生物化学3核酸1

第二章核酸1993第一节核酸的概念和化学组成一、概述核酸(nucleicacid)是含有磷酸基团的重要生物大分子，因为最初从细胞核分离获得，又具有酸性，所以称之为核酸。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。（一）核酸的种类和分布•核酸有两类，即脱氧核糖核酸(DNA,DeoxynucleicAcid)和核糖核酸(RNA,RibonucleicAcid)1.DNA原核生物：集中在核区。含有染色体DNA和质粒DNA，为环状双链。真核生物：DNA分布在细胞核（组成染色质）、线粒体、叶绿体中。含有染色体DNA、线粒体DNA和叶绿体DNA，染色体DNA是线形双链DNA，线粒体DNA和叶绿体DNA是环状双链DNA。病毒：只含DNA或只含RNA2.RNA•参与蛋白质合成的RNA，可以分为信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)三种。mRNA(信使RNA)•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。MessengerRNAtRNA(转移RNA)•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。•tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-93个核苷酸之间。TransferRNArRNA(核糖体RNA)•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。RibosomeRNA•病毒RNA含正链RNA的病毒、含负链RNA的病毒、含双链RNA的病毒•其它RNA小RNA：小RNA能通过阻断蛋白质合成的方式调控基因表达。核小RNA(smallnuclearRNA，snRNA)：它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分，在RNA转录后加工中起重要作用。核不均一RNA(heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)：hnRNA是mRNA的未成熟前体。胞浆小RNA(scRNA，smallcytosolRNA)：又称为7SLRNA，长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体的组成成分。（二）核酸的生物学功能1.DNA是主要的遗传物质2.RNA参与蛋白质的生物合成3.RNA功能的多样性（三）应用1.在食品方面∶强力助鲜剂，如肌苷酸和鸟苷酸。2.在医药方面∶核酸药物、基因工程、基因疫苗、基因治疗、反义RNA、RNA干扰等。二、核酸的基本结构单位－单核苷酸•核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。•核苷酸本身由核苷和磷酸组成,•而核苷则由戊糖和碱基形成•碱基分两类：嘌呤碱和嘧啶碱•戊糖有两种：D-核糖和D-2-脱氧核糖•DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。DNA：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶1.常见的嘧啶碱和嘌呤碱•嘧啶(Pyrimidines)–胞嘧啶（Cytosine）(DNA,RNA)–尿嘧啶（Uracil）(RNA)–胸腺嘧啶（Thymine）(DNA)•嘌呤(Purines)–腺嘌呤（Adenine）(DNA,RNA)–鸟嘌呤（Guanine）(DNA,RNA)（一）碱基胞嘧啶（Cytosine）尿嘧啶（Uracil）胸腺嘧啶（Thymine）腺嘌呤鸟嘌呤2.稀有碱基除了上述五种碱基外，核酸中还含有一些含量较少的碱基，称为稀有碱基。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，含量可高达10％。次黄嘌呤黄嘌呤尿酸碱基的结构特征•碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。•碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。NNOHHOHNNOOHNNNH2OHHHNNONH尿嘧啶烯醇式酮式氨基态亚氨基态胞嘧啶（二）核糖和脱氧核糖的结构•D-核糖(inRNA)•D-2-脱氧核糖(inDNA)•区别在于2'-OHvs2'-H•该差异影响二级结构和稳定性（三）核苷核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1‘β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为β-N糖苷键。应用X－射线衍射法已证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。对核苷进行命名时，必须先冠以碱基的名称，如：腺嘌呤核苷、腺嘌呤脱氧核苷等。（四）核苷酸•核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。•由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。生物体内游离存在的核苷酸多为5’-核苷酸（5’常被省略）。•也能形成3´，5´-环核苷酸。•5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。•RNA的基本结构单位：AMP,GMP,CMP,UMP•DNA的基本结构单位：dAMP,dGMP,dCMP,dTMP核苷酸的性质1.一般物理性质核苷酸是无色粉末或结晶，易溶于水，不溶于有机溶剂，具有旋光性，在酸性溶液中不稳定，易破坏，在中性及碱性溶液中很稳定。2.互变异构现象凡是碱基上有酮基的核苷酸都有酮式和烯醇式的互变异构现象。酮式和烯醇式两种互变异构体常同时存在，并处于一定的平衡状态。在体内核酸结构中酮式占优势，这对于核酸分子内氢键的形成很重要。此外，还有胺式和亚胺式的互变异构现象。3.紫外吸收由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，所以碱基、核苷以及核苷酸在240－290nm波段有强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm处。不同的核苷酸有不同的紫外吸收曲线。4.两性解离和等电点核苷酸分子既含有磷酸基，又含碱基，是两性电解质。也具有等电点。由于磷酸的PK值偏低，因此核酸的等电点都偏低。尿苷酸的碱基碱性很弱，实际上测不出碱基的解离，所以基本不能形成两性离子。三、核苷酸及其衍生物的功能1.生命活动的能量来源细胞内有一些游离存在的多磷酸核苷酸，它们是核酸合成的前体、重要的辅酶和能量载体。•ATP：能量代谢的“货币”•GTP：蛋白质合成•CTP：脂类合成•UTP：糖代谢•ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ATP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)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)•GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP类似的结构,也是一种高能化合物。•GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下,ATP和GTP可以相互转换。•2.参与信号传导cAMP和cGMP•cAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。第二信使。•cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4条件下,cAMP和cGMP的水解能约为43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。•ppGpp可以经由控制细菌的氨基酸制造而调控基因表现3.参与酶或蛋白质生物活性的调节是辅酶的组成成分AMPispartofthestructureofsomeofthecoenzymeslikeNADandCoenzymeA.•蛋白质的修饰（ADP或AMP化）第二节核酸的分子结构核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，无分支结构。一、核酸中核苷酸的连接方式1.磷酸以3’,5’-磷酸二脂键方式连接核苷酸1）核酸的酸碱滴定曲线显示，在核酸分子中的磷酸基只有一级解离，说明另外两个羟基参与形成磷酸二脂键。2）牛脾磷酸二脂酶可以逐个水解核酸，形成3’核苷酸，蛇毒磷酸二脂酶可以逐个水解核酸，形成5’核苷酸，说明核酸是以3’,5’-磷酸二脂键连接的。多聚核苷酸是通过核苷酸的5’-磷酸基与另一分子核苷酸的C3’-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链；由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为3’,5’—磷酸二酯键。多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5’-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3’-OH表示）。多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′原则上5’端在左侧，3‘端在右侧。通常读的顺序是5’到3’。遗传信息的传递中,对应于蛋白质“N到C”顺序上图为竖线式，用竖线代表戊糖，P为磷酸基，斜线代表磷酸二酯键。…pApCpTpG……pA-C-T-G…以上是文字式缩写，p还是代表磷酸基，p在碱基符号左侧时，表示p与C5’相连，p写在碱基符号右边时，表示p与C3’相连。竖线式与文字式缩写对DNA和RNA都适用。二、核酸的一级结构核酸的一级结构（核酸的共价结构），通常是指核酸的核苷酸序列，即构成核酸的各个单核苷酸之间连接键的性质以及组成中单核苷酸的数目和排列顺序（即碱基排列顺序）。（一）DNA的一级结构1.DNA主要由4种脱氧核糖核苷酸组成腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸，胞嘧啶脱氧核糖核苷酸，胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，植物中还含有5-甲基胞嘧啶，一些E.coli噬菌体则用5-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。2.以3′，5′磷酸二脂键方式连接3.呈线形或环状多聚体，没有支链4.相对分子质量大最大的可超过108bp，人的为3.2×109bp（3.2Gb），仅有2.95Gb的为常染色质，真正用于编码蛋白质的占1.1%到1.4%，有31000个编码蛋白质的基因，而酵母的为6000个，果蝇的为13000个，蠕虫的为18000个，植物的约26000个。迄今为止，包括人类在内的许多生物的基因组已被测序。病毒基因组较小，但十分紧凑，有些基因是重叠的。原核生物的基因是连续的，无内含子，功能相关的基因常组成操纵子，有共同的调节序列和控制序列，调控序列所占的比例较小很少重复序列。真核生物的基因是断裂的，有内含子，功能相关的基因不组成操纵子，调控序列所占比例大，有大量重复序列。重复序列可分为低拷贝重复、中等程度重复和高度重复；真核生物DNA中还存在有回文结构，也就是反向重复序列。越是高等的真核生物其调控序列和重复序列的比例越大。（二）RNA的一级结构1.主要由4种核糖核苷酸组成腺嘌呤核糖核苷酸，鸟嘌呤核糖核苷酸，胞嘧啶核糖核苷酸，尿嘧啶核糖核苷酸。2.以3′，5′磷酸二脂键方式连接3.种类较多结构多不相同1）tRNA酵母丙氨酸tRNA是第一个被测定的核苷酸序列由76个核苷酸组成。tRNA通常为73-93个核苷酸，相对分子量约25000，沉降常数4S；含有较多的稀有碱基（10—15%），增加了识别作用和疏水作用，甲基化多发生在碱基上；3′端皆为CpCpAOH，5′端多为pG，少量为pC的；具有一些保守序列，与tRNA特殊的结构和功能有关。书写不同氨基酸的tRNA时，在右上角注以氨基酸的缩写符号，如tRNAPhe代表转运苯丙氨酸的tRNA。2）rRNA细菌rRNA由30SRNA前体断裂而成5S、16S、23S三种；哺乳动物rRNA有5S、5.8S、18S、28S四种,除5S的