第三章核酸 核酸核酸是生物遗传信息的载体,分脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类,所有的细胞 都同时含有这两类核酸。DNA主要集中在细胞核内,占细胞干重的5-~15%,但线粒体、叶绿体中也有 少量DNA。RNA主要分布于细胞质中。但是,对于病毒来说,要么只含DNA,要么只含RNA。所以 可按照所含核酸的类型,将病毒分为DNA病毒与RNA病毒两大类 核酸的生物功能核酸的生物功能主要是遗传的物质基础,某些小分子核酸具有酶的功能。 第一节核苷酸 核酸是一种多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸又由碱基(嘌呤碱与嘧啶碱)、戊糖和 磷酸组成。 核酸中的戊糖有两类:D-核糖和D-2-脱氧核糖。根据核酸中所含戊糖的种类不同,可将核酸分为两 大类:核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。两类核酸的基本化学组成见表3-1 表3-1两类核酸的基本化学组成 基本化学组成 DNA RNA 腺嘌呤 腺嘌呤 嘌呤碱 嘧啶碱 胸腺嘧啶 尿嘧啶 戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷酸 磷酸 核苷酸的结构 (一)碱基 核酸中的碱基分两类:嘧啶碱和嘌呤碱 Ⅰ、嘧啶碱嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶碱有三类:胞嘧啶、尿嘧啶及 胸腺嘧啶。其中DNA与RNA两类核酸都含有胞嘧啶,胸腺嘧啶则只含于DNA中,但某些tRNA中也 发现有极少量的胸腺嘧啶核糖核苷酸,尿嘧啶则只含于RNA中。植物组织的DNA中还有相当数量的 5-甲基胞嘧啶。一些大肠杆菌噬菌体核酸中,不含胞嘧啶,而由5-羟甲基胞嘧啶所代替
59 第三章 核 酸 核酸 核酸是生物遗传信息的载体，分脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类，所有的细胞 都同时含有这两类核酸。DNA 主要集中在细胞核内，占细胞干重的 5~15%，但线粒体、叶绿体中也有 少量 DNA。RNA 主要分布于细胞质中。但是，对于病毒来说，要么只含 DNA，要么只含 RNA。所以 可按照所含核酸的类型，将病毒分为 DNA 病毒与 RNA 病毒两大类。 核酸的生物功能 核酸的生物功能主要是遗传的物质基础，某些小分子核酸具有酶的功能。 第一节 核 苷 酸 核酸是一种多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸又由碱基(嘌呤碱与嘧啶碱)、戊糖和 磷酸组成。 核酸中的戊糖有两类：D-核糖和 D-2-脱氧核糖。根据核酸中所含戊糖的种类不同，可将核酸分为两 大类：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。两类核酸的基本化学组成见表 3-1。 表 3-1 两类核酸的基本化学组成 基本化学组成 DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤 鸟嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 嘧啶碱 胞嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶 戊 糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸 一、核苷酸的结构 （一）碱基 核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。 1、嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶碱有三类：胞嘧啶、尿嘧啶及 胸腺嘧啶。其中 DNA 与 RNA 两类核酸都含有胞嘧啶，胸腺嘧啶则只含于 DNA 中，但某些 tRNA 中也 发现有极少量的胸腺嘧啶核糖核苷酸，尿嘧啶则只含于 RNA 中。植物组织的 DNA 中还有相当数量的 5-甲基胞嘧啶。一些大肠杆菌噬菌体核酸中，不含胞嘧啶，而由 5-羟甲基胞嘧啶所代替
嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶 NH2 NH? CH,OH 胸腺嘧啶 甲基胞嘧啶 5-羟甲基胞嘧啶 2、嘌呤碱核酸中常见的嘌呤碱有两类:腺嘌呤及鸟嘌呤。嘌呤碱是由母体化合物嘌呤衍生而来 NE HN 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 天然存在的重要嘌呤碱还有次黄嘌呤、黄嘌呤、尿酸、荼叶碱、可可碱、咖啡碱。次黄嘌呤、尿酸 是嘌呤核苷酸代谢的产物。茶叶碱、可可碱及咖啡碱分别含于荼叶、可可及咖啡中,它们都是黄嘌呤的 甲基化衍生物,都有增强心脏活动的功能,其生物活性依甲基化程度而提高。 这些嘌呤类物质的结构如下 次黄嘌呤 黄嘌呤 CH3 H3C CH 茶叶碱 可可碱 咖啡碱 此外,一些植物激素,如玉米素(N-异戊烯腺嘌呤)、激动素(N-呋喃甲基腺嘌呤)等也是嘌呤类的衍 生物。 3、稀有碱基除了表3-1中所列五类基本的碱基外,核酸中还有一些含量甚少的碱基,统称为稀 有碱基。稀有碱基的种类极多,大多数都是甲基化碱基。大分子核酸中的碱基甲基化的过程发生于核酸 大分子生物合成以后,是生物细胞识别自体核酸与外源核酸的一种标识,具有抗内源核酸酶水解的作用, 它对核酸的生物学功能具有极其重要的意义。核酸中甲基化碱基的含量一般不超过碱基总量的5%。但
N N N N H NH2 O HN N H O O HN N H O O CH3 N N H O CH3 NH2 N N H O CH2OH NH2 6 1 2 3 4 5 5-羟甲基胞嘧啶 嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶 5-甲基胞嘧啶 2、嘌呤碱 核酸中常见的嘌呤碱有两类：腺嘌呤及鸟嘌呤。嘌呤碱是由母体化合物嘌呤衍生而来 的。 N N N H N NH2 H2N HN N N H N N N N H N 8 1 2 3 4 5 6 7 9 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 O 天然存在的重要嘌呤碱还有次黄嘌呤、黄嘌呤、尿酸、茶叶碱、可可碱、咖啡碱。次黄嘌呤、尿酸 是嘌呤核苷酸代谢的产物。茶叶碱、可可碱及咖啡碱分别含于茶叶、可可及咖啡中，它们都是黄嘌呤的 甲基化衍生物，都有增强心脏活动的功能，其生物活性依甲基化程度而提高。 这些嘌呤类物质的结构如下： HN N N H N 次黄嘌呤 O HN N H N H N 黄嘌呤 O O HN N H N H NH 尿 酸 O O O N N N H N 茶叶碱 O O CH3 H3C HN N N N 可可碱 O O CH3 CH3 N N N N 咖啡碱 O CH3 H3C CH3 O 此外，一些植物激素，如玉米素(N-异戊烯腺嘌呤)、激动素(N-呋喃甲基腺嘌呤)等也是嘌呤类的衍 生物。 3、稀有碱基 除了表 3-1 中所列五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，统称为稀 有碱基。稀有碱基的种类极多，大多数都是甲基化碱基。大分子核酸中的碱基甲基化的过程发生于核酸 大分子生物合成以后，是生物细胞识别自体核酸与外源核酸的一种标识，具有抗内源核酸酶水解的作用， 它对核酸的生物学功能具有极其重要的意义。核酸中甲基化碱基的含量一般不超过碱基总量的 5%。但 60
tRNA中甲基化碱基可高达10%。 (二)核苷 核苷是一种糖苷,由戊糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以糖苷键相连接。 核苷中的D-核糖及D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中的C1是不对称原子,所以有α-及β-两 种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键 RNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用符号ν表示),它的结构很特殊,它的核糖不是与尿嘧啶的N相 连接,而是与嘧啶环的Cs相连接 (三)核苷酸 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。 NH, H? O—P-0—cH2O HOCH2 OHOH O-PEO 5'-腺嘌呤核苷酸 3'-胞嘧啶脱氧核苷酸 AMP -d CMP) 核糖核苷的糖环上有三个自由羟基,能形成三种不同的核苷酸:2′-核糖核苷酸,3′-核糖核苷酸及 5′-核糖核苷酸*。脱氧核苷的糖环上有二个自由羟基,所以只能形成两种核苷酸。生物体内游离存在的 多是5′-核苷酸。用碱水解RNA时可得到2′-及3′-核糖核苷酸的混合物。 常见的核苷酸及其缩写符号如表3-2 表3-2常见的核苷酸 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤 腺嘌呤核苷酸(AMP) 腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP) 鸟嘌呤 鸟嘌呤核苷酸(GMP) 鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP) 胞嘧呤 胞嘧啶核苷酸(CMP) 胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP) 尿嘧啶 尿嘧啶核苷酸(UMP) 胸腺嘧啶 胸腺嘧啶脱氧苷酸(dIMP) (四)多磷酸核苷酸 细胞内还有一些游离存在的多磷酸核苷酸,它们都具有重要的生理功能。 5′二磷酸核苷酸(5-NDP及5′-三磷酸核苷酸(5′NTP)**。细胞内的5′-NP是核苷的焦磷酸酯 5′-NTP是核苷的三磷酸酯。最常见的是腺二磷(5-ADP),腺三磷(5′-ATP)。腺三磷的结构如下左图 ·在命名上,将糖环碳原子的标号加“”、碱基的原子的标号不加“·”以示区别。 *5NDP、5NTP中的字母N代表四种碱基中的任何一种
tRNA 中甲基化碱基可高达 10%。 （二）核苷 核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以糖苷键相连接。 核苷中的D-核糖及D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中的C 1是不对称原子，所以有α-及β-两 种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。 tRNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用符号ψ表示)，它的结构很特殊，它的核糖不是与尿嘧啶的N 1相 连接，而是与嘧啶环的C 5相连接。 （三）核苷酸 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。 N N N N NH2 O OH OH H H H H HOCH2 O H H H H H N N NH2 O O P O－ 9 5'-腺嘌呤核苷酸 (AMP) 3'-胞嘧啶脱氧核苷酸 (3'-dCMP) O P C O H2 O O－ O O 1 核糖核苷的糖环上有三个自由羟基，能形成三种不同的核苷酸：2′-核糖核苷酸，3′-核糖核苷酸及 5′-核糖核苷酸*。脱氧核苷的糖环上有二个自由羟基，所以只能形成两种核苷酸。生物体内游离存在的 多是 5′-核苷酸。用碱水解 RNA 时可得到 2′-及 3′-核糖核苷酸的混合物。 常见的核苷酸及其缩写符号如表 3-2。 表 3-2 常见的核苷酸 碱 基 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧呤 尿嘧啶 胸腺嘧啶 腺嘌呤核苷酸(AMP) 鸟嘌呤核苷酸(GMP) 胞嘧啶核苷酸(CMP) 尿嘧啶核苷酸(UMP) 腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP) 鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP) 胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP) —— 胸腺嘧啶脱氧苷酸(dTMP) (四)多磷酸核苷酸 细胞内还有一些游离存在的多磷酸核苷酸，它们都具有重要的生理功能。 5′-二磷酸核苷酸(5′-NDP)及 5′-三磷酸核苷酸(5′-NTP)**。细胞内的 5′-NDP 是核苷的焦磷酸酯， 5′-NTP 是核苷的三磷酸酯。最常见的是腺二磷(5′-ADP)，腺三磷(5′-ATP)。腺三磷的结构如下左图。 * 在命名上，将糖环碳原子的标号加“′”、碱基的原子的标号不加“′”以示区别。 **5′-NDP、5′-NTP 中的字母 N 代表四种碱基中的任何一种。 61
O-P0-P-0-P-O--CH2 OH OH HO- P=O AMP ADP HO--P=O ATP含有两个高能磷酸酯键(~P),在细胞能量代谢中起能量载体的作用。细胞内的多磷酸核苷酸常 与镁离子形成复合物而存在。ATP中的β,γ磷酸残基,在1mol/LHCl中,100℃,水解7min,即可脱 落下来,而α-磷酸残基则要稳定得多,利用这一特性可以分别测定AP和ADP中不稳定磷之含量。GIP, CTP及UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用,但远没有ATP来得普遍。UDP在多糖合成中可 作为携带葡萄糖的载体。CD在磷脂的合成中作为载体起携带胆碱的作用。此外,各种三磷酸核糖核苷 及三磷酸脱氧核糖核苷是合成RNA与DNA的前体。 鸟嘌呤核苷四磷酸酯(pipp)(右上图)及五磷酸酯( ppp Gpp)则在代谢的调节控制中具有重要作用 在大肠杆菌中,它们参与rRNA合成的控制。 (五)环化核苷酸 重要的有3’,5′-环化腺苷酸(cAMP)及3’,5-环化鸟苷酸(cGMP)。它们普遍存在于动、植物及微生物 细胞中,含量极微,但具有极重要的生理功能。细胞内环化AMP的合成按下列途径进行: 腺苷酸环化酶 ATP CAMP、CAMP磷酸二酯酶 5-AMP 所以细胞内cAMP的浓度取决于这两种酶活力的高低,cAMP及cGMP分别具有放大激素作用信号 及缩小激素作用信号的功能,称为细胞内二级信使。cAMP也参与大肠杆菌中DNA转录的调控。此外 2',3′-环化核糖核苷酸cNMP是RNA酶解或碱解的中间产物,其结构式如下 3. 5-CAMP 3. 5-CGMP 2. 3-CNMP 核苷酸的性质 1、一般性状核苷酸为无色粉末或结晶。易溶于水,不溶于有机溶剂。核苷酸溶液具有旋光性, 因为戊糖含有不对称碳原子 2、紫外吸收由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键,所以碱基、核苷及核苷酸在240~290nm波段 有一强烈的吸收峰,其最大吸收值在260nm附近,不同的核苷酸有不同的吸收光谱特性。因此,可以 用紫外分光光度计定性地鉴定核苷酸及定量地测定核苷酸
N N N N NH2 O OH OH H H H H ppGpp O O P CH2 O O O P ~ O O O P~ O O γ β α AMP ADP ATP _ _ _ _ O OH H H H H O O P CH2 O OH HO P O OH G O O HO P O OH HO P O 5' 3' 2' ATP 含有两个高能磷酸酯键(~P)，在细胞能量代谢中起能量载体的作用。细胞内的多磷酸核苷酸常 与镁离子形成复合物而存在。ATP 中的β，γ磷酸残基，在 1 mol/L HCl 中，100℃，水解 7min，即可脱 落下来，而α-磷酸残基则要稳定得多，利用这一特性可以分别测定 ATP 和 ADP 中不稳定磷之含量。GTP， CTP 及 UTP 在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但远没有 ATP 来得普遍。UDP 在多糖合成中可 作为携带葡萄糖的载体。CDP 在磷脂的合成中作为载体起携带胆碱的作用。此外，各种三磷酸核糖核苷 及三磷酸脱氧核糖核苷是合成 RNA 与 DNA 的前体。 鸟嘌呤核苷四磷酸酯(ppGpp)(右上图)及五磷酸酯(pppGpp)则在代谢的调节控制中具有重要作用。 在大肠杆菌中，它们参与 rRNA 合成的控制。 (五)环化核苷酸 重要的有 3′,5′-环化腺苷酸(cAMP)及 3′,5′-环化鸟苷酸(cGMP)。它们普遍存在于动、植物及微生物 细胞中，含量极微，但具有极重要的生理功能。细胞内环化 AMP 的合成按下列途径进行： ATP 5'-AMP －PPi cAMP磷酸二酯酶 cAMP 腺苷酸环化酶 所以细胞内 cAMP 的浓度取决于这两种酶活力的高低，cAMP 及 cGMP 分别具有放大激素作用信号 及缩小激素作用信号的功能，称为细胞内二级信使。cAMP 也参与大肠杆菌中 DNA 转录的调控。此外， 2′,3′-环化核糖核苷酸 cNMP 是 RNA 酶解或碱解的中间产物，其结构式如下: 3',5'-cAMP 3',5'-cGMP 2',3'-cNMP O P O O A OH H O OH 5' H O P O O G OH H O OH 5' H HO O O N O H 5' H P 2' O OH H 二、核苷酸的性质 1、一般性状 核苷酸为无色粉末或结晶。易溶于水，不溶于有机溶剂。核苷酸溶液具有旋光性， 因为戊糖含有不对称碳原子。 62 2、紫外吸收 由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，所以碱基、核苷及核苷酸在 240~290nm 波段 有一强烈的吸收峰，其最大吸收值在 260 nm 附近，不同的核苷酸有不同的吸收光谱特性。因此，可以 用紫外分光光度计定性地鉴定核苷酸及定量地测定核苷酸
3、核苷酸的互变异构作用碱基上带有酮基的核苷酸能发生烯醇式转化。在溶液中,酮式与烯醇 式两种互变异构体常同时存在,并处于一定的平衡状态,在体内核酸结构中核苷酸以酮式结构为主要存 在形式。 H2 NH, (烯醇式) (烯醇式) 尿嘧啶 胞嘧啶 HN HO H H H2NN N (酮式 (烯醇式) (烯醇式 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 碱基之间可形成氢键的能力,对核酸的生物学功能具有决定性意义。碱基上的重要官能团都能参与 氢键的形成,这些官能团有:腺嘌呤、鸟嘌呤及胞嘧啶上的一NH2;腺嘌呤、鸟嘌呤环1位上的亚氨基 ≡NH;嘧啶碱3位上的亚氨基:胞嘧啶2位上、胸腺嘧啶及尿嘧啶4位上及鸟嘌呤6位上电负性很强 的氧原子。由于酮式与烯醇式碱基在形成氢键的能力上有一定的差异,所以当DNA复制时碱基发生互变 异构作用,就可能引起突变。 碱基、核苷及核苷酸的解离由于嘧啶和嘌呤化合物杂环中的氮以及各种取代基具有结合和释 放质子的能力,所以这些物质既有碱性解离又有酸性解离的性质。戊糖的存在,使碱基的酸性解离特性 增强,磷酸的存在,则使核苷酸具有较强的酸性。应用离子交换柱层析和电泳等方法分级分离核苷酸及 其衍生物,主要是利用它们在一定条件下具有不同的解离特性这一事实。核苷酸为兼性离子,所以,核 苷酸等电点(p)可以按下式计算 三、核苷酸类物质的制备及应用 1、核苷酸类物质的制备以核酸为原料,以酸、碱或特异的酶降解可以得到各种碱基、核苷或核 苷酸。 用酸水解核酸,可以直接得到碱基,这是因为核酸中的糖苷键对酸不稳定。一般说来,脱氧核糖的 N-糖苷键较核糖的N-糖苷键易被酸水解;而嘌呤碱的糖苷键又较嘧啶碱的糖苷键易被酸水解。因此 在常温下用稀盐酸处理DNA,即可释放出腺嘌呤和鸟嘌呤,而要从RNA中水解下胞嘧啶和尿嘧啶,则 必须在较高温度下用浓酸作用。但是在此条件下胞嘧啶脱去氨基。 用碱降解RNA可产生2′-,3′-核糖核苷酸的混合物。如果进一步水解则产生核苷。RNA降解成核苷 的方法是用氢氧化镧,在碱性pH下加热,可以得到腺苷、鸟苷、胞苷及尿苷 在温和的条件下(如常温下0.3~-1mol/L氢氧化钠)用碱降解RNA时,要经过一个2,3′-环式核苷酸 的中间阶段,而后生成2′-及3′-核苷酸。DNA无2′-羟基,不能形成环式中间物,所以DNA抗碱。常用 的碱解条件如表3-3。 如果要制备5′-核苷酸,最常用的办法是酶解,如桔青霉的磷酸二酯酶可使核酸降解成5-核苷酸。 脾磷酸二酯酶可使核酸降解成3-核苷酸 2、核苷酸类物质的分离核酸经降解后所得的产物必须经过分离才能得到纯的制品,分离方法中最
3、核苷酸的互变异构作用 碱基上带有酮基的核苷酸能发生烯醇式转化。在溶液中，酮式与烯醇 式两种互变异构体常同时存在，并处于一定的平衡状态，在体内核酸结构中核苷酸以酮式结构为主要存 在形式。 N N H NH2 O HN N H O O HN N H O O CH3 (酮式) (酮式) (酮式) N N OH HO (烯醇式) 尿嘧啶 N N NH2 HO (烯醇式) 胞嘧啶 胸腺嘧啶 N N OH HO (烯醇式) CH3 H2N HN N N H N 鸟嘌呤 O H2N N N N H N OH (酮式) (烯醇式) 碱基之间可形成氢键的能力，对核酸的生物学功能具有决定性意义。碱基上的重要官能团都能参与 氢键的形成，这些官能团有：腺嘌呤、鸟嘌呤及胞嘧啶上的—NH2；腺嘌呤、鸟嘌呤环 1 位上的亚氨基 ＝NH；嘧啶碱 3 位上的亚氨基；胞嘧啶 2 位上、胸腺嘧啶及尿嘧啶 4 位上及鸟嘌呤 6 位上电负性很强 的氧原子。由于酮式与烯醇式碱基在形成氢键的能力上有一定的差异，所以当DNA复制时碱基发生互变 异构作用，就可能引起突变。 4、碱基、核苷及核苷酸的解离 由于嘧啶和嘌呤化合物杂环中的氮以及各种取代基具有结合和释 放质子的能力，所以这些物质既有碱性解离又有酸性解离的性质。戊糖的存在，使碱基的酸性解离特性 增强，磷酸的存在，则使核苷酸具有较强的酸性。应用离子交换柱层析和电泳等方法分级分离核苷酸及 其衍生物，主要是利用它们在一定条件下具有不同的解离特性这一事实。核苷酸为兼性离子，所以，核 苷酸等电点(pI)可以按下式计算； 2 ' 2 ' 1 pk pk pI ＋ ＝ 三、核苷酸类物质的制备及应用 1、核苷酸类物质的制备 以核酸为原料，以酸、碱或特异的酶降解可以得到各种碱基、核苷或核 苷酸。 用酸水解核酸，可以直接得到碱基，这是因为核酸中的糖苷键对酸不稳定。一般说来，脱氧核糖的 N-糖苷键较核糖的 N-糖苷键易被酸水解；而嘌呤碱的糖苷键又较嘧啶碱的糖苷键易被酸水解。因此， 在常温下用稀盐酸处理 DNA，即可释放出腺嘌呤和鸟嘌呤，而要从 RNA 中水解下胞嘧啶和尿嘧啶，则 必须在较高温度下用浓酸作用。但是在此条件下胞嘧啶脱去氨基。 用碱降解RNA可产生 2′-，3′-核糖核苷酸的混合物。如果进一步水解则产生核苷。RNA降解成核苷 的方法是用氢氧化镧，在碱性pH下加热，可以得到腺苷、鸟苷、胞苷及尿苷。 在温和的条件下(如常温下 0.3~1 mol/L 氢氧化钠)用碱降解 RNA 时，要经过一个 2′,3′-环式核苷酸 的中间阶段，而后生成 2′-及 3′-核苷酸。DNA 无 2′-羟基，不能形成环式中间物，所以 DNA 抗碱。常用 的碱解条件如表 3-3。 如果要制备 5′-核苷酸，最常用的办法是酶解，如桔青霉的磷酸二酯酶可使核酸降解成 5′-核苷酸。 牛脾磷酸二酯酶可使核酸降解成 3′-核苷酸。 63 2、核苷酸类物质的分离 核酸经降解后所得的产物必须经过分离才能得到纯的制品，分离方法中最
常用的有三种:(1)纸层析,特别适用于分离小量的嘌呤和嘧啶碱;(2)纸电泳,用于分离少量的核苷酸 表3-3常用的碱降解条件 试剂温度(t℃)时间 I mol/L KOH 0. 05mol/L 60min 100 40min 0.3 mol/L 37 16h 10%哌啶 100 90min KOH 0.1 mol/L KOH 100 20min 1%哌啶 100 (3)离子交换柱层析,可以用于较大量的碱基、核苷或核苷酸的制备,生产上常采用这种方法。 此外,各种薄层层析可用于核苷酸类物质的极微量而又快速的分离 如果要制备5′-核苷酸,最常用的办法是酶解,如桔青霉的磷酸二酯酶可使核酸降解成5-核苷酸。 牛脾磷酸二酯酶可使核酸降解成3′-核苷酸 2、核苷酸类物质的分离核酸经降解后所得的产物必须经过分离才能得到纯的制品,分离方法中最 常用的有三种:(1)纸层析,特别适用于分离小量的嘌呤和嘧啶碱;(2)纸电泳,用于分离少量的核苷酸 (3)离子交换柱层析,可以用于较大量的碱基、核苷或核苷酸的制备,生产上常采用这种方法。 此外,各种薄层层析可用于核苷酸类物质的极微量而又快速的分离。 3、核苷酸类物质的应用肌苷酸与鸟苷酸是强力助鲜剂,它与谷氨酸钠(味精)按1:10~20比例混 合后,可使味精的鲜味增加几十倍到一百多倍 ATP,GTP类物质有改善机体代谢的功能。5′-核苷酸有促进骨髓机能使白血球升高的作用。混合核 苷酸用于输液,有促进病人康复的作用,5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤、胞嘧啶阿拉伯糖苷等核苷酸类似物 具有抗癌作用。5-碘脱氧尿苷有治疗病毒性角膜炎的作用。多聚肌苷酸∶多聚胞苷酸[简称Poly(∴C) 是干扰素的诱导剂,有抗病毒的作用 第二节脱氧核糖核酸(DNA) 、DNA的碱基组成 DNA由四种主要的碱基即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶组成,此外,也还含有少量稀有碱基 各种生物的DNA的碱基组成具有如下规律: 1)所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量ωmo)相等,即λ=T;鸟嘌呤与胞嘧啶(包括5-甲基胞嘧啶) 的含量(mol)相等,即G=C。因此,嘌呤的总数等于嘧啶的总数,即A+G=C+T (2)DNA的碱基组成具有种的特异性,即不同生物种的DNA具有自己独特的碱基组成 (3)DNA的碱基组成没有组织的特异性,没有器官的特异性,即同一生物体的各种不同器官,不同 组织的DNA具有相同的碱基组成 (4)年龄、营养状态、环境的改变不影响DNA的碱基组成 所有DNA中A=T,G=C这一规律的发现,为DNA双螺旋结构模型的建立提供了重要根据。DNA 只有种的特异性而无组织特异性,而且环境因素不影响DNA的碱基组成,这些特性使DNA可以用作 生物分类的指标 二、DNA的一级结构 核酸的一级结构指组成核酸的诸核苷酸之间连键的性质,以及核苷酸排列的顺序。核酸的空间结构 指多核苷酸链内或链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。核酸的空间结构可以分为二级结构与三级结 构
64 常用的有三种：(1)纸层析，特别适用于分离小量的嘌呤和嘧啶碱；(2)纸电泳，用于分离少量的核苷酸； 表 3-3 常用的碱降解条件 试 剂 温 度(t℃) 时 间 试 剂 温 度(t℃) 时 间 1 mol/L KOH 80 60min 0.05mol/L KOH 100 40min 0.3 mol/L KOH 37 16h 10%哌啶 100 90min 0.1 mol/L KOH 100 20min 1%哌啶 100 5h (3)离子交换柱层析，可以用于较大量的碱基、核苷或核苷酸的制备，生产上常采用这种方法。 此外，各种薄层层析可用于核苷酸类物质的极微量而又快速的分离。 如果要制备 5′-核苷酸，最常用的办法是酶解，如桔青霉的磷酸二酯酶可使核酸降解成 5′-核苷酸。 牛脾磷酸二酯酶可使核酸降解成 3′-核苷酸。 2、核苷酸类物质的分离 核酸经降解后所得的产物必须经过分离才能得到纯的制品，分离方法中最 常用的有三种：(1)纸层析，特别适用于分离小量的嘌呤和嘧啶碱；(2)纸电泳，用于分离少量的核苷酸； (3)离子交换柱层析，可以用于较大量的碱基、核苷或核苷酸的制备，生产上常采用这种方法。 此外，各种薄层层析可用于核苷酸类物质的极微量而又快速的分离。 3、核苷酸类物质的应用 肌苷酸与鸟苷酸是强力助鲜剂，它与谷氨酸钠(味精)按 1∶10~20 比例混 合后，可使味精的鲜味增加几十倍到一百多倍。 ATP，GTP 类物质有改善机体代谢的功能。5′-核苷酸有促进骨髓机能使白血球升高的作用。混合核 苷酸用于输液，有促进病人康复的作用，5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤、胞嘧啶阿拉伯糖苷等核苷酸类似物 具有抗癌作用。5-碘脱氧尿苷有治疗病毒性角膜炎的作用。多聚肌苷酸∶多聚胞苷酸[简称 Poly(I∶C)] 是干扰素的诱导剂，有抗病毒的作用。 第二节 脱氧核糖核酸(DNA) 一、DNA 的碱基组成 DNA 由四种主要的碱基即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶组成，此外，也还含有少量稀有碱基。 各种生物的 DNA 的碱基组成具有如下规律： (1)所有 DNA 中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量(mol)相等，即 A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶(包括 5-甲基胞嘧啶) 的含量(mol)相等，即 G=C。因此，嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T。 (2)DNA 的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的 DNA 具有自己独特的碱基组成。 (3)DNA 的碱基组成没有组织的特异性，没有器官的特异性，即同一生物体的各种不同器官，不同 组织的 DNA 具有相同的碱基组成。 (4)年龄、营养状态、环境的改变不影响 DNA 的碱基组成。 所有 DNA 中 A=T，G=C 这一规律的发现，为 DNA 双螺旋结构模型的建立提供了重要根据。DNA 只有种的特异性而无组织特异性，而且环境因素不影响 DNA 的碱基组成，这些特性使 DNA 可以用作 生物分类的指标。 二、DNA 的一级结构 核酸的一级结构指组成核酸的诸核苷酸之间连键的性质，以及核苷酸排列的顺序。核酸的空间结构 指多核苷酸链内或链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。核酸的空间结构可以分为二级结构与三级结 构
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35-磷酸二酯键彼此连接起来的 直线形或环形分子。由于脱氧戊糖中C-2上不含羟基,C-1′与碱基相连,所以唯一可能的是形成3,5 磷酸二酯键。所以,DNA没有侧链 基因:是染色体上的具有特定功能的一段DNA序列,是一种相对独立的遗传信息基本单位,它编 码蛋白质、tRNA或rRNA分子,或者调节这样一段序列的转录。 基因组:是一种生物结构建成和生命活动所需遗传信息的总和,即生物体的全套DNA序列。这些 信息编码在细胞内的DNA分子中。对真核生物例如人类来说,细胞核内全部染色体分子的总和就是它 们的基因组。 基因芯片 Gene chip)又称DNA芯片、DNA微阵列( DNA microarray),是将大量的DNA片段按 预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片、玻片上,并以此为探针,在一定的条件下,与样品中待测 的靶基因片段杂交,通过检测杂交后的信号,实现对靶基因信息的快速检测。基因芯片可以分为很多种 类,常见并广泛应用的有cDNA微点阵和寡核苷酸原位合成两种。 三、DNA的二级结构 Ⅰ、B-DNA的结枃一双螺旋结枃 Watson和 Crick两人于1953年提岀了DNA分子双螺旋结构模型 (图3-1)。认为在相对湿度为92%时结晶的B型DNA钠盐是由两条反向平行的多核苷酸链,围绕同一个 肀心轴构成的双螺旋结构。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间的磷酸二酯键的走向。习惯上以C3’→Cs 为正向。两条链都是右手螺旋。链之间的螺旋形凹槽,一条较浅,宽度为0.6nm,深度为0.75nm;另 条较深,宽度为12nm,深度为0.85nm。嘌呤和嘧啶碱基层叠于螺旋内侧,碱基平面与纵轴相垂直,碱 基之间的堆集距离为0.34rm。磷酸基与脱氧核糖在外侧,彼此之间通过磷酸二酯键相连接,形成DNA 的骨架。糖环平面与纵轴平行,双螺旋的直径为2nm。顺轴方向,每隔0.34nm有一个核苷酸,两个核 苷酸间的夹角为36°,因此,沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸,每隔34nm重复出现同一结构。两条 核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。碱基之间形成氢键,A与T相结合,其间 形成两个氢键;G与C相结合,其间形成三个氢键。所以G、C之间的连接更为稳定一些。这种碱基之间 互相匹配的情形称为碱基互补。因此,当一条核苷酸链的碱基序列确定以后,即可推知另一条互补核苷 酸链的碱基序列。DNA复制、转录、反转录的分子基础都是碱基互补。 H C (c) 图3-1(a)DNA分子的定向;(b)碱基配对;(c)双螺旋结构模型(单位nm
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′-磷酸二酯键彼此连接起来的 直线形或环形分子。由于脱氧戊糖中 C-2′上不含羟基，C-1′与碱基相连，所以唯一可能的是形成 3′,5′- 磷酸二酯键。所以，DNA 没有侧链。 基因：是染色体上的具有特定功能的一段 DNA 序列，是一种相对独立的遗传信息基本单位，它编 码蛋白质、tRNA 或 rRNA 分子，或者调节这样一段序列的转录。 基因组：是一种生物结构建成和生命活动所需遗传信息的总和，即生物体的全套 DNA 序列。这些 信息编码在细胞内的 DNA 分子中。对真核生物例如人类来说，细胞核内全部染色体分子的总和就是它 们的基因组。 基因芯片(Gene chip) 又称 DNA 芯片、DNA 微阵列(DNA microarray)，是将大量的 DNA 片段按 预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片、玻片上，并以此为探针，在一定的条件下，与样品中待测 的靶基因片段杂交，通过检测杂交后的信号，实现对靶基因信息的快速检测。基因芯片可以分为很多种 类，常见并广泛应用的有 cDNA 微点阵和寡核苷酸原位合成两种。 三、DNA 的二级结构 1、B-DNA的结构—双螺旋结构 Watson 和Crick 两人于 1953 年提出了DNA分子双螺旋结构模型 (图 3-1)。认为在相对湿度为 92%时结晶的B型DNA钠盐是由两条反向平行的多核苷酸链，围绕同一个 中心轴构成的双螺旋结构。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间的磷酸二酯键的走向。习惯上以C3′→ C5′ 为正向。两条链都是右手螺旋。链之间的螺旋形凹槽，一条较浅，宽度为 0.6nm，深度为 0.75nm；另一 条较深，宽度为 1.2nm，深度为 0.85nm。嘌呤和嘧啶碱基层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴相垂直，碱 基之间的堆集距离为 0.34nm。磷酸基与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键相连接，形成DNA 的骨架。糖环平面与纵轴平行，双螺旋的直径为 2nm。顺轴方向，每隔 0.34nm 有一个核苷酸，两个核 苷酸间的夹角为 36°，因此，沿中心轴每旋转一周有 10 个核苷酸，每隔 3.4nm重复出现同一结构。两条 核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。碱基之间形成氢键，A与T 相结合，其间 形成两个氢键；G与C相结合，其间形成三个氢键。所以G、C之间的连接更为稳定一些。这种碱基之间 互相匹配的情形称为碱基互补。因此，当一条核苷酸链的碱基序列确定以后，即可推知另一条互补核苷 酸链的碱基序列。DNA复制、转录、反转录的分子基础都是碱基互补。 65 S A T S P S C S P S S P T A S P P P C S P A T P P P C P P P C P N N N N N O N O H H N H C H H H H H H T C A N N N N N O N N H N O H H H H H H 图3-1 (a)DNA分子的定向；(b)碱基配对；(c)双螺旋结构模型（单位nm） H G 0.34 1.0 3.4 G G G (a) 50。 51。 G (b) 52。 54。 (c) 1' 2' 3' 4' 5' 1 2 3 4 5
Watson和 Crick的模型所提供的是DNA结构的平均特征。后来对DNA晶体所作的X光衍射分析 才提供了更为精确的信息(表3-4)。 按照上述模型,双螺旋结构对链上核苷酸排列顺序并无任何限制,因此大分子DNA中核苷酸排列 的方式是千变万化的。但是每一种生物的DNA都具有自己特异的核苷酸序列。 维持DNA双螺旋结构的作用力DNA双螺旋结构是很稳定的。主要有三种力量使DNA的双螺旋结 构维持稳定。一是互补碱基对之间的氢键,它在使四种碱基形成特异的配对上虽然是十分重要的,但并 不是使DNA结构稳定的主要力量,因为氢键的能量是十分小的,而且氢键的断裂往往是协同进行的,在 定条件下只要DNA分子中有少数氢键断裂,其余氢健也几乎同时发生断裂,而实际上DNA并非如此。 其次,游离的碱基(或核苷)即使在很高的浓度下也不会由于形成氢键而发生碱基配对。DNA分子中碱基 的堆集可以使碱基缔合,所以使DNA结构稳定的第二种力,也是主要的力,是碱基堆集力。碱基堆集力 是由于芳香族碱基的π电子之间相互作用而引起的,DNA分子中碱基层层堆集,在DNA分子内部形成 了一个疏水核心,核心内几乎没有游离的水分子,所以使互补的碱基之间形成氢键。第三种使DNA分子 稳定的力是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。由于DNA在生理pH值条件下带 有大量负电荷,要是没有阳离子(或带正电荷的多聚胺、组蛋白)与它形成离子键,DNA链由于自身不同 部位之间的斥力也是不稳定的。与DNA结合的离子如Nat,K,Mg2,Mn2,在细胞内是大量存在的。 此外,原核细胞的DNA常与精胺及亚精胺结合,真核细胞DNA则与组蛋白相结合。 DNA双螺旋二级结构是很稳定的,但不是绝对的。实验证明,即使在室温中,处于溶液中的DNA 分子内也有一部分氢键被打开,而且打开的部位处于不断的变化之中。此外,碱基对氢键上的质子也不 断地与介质中的质子发生交换。所有这些现象都说明DNA的结构处于不停的动态运动之中。 以上叙述的是B型DNA的结构。溶液中及细胞内的天然状态的DNA几乎都是B型的。 2、A-DNA分子的结构在相对湿度为75%以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析资料表明,这 种DNA纤维具有不同于BDNA的结构特点,称为A-DNA。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成 的双螺旋,也为右手螺旋,但是螺体较宽而浅,碱基对与中心轴之倾角也不同,呈现19°。RNA分子的 双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构 3、Z-DNA分子的结构A.Rich在研究 CGCGCG寡聚体的结构时,发现了自然界中存在的不同于 A-DNA和B-DNA的另一类DNA。在 CGCGCG晶体中,磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈Z字形, 所以称这类DNA为ZDNA。Z-DNA呈左手双螺旋结构,只有一条大沟,而无小沟。 天然B-DNA的局部区域可以出现ZDNA结构,说明B-DNA与ZDNA之间是可以互相转变的。 表3-4中比较了A-,B-,Z-DNA的一些主要特性。 四、DNA的三级结构 在双螺旋结构(二级结构)的基础上,DNA还可以形成三级结构:双链环型ωDNA)的超螺旋和开环 型。双链环型DNA可以以超螺旋型与开环型两种不同的形式存在(图3-2)。它们的物理性质,化学性质 及生物化学性质很不相同。当双链环型DNA因某种原因而使它的二级结构上每匝螺旋的碱基数目发生 表3-4A-,B-和zDNA的特性比较 旋类 适中 细长 每对碱基之距离 0.23nm 0.3nm 螺旋直径 2.37nm 1.84nm 螺旋方向 右手 右手 左手 糖苷键构型 反式 反式 C、T反式,G顺式 每匝螺旋碱基对数目 2.46nm 3.32nm 4.56nm 碱基对与中心轴之倾角 19°
Watson 和 Crick 的模型所提供的是 DNA 结构的平均特征。后来对 DNA 晶体所作的 X-光衍射分析 才提供了更为精确的信息(表 3-4)。 按照上述模型，双螺旋结构对链上核苷酸排列顺序并无任何限制，因此大分子 DNA 中核苷酸排列 的方式是千变万化的。但是每一种生物的 DNA 都具有自己特异的核苷酸序列。 维持DNA双螺旋结构的作用力 DNA双螺旋结构是很稳定的。主要有三种力量使DNA的双螺旋结 构维持稳定。一是互补碱基对之间的氢键，它在使四种碱基形成特异的配对上虽然是十分重要的，但并 不是使DNA结构稳定的主要力量，因为氢键的能量是十分小的，而且氢键的断裂往往是协同进行的，在 一定条件下只要DNA分子中有少数氢键断裂，其余氢健也几乎同时发生断裂，而实际上DNA并非如此。 其次，游离的碱基(或核苷)即使在很高的浓度下也不会由于形成氢键而发生碱基配对。DNA分子中碱基 的堆集可以使碱基缔合，所以使DNA结构稳定的第二种力，也是主要的力，是碱基堆集力。碱基堆集力 是由于芳香族碱基的π 电子之间相互作用而引起的，DNA分子中碱基层层堆集，在DNA分子内部形成 了一个疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，所以使互补的碱基之间形成氢键。第三种使DNA分子 稳定的力是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。由于DNA在生理pH值条件下带 有大量负电荷，要是没有阳离子(或带正电荷的多聚胺、组蛋白)与它形成离子键，DNA链由于自身不同 部位之间的斥力也是不稳定的。与DNA结合的离子如Na+ ，K+ ，Mg2+，Mn2+，在细胞内是大量存在的。 此外，原核细胞的DNA常与精胺及亚精胺结合，真核细胞DNA则与组蛋白相结合。 DNA 双螺旋二级结构是很稳定的，但不是绝对的。实验证明，即使在室温中，处于溶液中的 DNA 分子内也有一部分氢键被打开，而且打开的部位处于不断的变化之中。此外，碱基对氢键上的质子也不 断地与介质中的质子发生交换。所有这些现象都说明 DNA 的结构处于不停的动态运动之中。 以上叙述的是 B-型 DNA 的结构。溶液中及细胞内的天然状态的 DNA 几乎都是 B-型的。 2、A-DNA 分子的结构 在相对湿度为 75%以下所获得的 DNA 纤维的 X-光衍射分析资料表明，这 种 DNA 纤维具有不同于 B-DNA 的结构特点，称为 A-DNA。A-DNA 也是由反向的两条多核苷酸链组成 的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而浅，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈现 19°。RNA 分子的 双螺旋区以及 RNA-DNA 杂交双链也具有与 A-DNA 相似的结构。 3、Z-DNA 分子的结构 A. Rich 在研究 CGCGCG 寡聚体的结构时，发现了自然界中存在的不同于 A-DNA 和 B-DNA 的另一类 DNA。在 CGCGCG 晶体中，磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈 Z 字形， 所以称这类 DNA 为 Z-DNA。Z-DNA 呈左手双螺旋结构，只有一条大沟，而无小沟。 天然 B-DNA 的局部区域可以出现 Z-DNA 结构，说明 B-DNA 与 Z-DNA 之间是可以互相转变的。 表 3-4 中比较了 A-，B-，Z-DNA 的一些主要特性。 四、DNA 的三级结构 在双螺旋结构(二级结构)的基础上，DNA 还可以形成三级结构：双链环型(DNA)的超螺旋和开环 型。双链环型 DNA 可以以超螺旋型与开环型两种不同的形式存在(图 3-2)。它们的物理性质，化学性质 及生物化学性质很不相同。当双链环型 DNA 因某种原因而使它的二级结构上每匝螺旋的碱基数目发生 表 3-4 A-,B-和 z-DNA 的特性比较 A B Z 外 形 每对碱基之距离 螺旋直径 螺旋方向 糖苷键构型 每匝螺旋碱基对数目 螺 旋 碱基对与中心轴之倾角 大 沟 小 沟 粗 短 0.23nm 2.55nm 右 手 反 式 11 2.46nm 19° 狭、很深 很宽、浅 适 中 0.3nm 2.37nm 右 手 反 式 10.4 3.32nm 1° 宽，深 窄，很深 细 长 0.38nm 1.84nm 左 手 C、T 反式，G 顺式 12 4.56nm 9° 平坦 很窄，深 项 目 旋 类 型 螺 66
改变时,由于分子力学上的原因,使DNA分子进一步捻成超螺旋型。 超螺旋型DNA具有更为紧密的结构,更高的浮力密度,更高的熔点和更大的S值。当超螺旋型DNA 的一条链上出现一个缺口时,超螺旋结构就被松开,而形成开环型结构。 (c) Q 噬菌体 PM,DNA 图3-2DNA三级结构模式图 (a)直线型双螺旋结构:(b)开环结构:(c)共价闭环超螺旋型结构」 第三节核糖核酸(RNA) 、RNA的类型 不论是动物、植物还是微生物细胞内都含有三种主要的RNA,即核糖体RNA(rRNA),转运 RNA(tRNA),信使RNA(mRNA)。 1、rRNA约占全部RNA的30%左右,是构成核糖体的骨架,大肠杆菌核糖体中的rRNA有三类 5 S TrNA,16SRNA,23 SrRNA。这些不同的rRNA的核苷酸排列顺序是不同的,它们能与细菌染色体 DNA的不同部位杂交。动物细胞核糖体中的rRNA有三类;5 SIRNA,18SRNA,28 SrRNA及58SRNA。 2、tRNA占全部RNA的16%,tRNA的生物功能是在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。细胞 内tRNA的种类很多,估计有50多种。每一种氨基酸都有与其相对应的一种或几种tRNA 3、mRNA它的碱基组成与DNA的十分相当。所以有时把它叫作DRNA。mRNA在代谢上很不 稳定,是合成蛋白质的模板,每种多肽链都由一种特定的mRNA负责编码。所以细胞内mRNA的种类 是很多的,但每一种mRNA的数量却极少 除了这三类主要的RNA以外,细胞内还有一些其它类型的RNA,如核内小分子RNA等 RNA的碱基组成 RNA中所含的四种基本碱基是:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外还有几十种稀有碱基 RNA的碱基组成,不像DNA那样具有严格的A=T,G=C的规律。 tRNA的碱基组成中,腺嘌呤的含量近似于尿嘧啶的含量,鸟嘌呤的含量近似于胞嘧啶的含量。这 与RNA结构中双螺旋结构所占比例较大是一致的。 肿瘤病毒RNA是双链结构,其碱基组成有严格的A=U,G=C的关系 RNA的结构 RNA的一级结构为直线形多聚核苷酸,相对分子质量的差别极大。组成RNA的诸核苷酸之间的连 键也为3′5-磷酸二酯键。RNA为单链分子,它通过自身回折而使得可以彼此配对的碱基(A=U,G=C) 相遇,形成氢键,同时形成双螺旋结构。不能配对的碱基区形成突环(op)被排斥在双螺旋结构之外。 根据X光衍射分析,RNA中的双螺旋区每匝有11对碱基组成,这是与DNA原双螺旋结构不同的。RNA 中双螺旋结构的稳定因素也主要是碱基堆集力,其次才是氢键。每一段双螺旋区至少需要有4-6对碱基, 才能保持稳定
改变时，由于分子力学上的原因，使 DNA 分子进一步捻成超螺旋型。 超螺旋型 DNA 具有更为紧密的结构，更高的浮力密度，更高的熔点和更大的 S 值。当超螺旋型 DNA 的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就被松开，而形成开环型结构。 (a) (b) (c) (b) (c) 噬菌体PM2DNA 图3-2 DNA三级结构模式图 (a)直线型双螺旋结构；(b)开环结构；(c)共价闭环超螺旋型结构 第三节 核糖核酸(RNA) 一、RNA 的类型 不论是动物、植物还是微生物细胞内都含有三种主要的 RNA，即核糖体 RNA(rRNA)，转运 RNA(tRNA)，信使 RNA(mRNA)。 1、rRNA 约占全部 RNA 的 30%左右，是构成核糖体的骨架，大肠杆菌核糖体中的 rRNA 有三类： 5S rRNA，16S RNA，23S rRNA。这些不同的 rRNA 的核苷酸排列顺序是不同的，它们能与细菌染色体 DNA 的不同部位杂交。动物细胞核糖体中的 rRNA 有三类；5S rRNA，18S RNA，28S rRNA 及 5.8S rRNA。 2、tRNA 占全部 RNA 的 16%，tRNA 的生物功能是在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。细胞 内 tRNA 的种类很多，估计有 50 多种。每一种氨基酸都有与其相对应的一种或几种 tRNA。 3、mRNA 它的碱基组成与 DNA 的十分相当。所以有时把它叫作 D-RNA。mRNA 在代谢上很不 稳定，是合成蛋白质的模板，每种多肽链都由一种特定的 mRNA 负责编码。所以细胞内 mRNA 的种类 是很多的，但每一种 mRNA 的数量却极少。 除了这三类主要的 RNA 以外，细胞内还有一些其它类型的 RNA，如核内小分子 RNA 等。 二、RNA 的碱基组成 RNA 中所含的四种基本碱基是：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外还有几十种稀有碱基。 RNA 的碱基组成，不像 DNA 那样具有严格的 A=T，G=C 的规律。 tRNA 的碱基组成中，腺嘌呤的含量近似于尿嘧啶的含量，鸟嘌呤的含量近似于胞嘧啶的含量。这 与 tRNA 结构中双螺旋结构所占比例较大是一致的。 肿瘤病毒 RNA 是双链结构，其碱基组成有严格的 A=U，G=C 的关系。 三、RNA 的结构 RNA 的一级结构为直线形多聚核苷酸，相对分子质量的差别极大。组成 RNA 的诸核苷酸之间的连 键也为 3′,5′-磷酸二酯键。RNA 为单链分子，它通过自身回折而使得可以彼此配对的碱基(A=U，G=C) 相遇，形成氢键，同时形成双螺旋结构。不能配对的碱基区形成突环(loop)被排斥在双螺旋结构之外。 根据 X-光衍射分析，RNA 中的双螺旋区每匝有 11 对碱基组成，这是与 DNA 原双螺旋结构不同的。RNA 中双螺旋结构的稳定因素也主要是碱基堆集力，其次才是氢键。每一段双螺旋区至少需要有 4~6 对碱基， 才能保持稳定。 67
氨基酸臂 氢尿嘧啶环 Ip C 环 额外环 反密码环 “变偶”碱基 图3-3tRNA三叶草形二级结构模型 R-嘌呤核苷酸;Y-嘧啶核苷酸:T-胸腺嘧啶核糖核苷酸; -假尿嘧啶核苷酸。带星号的表示可以被修饰的碱基,黑 的原点代表螺旋区的碱基,白的圆圈代表不互补的碱 (一)tRNA的结构 所有的tRNA,不论其来自动物、植物,还是微生物,都具有许多结构上的共同特点: (1)分子由70~90个核苷酸残基组成。沉降常数都在4S左右 (2)碱基组成中有较多的稀有碱基。 (3)3′-末端皆为…… CpCpAOH。这是从DNA上转录后在特殊的酶催化下添加上去的。 (4)二级结构都呈三叶草形。由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和TφC环等五部分组 成(图3-3) 氨基酸臂由7对碱基组成,富含鸟嘌呤,末端为一CCA。蛋白质生物合成时,氨基酸活化后 连接于这一末端的腺苷酸上。 二氢尿嘧啶环(Ⅰ)由8-12个核苷酸组成,以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)。 反密码环(Ⅱ)由8~12个核苷酸组成。环的中间是反密码子,由三个碱基组成。在遗传信息的翻 译过程中起重要作用。次黄嘌呤核苷酸[也称肌苷酸(Ⅰ)]常出现于反密码子中。 额外环(ⅢD由3~18个碱基组成。不同的tRNA,这个环的大小很不一样,所以是tRNA分类的 重要指标。 假尿嘧啶核苷一胸腺嘧啶核糖核苷环(TφC环)(I由7个核苷酸组成,通过由5对碱基组成的 双螺旋区(TφC臂)与tRNA的其余部分相连,除个别tRNA外,所有的tRNA中此环必定含有-T-C 碱基序列,所以称为TφC环。 (5)tRNA具有倒L形的三级结构(图3-4),其生物学功能与其三级结构有密切的关系。目前认为氨 酰tRNA合成酶是结合于倒L形的侧臂上的
ϕ ϕ ϕ A C OH C P C Y T C R A Y U R A A R-嘌呤核苷酸；Y-嘧啶核苷酸；T-胸腺嘧啶核糖核苷酸； -假尿嘧啶核苷酸。带星号的表示可以被修饰的碱基，黑 的原点代表螺旋区的碱基，白的圆圈代表不互补的碱基。 IV 5' 3' G T C U* Y* R* G G* 环 反密码环 反密码子 氨基酸臂 二氢尿嘧啶环 “变偶”碱基 1 III 额外环 图3-3 tRNA三叶草形二级结构模型 (一)tRNA 的结构 所有的 tRNA，不论其来自动物、植物，还是微生物，都具有许多结构上的共同特点： (1)分子由 70~90 个核苷酸残基组成。沉降常数都在 4S 左右。 (2)碱基组成中有较多的稀有碱基。 (3)3′-末端皆为……CpCpAOH。这是从 DNA 上转录后在特殊的酶催化下添加上去的。 (4)二级结构都呈三叶草形。由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和 TψC 环等五部分组 成(图 3-3)。 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， 连接于这一末端的腺苷酸上。 二氢尿嘧啶环(Ⅰ) 由 8~12 个核苷酸组成，以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)。 反密码环(Ⅱ) 由 8~12 个核苷酸组成。环的中间是反密码子，由三个碱基组成。在遗传信息的翻 译过程中起重要作用。次黄嘌呤核苷酸[也称肌苷酸(Ⅰ)]常出现于反密码子中。 额外环(Ⅲ) 由 3~18 个碱基组成。不同的 tRNA，这个环的大小很不一样，所以是 t RNA 分类的 重要指标。 假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TψC 环)(IV) 由 7 个核苷酸组成，通过由 5 对碱基组成的 双螺旋区(TψC 臂)与 tRNA 的其余部分相连，除个别 tRNA 外，所有的 tRNA 中此环必定含有-T-ψ-C- 碱基序列，所以称为 TψC 环。 (5)tRNA 具有倒 L 形的三级结构(图 3-4)，其生物学功能与其三级结构有密切的关系。目前认为氨 酰 tRNA 合成酶是结合于倒 L 形的侧臂上的。 68