食品生物化学-第5章

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主讲人：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。核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核酸(核糖或脱氧核糖)(嘌呤碱和嘧啶碱)ChemPaster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β-D-2-脱氧核糖，而RNA分子中的戊糖是β-D-核糖。OHHOHOHOH2HOCHHHOHHOHOH2HOCHHHHβ-D-核糖β-D-2-脱氧核糖图5-2戊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)、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。从而导致形成不同的核苷和核苷酸。RNA碱基核苷核苷一磷酸核苷二磷酸核苷三磷酸AdeAAMPADPATPGuaGGMPGDPGTPCytCCMPCDPCTPUraUUMPUDPUTPDNA碱基脱氧核苷脱氧核苷一磷酸脱氧核苷二磷酸脱氧核苷三磷酸AdedAdAMPdADPdATPGuadGdGMPdGDPdGTPCytdCdCMPdCDPdCTPThydTdTMPdTDPdTTP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5-6ATP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→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P-O-OOOOHHHH2CHAOHHHH2CHOHP-O-OOO5′末端5′末端UHOOHHHH2CHP-OOOTOOHHHH2CHOHP-OOOOHGOOHHHH2CHOHP-OOOOOHHHH2CHOHP-OOOCOOHHHH2CHOHP-OOOOCAOHHHH2CHP-OOOGHOOHHHH2CHP-OOOCHOOHHHH2CHP-OOOOAH(a)DNA(b)RNA磷酸二酯酸5′3′5′3′ChemPaster图5-9RNA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5-11DNA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