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核酸的化学
学习要求
1．掌握核酸和核苷酸的分子组成，核酸分于中核苷酸的连结方式。
2．熟悉DNA的双螺旋结构，RNA的种类和分子结构，ATP和c AMP的化学结构。 3．了解t RNA的二级结构，多核苷酸链的简化式。
学习纲要
一、核酸的基本组成
1．碱基 有嘌吟碱和嘧啶碱两大类。在RNA分于中得到的有四种碱基、即腺嘌吟(A)、鸟嘌吟(G)、胞密啶(C)和尿嘧啶(U)。在DNA分于中也得到四种碱基，分别为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。
2．戊糖 RNA为D-核糖、DNA为D-2-脱氧核糖。 3．磷酸 存在于DNA与RNA分于中。
除上述水解产物之外，在t RNA分子中还可得到少量“稀有碱基”。 二、核酸基本组成单位——单核甘酸
嘌呤碱的第9位氮原于或嘧啶碱的第1位氮原子可以与戊糖的第1位碳原子连接形成核苷。核苷分子中的戊糖上的羟基再被磷酸化即为单核苷酸。单核苷酸是核酸的基本组成单位。核苷酸分于中含核糖的叫核糖酸；含脱氧核糖的叫脱氧核糖核苷酸。两类核酸基本组成单位的比较见教材。 三、DNA分子大小
天然存在的DNA分子最显著的特点就是很长，分子量很大，一般在106~1010D。例如：大肠杆菌染色体由400万基对（base pair, bp)组成的双螺旋DNA单分子，其分子质量为2.6×106。它外形很不对称，长度为14 × 106nm，而直径为20nm,相当于原子的大小。多瘤病毒的DNA由5100bp组成，长1.7μm(17000nm)，最长的蛋白质之一胶原蛋白，长度只有3000nm，足见DNA之长.DNA有的呈双股螺旋线性分子，有些为环状，也有少数呈单股环状。
四、DNA的碱基组成
DNA分子中的碱基主要是由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、和胸腺嘧啶、四种碱基组成，此外，也含有少量的稀有碱基，如5-甲基胞嘧啶（m5C）和5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）等。各种生物的DNA的碱基组成具有如下规律：
1．具有种的特异性，不同种生物的DNA其碱基组成不同，而且种系间越接近的生物，其碱基组成也越接近。
2．没有器官和组织的特异性，在同一生物体内的各种不同器官和组织的DNA碱基组成基本相似。
3.。在各种DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶（包括5-甲基胞嘧啶）的摩尔数相等，即G=C+m5C；因此嘌呤碱基的总摩尔数等于嘧啶碱基的总数，即A+G=T+C+mC（5-甲基胞嘧啶）。这个碱基摩尔比例规律称为DNA的碱基当量定律。
4.年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。 五、DNA的一级结构
1．定义：核酸的一级结构是指多核苷酸链中各核苷酸之间的连接方式，核苷酸的种类数量，以及核苷酸的排列顺序。
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，通过3?，5?，-磷酸二酯键(phosphodiester band)，彼此连接起来的直线或环状分子。形成的核苷酸链都具有一个5?-端和一个3?-端，DNA没有测链，其延长方向总是向3?延长，或5?→3?。 六、DNA的二级结构
1、双螺旋结构（B-DNA结构）要点
（1）主链：由两条反平行的多核苷酸链（即一条由3?向5?，另一条由5? 向3?），围绕着同一中心轴（想象的），以右手螺旋方式构成一个双螺旋结构。
（２）碱基配对：两条链彼此依靠碱基对之间形成的氢键结合在一起，A与T相结合，形成两个氢键；C与G相结合，形成三个氢键。碱基之间相互匹配的情形称为碱基互补。当一条多核苷酸链的碱基顺序确定以后，可推知另一条互补链的碱基顺序。
（３）螺旋参数：每个平面上由两个碱基形成碱基对(base pairing, bp)。相邻碱基平面在螺旋轴之间的距离为0.34nm 旋转夹角为36°，沿中心轴，每旋转一周有10个核苷酸，螺旋的螺距是3.4nm。直径是2nm。
（４）螺旋表面：双螺旋的链之间沿中心轴形成大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。
（５) 维持DNA双螺旋结构的作用力:碱基堆积力,氢键,离子键 （６）疏水的嘌呤和嘧啶碱基平面叠于螺旋的内侧，亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连形成的骨架位于外侧。
（７）碱基平面与中心轴相垂直，糖环平面与纵轴平行，与碱基平面几乎呈直角。 2．A-DNA的结构
这种结构是螺旋每圈含11个碱基，呈右手螺旋，只是碱基对平面与螺旋轴的垂直线有19°偏差。B-DNA脱水即成A-DAN。RNA分子的双螺旋区以及RNA- DAN杂交双连也具有A-DAN相似的结构。 3．Z-DNA
里奇在研究d(CG)n的结构时发现的，磷酸基在多核苷酸骨架上呈锯齿状排列，因此称Z-DNA。 Z-DNA为左手双螺旋结构，只有一条深的螺旋槽。 七、DNA的三级结构
在双螺旋结构的基础上，形成三级结构：双链环形的超螺旋型(super? helix)和开环型。环形就是DNA链首尾相连或称共价闭合。超螺旋DNA 具有更紧密的结构，当超螺旋DNA 的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就被松开，而形成开环结构。 (一)、RNA分子的结构
1．RNA(ribose nucleic acid)的类型
在各种生物细胞中， RNA的种类、大小、结构比DNA多样化。依不同的功能和性质，都含有三类主要的RNA：核糖体RNA(r RNA)，转运RNA(t RNA)，信息RNA(mRNA) 。 2．r RNA
含量占细胞中RNA总量的80% 左右，是细胞中核糖体的组成成分，是合成蛋白质的场所。核糖体又称核蛋白体，是一种亚细胞结构，r RNA约占核糖体的60%，其余40%为蛋白质。
大肠杆菌核糖体中的r RNA有三类：5SrRNA、16SrRNA 、23SrRNA。
动物细胞核糖体中的r RNA有四类：5SrRNA、18SrRNA 、28SrRNA 及5SrRNA。
2．m RNA
占细胞中RNA总量的5% 左右， mRNA是合成蛋白质的模板,传递DNA的遗传信息,决定着每一种蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序,细胞内mRNA的种类很多,但每种mRNA的数量却很少. mRNA在代谢上很不稳定,原核生物mRNA的半衰期只有几分钟,真核细胞的可达几小时. 3．t RNA
占细胞中RNA总量的15% 左右，通常以游离状态存在于细胞质中是细胞中。 tRNA约有75~90个核苷酸组成，分子量在25，000左右。主要功能是转运活化了的氨基酸。细胞内t RNA种类很多，每一种氨基酸都有特异运转它的一种或几种tRNA。 （二）、RNA 的结构
RNA的一级结构为直线型多核苷酸链，其分子一般比DNA小得多，由数十个至数千个核苷酸通过3 ?，5?磷酸二酯键组成，尽管RNA核糖分子中有2 ?游离羟基，但不形成2 ?，5?磷酸二酯键。 1．t RNA的结构
T RNA的结构的共同特点：
a .含70-90个核苷酸,沉降系数4S b. 碱基中有10%-12%的稀有碱基 c. 3?端皆为CCA-OH结构
d. t RNA有共同的二级结构,呈三叶草形
（1）三叶草模型组成：氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环及TψC环等五部分组成.
（2）氨基酸臂：由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为—CCA。蛋白质生物合成时，氨基酸活化后，连接与这一末端的腺苷酸上。
（3）二氢尿嘧啶环（I)：由8~12个核苷酸组成，已具有两个二氢尿嘧啶（核苷酸）分子为其特征，所以称为二氢尿嘧啶环（DHU环)。此环通过3~4碱基对组成的双螺旋区， 与t RNA其他部分相连。
（4）反密码环（Ⅱ）：由7个核苷酸组成。环的中间是反密码子，由三个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（又称肌苷酸）常出现在反密码子中。此环通过5对双螺旋区， 与t RNA其他部分相连。
(5) 额外环（Ⅲ）：由3~18个核苷酸组成，不同t RNA分子，其环的大小很不一样是t RNA分类的依据。
（6）假尿嘧啶核苷酸-胸腺嘧啶核苷酸环（T ψ C环）（Ⅳ）：由7个核苷酸组成，此环通过5对碱基组成的双螺旋区， 与t RNA其他部分相连。除个别t RNA外，所有t RNA中必定含有-T-ψ-C-环碱基序列，故称T ψ C环。
（7）T RNA的三级结构：为到L形，其生物学功能与其三级结构有密切关系。螺旋区相互作用，各环中的不互补碱基形成额外的碱基对，他们是维持t RNA三级结构的重要因素。 2．m RNA的结构：
（1）3?端：决大多数真核细胞mRNA的3?端有一段长约30-200个残基的多聚腺苷酸（ploy A），使转录后加上去的，原核生物的mRNA一般不含ploy A。
（2）5?端：7-甲基鸟嘌呤及三磷酸鸟苷为起始---帽子结构 ， m7G-5?-PPP-Nm，均为合成后加上的，原核生物mRNA无此特殊结构，5?端结构具有抗核酸酶水解的功能。也与蛋白质合成的起始有关。 3．r RNA的结构
由部分双螺旋及部分环状凸起组成，5Sr RNA也具有类似三叶草形的结构。
（八）、核酸的性质 1．粘度
天然DNA分子的长度可达到几个cm，而DNA分子的直径只有2 nm，所以即使是极稀的DNA溶液，也有极大的粘度。DNA越长粘稠度越大。在加入乙醇后可用玻璃棒将粘稠的DNA搅缠起来。
DNA的溶液是呈粘稠状，但DNA的双螺旋结构实际上显得僵直具有刚性，经不起剪切力的作用，易断裂成碎片。这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因。 RNA的粘度要小得多，当核算溶液因受热或在其他因素作用下发生螺旋→线团转变时，则粘度降低。
２．核酸的紫外吸收
（1）由于核酸的组成成分嘌呤碱及嘧啶碱有强烈的紫外吸收，所以核酸也有强烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm处。蛋白质最大吸收值在280nm处。利用这一特性，可以鉴别核酸样品中的蛋白质杂质，还可以对核酸进行定量测定。
（2）当核苷酸摩尔数相同时，OD260值大小如下关系：单核苷酸>单链DNA>双链DNA （3）低色效应：双链DNA分子中由于双螺旋里碱基相互堆积，加以氢键的吸引，而处于双螺旋的内部，使光的吸收受到压抑，其值低于等摩尔的碱基在溶液中的光吸收， DNA分子均较其所含核苷酸单位的总和要低20-60%。这种关系称为低色效应。
（4）高色效应(hyperchromic effect)：当DNA变性时，由于氢键的断列，碱基堆积的破坏，碱基对失去重叠，在260nm处的紫外光吸收有明显生高称为高色现象。 ３．变性
（1）定义：DNA的变性是指双螺旋结构分开，成为两条单链的DNA分子，这个过程分别称为DNA分子的变性。
（2）变性的本质：维系碱基配对的氢键断裂，并不涉及核苷酸间共价键的断裂。两条链彼此分离，形成无规则线团。
（3）变性的表现：生物活性的丧失，粘度下降，紫外光吸收值增加，沉降系数增加，比旋下降。
（4）变性的因素：加热、酸碱、乙醇、丙酮等有机溶剂、尿素、酰胺等试剂。
（5）变化：先是局部双螺旋松开成为双螺旋的单链，然后整个双螺旋的两条链分开成不规则的卷曲单链，在链内可形成局部的氢键结合区，其产物是无规则的线团，因此核酸变性可看作是一种螺旋向线团转变的过渡
（6）解链温度(melting temperature)：DNA加热变性过程是在一个狭窄的温度范围内迅速发生的，它有点像晶体的熔融。通常将50%的DNA分子发生变性的温度称为解链温度（Tm)。一般在70~85℃。解链温度与DNA的性质组成及溶液的性质有关，均一的DNA，Tm值范围小；C≡G 碱基对含量高，DNA分子不易变性，Tm值也大;离子强度低时，Tm值也低，反之， Tm值较高。 ４．复性(renaturation)
（1）定义：在适当的条件下，变性DNA分开的两条链，又重新缔合而恢复成双螺旋结构的过程。完全变性的DNA的复性过程需分两步进行，首先是分开的两条链相互碰撞，在互补顺序间先形成双链核心片断，然后以次核心片段为基础，迅速地找到配对，完成其复性过程。
（2）淬火：如当温度高于Tm约5℃时，DNA的两条链由于布朗运动而完全分开。如果此热溶液迅速冷却，则两条链继续保持分开，称为淬火。
（3）退火(anneal)：若将此溶液缓慢冷却，称退火。到适当的低温，则两条链可发生特异性的重新组合而恢复到原来的双螺旋结构。