第4章 核酸化学

第一节 核酸的化学组成及其一级结构
The Chemical Component and Primary
Structure of Nucleic Acid
核酸的化学组成
1. 元素组成
C、H、O、N、P（9~10%）
核酸的元素组成有两个特点： 1. 一般不含S 2. P含量较多，并且恒定（9%-10%）。 因此，实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9% 、RNA9.5%）

人类基因组计划 １９９０年１０月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的HGP启动。 １９９８年５月：美国科学家 克里格文特创建的塞莱拉遗传公司，目 Human Genome Project 标是投入３亿美元，到２００１年绘制出完整的人体基因组图谱，与
国际HGP展开竞争。 １９９９年１２月１日：国际HGP联合研究小组宣布，他们完整地破译 出人体第２２对染色体的遗传密码。 ２０００年３月１４日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发 表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家 都能自由地使用这些成果。 ２０００年５月：国际HGP完成时间预计从原定的２００３年６月提前 至２００１年６月。 ２０００年６月２６日：科学家公布人类基因组“工作框架图”。 ２００１年2月：国际HGP(美、英、日、德、法和中国)的科学家和美 国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在15日出 版的《Nature》和16日的《Science》公布。
RNA DNA


M-一(D-二、T－三） ；P-磷酸 RNA的名称为某（一、二、三）苷酸，DNA在某（一、 二、三）前加脱氧两字。 如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）。
（二）（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧） 核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构
ADP、ATP是生物体中重要的能 量转换体。
第 4 章 核酸化学

1868年 瑞士科学家米歇尔最早发现核酸。
1953年 美国生物化学家沃森，英国生物学家克里克发现DNA双螺旋结构模型。 1987年 日本生物学家、诺贝尔奖得主利根川进指出：“人类除外伤以外的所 有疾病都与基因受损有关。” 1990年10月1日 人类基因组计划正式启动，包括中国在内的6个国家开始破 译DNA密码，揭开了人类生命科学的新里程碑。 1991~1999年11月 各种核酸营养保健品面世的混乱期，由于有些核酸保健品 提取自廉价的调味品甚至化学品，所含DNA的碱基不全，长期使用对身体有 危害，各国都制定了对核酸保健产品的规范。 1999年12月 由日本生命科学研究所（宇住晃治博士）和日本遗传基因营养学 研究所（松永政司博士）共同开发出水溶性核酸胶原蛋白饮品，取得日本两 项专利，开创了核酸营养健康食品的新纪元，对人类的健康维护和寿命的延 长具有划时代意义。
O N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)
戊 糖
HO CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
二、核酸的分类及分布
核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：
1.核糖核酸（RNA）
2. 脱氧核糖核酸（DNA）
线粒体，叶绿体，质粒等。 (deoxyribonucleic acid, DNA) 存储和传递遗传信息，决定细 胞和个体的基因型(genotype)。
脱氧核糖核酸 90% 以上分布于细胞核，其余分布于核外如
核 酸(nucleic acid)
当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。
是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携
带和传递遗传信息。
一、核酸的发现和研究工作进展

1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取‚核素‛ 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
核糖核酸
分布于胞核（10%）、胞液（90%） 。 参与细胞内DNA遗传信息的翻 译和表达。某些病毒RNA也可 作为遗传信息的载体。
(ribonucleic acid, RNA)
核糖核酸 （RNA）：按功能不同分为三大类
tRNA 转运RNA（10~15%）：在蛋白质的生物合成过程中起转运氨基酸 到核糖核蛋白体和翻译的作用。tRNA有很多种，已知每一个氨基酸至少有 一个相应的tRNA，它们在代谢上是稳定的。 rRNA 核糖体RNA （80%）：是核糖体的核酸，其结构为单链螺旋，其 功用与蛋白质的生物合成有关。 mRNA 信使RNA （5%）：为单链结构，不同细胞的mRNA的链长和分子 量的差异很大，其功用为将DNA的遗传信息传递到蛋白质的合成基地（核 糖核蛋白体)。新合成的肽链的氨基酸顺序即根据mRNA所传递的信息来决 定的。mRNA在代谢上不稳定，在蛋白质合成后不久就分解。
O NH2 N O 1 N
N
N HOCH2 O
5’ 4’
N
9 N H 1’ 2’ H H
HOCH2 O
4’
5’
H H
1’ H 3’ 2’ OH OH H 尿苷
H H 3’ OH
脱氧腺苷
2. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键 连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。
核苷酸
磷 酸 碱 基
戊糖
O
NH
碱基
N N
酯键
N
N O H
OH
HN N H
H2 O 糖苷键
O
磷酸 O P OH HOCH 2 O
O
H2O OH OH 戊糖
酯键
5` 4` 3` 2` 1`
碱基连接（糖苷键）
（对DNA为H）
Hale Waihona Puke Baidu
八种核苷酸如下表所示
腺嘌呤 A AMP dAMP 鸟嘌呤 G GMP dGMP 胞嘧啶 C CMP dCMP 尿嘧啶 U UMP 未发现 胸腺嘧啶 T 未发现 dTMP
O HO P OH OH OH O CH 2 NH2 N O N O
核苷酸： 脱氧核苷酸：
AMP, GMP, UMP, CMP
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核苷再与磷 酸形成核苷酸，许多核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯 键连接成多核苷酸链 核苷酸都是核酸的基本结构单位，它们都是5‘核苷酸。 （一）核酸内的核苷酸 DNA主要由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种 脱氧核糖核苷酸组成 RNA主要由AMP、GMP、CMP、UMP四种核糖核 苷酸组成
Har Gobind Khorana USA University of Wisconsin Madison, WI, USA 1922 -
Marshall W. Nirenberg USA National Institutes of Health Bethesda, MD, USA 1927 -
USA Harvard University Cambridge, MA, USA
Great Britain University of London London, Great Britain 1916 -
1928 -
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968
2. 分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)
核酸的分子组成
核酸
核苷酸
水
磷酸
核苷
解
戊糖
碱基
碱 基
N
NH2 N
嘌呤(purine)
N 7 8 9 NH
NH N
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)





James Watson (left) and Francis Crick
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material"
Francis Harry Compton Crick
James Dewey Watson
Maurice Hugh Frederick Wilkins
Great Britain Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain 1916 -


COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this issue, two separate research groups report draft sequences of two strains of rice--japonica and indica. In addition, the Editorial, News Focus, Letters, and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the world's population. [Image: Liwen Ma and Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute] 青山衬托之下，是一片金灿灿 的中国水稻梯田。2002年4月5 日以中国梯田为封面的« Science»杂志以14页篇幅率先 发表了一个重大成果—中国人 独立完成的论文《水稻（籼稻） 基因组的工作框架序列》，显 示对中国科学家成就充分肯定。
碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖 苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。
HO CH 2 NH2 N
1
O N O
核苷：AR, GR, UR, CR
脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR
1´
OH OH
核苷
戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接而形成的糖 苷就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌 呤碱的N9相连接。
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
磷酸
核酸是含磷的生物大分子。任何核酸 中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。 核酸中的磷酸参与形成3’，5’-磷酸二 酯键，使核苷酸连接成多核苷酸链。
一、核苷酸的结构
1. 核苷(ribonucleoside)的形成
"for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis"
Robert W. Holley USA Cornell University Ithaca, NY, USA 1922 - 1993
1、ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)
NH2 N
-
N N N H H
O
～～
O
-
O O
γ P
-
O O
β P
-
O
-
O P O
α
OCH2 H H
-
O
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P ) AMP
ADP
ATP



磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能 量，叫做高能磷酸键，习惯以～代表它。含～的化 合物叫高能化合物。ATP含有两个～。物质代谢所 产生的能量使ADP和磷酸合成ATP，这是生物体内 贮能的一种方式。ATP分解又释放能量。 高能磷酸键水解裂开时，每生成l mol磷酸就放出能 量约30.5kJ（一般磷酸酯水解释能8.4～12.5kJ／ mol）。放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的 收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的 合成）。 所以 ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是 体内所需能量的主要来源。