食品生物化学

食品生物化学第一节概述第二节核酸化学组成第三节核酸结构第四节核酸性质第五章核酸化学

1/45食品生物化学学习目标1．掌握核酸化学组成和基本组成单位。2．掌握核酸结构，了解DNA双螺旋结构关键点。3．掌握核酸性质。2/45食品生物化学第一节概述核酸(nucleicacid)是生物体基本组成物质，从高等动、植物到简单病毒都含有核酸。它在生物个体生长、发育、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着主要作用。核酸是生物细胞中最主要生物大分子之一。依据核酸化学组成，把核酸分为两类，一类为脱氧核糖核酸（DNA），另一类为核糖核酸（RNA）。3/45食品生物化学DNA是大分子化合物，其分子量约106～109，它主要分布在细胞核内，在线粒体和叶绿体中也有少许分布。RNA依据其生理功效和结构分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。核糖体RNA是细胞中含量最多一类RNA，约占总RNA75%～80%，分子量约为106，它以核蛋白形式，存在于细胞质核糖体中；转运RNA含量仅次于核糖体RNA，约占总RNA10%～15%，分子量约为0.25×105～0.30×105，它以游离状态分布在细胞质中。信使RNA含量较少，占总RNA5%，分子量为0.2×106～2.0×106，它在核中合成后转移到细胞质中。4/45食品生物化学第二节核酸化学组成一、核酸元素组成DNA和RNA分子中，主要元素有碳、氢、氧、氮、磷等，个别核酸分中还含有微量S。磷在各种核酸中含量比较靠近和恒定，DNA平均含磷量为9.9%，RNA平均含磷量为9.4%。所以，只要测出生物样品中核酸含磷量，就能够计算出该样品核酸含量，这是定磷法理论基础。5/45食品生物化学二、核酸水解产物核酸是一个聚合物，它结构单位是核苷酸。图5-1核酸水解产物6/45食品生物化学三、核酸水解产物化学结构1．戊糖DNA和RNA主要区分是所含戊糖不一样，DNA分子中戊糖是β-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中戊糖是β-D-核糖。β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖图5-2戊糖结构式7/45食品生物化学2．碱基核酸分子中碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱，它们是含氮杂环化合物。嘌呤碱类主要有包含二种嘌呤：腺嘌呤（adenine,A）和鸟嘌呤(guanine,G)。嘧啶碱类主要包含三种嘧啶：胞嘧啶（cytosine,C），胸腺嘧啶(thymine,T)和尿嘧啶(uracil,U)，其中RNA分子中只含其中两种嘧啶：胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），不含胸腺嘧啶（A）；DNA分子中则只含二种嘧啶：胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（A），而不含尿嘧啶（U）。8/45食品生物化学图5-3碱基母核与碱基结构9/45食品生物化学3．核苷核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱生成糖苷。核苷中碱基部分与戊糖部分原子各有一套编号，为表示区分，普通将戊糖部分原子编号加上“′”。形成核苷时，由戊糖1′-C和嘌呤9-N或嘧啶1-N成糖苷键。核苷名称都来自它们所含有碱基名称，如含有腺嘌呤核糖核苷就称为腺嘌呤核苷(adenosine)，假如是脱氧核糖就称为脱氧腺嘌呤核苷(deoxyadenosine)。腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷(guanosine)、胞嘧啶核苷(cytidine)和尿嘧啶核苷(uridine)分别简称为腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。胸腺嘧啶极少出现在核糖核苷中，所以脱氧胸腺嘧啶核苷，常简称为胸苷，也称为脱氧胸苷。10/45食品生物化学

图5-4一些主要核苷结构

11/45食品生物化学用表示碱基单字母也能够用来表示核苷，即用A、G、C、U分别表示腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷。以d表示脱氧，用dA、dG、dC和dT表示脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷。4．核苷酸核苷与磷酸结合生成化合物称为核苷酸。即核苷酸是由核苷分子中戊糖环上羟基与一分子磷酸上氢经过脱水生成磷酯键形成化合物。含有核糖核苷酸称为核糖核苷酸，而含有脱氧核糖核苷酸称为脱氧核糖核苷酸。核苷含有3个能够被磷酸酯化羟基(2′、3′和5′)，而脱氧核苷含有2个这么羟基(3′和5′)。12/45食品生物化学在自然界中出现游离核苷酸为5′－核苷酸，能够省去5′字样。核苷酸能够含有一个、两个或三个磷酸基团，分别称为核苷一磷酸(NMP)、核苷二磷酸(NDP)及核苷三磷酸(NTP)。比如腺苷5′-单磷酸酯就称为腺苷一磷酸(AMP)，也可简称为腺苷酸。一样，脱氧胞苷5′-磷酸酯能够称为脱氧胞苷一磷酸(dCMP)，简称为脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶脱氧核苷5′-磷酸酯常称为胸苷酸，但有时为了防止混同，也称为脱氧胸苷酸。腺苷5′-二磷酸酯就称为腺苷二磷酸(ADP)，而腺苷5′-三磷酸酯就称为腺苷三磷酸(ATP)。13/45食品生物化学

图5-5主要核糖核苷酸和脱氧糖核苷酸结构通式14/45食品生物化学续图5-5主要核糖核苷酸和脱氧糖核苷酸结构通式15/45食品生物化学5．DNA和RNA组成差异DNA和RNA组成差异主要是戊糖和碱基不一样。从而造成形成不一样核苷和核苷酸。表5-1参加DNA和RNA组成碱基、核苷及核苷酸

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图5-6ATP结构示意图17/45食品生物化学四、核苷酸衍生物1.腺苷三磷酸（ATP）ATP是生物体中主要化合物。ATP结构中磷酸与磷酸之间联结键水解断裂时产生大量能，叫高能磷酸键，习惯用“～”表示高能键。凡含有高能磷酸键化合物称为高能磷酸化合物。ATP含两个高能磷酸键，AMP分子中所含磷酸键不是高能磷酸键，所以它是普通磷酸化合物。普通磷酸化合物其磷酸键能较低，水解时只能释放8.4KJ/mol能量，而高能磷酸键水解时可释放30.7KJ/mol能量。ATP依次水解可分别产生腺苷二磷酸（ADP）、腺苷一磷酸（AMP），即：ATP→ADP+Pi；ATP→AMP+PPi；ADP→AMP+Pi

18/45食品生物化学ATP分解为ADP或AMP时释放出大量能量，这是生物体主要供能方式，ATP是机体生理活动、生化反应所需能量主要起源。反之，AMP磷酸化生成ADP、ADP继续磷酸化生成ATP时则储存能量，这是生物体暂时贮存能量一个方式。ATP在生物体或细胞能量代谢中起着极为主要传递作用，被称为“能量货币”。另外体内存在各种多磷酸核苷酸都能发生这种能量转化作用，如GTP、CTP和UTP。在核酸合成中，四种三磷酸核苷（ATP、GTP、CTP、UTP）是体内合成RNA直接原料，四种三磷酸脱氧核苷（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）是合成DNA直接原料。

2.腺苷衍生物——环腺苷酸（cAMP）cAMP是由ATP经腺苷酸环化酶催化而成。19/45食品生物化学图5-7环腺苷酸（cAMP）20/45食品生物化学cAMP广泛存在于一切细胞中，浓度很低。它们主要作用不是作为能量供体，而是在生物体内参加细胞内各种调整功效，如它可调整细胞内催化糖和脂肪反应一系列酶活性，也能够调整蛋白激酶活性。普通把激素称为第一信使，而称cAMP为“第二信使”。3.次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成次黄嘌呤核苷酸。次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸关键物质，对生物遗传有主要功效。另外，它还是一个很好助鲜剂，有肉鲜味，与味精以不一样百分比混合制成含有特殊风味强力味精（见第九章第二节鲜味）。21/45食品生物化学图5-8次黄嘌呤核苷酸22/45食品生物化学第三节核酸结构核酸水解为核苷酸，核苷酸经完全水解后，可释放出等量碱基、戊糖和磷酸。核苷酸是核酸基本组成单位，DNA基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，RNA基本组成单位是核糖核苷酸。各种核酸中核苷酸少有70多个，多有几十万种。而且核苷酸以一定数量和排列次序相互连接，并形成一定空间结构。23/45食品生物化学一、核酸一级结构核酸一级结构就是经过3′，5′-磷酸二酯键连接核苷酸序列，也称多核苷酸链。多核苷酸链由交替戊糖和磷酸基团形成核苷酸链共价骨架。连接在戊糖上碱基贮存和传送遗传信息。1．核苷酸连接方式聚合酶催化细胞中RNA和DNA合成。RNA以ATP、GTP、CTP和UTP为底物；而DNA以dATP、dGTP、dCTP和dTTP为底物。经过催化一个核苷酸核糖或脱氧核糖第5′位磷酸，与另一个核苷酸第3′位羟基之间脱水缩合形成3′，5′-磷酸二酯键，并释放出无机焦磷酸。多个核苷酸以3′，5′-磷酸二酯键连接成线形大分子，即多核苷酸链。24/45食品生物化学

图5-9RNA和DNA共价骨架结构25/45食品生物化学2.核酸一级结构表示方法RNA和DNA多核苷酸链，也像多肽链一样有方向性，它一端为5′末端，而另一端为3′末端。不论是DNA，还是RNA，在它们生物合成聚合反应中，都是按照5′→3′方向进行，所以没有尤其指定时，核苷酸序列都是按照5′→3′方向读写。核酸一级结构表示方法有两种，一个是线条式缩写法，用竖直线表示戊糖；斜线表示3′，5′-磷酸二酯键，一端与戊糖3′相连，另一端与下一个戊糖5′相连；p表示磷酸残基，A、U、G、C、T表示各碱基。26/45食品生物化学另一个是文字缩写法，即磷酸用p表示，腺苷一磷酸表示为pA，而脱氧腺苷一磷酸表示为pdA，其它类似。将上图线条式可改写成pApCpGpUpA，也可深入简写为ACGUA。图5-10线条式缩写示意图27/45食品生物化学二、DNA空间结构DNA空间结构是指多核苷酸链与多核苷酸链之间以及多核苷酸链内经过氢键及碱基堆积力，在空间形成螺旋、卷曲和折叠构象。DNA空间结构包含DNA二级结构和DNA超螺旋结构。1.DNA二级结构DNA二级结构普通是指DNA分子空间双螺旋结构。DNA双螺旋结构模型建立，揭开了当代分子生物学序幕。（1）DNA分子是由两条相互平行、但走向相反（一条链为3＇→5＇，另一条链为5＇→3＇）脱氧多核苷酸链组成，两条链以右手螺旋方式平行地围绕同一个轴盘旋成双螺旋结构。28/45食品生物化学图5-11

DNA双螺旋结构模型29/45食品生物化学（2）双螺旋两条主链都是由脱氧核糖酸残基中糖和磷酸组成，是双螺旋骨架。两条链上碱基两两成对层叠分布于双螺旋内侧，碱基平面与螺旋轴垂直。（3）两条脱氧多核苷酸链之间同一水平上碱基是经过氢键相连形成碱基对，而且碱基配对有一定规律，即A与T经过形成两个氢键配对（A=T）；G与C经过形成三个氢键配对（G≡C）。所以，有4种可能碱基对，即A－T、T－A、G－C和C－G。在碱基对之中两个碱基称为互补碱基，因为DNA双链同一水平上碱基对都是互补，所以两条链也是互补，称为互补链，只要知道一条链碱基排列次序，就能确定另一条链碱基排列次序。DNA复制、转录、反转录以及蛋白质生物合成都是经过碱基互补标准实现，碱基互补规律有主要生物学意义。30/45食品生物化学

（4）双螺旋直径为2nm，螺旋每绕一圈升高3.4nm，含10个碱基对。

DNA双螺旋结构十分稳定，分子中碱基堆积能够使碱基之间缔合，这种力称为碱基堆积力，是由疏水作用形成，它是维持DNA双螺旋结构空间稳定主要作用力。经过加热等方式可能破坏DNA双螺旋结构，将双链解链成为单链。2.DNA超螺旋结构双螺旋DNA深入扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构主要形式。在生物体内DNA在双螺旋二级结构基础上深入盘曲成紧密空间结构称为DNA超螺旋结构。31/45食品生物化学许多病毒DNA、细菌质粒DNA和真核生物线粒体DNA以及叶绿体DNA，多是由双螺旋结构首尾两端接成环状（开环型）。双螺旋深入发生扭曲形成超螺旋结构（双股闭链环状）。超螺旋是DNA三级结构中一个常见形式。图5-12

DNA超螺旋结构32/45食品生物化学图5-13核小体示意图33/45食品生物化学

真核细胞核染色质中DNA双螺旋缠绕在组蛋白八聚体上，形成核小体。许多核小体之间由DNA链相连，形成串珠状结构。在串珠状结构基础上，再经过几个层次折叠，将DNA紧密压缩于染色体中。细胞内DNA主要以超螺旋形式存在，比如，人DNA在染色体中超螺旋结构，使DNA分子重复折叠盘绕后共压缩8400倍左右。三、RNA结构

除少许病毒RNA外，RNA是以单链分子存在。当前了解比较清楚是分子量较小，大约只含80个核苷酸转移RNA（tRNA）结构。34/45食品生物化学在RNA分子多核苷酸链中也能形成与DNA相类似螺旋区，这是由单链本身回折，使链内可配正确碱基（A-U,G－G）相遇形成氢键（A－U碱基对），使该部分扭转形成螺旋。但其螺旋结构与DNA略有不一样，碱基既不彼此平行，也不垂直于螺旋轴。这是因为在核糖2‘位置上多出氧原子大部分伸入到结构密集部位所致。这些双股区域会被没有互补序列单股区域所分开，此单股区域还可形成环状突起。在转运RNA、核糖体RNA及信使RNA分子中都含有一些双螺旋区。35/45食品生物化学tRNA三叶草模型

tRNA倒L形三级结构图5-14

tRNA

二、三级结构36/45食品生物化学第四节核酸性质一、普通物理性质RNA和核苷酸纯品都是白色粉末或结晶，DNA是白色类似石棉样纤维状物。除肌苷酸和鸟苷酸含有鲜味外，核酸和核苷酸大都呈酸味。DNA和RNA都是极性化合物，普通都溶于水，不溶于乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂。它们钠盐比游离酸在水中溶解度大，如RNA钠盐在水中溶解度可达4%。

37/45食品生物化学核酸是相对分子质量很大高分子化合物，高分子溶液比普通溶液黏度要大得多，高分子形状不对称性愈大，其黏度也就愈大，不规则线团分子比球形分子黏度大，线形分子黏度更大。因为DNA分子极为细长，所以即使是极稀溶液也有极大黏度，RNA黏度要小得多。二、核酸酸碱性质核酸和蛋白质一样，也是两性电解质，在溶液中发生两性电离。因磷酸基酸性比碱基碱性强，故其等电点偏于酸性。利用核酸两性解离能进行电泳，在中性或偏碱性溶液中，核酸常带有负电荷，在外加电场力作用下，向阳极泳动。利用核酸这一性质，可将相对分子质量不一样核酸分离。38/45食品生物化学

核酸中酸性基团可与K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子结合成盐。当向核酸溶液中加入适当盐溶液后，其金属离子即可将负离子中和，在有乙醇或异丙醇存在时，即可从溶液中沉淀析出。惯用盐溶液有氯化钠、醋酸钠或醋酸钾。DNA双螺旋两条链间碱基解离状态与溶液pH相关，溶液pH将直接影响碱基对之间氢键稳定性，在pH4.0～11.0之间DNA最为稳定。三、核酸紫外吸收嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，对紫外光有较强吸收，最大吸收峰值在260nm波优点。蛋白质最大吸收峰值在280nm。利用紫外吸收可测定核酸浓度和纯度。普通测定OD260/OD280，DNA=1.8，RNA=2.0。含有蛋白质杂质，比值显著下降。不纯核酸不能用紫外吸收法测定浓度。紫外吸收改变是DNA结构改变标志，当双链DNA解链时碱基外露增加，紫外吸收显著增加，称为增色效应。39/45食品生物化学图5-15RNA紫外吸收曲线波长nm40/45食品生物化学四、核酸变性与复性