生物化學與分子生物學/核酸的化學組成以及一級結構

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核酸的結構與功能- 核酸的化學組成以及一級結構 - DNA的空間結構與功能 - RNA的空間結構與功能 - 核酸的理化性質
核酸在核酸酶作用下水解成核苷酸(nucleotide), 而核苷酸完全水解後可釋放出等摩爾的鹼基、戊糖和磷酸。這表明構成核酸的基本組分之間具有一定的比例關係。DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸(deoxyribonucleotide), 而RNA的基本組成單位是核糖核昔酸(ribonucleotide)。

核苷酸和脫氧核苷酸是構成核酸的基本組成單位[編輯]

構成核酸分子主要元素有C、H、O、N、P等。其中P元素約占9%-10%,且含量比較恆定,因此可以運用定磷法測定核苷酸的含量。
核酸是一種線性多聚核苷酸,它的基本結構單位是核苷酸。核苷酸由核苷和磷酸組成,核苷又由戊糖和鹼基以β-N-糖苷鍵連結而成。
構成核苷酸中的鹼基是含氮雜環化合物,可分為嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)兩類。常見的嘌呤包括鳥嘌呤(guanine,簡寫為G)、腺嘌呤(adenine,簡寫為A);常見的嘧啶包括胸腺嘧啶(thymin,簡寫為T)、尿嘧啶(uracil,簡寫為U)和胞嘧啶(cytosine,簡寫為C)。其中DNA的鹼基組成是:A、T、G、C;RNA的鹼基組成是:A、U、G、C。鹼基的各個原子分別加以編號以便於區分。受到所處環境pH的影響,鹼基的酮基和氨基可以形成酮-烯醇(keto-enol)互變異構體或氨基-亞氨基(amino-imino)互變異構體 ,這為鹼基之間以及鹼基與其他化學功能團之間形成氫鍵提供了結構基礎。
還有兩種常見的環核苷酸:cAMP、cGMP,這兩種環核苷酸一般可作為第二信使在細胞中發揮作用。在某些RNA分子中也有胸腺嘧啶,少數幾種噬菌體的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。在DNA和RNA中,尤其是tRNA中還有一些含量甚少的鹼基,稱為稀有鹼基(rare bases)稀有鹼基種類很多,大多數是甲基化鹼基。tRNA中含稀有鹼基高達10%。
核糖(ribose)是構成核節酸的另一個基本組分。為了有別於鹼基的原子,核糖的碳原子標以C-1'、C-2'、…、C-5'。核糖有β-D-核糖(β-D-ribose)和β-D-2'-脫氧核糖(β-D-2'-deoxyribose)之分。兩者的差別僅在於脫氧核糖中與2』位碳原子連結的不是羥基而是氫,這一差別使DNA在化學上比RNA穩定得多。核糖存在於RNA中,而脫氧核糖存在於DNA中。RNA中含有稀有鹼基,並且還存在異構化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用ψ表示),在它的結構中戊糖的C-1不是與尿嘧啶的N-1相連接,而是與尿嘧啶C-5相連接。
核苷(nucleoside)是鹼基與核糖的縮合反應的產物。核糖的 C-1'原子和嘌呤的N-9原子或者嘧啶的N-1原子通過縮合反應形成了β-N-糖苷鍵(β-N-glycosidic bond)。在天然條件下,由於空間位阻效應,核糖和鹼基處在反式構象(trans conformation)。同理,鹼基與脫氧核糖的反應可以生成脫氧核苷(deoxynucleoside)。
核苷酸的生物學功能:

  • 參與DNA、RNA的合成、蛋白質的合成、糖與磷脂的合成;
  • 在能量轉化中起重要作用,ATP是生物體內能量的通用貨幣;
  • 是構成多種輔酶的成分:NAD、NADP、FAD、FMN和CoA;
  • 參與細胞的代謝與調節(cAMP、cGMP)。

DNA是脫氧核糖核苷酸通過3',5'-磷酸二酯鍵聚合形成的線性大分子[編輯]

DNA是多個脫氧核糖核苷酸聚合而成的線性大分子,脫氧核糖核苷酸之間是通過3',5'-磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)共價連接的。這條多聚脫氧核糖核苷酸分子的一端是連接在C-5'原子上的磷酸基團,另一端是C-3'原子上的羥基,它們分別稱為5'-端(5'-end)和3'-端(3'-end)。這條多聚脫氧核糖核苷酸鏈的3'-羥基可以與另一 個游離的脫氧核苷三磷酸的α-磷酸基團發生縮合反應,生成了一個新的3',5'-磷酸二酯鍵,並將原來的多聚脫氧核糖核苷酸鏈在3'-端增加了一個脫氧核糖核苷酸。這個延長的多聚脫氧核糖核苷酸鏈的3'-端仍然保留著一個羥基,它可以繼續與游離的脫氧核苷三磷酸的α-磷酸基團反應,繼續生成一個新的3',5'-磷酸二酯鍵。這樣的反應可以反覆進行下去生成一條多聚脫氧核苷酸鏈(polydeoxyribonucleotides),即DNA鏈。多聚脫氧核苷酸鏈只能從它的3'-端得以延長,由此,DNA鏈有了5'→3' 的方向性。

RNA是核糖核苷酸通過3',5'-磷酸二酯鍵聚合形成的線性大分子[編輯]

與DNA相似,RNA是多個核苷酸分子在RNA聚合酶催化下通過3',5'-磷酸二酯鍵連接形成的線性大分子,並且也具有5'→3'的方向性。雖然核糖核苷酸的C-2'原子也有一個羥基,但是多聚核糖核苷酸分子的磷酸二酯鍵一般只能在C-3'原子和C-5'原子之間形成。
RNA與DNA的差別僅在於:

  • RNA的戊糖環是核糖而不是脫氧核糖;
  • RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶,一般沒有胸腺嘧啶,所以構成RNA的4種基本核昔酸是AMP、GMP、CMP和UMP。

DNA的一級結構是核苷酸的排列順序[編輯]

核酸的一級結構以及書寫法

基於DNA鏈和RNA鏈的方向性,人們把RNA的核苷酸和DNA的脫氧核苷酸從5'-端至3'-端的排列順序定義為核酸的一級結構(primary structure)。核苷酸之間的差異僅在於鹼基的不同,因此核酸的一級結構也就是它的鹼基序列(base sequence)。
核酸分子的大小常用核苷酸數目(nucleotide或nt,用於單鏈DNA或RNA)或鹼基對數目(base pair, bp或kilobase pair, kb,用於雙鏈DNA)來表示。長度短於50個核苷酸的核酸的片段常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA的長度可以高達幾十萬個鹼基對。DNA攜帶的遺傳信息完全依靠鹼基排列順序變化。可以想像,一個由n個脫氧核苷酸組成的DNA會有4n種不同的排列組合,從而提供了巨大的遺傳信息編碼潛力。 鹼基的組成:在所有的DNA中A=T、G=C,即A+G=T+C。DNA的鹼基組成具有種的特異性,即不同的生物物種的DNA具有自己獨特的鹼基組成,但是沒有組織和器官的特異性。
DNA一級結構的表示方法:

  • 結構式表示法
  • 線條式表示法
  • 字母式表示法