第四章 核酸化学

“未来的世界：方向比努力重要，能力比知识重要，健康比成绩重要，生活比文凭重要，情商比智商重要！”

——清华大学校长留给毕业生的一段话第四章

核酸化学NucleicAcidchemistry核酸是一类以核苷酸为基本组成单位的重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。第一节核酸概述一、核酸的研究发现史1869年Miescher博士论文工作中测定淋巴细胞蛋白质组成时,发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物,并在所有细胞的核里都找到了此物质,故命名核质(Nuclein)。1879年Kossel经过10年的努力,搞清楚核质中有四种不同的组成部分:A,T,C和G。1889年Altman建议将核质改名为“核酸”,并且已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。

1909年Levene发现酵母的核酸含有核糖。

1930年Levene发现动物细胞的核酸含有一种特殊的核糖即脱氧核糖,得出了一个错误概念:植物核酸含核糖,动物核酸含脱氧核糖。这个错误概念一直延续到1938年，这时方清楚RNA和DNA的区别。Levene还提出了核酸的“磷酸-核糖(碱基)-磷酸”的骨架结构,解决了DNA分子的线性问题,还在1935年提出“四核苷酸”学说,认为这四种核苷酸的聚合体是构成核酸的基本单位。1944年Avery重做1928年Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。1928年Griffith的细菌转化实验1944年Avery重做1928年Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。但人们对此持怀疑态度，理由是：（1）因认为蛋白相对分子质量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA相对分子质量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。

1952年Hershey&Chase的噬菌体感染实验进一步证明DNA是遗传物质。1952年HersheyandChase的实验进一步证明DNA是遗传物质

1933年诺贝尔物理学奖获得者、奥地利物理学家薛定谔是量子力学理论的创建人之一。第二次世界大战期间，薛定谔逃离了德国纳粹统治下的祖国，来到爱尔兰首都都柏林从事教学和研究工作。他经常到各高等学府举办讲座，内容并不局限于学术领域，更多的是具有科普性质的内容。其中，生命科学系列讲座特别受到的听众的欢迎。1944年，薛定谔把讲稿整理成一本不到100页的小册子《生命是什么──活细胞的物理学观》。书中，他预言了生命科学的理论与方法正面临着重大的突破，生命科学的研究深度将从生命的表面现象和细胞的层次，深入到分子的水平。他还提出将物理学、化学的理论与方法引进生命科学的研究之中。发动生物学革命的物理学家

一大批年轻的物理学家或物理学专业的大学生被它吸引到生命科学的学习与研究之中，其中就有因建立DNA双螺旋结构模型荣获1962年诺贝尔生理学或医学奖的沃森、克里克和威尔金斯，因发现噬菌体在细胞内增殖过程中的作用荣获1969年诺贝尔生理学或医学奖的卢里亚，因完成世界首次分子水平上的基因重组、创立现代基因工程技术而荣获1980年诺贝尔化学奖的伯格，因发现核糖核酸（RNA）的细胞催化功能而荣获1989年诺贝尔化学奖的奥尔特曼等人。因而，这本书被人们称为从思想上“唤起生物学革命的小册子”。唤起生物学革命的小册子探索DNA双螺旋结构的竞赛50年代初，人们已普遍承认DNA是最重要的遗传物质，遗传信息就存储在DNA分子多核苷酸链上的4种碱基的特定序列上，进一步阐明其结构和功能已成为迫切的任务。这时，有三组科学家在进行DNA结构的研究，他们是：美国加州理工学院的鲍林，英国剑桥大学国王学院的富兰克琳与威尔金斯，剑桥大学卡文迪什实验室的沃森与克里克。实力与智慧的科学竞赛鲍林（1901－1994）是美国著名化学家，1931年就将量子力学用于化学领域，阐明了化学键的本质，这使他后来获得了1954年诺贝尔化学奖。1950年，他首先阐明并发现了氨基酸链的α螺旋状结构。此后，鲍林又投入了DNA结构的研究。他是最早认定DNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构的科学家，而且研究的环境最优越，但他错误地认为DNA分子是由三股螺旋组成的，这使他误入歧途。伦敦国王大学莫里斯•威尔金斯教授

英国女生物学家富兰克琳（1920～1958）是最早认定DNA具有双螺旋结构的科学家，并且运用X射线衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNA照片，为探明其结构提供了重要依据，她还精确地计算出DNA分子内部结构的轴向与距离。而英国生物物理学家威尔金斯（1916～）则计算出DNA分子螺旋的直径与长度。他们二人还对DNA分子的结构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧。英国剑桥大学国王学院1946年就设立了DNA结构研究室，富兰克琳与威尔金斯拥有充足的经费和先进的技术设备，他们与成功地建立DNA双螺旋结构模型只有咫尺之遥，但却未能跨出最后也是最关键的一步。这一方面是因为他们认为探索DNA结构的惟一途径是使用晶体学和数学计算的方法，拒绝采用建立结构模型的方法；另一方面是由于人际关系等方面的因素。在英国剑桥大学国王学院的实验室中，富兰克琳虽然是惟一适合运用X射线衍射技术研究DNA结构的科学家，但她发现自己是处于一种对女科学家充满敌意的环境中，很难与同行们进行讨论与交流，并且她与后来派来做她上司的威尔金斯关系不融洽。富兰克林对DNA的研究工作取得了重要进展，却被有关方面要求停止这方面的进一步研究。1951年她离开了国王学院，到伦敦大学伯克贝克学院从事病毒结构的研究。虽然威尔金斯还邀请她继续参与DNA的研究，但这些因素还是对他们二人的工作产生了不利的影响。在很长一段时期，富兰克林的工作没有得到应有的承认。到1951年9月，富兰克琳与威尔金斯在DNA结构的研究上已经非常接近胜利的终点了。就在这时，出现了两个年轻的竞争者。克里克（1916～）在大学学的是物理专业，毕业后攻读物理学研究生。第二次世界大战爆发后，他中断学业参军。战后，受薛定谔的《生命是什么？》一书的影响，转而学习生物学，1949年进入剑桥大学卡文迪什实验室师从英国著名分子生物学家佩鲁茨（1914～）攻读研究生。1951年，沃森（1928～）在美国获得博士学位后，5月份在一次国际大分子结构研讨会上聆听了威尔金斯关于DNA的X射线衍射研究的报告，引发了他对这一研究的兴趣。9月，他也来到卡文迪什实验室，在英国著名分子生物学家肯德鲁（1917～1997）的手下进行博士后研究佩鲁茨与肯德鲁正在合作运用X射线衍射技术研究血红蛋白和肌红蛋白的分子结构。作为他们的学生和助手，克里克与沃森被安排共用一间办公室。两个年轻人都是《生命是什么？》的忠实读者，又都对从分子生物学的角度研究遗传基因感兴趣，于是结成了事业上的合作伙伴。他们决定进行DNA结构的研究在三组DNA结构研究人员中，沃森和克里克资历最浅，知识与经验最缺乏，也没有进行过相关的实验，而且DNA结构不是他们的本职研究课题，但他们却在这场科学竞赛中赢得了胜利克里克与沃森认为：当时的X射线晶体衍射技术水平尚不足以清晰显示生物大分子较为复杂的三维图像，仅靠数学计算，难以确定大分子中所有原子的准确位置。如果设想DNA分子呈螺旋状，则不妨依据X射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止，此时得到的即应是DNA的实际立体结构。不久，克里克、沃森得知美国化学家鲍林正是依据结构化学的简单原理，通过构建分子模型的途径，发现了蛋白质多肽链的α螺旋结构。这更使他们确信：解决DNA分子结构之路在于构建模型。1951年11月，沃森听了富兰克琳关于DNA结构的学术报告。沃森和克里克认识到他们要从事DNA的结构分析研究，由于并非他们份内的工作，没有研究经费，也没有从实验中直接得到数据的条件，只能利用别人的数据进行分析，从而建立自己分子结构模型。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。但当他们请威尔金斯和富兰克琳来讨论这个模型时，富兰克琳当即指出DNA结构应是双螺旋，而且他们把DNA的含水量少算了一半。这是由于沃森在听富兰克琳的报告时没有做记录，富兰克琳估算出DNA分子中每个核苷酸是由8个水分子环绕着的，而沃森却用脑子记成了每一段的DNA分子含有8个水分子。于是第一个模型宣告失败。1952年12月，鲍林宣布建立了DNA分子的结构模型。但他也犯了与沃森、克里克同样的错误，是一个三螺旋模型。沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。1953年2月28日，第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。双螺旋模型的意义，不仅意味着探明了DNA分子的结构，更重要的是它还提示了DNA的复制机制：由于腺膘呤总是与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤总是与胞嘧啶配对，这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的，只要确定了其中一条链的碱基顺序，另一条链的碱基顺序也就确定了。因此，只需以其中的一条链为模版，即可合成复制出另一条链。1953年4月25日，英国著名的科学期刊《自然》杂志发表了沃森、克里克的一篇优美精炼的短文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。这一期杂志还发表了富兰克琳和威尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。这一年，沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，尚未获得博士学位。这两个年轻人之所以超越了其他看似更具实力的竞争者，赢得了这场科学赛跑的胜利，是由于他们具有清醒的宏观洞察力、非凡的科学想像力和严密的逻辑思维能力，选择了正确的研究路线，广泛借鉴他人的研究成果并加以综合性的科学思考。1962年，沃森、克里克与威尔金斯因研究DNA双螺旋结构模型的成果，共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。与诺贝尔奖擦肩而过的女科学家

1956年富兰克琳被诊断出患有患癌症，手术后她仍坚持研究工作。她于1958年逝世，年仅38岁。4年后，沃森、克里克和威尔金斯因对DNA双螺旋结构的研究成果获得了诺贝尔生理学或医学奖，而富兰克琳榜上无名。因为诺贝尔奖不授予已逝世的科学家98％核中（染色体中）真核线粒体（mtDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的种类和分布

核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）RNA主要存在于细胞质中mRNA(信使RNA)MessengerRNA约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地–核糖核蛋白体。主要存在于细胞质中RNA

tRNA(转移RNA)TransferRNA约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。rRNA(核糖体RNA)RibosomeRNA约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA

的功能与蛋白质生物合成相关。三、分子生物学的中心法则第二节核酸的基本化学组成

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。主要元素组成：C、H、O、N、P(9~11%)与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。

一、核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。二、嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)磷酸核苷碱基戊糖核酸→核苷酸（三）核苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）修饰核苷（modifiednucleoside）：也称稀有核苷（minornucleoside）

修饰核苷包括三种情况:（1）由修饰碱基和糖组成的核苷（2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷（3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH磷酸核苷碱基戊糖核酸→核苷酸（1）一般物理性质

无色粉末或结晶，易溶于水，不溶于有机溶，具旋光性，在酸性溶液当中不稳定。（2）互变异构现象酮式烯醇式

（3）紫外吸收五、核苷酸的性质胞嘧啶核苷酸的解离（4）核苷酸的两性解离和等电点4种核苷酸的解离曲线六、核苷酸衍生物1.ATP类的高能磷酸化合物AMPADPATPATP的性质ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。ATP也是一种很好的磷酰化剂。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（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。2.环化核苷酸

cAMP

cGMPcAMP和cGMPcAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4,cAMP和cGMP的水解能约为43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。3．核苷多磷酸类

DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。

一级结构的表示法结构式，线条式，文字式

一级结构测定5´3´第三节DNA的结构一、DNA的一级结构磷酸核苷碱基戊糖核酸→核苷酸3',5'-磷酸二酯键的形成OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTADNA、RNA的一级结构

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构DNA酶法序列分析的原理酶反应电泳方向模板CCGGTAGCAACT3´5´GG5´3´引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC3´5´TCAACGATGG5´3´读出模板互补序列读出模板序列二、DNA的二级结构

DNA的双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。DNA双螺旋结构模式图DNA分子由两条DNA单链组成。DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。

DNA双螺旋结构的特点doublehelixmodelDNA双螺旋结构的要点（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4nm。（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。（5）螺旋表面形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。（6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。小沟大沟DNA的双螺旋模型特点

两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。

磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）

螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（bp）重复一次，间隔为3.4nm碱基组成规则(Chargaff规则)[A]=[T]，[G]=[C]；

[A]+[G]=[T]+[C有种属特异性无组织、器官特异性不受年龄、营养、性别及其他环境等影响

DNA双螺旋的稳定性DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。DNA双螺旋的种类B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）A型结构螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0nm小沟大沟B型双螺旋DNA的结构特征

三种DNA双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090糖苷键构象反式反式C、T反式，G顺式大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深螺距不穿过穿过不穿过DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构三螺旋DNA

三螺旋DNA

TAT

三股螺旋的碱基配对（二）DNA的三级结构双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等大多数原核生物：1）共价封闭的环状双螺旋分子2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化正超螺旋(positivesupercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋DNA超螺旋结构的形成

核小体、染色质与染色体第四节RNA的结构与功能一、结构特点RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数稀有碱基较多，且稳定性较差，易水解RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称