核酸化学

第二章核酸化学

第一节核酸的概念

一、核酸的生物学意义

核酸最早是1869年由瑞士青年科学家米歇尔（F•MiesCher）发现的。他从包裹伤口绷带上的脓细胞中分离出细胞核，再从细胞核中提取到一种可溶于稀碱而不溶于稀酸并含极多磷的酸性物质，称为“核质”，实质上是一种含有蛋白质的核酸制剂。1872年他又从其它来源，如莱茵河的鲑鱼精子中制得类似物质。以后他的学生奥特曼（R•Altman）等相继从酵母细胞和动物组织，如胸腺中也得到类似的物质，并作了进一步纯化，把它定名为“核酸”(Nucleic acid)，并且知道这种物质广泛地存在于生物体内。核酸的发现虽然较早，但其生物学作用，却在很长的时期内都未被人们所认识，直到1944开艾弗里（Avery）等在肺炎双球菌的转化实验中，发现转化物质是DNA，首次证明了核酸是携带遗传信息的物质。

二、核酸的种类和分布

（一）核酸的种类

核酸按其所含的糖不同而分为核糖核酸（简写为RNA）和脱氧核糖核酸（简写为DNA）两类。

细胞中含三类主要的RNA：

1. 信使RNA（mRNA）约占活细胞中RNA总量的5%。mRNA的种类很多。mRNA在合成时转录了其模板DNA所携带的遗传信息，在蛋白质合成时，mRNA结合到核糖体上，传递DNA的遗传信息，作为决定蛋白质肽链中氨基酸排列顺序的模板。

2. 核糖体RNA（rRNA）约占活细胞中RNA总量的80%，分子量较高，是细胞质中核糖体的组成成分。rRNA约占核糖体总重量的60%，其余40%为蛋白质。核糖体是蛋白质合成的主要场所，在蛋白质合成过程中，mRNA只有结合到核糖体上后，才能起模板作用。

3. 转移RNA（tRNA）约占活细胞中RNA总量的15%，通常以游离状态存在于细胞质中，分子量较低，仅25 000左右，它的主要功能是在蛋白质生物合成过程中作为氨基酸的载体，起转移氨基酸的作用。tRNA 有多种，每一种tRNA专门携带一种特定的氨基酸。

（二）核酸的分布

DNA是染色体的主要成分，故主要存在于细胞核中，只有少量存在核外。如线粒体DNA、叶绿体DNA 和质粒DNA。任何一种生物体细胞的DNA含量都是恒定的，不受外界环境、营养条件和细胞本身代谢状态的影响。

RNA主要存在于细胞质的核糖体和胞浆中，线粒体和叶绿体中也有少量。至于细胞核中，RNA则大部分集中在核仁上，某些动物组织和啤酒酵母的染色体也有少量RNA。DNA和RNA在细胞内一般都是与蛋白质相结合，以核蛋白的形式存在的。

第二节核酸的组成成分

核酸和蛋白质一样，也是高分子多聚物。构成核酸的基本单位是核苷酸，是由上百个至几千个核苷酸聚合而成的长链，这种长链又称多聚核苷酸。

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。

一、核酸水解产物的化学结构

1. 碱基

为一类含氮的杂环化合物，又称为含氮碱，具有弱碱性。核酸中的碱基有两类，分别为嘌呤和嘧啶的衍生物。

（1）嘧啶为含有两个氮原子的杂环。DNA和RNA中最常见的嘧啶衍生物有三种，即胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶（其结构如下）。它们都是在嘧啶2位碳原子上由酮基取代氢，在4位碳原子上由氨基或酮基取代氢而成的。

嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶

（2）嘌呤DNA和RNA中主要的嘌呤衍生物为腺嘌呤和鸟嘌呤。它们是嘌呤的2位或6位碳原子上H被氨基或酮基取代而成的。

嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤

生物体内还有其它一些嘌呤衍生物，如次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸等，为某些动物的代谢物。一些植物的生物碱，如咖啡碱也属嘌呤衍生物。

次黄嘌呤黄嘌呤尿酸咖啡碱

2. 戊糖

RNA中含β—D—核糖，DNA中含β—D—2脱氧核糖。

β—D—核糖β—D—2—脱氧核糖β—D —2—O—甲基核糖

在某些RNA中，含有少量的β—D—2—O—甲基核糖，是核糖C2＇位羟基上的氢被甲基取代而成的。大肠杆菌偶数噬菌体中还发现有葡萄糖和甘露糖连在5—羟甲基胞嘧啶的羟甲基上。

3. 磷酸

DNA和RNA都含有一定量的磷酸，每一个核苷酸含有一个磷原子。磷酸是三元酸，它有三级解离，pK1 = 1.97，pK2 = 6.82，pK3 = 12.44，当磷酸生成单酯或二酯后，酸性增强。

4. 核苷

是由碱基和核糖（或脱氧核糖）的苷羟基脱水缩合而成，故名核苷。RNA中的核苷称核糖核苷（或简称核苷），DNA中的核苷称脱氧核糖核苷（或简称脱氧核苷）。实验证明，核糖（或脱氧核糖）的第1位碳原子与嘧啶的第一位氮原子相连成嘧啶核苷（或嘧啶脱氧核苷），与嘌呤的第9位氮原子相连成嘌呤核苷（或嘌呤脱氧核苷）。这些核苷中的糖苷键都是β—型。由于糖和碱基之间是C－N连接，因此，这种键称N —糖苷键。为与碱基的原子编号相区别，在核苷的戊糖碳原子编号上加“＇”。

从DNA得到的脱氧核苷主要有腺嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷|和胸腺嘧啶脱氧核苷，或简称脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷，依次分别用dA、dG、dC和dT符号表示。

核苷中N—糖苷键对酸不稳定，易被酸水解。而各种核苷被酸水解的程度不同，脱氧核糖核苷比核糖核苷容易被水解，嘌呤核苷比嘧啶核苷容易被水解。

5．核酸中的修饰成分

核酸中还含有大量修饰核苷，迄今已发现70种以上。由于含量相对较少，故又称稀有成分，它们都是天然存在的，是在核酸合成后于体内进一步加工而成的。大部分的修饰核苷存在于tRNA中。

6. 核苷酸

核苷酸是构成核酸的单体，它是由核苷中糖的某一羟基与磷酸脱水缩合而成的核苷磷酸脂。从核糖核苷来的称核糖核苷酸或简称核苷酸，从脱氧核糖核苷来的称脱氧核糖核苷酸或脱氧核苷酸。

当用碱法或酶法水解RNA时，可得到4种核苷酸即腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸，分别简称腺苷酸或腺苷一磷酸（AMP）、鸟苷酸或鸟苷一磷酸(GMP)、胞苷酸或胞苷一磷酸（CMP）和尿苷酸或尿苷一磷酸（UMP）。当用酶法水解DNA时,可得到4种脱氧核苷酸，即腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸，分别简称为脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸。依次分别用dAMP、dGMP，dCMP和dTMP符号表示。

二、生物体内游离核苷酸及其衍生物

在生物体内，核苷酸除了作为核酸的基本组成单位外，还有一些核苷酸类物质自由存在于细胞内，具有各种重要的生理功能。

第三节核酸的结构

核酸是生物高分子聚合物，它的基本单位是核苷酸。DNA和RNA中常见的核苷酸的种类虽然只有4种，但由于DNA和RNA分子量都很大，各种核酸中核苷酸少则70多个，多则几千万个甚至上亿个，而且都是按照一定的排列顺序连接而成的，因此核酸的种类很多，它和蛋白质一样，有一定的一级结构和高级结构。

核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序。核酸分子中所携带的遗传信息是以密码的形式编录在自身的核苷酸排列顺序中，因此研究核酸分子的一级结构是极其重要的。

一、核酸分子中核苷的连接方式

构成核酸大分子的基本单位是核苷酸。很多实验证明，DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链。链中每个核苷酸的3＇—羟基和相邻核苷酸的戊糖上的5＇—磷酸相连。因此，核苷酸间的连接键是3＇，5＇—磷酸二酯键，由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特征性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧链基团。主链上的磷酸基是酸性的，在细胞的pH条件下带负电荷；而嘌呤和嘧啶碱基因相对不溶于水而具有疏水性质。另外，由于所有核苷酸间的磷酸二酯键有相同的走向，RNA和DNA链都有特殊的方向性，而每条线形核酸链都有一个5＇—末端和一个3＇—末端。

各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序（序列）称为核酸的一级结构。核苷酸的种类虽不多，但可因核苷酸的数目、比例和序列的不同构成多种结构不同的核酸。由于戊糖和磷酸两种成分在核酸主链上不断重复，也可用碱基序列表示核酸的一级结构。

用简写式表示核酸的一级结构时，用P表示磷酸基团，当它放在核苷符号的左侧时，表示磷酸与糖环的5＇羟基结合，右侧表示与3＇羟基结合，如pApCpGpU。在表示核酸酶的水解部位时，常用这种简写式。如pApCp↓GpU，表示水解后C的3＇羟基连有磷酸基，G的5＇羟基是游离的。而pApC↓pGpU，则表示水解后C的3＇羟基是游离的，G的5＇羟基连有磷酸基。在不需要标明核酸酶的水解部位时，上述简写式中的P亦可省去，用连字符代替，如pA—C—G—U，或将连字符也省去，写成pACGU。

核酸一级结构的缩写

各种简化式的读向是从左到右，所表示的碱基序列是从5＇到3＇，核苷酸之间的连接键是3＇，5＇—磷酸二酯键。如欲表示他种结构，也应注明，如双链核酸的两条链为反向平行，同时描述两条链的结构时，