核酸的结构与功能PPT演示课件

核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,生物化学,生物化学,核 酸(nucleic acid),以核苷酸为基本组成单位、富含磷元素的酸性生物大分子化合物，携带和传递遗传信息,生物化学,核酸的分类及分布,生物化学,第一节核酸的分子组成The Molecular Organization of Nucleic Acid,生物化学,核酸的化学组成,1. 元素组成C、H、O、N、P（9 % 10%）,生物化学,一、戊 糖,生物化学,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),二、碱 基,生物化学,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),生物化学,核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,三、核苷、核苷酸与多核苷酸,生物化学,核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,生物化学,一些重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、 CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,生物化学,第二节核苷酸代谢Metabolism of Nucleotides,生物化学,食物核蛋白,蛋白质,核酸(RNA与DNA),胰核酸酶,RNA酶,DNA酶,(磷酸二酯酶),单核苷酸,胰、肠核苷酸酶,(磷酸单酯酶),核苷,磷酸,核苷酶,(水解或磷酸解),戊糖或磷酸戊糖,碱基,核酸的消化,排出，很少利用,生物化学,一、嘌呤核苷酸代谢,(一）嘌呤核苷酸的合成代谢,1. 嘌呤核苷酸的从头合成,2. 嘌呤核苷酸的补救合成,3. 嘌呤核苷酸的相互转变,4. 脱氧(核酸)核苷酸的生成,(二)嘌呤核苷酸的分解代谢,生物化学,（一）嘌呤核苷酸的合成代谢,1. 从头合成途径,用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应合成嘌呤核苷酸的途径,2. 补救合成途径,利用体内游离的嘌呤碱或嘌呤核苷经过简单的反应过程,合成嘌呤核苷酸,生物化学,甲酰基(一碳单位),甘氨酸,CO2,Asp,甲酰基(一碳单位),Gln(酰胺基),左一C，右一C，甘氨当中站,两边坐谷氮，左上天冬氨, 头顶CO2,生物化学,（一）嘌呤核苷酸的合成代谢,1. 从头合成途径,合成的原料: CO2,甲酰基,氨基酸等,合成的场所: 肝脏的胞液,合成的过程: 两个阶段,次黄嘌呤核苷酸(IMP)的合成,腺苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)的合成,生物化学,（一）嘌呤核苷酸的合成代谢,1.从头合成途径,1) IMP的合成(11步反应),R-5-P,AMP,PRPP合成酶,PP-1-R-5-P(PRPP),5-磷酸核糖,磷酸核糖焦磷酸,(1)具体合成过程,PP-1-R-5-P,Gln,Glu,酰胺转移酶,酶3: 甘氨酰胺核苷酸合成酶,H2N-1-R-5-P,Gly,酶3,ATP, Mg2+,甘氨酰胺核苷酸(GAR),PRA,生物化学,转甲酰基酶,FH4,甘氨酰胺核苷酸(GAR),HN=,Glu,甲酰甘氨酰胺核苷酸(FGAR),甲酰甘氨咪核苷酸(FGAM),生物化学,AIR合成酶,ATP,Mg2+,K+,H2O,甲酰甘氨咪核苷酸(FGAM),5-氨基咪唑核苷酸(AIR),5-氨基咪唑-4-羧基核苷酸(CAIR),生物化学,R-5-P,C,H2N,C,N,N,CH,C,O,HO,R-5-P,C,H2N,C,N,N,CH,C,O,Asp,5-氨基咪唑-4-羧基核苷酸(CAIR),5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)-甲酰胺核苷酸(SAICAR),生物化学,HOOC,HC,H2C,HOOC,5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)-甲酰胺核苷酸(SAICAR),5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(AICAR),延胡索酸,生物化学,R-5-P,C,H2N,C,N,N,CH,C,O,H2N,5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(AICAR),5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(FAICAR),N10甲酰FH4,FH4,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,H2N,H,生物化学,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HHN,H,C,O,H,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HN,HC,5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(FAICAR),H2O,次黄嘌呤核苷酸(IMP),生物化学,2) 腺苷酸和鸟苷酸的合成,IMP,腺苷酸代琥珀酸合成酶,AMPS,Asp, Mg2+,GTP,生物化学,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,N,HC,NH,HOOCCH2CHCOOH,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,N,HC,NH2,腺苷酸代琥珀酸(AMPS),腺苷酸(AMP),延胡索酸,腺苷酸代琥珀酸裂解酶,生物化学,生物化学,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HN,HC,IMP,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HN,C,NADH+H+,XMP,黄嘌呤核苷酸,IMP脱氢酶,生物化学,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HN,C,R-5-P,C,N,C,N,N,CH,C,O,HN,C,Gln,Glu,XMP,GMP,生物化学,AMP,腺苷酸激酶,ADP,腺苷酸激酶,ATP,GMP,鸟苷酸激酶,GDP,鸟苷酸激酶,GTP,生物化学,(2) 嘌呤核苷酸从头合成的调节,2个长反馈,生物化学,2个短反馈,IMP,AMPS,XMP,AMP,ADP,GMP,GDP,GTP,ATP,ATP,GTP,生物化学,2. 补救合成途径,(1) 嘌呤碱与PRPP直接合成嘌呤核苷酸,次黄嘌呤,次黄嘌呤核苷酸,鸟嘌呤,鸟嘌呤核苷酸,PRPP,PPi,腺嘌呤,腺嘌呤核苷酸,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,（APRT）,HGPRT活性高,APRT活性低,（一）嘌呤核苷酸的合成代谢,生物化学,2. 补救合成途径,(1) 嘌呤碱与PRPP直接合成嘌呤核苷酸,腺嘌呤+1-磷酸核糖,腺苷+Pi,核苷磷酸化酶,(2) 腺嘌呤与1-磷酸核糖生成腺苷, 再生成腺 嘌呤核苷酸,腺苷+ATP,腺苷激酶,腺苷酸+ADP,生物化学,生理意义,减少从头合成时能量和原料的消耗,节省:, 某些器官(脑,骨髓和脾)合成核苷酸的途径,遗传疾病,Lesch-Nyhan 莱-尼综合征,自毁容貌综合征,-罕见的性染色体X连锁遗传病,生物化学,自毁容貌综合征,HGPRT基因缺陷,嘌呤合成过多，高尿酸血症，痛风伴有咬指咬唇的强迫性自残行为，自毁容貌,3. 脱氧(核糖)核苷酸的合成,在核苷二磷酸水平被还原而成,NADPH+H+,NADP+ +H2O,dNDP,NDP,生物化学,生物化学,脱氧核苷酸的具体生成过程,NDP,dNDP,NADP+,NADPH+H+,还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2,核糖核苷酸还原酶,Mg2+,硫氧化还原蛋白还原酶(FAD),生物化学,NDP,dNDP,ADP,dADP,GDP,dGDP,UDP,dUDP,CDP,dCDP,TDP,dTDP,生物化学,dNDP+ATP,dNTP+ADP,dCDP+ATP,dCTP+ADP,dUDP+ATP,dUTP+ADP,dGDP+ATP,dGTP+ADP,dADP+ATP,dATP +ADP,生物化学,核苷酸分解代谢大致过程,核苷酸,核苷,Pi,Pi,1-磷酸核糖,碱基,补救途径,分解代谢,5-磷酸核糖,PRPP,终末产物经尿排出,核苷酸酶,磷酸化酶,1-磷酸核糖变位酶,生物化学,（二）嘌呤核苷酸的分解代谢,AMP,I,GMP,G,X,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,尿酸,生物化学,正常人血浆尿酸含量：0.120.36mmol/L,血尿酸0.48mmol/L(8mg%)时可析出结晶,沉积在关节和软骨等处,痛风症,进食高嘌呤膳食时,体内核酸大量分解(白血病,恶性肿瘤）,肾脏疾病尿酸排泄障碍,血中尿酸,临床上用别嘌呤醇治疗,痛风症,生物化学,别嘌呤醇治疗痛风症的作用机制,次黄嘌呤,别嘌呤醇,PRPP,别嘌呤醇核苷酸,嘌呤核苷酸从头合成的酶,黄嘌呤氧化酶,嘌呤核苷酸合成,核糖1-磷酸,次黄嘌呤核苷,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸,生物化学,生物化学,二、嘧啶核苷酸代谢,(一) 嘧啶核苷酸的合成代谢,1. 嘧啶核苷酸的从头合成,2. 嘧啶核苷酸的补救合成,(二) 嘧啶核苷酸的分解代谢,生物化学,(一) 嘧啶核苷酸的合成代谢,1. 从头合成途径,先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸。,Asp,CO2,Gln,生物化学,1) 尿嘧啶核苷酸的合成-6步反应,HCO3_+Gln,2ATP,Glu,2ADP+Pi,氨基甲酰磷酸,氨基甲酰磷酸合成酶II,(一) 嘧啶核苷酸的合成代谢,1. 从头合成途径,(1) 基本合成过程,生物化学,两种氨基甲酰磷酸合成酶的比较,氨基甲酰磷酸合成酶I,氨基甲酰磷酸合成酶II,分布,线粒体(肝),胞液(各种细胞),氮源,氨,谷氨酰胺,变构激活剂,N-乙酰谷氨酸,无,变构抑制剂,无,UMP(哺乳动物),功能,尿素合成,嘧啶合成,(CPS-I),(CPS-II),氨基甲酰磷酸,+,Pi,Asp,氨基甲酰天冬氨酸,NAD+,NADH+H+,乳清酸,二氢乳清酸,H2O,生物化学,乳清酸,PRPP,PPi,乳清酸核苷酸(OMP),CO2,尿嘧啶核苷酸(UMP),生物化学,生物化学,ATP,2) 胞嘧啶核苷酸(CTP)的合成,尿苷酸激酶,UDP,UMP,二磷酸 尿苷激酶,ADP,UTP,Gln, ATP,Glu, ADP+Pi,ATP,ADP,CTP,CTP合成酶,生物化学,dCMP,dUDP,Pi,NH3,dUMP,dTMP合成酶,FH2,N5,N10-甲烯FH4,FH4,NADPH+H+,NADP+,dTMP,ATP,激酶,dTDP,激酶,ADP,dTTP,ATP,ADP,dTMP,3) 脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTMP)的合成,(2) 从头合成的调节,ATP+CO2+Gln,PRPP,氨基甲酰磷酸,氨甲酰天冬氨酸,PRPP,ATP+ 5-磷酸核糖,OMP,UMP,UTP,CTP,嘌呤核苷酸,嘧啶核苷酸,由合成产物对3个关键酶,酶1：CPS-II,酶2：天冬氨酸氨甲酰转移酶,酶3：PRPP合成酶,Asp,的负反馈调节来实现。,生物化学,生物化学,2. 嘧啶核苷酸的补救合成,嘧啶+PRPP,嘧啶核苷酸+PPi,嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,乳清酸,胞嘧啶,嘧啶核苷+ATP,嘧啶核苷酸+ADP,核苷激酶,胸苷激酶,TK,与恶性肿瘤,总结,5-P-R,PRPP,IMP,dAMP,GMP,dGMP,AMP,dADP,GDP,dGDP,ADP,dATP,GTP,dGTP,ATP,UMP,CMP,dUMP,UDP,CDP,dUDP,UTP,CTP,dUTP,dTMP,dCMP,dTDP,dCDP,dTTP,dCTP,CO2+Gln,H2N-CO-P,OMP,核苷酸的从头合成过程总结,dUDP,dCMP,dUMP,生物化学,(二) 嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸,嘧啶核苷,嘧啶,NH3,NADPH+H+,NADP+,H2O,H2O,CO2+NH3,H2N-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,胞嘧啶,尿嘧啶,生物化学,NADPH+H+,NADP+,H2O,CO2+NH3,-氨基异丁酸,-脲基异丁酸,H2O,胸腺嘧啶,二氢胸腺嘧啶,生物化学,生物化学,核苷酸抗代谢物主要是一些嘌呤、嘧啶、核苷、氨基酸或叶酸等的类似物,采用竞争性抑制方式抑制合成代谢中的酶，从而干扰和阻断核苷酸的合成, 从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成,由于肿瘤的核酸与蛋白质代谢旺盛, 因此抗代谢物可用于肿瘤的化疗,三、核苷酸的抗代谢物,生物化学,（一）嘌呤核苷酸的抗代谢物,1. 嘌呤类似物,8-氮杂鸟嘌呤,6-巯基鸟嘌呤,次黄嘌呤,2. 氨基酸类似物 抑制有Gln参与的反应,谷氨酰胺,氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）,6-重氮-5-氧正亮氨酸,（一）嘌呤核苷酸的抗代谢物,生物化学,3. 叶酸类似物 抑制有一碳单位参与的反应,R=H，氨喋呤,R=CH3，氨甲喋呤,5,6,7,8四氢叶酸,（一）嘌呤核苷酸的抗代谢物,生物化学,PRPP,Gln,6MP,氮杂丝氨酸,PRA,GAR,FGAR,FGAM,MTX,氮杂丝氨酸,AICAR,MTX,FAICAR,IMP,AMP,GMP,PRPP,PPi,PPi,PRPP,6MP,6MP,6MP,氮杂丝氨酸,A,I,G,PRPP,PPi,嘌呤核苷酸抗代谢物的作用,生物化学,生物化学,(二) 嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶、嘧啶核苷类似物:,5-氟尿嘧啶,阿糖胞苷,环胞苷,生物化学,UMP,UDP,UTP,dUDP,dUMP,dTMP,CTP,CDP,dCDP,MTX,5FU,阿糖胞苷,氮杂丝氨酸,生物化学,第三节DNA的结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,生物化学,C,G,A,生物化学,一、核酸的一级结构,核酸中核苷酸的排列顺序核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列,生物化学,核酸的书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,20世纪20年代，大多数科学家认为蛋白质是遗传物质，而不是DNA,1944年Avery等利用从致病肺炎球菌中提取的DNA使另一种非致病性肺炎球菌的遗传性状改变而成为致病菌，证实了遗传物质是DNA而不是蛋白质,Avery,生物化学,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,1951年， Pauling利用X线晶体衍射技术研究角蛋白的空间结构，发现了蛋白质的螺旋结构,螺旋结构理论首次用分子形成螺旋这种方式解释生物大分子的空间结构,Linus Pauling,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,Franklin获得高质量的DNA X射线衍射图谱,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,Wilkins通过 X射线衍射获得了精确的DNA分析数据,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,1952年， Chargaff等科学家采用层析和紫外吸收光谱分析等技术发现了DNA碱基的组成规律（Chargaff定律）,Chargaff,生物化学,DNA双螺旋结构的研究背景,综合了前人的研究成果，Watson和 Crick提出了DNA分子的双螺旋结构模型 ，并于1953年4月在英国Nature杂志上发表,生物化学,生物化学,二、 DNA的二级结构双螺旋结构,生物化学,DNA双螺旋结构模型要点,两条链呈反向平行围绕同一公共轴形成右手螺旋，双螺旋表面形成小沟和大沟相间,生物化学,DNA双螺旋结构模型要点,脱氧核糖和磷酸位于双螺旋结构的外侧，而碱基位于内侧与对侧的碱基通过氢键形成配对,A-T通过两个氢键配对，G-C通过三个氢键配对,生物化学,碱基互补配对,T,A,G,C,生物化学,DNA双螺旋结构模型要点,碱基堆积力和氢键是维持双螺旋结构稳定性的主要作用力,双螺旋结构的直径为2.37nm，相邻碱基之间的堆积距离0.34nm。双螺旋结构旋转一圈为10.4个碱基对，螺距为 3.54nm,生物化学,DNA双螺旋结构的多样性,生物化学,三、DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)： DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,生物化学,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,生物化学,原核生物DNA的超螺旋结构,生物化学,真核生物DNA的核小体结构,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。,核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,生物化学,生物化学,生物化学,四、DNA的功能,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能,生物化学,第四节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,生物化学,RNA的种类、分布、功能,生物化学,一 、信使RNA,内含子(intron),* mRNA成熟过程,外显子(exon),生物化学,mRNA结构特点,1. 大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-,2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,生物化学,帽子结构,生物化学,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,生物化学,mRNA的功能 作为翻译的模板来指导蛋白质的生物合成,生物化学,tRNA的一级结构特点 含 10 % 20% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,二、转运RNA的,2N,2N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,生物化学,生物化学,tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,生物化学,tRNA的三级结构 倒L形,tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译,生物化学,rRNA的结构,三、核糖体RNA,rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。,生物化学,核糖体的组成,生物化学,四 、其他RNA,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs),snmRNAs,生物化学,snmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA,snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运,生物化学,RNA组学是研究细胞中全部RNA基因和RNA的分子结构和功能,RNA组学,生物化学,核 酸