医用有机化学：第20章,核 酸

1、第第2020章章 核核 酸酸 目的要求：目的要求：l掌握核酸的化学结构及其分类。l掌握核酸分子中的碱基及其配对规律以及核酸的一级结构。l了解DNA的双螺旋结构，了解RNA的二级结构特点。 l掌握核酸的理化性质 。 l了解基因和遗传密码。 本章讲授4学时 核酸核酸的研究是分子生物学的重要领域。核酸的发现为人类提供了解开生命之谜的研究是分子生物学的重要领域。核酸的发现为人类提供了解开生命之谜的金钥匙。并将遗传学的研究从宏观的观察进入到分子水平。核酸的作用与核酸的的金钥匙。并将遗传学的研究从宏观的观察进入到分子水平。核酸的作用与核酸的化学结构密切有关，化学结构密切有关，本章主要介绍核酸的化学组成和分

2、子结构本章主要介绍核酸的化学组成和分子结构，为核酸的深入学习，为核酸的深入学习打下基础打下基础. .核酸分两大类：核酸分两大类：DNADNA和和RNA,RNA,所有生物细胞都含有这两类核酸所有生物细胞都含有这两类核酸. .核酸的核酸的基本结基本结构单位是构单位是核苷酸核苷酸。DNADNA主要由四种脱氧核糖核苷酸组成。主要由四种脱氧核糖核苷酸组成。 RNARNA主要由四种核糖核苷酸主要由四种核糖核苷酸组成。组成。 核苷酸又由含氮碱基、戊糖核苷酸又由含氮碱基、戊糖( (核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖) )及磷酸所组成及磷酸所组成。核酸中还有。核酸中还有少量稀有碱基。少量稀有碱基。DNA是由两条反向直

3、线形多核苷酸组成的双螺旋分子。单链多核苷是由两条反向直线形多核苷酸组成的双螺旋分子。单链多核苷酸中两个核苷酸之间的唯一连键是酸中两个核苷酸之间的唯一连键是3,5磷酸二酯键磷酸二酯键。碱基按。碱基按A-T，G-C配对互补，配对互补， 彼此以氢键相连系。彼此以氢键相连系。 DNADNA的最主要的生物功能是：它是遗传信息的载体。的最主要的生物功能是：它是遗传信息的载体。DNADNA分子是分子是一个模板，在一个模板，在DNADNA的双螺旋结构中，每一条链的的双螺旋结构中，每一条链的DNADNA碱基序列可以严格地确定其互补碱基序列可以严格地确定其互补链的碱基顺序进行自我复制。这样就保证了遗传信息传给了它

4、的后代。链的碱基顺序进行自我复制。这样就保证了遗传信息传给了它的后代。 RNARNA也是线也是线形多核苷酸，但不是双螺旋结构。形多核苷酸，但不是双螺旋结构。 RNARNA分三类：分三类：tRNAtRNA，rRNArRNA及及mRNAmRNA。核酸可以变性。核酸可以变性, ,复性复性, ,杂交杂交 . .某些某些RNARNA分子是高活性的酶，也具有催化活力，我们称这些分子是高活性的酶，也具有催化活力，我们称这些RNARNA的酶为的酶为核核糖酶糖酶（RibozymesRibozymes） 20.1 核酸的分类l根 据 分 子 中 所 含 戊 糖 的 种 类 核 酸 可 分 为 核 糖 核 酸( r

5、 i b o n u c l e i c a c i d ， R N A ) 和 脱 氧 核 糖 核 酸(deoxyribonucleic acid，DNA)。DNA是生物遗传的主要物质基础，承担体内遗传信息的贮存和发布。l根据RNA在蛋白质合成过程中所起的作用不同又可分为三类：l1核蛋白体RNA(dbosomal RNA，rRNA)，又称核糖体RNA，它是蛋白质合成时多肽链的“装配机”。参与蛋白质合成的各种成分最终必须在核蛋白体上将氨基酸按特定顺序合成多肽链。l2信使RNA(messengerRNA，mRNA)，它是合成蛋白质的模板，在蛋白质合成时，控制氨基酸排列顺序。l3转运RNA(tra

6、nsferRNA，tRNA)。在蛋白质的合成过程中，tRNA是搬运氨基酸的工具。氨基酸由各自特异的tRNA“搬运”到核蛋白体，才能“组装”成多肽链。20.2 核酸的基本物质组成l核酸分子中所含主要元素有C、H、O、N、P等。其中含磷量为910，由于各种核酸分子中含磷量比较接近恒定，故常用含磷量来测定组织中核酸的含量。l核酸也称多核苷酸（polynucleotide）,是由数10个以至千万计的单核苷酸(mucleotide) 组成。核酸完全水解可以得到磷酸、嘌呤碱和嘧啶碱（简称碱基）、核糖和脱氧核糖。l 磷酸l 核酸核苷酸 戊糖（核糖和脱氧核糖）l 核苷 有机碱（嘌呤碱和嘧啶碱） 核酸水解后的主

7、要最终产物 水解产物类别RNADNA酸戊糖嘌呤碱嘧啶碱磷酸D- 核糖腺嘌呤 鸟嘌呤胞嘧啶 尿嘧啶 磷酸D-2-脱氧核糖腺嘌呤 鸟嘌呤胞嘧啶 胸腺嘧啶 核酸中的戊糖 核酸中的戊糖有两类，即-D-核糖和-D-2-脱氧核糖，D-核糖存在于RNA中，而2-D-脱氧核糖存在于DNA中。它们的结构及编号如下： HOOOHOHHHHHOH12345HOOHOHHHHHOH12345 -D-核糖 -D-2-脱氧核糖RNA和DNA中所含的碱基 lRNA和DNA中所含的嘌呤碱相同，都含有腺嘌呤和鸟嘌呤。而含的嘧啶碱不同，两者都含有胞嘧啶，RNA中含的尿嘧啶而不含胸腺嘧啶，DNA中恰相反。l两类碱基的结构及缩写符号

8、如下 ：NNNHNNH2H2NHNNNHNO腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)NNNHN嘌呤NNHNH2ONHNHOONHNHOONN嘧啶胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)两类碱基酮式-烯醇式互变 两类碱基可发生酮式-烯醇式互变，如： H2NNNNHNOHH2NHNNNHNO鸟嘌呤烯醇式酮式NNNH2OH胞嘧啶NNHNH2O酮式烯醇式20.3 核酸的一级结构 HONNNNNH2OHOHHHHHHONHNNONH2NOHOHHHHHHOOHOHHHHHNNNH2OHOOHOHHHHHHNNOO腺 嘌 呤 脱 氧 核 苷 （ 脱 氧 腺 苷 ） （ d eo x yad en o sid e）鸟 嘌 呤

9、 脱 氧 核 苷 （ 脱 氧 鸟 苷 ） （ d eo x yg u an o sid e）胞 嘧 啶 脱 氧 胞 苷 （ 脱 氧 胞 苷 ） （ d eo x ycytid in e）胸 腺 嘧 啶 脱 氧 核 苷 （ 脱 氧 胸 苷 ） （ th ym id in e）l20.3.1 核苷的结构l核苷（核苷（nucleosidenucleoside）是由碱基与核糖C1上的-半缩醛羟基与嘌呤碱9位或嘧啶碱1位氮原子上的氢脱水缩合而成的氮苷。l在DNA中常见的4种脱氧核糖核苷的结构式及名称如下： RNA中常见的4种核苷的结构式及名称如下：HONNNNNH2OOHOHHHHHHONHNNONH2

10、NOOHOHHHHHHOOOHOHHHHHNNNH2OHOOOHOHHHHHHNNOO腺 嘌 呤 核 苷 （ 腺 苷 ） (adenosine)鸟 嘌 呤 核 苷 （ 鸟 苷 ） (guanosine)胞 嘧 啶 核 苷 （ 胞 苷 ） （ cytidine）尿 嘧 啶 核 苷 （ 尿 苷 ） (uridine)-ONNNNNH2OOHOHHHHHOPO-O12345612345789-OOHOHHHHHOPO-O12345612345NNNH2O腺苷酸（adenylic acid）脱氧胞苷酸（deoxycytidylic acid）l 20.3.2、 单核苷酸的结构单核苷酸的结构l核苷酸(n

11、ucleotide)是核苷分子中的核糖或脱氧核糖的3或5位的羟基与磷酸所生成的酯。生物体内大多数为5核苷酸。组成RNA的核苷酸有腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和尿苷酸，组成DNA的核苷酸有脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸。l腺苷酸和脱氧胞苷酸结构如下：腺苷酸和脱氧胞苷酸结构如下： 除了DNA和RNA的核苷酸以外，还有一些具有生物学重要性的核苷酸，它们在细胞中也执行着某些重要功能。其中主要的是ATP(三磷酸腺苷)，它是细胞储存能量的化合物。例如， 图图19-119-1中表示中表示 ATP(ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷) )的结构的结构： ONNNNNH2OHOHHHHHOPO-OOOPO-

12、OHOOPO-OAMPADPATPOHHHHHOOPO-OTDNAOOHHHHHCOPO-OOOHHHHHOPO-OGOOHHHHHOPO-OOA5端3端OHOHHHHOOPO-OUR NAOOHOHHHHCOPO-OOOHOHHHHOPO-OGOOHOHHHHOPO-OOA5端3端l20.3.3 核苷酸的连接核苷酸的连接核酸的一级结构核酸的一级结构l核酸分子中各种核苷酸排列的顺序即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。由于核苷酸间的差别主要是碱基不同，又称为碱基序列。在核酸分子中，各核苷酸间是通过3、5-磷酸二酯键来连接的。 DNA和RNA的部分多核苷酸链结构可用简式表示如下： 20.4 核酸

13、的二级结构 20.4.1 DNA的双螺旋结构及配对碱基间氢键示意图 NNNNNNNOOHHHC 1C1ATNNNNNONNNOHHHHHCGC 1C1l 大多数天然RNA以单链形式存在，但在单链的许多区域可发生自身回折，在回折区内，可以相互配对的碱基以A-U与G-C配对，分别形成两个或三个氢键，配对的多核苷酸链(约占40-70)形成双螺旋结构，不能配对的碱基则形成突环。 如图：RNA的二级结构及酪氨酰转移RNA的三叶草结构。 l20.4.2、 RNA的二级结构简介 20.5 核酸的理化性质l 20.5.1 核酸的物理性质l20. 5. 2 核酸的水解 在酸、碱（用于RNA）、酶的作用下，大分子

14、核酸的磷酸酯键或N-糖苷键水解。可以根据需要选择适合的方法及反应条件，得到不同程度的水解产物。l 20.5.3 核酸的酸碱性 核酸分子中既含磷酸基，又含嘌呤和嘧啶碱，所以它是两性化合物，但酸性大于碱性。 l 20.5.4 核酸的变性、复性和杂交l 核酸在加热、酸、碱或乙醇、丙酮、尿素、酰胺等理化因素作用下，分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线团结构的现象，称核酸的变性。l DNA的变性是可逆的。在适当的条件下，变性DNA的两条互补链全部或部分恢复到双螺旋结构的现象，称为复性(renaturation)。热变性的DNA，一般经缓慢冷却后， 即可复性。这一过程称为“退火”(annealing)。

15、l 分子杂交是以核酸的变性与复性为基础的，不同来源的两条单链DNA，只要它们有大致相同的碱基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双螺旋，这种按碱基配对而使不完全互补的两条链相互结合，称为杂交。 20.6 基因与遗传密码 l20.6.1 基因 现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片断。l2062 遗传密码 到现在为止的讨论已经表明DNA分子上碱基的线性顺序，在某些方面和被细胞合成的蛋白质的类型有关。碱基顺序实际上就是遗传密码，它们能够转译为蛋白质的特异氨基酸顺序。N碱是密码的字母或字母系统，DNA分子中全部的遗传信息，均由4种不同的字母（

16、碱基A、T、C、G）来编码。存在于蛋白质中大约20种不同氨基酸的密码字，是以3个碱基为一组来排列编码的，这个组合称为碱基三联体或密码子。见后表。20.7 核糖酶 具有催化活力的RNA，命名为酶活性RNA（Ribozyme）。 Ribozyme的发现改变了酶都是蛋白质的传统观念 。鉴于Ribozyme的发现和随后的研究，1989年Cech获得了诺贝尔化学奖。 遗传密码表氨基酸 密 码 密码数目 甘氨酸 GGU GGC GGA GGG 4 丙氨酸 GCU GCC GCA GCG 4 缬氨酸 GUU GUC GUA GUG 4 亮氨酸 UUA UUG CUU CUC CUA CUG 6 异亮氨酸 AUU AUC AUA 3 丝氨酸 UCU UCC UCA UCG AGU AGC 6 苏氨酸 ACU A