第五章-核酸的化学

绿体，质粒等。1第五章核酸的化学内容

第一节

第二节

第三节核酸的组成和结构核酸的理化性质核酸的分离与含量测定

第一节核酸的组成和结构一、核酸的概念和生物功能核酸(nucleicacid)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。

核酸的分类及分布

脱氧核糖核酸90%以上分布于细胞核，其(deoxyribonucleicacid,余分布于核外如线粒体，叶DNA)

核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。

分布于胞核、胞液。

参与细胞内DNA遗传信息 的表达。某些病毒RNA也 可作为遗传信息的载体。2

2、核酸的生物功能（1）核酸是遗传变异的物质基础二、核酸的分子组成和基本结构单位 －单核苷酸核酸磷酸

水解核苷酸

水解

核苷

碱基嘌呤碱基嘧啶碱基水解

戊糖核糖脱氧核糖（2）核酸与生物遗传信息的传递

DNA→RNA→蛋白质（3）核酸与医药 ①疾病 ②药物

核酸的水解过程AMP

HdCMP表5-1DNA和RNA的基本化学组成的异同

嘌呤碱嘧啶碱

DNA腺嘌呤adenineA鸟嘌呤guanineG胞嘧啶cytosineC

RNA腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶thymineT尿嘧啶U戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸NNNH23（1）嘧啶碱

核酸中常见的嘧啶碱有三类：

＊胞嘧啶（C） ＊尿嘧啶（U）＊胸腺嘧啶（T）（一）核苷和核苷酸1.碱基N324561

NH嘧啶(pyrimidine)NNH2

NHO胞嘧啶(cytosine,C)NHO

NHO尿嘧啶(uracil,U)

O

NHH3C＊小麦胚DNA含有5-甲基胞嘧啶NCH3ON H

5-甲基胞嘧啶NOCH2OH

N H5-羟甲基胞嘧啶HNO＊某些噬菌体中含有5-羟甲基胞嘧啶和5-

羟甲基尿嘧啶等。

NH2NH2OCH2OH

N H5-羟甲基尿嘧啶（2）嘌呤碱(purine)1N254

63N

N

78 9

NHNN

NHO胸腺嘧啶(thymine,T)

NH2NHN

NH腺嘌呤(adenine,A)

O

NH鸟嘌呤(guanine,G)N

（3）稀有碱基核酸中还有一些含量很少的碱基，称为稀有碱基。

NH2H3C稀有碱基

N NN H

2、核糖和脱氧核糖RNA:β-D-核糖DNA:β-D-2-脱氧核糖

3、核苷的形成戊糖和碱基缩合而成的糖苷称为核苷。

（1）形成方式戊糖和碱基之间通过N-C键（N-糖苷键）缩合而成的糖苷称为核苷

戊糖的第一位碳原子（C1）与嘌呤碱的第九位氮原子（N9）相连形成糖苷键HHHOCH2O H H OHHNNNNNH2腺嘌呤脱氧核苷（脱氧腺苷）

4ONH2NNH2NNN假尿嘧啶核苷5

戊糖的第一位碳原子（C1）与嘧啶碱的第一位氮原子

（N1）相连形成糖苷键核酸分子中的糖苷键为β-糖苷键糖苷中的碱基与糖环平面互相垂直。HNO

OHOCH2O H H OH

NH HOH尿嘧啶核苷（尿苷）

RNA中主要的核糖核苷腺嘌呤核苷adenosine,A、鸟嘌呤核苷guanosine,G、HOHHOHHHHOHHOHHHN

OHOCH2OHOHHOHHH

胞嘧啶核苷cytidine,C、 尿嘧啶核苷uridine,U

O N HN N NHOCH2OHOCH2OONHOHHOHNH2

HNN

HOCH2OHH（2）种类:核糖核苷和脱氧核糖核苷(根据戊糖的不同)DNA中主要的脱氧核糖核苷HOHHHHHNN

OHOCH2ONOHOHHH

HN OHOCH2OHHCH3HOHHHHHNN

HNH2NN

HOCH2OHOHHHHH

N NHOCH2ONN腺嘌呤脱氧核苷deoxyadenosine,dA、鸟嘌呤脱氧核苷deoxyguanosine,dG、胞嘧啶脱氧核苷deoxycytidine,dC、胸腺嘧啶脱氧核苷deoxythymidine,dT

NH2ONH2

C5相连接（C-C键）C5-C1NH OOHHOHHOCH2O H HH

假尿嘧啶核苷tRNA中含有少量

HN1 6戊糖与嘧啶环的O2534HH5'H5'-磷酸酯键64、核苷酸

核苷中戊糖的羟基发生磷酸酯化，就形成OHHOHNNH-

NH2

N O-NOPOCH2O O H

核苷酸。连接键:酯键天然核苷酸均为5’-核苷酸5′-腺嘌呤核苷酸5´端3´端核苷酸的连接

核苷酸之间以3',5'-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CAGN1

OHHOPOCH2O

OOHOH

OHOH

OHHOPOCH2OO核苷酸的连接H2ON1ON2O

3'

OOH

5'HOPOCH2O3'OOHOHN3

OHOH

OHHOPOCH2O

OHOH

OHHOPOCH2ON’

OHHOPOCH2O

O3'-磷酸酯键

N2

核苷酸可以分成两大类：OHHOHHNNNNNH2-OPOCH2O O HO-OHHHHNNNNNH2-OPOCH2O O HO-核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。

AMPdAMPOO7表5-2

RNARNA和DNA的基本结构单位

DNA腺嘌呤核苷酸(AMP)腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP)鸟嘌呤核苷酸(GMP)鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP)胞嘧啶核苷酸(CMP)胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)尿嘧啶核苷酸(UMP)胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP)HOHHOHHHNNNNNH2OOPOCH2OO-POOO-PO-OO-（二）体内重要的核苷酸衍生物

（1）腺嘌呤核苷三磷酸-ATP

（2）环化核苷酸

3’,5’-环腺苷酸（环腺苷磷，cAMP）

3’,5’-环鸟苷酸（环鸟苷磷，cGMP）•cAMP和

cGMP分 别具有放大和缩小激素信号的作用，因此称为激素的第二信使。HOHH HOHNNNNH2

NOCH2OOP

-HNNNOHOHH HOHH2NN OCH2OOP

-D-核糖

酸磷酸）尼克酰胺腺嘌呤D-核糖尼克酰胺D-核糖腺嘌呤D-核糖磷酸

（3）辅酶类核苷酸1、辅酶I（CoI，NAD，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） 辅酶II（CoII，NADP，烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸磷酸

辅酶I（NAD）磷酸磷酸

辅酶II（NADP）腺嘌呤8

都是二核苷酸，即由两个单核苷酸组成，一 个单核苷酸含有的碱基是腺嘌呤，另一个核 苷酸的碱基是尼克酰胺（维生素PP，烟酰 胺）

辅酶I与辅酶II都是脱氢酶的辅酶，尼克酰胺 部分能够可逆的加氢与脱氢，在生物氧化中 起递氢作用。2、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

FAD是类似二核苷酸的化合物，分子中一半 为腺嘌呤核苷酸，另一半是磷酸核黄素（黄 素单核苷酸、FMN），结构与核苷酸类似。

FAD和FMN的功能是在生物氧化过程中起传 递氢原子的作用

核醇磷酸磷酸D-核糖 核 黄 素 异咯嗪

FMN3、辅酶A（CoA，CoA-SH）

辅酶A是核苷酸的衍生物，结构中含有腺嘌呤核苷酸D-核糖 磷酸磷酸

辅酶A分子中泛酸是一种水溶性维生素，其氨 基乙硫醇中的巯基是辅酶A参与酶促反应的一 个重要基团，因此辅酶A常用CoA-SH表示。

辅酶A参与糖、脂肪、蛋白质代谢，尤其是脂 肪代谢的促进作用更加重要。

氨基乙硫醇 腺嘌呤泛酸磷酸三、核酸的分子结构

DNA的一级结构指构成DNA的的各个单核苷酸之间连接键的性质及组成中单核苷酸的数目和排列顺序。11

1、双螺旋模型的要点

1)DNA分子是 由两条脱氧多核 苷酸链构成，两 条链都是右手螺 旋，两条链反向 平行。

3)DNA双螺旋的直径为2nm。每隔0.34nm有一个核苷酸，两个相邻核苷酸之间的夹角为36o。每一圈双螺旋有10对核苷酸，每圈高度3.4nm。2)磷酸基和脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键相连接，形成DNA的骨架，碱基在糖环的内侧，糖环平面与碱基平面互相垂直。4)DNA两条链之间由碱基之间的氢键相连，

A=T,GC

碱基间形成氢键有一定规律：腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，形成两个氢键；鸟嘌呤与胞嘧啶配对，形成三个氢键。这种碱基之间的互相配对称为碱基配对。125)沿螺旋轴方向观察，碱基不是充满双螺旋的全部空间，链之间的螺旋形成一条大沟和一条小沟。2.0nm小沟大沟

“大沟”、“小沟”的功能

沟状结构与DNA、蛋白质间的相互识别有关。

双螺旋结构稳定的作用力1.氢键：互补碱基之间2.碱基堆积力 （是DNA双螺旋结构稳定的主要作用力）3.离子键： 带负电荷的磷酸基团与介质中的阳离子相 互作用

小结：DNA二级结构主要特点

两条脱氧核酸链构成右手双 螺旋结构，链的走向相反

磷酸脱氧核糖链在螺旋的外 侧，碱基在螺旋的内侧

脱氧核糖平面与碱基平面相 互垂直

碱基配对规律：A=T、G

C

稳定力： 横向：氢键 纵向：碱基堆积力132DNA双螺旋结构的多样性A-DNAB-DNAZ-DNA类型方向基数

左手螺旋DNA螺旋每圈残直径碱基堆螺距每个碱基(nm)积距离(nm)旋转角度

(nm)B-DNA右旋102.00.343.436oZ-DNA左旋121.80.374.44－60o

（三）DNA的三级结构

在DNA二级结构的基础上，双螺旋扭曲

或再次螺旋就构成了DNA的三级结构。

超螺旋是DNA三级结构的一种形式

RNA的分子结构 （一）RNA的类型1、核糖体RNA(ribosomalRNA,rRNA)2、转运RNA3、信使RNA

(transferRNA,tRNA)(messengerRNA,mRNA)（二）RNA的结构特征1.基本组成单位是AMP、GMP、CMP、

UMP和多种稀有碱基核苷酸。2.每分子中约含有几十至数千个NMP，

NMP彼此之间通过3’,5’磷酸二酯键连接。3.主要是单链结构，局部区域可卷曲形成 双螺旋结构，或称发夹结构。不配对的碱 基形成环状突起。具有二级结构的RNA进 一步折叠形成RNA分子的三级结构。4.RNA容易被碱水解。

1415

（三）核糖体RNA

特点:rRNA的结构分子大小不均一，部分双螺旋和部分突环相间排列大肠杆菌的16-S-rRNA的三维结构主要的一类RNA，占全部RNA的80％是一类代谢稳定、分子量最大的RNA存在于核糖体内。

(四)转运RNA

在蛋白质生物合成中起携带氨基酸的作用

tRNA的结构：

一级结构二级结构三级结构

特点:

是细胞内最小的一类RNA1.tRNA的一级结构

由70～90个核苷酸组成含有较多稀有碱基

3’末端为CCA-OH16＊二氢尿嘧啶环＊反密码环＊额外环＊TψC环

2.tRNA二级结构

三叶草型

氨基酸臂＊氨基酸臂额外环二氢尿嘧啶环

反密码环TψC环三叶草3.tRNA三级结构：呈倒L型

（五）信使RNA（mRNA）

1.在细胞中含量很少2.代谢活跃，更新迅速，半衰期较短3.是蛋白质合成的模板

结构(真核生物)

第二节核酸的理化性质3’端有多聚腺苷酸(polyA)结构5’端有帽子结构：7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸 （M7G5’PPP5’NP）

二、核酸的溶解度与粘度

核酸微溶于水，不溶于乙醇、乙醚和氯仿等有机溶剂，钠盐更容易溶于水。

天然DNA分子粘度极大，RNA粘度比DNA小。一、核酸的分子大小 核酸是高分子化合物

DNA：

108~1010

噬菌体T21X108

2X109

大肠杆菌

8X1010

果蝇

RNA：（2.3~110）X104

三、核酸的酸碱性质

溶液pH高于4

时，核酸全部解离成阴离 子状态

与金