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1、食品生物化学,第一节 概述第二节 核酸的化学组成第三节 核酸的结构第四节 核酸的性质,第五章 核酸的化学,食品生物化学,学习目标 1掌握核酸的化学组成和基本构成单位。2掌握核酸的结构，理解DNA双螺旋结构的要点。3掌握核酸的性质。,食品生物化学,第一节 概述,核酸(nucleicacid)是生物体的基本组成物质，从高等动、植物到简单的病毒都含有核酸。它在生物的个体生长、发育、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。核酸是生物细胞中最重要的生物大分子之一。根据核酸的化学组成，把核酸分为两类，一类为脱氧核糖核酸（DNA），另一类为核糖核酸（RNA）。,食品生物化学,DNA是大分子化合物，其分子
2、量约106109，它主要分布在细胞核内，在线粒体和叶绿体中也有少量分布。RNA根据其生理功能和结构分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。核糖体RNA是细胞中含量最多的一类RNA，约占总RNA的75%80%，分子量约为106，它以核蛋白形式，存在于细胞质的核糖体中；转运RNA含量仅次于核糖体RNA，约占总RNA的10%15%，分子量约为0.251050.30105，它以游离状态分布在细胞质中。信使RNA含量较少，占总RNA的5%，分子量为0.21062.0106，它在核中合成后转移到细胞质中。,食品生物化学,第二节 核酸的化学组成,一、核酸的元素组成 DN
3、A和RNA分子中，主要元素有碳、氢、氧、氮、磷等，个别核酸分中还含有微量的S。磷在各种核酸中的含量比较接近和恒定，DNA的平均含磷量为9.9%，RNA的平均含磷量为9.4%。因此，只要测出生物样品中核酸的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量，这是定磷法的理论基础。,食品生物化学,二、核酸的水解产物 核酸是一种聚合物，它的结构单位是核苷酸。,图5-1 核酸的水解产物,食品生物化学,三、核酸水解产物的化学结构 1戊糖 DNA和RNA的主要区别是所含戊糖不同，DNA分子中的戊糖是-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是-D-核糖。,-D-核糖-D-2-脱氧核糖 图5-2 戊糖的结构式,食品生物化学
4、,2碱基 核酸分子中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱，它们是含氮的杂环化合物。嘌呤碱类主要有包括二种嘌呤：腺嘌呤（adenine,A）和鸟嘌呤(guanine,G)。嘧啶碱类主要包括三种嘧啶：胞嘧啶（cytosine,C），胸腺嘧啶(thymine,T)和尿嘧啶(uracil,U)，其中RNA分子中只含其中的两种嘧啶：胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），不含胸腺嘧啶（A）；DNA分子中则只含二种嘧啶：胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（A），而不含尿嘧啶（U）。,食品生物化学,图5-3 碱基母核与碱基结构,食品生物化学,3核苷 核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱生成的糖苷。核苷中碱基部分与戊糖部分的原子各有一套编号
5、，为表示区别，一般将戊糖部分的原子编号加上“”。形成核苷时，由戊糖的1-C和嘌呤的9-N或嘧啶的1-N成糖苷键。核苷的名称都来自它们所含有的碱基名称，如含有腺嘌呤的核糖核苷就称为腺嘌呤核苷(adenosine)，如果是脱氧核糖就称为脱氧腺嘌呤核苷(deoxyadenosine)。腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷(guanosine)、胞嘧啶核苷(cytidine)和尿嘧啶核苷(uridine)分别简称为腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。胸腺嘧啶很少出现在核糖核苷中，所以脱氧胸腺嘧啶核苷，常简称为胸苷，也称为脱氧胸苷。,食品生物化学,图5-4 一些重要的核苷结构,食品生物化学,用表示碱基的单字母也可以用来表示核苷，
6、即用A、G、C、U分别表示腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷。以d表示脱氧，用dA、dG、dC和dT表示脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷。4核苷酸 核苷与磷酸结合生成的化合物称为核苷酸。即核苷酸是由核苷分子中戊糖环上的羟基与一分子磷酸上的氢通过脱水生成磷酯键形成的化合物。含有核糖的核苷酸称为核糖核苷酸，而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸。核苷含有3个可以被磷酸酯化的羟基(2、3和5)，而脱氧核苷含有2个这样的羟基(3和5)。,食品生物化学,在自然界中出现的游离核苷酸为5核苷酸，可以省去5字样。核苷酸可以含有一个、两个或三个磷酸基团，分别称为核苷一磷酸(NMP)、核苷二磷酸(NDP)及核苷三磷酸
7、(NTP)。例如腺苷的5-单磷酸酯就称为腺苷一磷酸(AMP)，也可简称为腺苷酸。同样，脱氧胞苷的5-磷酸酯可以称为脱氧胞苷一磷酸(dCMP)，简称为脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧核苷的5-磷酸酯常称为胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称为脱氧胸苷酸。腺苷的5-二磷酸酯就称为腺苷二磷酸(ADP)，而腺苷的5-三磷酸酯就称为腺苷三磷酸(ATP)。,食品生物化学,图5-5 主要核糖核苷酸和脱氧糖核苷酸的结构通式,食品生物化学,续图5-5 主要核糖核苷酸和脱氧糖核苷酸的结构通式,食品生物化学,5DNA和RNA的组成差别 DNA和RNA的组成差别主要是戊糖和碱基的不同。从而导致形成不同的核苷和核苷酸。,表5-1
8、 参与DNA和RNA的组成的碱基、核苷及核苷酸,食品生物化学,图5-6 ATP结构示意图,食品生物化学,四、核苷酸的衍生物 1.腺苷三磷酸（ATP）ATP是生物体中重要的化合物。ATP结构中磷酸与磷酸之间的联结键水解断裂时产生大量的能，叫高能磷酸键，习惯用“”表示高能键。凡含有高能磷酸键的化合物称为高能磷酸化合物。ATP含两个高能磷酸键，AMP分子中所含的磷酸键不是高能磷酸键，所以它是普通磷酸化合物。普通磷酸化合物其磷酸键能较低，水解时只能释放8.4KJ/mol能量，而高能磷酸键水解时可释放30.7KJ/mol能量。ATP依次水解可分别产生腺苷二磷酸（ADP）、腺苷一磷酸（AMP），即：ATP
9、ADP+Pi；ATPAMP+PPi；ADPAMP+Pi,食品生物化学,ATP分解为ADP或AMP时释放出大量的能量，这是生物体主要的供能方式，ATP是机体生理活动、生化反应所需能量的重要来源。反之，AMP磷酸化生成ADP、ADP继续磷酸化生成ATP时则储存能量，这是生物体暂时贮存能量的一种方式。ATP在生物体或细胞的能量代谢中起着极为重要的传递作用，被称为“能量货币”。此外体内存在的多种多磷酸核苷酸都能发生这种能量转化作用，如GTP、CTP和UTP。在核酸合成中，四种三磷酸核苷（ATP、GTP、CTP、UTP）是体内合成RNA的直接原料，四种三磷酸脱氧核苷（dATP、dGTP、dCTP、dTT
10、P）是合成DNA的直接原料。2.腺苷衍生物环腺苷酸（cAMP）cAMP是由ATP经腺苷酸环化酶催化而成的。,食品生物化学,图5-7 环腺苷酸（cAMP）,食品生物化学,cAMP广泛存在于一切细胞中，浓度很低。它们的主要作用不是作为能量的供体，而是在生物体内参与细胞内多种调节功能，如它可调节细胞内催化糖和脂肪反应的一系列酶的活性，也可以调节蛋白激酶的活性。一般把激素称为第一信使，而称cAMP为“第二信使”。3.次黄嘌呤衍生物次黄嘌呤核苷酸（IMP）在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成次黄嘌呤核苷酸。次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的关键物质，对生物的遗传有
11、重要的功能。另外，它还是一种很好的助鲜剂，有肉鲜味，与味精以不同比例混合制成具有特殊风味的强力味精（见第九章第二节鲜味）。,食品生物化学,图5-8 次黄嘌呤核苷酸,食品生物化学,第三节 核酸的结构,核酸水解为核苷酸，核苷酸经完全水解后，可释放出等量的碱基、戊糖和磷酸。核苷酸是核酸的基本组成单位，DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。各种核酸中核苷酸少的有70多个，多的有几十万种。而且核苷酸以一定的数量和排列顺序相互连接，并形成一定的空间结构。,食品生物化学,一、核酸的一级结构 核酸的一级结构就是通过3，5-磷酸二酯键连接的核苷酸序列，也称多核苷酸链。多核苷酸链
12、由交替的戊糖和磷酸基团形成核苷酸链的共价骨架。连接在戊糖上的碱基贮存和传送遗传信息。1核苷酸的连接方式 聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。RNA以ATP、GTP、CTP和UTP为底物；而DNA以dATP、dGTP、dCTP和dTTP为底物。通过催化一个核苷酸的核糖或脱氧核糖第5位的磷酸，与另一个核苷酸的第3位的羟基之间脱水缩合形成3，5-磷酸二酯键，并释放出无机焦磷酸。多个核苷酸以3，5-磷酸二酯键连接成线形大分子，即多核苷酸链。,食品生物化学,图5-9 RNA和DNA的共价骨架结构,食品生物化学,2.核酸的一级结构的表示方法 RNA和DNA的多核苷酸链，也像多肽链一样有方向性，它的一端
13、为5末端，而另一端为3末端。无论是DNA，还是RNA，在它们的生物合成的聚合反应中，都是按照53方向进行的，因此没有特别指定时，核苷酸序列都是按照53方向读写。核酸的一级结构的表示方法有两种，一种是线条式缩写法，用竖直线表示戊糖；斜线表示3，5-磷酸二酯键，一端与戊糖的3相连，另一端与下一个戊糖的5相连；p表示磷酸残基，A、U、G、C、T表示各碱基。,食品生物化学,另一种是文字缩写法，即磷酸用p表示，腺苷一磷酸表示为pA，而脱氧腺苷一磷酸表示为pdA，其它的类似。将上图的线条式可改写成pApCpGpUpA，也可进一步简写为ACGUA。,图5-10 线条式缩写示意图,食品生物化学,二、DNA的空
14、间结构 DNA的空间结构是指多核苷酸链与多核苷酸链之间以及多核苷酸链内通过氢键及碱基堆积力，在空间形成的螺旋、卷曲和折叠的构象。DNA的空间结构包括DNA的二级结构和DNA的超螺旋结构。1.DNA的二级结构 DNA的二级结构一般是指DNA分子的空间双螺旋结构。DNA双螺旋结构模型的建立，揭开了现代分子生物学的序幕。（1）DNA分子是由两条互相平行、但走向相反（一条链为35，另一条链为53）的脱氧多核苷酸链组成，两条链以右手螺旋方式平行地围绕同一个轴盘旋成双螺旋结构。,食品生物化学,图5-11 DNA双螺旋结构模型,食品生物化学,（2）双螺旋的两条主链都是由脱氧核糖酸残基中的糖和磷酸构成的，是双
15、螺旋的骨架。两条链上的碱基两两成对层叠分布于双螺旋的内侧，碱基平面与螺旋轴垂直。（3）两条脱氧多核苷酸链之间同一水平上的碱基是通过氢键相连形成碱基对，并且碱基配对有一定规律，即A与T通过形成两个氢键配对（A=T）；G与C通过形成三个氢键配对（GC）。因此，有4种可能的碱基对，即AT、TA、GC和CG。在碱基对之中的两个碱基称为互补碱基，由于DNA双链同一水平上的碱基对都是互补的，所以两条链也是互补的，称为互补链，只要知道一条链的碱基排列顺序，就能确定另一条链的碱基排列顺序。DNA的复制、转录、反转录以及蛋白质的生物合成都是通过碱基互补原则实现的，碱基互补规律有重要的生物学意义。,食品生物化学,
16、（4）双螺旋的直径为2nm，螺旋每绕一圈升高3.4nm，含10个碱基对。DNA双螺旋结构十分稳定，分子中碱基的堆积可以使碱基之间缔合，这种力称为碱基堆积力，是由疏水作用形成的，它是维持DNA双螺旋结构空间稳定的主要作用力。通过加热等方式可能破坏DNA双螺旋结构，将双链解链成为单链。2.DNA的超螺旋结构 双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。在生物体内DNA在双螺旋二级结构基础上进一步盘曲成紧密的空间结构称为DNA的超螺旋结构。,食品生物化学,许多病毒DNA、细菌质粒DNA和真核生物的线粒体DNA以及叶绿体DNA，多是由双螺旋结构的首尾两端接成环状（开环
17、型）。双螺旋进一步发生扭曲形成超螺旋结构（双股闭链环状）。超螺旋是DNA三级结构中的一种常见形式。,图5-12 DNA超螺旋结构,食品生物化学,图5-13 核小体示意图,食品生物化学,真核细胞核染色质中DNA双螺旋缠绕在组蛋白的八聚体上，形成核小体。许多核小体之间由DNA链相连，形成串珠状结构。在串珠状结构的基础上，再经过几个层次折叠，将DNA紧密压缩于染色体中。细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在，比如，人的DNA在染色体中的超螺旋结构，使DNA分子反复折叠盘绕后共压缩8400倍左右。三、RNA的结构 除少量病毒的RNA外，RNA是以单链分子存在的。目前了解比较清楚的是分子量较小，大约只含80
18、个核苷酸的转移RNA（tRNA）的结构。,食品生物化学,在RNA分子的多核苷酸链中也能形成与DNA相类似的螺旋区，这是由单链自身回折，使链内可配对的碱基（A-U,GG）相遇形成氢键（AU碱基对），使该部分扭转形成螺旋。但其螺旋结构与DNA的略有不同，碱基既不彼此平行，也不垂直于螺旋的轴。这是因为在核糖的2位置上多出的氧原子的大部分伸入到结构的密集部位所致。这些双股的区域会被没有互补序列的单股区域所分开，此单股区域还可形成环状突起。在转运RNA、核糖体RNA及信使RNA分子中都含有一些双螺旋区。,食品生物化学,tRNA三叶草模型 tRNA倒L形三级结构图5-14 tRNA 二、三级结构,食品生物
19、化学,第四节 核酸的性质,一、一般物理性质 RNA和核苷酸的纯品都是白色粉末或结晶，DNA是白色类似石棉样的纤维状物。除肌苷酸和鸟苷酸具有鲜味外，核酸和核苷酸大都呈酸味。DNA和RNA都是极性化合物，一般都溶于水，不溶于乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂。它们的钠盐比游离酸在水中的溶解度大，如RNA的钠盐在水中的溶解度可达4%。,食品生物化学,核酸是相对分子质量很大的高分子化合物，高分子溶液比普通溶液黏度要大得多，高分子形状的不对称性愈大，其黏度也就愈大，不规则线团分子比球形分子的黏度大，线形分子的黏度更大。由于DNA分子极为细长，因此即使是极稀的溶液也有极大的黏度，RNA的黏度要小得多。二、核酸的酸
20、碱性质 核酸和蛋白质一样，也是两性电解质，在溶液中发生两性电离。因磷酸基的酸性比碱基的碱性强，故其等电点偏于酸性。利用核酸的两性解离能进行电泳，在中性或偏碱性溶液中，核酸常带有负电荷，在外加电场力作用下，向阳极泳动。利用核酸这一性质，可将相对分子质量不同的核酸分离。,食品生物化学,核酸中的酸性基团可与K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子结合成盐。当向核酸溶液中加入适当盐溶液后，其金属离子即可将负离子中和，在有乙醇或异丙醇存在时，即可从溶液中沉淀析出。常用的盐溶液有氯化钠、醋酸钠或醋酸钾。DNA双螺旋两条链间碱基的解离状态与溶液pH有关，溶液的pH将直接影响碱基对之间氢键的稳定性，在pH4
21、.011.0之间DNA最为稳定。三、核酸的紫外吸收 嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，对紫外光有较强吸收，最大吸收峰值在260nm波长处。蛋白质最大吸收峰值在280nm。利用紫外吸收可测定核酸的浓度和纯度。一般测定OD260/OD280，DNA=1.8，RNA=2.0。含有蛋白质杂质，比值明显下降。不纯的核酸不能用紫外吸收法测定浓度。紫外吸收改变是DNA结构变化的标志，当双链DNA解链时碱基外露增加，紫外吸收明显增加，称为增色效应。,食品生物化学,图5-15 RNA紫外吸收曲线,波长nm,食品生物化学,四、核酸的变性与复性 当核酸在某些理化因素（如有机溶剂、酸、碱、尿素、加热及酰胺等）作用下，互补
22、碱基对间的氢键断裂，双螺旋结构松散，变成单链的过程称为变性(denaturation)。变性使核酸的二级结构、三级结构改变，但核苷酸排列顺序不变。变性后的核酸理化性质改变，生物学活性丧失。通常将加热引起的核酸变性称为热变性。如将DNA的稀盐溶液加热到80100时，几分钟后两条链间氢键断裂，双螺旋解体，两条链彼此分开，形成两条无规则线团。此时变性后的核酸理化性质发生一系列的变化：在260nm处紫外吸收值急剧升高的增色效应、溶液的黏度下降和比旋光度显著降低等现象。DNA热变性的特点主要是加热引起双螺旋结构解体，所以又称DNA的解链或融解作用。,食品生物化学,DNA的解链过程发生于一个很窄的温度区内
23、，DNA的变性过程是爆发式的，有一个相变过程，把A260达到最高值的一半时对应的温度称为该DNA的解链温度或融解温度，用Tm表示。Tm值大小与DNA碱基组成有关，由于G-C之间的氢键联系要比A-T之间的氢键联系强得多，故GC含量高的DNA其Tm值越高。通过测定Tm值可知其GC碱基的含量。DNA的变性是可逆的。变性DNA在适当条件下，变性的两条互补链重新结合，恢复原来的双螺旋结构和性质，这个过程称为复性(renaturation)。热变性的DNA经缓慢冷却（称退火处理）即可复性。最适宜的复性温度比Tm值约低25，这个温度又叫退火温度。,食品生物化学,图5-16 两种不同来源的DNA在260nm的
24、吸收值与温度变化的关系,食品生物化学,图5-17 DNA分子热变性后复性示意图,食品生物化学,将热变性的DNA溶液骤然冷却至低温，两链间的碱基来不及形成适当配对，DNA单链自行按A=T、GC碱基间配对，可能成为两个杂乱的线团，此时变性的DNA分子很难复性。DNA双螺旋的两条链，经变性分离后，在一定条件下可以重组合而复原，这是以相互补的碱基排列顺序为基础的。因此可以进行分子杂交。即不同来源的多核苷酸链，变性分离经退火处理后，若有互补的碱基排列顺序，就能形成杂交合的双螺旋体，甚至可以在DNA和RNA之间形成杂合双螺旋体。当两种不同来DNA分子杂交时，形成双螺旋的倾向愈强，说明它们分子之间碱基顺序的互补性愈强。所以分子杂交是一种监测不同来源的DNA多核苷酸链上碱基排列顺序相关性等重要技术。此外，分子杂交法还广泛应用于分离纯DNA基因，研究基因转录和调控等方面。,
