食品生物化学专业综述Word下载.docx

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并指出了信息在复制、传递及表达过程中的一般规律，即DNA→RNA→蛋白质。

遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中，它们以功能单位在染色体上占据一定的位置构成基因（gene）。

因此，搞清DNA顺序无疑是非常重要的。

1975年Sanger发明的DNA测序（DNAsequencing）加减法为实现这一企图起了关键性的作用。

由此而发展起来的大片段DNA顺序快速测定技术──Maxam和Gilbert的化学降解法（1977年）和Sanger的末端终止法（1977年），已是核酸结构与功能研究中不可缺少的分析手段。

中国学者洪国藩于1982年提出了非随机的有序DNA测序新策略，对DNA测序技术的发展作出了重要贡献。

凭借先进的DNA测序技术及其它基因分析手段，人类正在进行一项以探明自身基因组（genome）全部核苷酸顺序（单倍基因组含3×

109碱基对）为目标的宏伟计划──人类基因组图谱制作计划（humangenomemappingproject）。

据称，此项计划的实现，将对全人类的健康产生无止境的影响。

Watson-Crick模型创立36年后的1989年，一项新技术──扫描隧道显微镜（scanningtummelingmicroscopy,STM）使人类首次能直接观测到近似自然环境中的单个DNA分子的结构细节，观测数据的计算机处理图像能在原子级水平上精确度量出DNA分子的构型、旋转周期、大沟（majorgroove）及小沟（minorgroove）。

这一成果是对DNA双螺旋结构模型真实性的最直接而可信的证明。

此项技术无疑会对人类最终完全解开遗传之谜提供有力的帮助。

可喜的是，中国科学家在这项世界领先的研究中也占有一席之地。

正文：

一、核酸的分类　

根据分子中所含戊糖的种类核酸可分为核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）。

DNA主要存在于细胞核和线粒体内，它是生物遗传的主要物质基础，承担体内遗传信息的贮存和发布。

约90％的RNA在细胞质中，而在细胞核内的含量约占10％，它直接参与体内蛋白质的合成。

根据RNA在蛋白质合成过程中所起的作用不同又可分为三类：

1．核蛋白体RNA（ribosomalRNA，rRNA），又称核糖体RNA，细胞内RNA的绝大部分（80％-90％）都是核蛋白体组织。

它是蛋白质合成时多肽链的“装配机”。

参与蛋白质合成的各种成分最终必须在核蛋白体上将氨基酸按特定顺序合成多肽链。

2．信使RNA（messengerRNA，mRNA），它是合成蛋白质的模板，在蛋白质合成时，控制氨基酸排列顺序。

3．转运RNA（transferRNA，tRNA）。

在蛋白质的合成过程中，tRNA是搬运氨基酸的工具。

氨基酸由各自特异的tRNA“搬运”到核蛋白体，才能“组装”成多肽链。

二、核酸的基本物质组成

温习提示：

单糖的基本结构，杂环化合物中嘌呤和嘧啶的结构，糖苷的概念和糖的磷酸化。

核酸分子中所含主要元素有C、H、O、N、P等。

其中含磷量为9％—10％，由于各种核酸分子中含磷量比较接近恒定，故常用含磷量来测定组织中核酸的含量。

核酸也称多核苷酸（polynucleotide）,是由数10个以至千万计的单核苷酸（mucleotide）组成。

核酸完全水解可以得到磷酸、嘌呤碱和嘧啶碱（简称碱基）、核糖和脱氧核糖。

两类核酸水解所得产物列于表1中。

表1核酸水解后的主要最终产物

水解产物类别RNADNA

酸磷酸磷酸

戊糖D-核糖D-2-脱氧核糖

嘌呤碱腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤

嘧啶碱胞嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶

核酸中的戊糖有两类，即β-D-核糖和β-2-D-脱氧核糖，β-D-核糖存在于RNA中，而β-2-D-脱氧核糖存在于DNA中。

它们的结构及编号如下：

β-D-核糖β-2-D-脱氧核糖

RNA和DNA中所含的嘌呤碱相同，都含有腺嘌呤和鸟嘌呤。

而含的嘧啶碱不同，两者都含有胞嘧啶，RNA中含的尿嘧啶而不含胸腺嘧啶，DNA中恰相反。

两类碱基的结构及缩写符号如下：

两类碱基可发生酮式-烯醇式互变，如：

在生理条件下或者酸性和中性介质中，它们均以酮式为主。

三、核酸的一级结构

3．1核苷的结构

核苷（nucleoside）是由碱基与核糖C1上的β-半缩醛羟基与嘌呤碱9位或嘧啶碱1位氮原子上的氢脱水缩合而成的氮苷。

在核苷的结构式中，戊糖上的碳原子的编号总是以带撇数字表示，以区别于碱基上原子的编号。

核苷命名时，如果是核糖，词尾用“苷”字，前面加上碱基名称即可。

如腺嘌呤核苷，简称腺苷。

如果是脱氧核糖，则在核苷前加上“脱氧”二字，如胞嘧啶脱氧核苷，简称为脱氧胞苷。

氮苷与氧苷一样对碱稳定，但在强酸溶液中可发生水解，生成相应的碱基和戊糖。

在DNA中常见的4种脱氧核糖核苷的结构式及名称如下：

RNA中常见的4种核苷的结构式及名称如下：

3．2单核苷酸的结构

核苷酸（nucleotide）是核苷分子中的核糖或脱氧核糖的3′或5′位的羟基与磷酸所生成的酯。

生物体内大多数为5′核苷酸。

组成RNA的核苷酸有腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和尿苷酸，组成DNA的核苷酸有脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸。

腺苷酸和脱氧胞苷酸结构如下：

核苷酸的命名要包括糖基和碱基的名称，同时要标出磷酸连在戊糖上的位置。

例如：

腺苷酸又叫腺苷-5′-磷酸（adenosine-5′-phosphate）或腺苷一磷酸（adenosinemonophosphateAMP）。

如果糖基为脱氧核糖，则要在核苷酸前加“脱氧”二字。

脱氧胞苷酸又叫脱氧胞苷-5′—磷酸或脱氧胞苷一磷酸（deoxycytidinemonophosphatedCMP）等。

除了DNA和RNA的核苷酸以外，还有一些具有生物学重要性的核苷酸，它们在细胞中也执行着某些重要功能。

例如三磷酸腺苷ATP，它是由腺嘌呤、戊糖（核糖）以及三个磷酸基连接而成的化合物。

把最后两个磷酸基连接到核苷酸的键，称为高能磷酸键（用“～”表示），它是生物的直接供能物质，在生物体内的代谢、贮存和利用等都是以ATP为中心，同时ATP还参与许多重要的生化反应。

图1中表示ATP（三磷酸腺苷）的结构：

图1腺嘌呤核苷酸ATP（三磷酸腺苷）的结构

3．3核苷酸的连接

核酸分子中各种核苷酸排列的顺序即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。

由于核苷酸间的差别主要是碱基不同，又称为碱基序列。

在核酸分子中，各核苷酸间是通过3′、5′-磷酸二酯键来连接的。

即一个核苷酸的3′—羟基与另一个核苷酸5′-磷酸基形成的磷酯键，这样一直延续下去，形成没有支链的核酸大分子。

DNA和RNA的部分多核苷酸链结构可用图2简式表示：

图2DNA和RNA的链状结构

以上表示方法直观易懂，但书写麻烦。

为了简化繁琐的结构式，常用P表示磷酸，用竖线表示戊糖基，表示碱基的相应英文字母置于竖线之上，用斜线表示磷酸和糖基酯键。

以上RNA、DNA的部分结构可表示如下。

还可用更简单的字符表示，如上面RNA和DNA的片段可表示为：

RNA5′pApGpCpU-OH3′或5′AGCU3′

DNA5′pApGpCpT-OH3′或5′AGCT3′

根据核酸的书写规则，DNA和RNA的书写应从5′端到3′端。

四、核酸的二级结构

核酸链在氢键的维持下，形成复杂的高级结构——二级和三级结构，本章仅讨论核酸的二级结构。

４．1DNA的双螺旋结构

氢键

关于DNA分子结构的研究，早在二十世纪四十年代就已经开始，直到1953年，Watson和Crick才根据前人研究的X射线和化学分析结果，提出了著名的DNA分子的双螺旋（dtreblehelix）结构模型。

根据这一模型设想的DNA分子由两条核苷酸链组成。

它们沿着一个共同轴心以反平行走向盘旋成右手双螺旋结构，如图3所示，在这种双螺旋结构中，亲水的脱氧戊糖基和磷酸基位于双螺旋的外侧，而碱基朝向内侧。

一条链的碱基与另一条链的碱基通过氢键结合成对，如图4所示。

碱基对的平面与螺旋结构的中心轴垂直。

这种结构象一个盘旋的梯子：

梯子的外边，是两条由戊糖（脱氧核糖）和磷酸基交替排列而成的多核苷酸主链，两条链之间填入相互配对的碱基，这样就形成了梯子的横档，并且把两条链拉在一起。

配对碱基始终是腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，形成两个氢键（A

T），鸟嘌吟（G）与胞嘧啶（C）配对，形成三个氢键（G

C）。

由于几何形状的限制，只能由嘌呤和嘧啶配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。

若两个嘌呤碱配对，则体积太大无法容纳，若两个嘧啶碱配对，由于两链之间距离太远，无法形成氢键。

这些碱基间互相匹配的规律称为碱基互补规律（basecomplementry）或碱基配对规律。

在双螺旋结构中，双螺旋直径为2000pm，相邻两个碱基对平面间的距离为340pm，每10对碱基组成一个螺旋周期，因此双螺旋的螺距为3400pm。

碱基间的疏水作用可导致碱基堆积，这种堆积力维系着双螺旋的纵向稳定，而维系双螺旋横向稳定的因素是碱基对间的氢键。

由碱基互补规律可知，当DNA分子中一条多核苷酸链的碱基序列确定后，即可推知另一条互补的多核苷酸链的碱基序列。

这就决定了DNA在控制遗传信息，从母代传到子代的高度保真性。

图3DNA的双螺旋结构

图4配对碱基间氢键示意图

沿螺旋轴方向观察，碱基对并不充满双螺旋的空间。

由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的外部形成了一个大沟（majorglloove）和一个小沟（minorgroove）。

这些沟对DNA和蛋白质的相互识别是非常重要的。

因为只有在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋结构的表面，是脱氧核糖和磷酸的重复结构，不可能提供信息。

DNA右手双螺旋结构模型是DNA分子在水溶液和生理条件下最稳定的结构，称为B-DNA。

此外，人们还发现了Z-DNA和A-DNA，可见，自然界DNA的存在形式不是单一的。

４．2RNA的二级结构简介

大多数天然RNA以单链形式存在，但在单链的许多区域可发生自身回折，在回折区内，可以相互配对的碱基以A-U与G-C配对，分别形成两个或三个氢键，配对的多核苷酸链（约占40％-70％）形成双螺旋结构，不能配对的碱基则形成突环，如图5所示。

图5RNA的二级结构图6酪氨酰转移RNA的三叶草结构

tRNA、mRNA和rRNA的功能不同，它们的二级结构也有差异。

其中对tRNA的结构的研究较多，了解最为清楚。

已发现的tRNA的二级结构非常相似，形状都类似于三叶草，称三叶草结构（cloverleafstructure）。

图6为酪氨酰转移RNA的三叶草结构。

三叶草结构一般分五个部分，与氨基酸连接的部位称氨基酸臂，此外还I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个突环，其中Ⅱ环是带有反密码子的环（图中用实心方块表示）。

由7个核苷酸组成。

环中部为反密码子，由三个碱基组成。

这种含有一个未配对碱基的暴露三联体（反密码子），同tRNA分子上携带的特定氨基酸的相应三联体（密码子）是互补的。

在tRNA中，碱基配对不像在DNA中那样严格，有时C与U可以配对，但结合力不如G与C那样牢固。

五、核酸的理化性质

DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。

两者均微溶于水，易溶于稀碱溶液,其钠盐在水中的溶解度比较大。

DNA和RNA都不溶于乙醇、乙醚、氯仿等一般有机溶剂，而易溶于2-甲氧基乙醇中。

核酸分子中存在嘌吟和嘧啶的共轭结构，所以它们在波长260nm左右有较强的紫外吸收，这常用于核酸、核苷酸、核苷及碱基的定量分析。

核酸溶液的粘度比较大，DNA的粘度比RNA更大，这是DNA分子的不对称性引起的。

5．1核酸的水解

在酸、碱（用于RNA）、酶的作用下，大分子核酸的磷酸酯键或N-糖苷键可水解。

根据需要选择适合的方法及反应条件，得到不同程度的水解产物。

在碱催化下，RNA比DNA容易水解。

RNA分子中，由于戊糖基2′上—OH的氧原子亲核性进攻，形成有张力的5元环磷酸酯中间体，然后在氢氧根的作用下开环，得到2′-磷酸酯和3′-磷酸酯，所以RNA不稳定，容易发生降解反应。

而DNA分子中，戊糖基2′上没有—OH，不能形成5员环磷酸酯中间体，所以DNA较为稳定，对水解具有较大的抗拒作用。

在酶的作用下水解时，根据核酸酶作用方式，可分为核酸外切酶和核酸内切酶两种。

核酸外切酶只切断多核苷酸末端的1个核苷酸。

核酸外切酶切断磷酸酯键部位有两种方式。

蛇毒磷酸外酯酶，从游离3′-OH开始移向5′-末端，并释放出核苷5′-磷酸；

而脾磷酸二酯酶则从游离5′-OH开始移向3′-末端，释放出核苷3′-磷酸。

核酸内切酶与核酸外切酶作用相似，但仅作用在多核苷酸内部的磷酸二酯键。

5．2核酸的酸碱性

核酸分子中既含磷酸基，又含嘌呤和嘧啶碱，所以它是两性化合物，但酸性大于碱性。

它能与金属离子成盐，又能与一些碱性化合物生成复合物。

它能与链霉素结合而从溶液中析出沉淀。

它还能与一些染料结合，这在组织化学研究中，可用来帮助观察细胞内核酸成分的各种细微结构。

核酸在不同的配pH值溶液中，带有不同电荷，因此它可象蛋白质一样，在电场中产生电泳现象。

迁移的方向和速率与核酸分子的电荷量、分子的大小和分子的形状有关。

5．3核酸的变性、复性和杂交

核酸在加热、酸、碱或乙醇、丙酮、尿素、酰胺等有机溶剂作用下，分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线团结构的现象，称核酸的变性。

在变性过程中，破坏了维持双螺旋结构稳定性的氢键和碱基间的堆积力，而磷酸二酯键不会断裂，所以变性不破坏核酸的一级结构。

变性后使核酸的一些理化性质发生改变，如在260nm处紫外吸收增强，溶液的粘度下降，沉降速度增加等。

同时，变性也可使核酸的生物功能发生改变或丧失。

在核酸的变性中，DNA的变性最为常见。

由加热引起的DNA变性称为热变性。

DNA的热变性可提供有关DNA组织的特殊信息，对它的研究比较深入。

DNA的变性是可逆的。

在适当的条件下，变性DNA的两条互补链全部或部分恢复到双螺旋结构的现象，称为复性（renaturation）。

热变性的DNA，一般经缓慢冷却后，即可复性。

这一过程称为“退火”（annealing）。

如果将热变性的DNA快速冷却至低温，则变性的DNA分子很难复性，这一性质，可用来保持DNA的变性状态。

分子杂交是以核酸的变性与复性为基础的，不同来源的两条单链DNA，只要它们有大致相同的碱基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双螺旋，这种按碱基配对而使不完全互补的两条链相互结合，称为杂交。

不仅DNA单链与DNA的同源单链之间可以进行杂交，而且序列互补单链的DNA和RNA、RNA和DNA或RNA和RNA，根据碱基配对原则，借助氢键相连也可以形成杂交分子。

利用杂交技术可以求出特定基因效率、基因组织的特点、基因结构和定位以及基因表达等，是当今分子生物学常用的重要技术，将在分子生物学中详细讨论。

六、基因与遗传密码

6．1基因

从简单生物病毒到高等生物人类，遗传繁殖的功能都是由DNA执行的。

时至今日，生物体的遗传物质就是DNA，已无可争议。

在1909年，Johannsen提出用基因（gene）一词来表示遗传物质时，对DNA与基因的关系几乎是一无所知的。

甚至到20世纪50年代，还有人坚持说基因是没有物质基础的一种唯心臆测出来的空洞概念。

现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片断。

核酸的生物功能主要体现在两个方面：

一是DNA分子的自我复制，以确保从亲代到子代的真实性；

二是以DNA为模板，通过RNA控制合成蛋白质。

后一功能是通过基因来实现的。

基因是生命遗传的基本单位，基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。

人类基因组（genome）约含6万～10万个基因，由约30亿个碱基对（basepair，bp）组成，蕴藏着生命的奥秘。

分布在细胞核的23对染色体上，并在染色体上呈线性排列。

始于1990年的国际人类基因组计划，被誉为生命科学的“登月”计划，原计划2005年完成，在美、英、日、法、德、和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，比原计划提前2年，在认识自我漫漫长路上迈出重要一步。

值得一提的是，我国是参与这一计划的唯一发展中国家。

当Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时，他们就己推测，由于DNA两股链之间有准确的碱基配对关系，一股链的DNA碱基序列可以严格地确定其互补链的碱基顺序。

当细胞分裂时，两条螺旋的多核苷酸链之间的氢键断裂，DNA双链解开，然后每条链各作为模板在其上合成新的互补链。

这样新形成的两个子代DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。

无论以那一股单链作模板，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。

按着半保留复制的规律，子代DNA保留了亲代DNA所有遗传信息。

这种遗传信息通过转录，翻译的过程来表达，决定着细胞的代谢类型和生物特性。

遗传信息传递方向的这种规律称为中心法则（centraldogma）。

直到20世纪70年代，由于逆转录等科学上的不断新发现，对此法则提出了一些补充和修正。

中心法则代表了大多数生物遗传信息贮存和表达的规律，并奠定了在分子水平上研究遗传、繁殖、进化、代谢类型、生长发育、生命起源、健康与疾病等生命科学上的关键问题的理论基础。

6．2遗传密码

蛋白质的生物合成过程是生物遗传信息得以表达的最后一个阶段，可以认为蛋白质是体现生命现象最主要的物质基础。

20世纪50年代中期，DNA作为蛋白质合成的模板已得到公认。

表2遗传密码

氨基酸

密码

密码数目

甘氨酸

GGUGGCGGAGGG

4

丙氨酸

GCUGCCGCAGCG

缬氨酸

GUUGUCGUAGUG

亮氨酸

UUAUUGCUUCUCCUACUG

6

异亮氨酸

AUUAUCAUA

3

丝氨酸

UCUUCCUCAUCGAGUAGC

苏氨酸

ACUACCACAACG

半胱氨酸

UGUUGC

2

蛋氨酸

AUG

1

天冬氨酸

GAUGAC

谷氨酸

GAAGAG

天冬酰胺

AAUAAC

谷氨酰胺

CAACGA

精氨酸

CGUCGCCGACGGAGAAGG

赖氨酸

AAAAAG

苯丙氨酸

UUUUUC

酪氨酸

UAUUAC

脯氨酸

CCUCCCCCACCG

组氨酸

CAUCAC

色氨酸

UGC

终止密码

UAAUAGUGA

但DNA主要存在于细胞核内，而蛋白质合成都是在胞质中，二者如何联系起来的呢？

曾困惑—时。

后来，当发现mRNA是在核内合成，然后转移至胞质这一重要事实，人们很自然就推断出DNA的模板作用是通过mRNA来实现的。

经研究得知，mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序（遗传信息），按照碱基互补的原则转录下来。

如DNA的碱基顺序为CTT，转录出的mRNA的碱基顺序则为GAA。

mRNA分子上每3个核苷酸为一组，可决定多肽链上1个氨基酸，称为三联体密码或遗传密码（geneticcode）。

1965年，经过M.Nirenberg等4年的研究，完成了遗传密码表的编制，共有64种不同的密码。

对20种编码氨基酸，除色氨酸和蛋氨酸外，多数氨基酸都有使用两个或两个以上的同义密码（synonym），见表2。

DNA的复制过程极为复杂，而遗传信息从mRNA分子中传递至蛋白质的过程比DNA的复制和转录过程更为复杂。

因为复制和转录都只是在一个共同的碱基配对“语言网络”上进行的。

七、核糖酶

酶是蛋白质这个事实已为人们所认识。

但并非所有具有催化功能的物质都是蛋白质。

1981年，T.Cech和他所领导的研究小组发现四膜大核rRNA前体，不需要酶，也不需要ATP或GTP提供外源能量而自我催化、自我剪接去除内含子的能力。

此后S.Altman等人的发现也确认了这种具有催化活力的RNA，1988年Cech将其命名为酶活性RNA（Ribozyme）。

自Ribozyme发现之后，科学家已按其功能、结构特点和来源来分类其催化类型。

现在已知的Ribozyme绝大部分均参与RNA的加工和成熟。

它们大体有异体催化剪切型、自体催化剪切型及内含子自我剪切型3中。

Ribozyme的一级结构没有一定规律，可以是多种多样的，但只要二级结构相似就具有催化活性。

目前具有应用前景的为锤头结构和发卡结构。

Ribozyme发现之后，促进了近年对RNA的研究。

它不仅改变了酶都是蛋白质的传统观念，而且还认为在生物前期进化中，RNA是先于DNA和蛋白质出现的生物大分子。

这对我们认识地球上生命的起源有巨大的影响。

不仅如此，人工合成的Ribozyme的研究，又给人们带来了防止严重威胁人类的各种传染病、肺癌、艾滋病的希望。

例如，已研制出能在体外成功破坏艾滋病毒（HIV）RNA的4种Ribozyme。

鉴于Ribozyme的发现和随后的研究，1989年Cech获得了诺贝尔化学奖。

结论：

在这里我把核酸基本知识里面的最重要的内容总结了了一下。

如下：

核酸分两大类：

DNA和RNA。

所有生物细胞都含有这两类核酸。

但病毒不同，DNA病毒只含有DNA，RNA病毒只含RNA。

核酸的基本结构单位是核苷酸。

核苷酸由一个含氮碱基（嘌呤或嘧啶），一个戊糖（核糖或脱氧核糖）和一个或几个磷酸组成。

核酸是一种多聚核苷酸，核苷酸靠磷酸二酯键彼此连接在一起。

核酸中还有少量的稀有碱基。

RNA中的核苷酸残基含有核糖，其嘧啶碱基一般是尿嘧啶和胞嘧啶，而DNA中其核苷酸含有2′-脱氧核糖，其嘧啶碱基一般是胸腺嘧啶和胞嘧啶。

在RNA和DNA中所含的嘌呤基本上都是鸟嘌呤和腺嘌呤。

核苷酸在细胞内有许多重要功能：

它们用于合成核酸以携带遗传信息；

它们还是细胞中主要的化学能载体；

是许多种酶的辅因子的结构成分，而且有些（如cAMP、cGMP）还是细胞的第二信使。

DNA的空间结构模型是在1953年由Watson和Crick两个人提出的。

建立DNA空间结构模型的依据主要有两方面：

一是由Chargaff发现的DNA中碱基的等价性，提示A=T、G=C间碱基互补