生物化学与分子生物学/核酸的化学组成以及一级结构

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核酸的结构与功能- 核酸的化学组成以及一级结构 - DNA的空间结构与功能 - RNA的空间结构与功能 - 核酸的理化性质
核酸在核酸酶作用下水解成核苷酸(nucleotide), 而核苷酸完全水解后可释放出等摩尔的碱基、戊糖和磷酸。这表明构成核酸的基本组分之间具有一定的比例关系。DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸(deoxyribonucleotide), 而RNA的基本组成单位是核糖核昔酸(ribonucleotide)。

核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位[编辑]

构成核酸分子主要元素有C、H、O、N、P等。其中P元素约占9%-10%,且含量比较恒定,因此可以运用定磷法测定核苷酸的含量。
核酸是一种线性多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸由核苷和磷酸组成,核苷又由戊糖和碱基以β-N-糖苷键链接而成。
构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物,可分为嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)两类。常见的嘌呤包括鸟嘌呤(guanine,简写为G)、腺嘌呤(adenine,简写为A);常见的嘧啶包括胸腺嘧啶(thymin,简写为T)、尿嘧啶(uracil,简写为U)和胞嘧啶(cytosine,简写为C)。其中DNA的碱基组成是:A、T、G、C;RNA的碱基组成是:A、U、G、C。碱基的各个原子分别加以编号以便于区分。受到所处环境pH的影响,碱基的酮基和氨基可以形成酮-烯醇(keto-enol)互变异构体或氨基-亚氨基(amino-imino)互变异构体 ,这为碱基之间以及碱基与其他化学功能团之间形成氢键提供了结构基础。
还有两种常见的环核苷酸:cAMP、cGMP,这两种环核苷酸一般可作为第二信使在细胞中发挥作用。在某些RNA分子中也有胸腺嘧啶,少数几种噬菌体的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。在DNA和RNA中,尤其是tRNA中还有一些含量甚少的碱基,称为稀有碱基(rare bases)稀有碱基种类很多,大多数是甲基化碱基。tRNA中含稀有碱基高达10%。
核糖(ribose)是构成核节酸的另一个基本组分。为了有别于碱基的原子,核糖的碳原子标以C-1'、C-2'、…、C-5'。核糖有β-D-核糖(β-D-ribose)和β-D-2'-脱氧核糖(β-D-2'-deoxyribose)之分。两者的差别仅在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢,这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多。核糖存在于RNA中,而脱氧核糖存在于DNA中。RNA中含有稀有碱基,并且还存在异构化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用ψ表示),在它的结构中戊糖的C-1不是与尿嘧啶的N-1相连接,而是与尿嘧啶C-5相连接。
核苷(nucleoside)是碱基与核糖的缩合反应的产物。核糖的 C-1'原子和嘌呤的N-9原子或者嘧啶的N-1原子通过缩合反应形成了β-N-糖苷键(β-N-glycosidic bond)。在天然条件下,由于空间位阻效应,核糖和碱基处在反式构象(trans conformation)。同理,碱基与脱氧核糖的反应可以生成脱氧核苷(deoxynucleoside)。
核苷酸的生物学功能:

  • 参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成;
  • 在能量转化中起重要作用,ATP是生物体内能量的通用货币;
  • 是构成多种辅酶的成分:NAD、NADP、FAD、FMN和CoA;
  • 参与细胞的代谢与调节(cAMP、cGMP)。

DNA是脱氧核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子[编辑]

DNA是多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子,脱氧核糖核苷酸之间是通过3',5'-磷酸二酯键(phosphodiester bond)共价连接的。这条多聚脱氧核糖核苷酸分子的一端是连接在C-5'原子上的磷酸基团,另一端是C-3'原子上的羟基,它们分别称为5'-端(5'-end)和3'-端(3'-end)。这条多聚脱氧核糖核苷酸链的3'-羟基可以与另一 个游离的脱氧核苷三磷酸的α-磷酸基团发生缩合反应,生成了一个新的3',5'-磷酸二酯键,并将原来的多聚脱氧核糖核苷酸链在3'-端增加了一个脱氧核糖核苷酸。这个延长的多聚脱氧核糖核苷酸链的3'-端仍然保留着一个羟基,它可以继续与游离的脱氧核苷三磷酸的α-磷酸基团反应,继续生成一个新的3',5'-磷酸二酯键。这样的反应可以反复进行下去生成一条多聚脱氧核苷酸链(polydeoxyribonucleotides),即DNA链。多聚脱氧核苷酸链只能从它的3'-端得以延长,由此,DNA链有了5'→3' 的方向性。

RNA是核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子[编辑]

与DNA相似,RNA是多个核苷酸分子在RNA聚合酶催化下通过3',5'-磷酸二酯键连接形成的线性大分子,并且也具有5'→3'的方向性。虽然核糖核苷酸的C-2'原子也有一个羟基,但是多聚核糖核苷酸分子的磷酸二酯键一般只能在C-3'原子和C-5'原子之间形成。
RNA与DNA的差别仅在于:

  • RNA的戊糖环是核糖而不是脱氧核糖;
  • RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶,一般没有胸腺嘧啶,所以构成RNA的4种基本核昔酸是AMP、GMP、CMP和UMP。

DNA的一级结构是核苷酸的排列顺序[编辑]

核酸的一级结构以及书写法

基于DNA链和RNA链的方向性,人们把RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸从5'-端至3'-端的排列顺序定义为核酸的一级结构(primary structure)。核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同,因此核酸的一级结构也就是它的碱基序列(base sequence)。
核酸分子的大小常用核苷酸数目(nucleotide或nt,用于单链DNA或RNA)或碱基对数目(base pair, bp或kilobase pair, kb,用于双链DNA)来表示。长度短于50个核苷酸的核酸的片段常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA的长度可以高达几十万个碱基对。DNA携带的遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。可以想象,一个由n个脱氧核苷酸组成的DNA会有4n种不同的排列组合,从而提供了巨大的遗传信息编码潜力。 碱基的组成:在所有的DNA中A=T、G=C,即A+G=T+C。DNA的碱基组成具有种的特异性,即不同的生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成,但是没有组织和器官的特异性。
DNA一级结构的表示方法:

  • 结构式表示法
  • 线条式表示法
  • 字母式表示法