第二章核酸

第二章核酸的结构与功能Structures and Functions of Nucleic Acids核酸的发现和研究工作进展:1868年Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年Mullis发明PCR 技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架核酸（nucleic acid)：是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，担负着生命信息的储存和传递。

天然存在的核酸依据其分子中含有戊糖种类的不同分两类，一类为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)，另一类为核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)。

DNA主要分布在细胞核和线粒体内，携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。

RNA存在于细胞质中和细胞核内，负责遗传信息的表达，即直接参与体内蛋白质的合成。

病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。

There are two kinds of nucleic acids, DNA and RNA. The monomers of nucleic acids are nucleotides.第一节核酸的化学组成及一级结构The Chemical Components and Primary Structure of Nucleic Acid一、核苷酸的结构核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸，核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的含氮碱基、戊糖和磷酸。

因此，核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)，而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。

（一）、碱基(base)核苷酸的碱基主要有五种，分属于嘌呤(purine)和嘧啶(pyrimidine)两类含氮杂环化合物。

嘌呤类化合物包括腺嘌呤(adenine，A)和鸟嘌呤(guanine，G)它们既存在于DNA也存在于RNA分子中。

嘧啶类化合物有三种，DNA和RNA分子中均含有胞嘧啶(cytosine，C)，胸腺嘧啶(thymine，T)仅出现于DNA分子中，而尿嘧啶（uracil, U）仅出现于RNA分子中。

构成核酸的五种碱基成分中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质pH的影响可形成酮式或烯醇式两种互变异构体和氨基或亚氨基的互变异构体。

嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收。

这一重要的理化性质被用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基进行定性定量分析。

（二）、戊糖（ribose）构成DNA分子的核苷酸的戊糖是β-D-2-脱氧核糖，构成RNA分子的核苷酸的戊糖为β-D-核糖。

为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子标以C-1'，C-2'。

（三）、核苷戊糖的第一位碳原子（C1'）上的半缩醛羟基与嘧啶碱基上的第一位氮原子（N1）或嘌呤碱基上的第九位氮原子（N9）上的氢脱水缩合成糖苷键。

碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键相连而成核苷或脱氧核苷。

An individual nucleotide consists of three parts — a base, a sugar, and a phosphoric acid residue — all of which are covalently bonded together. The order of bases in the nucleic acids specifies the genetic code. The nucleic acid bases (also called nucleobases) are of two types, purins and pyrimidines. The common purine bases are guanine and adenine, both of which are found in both DNA and RNA. Three pyrimidine bases, cytosine, uracil, and thymine, commonly occur. Cytosine is found in both RNA and DNA. Uracil occurs only in RNA. In DNA thymine is substituted for uracil.（四）、核苷酸（nucleotide）核苷糖环上第五位碳原子(C-5')上的游离羟基能与磷酸发生酯化反应。

核苷(脱氧核苷)与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸(脱氧核苷酸)。

生物体内多数核苷酸却都是5'核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5'上。

有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸(nucleoside monophosphate，NMP)，含有两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸(nucleoside diphosphate，NDP)，含有三个磷酸基团的磷酸称为核苷三磷酸(nucleoside triphosphate，NTP)，再加上碱基名称就构成了各种核苷酸的命名。

核苷酸的其他生理功能:核苷酸在体内除构成核酸外，还参加各种物质代谢。

例如：尿苷二磷酸(UDP)参与体内糖的互变作用，而胞苷三磷酸(CTP)则在磷脂的生物合成中起重要作用。

腺苷三磷酸（ATP）是生物的直接供能物质，在细胞的能量代谢中，无论是单细胞生物或者人类，能量的释放，贮存和利用等都是以ATP为中心。

鸟苷三磷酸(GTP)是体内合成蛋白质时的供能物质。

环腺苷酸(cyclicAMP，cAMP)和环鸟苷酸(cGMP)则在细胞信号转导过程具有重要调控作用。

A nucleotide is a compound that consists of a base and a sugar covalently linked together. In RNA, the sugar is D-ribose; whereas DNA utilizes β-D-2-deoxy-D-ribose. When phosphoric acid is esterified to one of the hydroxyl groups of the sugar portion of a nucleoside, a nucleotide is formed. The polymerization of nucleotides gives rise to nucleic acids. The repeated linkage between monomers in nucleic acids is a 3’, 5’-phosphodiester bond.二、核酸的一级结构(primary structure of nucleotide)（一）、核苷酸的连接由前一核苷酸的的3'—OH与下一位核苷酸的5'位磷酸间形成3'，5'磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的线性大分子（多核苷酸链）。

连接的特点：有严格的方向性，多核苷酸链的两个末端分别称为5'末端(游离磷酸基)和3'末端(游离羟基)。

通常以5' 3' 的方向为正向。

（二）、核酸的一级结构DNA链中脱氧核苷酸（碱基）的排列顺序，称DNA的一级结构。

RNA链中核苷酸（碱基）的排列顺序，称RNA的一级结构。

DNA和RNA的一级结构是指其中核苷酸的排列顺序，称为核苷酸序列。

由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，因此也称为碱基序列(base sequence)。

核酸分子中的核糖(脱氧核糖)和磷酸共同构成其骨架结构，不参与信息的贮存和表达。

DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。

The primary structure of DNA is the sequence of bases, which carries the genetic information.第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型The secondary structure of DNA is the double helix.In a DNA double helix, the two strands of DNA are antiparallel and wound round each other with the bases on the inside and the sugar-phosphate backbones on the outside. The two DNA chains are held together by hydrogen bonds between pairs of bases.（一）、DNA双螺旋结构的研究背景20世纪40年代末至50年代初期，Erwin Chargaff等人采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基成分。

他们提出了以下有关DNA分子的碱基组成的Chargaff规则：①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等(A=T)，鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等(G=C)；②不同生物种属的DNA碱基组成不同：③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

这里已经预示着DNA分子中的碱基A与T，C与G以互补配对方式存在的可能性。

此后，Rosalind Franklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。

1953年，核酸研究取得了历史性突破。

James Watson和Francis Crick两人巧妙地综合了当时所能够得到的这些研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型，亦称为Watson-Crick结构模型。

根据这一模型阐述了DNA半保留复制的设想。

这一结构模型揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘。

Watson和Crick 因其杰出的贡献获得1962年诺贝尔化学奖，“DNA的双螺旋结构模型”揭开了现代分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的发展奠定基础。

（二）、DNA双螺旋结构模型要点1．DNA是一反向平行的互补双链结构在DNA双链结构中，亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧，而碱基位于内侧，两条链的碱基之间以氢键相结合。