1 / 23 1.4.3 第三章 核酸化学 第三章 核酸化学
学习目标 知识目标 （1）阐述核酸的元素组成、组成成分及组成单位。 （2）描述DNA、mRNA、tRNA和rRNA的结构特点。 （3）阐述核酸的变性、复性、杂交等基本概念，并列举其应用。 （4）了解核酸的性质、体内重要的游离核苷酸及其衍生物的功能。 （5）概括核酸提取的有关原理和注意事项。 能力目标 （1）至少会用一种方法完成核酸的含量测定。 （2）具备核酸类药物在使用、储存和运输中的基本技能。 核酸是生物体的基本组成物质，是重要的生物大分子，从高等的动物、植物到简单的病毒都含有核酸。核酸是遗传信息的载体。
1869年，年轻的瑞士科学家Miescher从脓细胞核中分离出一种含有C、H、O、N和P的物质，当时称为核素。因发现核素显酸性，后又改称为核酸，意即来自细胞核的酸性物质。随后，Hoppe－Seyler从酵母中分离出一种类似的物质，即现在的RNA。自那之后，核酸研究并非非常顺利。直到1909年，美国生物化学家Owen发现核酸中的糖分子是由5个碳原子组成的核糖。1930年，他又发现Miescher在绷带上发现的核酸中的糖分子比2 / 23
Hoppe－Seyler发现的“酵母核酸”中的糖分子少了1个氧原子，因此将这种糖分子称为脱氧核糖，含两种不同糖分子的核酸分别称为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。1934年，Owen将核酸水解，证明核酸的基本组成单位是核苷酸。同时，在这一时期还证明了核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸组成。20世纪50年代初，Chargaff发现DNA的嘌呤和嘧啶组成有其特殊规律。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。从此，核酸的研究经历了基因克隆、人类3×109个碱基对（base pair，bp）的基因测序，开始进入基因组学研究阶段。 1.4.3.1 第一节 核酸的化学组成 第一节 核酸的化学组成
一、核酸的元素组成 组成核酸的元素有C、H、O、N、P 5种，其中磷的含量在各种核酸中变化范围不大，平均含磷量为9%～10%。因而，可通过测定生物样品中磷的含量来计算样品中核酸含量。
二、核酸的基本组成单位——核苷酸 核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸，因此核酸的基本组成单位是核苷酸。为区别多、寡核苷酸，故将核苷酸也称为单核苷酸。核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的碱基、戊糖和磷酸。
知识链接 核苷酸的利用 3 / 23
调味料：鸟苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等核苷酸属于呈味性核苷酸，除了本身具有鲜味之外，在和左旋谷氨酸（味精）组合时，还有提高鲜味的作用，可作为调料、汤料的原料使用。
食品添加剂：母乳中含有尿苷酸（UMP）、胞苷酸（CMP）、腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等多种核苷酸，对提高婴儿的免疫调节功能和记忆力发挥着作用。在欧美等国家生产的婴儿奶粉均按照母乳中的含量添加微量核苷酸，也有添加RNA的例子。 药物：核苷酸作为药物，可抑制尿道发炎，在美国也有作为免疫调节剂给手术后的患者使用的例子。
（一）核苷酸的组成成分 1．碱基 核酸中的碱基主要有嘧啶碱（pyrimidine base）和嘌呤碱（purine base）两种。 （1）嘧啶碱：嘧啶碱是含有两个相间氮原子的六元杂环化合物。核酸中主要的嘧啶碱衍生物有三种：胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U）。
（2）嘌呤碱：嘌呤碱由嘧啶环与咪唑环合并而成。核酸中的嘌呤碱主要有两种，即腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）。 4 / 23
（3）稀有碱基：核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基（或修饰碱基）。常见的稀有嘧啶碱基有5－甲基胞嘧啶、5，6－二氢尿嘧啶等；常见的稀有嘌呤碱基有7－甲基鸟嘌呤、N6－甲基腺嘌呤等。
知识链接 20世纪90年代，人类基因工程启动，科学家每天人工测序5000对碱基。21世纪初期，自动测序仪每天可以测序10万对碱基，而现在，每天可以测序250亿对碱基。但是，目前要分析人类所有的基因仍然需要至少几周的时间。
韩国KAIST的研究人员让一个DNA通过纳米通道，每个碱基就会附着在石墨纳米带状体上几微秒。通过改变石墨导电性能的方式分离四种碱基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤。这样基因测序可以通过观察导电性变化，更快更准确地进行。预计可以在1h内分析30亿对碱基，这对于基因组测序研究而言具有重要的意义。
这项研究对于基因和生物工程领域研究意义重大，而且还能够为疑难杂症的治疗提供解决方案。这种方法还将推进基于基因信息的医疗、基因突变、遗传性疾病、个体和适应性疾病的发展，甚至推进人类进化研究的进程。
2．戊糖 核酸中所含的糖是核糖（D－ribose）和脱氧核糖（deoxy－D－ribose），均属于戊糖。戊糖都是以β－D－呋喃糖的环状形式存在。由于环状糖中的第1位碳原子（C1′）是5 / 23
不对称碳原子，所以有α－及β－两种构型。核酸中所含的戊糖均为β－型。核糖中的C2′—OH脱氧后形成脱氧核糖（2′－deoxy－D－ribose）。核糖上的碳原子序号上加“′”，是为了区别于碱基上的碳原子序号。
（二）核苷酸的分子结构 1．核苷 由一个戊糖（核糖或脱氧核糖）和一个碱基（嘌呤碱或嘧啶碱）缩合而成。 戊糖第1位碳原子（C1′）上的羟基与嘌呤碱第9位氮原子（N9）或嘧啶碱第1位氮原子（N1）上的氢缩合脱水形成糖苷键。核糖与碱基通过糖苷键连成核糖核苷，脱氧核糖与碱基通过糖苷键连成脱氧核糖核苷。
2．核苷酸 核苷酸由磷酸与一分子核苷通过磷酸酯键连成。 核苷中戊糖的羟基与磷酸作用形成磷酸酯键，核苷与磷酸通过磷酸酯键连接成的化合物即为核苷酸。核苷酸分为核糖核苷酸（nucleoside monophosphate，NMP）和脱氧核糖核6 / 23
苷酸（deoxynucleoside monophosphate，dNMP），分别由核糖核苷和脱氧核糖核苷与磷酸作用形成。体内通常由核糖核苷的戊糖C5′的自由羟基（—OH）与磷酸形成酯键，构成5′－核苷酸。
构成DNA和RNA的8种常见核苷酸的组成比较如表3－1所示。 表3－1 两类核酸的主要碱基、核苷及核苷酸组成
三、体内重要的游离核苷酸及其衍生物 1．多磷酸核苷酸 结合一个磷酸的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），因此，游离的5′－腺苷酸（AMP）和5′－脱氧腺苷酸（dAMP）分别称为腺苷一磷酸和脱氧腺苷一磷酸。结合两个和三个磷酸的，则分别称为核苷二磷酸（NDP）和脱氧核苷三磷酸（NTP），又统称为多磷酸核苷酸，结构如图3－1所示。 7 / 23
图3－1 AMP、ADP、ATP的结构示意图 核苷三磷酸（NTP和dNTP）是合成核酸（DNA和RNA）的直接原料。 2．体内重要的核苷酸衍生物 （1）环化核苷酸：细胞中普遍存在两种环化核苷酸：3′，5′－环腺苷酸（cAMP）和3′，5′－环鸟苷酸（cGMP），其结构如下：
环化核苷酸不是核酸的组成成分，在细胞中含量很少，但有重要的生理功能。现已证明，两者均可作为激素的第二信使，在细胞的代谢调节中有重要作用。
（2）辅酶类核苷酸：一些核苷酸的衍生物是重要的辅酶（辅基），如辅酶NAD＋
（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶Ⅰ）、NADP＋（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶Ⅱ）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）等。 1.4.3.2 第二节 核酸的结构与功能 第二节 核酸的结构与功能 8 / 23
核酸是生物体内重要的生物大分子化合物，参与遗传信息的储存、转录和表达。这些生物学功能都与其复杂的化学结构密切相关。
核酸是核苷酸的多聚化合物。一个核苷酸C3′上的羟基与另一个核苷酸C5′上的磷酸缩合脱水形成3′，5′－磷酸二酯键，多个核苷酸经3′，5′－磷酸二酯键构成一条没有分支的线性大分子，称为多聚核苷酸链，3′，5′－磷酸二酯键是核酸的主键。
由核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸通过3′，5′－磷酸二酯键相连组成的多聚核苷酸链是所有RNA或DNA的共同结构。这一连接方式决定了多聚核苷酸链具有方向性，每条多聚核苷酸链上具有两个不同末端，戊糖5′磷酸基指向的一端称为5′末端，戊糖3′羟基指向的一端称为3′末端。习惯上将5′端写在左边，将3′端写在右边，即按5′→3′书写。 5′……ACTACGGUA……3′ 一、DNA的结构
（一）DNA的一级结构 多数DNA分子是由两条多聚脱氧核苷酸链构成的双链分子，两条链中脱氧核苷酸可按一定的顺序通过磷酸二酯键相连而成，从而形成了每一种DNA分子特定的核苷酸序列。DNA分子的核苷酸排列顺序，称为DNA的一级结构。
DNA分子的序列特征代表其一级结构特征，同时记录有相应的遗传信息。分析DNA分子的一级结构对阐明DNA结构与功能的关系具有重要的意义。
（二）DNA的二级结构 9 / 23
1953年，Watson和Crick根据DNA的X线衍射分析数据和碱基分析数据，提出了DNA的双螺旋结构模型（图3－2），确定了DNA的二级结构形式，大大推动了生物学的发展。
图3－2 DNA的双螺旋结构的三种结构模型 知识链接 DNA分子双螺旋结构模型的诞生 20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯（Wilkins）等用X线衍射技术对DNA结构研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构；另一方面，女物理学家富兰克林拍到一张十分清晰的DNA的X线衍射照片。1952年5月，威尔金斯向克里克（Crick）介绍了这张照片。当时克里克正与美国青年生物学家沃森（Watson）在卡文迪许实验室研究DNA结构。美国的查尔加夫（Chargaff）在脱氧核糖核酸的研究中，发现A（%）＝T（%）、G（%）＝C（%）的事实，克里克立即意识到，嘌呤碱和嘧啶碱的数目相等意味着只有一种可能，那就是他们之间互相以配对的形式存在，于是他提出了DNA中嘌呤碱与嘧啶碱的碱基配对的假设。1953年4月25日，克里克与沃森在《自然》杂志上发表了一篇短文，
