沈阳农业大学：《基础生物化学》课程教学资源（教材讲义）第3章 核酸（nucleic acid）

第三章核酸 核酸(nucleicacid)是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中， “种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。核酸的组成单位 核苷酸(nucleotides)还是生物体各种生物化学成分代谢转换过程中的能量“货币”（如 ATP),而具有传递激素及其他细胞外剩激的化学信号能力的环化核苷酸（如cAMP),被 誉为生物休的第一信使，并日核持酸环是一系列酶的铺助因子和代谢中间休。因此，核酸 及其组成单位在生物的个体发育、生长、繁 、遗传 和变异等生命过程中起着重要的作月 1953年，Watson和Crick建立了DNA分子双螺旋结构模型，被认为是20世纪在自然科号 中的重大突破之一。它揭开了分子生物学研究的序幕，尤其是DNA重组技术及DNA测序 技术的出现，使生命科学成为自然科学中最为引人注目的领域。核酸的研究成果启动了分 子生物学的突破性的讲程，从此生命现象和生命过得的研究开始全面讲入分子水平 通过本章的学习， 了解核酸的基础知识，包括核酸 种类， 在细胞内的分布及其生物 学功能：核酸的化学组成、分子结构及理化性质，为以后进一步学习核酸的代谢、基因表 达调控及分子生物学技术莫定基础。 第一节概述 核酸研究已有一百多年历史。早在l868年，瑞土的一位年轻科学家F.Miescher (18441895年)从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之 高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核分 嘉出来的 当时就称它为核素 (nu Mie 离到的核素就是我们今天所指的 脱氧核糖核蛋白。直到1889年，才有人成功地分离得到不含蛋白质的这种新物质，因为 是从细胞核中分离出来的酸性物质，所以叫核酸。后来研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、 无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，但“核酸”这一名称仍然保留而沿用 至今。 核酸的生物学作用是在发即核鹃以后50多年才被证明的。1944.由节典里(O ©》等人的著名的肺炎球菌转化试 (图3 问世后，核酸是主要 传物质的地 被确立。Av©y等的实验是为了寻找导致细菌转化的原因，他从光滑型肺炎双球菌(S型 有荚膜，菌落光滑)分别提取DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型的肺炎双球菌 (R型，无荚膜，菌落粗糙)一起培养，发现只有DNA能使一部分粗糙型细菌转变成为 光滑型，并能继续繁殖，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解， 转化就不发生 这种从 供停 菌得到的DNA通过 一定途径给另一种细菌 小而博 (受体菌)的遗传特性发生改变的作用称转化作用(transformation)。转化作用的实质是 外源DNA与受体细胞基因组间的重组，使受体细胞获得新的遗传信息。实验结果表明， 是S型菌的DNA将其遗传特性传给了R型菌，DNA就是遗传物质，是遗传信息的载体， .64

-64 - 第三章 核 酸 核酸（nucleic acid）是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中， “种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。核酸的组成单位 核苷酸（nucleotides）还是生物体各种生物化学成分代谢转换过程中的能量“货币”（如 ATP），而具有传递激素及其他细胞外刺激的化学信号能力的环化核苷酸（如 cAMP），被 誉为生物体的第二信使，并且核苷酸还是一系列酶的辅助因子和代谢中间体。因此，核酸 及其组成单位在生物的个体发育、生长、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。 1953 年，Watson 和 Crick 建立了 DNA 分子双螺旋结构模型，被认为是 20 世纪在自然科学 中的重大突破之一。它揭开了分子生物学研究的序幕，尤其是 DNA 重组技术及 DNA 测序 技术的出现，使生命科学成为自然科学中最为引人注目的领域。核酸的研究成果启动了分 子生物学的突破性的进程，从此生命现象和生命过程的研究开始全面进入分子水平。 通过本章的学习，了解核酸的基础知识，包括核酸的种类，在细胞内的分布及其生物 学功能；核酸的化学组成、分子结构及理化性质，为以后进一步学习核酸的代谢、基因表 达调控及分子生物学技术奠定基础。 第一节 概 述 核酸研究已有一百多年历史。早在 1868 年，瑞土的一位年轻科学家 F．Miescher （1844~1895 年）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之 高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核分 离出来的，当时就称它为核素（nuclein）。Miescher 所分离到的核素就是我们今天所指的 脱氧核糖核蛋白。直到 1889 年，才有人成功地分离得到不含蛋白质的这种新物质，因为 是从细胞核中分离出来的酸性物质，所以叫核酸。后来研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、 无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，但“核酸”这一名称仍然保留而沿用 至今。 核酸的生物学作用是在发现核酸以后 50 多年才被证明的。1944 年，由艾弗里（O. T. Avery）等人的著名的肺炎球菌转化试验（图 3-1）问世后，核酸是主要遗传物质的地位才 被确立。Avery 等的实验是为了寻找导致细菌转化的原因，他从光滑型肺炎双球菌（S 型， 有荚膜，菌落光滑）分别提取 DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型的肺炎双球菌 （R 型，无荚膜，菌落粗糙）一起培养，发现只有 DNA 能使一部分粗糙型细菌转变成为 光滑型，并能继续繁殖，且转化率与 DNA 纯度呈正相关，若将 DNA 预先用 DNA 酶降解， 转化就不发生。这种从一个供体菌得到的 DNA 通过一定途径给另一种细菌，从而使后者 （受体菌）的遗传特性发生改变的作用称转化作用（transformation）。转化作用的实质是 外源 DNA 与受体细胞基因组间的重组，使受体细胞获得新的遗传信息。实验结果表明， 是 S 型菌的 DNA 将其遗传特性传给了 R 型菌，DNA 就是遗传物质，是遗传信息的载体

而不是蛋白质。此后，人们对遗传物质的注意力逐渐从蛋白质移到核酸上。 光电 破碎细胞 -i+☑ +( 只有粗蓝型 路2+煮 图31肺炎球菌转化作用图解 1952年，郝尔歇(A.D.Hershey)等人用同位素标记法研究T,噬菌体的感染作用 既用同位素p标记噬商体的DNA s标记蛋白质 ，然后感染大肠杆菌。结果只有 P-DNA 进入细菌细胞内，”S-蛋自质仍留在细胞外，从而进一步背定了DNA的遗传作用。 这些重要的早期实验和许多其他证据已经准确无误地说明DNA是活细胞中唯一携带 全部遗传信总的载体，而不是蛋白质。 1950年以后，Chargaff,.Markham等提出了A-T、G-C之间互补的概念。这一极其重 要的发现，为以后W On-Criek建立DNA 又螺旋结构模型提供了重要依据 1953年DNA双螺旋结构模型的提出，被认为是本世纪在自然科学中的重大突破之一。 分子生物学所取得的突飞猛进的发展与DNA双螺旋结构模型的建立是分不开的。 20世纪0年代DNA重组技术的出现，被认为是分子生物学的第二次革命。人们终 于可以按照拟定的蓝图设计出新的生物体。它改变了分子生物学的面貌，并导致一个新的 生物技术产业群的兴起 DNA重组技术的出现极大地推动了DNA和RNA的研究。其三大关健技术即DNA 切割技术、分子克隆技术和快速测序的不断成熟，使人们可以通过D八A操作改造生物机 体的性状特征、改造基因、以至改造物种。DNA研究带动RNA研究在理论上或技术上高 潮迭起，许多传统观点被打破，核酸研究成为最活跃的研究领域之一 真核DNA决大部分存在于细胞核中，而蛋白质合成则发生在细胞质内的核糖体上 因此，必定有另一类分子把遗传信息从核内带到细胞质中以指导蛋白质的合成，在20世 纪50年代初期，RNA被估计为执行这种功能的最合适的侯选分子。80年代RNA研究出 现了第二个高潮，取得了一系列生命科学研究领域最富挑战性的成果。1981年T.C©ch 发现四膜虫rRNA前体能够通过自我拼接切除内含子，表明RNA也具有催化功能，称为 核酶(ribozyme)。这是对“酶一定是蛋白质”的传统观点一次大的冲击。1983年R.Simons 65

-65 - 而不是蛋白质。此后，人们对遗传物质的注意力逐渐从蛋白质移到核酸上。 1952 年，郝尔歇（A. D. Hershey）等人用同位素标记法研究 T2 噬菌体的感染作用， 既用同位素 32 P 标记噬菌体的 DNA，35 S 标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果只有 32 P-DNA 进入细菌细胞内，35 S-蛋白质仍留在细胞外，从而进一步肯定了 DNA 的遗传作用。 这些重要的早期实验和许多其他证据已经准确无误地说明 DNA 是活细胞中唯一携带 全部遗传信息的载体，而不是蛋白质。 1950 年以后，Chargaff，Markham 等提出了 A-T、G-C 之间互补的概念。这一极其重 要的发现，为以后 Watson-Crick 建立 DNA 双螺旋结构模型提供了重要依据。 1953 年 DNA 双螺旋结构模型的提出，被认为是本世纪在自然科学中的重大突破之一。 分子生物学所取得的突飞猛进的发展与 DNA 双螺旋结构模型的建立是分不开的。 20 世纪 70 年代 DNA 重组技术的出现，被认为是分子生物学的第二次革命。人们终 于可以按照拟定的蓝图设计出新的生物体。它改变了分子生物学的面貌，并导致一个新的 生物技术产业群的兴起。 DNA 重组技术的出现极大地推动了 DNA 和 RNA 的研究。其三大关键技术即 DNA 切割技术、分子克隆技术和快速测序的不断成熟，使人们可以通过 DNA 操作改造生物机 体的性状特征、改造基因、以至改造物种。DNA 研究带动 RNA 研究在理论上或技术上高 潮迭起，许多传统观点被打破，核酸研究成为最活跃的研究领域之一。 真核 DNA 决大部分存在于细胞核中，而蛋白质合成则发生在细胞质内的核糖体上。 因此，必定有另一类分子把遗传信息从核内带到细胞质中以指导蛋白质的合成，在 20 世 纪 50 年代初期，RNA 被估计为执行这种功能的最合适的侯选分子。80 年代 RNA 研究出 现了第二个高潮，取得了一系列生命科学研究领域最富挑战性的成果。1981 年 T．Cech 发现四膜虫 rRNA 前体能够通过自我拼接切除内含子，表明 RNA 也具有催化功能，称为 核酶（ribozyme）。这是对“酶一定是蛋白质”的传统观点一次大的冲击。1983 年 R．Simons 图 3-1 肺炎球菌转化作用图解

等以及T.Mizuno等分别发现反义RNA(antisense RNA),表明RNA还具有调节功能。 1986年R.Benne等发现锥虫线粒体mRNA的序列可以发生改变，称为编辑(editing), 于是基因与其产物蛋白质的共线性关系也被打破。1986年W.Gilbert提出“RNA世界” 的假说，这对“DNA中心”的观点是一次有力的冲击。1987年R. Weiss论述了核糖体移 码，说明遗传信息的解码也是可以改变的 1990年10月美国政府决定出资30亿美元，用15年时间(19912005年)完成“人 类基因组计制”。“人类基因组计制”是生物学有史以来最后大和意义深远的一项科学工程。 完成人类基因组DNA全序列测定的意义是十分明显的，人类对自己遗传信息的认识将有 益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等诸多方面，并且对生命科学也将有极大贡献 由于技术上的突破，计划进度一再提前 全序列的测定现已基本完成。 一些低等生物的 DNA全序列也已陆续被测定。生命科学已经进入了后基因组时代(post-genome era)。 在后基因组时代，科学家们的研究重心已从揭示基因组DNA的序列转移到在整体水 平上对基因组功能的研究。这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学 Cs)的新学科 随若自然科学的发展，核酸的研究越来越成为生物科学的核 子生物学和分子遗传学乃至整个生命科学研究的发展。在此基础上发展起来的核酸操作技 术正在逐步地打开控制不同生物性状的生命之迷，同时，核酸的研究也使生物技术产业获 得了空前规模的发展。据统计，信息技术对世界经济的贡献比率达到18%，而生物技术对 世界经济的推动作用将不亚于信息技术。 第二节核酸的种类与分布 一、分类 核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid,. RNA)两大类。所有生物细胞都含有这两类核酸。它们是各种有机体遗传信息的载体。生 物体中的各种蛋白质，以及每种细胞的组成都是细胞 中核酸序列编码的信息 每种蛋 白质的氨基酸顺序和RNA的核苷酸顺序都是由细胞中的DNA的核苷酸顺序决定的。含有 合成一个功能性生物分子（蛋白质或RNA)所需信总的DNA片段可以看成是一个基因 (gee),一个最简单的细胞也有成千上万个基因，因此DNA分子是极大的。至今人们知 道的DNA的功能是贮存生物信息。 DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在细胞质中。 但是对于病毒来说，要么只含DNA,要么只含RNA。还没有发现既含DNA又含RNA的 病毒。 核酸是由碱基、戊糖、磷酸组成的，按其所含的戊糖种类的不同分为两大类： 核糖核酸(ribonucleic acid即RNA):戊糖为核糖 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid即DNA):戊糖为脱氧核糖 .66

-66 - 等以及 T．Mizuno 等分别发现反义 RNA（antisense RNA），表明 RNA 还具有调节功能。 1986 年 R．Benne 等发现锥虫线粒体 mRNA 的序列可以发生改变，称为编辑（editing）， 于是基因与其产物蛋白质的共线性关系也被打破。1986 年 W．Gilbert 提出“RNA 世界” 的假说，这对“DNA 中心”的观点是一次有力的冲击。1987 年 R．Weiss 论述了核糖体移 码，说明遗传信息的解码也是可以改变的。 1990 年 10 月美国政府决定出资 30 亿美元，用 15 年时间（1991 2005 年）完成“人 类基因组计划”。“人类基因组计划”是生物学有史以来最巨大和意义深远的一项科学工程。 完成人类基因组 DNA 全序列测定的意义是十分明显的，人类对自己遗传信息的认识将有 益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等诸多方面，并且对生命科学也将有极大贡献。 由于技术上的突破，计划进度一再提前，全序列的测定现已基本完成。一些低等生物的 DNA 全序列也已陆续被测定。生命科学已经进入了后基因组时代（post-genome era）。 在后基因组时代，科学家们的研究重心已从揭示基因组 DNA 的序列转移到在整体水 平上对基因组功能的研究。这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学 （functional genomics）的新学科。 随着自然科学的发展，核酸的研究越来越成为生物科学的核心，带动了生物化学、分 子生物学和分子遗传学乃至整个生命科学研究的发展。在此基础上发展起来的核酸操作技 术正在逐步地打开控制不同生物性状的生命之迷，同时，核酸的研究也使生物技术产业获 得了空前规模的发展。据统计，信息技术对世界经济的贡献比率达到 18％，而生物技术对 世界经济的推动作用将不亚于信息技术。 第二节 核酸的种类与分布 一、分 类 核酸分脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid， RNA）两大类。所有生物细胞都含有这两类核酸。它们是各种有机体遗传信息的载体。生 物体中的各种蛋白质，以及每种细胞的组成都是细胞中核酸序列编码的信息产物。每种蛋 白质的氨基酸顺序和 RNA 的核苷酸顺序都是由细胞中的 DNA 的核苷酸顺序决定的。含有 合成一个功能性生物分子（蛋白质或 RNA）所需信息的 DNA 片段可以看成是一个基因 （gene），一个最简单的细胞也有成千上万个基因，因此 DNA 分子是极大的。至今人们知 道的 DNA 的功能是贮存生物信息。 DNA 主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体也含有 DNA。RNA 主要分布在细胞质中。 但是对于病毒来说，要么只含 DNA，要么只含 RNA。还没有发现既含 DNA 又含 RNA 的 病毒。 核酸是由碱基、戊糖、磷酸组成的，按其所含的戊糖种类的不同分为两大类： 核糖核酸（ribonucleic acid 即 RNA）：戊糖为核糖 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid 即 DNA）：戊糖为脱氧核糖

核钠核酸(RNA)按其功能的不同分为三大类： 核糖体RNA(ribosomal rnas,IRNAS)约占RNA总量的80%，它们与蛋白质结合构 成核糖体的骨架。核糖体是蛋白质合成的场所，所以RNAs的功能是作为核体的重要组 成成分参与蛋白质的生物合成。rRNAs是细胞中含量最多的一类RNA, 子量比较大 代榭都不活跃，种类仅有几种，原核生物中主要有5 S rRNAs、16 S rRNAs和23 S rRNAs 三种，真核生物中主要有5 S rRNAs、5.8 S rRNAs、.I8 S rRNAs和28 S rRNAs四种。 信使RNA(messenger RNAs,mRNAs),约占RNA总量的5%。mRNAs是以DNA 为模板合成的，又是蛋白质合成的模板。它是携带一个或几个基因信息到核糖体的核酸。 由于每一种多肽都有 一种相应的mRNAs 所以细胞内mRNAs是一类非常不均 的分 但就每一种mRNAs的含量来说又十分低。这也解释了为什么mRNAs的发现比RNAs与 tRNAs要迟。 转移RNAs (transfer rnas,RNAs)约占RNA总量的IS%。RNAs的分子量在2s 101左右，由7090个核背酸组成，因此它是最小的RNA分子。它的主要功能是在蛋白 质生物合成过程 mRNA的信息准确地翻译成蛋白质中氨基酸顺序的适配器(adapte 分子，具有转运氨基酸的作用 并以此氨基命名 此外 在蛋白质生物合成的起始f 用中，在DNA反转录合成中及其他代谢调节中也起重要作用。细胞内RNA的种类很多 每一种氨基酸都有其相应的一种或几种RNA。 此外，在细胞中还含有其他的RNA,如真核细胞中还有少量核内小RNA(small nuclear RNA,缩写成snRNA)、染色体RNA(chRNA)。 二、分布 (一)DNA的分布 核酸广分布干各类生物细驹中，船占细干重的515%。在直核细陶中，95% 98%的DNA分布于细胞核中，DNA与组蛋白结合成染色体的形式存在， 每个染色体含有 个高度压缩的DNA分子。线粒体、 叶体中也有少量DNA存在，但不与蛋白质结合 且比细胞核中的染色体DNA要小得多。在原核细胞中，DNA存在于细胞质中的核质区， 通常只含有一个高度压缩的单纯DNA分子，也称为染色体（但与真核细胞的染色体不同）。 有关大肠杆菌的研究表明.它的垫色体是一个环状的DNA分子。在某些细菌中还存在 些游离于染色体之外的小的DNA分子，称为质粒 RNA的分布 RNA主要存在于细胞质中，约占总量的90%，细胞核中也有少量的存在，约占总量 的100%。 病毒是非细胞形态的生物，主要由蛋白质和核酸组成。在病毒内部含有核酸，或是 DNA,或是RNA,据此划分为DNA病毒和RNA病毒 上述两大类核酸在细胞内的分布状况是与它们的功能相一致的。细跑中的D八A起着 贮存和传递遗传信总的作用。细胞质中的RNA在核内接受了DNA的“指令”，到细胞质 指导并直接参与蛋白质的合成。 67

-67 - 核糖核酸（RNA）按其功能的不同分为三大类： 核糖体 RNA (ribosomal RNAs，rRNAs) 约占 RNA 总量的 80%，它们与蛋白质结合构 成核糖体的骨架。核糖体是蛋白质合成的场所，所以 rRNAs 的功能是作为核糖体的重要组 成成分参与蛋白质的生物合成。rRNAs 是细胞中含量最多的一类 RNA，且分子量比较大， 代谢都不活跃，种类仅有几种，原核生物中主要有 5S rRNAs、16S rRNAs 和 23S rRNAs 三种，真核生物中主要有 5S rRNAs、5.8S rRNAs、18S rRNAs 和 28S rRNAs 四种。 信使 RNA（messenger RNAs，mRNAs），约占 RNA 总量的 5%。mRNAs 是以 DNA 为模板合成的，又是蛋白质合成的模板。它是携带一个或几个基因信息到核糖体的核酸。 由于每一种多肽都有一种相应的 mRNAs，所以细胞内 mRNAs 是一类非常不均一的分子。 但就每一种 mRNAs 的含量来说又十分低。这也解释了为什么 mRNAs 的发现比 rRNAs 与 tRNAs 要迟。 转移 RNAs (transfer RNAs，tRNAs) 约占 RNA 总量的 15%。tRNAs 的分子量在 2.5 10 4左右，由 70~90 个核苷酸组成，因此它是最小的 RNA 分子。它的主要功能是在蛋白 质生物合成过程中把 mRNA 的信息准确地翻译成蛋白质中氨基酸顺序的适配器（adapter） 分子，具有转运氨基酸的作用，并以此氨基酸命名。此外，它在蛋白质生物合成的起始作 用中，在 DNA 反转录合成中及其他代谢调节中也起重要作用。细胞内 tRNA 的种类很多， 每一种氨基酸都有其相应的一种或几种 tRNA。 此外，在细胞中还含有其他的 RNA，如真核细胞中还有少量核内小 RNA（small nuclear RNA，缩写成 snRNA）、染色体 RNA（chRNA）。 二、分 布 （一）DNA的分布 核酸广泛分布于各类生物细胞中，一般占细胞干重的 5%~15%。在真核细胞中，95%～ 98%的 DNA 分布于细胞核中，DNA 与组蛋白结合成染色体的形式存在，每个染色体含有 一个高度压缩的 DNA 分子。线粒体、叶绿体中也有少量 DNA 存在，但不与蛋白质结合， 且比细胞核中的染色体 DNA 要小得多。在原核细胞中，DNA 存在于细胞质中的核质区， 通常只含有一个高度压缩的单纯 DNA 分子，也称为染色体（但与真核细胞的染色体不同）。 有关大肠杆菌的研究表明，它的染色体是一个环状的 DNA 分子。在某些细菌中还存在一 些游离于染色体之外的小的 DNA 分子，称为质粒。 （二）RNA的分布 RNA 主要存在于细胞质中，约占总量的 90%，细胞核中也有少量的存在，约占总量 的 10%。 病毒是非细胞形态的生物，主要由蛋白质和核酸组成。在病毒内部含有核酸，或是 DNA，或是 RNA，据此划分为 DNA 病毒和 RNA 病毒。 上述两大类核酸在细胞内的分布状况是与它们的功能相一致的。细胞中的 DNA 起着 贮存和传递遗传信息的作用。细胞质中的 RNA 在核内接受了 DNA 的“指令”，到细胞质 指导并直接参与蛋白质的合成

第三节核酸的化学组成 在讨论核酸的分子结构之前，必须先 核酸 培洁楂核酸的化学组成。核酸分子很大 (多核苷酸) 但可在酸、碱和醇的催化下逐步降解 以可以通过分离鉴定降解的中间产物和 核苷酸 终产物，来分析核酸的组成成分以及这些 成分的相互关系。核酸逐步降解的过程如 碱基-戊糖磷酸) 图3-2。 根据这个过程，可以总结出：核酸的 核苷 磷酸 基本结枸单位是核苷酸 (碱基-戊糖) 酸是由几百甚至几千万个核苷酸聚合而成 的生物大分子，所以又称多聚核苷酸 (polynucleotide).核酸经部分水解可产生 其 皮糖 核苷酸，如经完全水解则产生磷酸、碱基 《嘌吟碱和嘧啶碱 (核糖或脱氧核糖 和戊糖。每分子核苷酸含有一分子磷酸 图32核酸连续水解的降解产物 一分子含氮碱基和一分子戊糖，见图33 ()。也就是说，核酸的基本“元件”是碱基、戊糖和磷酸。两类核酸的组成成分中，有 相同的，也有不同的。含氨碱基是两种母体化合物嘌岭和嘧啶的衍生物，见图3-3(b)。 襞或 魂酸 0 N CH 戊糖 HC -'6 OH OH 嘧啶 a (b) 图33(a)核苷酸的 一般结构 呋喃式五碳糖以6型糖苷与碱基相连 磷酸基团以酯键与位碳原子相连，这是核糖核苷酸的分子结构，在脱 氧核糖核苷酸中2位羟基被氢原子所取代： (b)碱基的母体化合物 嘧啶和嘌吟环上原子的编号 一、碱基 核酸中的碱基有两类：嘌吟碱 (pyrimidine)和嘧啶碱(purine)。它们是含氮的杂环 化合物，所以称为碱基，也称含氮碱 68

-68 - 第三节 核酸的化学组成 在讨论核酸的分子结构之前，必须先 搞清楚核酸的化学组成。核酸分子很大， 但可在酸、碱和酶的催化下逐步降解，所 以可以通过分离鉴定降解的中间产物和最 终产物，来分析核酸的组成成分以及这些 成分的相互关系。核酸逐步降解的过程如 图 3-2。 根据这个过程，可以总结出：核酸的 基本结构单位是核苷酸（nucleotide），核 酸是由几百甚至几千万个核苷酸聚合而成 的生物大分子，所以又称多聚核苷酸 （polynucleotide）。核酸经部分水解可产生 核苷酸，如经完全水解则产生磷酸、碱基 和戊糖。每分子核苷酸含有一分子磷酸、 一分子含氮碱基和一分子戊糖，见图 3-3 （a）。也就是说，核酸的基本“元件”是碱基、戊糖和磷酸。两类核酸的组成成分中，有 相同的，也有不同的。含氮碱基是两种母体化合物嘌呤和嘧啶的衍生物，见图 3-3（b）。 一、碱 基 核酸中的碱基有两类：嘌呤碱（pyrimidine）和嘧啶碱（purine）。它们是含氮的杂环 化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。 磷酸 戊糖 （核糖或脱氧核糖） 碱基 （嘌呤碱和嘧啶碱） 核苷酸 （碱基-戊糖-磷酸） 核苷 （碱基-戊糖） 核酸 （多核苷酸） 图 3-2 核酸连续水解的降解产物 图 3-3 （a）核苷酸的一般结构，呋喃式五碳糖以β型糖苷与碱基相连， 磷酸基团以酯键与 5'位碳原子相连，这是核糖核苷酸的分子结构，在脱 氧核糖核苷酸中 2'位羟基被氢原子所取代； （b）碱基的母体化合物 嘧啶和嘌呤环上原子的编号

(一)嘌哈碱 核酸中的嘌吟碱是嘌吟的衍生物。DNA和RNA中含有相同的两种主要的嘌吟碱：腺 画adenine)和鸟吟（u ne).分别用A和G老示RNA和DNA均含这两种晒 碱基，它们都是嘌吟的2位或6位碳原子上的氢被氨基或酮基取代而形成的。核酸中还 有一些修饰嘌吟碱（也称稀有嘌吟碱），如次黄嘌吟、N甲基腺嘌吟、7甲基鸟嘌吟等（见 图3-4)。 CH 生 图34核酸中的吟碱 (仁)嘧啶碱 核酸中的密啶碱是嘧啶的衍生物，有三种，即胞嘧啶(cytosine、尿密啶(uracil)利 胸腺嘧啶(thymine),分别用C、U和T表示。RNA中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，DNA 含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。从结构上看，它们都是在嘧啶的2位碳原子上由酮基取代氢，在 5-甲 甲基购 核酸中的略啶碱

-69 - （一）嘌呤碱 核酸中的嘌呤碱是嘌呤的衍生物。DNA 和 RNA 中含有相同的两种主要的嘌呤碱：腺 嘌呤（adenine）和鸟嘌呤（guanine），分别用 A 和 G 表示。RNA 和 DNA 均含这两种嘌呤 碱基，它们都是嘌呤的 2 位或 6 位碳原子上的氢被氨基或酮基取代而形成的。核酸中还含 有一些修饰嘌呤碱（也称稀有嘌呤碱），如次黄嘌呤、N 6 -甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤等（见 图 3-4）。 （二）嘧啶碱 核酸中的嘧啶碱是嘧啶的衍生物，有三种，即胞嘧啶（cytosine）、尿嘧啶（uracil）和 胸腺嘧啶（thymine），分别用 C、U 和 T 表示。RNA 中含有的是胞嘧啶和尿嘧啶，DNA 含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。从结构上看，它们都是在嘧啶的 2 位碳原子上由酮基取代氢，在 图 3-5 核酸中的嘧啶碱基 图 3-4 核酸中的嘌呤碱基

4位碳原子上由氨基或酮基取代氢而形成的。同样，核酸中也含有一些修饰（稀有）嘧啶 碱，如5-甲基胞嘧啶、4-硫尿密啶、二氢尿嘧啶等（见，图35）。 核酸中含氨碱基均为无色固休，熔占 高，大多在200℃-300℃， 在有机溶剂中 溶解度很小，在水中溶解度也不大 溶于稀酸或稀碱。用X光衍射分析法已证 N127 11810 明了各种嘌岭和嘧啶的三度空间结构。嘧 33 1.4 啶是平面分子，要吟也很接近平面，但稍 有翘折。图3-6为腺嘌吟分子的立体结构 12s ue12N (单位为nm)。 图3-6腺腰吟分子的立体结构（单位为m 二、戊糖 核酸是其所含戊糖不同而分为两大类的。DNA所 H 含的戊糖是D-2脱 糖，RNA 所含 的戊糖是D核糖 c-0 H 另外，RNA中还含有少量的修饰戊糖，即D-2-O甲基 .0 H-C-OH OH 核糖。核酸中的这些戊糖均以B呋喃型环状结构存在 H-C-OH (见图3-7)。 H-C-OH OHOH 三、磷酸 图3.7核糖的构象 核酸是含破的生物大分子，任何核酸都含有磺酸， 在溶液中游离核糖的直鼓型结构与环型 所以核酸呈酸性，可与Na、多胺、组蛋白结合。核酸 结构(B呋响型)结构处于平衡状态 中的磷酸参与形成3,5”磷酸二酯健，使核酸连成多核苷 酸 以上三种基本“元件”再进一步连接，碱基与戊糖以糖苷健形成核苷，核苷再与磷酸 以磷酸酯键形成核苷酸，核苷酸是核酸的基本结构单位，相当于“部件”。DNA与RNA 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 DNA RNA 嘌吟碱 腺嘌吟(adenine) 腺嘌吟(adenine) (purine bases】 鸟嘌吟(guanine 鸟嘌吟(uanine) 嘧啶碱 包嗜啶(cytosine》 胞嘧啶(cytosine) (bases 胸腺嘧啶(nymine》 尿啶(uracil) 戊糖 D-2脱氧核糖 D-核裙 酸 磷酸 磷酸 70

-70 - 4 位碳原子上由氨基或酮基取代氢而形成的。同样，核酸中也含有一些修饰（稀有）嘧啶 碱，如 5-甲基胞嘧啶、4-硫尿嘧啶、二氢尿嘧啶等（见图 3-5）。 核酸中含氮碱基均为无色固体，熔点 高，大多在 200℃~300℃，在有机溶剂中 溶解度很小，在水中溶解度也不大，一般 溶于稀酸或稀碱。用 X 光衍射分析法已证 明了各种嘌呤和嘧啶的三度空间结构。嘧 啶是平面分子，嘌呤也很接近平面，但稍 有翘折。图 3-6 为腺嘌呤分子的立体结构 （单位为 nm）。 二、戊 糖 核酸是按其所含戊糖不同而分为两大类的。DNA 所 含的戊糖是 D-2'-脱氧核糖，RNA 所含的戊糖是 D-核糖。 另外，RNA 中还含有少量的修饰戊糖，即 D-2'-O-甲基 核糖。核酸中的这些戊糖均以β-呋喃型环状结构存在 （见图 3-7）。 三、磷 酸 核酸是含磷的生物大分子，任何核酸都含有磷酸， 所以核酸呈酸性，可与 Na +、多胺、组蛋白结合。核酸 中的磷酸参与形成 3',5'-磷酸二酯键，使核酸连成多核苷 酸链。 以上三种基本“元件”再进一步连接，碱基与戊糖以糖苷键形成核苷，核苷再与磷酸 以磷酸酯键形成核苷酸，核苷酸是核酸的基本结构单位，相当于“部件”。DNA 与 RNA 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 DNA RNA 嘌呤碱 （purine bases） 腺嘌呤（adenine） 鸟嘌呤（guanine） 腺嘌呤（adenine） 鸟嘌呤（guanine） 嘧啶碱 （pyrimidine bases） 胞嘧啶（cytosine） 胸腺嘧啶（thymine） 胞嘧啶（cytosine） 尿嘧啶（uracil） 戊糖 D-2'-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷酸 磷酸 图 3-7 核糖的构象 在溶液中游离核糖的直链型结构与环型 结构（β-呋喃型）结构处于平衡状态 图 3-6 腺嘌呤分子的立体结构（单位为 nm）

四、核苷 核苷(riboside)由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷健连接。糖环上的C与密啶碱的 N1或与嘌吟碱的N,相连接。所以糖与碱基之间的连键是NC键，称为N糖苷键。糖环中 C,是不对称碳子，所以右！和八两种构型。但核酸分子中的背糖均为苷。成 用X光衍射分析证明 核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。 核苷可以分成核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类。腺嘌吟核苷（简称腺苷）、胞嘧啶脱 氧核苷（脱氧胞苷）的结构如图3-8（糖环中的碳原子标号用1,2”表示）。表3-2为常 见核苷的名称。 NH CH 典核背 图38DNA中的脱氧腺嘌吟核苷(dT)与RNA中的胞嘧啶核苷(C) 表3-2各种常见核苷 碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷 眼苷(adenosine) 脱氧腺苷( 鸟嘌吟 鸟苷(guanosine】 脱氧鸟苷(deoxyguanosine 胞嘧啶 胞苷(cytidine) 尿嘧项 尿苷(uridine 胸腺嘧啶 核酸中含有多种稀有碱基，它们可与戊糖形成相应的稀有核苷，例如次黄嘌吟核苷 5-甲基胞苷等。此外，还有些稀有核苷是由正常碱基与2'-O甲基核糖结合而形成的，或由 正常碱基以特殊方式与核糖连接所形成的。如假尿嘧啶核苷，它的核糖与尿嘧啶的C,相 连，为CC糖苷梯。RNA中的稀有核背大部分存在于tRNA中，而DNA中的稀有核背主 要是从噬菌体中分离得到的 71

-71 - 四、核 苷 核苷（riboside）由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键连接。糖环上的 C1'与嘧啶碱的 N1或与嘌呤碱的 N9相连接。所以糖与碱基之间的连键是 N-C 键，称为 N-糖苷键。糖环中 C1'是不对称碳原子，所以有 ¦Á-和 ¦Â-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为 ¦Â-糖苷键。应 用 X-光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。 核苷可以分成核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷（简称腺苷）、胞嘧啶脱 氧核苷（脱氧胞苷）的结构如图 3-8（糖环中的碳原子标号用 1'，2' 表示）。表 3-2 为常 见核苷的名称。 表 3-2 各种常见核苷 碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷 腺嘌呤 腺苷（adenosine） 脱氧腺苷（deoxyadenosine） 鸟嘌呤 鸟苷（guanosine） 脱氧鸟苷（deoxyguanosine） 胞嘧啶 胞苷（cytidine） 脱氧胞苷（deoxycytidine） 尿嘧啶 尿苷（uridine） 胸腺嘧啶 脱氧胸苷（deoxythymidine） 核酸中含有多种稀有碱基，它们可与戊糖形成相应的稀有核苷，例如次黄嘌呤核苷、 5-甲基胞苷等。此外，还有些稀有核苷是由正常碱基与 2'-O-甲基核糖结合而形成的，或由 正常碱基以特殊方式与核糖连接所形成的。如假尿嘧啶核苷，它的核糖与尿嘧啶的 C5 相 连，为 C-C 糖苷键。RNA 中的稀有核苷大部分存在于 tRNA 中，而 DNA 中的稀有核苷主 要是从噬菌体中分离得到的。 图 3-8 DNA 中的脱氧腺嘌呤核苷（dT）与 RNA 中的胞嘧啶核苷(C)

五、核苷酸 核苷中的戊糖轻基被碳酸酯化，就形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核 苷酸两大类。下面为 NH 图3-9RNA中的腺骠吟核苷酸(AMP)与DNA中的胞啶脱氧核苷酸(dCMP) 生物体内存在的游离核苷酸多是5核苷酸。用碱水解RNA时，可得到2”-核糖核苷酸 与3核糖核苷酸的混合物。 常见的核苷酸见表3-3 表33常见的核苷酸 碱基 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 腺嘌吟(A 聪赚吟核苷酸 购腰吟脱氧核苷酸 aden .AMP) te.dAMP) 鸟嘌吟(G) 鸟吟核苷酸 guanos e.GMP) deoxygu nosine mo 胞嘧啶核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸 te.dGMP) 胞嘧啶(C) hate,CMP) (dcoxyeytidine monophosphate,CMP) 尿嘧啶(U) 尿嘧啶核苷酸 (uridine monophosphate.UMP 胸腺嘧啶(T) 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 deoxythymidine monophosphate,dTMP)

-72 - 五、核苷酸 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核 苷酸两大类。下面为两种核苷酸的结构式（图 3-9）。 生物体内存在的游离核苷酸多是 5'-核苷酸。用碱水解 RNA 时，可得到 2'-核糖核苷酸 与 3'-核糖核苷酸的混合物。 常见的核苷酸见表 3-3。 表 3-3 常见的核苷酸 碱 基 核 糖 核 苷 酸 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 腺嘌呤(A) 腺嘌呤核苷酸 （adenosine monophosphate, AMP） 腺嘌呤脱氧核苷酸 （deoxyadenosine monophosphate, dAMP） 鸟嘌呤(G) 鸟嘌呤核苷酸 （guanosine monophosphate, GMP） 鸟嘌呤脱氧核苷酸 （deoxyguanosine monophosphate, dGMP） 胞嘧啶（C） 胞嘧啶核苷酸 （cytidine monophosphate, CMP） 胞嘧啶脱氧核苷酸 （deoxycytidine monophosphate, dCMP）） 尿嘧啶（U） 尿嘧啶核苷酸 （uridine monophosphate, UMP） 胸腺嘧啶（T） 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 （deoxythymidine monophosphate, dTMP） 图 3-9 RNA 中的腺嘌呤核苷酸（AMP）与 DNA 中的胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)

六、细胞中的游离核苷酸及其衍生物 除了上述存在于RNA和DNA中的核苷酸外，生物体细胞中还有一些以游离形式存在 的核苷酸。多磷酸核苷酸以及它们的衍生物，并具有重要的生理功能。比如5腺苷酸 (adenosine C心P）可进一步砖酸化形成服克吟核苷二三商酸【简称原一 osine diph 和腺嘌吟核苷三磷酸（简称腺三磷，adenosine triphosphate ATP),见图3-10。 ADP中含有一个高能磷酸键（用 “”表示高能磷酸键)，ATP中含有 两个高能磷酸健。高能磷酸健水解时 。 释放出的能量为30 kJ/mol, 而普通 HH 酸键能为14k /mol. 物获得的能量 可转换成ATP,当需要能量时，A口 NMP 中的高能键水解，将贮存的能量释放 出来，可参与多种生物合成反应。 NDP 除ADP、ATP外，生物体中的其 他5-脱氧核苷酸也可以进 步磷酸化 图310酸单酸。二酸和三腰酸的一校 为相应的核苷二磷酸和核苷三磷酸以 结构和它 的标准缩写（在DNA 宿写为dNMP,dND 及脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷 dNP,图中N表示任意一个 酸，并都具有各自的生理功能。例如， UDP作为葡萄糖的载体参与多糖的合成：CDP作为胆碱的载体参与磷酸的合成：各种核 苷三磷酸和脱氧核苷 分别是合成RNA和DNA的前体 此外，在生物细胞中，还存在着环化核苷酸，其中研究得最多的是35环腺苷酸 (35-cyclic adenosine monophosphate,cAl NH 子形成双酯环化而成的，其中3位的 酯键为高能磷酸键，水解后可释放 49.7nol自由能cAMP具有放大 H.N 素作用信号的功能， 所 以在细胞 调节中起重要作用。此外，3,5环鸟 苷酸(3,5'-cyclic guannosine monophosphate,cGMP)也是一种具有 代谢调节作用的环化核苷酸（图 3-11 图3-135环腺查酸(cAMP),3,3环鸟苷酸(cGMP 生物体中还存在着 一些核苷酸的 衍生物，它们在生命活动中也起着重要的作用。如烟酰胺腺嘌吟二核苷酸、烟酰胺腺嘌吟 二核苷酸磷酸、黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A等，都是核苷酸的衍生物， 它们在生物体中作为埔酶或铺基参与代谢作用

-73 - 六、细胞中的游离核苷酸及其衍生物 除了上述存在于 RNA 和 DNA 中的核苷酸外，生物体细胞中还有一些以游离形式存在 的核苷酸。多磷酸核苷酸以及它们的衍生物，并具有重要的生理功能。比如 5'-腺苷酸 （adenosine monophosphate, AMP）可进一步磷酸化形成腺嘌呤核苷二磷酸（简称腺二磷， adenosine diphosphate, ADP）和腺嘌呤核苷三磷酸（简称腺三磷，adenosine triphosphate, ATP），见图 3-10。 ADP 中含有一个高能磷酸键（用 “~”表示高能磷酸键）， ATP 中含有 两个高能磷酸键。高能磷酸键水解时 释放出的能量为 30kJ/mol，而普通磷 酸键能为 14kJ/mol。生物获得的能量 可转换成 ATP，当需要能量时，ATP 中的高能键水解，将贮存的能量释放 出来，可参与多种生物合成反应。 除 ADP、ATP 外，生物体中的其 他 5'-脱氧核苷酸也可以进一步磷酸化 为相应的核苷二磷酸和核苷三磷酸以 及脱氧核苷二磷酸和脱氧核苷三磷 酸，并都具有各自的生理功能。例如， UDP 作为葡萄糖的载体参与多糖的合成；CDP 作为胆碱的载体参与磷酸的合成；各种核 苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸分别是合成 RNA 和 DNA 的前体。 此外，在生物细胞中，还存在着环化核苷酸，其中研究得最多的是 3',5'-环腺苷酸 （3',5'-cyclic adenosine monophosphate, cAMP）。它是由腺苷酸上的磷酸与核糖的 3',5'碳原 子形成双酯环化而成的，其中 3'位的 酯键为高能磷酸键，水解后可释放 49.7kJ/mol 自由能。cAMP 具有放大激 素作用信号的功能，所以在细胞代谢 调节中起重要作用。此外，3',5'-环鸟 苷 酸 （ 3',5'-cyclic guannosine monophosphate, cGMP）也是一种具有 代 谢 调 节 作 用 的 环 化核 苷 酸 （ 图 3-11）。 生物体中还存在着一些核苷酸的 衍生物，它们在生命活动中也起着重要的作用。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、烟酰胺腺嘌呤 二核苷酸磷酸、黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶 A 等，都是核苷酸的衍生物， 它们在生物体中作为辅酶或辅基参与代谢作用。 图 3-10 核酸 5'-单磷酸，5'-二磷酸和 5'-三磷酸的一般 结构和它们的标准缩写（在 DNA 中缩写为 dNMP，dNDP， dNTP），图中 N 表示任意一个碱基 图 3-11 3',5'-环腺苷酸（cAMP），3',5'-环鸟苷酸（cGMP）