第第 1919 章 核 酸章 核 酸

目的要求：目的要求：

掌握核酸的化学结构及其分类。掌握核酸分子中的碱基及其配对规律以及核酸的一级结构。

了解 DNA 的双螺旋结构，了解 RNA 的二级结构特点。

 掌握核酸的理化性质 。 了解基因和遗传密码。  

核酸核酸的研究是分子生物学的重要领域。核酸的发现为人类提供了解开生命之的研究是分子生物学的重要领域。核酸的发现为人类提供了解开生命之谜的金钥匙。并将遗传学的研究从宏观的观察进入到分子水平。核酸的作用与核谜的金钥匙。并将遗传学的研究从宏观的观察进入到分子水平。核酸的作用与核酸的化学结构密切有关，酸的化学结构密切有关，本章主要介绍核酸的化学组成和分子结构本章主要介绍核酸的化学组成和分子结构，为核酸的深，为核酸的深入学习打下基础入学习打下基础 .. 核酸分两大类：核酸分两大类： DNADNA 和和 RNA,RNA, 所有生物细胞都含有这两类核酸所有生物细胞都含有这两类核酸 ..核酸的核酸的基本结构单位是基本结构单位是核苷酸核苷酸。。 DNADNA 主要由四种脱氧核糖核苷酸组成。 主要由四种脱氧核糖核苷酸组成。 RNARNA

主要由四种核糖核苷酸组成。 主要由四种核糖核苷酸组成。 核苷酸又由含氮碱基、戊糖核苷酸又由含氮碱基、戊糖 ((核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖 ))及磷酸所组成及磷酸所组成。核酸中还有少量稀有碱基。。核酸中还有少量稀有碱基。 DNADNA 是由两条反向直线形多核苷酸是由两条反向直线形多核苷酸组成的双螺旋分子。单链多核苷酸中两个核苷酸之间的唯一连键是组成的双螺旋分子。单链多核苷酸中两个核苷酸之间的唯一连键是 3’,5’3’,5’—— 磷酸磷酸二酯键二酯键。碱基按。碱基按 A-TA-T ，， G-CG-C 配对互补，配对互补， 彼此以氢键相连系。 彼此以氢键相连系。  DNADNA 的最主要的的最主要的生物功能是：它是遗传信息的载体。生物功能是：它是遗传信息的载体。 DNADNA 分子是一个模板，在分子是一个模板，在 DNADNA 的双螺旋结的双螺旋结构中，每一条链的构中，每一条链的 DNADNA 碱基序列可以严格地确定其互补链的碱基顺序进行自我碱基序列可以严格地确定其互补链的碱基顺序进行自我复制。这样就保证了遗传信息传给了它的后代。 复制。这样就保证了遗传信息传给了它的后代。  RNARNA 也是线形多核苷酸，但不也是线形多核苷酸，但不是双螺旋结构。 是双螺旋结构。  RNARNA分三类：分三类： tRNAtRNA，， rRNArRNA及及 mRNAmRNA 。核酸可以变性。核酸可以变性 ,, 复性复性 ,,杂交 杂交  .. 某些某些 RNARNA 分子是高活性的酶，也具有催化活力，我们称这些分子是高活性的酶，也具有催化活力，我们称这些 RNARNA 的酶为的酶为核糖酶核糖酶（（ RibozymesRibozymes ））

                                                      本章讲授本章讲授 2~32~3学时学时

本章提要本章提要

19.1 19.1 核酸的分类核酸的分类 根据分子中所含戊糖的种类核酸可分为核糖核酸 (ribonucleic acid ， RNA) 和脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid ， DNA) 。 DNA 是生物遗传的主要物质基础，承担体内遗传信息的贮存和发布。 根据RNA在蛋白质合成过程中所起的作用不同又可分为三类：

1 ．核蛋白体 RNA(dbosomal RNA ， rRNA) ，又称核糖体 RNA ，它是蛋白质合成时多肽链的“装配机”。参与蛋白质合成的各种成分最终必须在核蛋白体上将氨基酸按特定顺序合成多肽链。

2 ．信使 RNA(messengerRNA ，mRNA) ，它是合成蛋白质的模板，在蛋白质合成时，控制氨基酸排列顺序。

3 ．转运 RNA(transferRNA， tRNA) 。在蛋白质的合成过程中，tRNA是搬运氨基酸的工具。氨基酸由各自特异的 tRNA“搬运”到核蛋白体，才能“组装”成多肽链。

19.2 19.2 核酸的基本物质组成核酸的基本物质组成 核酸分子中所含主要元素有 C 、 H 、 O 、 N、 P 等。其中含磷量为 9 ％— 10 ％，由于各种核酸分子中含磷量比较接近恒定，故常用含磷量来测定组织中核酸的含量。 核酸也称多核苷酸（ polynucleotide ） , 是由数 10个以至千万计的单核苷酸 (mucleotide)  组成。核酸完全水解可以得到磷酸、嘌呤碱和嘧啶碱（简称碱基）、核糖和脱氧核糖。

                  磷酸   核酸——核苷酸           戊糖（核糖和脱氧核糖）                   核苷                           有机碱（嘌呤碱和嘧啶碱） 

核酸水解后的主要最终产物核酸水解后的主要最终产物

水解产物类别 RNA DNA

酸戊糖嘌呤碱嘧啶碱

磷酸D- 核糖

腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶 

磷酸D-2- 脱氧核糖

腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧

啶  

核酸中的戊糖核酸中的戊糖 核酸中的戊糖有两类，即核酸中的戊糖有两类，即 ββ-D--D- 核糖和核糖和 ββ-D-2--D-2- 脱氧核脱氧核糖，糖， D-D- 核糖存在于核糖存在于 RNARNA 中，而中，而 2-D-2-D- 脱氧核糖存在于脱氧核糖存在于DNADNA 中。它们的结构及编号如下：中。它们的结构及编号如下：  

HOO

OHOH

HHHH

OH

1

234

5HO

O

HOH

HHHH

OH

1

234

5

¦Â-D-ºËÌÇ ¦Â-D-2-ÍÑÑõºËÌÇ

RNARNA 和和 DNADNA 中所含的碱基中所含的碱基 RNA 和 DNA 中所含的嘌呤碱相同，都含有腺嘌呤和鸟嘌呤。而含的嘧啶碱不同，两者都含有胞嘧啶，RNA中含的尿嘧啶而不含胸腺嘧啶，DNA中恰相反。

两类碱基的结构及缩写符号如下 ：

N

N NH

N

NH2

H2N

HN

N NH

N

O

ÏÙàÑßÊ(A) ÄñàÑßÊ(G)

N

N NH

N

àÑßÊ

N

NH

NH2

O

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

N

N

à×ठ°ûà×à¤(C) ÐØÏÙà×à¤(T)Äòà×à¤(U)

两类碱基酮式两类碱基酮式 -- 烯醇式互变烯醇式互变 两类碱基可发生酮式两类碱基可发生酮式 --烯醇式互变，如：烯醇式互变，如：  

H2N

N

N NH

N

OH

H2N

HN

N NH

N

OÄñàÑßÊ

Ï©´¼Ê½Íª ʽ

N

N

NH2

OH

°ûà×à¤

N

NH

NH2

O

ͪ ʽϩ´¼Ê½

19.3 19.3 核酸的一级结构核酸的一级结构

HO

N

NN

N

NH2

O

HOH

HHHH

HO

NH

N

N

O

NH2N

O

HOH

HHHH

HOO

HOH

HHHH

N

N

NH2

OHO

O

HOH

HHHH

HN

N

O

O

ÏÙàÑßÊÍÑÑõºËÜÕ£¨ ÍÑÑõÏÙÜÕ£© £¨ deoxyadenoside£©

ÄñàÑßÊÍÑÑõºËÜÕ£¨ ÍÑÑõÄñÜÕ£© £¨ deoxyguanoside£©

°ûà×à¤ÍÑÑõ°ûÜÕ£¨ ÍÑÑõ°ûÜÕ£© £¨ deoxycytidine£©

ÐØÏÙà×à¤ÍÑÑõºËÜÕ£¨ ÍÑÑõÐØÜÕ£© £¨ thymidine£©

19.3.1  核苷的结构 核苷（ nucleoside ）是由碱基与核糖 C1上的 β- 半缩醛羟基与嘌呤碱 9 位或嘧啶碱 1位氮原子上的氢脱水缩合而成的氮苷。

在 DNA 中常见的 4 种脱氧核糖核苷的结构式及名称如下： 

RNARNA中常见的中常见的 44种核苷的结构式及名称如下：种核苷的结构式及名称如下：

HO

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HHHH

HO

NH

N

N

O

NH2N

O

OHOH

HHHH

HOO

OHOH

HHHH

N

N

NH2

OHO

O

OHOH

HHHH

HN

N

O

O

ÏÙàÑßʺËÜÕ £¨ ÏÙÜÕ£© (adenosine)

ÄñàÑßʺËÜÕ£¨ ÄñÜÕ£© (guanosine)

°ûà×ऺËÜÕ£¨ °ûÜÕ£© £¨ cytidine£©

Äòà×ऺËÜÕ£¨ ÄòÜÕ£©£ (uridine)

-O

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HHHH

OP

O-

O

1

23

4

5 6

1¡®

2¡¯3¡®

4¡¯

5¡®

7

8

9

-O O

HOH

HHHH

OP

O-

O 1

2

3 45

6

1¡®

2¡¯3¡®

4¡¯

5¡®

N

N

NH2

O

ÏÙÜÕËᣨ adenylic acid£© ÍÑÑõ°ûÜÕËᣨ deoxycytidylic acid£©

 19.3.2、  单核苷酸的结构 核苷酸 (nucleotide) 是核苷分子中的核糖或脱氧核糖的 3’或 5’位的羟基与磷酸所生成的酯。生物体内大多数为 5’核苷酸。组成 RNA的核苷酸有腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和尿苷酸，组成 DNA的核苷酸有脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸。

腺苷酸和脱氧胞苷酸结构如下： 

除了除了 DNADNA 和和 RNARNA 的核苷酸以外，还有一些具有生物学重要性的核苷酸，它们的核苷酸以外，还有一些具有生物学重要性的核苷酸，它们在细胞中也执行着某些重要功能。其中主要的是在细胞中也执行着某些重要功能。其中主要的是 ATP(ATP( 三磷酸腺苷三磷酸腺苷 )) ，它是细胞，它是细胞储存能量的化合物。储存能量的化合物。 例如， 图 例如， 图 19-119-1 中表示 中表示 ATP(ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷 ))的结构：的结构：  

O

N

NN

N

NH2

O

HOH

HHHH

OP

O-

O

O OP

O-

O

HO OP

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O

AMP

ADP

ATP

O

H

H

H

H

HO

OP

O

-O

T

DNA

O

O

H

H

H

H

H C

OP

O

-O

O

O

H

H

H

H

H

OP

O

-O

G

O

O

H

H

H

H

H

OP

O

-O

O

A

5'¶Ë

3'¶Ë

O

HO

H

H

H

HO

OP

O

-O

U

RNA

O

O

HO

H

H

H

H C

OP

O

-O

O

O

HO

H

H

H

H

OP

O

-O

G

O

O

HO

H

H

H

H

OP

O

-O

O

A

5'¶Ë

3'¶Ë

19.3.3 核苷酸的连接———核酸的一级结构 核酸分子中各种核苷酸排列的顺序即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。由于核苷酸间的差别主要是碱基不同，又称为碱基序列。在核酸分子中，各核苷酸间是通过 3’、 5’-磷酸二酯键来连接的。  DNA和 RNA的部分多核苷酸链结构可用简式表示如下：  

19.4 19.4 核酸的二级结构核酸的二级结构 19.4.1 DNA19.4.1 DNA 的双螺旋结构及配对碱基间氢键示意图 的双螺旋结构及配对碱基间氢键示意图   

N

N N

N

N

NN

O

O

HH

H

C 1'

C1' A

T

N

N

N N

N

ONN

N

O

H

H

H

H

HC

G

C 1'

C1'

     大多数天然 RNA 以单链形式存在，但在单链的许多区域可发生自身回折，在回折区内，可以相互配对的碱基以 A-U 与 G-C 配对，分别形成两个或三个氢键，配对的多核苷酸链 (约占 40％ -70％ ) 形成双螺旋结构，不能配对的碱基则形成突环。  如图：RNA的二级结构及酪氨酰转移 RNA 的三叶草结构。 

19.4.2、  RNA 的二级结构简介

19.5 19.5 核酸的理化性质核酸的理化性质 19.5.1   核酸的物理性质 19. 5. 2 核酸的水解       在酸、碱（用于 RNA ）、酶的作用下，大分子核酸的磷酸酯键或 N- 糖苷键水解。可以根据需要选择适合的方法及反应条件，得到不同程度的水解产物。

  19.5.3   核酸的酸碱性         核酸分子中既含磷酸基，又含嘌呤和嘧啶碱，所以它是两性化合物，但酸性大于碱性。 

 19.5.4  核酸的变性、复性和杂交      核酸在加热、酸、碱或乙醇、丙酮、尿素、酰胺等理化因素作用下，分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线团结构的现象，称核酸的变性。

    DNA的变性是可逆的。在适当的条件下，变性DNA的两条互补链全部或部分恢复到双螺旋结构的现象，称为复性 (renaturation) 。热变性的DNA，一般经缓慢冷却后， 即可复性。这一过程称为“退火” (annealing) 。 

     分子杂交是以核酸的变性与复性为基础的，不同来源的两条单链DNA，只要它们有大致相同的碱基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双螺旋，这种按碱基配对而使不完全互补的两条链相互结合，称为杂交。     

19.6 19.6 基因与遗传密码基因与遗传密码 19.6.1 基因         现代遗传学家认为，基因是 DNA 分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的 DNA 分子片断。

19． 6． 2  遗传密码        到现在为止的讨论已经表明 DNA分子上碱基的线性顺序，在某些方面和被细胞合成的蛋白质的类型有关。碱基顺序实际上就是遗传密码，它们能够转译为蛋白质的特异氨基酸顺序。N碱是密码的字母或字母系统，DNA分子中全部的遗传信息，均由 4种不同的字母（碱基 A、 T、 C、 G）来编码。存在于蛋白质中大约 20种不同氨基酸的密码字，是以 3个碱基为一组来排列编码的，这个组合称为碱基三联体或密码子。见后表。

19.7 核糖酶        具有催化活力的 RNA ，命名为酶活性 RNA （ Ribozyme ）。 Ribozyme 的发现改变了酶都是蛋白质的传统观念 。鉴于 Ribozyme的发现和随后的研究，1989年 Cech获得了诺贝尔化学奖。

                                 遗传密码表遗传密码表————————————————————————————————————————————————————————————————————

————————————氨基酸                   密            码                           密码数目氨基酸                   密            码                           密码数目————————————————————————————————————————————————————————————————————

————————————    甘氨酸         甘氨酸          GGU GGC GGA GGG 4GGU GGC GGA GGG 4    丙氨酸         丙氨酸          GCU GCC GCA GCG 4GCU GCC GCA GCG 4    缬氨酸         缬氨酸          GUU GUC GUA GUG 4GUU GUC GUA GUG 4    亮氨酸  亮氨酸   UUA UUG CUU CUC CUA CUG 6UUA UUG CUU CUC CUA CUG 6    异亮氨酸         异亮氨酸          AUU AUC AUA 3AUU AUC AUA 3丝氨酸   丝氨酸    UCU UCC UCA UCG AGU AGC 6UCU UCC UCA UCG AGU AGC 6    苏氨酸         苏氨酸          ACU ACC ACA ACG 4ACU ACC ACA ACG 4    半光氨酸              半光氨酸               UGU UGC 2UGU UGC 2     蛋氨酸                      蛋氨酸                       AUG 1AUG 1    天冬氨酸              天冬氨酸               GAU GAC 2GAU GAC 2

氨基酸                   密            码                           密码数目氨基酸                   密            码                           密码数目————————————————————————————————————————————————————————————

——————————————————————    谷氨酸                  谷氨酸                   GAA GAG 2GAA GAG 2    天冬酰胺              天冬酰胺               AAU AAC 2AAU AAC 2    谷氨酰胺              谷氨酰胺               CAA CGA 2CAA CGA 2    精氨酸  精氨酸   CGU CGC CGA CGG AGA AGG 6CGU CGC CGA CGG AGA AGG 6    赖氨酸                 赖氨酸                  AAA AAG 2AAA AAG 2    苯丙氨酸              苯丙氨酸               UUU UUC 2UUU UUC 2    酪氨酸                  酪氨酸                   UAU UAC 2UAU UAC 2    脯氨酸         脯氨酸          CCU CCC CCA CCG 4CCU CCC CCA CCG 4     组氨酸                  组氨酸                   CAU CAC 2CAU CAC 2    色氨酸                       色氨酸                        UGC 1UGC 1     终止密码          终止密码           UAA UAG UGA 3UAA UAG UGA 3     密码总数                                                                    密码总数                                                                     6464