《有机化学》课件-21-5

21.5核酸

瑞士生理学家米歇尔（F.Miescher)于1869年从细胞核中首次分离到一种具有酸性的新物质，这就是我们现在所称的核酸(nucleicacid)。核酸对遗传信息的储存和蛋白质的合成起着决定性作用，它是一类非常重要的生物髙分子化合物。一、核酸的组成成分

将核酸进行部分水解生成核苷酸和核苷。彻底水解则断裂成最小碎片:戊糖、杂环碱和磷酸。按水解程度的不同依次可生成下列产物：

由此可以看出，核苷是由戊糖和杂环碱组成的，核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核酸则是核苷酸构成的多聚体，因此核酸亦称为多核苷酸。1.糖组分

在核酸分子中含有两种糖组分:D-2-去氧核糖和D-核糖。它们都是以β-呋喃糖形式存在。

含有2-去氧核糖的核酸叫做去氧核糖核酸(DeoxyriboNucleicAcid,DNA)，含有核糖的核酸

称为核糖核酸(RiboNucleicAcid，RNA)。DNA存在于细胞核中，RNA主要存在于细胞浆中。2.碱基组分

核酸中所含的杂环碱常称为碱基，它们是嘌呤和嘧啶的衍生物，有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。其结构式如下：A、G、C、U、T分别为这些碱基的代号。3.核苷

核苷(nucleoside)是由碱基中嘌呤环9位氮原子或嘧啶环1位氮原子上的氢与糖的1‘位上的羟基失水所生成的β-N-苷。为了区分碱基和糖中原子的位置，糖中原子编号用带撇号码◦核苷命名时，如果糖组分是核糖，词尾用“苷”字前面加上碱基名称（如尿苷）。如为去氧核糖，则在词首加上“去氧”（如2’-去氧腺苷）。4.核苷酸

核苷酸（nucleotide)是核苷3‘位或5’位的羟基和磷酸所生成的酯,例如：

核苷酸除作为构成核酸的基本单位外，它们的某些衍生物还有重要的生物功能。在此仅作简单介绍。

核苷酸的第一个磷酸基上可以通过焦磷酸酯键再加入一个或两个磷酸基。

这样形成的分子叫做核苷二磷酸和核苷三磷酸，图21-14表示的是两个这种化合物的结构。ADP、ATP在细胞代谢中作为高能化合物承担着重要的任务。能量主要集中在焦磷酸酯键中，当焦磷酸酯键水解时，储存的能量被释放，传递给需要能量的反应（如合成肽链的反应）。

有些核苷酸衍生物是重要的辅酶，例如，辅酶A在糖、脂肪和氨基酸代谢中是酰基的携带者。辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+)在许多生物氧化一还原反应中是不可缺少的物质。NAD+的结构如图21-15。二、核酸的结构1.一级结构

在核酸分子中，是通过一个核苷酸的戊糖3'位羟基和另一个核背酸戊糖5'位羟基之间形成的磷酸酯键将核背酸连接在一起的。分子中各种核苷酸排列的顺序即为核酸的一级结构。图21-16和图21-17分别表示的是DNA和RNA的片断结构。

由于书写多核苷酸的结构式比较麻烦，故常用速记法。糖—磷酸酯骨架用封在两条平行线之中的字母S和P表示，用短横线表示连接糖体和碱基的β-苷键。磷酸二酯桥的方向用头尾有数字的箭头表示（见图21-18)。

在DNA和RNA分子中，除所含糖体不同外，碱基也有差异。DNA中的碱基是A、C、G、T，RNA中的则为A、C、G、U。

测定核酸一级结构的方法和多肽的相似。一般是将核酸进行部分水解，取得大小合适的核苷酸片段，并测得每一片段的末端碱基，通过逐步降解和分析确定它们的核背酸排列顺序。最后“搭拼”出核酸的一级结构。20世纪70年代初，桑格等使用工具酶对DNA进行随机切割，为测定核酸中核苷酸顺序作出了卓越的贡献。为此他于1980年第二次获得诺贝尔奖金。我国科学工作者在核酸结构测定研究及合成方面也取得了可喜的成绩。20世纪80年代初创造了一种非随机的有序的DNA顺序测定法，不需要用切割工具，避免了“随机性”，大大缩短了测定时间，具有突出的优越性。1979年我国科学家用人工方法成功地合成了41个核苷酸组成的酵母丙氨酸tRNA半分子。这些都标志着我国在这方面的研究工作达到了世界先进水平。2.二级结构

从1869年米歇尔发现DNA到前述的多核苷酸结构的导出，大约花费了70年。进展比较缓慢的原因主要是当时只有少数科学家对核酸有兴趣。直至20世纪40年代初，绝大多数科学家还错误地认为，携带遗传特征的是染色体的蛋白质部分。1944年，阿弗雷（0.T.Avery)为首的一组生物化学家发表了一篇论文，宣布负责一代一代地传递遗传特征的物质是DNA，而不是染色体的蛋白质部分。他们相继报道了一系列实验证据。阿弗雷的文章掀起了对核酸研究兴趣的浪潮。到20世纪40年代末，生物化学家一致认为DNA是遗传物质。

在正确识别了遗传物质之后，接下来的问题是如何解释DNA的遗传作用？事实上，这个问题只有在阐明了DNA分子空间结构的基础上才能得到解答。

认识DNA的空间结构也有一定的过程。最初查伽夫（E.Clargaff)及其合作者仔细分析了不同来源的DNA碱基的组成。他们发现不管DNA是什么来源，腺嘌呤数目总是与胸腺嘧啶数目相等，鸟嘌呤数和胞嘧啶数相等。即A/T或G/C之比都等于1。但这些碱基对的数目彼此是不等的。查伽夫的发现对解决DNA空间结构起了很大的作用。DNA结构研究的另一重要进展是威尔金斯（M.H.F.Wilkins)在英国得到了不同来源DNA清晰的X射线衍射谱图。数据表明，所有的DNA分子有相同的厚度，沿着分子每隔3.4nm距离，有同样的图谱重现。

结合查伽夫的发现和威尔金斯的X射线衍射数据以及在鲍林宣布蛋白质的α-螺旋结构的启发和鼓舞下，1953年华生(Watson)和克里克（Crick)首次提出著名的DNA双螺旋（doublehelix)结构模型。DNA是两个多核苷酸链围绕同一个轴盘形成右旋的双螺旋(图21-19)。两条链以相反方向伸展（即一条是3‘→5’，另一条是5‘→3’)。每条链的突出部分是通过磷酸二脂桥连接的去氧核糖。碱基在螺旋内部，其平面与中心轴垂直，它们平行堆积，很像梯子的阶梯。两条链之间的空间恰好能容纳下一个嘌呤碱和一个嘧啶碱。因此两条链上的碱基是以一种特殊的方式进行配对：一个嘌呤碱和一个嘧啶碱配对（A—T，G—C)，这就是“碱基互补”原则。

如果是两个嘌呤碱，则因体积太大而容纳不下;如果都是嘧啶碱，则由于碱基距离太远而不能形成氢键。在这里碱基之间形成氢键非常重要，因为两条链主要是靠氢键将它们联系在一起的。也正由于氢键的存在，使两条链之间保持着恒定的距离。从而解释了威尔金斯所观察到的DNA分子的相同厚度。为了解释沿着分子每隔3.4nm时，X射线图谱重现的现象，华生和克里克假设，每3.4nm的距离相当于螺旋完整的一圈（10个核苷酸）。

读者或许会问，碱基配对，为什么非得A配T，G配C呢？这是因为A和T或G和C在形成氢键的时候，两两配合得比较默契，它们之间能够最有效地形成氢键（图21-20)稳定DNA的结构。RNA的二级结构不如DNA那样有规律，大多数RNA分子是由一条弯曲的多核苷酸链构成的（图21-21)。在链的某些区域可发生自身回褶而形成双螺旋。其间的碱基也是互补关系(G-C，A-U)，但不垂直于螺旋轴，彼此也不平行◦3.三级结构DNA在双螺旋结构（二级结构）的基础上还进一步缩成闭链环状、开链状或麻花状等形式的三级结构（图21-22)。

关于RNA的三级结构，近年来也有研究。三、DNA碱基序列测定

生物化学研究的一个重要领域是对基因碱基序列的测定。它类似于蛋白质中氨基酸序列的测定。由于DNA分子太大，首先应把它断裂为小的可测定碎片，然后对各碎片碱基序列进行测定，确定交接点，从而确定DNA大分子的碱基顺序。DNA大分子是在限制性核酸内切酶（restrictionendonuclease,简称限制酶）作用下在特定碱基位置断裂。如限制酶Alul在它识别的DNA序列中只在G和C碱基之间断裂，而限制酶PstI在它识别的DNA序列中只在A和G之间断裂。目前市售的限制酶已达几百种，这为DNA碱基序列测定提供了极大方便。一般限制酶的识别位置是DNA双股碱基序列为“回文”结构的地方，即在DNA—股上碱基从左到右读和互补的労一股上碱基从右到左读相同碱基序列位。DNA碎片碱基排序可通过马克萨姆—吉尔伯特（Maxam-Gilbert)化学排序法或借助酶的桑格排序法完成。前者涉及有机化学，所以在此我们只讨论化学排序法。[W.Gilbert,1932年出生于美国。他在Cambridge大学获物理学博士，1957年在Harvard大学从事分子生物学研究，由于他在DNA测定方面的研究成果与Berg和Sanger分享了1980年Nobel化学奖。]

首先在断裂的双股DNA碎片端基糖体的5'位用具有辐射磷（32P)的磷酸基因标记，经处理使之分离并游离出单股碎片。每条单股标记碎片用化学试剂处理，使之在具有特定碱基的糖体5'和3'位断裂。例如，用氯化钠水溶液和肼处理，可使DNA碎片在带有胞嘧陡（C)的糖体处断裂，生成有标记和无标记的更小碎片。然后把上述原始标记DNA单股碎片再用其他试剂处理，使在不同的碱基处断裂，获得几组小碎片。

若标记原始DNA碎片用肼和哌啶加热处理，则会在C和T处断裂，若用硫酸二甲酯和哌啶加热处理，可在A和G处断裂。

把每个实验断裂的小碎片分别放入聚丙烯酰胺凝胶的分离槽道中，即把自C处断裂的碎片放入一个槽道，在G处断裂的碎片放入另一个槽道，如此等等。将凝胶置于电场中，带电荷的碎片向阳极移动，较小碎片移动快，较大碎片移动慢，这样可达到分离的目的。分离后把凝胶放在与照像底片相接触的位置，由于32P的辐射作用使相应于标记碎片的位置出现一个暗点，而没有标记的碎片在底片上并不显现，这叫做放射自显影技术。

原始DNA碎片的碱基序列可由自显影底片中读到。自下而上观察连续的暗点可鉴别出每一个碱基的身份，通过分析可得到这个DNA碎片的碱基排列顺序。现在让我们观察分析图21-23中的暗点。最下端的暗点出现在C栏，所以这个碱基为C，在C+T栏与C栏相平行位置也具有暗点，这是C碱基的佐证。C+T栏是既断裂C又断裂T反映的碎片，C+T栏中暗点是断裂C的碎片还是断裂T的碎片要观察C栏中相平行位置是否出现暗点，若C栏中出现暗点，说明碱基为C，否则说明碱基为T。自下而上第二暗点出现在A+G栏和G栏，说明碱基为G。第三暗点出现在A+G栏，相应位置G栏无暗点，说明碱基为A。依次分析可得到这个DNA碎片碱基排列顺序，图21-23中左侧即为该DNA碎片的碱基排序。

为什么DNA碎片在不同条件下会在不同碱基处断裂，这是由于不同条件下试剂与不同特定碱基发生化学反应的结果。例如硫酸二甲酯可与鸟嘌呤7位上的氮作用发生烷基化，从而使之脱去嘌呤环。加入哌啶后，脱去G碱基的糖体生成亚胺正离子（M)，然后另一分子哌啶与较强酸性的α-H反应，在3'位脱去

，哌啶催化下脱去4'位氢和5'位

使原始DNA碎片断裂。腺嘌呤的亲核性比鸟嘌呤小，在温和条件下它不与硫酸二甲酯反应，所以在此条件下，原始DNA碎片只在带G碱基的糖体处断裂。若在较强烈条件下，两个嘌呤环系均与硫酸二甲酯发生反应，使原始DNA碎片在A和G处断裂。

用肼和哌啶加热使DNA碎片在T和C处断裂。在T处断裂的化学反应是:肼进攻嘧啶环系发生共轭酮的1，4加成，然后进行分子内酰胺肼解，继而呋喃糖环被打开。哌啶参与反应，使之生成与G处断裂相同的中间体(M)，其后的反应步骤与断裂G时完全相同。四、核酸的生物功能

核酸是生物体中不可缺少的物质，它在遗传变异、生长发育和蛋白质合成中起着重要的作用。它能使生命模式代代相传，因此人们称核酸为生命的“蓝图”。1.DNA的复制DNA作为遗传物质有按照自己的结构精确复制的功能。DNA复制的过程可简述如下:首先是母体DNA中两条链解旋，两股分开后，每一股可作为原声磁带或模板分别进到两个子细胞里。细胞中已经制造好了的各种核背酸根据碱基互补原则，“各就各位”（即A对T，G对C)，并与原来每一股上的碱基形成氢键。

在酶的催化下，将这些按规定顺序排列的核背酸逐个连接起来。结果在两个子细胞中就各自形成了一个双螺旋。显然这两个子细胞中的DNA(一股老的和一股新的）和母细胞中的DNA完全一样。遗传信息也就由母代传到了子代。DNA的复制图解见图21-24。DNA的复制机制也是华生和克里克首先提出，并被其他学者通过实验证实。2.蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成是按照DNA模板，在细胞质中由三种RNA来完成的，所以首先介绍这三种RNA。（1）信使核糖核酸(mRNA)存在于细胞核中的DNA是通过mRNA来传递遗传信息的，所以mRNA被称为信使核糖核酸。mRNA在细胞核中的合成，其机制很像DNA的复制。首先DNA双螺旋的一段解开，其中一股作为衍生mRNA的模板。生成的mRNA为单股分子，其碱基顺序由DNA控制。与DNA复制不同的是在mRNA中，以尿嘧啶（U)代替胸腺嘧啶与腺嘌呤互补。在mRNA链上按一定顺序排列的碱基，每三个组成一个遗传密码，每个密码代表一种氨基酸。例如AAA代表赖氨酸，GUA代表缬氨酸，UUU代表苯丙氨酸，等等。20个氨基酸的密码已经确定，见表21-3所示。

测定遗传密码是一项艰巨的任务，该工作主要是由尼伦堡（M.Nirenberg)完成的，为此他获得1968年医学生理学诺贝尔奖。

（2）核糖体（rRNA)核糖体是存在于细胞质中的一种高相对分子质量的球状颗粒，它由大小两个亚基组成，二者结合才有活性。活性核糖体是制造蛋白质的工厂（合成场所）。（3）转移核糖核酸（tRNA)tRNA存在于细胞质中，相对分子质较小，一般含有70〜90个核苷酸单位。tRNA能与激活后的氨基酸结合生成氨基酰tRNA，具有携带和转运氨基酸的作用，因此称它们为转移核糖核酸。tRNA的专一性很高，一种tRNA只能运送一种氨基酸。

在tRNA分子中的转折部位有三个核苷酸的碱基没有配对，它们组成一个反密码，决定tRNA与哪种氨基酸结合。例如酵母tRNA的三个未配对碱基是GGC，按互补原则，它只能与CCG配对