食品生物化学---第5章

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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

2、物 其分子量约106 109 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 25 105 0 30 105 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 2 106 2 0 106 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

3、 一 核酸的元素组成 DNA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

4、糖的结构式 食品生物化学 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

5、部分的原子各有一套编号 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

6、也可以用来表示核苷 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

7、 核苷二磷酸 NDP 及核苷三磷酸 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 5 DNA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

8、 形成不同的核苷和核苷酸 表5 1 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

9、ADP 腺苷一磷酸 AMP 即 ATP ADP Pi ATP AMP PPi ADP AMP 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

10、三磷酸脱氧核苷 dATP dGTP dCTP dTTP 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

11、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

12、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

13、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5 3 方向进行的 因此没有特别指定时 核苷酸序列都是按照5 3 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pAp

14、CpGpUpA 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 3 5 另一条链为5 3 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

15、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 G C 因此 有4种可能的碱基对 即A T T A G C和C G 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

16、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 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DN