Chapter 5-1 核酸

1、第第五五章章 核核酸酸v核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。缺少的组成部分。v核酸是生命遗传信息的携带者和传递者核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。传病、代谢病等也密切相关。v因此，核酸是现代生物化学、分子生物学因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。和医学的重要基础之一。DNARNAP

2、rotein复制v1868年，年，F.Miescher从细胞核中分离得到一从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。v1939年，年，E.Knapp 等第一次用实验方法证实等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传的基础物质。核酸是生命遗传的基础物质。vNucleic acids account for 5-15% of dry cell weightvPrinciples:核酸分为两大类核酸分为两大类:v脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA） Deoxyribonucleic Acidv核糖核酸（核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid

3、a. ribosomal RNAs (rRNA,核糖体核糖体 RNA)b. messenger RNAs (mRNA, 信使信使RNA)c. transfer RNAs (tRNA, 转移转移RNA)Messenger RNAlTransfer RNATransfer RNARibosome RNARibosome RNA Pentoses: 2-deoxy-D-ribose for DNA， D-ribose for RNA核核酸酸戊戊糖糖碱碱基基核核苷苷磷磷酸酸核核苷苷酸酸1.1.核酸的结构单元核酸的结构单元- -核苷酸核苷酸（1 1）碱基）碱基NNNHNNH2HNNNHNOH2NNNHN

4、H2OHNNHOO鸟鸟嘌嘌呤呤( (G G) )胞胞嘧嘧啶啶( (C C) )胸胸腺腺嘧嘧啶啶( (T T) )HNNHOO尿尿嘧嘧啶啶( (U U) )腺腺嘌嘌呤呤( (A A) )(DNA)(RNA)碱基的结构特征碱基的结构特征ABaseOOHOHHHHCH2H-2O3PO12345BaseOHOHHHHCH2H-2O3PO12345(a)(b)（2 2）戊糖，核苷，核苷酸）戊糖，核苷，核苷酸 -D-D-核糖核糖 -D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖核苷是由核糖核苷是由核糖 或脱氧核糖中或脱氧核糖中C1上的半缩醛羟基与嘌上的半缩醛羟基与嘌呤碱基呤碱基N9-H或嘧啶碱基的或嘧啶碱基的N1-H脱

5、水连接而成的化合脱水连接而成的化合物。糖与碱基之间的物。糖与碱基之间的C-N键，称为键，称为C-N糖酐键。糖酐键。X-射线分析证明，核苷中碱基近似地垂直于糖的平射线分析证明，核苷中碱基近似地垂直于糖的平面。面。 A G T C核苷酸：核苷酸：核苷的磷酸酯核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸核糖核苷酸 A G U C磷酸酯磷酸酯键键焦磷酸焦磷酸键键ATP是生物体内分是生物体内分布最广和最重要的布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。一种核苷酸衍生物。ATP最显著的特点：最显著的特点：具有高能磷酸键具有高能磷酸键（1）ATPvATPATP水解释放出来的能量，可以作为推动生物体内各种水解释放

6、出来的能量，可以作为推动生物体内各种需能反应的能量来源。需能反应的能量来源。NNNNNH2OOHOHHHHHOPOO-OPHOO-ONNNNNH2OOHOHHHHHOPOO-OPOO-OP-OO-O+H2OADPATPNNNNNH2OOHOHHHHHOP-OO-OAMPPO-OOHO-30.5 kJ/molPO-OOO-30.5 kJ/molPOO-O-PiPPiATPATP也是一种很好的磷酰化剂。也是一种很好的磷酰化剂。v磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分

7、子），是许多生物化学反应的激活步骤。化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。v为什么为什么ATPATP的磷酸键显示出高的水解性能和的磷酸键显示出高的水解性能和优良的磷酸基转移性能优良的磷酸基转移性能? ? 可以从它的特殊化学结构来解释可以从它的特殊化学结构来解释: :a.a.静电效应：在生理静电效应：在生理pH(pH(7.4)7.4)条件下，条件下，ATPATP的焦磷酸根中四个可解离质子全部解离，因的焦磷酸根中四个可解离质子全部解离，因此共带有此共带有4 4个负电荷。这些负电荷之间静电个负电荷。这些负电荷之间静电排斥作用使磷酸酯键处于高能状态。排斥作用使磷酸酯键处于高能状态。OPOO-O-RO

8、POOO-RPOOO-POO-O-,OPO-OO-OPO-O-O,OPO-OO-OPO-O-O,HOPO-OO-HOPO-O-O,HOPOO-O-+HOPO-O-O-磷酸 :ATP:ADP:,b.b.共振稳定因素：共振稳定因素：ATP ATP 解离成解离成ADPADP和磷酸和磷酸（或（或AMPAMP和焦磷酸）后，共振稳定性大增加。和焦磷酸）后，共振稳定性大增加。NNNNNH2OOHOHHHHHOPOO-OPHOO-O+HPO42-NNNNNH2OOHOHHHHHOPOO-OPOO-OP-OO-O+H2OADPATPATP是生物体内最重要的能量转换中间体。是生物体内最重要的能量转换中间体。 AT

9、PADP循环是自然界生物赖以生存的基础。循环是自然界生物赖以生存的基础。光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化和光合磷酸化和氧化磷酸化是氧化磷酸化是生物体将光能生物体将光能和化学能转变和化学能转变成生物能成生物能(ATP)最基本的反应最基本的反应形式。形式。释放能量释放能量光能和化光能和化学能学能固相酶催化法合成固相酶催化法合成ATPATP三磷酸腺苷 (ATP)O-POOO-CCH3OHOCH2OHHOHHOHHNNNH2NN3+固定化腺苷激酶腺嘌呤核糖腺嘌呤核糖核苷核苷v化学法合成化学法合成ATPATP： 此 法 与 生 物 合 成 法 相 似此 法 与 生 物 合 成 法 相

10、似 , , 在 偶 联 剂在 偶 联 剂 DCC(N,N-DCC(N,N-二环己基碳二亚胺二环己基碳二亚胺) ) 存在下存在下, , 通过通过 AMP AMP 与磷酸作用合成。与磷酸作用合成。(5-AMP)5-磷酸腺苷O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2+ O-POOHO-DCC(N,N-二环己基碳二亚胺)吡啶ADPATP二磷酸腺苷三磷酸腺苷DCCPi+DCC在生物体内，在生物体内，GTP可以通过可以通过GMP和和ATP作作用来合成用来合成GMP + ATP GTP + AMPGDP + ATP GTP + ADP酶酶酶酶GTP + ADP GDP + ATP酶酶OOHHHHH

11、OOPO-OGOOHHHHHOHOP-OOO-G磷磷酸酸二二酯酯酶酶HOHHNNNOH2NNOOHHHHCH2HOPO32-ONNH2ONOOHOHHHCH2HPOO-HNOONOOHOHHHHPOO-OONNNNNH2OOHOHHHCH2HPOO-HO5 end12345(CH3)AU (T)CG3 end53123456789123455多聚核苷酸链多聚核苷酸链HNNNOH2NNOOHHHHCH2HOHONNH2ONOOHOHHHCH2HPOO-HNOONOOHOHHHHPOO-OONNNNNH2OOHOHHHCH2HPOO-2-O3PO5 end12345(CH3)AU (T)CG3 e

12、nd53123456789123455进一步简化为进一步简化为(Some simpler presentations): pA-U-C-GOH, pApUpCpG, pAUCG in 5 3 directionAOH23P5UOH23P5COH23P5GOH23OH5P5-end3-end5.3.2 DNA 的双螺旋结构及其生物学意义的双螺旋结构及其生物学意义1.DNA 1.DNA 双螺旋结构的要点：双螺旋结构的要点：A = T, G = C, A = T, G = C, A + G = T + CA + G = T + C生物学意义生物学意义DNADNA的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通过

13、的三螺旋结构与双螺旋结构相似，都是通过DNADNA单单链之间形成氢键实现的。链之间形成氢键实现的。DNA DNA 三螺旋结构具有如下三螺旋结构具有如下一些特点：一些特点：组成三螺旋的组成三螺旋的 DNADNA单链，一般都是由单一的嘌呤碱单链，一般都是由单一的嘌呤碱基（基（A A和和G G）或单一的嘧啶碱基（）或单一的嘧啶碱基（C C和和T T）所组成。）所组成。DNA DNA 三螺旋的基本结构有两种，一种是由两条多聚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嘧啶碱基核苷酸链和一条多聚嘌呤碱基核苷酸链组成，即嘧啶成，即嘧啶- -嘌呤嘌呤- -嘧啶。第二种

14、是由两条多聚嘌呤嘧啶。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链组成。碱基核苷酸链和一条多聚嘧啶碱基链组成。每一条单链至少有每一条单链至少有8 8个核苷酸组成。个核苷酸组成。RNARNA分子中，部分区域分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构则形成突环。这种结构可以形象地称为可以形象地称为“发夹发夹型型”结构结构。A-UA-U、G-CG-C、G-UG-U之间配之间配对，对，G-UG-U配对形成的氢配对形成的氢键较弱。键较弱。HNNNNO核糖次次黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷( (I I) )HNNHOO核糖核糖核

15、糖HNNOOHNNOO假假尿尿嘧嘧啶啶核核苷苷( ( ) )二二氢氢尿尿嘧嘧啶啶核核苷苷( (D D) )胸胸腺腺嘧嘧啶啶核核糖糖核核苷苷( (T T) ) tRNAtRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分。基，这类碱基大部分位于突环部分。典型的典型的tRNA具有三叶草形二级结构具有三叶草形二级结构氨基酸臂：是氨基酸臂：是tRNA 识别、结合和活化氨基酸的部位。识别、结合和活化氨基酸的部位。反密码臂：是反密码臂：是tRNA识别识别mRNA氨基酸信息的核心部分。氨基酸信息的核心部分。tRNA三三叶叶草草形形二二级级结结构构模模

16、型型氨基酸臂氨基酸臂二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环额外环额外环T C环环反密码环反密码环酵母丙氨酸酵母丙氨酸tRNAtRNA的核苷酸序列的核苷酸序列反密码子反密码子反密码臂反密码臂含氮碱基的特点？含氮碱基的特点？碱基具有芳香环的结碱基具有芳香环的结构特点。构特点。具有氨、酮和烯醇等具有氨、酮和烯醇等相应的化学性质。由相应的化学性质。由于环上极性基团的存于环上极性基团的存在，碱基能够发生酮在，碱基能够发生酮式式- -烯醇式或氨基式烯醇式或氨基式- -亚氨基式的互变异构。亚氨基式的互变异构。NNNHNNH2HNNNHNOH2NNNHNH2OHNNHOO鸟鸟嘌嘌呤呤( (G G) )胞胞嘧嘧啶啶( (C

17、C) )胸胸腺腺嘧嘧啶啶( (T T) )HNNHOO尿尿嘧嘧啶啶( (U U) )腺腺嘌嘌呤呤( (A A) )(DNA)(RNA)NNHNH2OpK1=4.6NNHNH2O胞胞嘧嘧啶啶( (C C) )HpK2=12.5NNNH2-OHNNHOOpK1=9.5H+3NNHOO尿尿嘧嘧啶啶311HNNNHNOH2NHNNNHNOH2NNNNHNOH2NHNNNNOH2NHpK1=3.2pK2=9.6pK3=12.4NNNNNH2pK2=9.8H+HNNNNNH2NNNNNH2HHpK1=4.151AG7919HNNHOOpKa=9.5H+13NNHOONNHOOHNNOONNHOO.尿尿嘧嘧

18、啶啶NNNNNH2pKa=9.8H+HNNNNNH2NNNNNH2腺腺嘌嘌吟吟由于含氮碱基中的嘌呤环和嘧啶环具有芳香环的由于含氮碱基中的嘌呤环和嘧啶环具有芳香环的结构特点，因而可以发生环上的亲电取代反应。结构特点，因而可以发生环上的亲电取代反应。环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的功环上的氮原子在亲电取代反应中具有定位基的功能。嘧啶环中反应活性最高的是能。嘧啶环中反应活性最高的是C C5 5，嘌呤环中反，嘌呤环中反应活性最高的是应活性最高的是C C8 8。NNO5RNNO5RNNNNR8NNNNR8（1 1）腺嘌呤核苷的溴代）腺嘌呤核苷的溴代（2 2）尿嘧啶核苷的氯代）尿嘧啶核苷的氯代NR

19、NHOOCl Cl尿嘧啶核苷NRNHOOClH+NRNHOOClHNRNHOOCl5-氯尿嘧啶核苷NNRNNNH2Br BrNNBrRNNNH2CH3ONaNH2NH2NaN38-甲基腺苷8-肼基腺苷8-叠氮腺苷腺苷8-溴代腺苷HNNOOROH-NORNH2COO-嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。嘧啶碱基能够与肼作用，得到碱基环分解的产物。此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这此反应只发生在嘧啶碱基，而嘌呤碱基不发生这类反应，因此在核酸分析中有重要应用价值。类反应，因此在核酸分析中有重要应用价值。HNNOORNH2NH2HNNOORNHNH2HNNORNHNHONHNHOHNN

20、HOR+H2O+6在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。化反应。在同样条件下，在同样条件下，U U和和T T基本上不起反应。应用基本上不起反应。应用CHCH2 2N N2 2作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。NNNNNH2H3CRNNNNNH2RCH3NNNNNH2RCH3HNNNNOH2NCH3RHNNNNOH2NRCH3NNNH2OH3CR环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下

21、，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变DNADNA的碱的碱基组成。基组成。NNNH2ORHONONNN2+ORH2ONNOHORHNNORO5环外氨基的反应v腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄嘌呤核苷（分别形成次黄嘌呤核苷（I I）和黄嘌呤核苷（）和黄嘌呤核苷（X X）。）。v这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致方向，导致DNADNA复制错误，是引起基因突变的重要复制错误，是引起基因突变的

22、重要原因之一。原因之一。HNNNHNOHNNHNHNOO次黄嘌呤核苷(I)黄嘌呤核苷(X)6光聚合反应胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：成反应： 在在DNADNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。是破坏了正常复制或转录。NCH3HNOORNHNOORCH3NHNOORCH3NCH3HNOOROHNHNORCH3OHUVROOHNCH3NH2ONNNNONRHHH烷基化鸟嘌呤核苷NNNNONRHHCH3NNOOCH3RH正常情况与胞嘧啶配对烷基化后与胸腺嘧啶配对6-甲氧基鸟嘌呤(O6-methylguanine, mG) 胸腺嘧啶核苷5.4.2 核酸的性质1 1核酸的两性性质及等电点核酸的两性性质及等电点n与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。有两性性质。n由于核酸分子