核酸的生物有机化学课件.ppt

1、1第第 三三 章章核酸的生物有机化学核酸的生物有机化学（上）（上）23.1 核酸和生命遗传的化学本质核酸和生命遗传的化学本质 在活细胞的各种组分中，核酸是非常重要的生在活细胞的各种组分中，核酸是非常重要的生物大分子之一。物大分子之一。在自然界中，生物能够一代在自然界中，生物能够一代一代地遗传下去，而且它们的各一代地遗传下去，而且它们的各种种生物特性生物特性得以继续保留。得以继续保留。遗传物质遗传物质是什么？是什么？遗传信息遗传信息是如何传递的？是如何传递的？遗传信息遗传信息与蛋白质的与蛋白质的氨基酸氨基酸顺序顺序有什么关系？有什么关系？在细胞中，遗传在细胞中，遗传物质是一种特殊物质是一种特殊的

2、生物大分子的生物大分子DNA（脱氧核糖（脱氧核糖核酸）。核酸）。DNA兼兼具具储存储存和和传递传递“遗传信息遗传信息”的的双重功能。双重功能。3 DNA遗传信息的遗传信息的传递传递，主要，主要是由三个步骤组成。第一步，是由三个步骤组成。第一步，DNA的复制。实际上是将亲代的复制。实际上是将亲代DNA进行进行拷贝，得到子代拷贝，得到子代DNA的过程。子代的过程。子代DNA保留了亲代保留了亲代DNA全部遗传信全部遗传信息。第二步，由息。第二步，由DNA转录成转录成RNA（核糖核酸）。在这一步中，（核糖核酸）。在这一步中，部分部分DNA的遗传信息被转录到的遗传信息被转录到RNA上上。第三步，第三步，

3、RNA 所携带的遗传信息所携带的遗传信息翻译和表达成翻译和表达成具有一定的氨基酸顺具有一定的氨基酸顺序的蛋白质。序的蛋白质。43.2 核酸（核酸（DNA和和RNA）的结构）的结构 核酸（核酸（nucleic acids）包括）包括DNA（deoxyri-bonucleic acid）和）和RNA（ribonucleic acid）两）两大类。大类。DNA是最基本的是最基本的遗传信息物质遗传信息物质。RNA则起着则起着帮助帮助传递和表达传递和表达遗传信息的作用。它们在结构上很遗传信息的作用。它们在结构上很相似都是链状聚合物。相似都是链状聚合物。1.构成构成DNA和和RNA的结构单元分子的结构单元

4、分子 DNA和和RNA都是由结构相似的结构单元分子连都是由结构相似的结构单元分子连连接而成的多聚体。连接而成的多聚体。DNA和和RNA的结构单元分子分的结构单元分子分别由别由三种简单分子三种简单分子所组成，即戊糖、含氮碱基和磷酸。所组成，即戊糖、含氮碱基和磷酸。5 戊糖戊糖：组成组成DNA结构单元分子的是脱结构单元分子的是脱氧氧核糖核糖（2-deoxyribose），），组成组成RNA结构单元分子的是核糖结构单元分子的是核糖（ribose）。）。CHOOHHOHHOHHCH2OHCHOHHOHHOHHCH2OHD-核糖核糖D-2-脱氧核糖脱氧核糖6 含氮碱基和核苷：组成核酸结构单元分子含氮碱基

5、和核苷：组成核酸结构单元分子的含氮的含氮碱基有五种。其中两个是碱基有五种。其中两个是嘌呤（嘌呤（purine）的衍生物：）的衍生物：腺腺嘌呤（嘌呤（Adenine,A）和鸟和鸟嘌呤（嘌呤（Guanine,G）；）；三个是三个是嘧啶（嘧啶（pyrimidine）的衍生物：胞嘧啶）的衍生物：胞嘧啶（Cytosine,C）、胸腺、胸腺嘧啶（嘧啶（Thymine,T）和尿和尿嘧嘧啶（啶（Uracil,U）。）。7DNA中存在四种碱基：中存在四种碱基：腺嘌呤腺嘌呤(A)，鸟鸟嘌呤嘌呤(G)，胞胞嘧啶嘧啶(C)和胸腺和胸腺嘧啶嘧啶(T)RNA中存在四种碱基：中存在四种碱基：腺腺嘌呤嘌呤(A)、鸟、鸟嘌呤嘌

6、呤(G)、胞、胞嘧啶嘧啶(C)和尿和尿嘧啶嘧啶(U)8 脱氧核糖脱氧核糖(或核糖或核糖)中中C1上的半缩醛羟基上的半缩醛羟基(-构型构型)与嘌呤碱基的与嘌呤碱基的N9-H或嘧啶碱基的或嘧啶碱基的Nl-H脱水生成脱水生成 C-N糖苷键糖苷键，形成相应的核形成相应的核苷苷(nucleoside)。HOHHCH2OHOHOHHHONNNNNH2H核苷核苷9 磷酸和核磷酸和核苷酸：核苷的核糖苷酸：核苷的核糖C5上的羟基与磷酸上的羟基与磷酸所形成的所形成的磷酸酯磷酸酯，称为核苷酸，称为核苷酸(nucleotide)。核苷核苷酸是构成核酸酸是构成核酸(DNA和和RNA)的结构单元分子。的结构单元分子。HO

7、HHCH2OHOHHHONNNNNH2HHOOPOOHO核核苷酸苷酸102.多聚核苷酸多聚核苷酸 通过核苷酸的磷酸基通过核苷酸的磷酸基与另一分子核苷酸的核糖与另一分子核苷酸的核糖 C3上上的羟基形成的羟基形成磷酸二酯桥磷酸二酯桥相连而成的长链结构化相连而成的长链结构化合物合物多聚核苷酸，即多聚核苷酸，即DNA或或RNA（见图（见图3-1）。）。多聚核苷酸链具有如下特点：多聚核苷酸链具有如下特点：多聚核苷酸是通过多聚核苷酸是通过5-3磷酸二酯键磷酸二酯键连接而成。连接而成。链的一端一般含有一个游离的链的一端一般含有一个游离的5-磷酸基，另一端则磷酸基，另一端则有一个游离的有一个游离的3-羟基。羟

8、基。多聚核苷酸链具有方向性，多聚核苷酸链具有方向性，必须注明必须注明(如如53或或35)。1112 多聚核苷酸是由多聚核苷酸是由含有不同碱基的核苷酸含有不同碱基的核苷酸组组成。因此具有一定的核苷酸顺序，即成。因此具有一定的核苷酸顺序，即核酸的碱基顺核酸的碱基顺序序。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。核酸的碱核酸的碱基顺序具有极其重要的生理意义。基顺序具有极其重要的生理意义。DNA的碱基顺序的碱基顺序本身就是遗传信息储存的分子形式。本身就是遗传信息储存的分子形式。多聚核苷酸的结构也可以简化为：多聚核苷酸的结构也可以简化为：腺嘌呤腺嘌呤 胞胞嘧啶嘧啶 鸟鸟嘌呤嘌呤胸腺

9、胸腺嘧啶嘧啶胸腺胸腺嘧啶嘧啶13上述多聚核苷酸的核苷酸顺序可表示为：上述多聚核苷酸的核苷酸顺序可表示为：5PAPCPGPTPT3如果仅仅只关心其中的碱基顺序，则可以写成：如果仅仅只关心其中的碱基顺序，则可以写成：5ACGTT3注意注意：上式所表示的核苷酸顺序是从左至右：上式所表示的核苷酸顺序是从左至右53。143.DNA 的结构的结构 1953年，年，Watson J和和Crick F在前人的研究工在前人的研究工作基础上，应用作基础上，应用DNA结晶的结晶的X衍射图谱和分子模型，衍射图谱和分子模型，提出了著名的提出了著名的DNA双螺旋双螺旋(DNA double helix)结构结构模型，并对

10、模型的生理意义作了科学的解释和预测。模型，并对模型的生理意义作了科学的解释和预测。Watson和和Crick的发现，是的发现，是20世纪最伟大的科学成世纪最伟大的科学成就之一。就之一。15 DNA分子的双螺旋结构：分子的双螺旋结构：DNA双螺旋结构具有如双螺旋结构具有如下几个特点。下几个特点。DNA分子由两条多聚核苷酸链组成。两条链分子由两条多聚核苷酸链组成。两条链沿着一个共同的轴平行盘绕，形成沿着一个共同的轴平行盘绕，形成(右手右手)双螺旋结构。双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条螺旋中的两条链方向相反，即其中一条DNA链方向链方向为为53,而另一条链方向为而另一条链方向为35。嘌

11、呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成直，糖基环平面与碱基环平面成90。16 螺旋的横截面的直径约为螺旋的横截面的直径约为20。每条链相邻。每条链相邻两个碱基之间轴距为两个碱基之间轴距为3.4。每。每10个核苷酸形成一个个核苷酸形成一个螺旋。螺旋的螺距（即螺旋旋转一圈）高度为螺旋。螺旋的螺距（即螺旋旋转一圈）高度为34。两条多聚核苷酸链的两条多聚核苷酸链的盘绕力盘绕力是链间的碱基对是链间的碱基对所形成的所形成的氢键氢键，碱基对的形成有严格的配对

12、规律：，碱基对的形成有严格的配对规律：17 因此，在因此，在DNA分子中，分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等碱基的总数相等。18 DNA的复制及其生理意义：的复制及其生理意义：Watson和和Crick发现发现了了DNA的双螺旋结构不久，就提出了著名的的双螺旋结构不久，就提出了著名的DNA复复制制(replication)机制假说机制假说，其要点是：，其要点是：DNA在复制过程中，组成双螺旋的两条在复制过程中，组成双螺旋的两条DNA链先链先 拆分成两条单链；拆分成两条单链；以以DNA单链为模板单链为模板，合成与模板完全互补的新链合成与模板完全互补的新链，并形成一个新

13、的并形成一个新的DNA双螺旋分子双螺旋分子。经过一个复制周经过一个复制周期后期后，子代子代 DNA分子的两条多聚核苷酸链中，分子的两条多聚核苷酸链中，一条一条来自亲代来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称分子，另一条是新合成的，所以又称为半保留复制为半保留复制(semiconservative replication)。19 DNA复制理论是生物基因遗传的最基本分子机复制理论是生物基因遗传的最基本分子机制。制。1958年，科学家们用实验精确地证明了年，科学家们用实验精确地证明了DNA复复制理论的正确性。制理论的正确性。DNA的三螺旋结构：的三螺旋结构：1957年，年，Rich A 等用

14、两条多等用两条多聚尿嘧啶核苷酸链聚尿嘧啶核苷酸链(poly U)和一条多聚腺嘌呤核苷酸和一条多聚腺嘌呤核苷酸链链(poly A)合成出一种三链结构的物质，并提出了合成出一种三链结构的物质，并提出了DNA三螺旋结构三螺旋结构(triple helix)的概念。近年来，对于的概念。近年来，对于DNA三螺旋结构和功能的研究已经取得了很大的进展，三螺旋结构和功能的研究已经取得了很大的进展，认为它在阻断基因转录和对认为它在阻断基因转录和对 DNA进行进行“分子剪切分子剪切”方面具有潜在的应用价值，因而引起了广泛的关注。方面具有潜在的应用价值，因而引起了广泛的关注。20 DNA的三螺旋与双螺旋相似，都是的

15、三螺旋与双螺旋相似，都是通过通过DNA单单链之间形成氢键实现链之间形成氢键实现的。的。DNA三螺旋结构具有如下三螺旋结构具有如下一些特点：一些特点：组成三螺旋的组成三螺旋的DNA单链，一般都是由单一的单链，一般都是由单一的嘌呤碱基嘌呤碱基(A和和G)或单一的嘧啶碱基或单一的嘧啶碱基(C和和T)所组成。所组成。DNA三螺旋的基本结构有两种。一种是由两三螺旋的基本结构有两种。一种是由两条多聚嘧啶碱基核苷酸链和一条多聚嘌呤碱基核苷条多聚嘧啶碱基核苷酸链和一条多聚嘌呤碱基核苷酸链组成，简单表示为：嘧啶酸链组成，简单表示为：嘧啶-嘌呤嘌呤-嘧啶。三条链中嘧啶。三条链中碱基形成氢键的情况是：碱基形成氢键的

16、情况是：T-A-T,C-G-C。21 第二种是由两条多聚嘌呤碱基核苷酸链和一条第二种是由两条多聚嘌呤碱基核苷酸链和一条多聚嘧啶碱基核苷酸链组成，简单表示为：嘌呤多聚嘧啶碱基核苷酸链组成，简单表示为：嘌呤-嘌嘌呤呤-嘧啶。三条链中碱基形成氢键的情况是：嘧啶。三条链中碱基形成氢键的情况是：A-A-T,G-G-C。上述两种结构中，中间的碱基必须是嘌呤碱。上述两种结构中，中间的碱基必须是嘌呤碱基。基。每一条单链至少由每一条单链至少由8个核苷酸组成。个核苷酸组成。22 DNA三螺旋形成的条件是比较特殊的，因而在生三螺旋形成的条件是比较特殊的，因而在生物体内存在的可能性较小，但在实验室中则容易实现。物体内

17、存在的可能性较小，但在实验室中则容易实现。目前，关于目前，关于DNA三螺旋的生物学意义还只是一些预测，三螺旋的生物学意义还只是一些预测，显然，在这方面进行深入的研究是很有意义的。显然，在这方面进行深入的研究是很有意义的。234.RNA的结构和分类的结构和分类 RNA与与DNA在结构上有明显的差异。除了核苷酸在结构上有明显的差异。除了核苷酸的组成不同外，更重要的是表现在立体结构上。的组成不同外，更重要的是表现在立体结构上。RNA是单链分子：是单链分子：RNA分子是单多聚核苷酸分子是单多聚核苷酸链。在链。在RNA分子中，并不遵守碱基种类的比例关系，分子中，并不遵守碱基种类的比例关系，即即RNA分子

18、中嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基总数。分子中嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基总数。在在RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构。不能分子中，部分区域也能形成双螺旋结构。不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可形象地形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可形象地称为称为“发夹型发夹型”(hairpin loops)结构，见图结构，见图3-6。24 RNA的双螺旋结的双螺旋结构中碱基配对情况并构中碱基配对情况并不如不如DNA中严格。中严格。G除了可以和除了可以和C配对以外配对以外（主要配对方式），（主要配对方式），也可以和也可以和U配对。但是配对。但是G-U配对形成氢键能配对形成氢键能力较弱力较

19、弱。注意：注意：25 RNA的分类的分类：RNA的基本功能是负责的基本功能是负责DNA遗遗传信息的传信息的传递传递、翻译翻译和和表达表达。根据。根据RNA功能不同可以功能不同可以分为三类分为三类。mRNA(messenger RNA,信使信使RNA):mRNA约占细胞中约占细胞中RNA总量的总量的5%。不同类型。不同类型mRNA的链长的链长差别很大差别很大。它的功能是将它的功能是将DNA遗传信息传递到蛋白质遗传信息传递到蛋白质生物合成基地生物合成基地，并作为蛋白质生物合成的模板并作为蛋白质生物合成的模板。26 tRNA(transfer RNA,转移转移-RNA):tRNA约占约占RNA总量的

20、总量的15%。它。它的特点是不同种类的的特点是不同种类的tRNA虽然虽然碱基顺序不同碱基顺序不同，但其大小和形状差别不大但其大小和形状差别不大，链长平链长平均约为均约为75个核个核苷苷酸酸。tRNA的功能是将的功能是将mRNA所携带所携带的的蛋白质氨基酸顺序信息蛋白质氨基酸顺序信息翻译成相应的氨基酸翻译成相应的氨基酸，并并将氨基酸以活化的形式运送到核糖核蛋白体合成蛋将氨基酸以活化的形式运送到核糖核蛋白体合成蛋白质。因此白质。因此，20种基本氨基酸种基本氨基酸，每一种最少有一个每一种最少有一个相应相应的的tRNA。27 rRNA(ribosomal RNA,核糖体核糖体-RNA):它约占它约占

21、RNA的的80%,是组成蛋白质合成基地是组成蛋白质合成基地核糖核蛋白核糖核蛋白体体的主要成分。的主要成分。rRNA结构比较复杂结构比较复杂，它的详细作它的详细作用机制目前还不很清楚。用机制目前还不很清楚。283.3 核酸和生命遗传的化学本质核酸和生命遗传的化学本质 含氮碱基含氮碱基：嘌呤：嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基碱基是核酸中最是核酸中最重要的组分。它们的性质和反应性能对于核酸的性重要的组分。它们的性质和反应性能对于核酸的性质和生理功能具有重要影响作用。质和生理功能具有重要影响作用。嘌呤嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基都是高熔点碱基都是高熔点(300以上以上)的的无无色晶体物质。在水中溶解度很小

22、色晶体物质。在水中溶解度很小，当它们转变成当它们转变成核核苷苷或核或核苷苷酸后酸后，溶解度大大增加。它们都是弱碱溶解度大大增加。它们都是弱碱性化合物性化合物。291.碱基环的芳香性和互变异构碱基环的芳香性和互变异构 嘌呤嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基的杂环体系具有芳香性碱基的杂环体系具有芳香性，并且存在互变异构现象。并且存在互变异构现象。3031 不同的异构体形成氢键的能力和方向也有明显不同的异构体形成氢键的能力和方向也有明显差别差别（图中用箭头表示形成氢键的情况图中用箭头表示形成氢键的情况：表示氢给表示氢给体体，表示氢表示氢受受体体）。）。碱基环互变异构的方向碱基环互变异构的方向，主要取决于介

23、质的条主要取决于介质的条件件，其中影响最大的是其中影响最大的是pH值和温度值和温度。由于不同的。由于不同的互互变异构体形成氢键的能力和方向差异很大变异构体形成氢键的能力和方向差异很大，因此对因此对核酸的立体结构有很大的影响。核酸的立体结构有很大的影响。322.碱基的碱性碱基的碱性 嘌呤嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基都具有弱碱性碱基都具有弱碱性。杂环上氨杂环上氨基的基的pKa值约为值约为9.5。例如。例如，尿尿嘧啶嘧啶中中N1或或N3上质子上质子离解的离解的pKa值为值为9.5；腺腺嘌呤嘌呤N9上质子离解的上质子离解的pKa值为值为9.8。33 碱基环上氨基的碱性可以从阴离子的共振稳定碱基环上氨基

24、的碱性可以从阴离子的共振稳定性和环上氮原子的性和环上氮原子的sp2杂化来解释杂化来解释。环外的氨基环外的氨基（存存在于在于A,G,C三种碱基中三种碱基中）的碱性很弱的碱性很弱，在生理在生理pH条条件下不能质子化件下不能质子化，这种情况与苯这种情况与苯氨氨的氨基相似的氨基相似。因因此此嘌呤嘌呤和和嘧啶嘧啶碱基的碱性主要是环上氨基的贡献。碱基的碱性主要是环上氨基的贡献。3.嘌呤嘌呤和和嘧啶嘧啶碱基的化学反应碱基的化学反应 含氮碱基的化学性质主要决定于氮原子的存在含氮碱基的化学性质主要决定于氮原子的存在状态状态。34 亲电取代亲电取代反应反应：在在嘧啶嘧啶环上含有两个氮原子环上含有两个氮原子，由于电

25、子效应的结果由于电子效应的结果，使使C5上的电子云密度比其他上的电子云密度比其他碳原子高一些碳原子高一些，因此对亲电取代反应最敏感因此对亲电取代反应最敏感。与此与此相似相似，嘌呤，嘌呤环中环中，C8的电子云密度比的电子云密度比C2和和C6高高，因因此此C8对亲电取代反应也最敏感对亲电取代反应也最敏感。35嘌呤嘌呤和和嘧啶嘧啶碱基可以发生多种亲电取代反应。主要碱基可以发生多种亲电取代反应。主要的反应有的反应有：尿尿嘧啶嘧啶核核苷苷的氯代的氯代：36 腺嘌呤核苷的溴代腺嘌呤核苷的溴代 生成的生成的8-溴溴腺腺嘌呤嘌呤核核苷苷可以进一步转变成多种可以进一步转变成多种腺腺苷苷衍生物衍生物：37 尿尿嘧

26、啶嘧啶核核苷苷转变成胸腺转变成胸腺嘧啶嘧啶核核苷：苷：5-甲基胞甲基胞嘧啶嘧啶的生物合成的生物合成：RNA或或DNA中的胞中的胞嘧嘧啶，啶，在甲基化酶在甲基化酶(methylase)的作用下的作用下，能与能与SAM作作用用，转变成转变成5-甲基胞甲基胞嘧啶。嘧啶。38 亲核亲核-加成消除加成消除反应反应：碱基的含氮杂环中各个原子碱基的含氮杂环中各个原子上的电子云密度分布是不均上的电子云密度分布是不均匀匀的的，在一定条件下也在一定条件下也可以发生亲核加成反应可以发生亲核加成反应。水解反应水解反应：含有含有羰羰基的碱基基的碱基(G,C,T,U),从结构上从结构上看具有看具有酰胺酰胺键特点。因此在碱

27、性条下键特点。因此在碱性条下，能发生水解能发生水解开环反应开环反应：S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸39腺腺嘌呤嘌呤碱基不含碱基不含羰羰基基，因此对碱比较稳定因此对碱比较稳定。与与肼肼的反应的反应：嘧啶：嘧啶碱基能与碱基能与肼肼作用作用，得到两种不同的产物得到两种不同的产物：40此反应只发生在此反应只发生在嘧啶嘧啶碱基碱基，而而嘌嘌呤呤碱基不能发生这类反应碱基不能发生这类反应，因此因此在核酸分析中有重要的应用价值。在核酸分析中有重要的应用价值。与与羟胺羟胺的反应的反应：嘧啶：嘧啶碱基能与碱基能与羟胺羟胺反应反应，环外的环外的 氨基也会受到影响氨基也会受到影响。41尿嘧啶核苷与羟胺在尿嘧啶核苷与羟胺

28、在pH=910条件下反应时，将发条件下反应时，将发生碱基开环分解反应：生碱基开环分解反应：42 氨基的氨基的烷烷基化反应基化反应：在一般在一般烷烷基化反应条件下基化反应条件下，含含氮碱基的氮碱基的烷烷基化反应主要发生在基化反应主要发生在杂环的氮原子杂环的氮原子上上，不不同的同的烷烷基化剂基化剂，烷，烷基化产物也有所不同基化产物也有所不同。以上以上烷烷基化反应活性顺序是基化反应活性顺序是 G A C。在此条件下在此条件下，U和和T基本上不起反应基本上不起反应。典型的典型的烷烷基化产物如下基化产物如下:43 在温和的碱性条件下在温和的碱性条件下，1-甲基腺甲基腺嘌呤嘌呤核核苷苷可以发可以发生生Fi

29、scher-Dimoth重排重排，得到环外氨基的甲基化产物得到环外氨基的甲基化产物：44 用用CH2N2做做烷烷基化剂基化剂，则所有含氮碱基都能发生则所有含氮碱基都能发生烷烷基化反应基化反应，反应活性顺序是反应活性顺序是：UT G C A。环外氨基的反应环外氨基的反应：环外的氨基虽然不活泼环外的氨基虽然不活泼，但但在适当条件下在适当条件下，也可以发生化学反应。胞也可以发生化学反应。胞嘧啶嘧啶核核苷苷在在亚硝酸作用下亚硝酸作用下，可以形成重氮盐可以形成重氮盐，再转变成尿再转变成尿嘧啶嘧啶核核苷苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变DNA的碱的碱基组成。基组成。4

30、5 腺腺嘌呤嘌呤核核苷苷和鸟和鸟嘌呤嘌呤核核苷苷也能发生类似的反应也能发生类似的反应，分别生成次黄分别生成次黄嘌呤嘌呤核核苷（苷（inosine）和黄和黄嘌呤嘌呤核核苷苷（xanthosine）。）。这种碱基的变化这种碱基的变化，将影响或改变形成氢键的能力和方将影响或改变形成氢键的能力和方向向，导致导致DNA复制错误复制错误，是引起基因突变的重要原因是引起基因突变的重要原因之一之一。46 光聚合反应光聚合反应：胸腺胸腺嘧啶嘧啶碱基在紫外光照射下碱基在紫外光照射下，可以可以 发生二聚加成反应发生二聚加成反应：在在DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光

31、照射下，即可能发生上述聚合反应，紫外光照射下，即可能发生上述聚合反应，其结果是其结果是破坏了破坏了DNA分子复制功能。分子复制功能。47 环外氧原子的烷基化反应：鸟嘌呤环外氧原子的烷基化反应：鸟嘌呤6位上的羰基可位上的羰基可以异构化成烯醇式异构体。因此在一定的条件下可以以异构化成烯醇式异构体。因此在一定的条件下可以发生烷基化反应。发生烷基化反应。DNA用甲基化剂处理，可以得到用甲基化剂处理，可以得到6-甲氧基鸟嘌呤。甲基化的鸟嘌呤不再与胞嘧啶配对，甲氧基鸟嘌呤。甲基化的鸟嘌呤不再与胞嘧啶配对，而与胸腺嘧啶配对。而与胸腺嘧啶配对。正常情况与胞嘧啶配对正常情况与胞嘧啶配对烷烷基基化化烷基化后与胸腺

32、嘧啶配对烷基化后与胸腺嘧啶配对48常用的常用的烷烷基化剂主要有基化剂主要有：含氮碱基的紫外吸收光谱含氮碱基的紫外吸收光谱：嘌呤：嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基中碱基中都存在有都存在有-电子共电子共轭轭的杂环体系。因此在紫外区都有的杂环体系。因此在紫外区都有特征吸收峰。核酸的特征吸收峰。核酸的UV最大吸收约为最大吸收约为260nm，利用这利用这一性质可以和蛋白质区别开来一性质可以和蛋白质区别开来（蛋白质的蛋白质的UV最大吸收最大吸收峰为峰为280nm左右左右）。493.4 核酸的性质核酸的性质1.核酸的离解性质核酸的离解性质 多聚核多聚核苷苷酸链中含有两类可离解的基团酸链中含有两类可离解的基团。多

33、聚核多聚核苷苷酸链的离解性质与多酸链的离解性质与多肽肽链情况相似链情况相似，能能够发生两性离解够发生两性离解，也有等电点也有等电点。由于磷酸是一个中等由于磷酸是一个中等强度的酸强度的酸，而含氮碱基碱性很弱而含氮碱基碱性很弱，因此核酸的等电点因此核酸的等电点都在低都在低pH值范围内值范围内。DNA的等电点为的等电点为44.5，RNA的的等电点为等电点为22.5。DNA和和RNA等电点相差较大这一特等电点相差较大这一特点点，在在DNA和和RNA分离中具有重要意义分离中具有重要意义。50 DNA和和RNA等电点相差较大的原因等电点相差较大的原因，很容易从它很容易从它 们的结构特点来理解们的结构特点来

34、理解。RNA链中链中，核糖核糖2 -OH的氢原的氢原子能与磷酸子能与磷酸酯酯中的中的羟羟基氧原子形成氢键基氧原子形成氢键，促进了磷酸促进了磷酸酯羟酯羟基中氢原子的离解基中氢原子的离解。2.核酸的水解核酸的水解 酸或碱水解酸或碱水解：多聚核多聚核苷苷酸链在适当的条件下能酸链在适当的条件下能被酸或碱水解成核被酸或碱水解成核苷苷酸。但是酸。但是DNA和和RNA对酸或碱的对酸或碱的稳定性有很大的差别。例如稳定性有很大的差别。例如，在室温条件下在室温条件下，用用 0.1 mol/L NaOH溶液即可将溶液即可将RNA完全水解完全水解，得到得到2-或或 3-磷酸核磷酸核苷苷的混合物的混合物。51 在相同条

35、件下在相同条件下，DNA则不受影响则不受影响，说明说明DNA比比 RNA要稳定得多要稳定得多。这是因为这是因为，RNA分子中核糖分子中核糖2-OH的存在促进了磷酸的存在促进了磷酸酯酯键的水解过程键的水解过程。DNA和和RNA水解水解难易程度的不同具有极为重要的生理意义。难易程度的不同具有极为重要的生理意义。52 DNA作为遗传信息的携带者作为遗传信息的携带者，要求具有一定的稳要求具有一定的稳定性定性，而而RNA 在大多数情况下是作为在大多数情况下是作为DNA的信使的信使，完完成任务后即分解掉成任务后即分解掉，所以要求所以要求RNA具有易被水解的特具有易被水解的特性。性。酶水解酶水解：在生物体内

36、存在着多种核酸水解酶在生物体内存在着多种核酸水解酶(nuclease)。这些酶可以水解多聚核这些酶可以水解多聚核苷苷酸中的磷酸二酸中的磷酸二酯酯键。核酸水解酶一般可分为键。核酸水解酶一般可分为RNA水解酶水解酶(RNases)和和DNA水解酶水解酶(DNases)。核酸水解酶还可以根据其水解核酸方式分为两类核酸水解酶还可以根据其水解核酸方式分为两类：核酸外切酶核酸外切酶(exonucleases):能够从多聚核能够从多聚核苷苷酸链酸链的一端的一端(3-端或端或5 -端端)开始开始，逐步将核逐步将核苷苷酸水解酸水解下下来。来。53 核核苷苷酸内切酶酸内切酶(endonucleases):能够水解

37、多聚核能够水解多聚核苷苷酸链中某种核酸链中某种核苷苷酸形成的磷酸酸形成的磷酸酯酯键。不同的核酸水解键。不同的核酸水解酶的水解产物核酶的水解产物核苷苷酸也不同酸也不同，可以是可以是5-单磷酸核单磷酸核苷苷或或 3-单磷酸核单磷酸核苷。苷。最有意义的核酸水解酶是限制性核酸内切酶最有意义的核酸水解酶是限制性核酸内切酶(res-triction endonucleases)。它可以特异性的水解核酸中它可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。因此在核酸分子结构研究、某些特定碱基顺序部位。因此在核酸分子结构研究、基因重组技术等方面具有重要价值。下面是几种基因重组技术等方面具有重要价值。下面是几种DNA

38、 限制性内切酶水解限制性内切酶水解DNA的例子的例子。这些内切酶能够识别这些内切酶能够识别并水解某些具有对称因素的碱基顺序的部位并水解某些具有对称因素的碱基顺序的部位。5455 核酸水解酶催化水解的机制比较复杂。目前研究核酸水解酶催化水解的机制比较复杂。目前研究得比较清楚的是牛得比较清楚的是牛胰胰腺核糖核酸酶腺核糖核酸酶A(bovine pancreatic ribonuclease A,简称简称RNase A)。它能水解它能水解RNA链中含链中含嘧啶嘧啶碱基的核碱基的核苷苷酸与含酸与含嘌呤嘌呤碱基碱基核苷核苷酸之间形成的磷酸之间形成的磷酸酸酯酯键键，得到得到3-单磷酸核单磷酸核苷。苷。水解反

39、应机制见图水解反应机制见图4-7。563.5 核酸核酸碱基顺序分析碱基顺序分析中的化学反应中的化学反应 1.Maxam-Gilbert碱基顺序分析法碱基顺序分析法 核酸的碱基顺序分析是核酸化学和分子生物学核酸的碱基顺序分析是核酸化学和分子生物学的的重要基础之一。重要基础之一。1975年年，Maxam A和和Gilbert W发展了发展了一种核酸碱基顺序快速分析方法一种核酸碱基顺序快速分析方法。这种方法的基本原这种方法的基本原理是应用有机化学方法理是应用有机化学方法，选择性地切断某种特定核选择性地切断某种特定核苷苷酸酸(A,G,C,T)所形成的磷酸所形成的磷酸酯酯键。所以此法又称为化键。所以此法

40、又称为化学降解法学降解法(chemical cleavage method)。57 嘌呤嘌呤碱残基的选择性水解碱残基的选择性水解：核酸中的核酸中的嘌呤嘌呤碱基和碱基和嘧啶嘧啶碱基可以与硫酸二甲碱基可以与硫酸二甲酯酯作用作用，但反应条件及甲基化但反应条件及甲基化产物的性质不同产物的性质不同。在温和的条件下在温和的条件下，用硫酸二甲用硫酸二甲酯酯处理处理DNA,分别得到两种分别得到两种嘌呤嘌呤碱基的甲基化产物碱基的甲基化产物：N3-甲基腺甲基腺嘌呤嘌呤核核苷苷(N3-methyladenine)和和N7-甲基鸟甲基鸟嘌呤嘌呤核核苷苷(N7-methy1guanine)。58 不同碱基的甲基化产物对

41、于不同碱基的甲基化产物对于水解去水解去嘌呤嘌呤碱基反应敏碱基反应敏感程度感程度有明显差别有明显差别。N7-甲基鸟甲基鸟嘌呤嘌呤核核苷苷在中性条件下在中性条件下即能发生脱即能发生脱嘌呤嘌呤碱基反应碱基反应，而而N3-甲基腺甲基腺嘌呤嘌呤核核苷苷则应则应在酸性条件下才能发生脱在酸性条件下才能发生脱嘌呤嘌呤碱基反应。脱去了碱基反应。脱去了嘌呤嘌呤碱碱基的核糖磷酸基的核糖磷酸酯酯键键，在在0.1mol/L NaOH碱性条件下可以碱性条件下可以被水解切断。在此条件下被水解切断。在此条件下，其余的磷酸其余的磷酸酯酯键不受影响键不受影响。5960 嘧啶嘧啶碱残基的选择性水解碱残基的选择性水解：DNA链用肼处

42、理，其链用肼处理，其中的嘧啶碱残基被脱去，生成核糖腙衍生物，再在哌啶中的嘧啶碱残基被脱去，生成核糖腙衍生物，再在哌啶(piperidine)存在下水解，核糖腙存在下水解，核糖腙3-位的磷酸酯键则被水位的磷酸酯键则被水解断裂。解断裂。6162 根据上面反应原理，可以在不同反应条件下，选择根据上面反应原理，可以在不同反应条件下，选择性地切断分别由四种不同的核苷酸形成的磷酸酯键。注性地切断分别由四种不同的核苷酸形成的磷酸酯键。注意：不论嘌呤碱基或嘧啶碱基，在选择性水解后，在水意：不论嘌呤碱基或嘧啶碱基，在选择性水解后，在水解位点上的含氮碱基都消失了。解位点上的含氮碱基都消失了。例如一个多聚核苷酸链例

43、如一个多聚核苷酸链5-ATTGACTTAGCC-3,在在一定条件下，在一定条件下，在G处切断（伴随鸟嘌呤碱基脱去处切断（伴随鸟嘌呤碱基脱去），则），则有以下几种情况可能发生：有以下几种情况可能发生：63由此可见，一共可以得到由此可见，一共可以得到6种不同的多聚核苷酸片断（包种不同的多聚核苷酸片断（包括一条原来的括一条原来的DNA链）。它们可以用凝胶电泳链）。它们可以用凝胶电泳(electroph-oresis)方法分离方法分离图图3-11(a)。64 但是但是在实际上在实际上，这种电泳图谱还是很难解析。为了这种电泳图谱还是很难解析。为了解决这个问题解决这个问题，Maxam和和Gilbert找到

44、了找到了一个很好的解决一个很好的解决办法。在多聚核苷酸激酶作用下，将放射性同位素办法。在多聚核苷酸激酶作用下，将放射性同位素32p标标记到多聚核苷酸链的记到多聚核苷酸链的5-端上：端上：32P-ATTGACTTAGCC。这样，用上述方法在这样，用上述方法在 G 处切断后得到的处切断后得到的 6 个片断中，有个片断中，有三个含有三个含有32p的标记物，即的标记物，即32P-ATT,32P-ATTGACTTA和和32P-ATTGACTTAGCC。用放射显影方法很容易识别。用放射显影方法很容易识别图图3-11(b)。多聚核苷酸片断的长度与它在凝胶电泳中移动。多聚核苷酸片断的长度与它在凝胶电泳中移动的

45、速率成反比。的速率成反比。65 因此，根据图因此，根据图3-11(b)，很容易得出，很容易得出 G在多聚核苷酸在多聚核苷酸链中所处的位置为第链中所处的位置为第4和第和第10。再分别在。再分别在A,C和和T处切断，处切断，即可将即可将A,G,C,T在多聚核苷酸链中位置全部确定。在多聚核苷酸链中位置全部确定。Maxam-Gilbert碱基顺序分析法主要过程如图碱基顺序分析法主要过程如图3-12所示。所示。6667682.Sanger碱基顺序分析法碱基顺序分析法 1976年，年，Sanger F发展了一种新的核酸碱基顺序发展了一种新的核酸碱基顺序分析法。分析法。Sanger法比法比Maxam-Gil

46、bert法应用更为广泛法应用更为广泛，因为它能用于测定更长的多聚核因为它能用于测定更长的多聚核苷苷酸链的碱基顺序酸链的碱基顺序，并且可以实现分析过程自动化。并且可以实现分析过程自动化。Sanger法的基本原理与法的基本原理与Maxam-Gilbert法有相似法有相似之处之处，都是通过得到多种不同长度的聚核都是通过得到多种不同长度的聚核苷苷酸片断酸片断，进行凝胶电泳后从电泳图谱上读出被测多聚核进行凝胶电泳后从电泳图谱上读出被测多聚核苷苷酸的酸的碱基顺序。但是碱基顺序。但是，它们在实施方法上则完全不同它们在实施方法上则完全不同。69此法是将待测定的此法是将待测定的DNA单链作为单链作为DNA复制的

47、模板复制的模板，在在 DNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase,一种催化一种催化DNA合成的酶合成的酶)催化下催化下，在有四种脱氧核在有四种脱氧核苷苷三磷酸三磷酸(2-deoxynucle-oside triphosphate,dNTP)和四种脱二氧核和四种脱二氧核苷苷三磷酸三磷酸(2,3-dideoxynucleoside triphosphate,ddNTP)参与下参与下，合成出各种长度的合成出各种长度的DNA片断片断，再进行凝胶电泳和放射再进行凝胶电泳和放射性显影性显影，从图谱上直接读出待测从图谱上直接读出待测 DNA的互补碱基顺序的互补碱基顺序。由于此法的关键是利用脱二氧核由于

48、此法的关键是利用脱二氧核苷苷三磷酸终止三磷酸终止 DNA链链的增长而实现的的增长而实现的，所以又称为链终所以又称为链终止法止法(chain-terminator method)。70 在在DNA聚合酶作用下聚合酶作用下，ddNTP可以和可以和dNTP同时同时参与参与DNA链的合成。当链的合成。当ddNTP与脱氧核苷酸链端基的与脱氧核苷酸链端基的3-OH形成磷酸形成磷酸酯酯键后键后，由于由于ddNTP本身的本身的3-H不能不能继续参与链增长反应继续参与链增长反应，因而成为链的因而成为链的3-端端（终端终端）。因此在以待测的因此在以待测的DNA单链为模板进行复制时单链为模板进行复制时，就可以就可以

49、得到以四种得到以四种ddNTP为终端的不同长度的为终端的不同长度的DNA片断片断，而而这些片断相当于用这些片断相当于用Maxam-Gilbert法水解得到的片断。法水解得到的片断。ddNTP：双脱氧核苷酸双脱氧核苷酸71723.RNA的碱基顺序分析法的碱基顺序分析法 RNA的碱基顺序分析方法稍为复杂一些的碱基顺序分析方法稍为复杂一些。首先是首先是应用逆转录法应用逆转录法，以待测的以待测的RNA为模板为模板，在逆转录酶在逆转录酶(reverse transcriptase,又称为又称为RNA-directed DNA poly-merase)催化下催化下，合成合成DNA（一种与一种与RNA互补的互补的 DNA分子分子，常用常用cDNA表示表示）。然后用。然后用Maxam-Gilbert法或法或Sanger法测定法测定DNA的碱基顺序的碱基顺序，再得出再得出 RNA的碱基顺的碱基顺序序。