第二章 核酸的结构与功能 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握核酸中核苷酸的连接方式及化学键，核酸的一级结构的定义及表示方法： DNA的双螺旋结构模型的要点，DNA的生物学功能：真核生物三种RNA (mRNA,tRNA和rRNA)的结构特点和功能：核酸的紫外吸收特性，DNA 变性与复性的概念和特点。 熟悉核苷酸的结构、命名及英文缩写表示符号：多核苷酸链的方向性；解链曲 线和Tm值的概念。 了解核酸的化学组成，核酸的一般理化性质，常见核苷酸的种类；DNA结构的 多样性，DNA的高级结构、核小体的结构特点；非编码RNA的生物学功 能，核酸酶的分类和功能；原核生物和真核生物的核蛋白体的组成，分子 杂交的概念。 核酸(ucleic acid)是由许多核苷酸聚合而成的生物信息大分子，为生命的最基本物质之一，具有复 杂的结构和重要的生物学功能。根据化学组成不同，核酸可分为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)两类。DNA是储存，复制和传递遗传信息的主要物质基础。 真核生物DNA存在于细胞核和线粒体。细胞以及个体的基因型(genotype)是由DNA决定的。在绝大 多数生物中，RNA是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制和表达，在蛋白质合成过程中起着重要作 用。真核生物RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内。在某些病毒中RNA也可作为遗传信息的载体。 第一节核酸的化学组成及一级结构 核酸经过不同的方法水解可生成核苷酸(nucleotide),核苷酸进一步水解产生核苷(nucleoside)和磷 酸，核苷再进一步水解，产生戊糖（核糖和脱氧核糖）和含氮碱基(bas)(图2-1)。由此可见，核苷酸是 核酸的基本组成单位.DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸(deoxyribonucleotide),而RNA的基本组 成单位是核糖核苷酸(ribonucleotide),核苷酸的基本组成成分是碱基、戊糖和磷酸。 一、核苷酸的组成 (一)碱基 构成核苷酸和脱氧核苷酸中的碱基均是含氮杂环化合物，分为嘌吟(purine)和嘧啶(pyrimidine)两 类（图2-2）。核酸中的嘌呤主要是腺嘌呤(adenine,A)和鸟嘌呤(guanine,G);嘧啶主要是尿嘧啶 8
第二章核酸的结构与功能 核酸DNA和RNA) 脱氧核苷酸DNA水 脱 碱基吟定 图21核酸的水解和组分 (uracil,U)、胸腺嘧啶(thymine,T)和胞嘧啶(cytosine,C)。DNA和RNA中均含有A、G和C,而U主要 存在于RNA中，T主要存在于DNA中。换言之，DNA分子中的碱基成分为A,G、C和T,而RNA的碱基 成分A、G、C和U。碱基的各个原子分别以阿拉伯数字加以编号以便于区分。杂环上的酮基和氨基受 所外环墙H的影响.可使威基存在两种百变异构体（图23）。包要吟尿感脖和胸腺嘧院有翻式 (keto)-烯醇式(eol)的互变异构体，在中性pH的体液环境下以酮式为主。腺嘌呤和胞嘧啶存在氨基 (amino)和亚氨基(imino)的互变异构体，在中性pH的体液中以氨基为主。这种互变异构体为碱基之 间形成氢键提供了重要结构基础，同时也是潜在的基因突变的结构基础 NH (6 胸腔 图22核苷酸中两类主要碱基的化学结构式 酮烯醇互变异构体 氨基亚氨基异构休 图23碱基的互变异构式 除以上5种常见的碱基外，核酸分子中还有一些含量较少的其他碱基，称为稀有碱基(rare bases)。 稀有碱基主要存在于RNA组分中，特别是RNA中含有较多的稀有碱基，高达10%。稀有碱基种类很 多，大多数是碱基环上某一位置的原子被一些化学基团（如甲基、甲硫基、羟基等）修饰后的衍生物，也 有修饰戊糖或戊糖和碱基连接方式的差异，它们可看作是基本碱基的化学修饰产物，因此也称为修饰碱 基，如7-甲基鸟嘌5-甲基胞嘧啶等（图24）。核酸中碱基的甲基化过程发生在核酸大分子的生物合 成以后，对核酸的生物学功能具有极其重要的意义。 自然界中还存在其他碱基衍生物。嘌吟碱衍生物次黄嘌吟、黄嘌呤和尿酸是核苷酸代谢的产物， 黄嘌呤甲基化衍生物茶碱(1,3-二甲基黄嘌呤)、可可碱(3,7，二甲基黄嘌昤)、咖啡因(1,3,7三甲基黄
第一篇生物大分子的结构与功能 女纹在 图24常见稀有碱基 嘌呤)分别含于茶叶、可可、咖啡中，都有增强心脏活动的功能。而嘧啶衍生物如5氯尿嘧啶则是抗 癌药。 (二)戊糖 戊糖是构成核苷酸的另一种基本组分。核酸中有两种戊糖：DNA中为B-D-2-脱氧核糖(B-D-2-de oxyribose),RNA中则为B-D-核糖(B-D-ribose),均为B-呋喃型环状结构（图2-5）。为了有别于碱基的原 子，通常将核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1'、C-2'、.C-5'。糖环中的C1'是核糖或脱氧核糖与碱基连 接形成核苷键的位置。脱氧核糖与核糖的差别在于C-2'原子所连接的基团。核糖C-2'原子连接的是羟 基，而脱氧核糖C-2'原子连接的是氢而不是羟基。脱氧核糖的化学稳定性比核糖好，这种结构的差异使 DNA分子比RNA分子具有更好的稳定性，因而使DNA分子成为了遗传信息的储存载体。 (三)核苷 HOH,C5一0 HOH,C 5' 碱基与核糖或脱氧核糖组成核苷(nucleoside) 4人32 4人3r2 或脱氧核苷(deoxynucleoside)(图2-6)。戊糖的C OH O 1'原子的羟基与嘧啶的N1原子或嘌呤N9原子上 B-D-核糖 B-D-脱氧核塘 的氢脱水形成B-N-糖苷键(B-N-glycosidic bond)。 困25核糖与脱氧核糖 对于糖环而言，碱基可以有顺式(syn)和反式(anti) 两种不同的空间构象。在天然条件下，由于空间位 阻效应，核糖和碱基处在反式构象上。常见的核苷有腺吟核苷(adenosine,简称腺苷)、鸟嘌呤核苷 (guanosine,鸟苷)，胞嘧啶核苷(cytidine,.胞苷)和尿嘧啶核苷(uridine,尿苷)。脱氧核苷有腺嘌吟脱氧 核苷(deoxyadenosine,脱氧腺苷)、鸟嘌呤脱氧核苷(deoxyguanosine,脱氧鸟苷)、胞嘧啶脱氧核苷(deoxyeyti dine,脱氧胞苷)和胸腺嘧啶脱氧核苷(deoxythymidine,胸苷或脱氧胸苷)。 脱氧藤苷 图2-6核苷和脱氧核苷 RNA中含有稀有碱基，还存在异构化的核苷。如在RNA和RNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用· 表示)，在它的结构中戊糖的C1'不是与尿嘧啶的N1相连接，而是与尿嘧啶C-5相连接。 (四)核苷酸 核苷或脱氧核苷C5'原子上的羟基与磷酸反应，脱水后形成磷酯键，生成核苷酸(nucleotide)或脱 氧核苷酸(deoxynucleotide)。核糖核苷戊糖环上的2'、3'5'位各有一个自由羟基，这些羟基可与磷酸生 成酯，形成三种核苷酸。脱氧核糖核苷只在脱氧核糖环上的3'、5'位有自由羟基，只能形成两种脱氧核
第二章核酸的结构与功能 苷酸。在生物体内游离存在的多是5'核苷酸，它们是组成核酸的基本单位。 通常以碱基的第一个字母表示含相应的碱基，以小写的“”表示含有脱氧核糖的核苷酸。根据包 含的磷酸基团数目不同，核苷酸包括核苷一磷酸(nucleoside5'-monophosphate,NMP)、核苷二磷酸(nm cleoside5'-diphosphate,NDP)和核苷三磷酸(nucleoside 5'-triphosphate,NTP);脱氧核苷酸包括脱氧核苷 一磷酸(deoxynucleotide5'-monophosphate,dNMP)、脱氧核苷二磷酸(deoxynucleotide5'.diphosphate dNDP)和脱氧核苷三磷酸(deoxynucleotide5'-triphosphate,dNTP)(表2-1，图2-7)。 表21构成核酸的碱基、核苷和核苷酸 碱基 核苷 5-(脱氧)核苷一南酸 RNA 腺嘌吟(A) 腺苷 腺苷一磷酸(ANMP) 鸟嘌呤(G】 鸟苷 鸟苷一磷酸(GNP】 胞嘧啶(C) 胞苷 胞苷一磷酸(CMP) 尿嘧啶(U) 尿苷 尿苷一磷酸(UMP) DNA 腺嘌呤(A) 脱氧腺苷 脱氧腺苷一磷酸(dAMP) 鸟嘌吟G) 脱氧鸟苷 脱氧鸟苷一磷酸(dGMP 胞嘧啶(C) 脱氧胞苷 脱氧胞苷一磷酸(dCMP) 陶腺嘧啶(T) 脱氧胸苷 脱氧胸苷一磷酸(dTMP) 图27核苷酸的结构
第一篇生物大分子的结构与功能 (五)几种重要的单核苷酸及其衍生物 L.多磷酸核苷酸腺苷一磷酸酸结合一分子磷酸可生成腺苷二磷酸(adenosine5'-diphosphate ADP);腺苷二磷酸再结合一分子磷酸可生成腺苷三磷酸(adenosine5'-triphosphate,ATP)。在ADP和 ATP分子中，磷酸和磷酸之间以焦磷酸键相连。当焦磷酸键水解时，可释放出大量的能量供机体利用 这种由于水解而释放很高能量的焦磷酸键称为高能磷酸键，简称高能键，用“~”表示。ADP的高能 很少被利用，它主要是接受能量转化为ATP。ATP在细胞的能量代谢过程中起着非常重要的作用，但它 不是储能物质而是能量的携带和传递者（参见第4章“生物氧化"）。AMP、ADP和ATP的结构式如图 2-8所示。 除了ADP和ATP外，生物体内其他的5'（脱氧）核苷酸也可以进一步磷酸化形成（脱氧）核苷二磷 酸和（脱氧）核苷三磷酸。其中ATP,GTP,CTP和UTP是合成RNA的原料，dATP,dCTP、dCTP和dTT 是合成DNA的原料 2.环化核苷酸在动植物及微生物细胞中还普遍存在一类环化核苷酸，主要是3'，5环腺苷酸 (adenosine3',5'-cyclic monophosphate,.cAMP)和3'，5'-环鸟苷酸(guanosine3',5'-cyclic monophosphate, cGMP),其化学结构如图2-9。二者不是核酸的组成成分，在细胞中含量很少，作为激素的第二信使在细 胞的代谢调节和跨膜信号转导中发挥重要作用（参见第20章“细胞信号转导”）。 NH 腺 80- 被x-a AMP或AMP 0=P ADP或IADP ATP或ATP 3头，5孔环鸟苷酸 图2-8(d)AMP、(d)ADP和(d)ATP的结构式 图29环化腺苷酸和环化鸟苷酸结构 3.辅酶类核苷酸一些核苷酸或其衍生物是重要的辅酶或辅基的成分，如辅酶NAD'(烟酰胺腺嘌 呤二核苷酸)、NADP(烟酰胺腺嘌吟二核苷酸磷酸)及FAD(黄素腺原呤二核苷酸)等（参见第3章“酶 与维生素”)。 二、核酸分子中核苷酸间的连接方式 (一核酸的一级结构 核酸是线性大分子，其中的磷酸基和戊糖构成核酸链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。核酸的一 级结构(prima y structure)是指构成RNA的核苷酸或DNA的脱氧核苷酸的排列顺序及连接方式。由于 核苷酸之间的差异在于碱基的不同，故核酸的一级结构也就是碱基序列(base sequence)。核苷酸分子 中的核糖或脱氧核糖的3自由羟基可与另一分子核苷酸的5'磷酸基团形成3'，5'磷酸二酯键。许多 核苷酸通过3'，5'磷酸二酯键连接成多（聚）核苷酸链即核酸。其中多聚脱氧核苷酸链(polydeoxynucle otides)称为DNA,多聚核苷酸链(polynucleotides)称为RNA。 (二)多聚核苷酸链的方向性 线性多聚核苷酸链具有方向性，有两个末端，分别是5'末端与3-末端。5'-末端含磷酸基团，3'-末 端含羟基。5'-末端核苷酸成糖基的5'位不再与其他核苷酸相连，3'-末端核苷酸的戊糖基3'位也不再与 其他核苷酸相连。按照规定，核苷酸的排列顺序和书写方向是自左向右，即5'一3