有機化學第19章,核 酸

1、Chemistry is a key of science 第第1919章章 核核 酸酸 目的要求：目的要求：l掌握核酸的化學結構及其分類。l掌握核酸分子中的堿基及其配對規(guī)律以及核酸的一級結構。l了解DNA的雙螺旋結構，了解RNA的二級結構特點。l掌握核酸的理化性質 。l了解基因和遺傳密碼。 本章講授23學時 核酸核酸的研究是分子生物學的重要領域。核酸的發(fā)現(xiàn)為人類提供了解開生命之謎的研究是分子生物學的重要領域。核酸的發(fā)現(xiàn)為人類提供了解開生命之謎的金鑰匙。并將遺傳學的研究從宏觀的觀察進入到分子水平。核酸的作用與核酸的的金鑰匙。并將遺傳學的研究從宏觀的觀察進入到分子水平。核酸的作用與核酸的化學結構

2、密切有關，化學結構密切有關，本章主要介紹核酸的化學組成和分子結構本章主要介紹核酸的化學組成和分子結構，為核酸的深入學習，為核酸的深入學習打下基礎打下基礎. .核酸分兩大類：核酸分兩大類：DNADNA和和RNA,RNA,所有生物細胞都含有這兩類核酸所有生物細胞都含有這兩類核酸. .核酸的核酸的基本結基本結構單位是構單位是核苷酸核苷酸。DNADNA主要由四種脫氧核糖核苷酸組成。主要由四種脫氧核糖核苷酸組成。 RNARNA主要由四種核糖核苷酸主要由四種核糖核苷酸組成。組成。 核苷酸又由含氮堿基、戊糖核苷酸又由含氮堿基、戊糖( (核糖或脫氧核糖核糖或脫氧核糖) )及磷酸所組成及磷酸所組成。核酸中還有。

3、核酸中還有少量稀有堿基。少量稀有堿基。DNA是由兩條反向直線形多核苷酸組成的雙螺旋分子。單鏈多核苷是由兩條反向直線形多核苷酸組成的雙螺旋分子。單鏈多核苷酸中兩個核苷酸之間的唯一連鍵是酸中兩個核苷酸之間的唯一連鍵是3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵。堿基按。堿基按A-T，G-C配對互補，配對互補， 彼此以氫鍵相連系。彼此以氫鍵相連系。 DNADNA的最主要的生物功能是：它是遺傳信息的載體。的最主要的生物功能是：它是遺傳信息的載體。DNADNA分子是分子是一個模板，在一個模板，在DNADNA的雙螺旋結構中，每一條鏈的的雙螺旋結構中，每一條鏈的DNADNA堿基序列可以嚴格地確定其互補堿基序列可以嚴格地確定其

4、互補鏈的堿基順序進行自我復制。這樣就保證了遺傳信息傳給了它的后代。鏈的堿基順序進行自我復制。這樣就保證了遺傳信息傳給了它的后代。 RNARNA也是線也是線形多核苷酸，但不是雙螺旋結構。形多核苷酸，但不是雙螺旋結構。 RNARNA分三類：分三類：tRNAtRNA，rRNArRNA及及mRNAmRNA。核酸可以變性。核酸可以變性, ,復性復性, ,雜交雜交 . .某些某些RNARNA分子是高活性的酶，也具有催化活力，我們稱這些分子是高活性的酶，也具有催化活力，我們稱這些RNARNA的酶為的酶為核核糖酶糖酶（RibozymesRibozymes） 19.1 核酸的分類l根 據(jù) 分 子 中 所 含 戊

5、 糖 的 種 類 核 酸 可 分 為 核 糖 核 酸( r i b o n u c l e i c a c i d ， R N A ) 和 脫 氧 核 糖 核 酸(deoxyribonucleic acid，DNA)。DNA是生物遺傳的主要物質基礎，承擔體內遺傳信息的貯存和發(fā)布。l根據(jù)RNA在蛋白質合成過程中所起的作用不同又可分為三類：l1核蛋白體RNA(dbosomal RNA，rRNA)，又稱核糖體RNA，它是蛋白質合成時多肽鏈的“裝配機”。參與蛋白質合成的各種成分最終必須在核蛋白體上將氨基酸按特定順序合成多肽鏈。l2信使RNA(messengerRNA，mRNA)，它是合成蛋白質的模板，

6、在蛋白質合成時，控制氨基酸排列順序。l3轉運RNA(transferRNA，tRNA)。在蛋白質的合成過程中，tRNA是搬運氨基酸的工具。氨基酸由各自特異的tRNA“搬運”到核蛋白體，才能“組裝”成多肽鏈。19.2 核酸的基本物質組成l核酸分子中所含主要元素有C、H、O、N、P等。其中含磷量為910，由于各種核酸分子中含磷量比較接近恒定，故常用含磷量來測定組織中核酸的含量。l核酸也稱多核苷酸（polynucleotide）,是由數(shù)10個以至千萬計的單核苷酸(mucleotide) 組成。核酸完全水解可以得到磷酸、嘌呤堿和嘧啶堿（簡稱堿基）、核糖和脫氧核糖。l 磷酸l 核酸核苷酸 戊糖（核糖和脫

7、氧核糖）l 核苷 有機堿（嘌呤堿和嘧啶堿） 核酸水解后的主要最終產(chǎn)物 水解產(chǎn)物類別RNADNA酸戊糖嘌呤堿嘧啶堿磷酸D- 核糖腺嘌呤 鳥嘌呤胞嘧啶 尿嘧啶 磷酸D-2-脫氧核糖腺嘌呤 鳥嘌呤胞嘧啶 胸腺嘧啶 核酸中的戊糖 核酸中的戊糖有兩類，即-D-核糖和-D-2-脫氧核糖，D-核糖存在于RNA中，而2-D-脫氧核糖存在于DNA中。它們的結構及編號如下： HOOOHOHHHHHOH12345HOOHOHHHHHOH12345 -D-核糖 -D-2-脫氧核糖RNA和DNA中所含的堿基 lRNA和DNA中所含的嘌呤堿相同，都含有腺嘌呤和鳥嘌呤。而含的嘧啶堿不同，兩者都含有胞嘧啶，RNA中含的尿嘧啶

8、而不含胸腺嘧啶，DNA中恰相反。l兩類堿基的結構及縮寫符號如下 ：NNNHNNH2H2NHNNNHNO腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)NNNHN嘌呤NNHNH2ONHNHOONHNHOONN嘧啶胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)兩類堿基酮式-烯醇式互變 兩類堿基可發(fā)生酮式-烯醇式互變，如： H2NNNNHNOHH2NHNNNHNO鳥嘌呤烯醇式酮式NNNH2OH胞嘧啶NNHNH2O酮式烯醇式19.3 核酸的一級結構 HONNNNNH2OHOHHHHHHONHNNONH2NOHOHHHHHHOOHOHHHHHNNNH2OHOOHOHHHHHHNNOO腺 嘌 呤 脫 氧 核 苷 （ 脫 氧 腺 苷 ）

9、（ d eo x yad en o sid e）鳥 嘌 呤 脫 氧 核 苷 （ 脫 氧 鳥 苷 ） （ d eo x yg u an o sid e）胞 嘧 啶 脫 氧 胞 苷 （ 脫 氧 胞 苷 ） （ d eo x ycytid in e）胸 腺 嘧 啶 脫 氧 核 苷 （ 脫 氧 胸 苷 ） （ th ym id in e）l19.3.1 核苷的結構l核苷（核苷（nucleosidenucleoside）是由堿基與核糖C1上的-半縮醛羥基與嘌呤堿9位或嘧啶堿1位氮原子上的氫脫水縮合而成的氮苷。l在DNA中常見的4種脫氧核糖核苷的結構式及名稱如下： RNA中常見的4種核苷的結構式及名稱如下

10、：HONNNNNH2OOHOHHHHHHONHNNONH2NOOHOHHHHHHOOOHOHHHHHNNNH2OHOOOHOHHHHHHNNOO腺 嘌 呤 核 苷 （ 腺 苷 ） (adenosine)鳥 嘌 呤 核 苷 （ 鳥 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）脫氧胞苷酸（deoxycytidylic acid）l

11、 19.3.2、 單核苷酸的結構單核苷酸的結構l核苷酸(nucleotide)是核苷分子中的核糖或脫氧核糖的3或5位的羥基與磷酸所生成的酯。生物體內大多數(shù)為5核苷酸。組成RNA的核苷酸有腺苷酸、鳥苷酸、胞苷酸和尿苷酸，組成DNA的核苷酸有脫氧腺苷酸、脫氧鳥苷酸、脫氧胞苷酸和脫氧胸苷酸。l腺苷酸和脫氧胞苷酸結構如下：腺苷酸和脫氧胞苷酸結構如下： 除了DNA和RNA的核苷酸以外，還有一些具有生物學重要性的核苷酸，它們在細胞中也執(zhí)行著某些重要功能。其中主要的是ATP(三磷酸腺苷)，它是細胞儲存能量的化合物。例如， 圖圖19-119-1中表示中表示 ATP(ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷) )的結構的結

12、構： ONNNNNH2OHOHHHHHOPO-OOOPO-OHOOPO-OAMPADPATPOHHHHHOOPO-OTDNAOOHHHHHCOPO-OOOHHHHHOPO-OGOOHHHHHOPO-OOA5端3端OHOHHHHOOPO-OUR NAOOHOHHHHCOPO-OOOHOHHHHOPO-OGOOHOHHHHOPO-OOA5端3端l19.3.3 核苷酸的連接核苷酸的連接核酸的一級結構核酸的一級結構l核酸分子中各種核苷酸排列的順序即為核酸的一級結構，又稱為核苷酸序列。由于核苷酸間的差別主要是堿基不同，又稱為堿基序列。在核酸分子中，各核苷酸間是通過3、5-磷酸二酯鍵來連接的。 DNA和R

13、NA的部分多核苷酸鏈結構可用簡式表示如下： 19.4 核酸的二級結構 19.4.1 DNA的雙螺旋結構及配對堿基間氫鍵示意圖 NNNNNNNOOHHHC 1C1ATNNNNNONNNOHHHHHCGC 1C1l 大多數(shù)天然RNA以單鏈形式存在，但在單鏈的許多區(qū)域可發(fā)生自身回折，在回折區(qū)內，可以相互配對的堿基以A-U與G-C配對，分別形成兩個或三個氫鍵，配對的多核苷酸鏈(約占40-70)形成雙螺旋結構，不能配對的堿基則形成突環(huán)。 如圖：RNA的二級結構及酪氨酰轉移RNA的三葉草結構。 l19.4.2、 RNA的二級結構簡介 19.5 核酸的理化性質l 19.5.1 核酸的物理性質l 19. 5.

14、 2 核酸的水解 在酸、堿（用于RNA）、酶的作用下，大分子核酸的磷酸酯鍵或N-糖苷鍵水解。可以根據(jù)需要選擇適合的方法及反應條件，得到不同程度的水解產(chǎn)物。l 19.5.3 核酸的酸堿性 核酸分子中既含磷酸基，又含嘌呤和嘧啶堿，所以它是兩性化合物，但酸性大于堿性。 l 19.5.4 核酸的變性、復性和雜交l 核酸在加熱、酸、堿或乙醇、丙酮、尿素、酰胺等理化因素作用下，分子由穩(wěn)定的雙螺旋結構松解為無規(guī)則線團結構的現(xiàn)象，稱核酸的變性。l DNA的變性是可逆的。在適當?shù)臈l件下，變性DNA的兩條互補鏈全部或部分恢復到雙螺旋結構的現(xiàn)象，稱為復性(renaturation)。熱變性的DNA，一般經(jīng)緩慢冷卻后

15、， 即可復性。這一過程稱為“退火”(annealing)。 l 分子雜交是以核酸的變性與復性為基礎的，不同來源的兩條單鏈DNA，只要它們有大致相同的堿基互補順序，經(jīng)退火處理，可形成雜交雙螺旋，這種按堿基配對而使不完全互補的兩條鏈相互結合，稱為雜交。 19.6 基因與遺傳密碼 l19.6.1 基因 現(xiàn)代遺傳學家認為，基因是DNA分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應的DNA分子片斷。l1962 遺傳密碼 到現(xiàn)在為止的討論已經(jīng)表明DNA分子上堿基的線性順序，在某些方面和被細胞合成的蛋白質的類型有關。堿基順序實際上就是遺傳密碼，它們能夠轉譯為蛋白質的特異氨基酸順序。N堿是密碼的字母

16、或字母系統(tǒng)，DNA分子中全部的遺傳信息，均由4種不同的字母（堿基A、T、C、G）來編碼。存在于蛋白質中大約20種不同氨基酸的密碼字，是以3個堿基為一組來排列編碼的，這個組合稱為堿基三聯(lián)體或密碼子。見后表。19.7 核糖酶 具有催化活力的RNA，命名為酶活性RNA（Ribozyme）。 Ribozyme的發(fā)現(xiàn)改變了酶都是蛋白質的傳統(tǒng)觀念 。鑒于Ribozyme的發(fā)現(xiàn)和隨后的研究，1989年Cech獲得了諾貝爾化學獎。 遺傳密碼表氨基酸 密 碼 密碼數(shù)目 甘氨酸 GGU GGC GGA GGG 4 丙氨酸 GCU GCC GCA GCG 4 纈氨酸 GUU GUC GUA GUG 4 亮氨酸 UUA UUG CUU CUC CUA CUG 6 異亮氨酸 AUU AUC AUA 3 絲氨酸 UCU UCC UCA UCG AGU AGC 6 蘇氨酸 ACU ACC ACA ACG 4 半光氨酸 UGU