，中间的碱基必须是嘌呤 碱基。 ③ 每一条单链至少由8个核苷酸组成。
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CH O H H H H OH OH CH 2 OH
D-核糖
D-2-脱氧核糖
⑴ 戊糖：组成DNA结构单元分子的是脱氧核糖（2deoxyribose），组成RNA结构单元分子的是核糖 （ribose）。
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⑵ 含氮碱基和核苷：组成核酸结构单元分子的含氮 碱基有五种。其中两个是嘌呤（purine）的衍生物： 腺嘌呤（Adenine, A）和鸟嘌呤（Guanine, G）；
性化合物。
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1. 碱基环的芳香性和互变异构
嘌呤碱基和嘧啶碱基的杂环体系具有芳香性，
并且存在互变异构现象。
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不同的异构体形成氢键的能力和方向也有明显
差别（图中用箭头表示形成氢键的情况：↗表示氢给
体，↙表示氢受体）。 碱基环互变异构的方向，主要取决于介质的条 件，其中影响最大的是pH值和温度。由于不同的互 变异构体形成氢键的能力和方向差异很大，因此对 核酸的立体结构有很大的影响。
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3.2 核酸（DNA和RNA）的结构
核酸（nucleic acids）包括DNA（deoxyri bonucleic acid）和RNA（ribonucleic acid）两
大类。DNA是最基本的遗传信息物质。RNA则起着
帮助传递和表达遗传信息的作用。它们在结构上很 相似都是链状聚合物。 1. 构成DNA和RNA的结构单元分子 DNA和RNA都是由结构相似的结构单元分子连 连接而成的多聚体。DNA和RNA的结构单元分子分 别由三种简单分子所组成，即戊糖、含氮碱基和磷酸。