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第二章 核酸的化学 核酸是重要的生物大分子,是一切生物体不可 缺少的组成部分，核酸的研究是分子生物学 的重要领域。 1869年由瑞士Friedrich.Miescher从外科绷带上 脓细胞的细胞核中分离出。 含P量高并且有很强的酸性，由于从细胞中分 离出来，当时称为核素，这种核素就是今天 的脱氧核糖核蛋白。核素中脱氧核糖核苷酸 的含量为30%。 任何机体都含有核酸，核酸占细胞干重的515%。核酸的生物作用 是生命遗传信息的携带者和传递者。 不仅对生命的延续、生物物种遗传 特性的保持、生长发育、细胞分化等都 起重要作用，而且与生物变异等也密切 相关。一、核酸的分类和分布 （一）分类 核糖核酸（ribonucleicacid,）：最早从酵母中 核糖核酸（ ）：最早从酵母中 ）： 提取出来，又称酵母核酸 提取出来，又称酵母核酸 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,）：最 脱氧核糖核酸（ ）：最 ）： 早从动物胸腺中来，称为胸腺核酸 早从动物胸腺中来，称为胸腺核酸 脱氧核糖核酸（） 脱氧核糖核酸（） 分子量 1011道尔顿，生物进化程度超高 分子量 分子量10 道尔顿，生物进化程度超高,分子量 越大，是遗传信息的载体。 越大，是遗传信息的载体。任何一个体细胞都有发育 成为一个生物个体的完整的遗传信息， 成为一个生物个体的完整的遗传信息，同时兼有存储 和传递遗传信息的重要功能。 和传递遗传信息的重要功能。 2.核糖核酸（） 核糖核酸（） 核糖核酸 在自然界除病毒直接以 在自然界除病毒直接以RNA作为遗传物质外，其它 作为遗传物质外， 作为遗传物质外 生物体内RNA分三大类。 分三大类。 生物体内 分三大类2、RNA (1) 核糖体RNA：占总量的80%。特点：分子量 较大，在106左右；稳定，一般与蛋白质结合成 核糖核蛋白体。功能：为蛋白质的生物合成提 供工作场所。 (2)转运RNA：15%左右，分子量在2300028000。功能：在蛋白质生物合成中起选择性 地运输aa的作用。 (3)信使RNA：5%以下，以DNA为模板，在 RNA聚合酶的催化下合成。特点：代谢活跃， 更新迅速，寿命短，不稳定。分子量一般在 0.2-2.0 106。功能：在蛋白质的生物合成中 起传递遗传信息的作用。(二)分布 DNA：细胞核上占90%以上；细胞质中： 1-10%，主要在线粒体和叶绿体上. RNA：细胞质中：占90%以上；细胞核 中：10%以下，在核仁核浆和染色体 上二、核酸的组成 核酸的基本结构单元为核苷酸(nucleotide)。 核酸由成百上千个单核苷酸以磷酸二酯键 连接而成高分子聚合物。 核苷酸由核苷和磷酸组成，而核苷由戊糖 和碱基组成。二、核酸的组成核酸 nucleic acid 核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base ：A、G 或 嘧啶碱 pyrimidine base：U、C、T （碱基 base）核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）1.核酸的基本结构单元核苷酸 (1)磷酸 3PO4 磷酸:H 磷酸 (2)碱基 碱基:A G C T U 碱基 脱氧核糖核酸中的碱基A 脱氧核糖核酸中的碱基 G C T RNA中的碱基 G C U . 中的碱基A 中的碱基 (3)戊糖 戊糖 脱氧核糖核酸中为 脱氧核糖核酸中为 D-2-脱氧核糖 脱氧核糖 RNA中为 D-核糖 . 中为 中为 核糖 (4)核苷 戊糖 碱基 核苷:戊糖 核苷 戊糖+碱基 核苷是脱氧核糖或核糖C 上的半缩醛羟基与嘌呤碱的 核苷是脱氧核糖或核糖 1上的半缩醛羟基与嘌呤碱的 N9或嘧啶碱的 1上的 脱水连接而成的化合物 糖与碱 或嘧啶碱的N 上的H脱水连接而成的化合物 脱水连接而成的化合物.糖与碱 基之间的C-N键称为糖苷键. 键称为糖苷键 基之间的 键称为糖苷嘌呤碱和嘧啶碱H N1 H26 5 3 4N7 8 9NH2 H H N HN H N HNN HN嘌呤腺嘌呤 adenine（A） O H N H H2N N N HN H 鸟嘌呤 guanine（G）H N H3 2 4 5 1 6H HN 嘧啶 NH2 H N H O N H H H HN H O N H O HO H H H HN H O N H HCH3 H胞嘧啶 Cytosine （C）尿嘧啶 uracil （U）胸腺嘧啶 thymine （T）核糖和脱氧核糖HOH2C O2OH1HOH2C OO2OH1OH OH-D-2-核糖OH-D-2-脱氧核糖核苷NH2 N N H H N N H 腺嘌呤 OH2 19HOH2C 5 O4 3OHOH核 糖 腺苷O N H O1O H N H 1 H C5NH ON H 尿嘧啶 OH2 1HHOH2C 5 O4 3HOH2C 5 O4 3 2OH1OHOHOHOH核 糖 尿苷核 糖 假尿苷（）OH H N HO N H 烯醇式 酮式 H H H N OO H N H 酮式 H1.核酸的基本结构单元核苷酸 (5)核苷酸 核苷 磷酸 核苷酸:核苷 核苷酸 核苷+磷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯.核糖核苷酸的核糖上有 核苷酸是核苷的磷酸酯 核糖核苷酸的核糖上有 3个自由的 个自由的-OH，可以磷酯化分别生成 ，3 个自由的 ，可以磷酯化分别生成2-， 核苷酸； 和5 -核苷酸；脱氧核糖核苷酸的核糖上有 个 核苷酸 脱氧核糖核苷酸的核糖上有2个 自由的-OH，只能磷酯化分别生成 和5 -脱 自由的 ，只能磷酯化分别生成3-和 脱 氧核苷酸。生物体内游离的核苷酸多为5 核 氧核苷酸。生物体内游离的核苷酸多为 -核 苷酸。所以通常将核苷-5 磷酸简称核苷 磷酸简称核苷 苷酸。所以通常将核苷 -磷酸简称核苷磷 酸或核苷酸。 酸或核苷酸。 各种核苷酸在文献中用英文表示，如腺苷酸为 各种核苷酸在文献中用英文表示， AMP，鸟苷酸为 ，鸟苷酸为GMP；脱氧核苷酸则在英文 ； 缩写前加一小写d， 缩写前加一小写 ，如d AMP，d GMP。 ， 。核苷酸 核苷酸的表示方法：是在核苷酸符号的 核苷酸的表示方法： 左侧加一小写字母p表示 磷酸酯， 表示5 左侧加一小写字母 表示 磷酸酯， 右侧加p表示 表示 磷酸酯 右侧加 表示 磷酸酯 如pA表示 腺苷酸，Cp表示 胞 表示5 表示 表示 腺苷酸， 表示 苷酸，若为 磷酸酯，则需标明， 苷酸，若为 磷酸酯，则需标明， 表示 如Cp 表示 胞苷酸 ，生物体内 表示 游离的 核苷酸含量很少 游离的 核苷酸含量很少核苷酸 AMP+PiADP, ADP+Pi ATP 其它单核苷酸可以和AMP一样酯化产生相应 其它单核苷酸可以和 一样酯化产生相应 的二磷酸化合物和三磷酸化合物。 的二磷酸化合物和三磷酸化合物。各种核苷 三磷酸化合物（ 三磷酸化合物（ATP、GTP、CTP、UTP） 、 、 、 ） 是体内RNA合成的直接原料；各种脱氧核苷 合成的直接原料； 是体内 合成的直接原料 三磷酸化合物（ 三磷酸化合物（dATP、dGTP、dCTP、 、 、 、 dTTP）是体内脱氧核糖核酸合成的直接原料。 ）是体内脱氧核糖核酸合成的直接原料。 核苷三磷酸化合物在生物体能量代谢中起重 要作用，其中ATP在所有生物系统化学能的 要作用，其中 在所有生物系统化学能的 贮藏和利用中起着关键作用。 贮藏和利用中起着关键作用。核苷酸N H O-NH2 N H N N H 腺嘌呤9O-O-OP OOP OOP HOH2C 5 O OH 1 4 O 3 2 OH OH AMP ADP ATP 胸苷-5-磷酸 核 糖 胸苷核苷酸 ATP也是一些辅酶的结构形式，如NAD+, NADP+, FAD等等 ， 环状腺苷酸（cAMP）是哺 乳动物一些激素发挥生理作用的媒介物， 被称为这些激素的第二信使，许多药物 和神经递质也是通过cAMP发挥作用核苷酸的连接方式 脱氧核糖核酸和 脱氧核糖核酸和RNA都是没有分枝的多核苷 都是没有分枝的多核苷 酸。 链中每个核苷酸的 羟基和相邻核苷酸的戊 链中每个核苷酸的3-羟基和相邻核苷酸的戊 糖上的5-磷酸相连 磷酸相连， 糖上的 磷酸相连，因此核苷酸间的连接键 磷酸二酯键。 是3,5-磷酸二酯键。 磷酸二酯键 由相同排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的 由相同排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的 主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有 主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有 次序地连接在其主链上的侧链基团。 次序地连接在其主链上的侧链基团。 所有的磷酸二酯键有相同的走向，每条线形 所有的磷酸二酯键有相同的走向， 相同的走向 的核酸链都有一个5-末端和一个 末端。 末端和一个3-末端 的核酸链都有一个 末端和一个 末端。3.核苷酸的性质 一般物理性质 互变异构现象: 紫外吸收:260nm :260nm 核苷酸的两性解离和等电点:三、核酸的结构 （一）一级结构 1.一级结构：各种核苷酸残基沿多核苷酸链排 一级结构： 一级结构 列的顺序称为核酸的一级结构。 列的顺序称为核酸的一级结构。 用简写式表示核酸一级结构时，用p表示磷酸 用简写式表示核酸一级结构时， 表示磷酸 基团， 基团，当它放在符号左侧时表示磷酸与糖环 羟基结合， 的5-羟基结合，右侧表示磷酸与糖环的 羟 羟基结合 右侧表示磷酸与糖环的3-羟 基结合。 基结合。如pApCpGpA。在表示酶的水解部 。 位时常用这种简写式， 位时常用这种简写式，如pApCpGpA，表示 ， 水解后C的 羟基连有磷酸基 羟基连有磷酸基， 的 羟基是 水解后 的3-羟基连有磷酸基，G的5-羟基是 游离的。 则表示水解后C的 游离的。 而pApC pGpA则表示水解后 的 则表示水解后 3-羟基是游离的， G的5-羟基连有磷酸基。 羟基是游离的， 的 羟基连有磷酸基 羟基连有磷酸基。 羟基是游离的 在不需要标明酶的水解部位时， 在不需要标明酶的水解部位时，上述简写式 中的p可省去为 可省去为pA-C-G-A或pACGA。 中的 可省去为 或 。O5O=POCH2 O O G1 3 3GT P PA OHOH OH O5P5O=POCH2 O O3TpGpTpAOH pG-T-A pGTAOH OH O5O=POCH2 O O3AOH OH2.核酸结构研究工具酶 （1）核糖核酸酶类：水解 ）核糖核酸酶类：水解RNA 牛胰核糖核酸酶：高度专一性的内切酶， 牛胰核糖核酸酶：高度专一性的内切酶， 产物为3-嘧啶核苷酸或其寡核苷酸 产物为 嘧啶核苷酸或其寡核苷酸 核糖核酸酶 1：高度专一性的内切酶， 核糖核酸酶T 高度专一性的内切酶， 产物为3-鸟苷酸或其寡核苷酸 产物为 鸟苷酸或其寡核苷酸内切核酸酶对RNA的水解位点示意图 的水解位点示意图 内切核酸酶对Py1 PuPyPyGACUGAp5 pppppppppOH3 RNAase I 牛胰核糖 核酸酶RNAase IRNAase T1 核糖核酸酶 Py：嘧啶 ：RNAase T1Pu ：嘌呤（2）脱氧核糖核酸酶类 ）脱氧核糖核酸酶类 水解DNA 水解 牛胰脱氧核糖核酸酶： 脱氧核糖核酸酶 牛胰脱氧核糖核酸酶：无碱基专一性 牛脾脱氧核糖核酸酶： 脱氧核糖核酸酶 牛脾脱氧核糖核酸酶：无碱基专一性 限制性核酸内切酶restriction endonuclease : 限制性核酸内切酶 能专一性地识别并水解双链DNA 上的特异核 能专一性地识别并水解双链 苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶， 苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶，简称限 制酶. 制酶（3）非专一性核酸酶类 ） 蛇毒磷酸二酯酶； 35外切酶，从3 蛇毒磷酸二酯酶； 外切酶， 外切酶