第五章核酸化学 第一节核酸的种类、分布 从1868年瑞士的年青科学家F. Miescher发现核酸起,经过不断的硏究证明,核酸 ( nucleic acid)存在于任何有机体中,包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本 构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid,DNA和核糖核酸 ( ribonucleic acid,RNA)两大类(种类)。 (分布)DNA主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在 细胞质中。DNA是遗传物质,是遗传信息的载体。DNA的相对分子质量一般在10以上。 DNA分布在染色体内,是染色体的主要成分。原核生物无细胞核,染色体含有一条高度压 缩的DNA。真核细胞含不止一条染色体,每个染色体只含一个DNA分子。各种病毒都是 核蛋白,其核酸要么是DNA,要么是RNA,至今未发现两者都含有的病毒。DNA的含量 很稳定,在真核细胞中,DNA与染色体的数目多少有平行关系,体细胞(双倍体)DNA 含量为生殖细胞(单倍体)DNA含量的两倍。DNA在代谢上也比较稳定,不受营养条件、 年龄等因素的影响。DNA是遗传信息的敦体,遗传信息的传递是通过DNA的自我复制完 成的。 RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要 的RNA (1)核糖体RNA( ribosome rna,缩写成rRNA)rRNA含量大,占细胞RNA 总量的80%左右,是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约40%的蛋白质和60%的RNA 由两个大小不同的亚基组成,是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA (原核细胞):5SRNA,16SRNA,23SRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类(真核细胞) 5SrRNA, 5. 8SrRNA, 18SrRNA, 28 SrRNA (2)转运RNA( transfer rna,缩写成tRNA)tRNA约占细胞RNA的15%。tRNA 的相对分子质量较小,在25000左右,由70~90个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合 成中具有转运氨基酸的作用。tRNA有许多种,每一种tRNA专门转运一种特定的氨基酸。 tRNA除转运氨基酸外,在蛋白质生物合成的起始、DNA的反转录合成及其他代谢调节中 都有重要作用。 (3)信使RNA( messenger RNA,缩写成mRNA)mRNA约占细胞RNA含量的 5%。mRNA生物学功能是转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有 种特定的mRNA负责编码,因此mRNA的种类很多
－76－ 第五章 核酸化学 第一节 核酸的种类、分布 从 1868 年瑞士的年青科学家 F. Miescher 发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸 (nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本 构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸 （ribonucleic acid，RNA）两大类（种类）。 （分布）DNA 主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有 DNA。RNA 主要分布在 细胞质中。DNA 是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA 的相对分子质量一般在 106以上。 DNA 分布在染色体内，是染色体的主要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压 缩的 DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个 DNA分子。各种病毒都是 核蛋白，其核酸要么是 DNA，要么是 RNA，至今未发现两者都含有的病毒。DNA的含量 很稳定，在真核细胞中， DNA 与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA 含量为生殖细胞（单倍体）DNA 含量的两倍。DNA 在代谢上也比较稳定，不受营养条件、 年龄等因素的影响。DNA是遗传信息的载体，遗传信息的传递是通过 DNA的自我复制完 成的。 RNA 在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要 的 RNA： （1）核糖体 RNA（ribosomel RNA，缩写成 rRNA） rRNA 含量大，占细胞 RNA 总量的 80％左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约 40％的蛋白质和60％的 RNA， 由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类 rRNA （原核细胞）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA 有四类（真核细胞）： 5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。 （2）转运 RNA（transfer RNA，缩写成tRNA） tRNA约占细胞 RNA的 15％。tRNA 的相对分子质量较小，在 25 000 左右，由70～90 个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合 成中具有转运氨基酸的作用。tRNA 有许多种，每一种tRNA 专门转运一种特定的氨基酸。 tRNA 除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA 的反转录合成及其他代谢调节中 都有重要作用。 （3）信使 RNA（messenger RNA，缩写成 mRNA） mRNA约占细胞 RNA含量的 5％。mRNA 生物学功能是转录DNA 上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有 一种特定的 mRNA 负责编码，因此 mRNA 的种类很多
第二节核酸的组成 核酸的基本构成单位是核苷酸( nucleotide)。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷 又是由碱基和戊糖组成的。 核酸中的戊糖有两类:D核糖( D-nbose)和D2-脱氧核糖(D2- deoxyribose)。核酸 的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为RNA和DNA的。 碱基在RNA中主要有四种:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶,DNA中也有四种碱 基,与RNA不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。 表4-1两种核酸的基本化学组成 核酸的成分 腺嘌呤( adenine一A 腺嘌呤一A purine bases) 嘧啶碱 胞嘧啶( cytosine)C 胞嘧啶一C (pyrimidine bases) D-2-脱氧核糖 磷酸 、碱基 核酸中的碱基分两类:嘧啶碱和嘌呤碱。(各碱基的代号要掌握) (新系统) 胞嘧啶 CHOH 胸脲嘧啶 羟甲基胞嘧啶 1.嘧啶碱嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类:胞嘧啶、尿
－77－ 第二节 核酸的组成 核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷 又是由碱基和戊糖组成的。 核酸中的戊糖有两类：D-核糖（D-nbose）和 D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）。核酸 的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为 RNA 和 DNA 的。 碱基在 RNA 中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA 中也有四种碱 基，与 RNA 不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。 表 4-1 两种核酸的基本化学组成 核酸的成分 DNA RNA 嘌呤碱 (purine bases) 腺嘌呤(adenine)—A 鸟嘌呤(guanine)—G 腺嘌呤—A 鸟嘌呤—G 嘧啶碱 (pyrimidine bases) 胞嘧啶(cytosine)—C 胸腺嘧啶(thymine)—T 胞嘧啶—C 尿嘧啶(uracil)—U 戊 糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸 一、碱基 核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。（各碱基的代号要掌握） 1．嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿
嘧啶和胸腺嘧啶 2.嘌呤碱嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类:腺嘌呤和 鸟嘌 腺嘌呤 3稀有碱基除以上五类基本的碱基外,核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。 稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA中含有较多 的稀有碱基。植物DNA中有相当量的5′-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中5′ 羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶 核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成,并以糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1和嘌 碱的N相连接。这种糖与碱基之间的连键是NC键,称为N-C糖苷键 核苷中的D核糖与D2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中C是不对称碳原子, 所以有α-及β-两种构型。但核酸分孑中的糖苷键均为β—糖苷键。核苷的碱基与糖环平面 互相垂直 核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如 下图(为区别碱基环中的标号,糖环中的碳原子标号用1′,2′,……表示): HOCH 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷 、核苷酸
－78－ 嘧啶和胸腺嘧啶。 2．嘌呤碱 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类：腺嘌呤和 鸟嘌呤。 3．稀有碱基 除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。 稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA 中含有较多 的稀有碱基。植物 DNA 中有相当量的 5′-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中 5′—- 羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。 二、核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的 C1与嘧啶碱的 N1和嘌呤 碱的 N9 相连接。这种糖与碱基之间的连键是 N—C 键，称为 N-C糖苷键。 核苷中的 D-核糖与 D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中 C1 是不对称碳原子， 所以有α-及β-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面 互相垂直。 核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如 下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用 1′，2′，……表示）： 三、核苷酸
核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为 两种核苷酸的结构式。 生物体内存在的游高核苷酸多是5′核苷酸。用碱水解RNA时,可得到2′一核苷 酸与3′—核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表42 O-P-0—CH2 5-腺嘌呤核苷酸 3-胞嘧啶脱氧核苷酸 四、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5′-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物 在生物体的能量代谢中起着重要作用 腺苷一磷酸(AM或腺苷酸)与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸(AD),腺苷二磷酸 再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸(AP)。 表4-2常见的核苷酸 腺嘌呤 腺嘌呤核苷酸( adenosine monophosphate.) 脱氧腺嘌呤核苷酸 (deoxyadenosine monophosphate, dAMP) 鸟嘌呤 鸟嘌呤核苷酸( guanosine monophosphate,GMP) 脱氧鸟嘌呤核苷酸 (deoxyguanosine monophosphate. dGMP) 胞嘧啶核苷酸( cytidine monophosphate,GP) 脱胞嘧啶核苷酸 (deoxycytidine monophosphate, dOMP) 尿嘧喷 尿嘧啶核苷酸( uridine monophosphate,UP) 胸腺嘧啶 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 (deoxythymidine monophosphate, dIMp) 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。A1P含有两个~。物质代谢所产生的能量使ADP和 磷酸合成AP,这是生物体内贮能的一种方式。AIP分解又释放能量。高能磷酸键水解裂 开时,每生成Imol磷酸就放出能量约305kJ(一般磷酸酯水解释能84~-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
－79－ 核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为 两种核苷酸的结构式。 生物体内存在的游离核苷酸多是 5′-核苷酸。用碱水解 RNA 时，可得到 2′—核苷 酸与 3′—核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表 4-2。 四、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5′-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物 在生物体的能量代谢中起着重要作用。 腺苷一磷酸（AMP 或腺苷酸）与 1 分子磷酸结合成腺苷二磷酸（ADP），腺苷二磷酸 再与 1 分子磷酸结合成腺苷三磷酸（ATP）。 表 4-2 常见的核苷酸 碱基 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶 腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate.) 鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP) 胞嘧啶核苷酸(cytidine monophosphate, GMP) 尿嘧啶核苷酸(uridine monophosphate, UMP) 脱氧腺嘌呤核苷酸 (deoxyadenosine monophosphate,dAMP) 脱氧鸟嘌呤核苷酸 (deoxyguanosine monophosphat.dGMP) 脱胞嘧啶核苷酸 (deoxycytidine monophosphate,dCMP) 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 (deoxythymidine monophosphate,dTMP) 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(能量 通币)。 其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化,产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷 酸化合物(可简写为AIP,CIP,GIP,UIP)实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱 氧核苷三磷酸化合物(可简写为dATP,dCIP,dGTP和dTIP)是DNA合成的直接原料。 它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还 参与特殊的代谢过程,如UTP参加磷酯的合成,GIP参加蛋白质和嘌呤的合成等 此外,在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物,如尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸(辅酶Ⅰ,NAD)、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(辅酶Ⅱ,NAD)、黄素单核苷 酸(FMN)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等与生物氧化作用的关系很密切,是重要的辅 HOP~O-P~0-P一0-CH2 OH ATP 3’5环腺苷酸(cAMP) 近年来,对3′,5′-环腺苷酸(cAMP或环腺一磷)的作用有了新的认识。cAMP在 体内由ATP转化而来,是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP具有如上结构式 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 第三节核酸的分孑结构 、脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构 1.DNA的一级结构
－80－ 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（能量 通币）。 其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷 酸化合物（可简写为 ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内 RNA合成的直接原料。各种脱 氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP 和 dTTP）是 DNA 合成的直接原料。 它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还 参与特殊的代谢过程，如 UTP 参加磷酯的合成，GTP 参加蛋白质和嘌呤的合成等。 此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP）、黄素单核苷 酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅 酶。 近年来，对 3′，5′-环腺苷酸（cAMP 或环腺一磷）的作用有了新的认识。cAMP在 体内由 ATP 转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP 具有如上结构式： 类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。 第三节 核酸的分子结构 一、脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构 1．DNA 的一级结构