研究生分子生物学教案.doc

分 子 生 物 学教 案Version 2.0（2003年1月-2005年2月）研究生试用目 录目 录1第一章 绪论（1学时）8本章重点8第二章 核酸的结构与功能（4学时）8本章重点91DNA双螺旋结构模型基本要点92核小体的概念93DNA的变性、复性及分子杂交9本章难点9DNA在真核细胞内的组装9第一节 核酸的化学组成9基本要点91核苷酸中的碱基成分92戊糖与核苷 核苷酸（脱氧核苷酸） 核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合。93核苷酸的结构与命名9第二节 核酸的一级结构10基本要点101DNA和RNA的一级结构102RNA与DNA的差别10第三节 DNA的空间结构与功能10基本要点101DNA的二级结构双螺旋结构模型102结构的多样性 B-DNA(atson-Crick模型结构) Z-DNA A-DNA113DNA的超螺旋结构114DNA在真核生物细胞核内的组装115DNA的功能11第四节 RNA的空间结构与功能12基本要点121信使RNA的结构与功能122转运RNA的结构与功能124其他小分子135核酶13第五节 核酸的理化性质及其应用13基本要点131核酸的一般理化性质132的变性143的复性与分子杂交14第六节 核酸酶15基本要点15核酸酶（nucleases）15第三章 核苷酸代谢(2学时)15本章重点15本章难点15第一节 概述16基本要点161核酸的消化162核苷酸的分布163核苷酸的生物学功用16第二节 嘌呤核苷酸代谢16基本要点16（一）嘌呤核苷酸的合成代谢161嘌呤核苷酸的从头合成162嘌呤核苷酸的补救合成173嘌呤核苷酸的相互转变174脱氧核苷酸的生成175嘌呤核苷酸的抗代谢物17（二）嘌呤核苷酸的分解代谢181从头合成途径（de novo synthesis）182补救合成途径（salvage pathway）18基本要求18第三节 嘧啶核苷酸代谢18基本要点18（一）嘧啶核苷酸的合成代谢181嘧啶核苷酸的从头合成182嘧啶核苷酸的补救合成193嘧啶核苷酸的抗代谢物19（二）嘧啶核苷酸的分解代谢19基本要求19第四章 DNA的生物合成（复制）（5学时）19基本要求191掌握与DNA复制、DNA损伤与修复、逆转录过程有关的基本概念。包括：半保留复制，半不连续复制，复制叉，复制子，岡崎片段，领头链，随从链，端粒，端粒酶等192掌握复制的过程，以及复制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；并掌握原核生物与真核生物复制的相同点与不同点193掌握逆转录过程，熟悉逆转录酶的应用194了解引起地中海贫血和镰形红细胞贫血的分子机制19本章重点20本章难点20第一节 DNA的复制21基本要求211.掌握复制叉、半不连续复制、岡崎片段、领头链、随从链等基本概念212.掌握拓扑异构酶、解螺旋酶、单链结合蛋白、引物酶、DNA聚合酶、DNA连接酶的特点及生物学作用213.熟悉DNA的合成过程214.了解半保留复制的实验依据21基本概念21（一）、原核生物DNA的复制221与复制有关的酶及蛋白质222DNA的合成过程：可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段23复制起始23复制延长23复制终止24（二）、真核生物的复制24第二节 DNA的修复合成24基本要求25基本概念25第三节 DNA的反转录合成26第五章 RNA的生物合成（转录）（5学时）26本章重点26本章难点26第一节 模板和酶26基本要点261模板262RNA聚合酶273.模板与酶的辨认结合27基本概念27基本要求27第二节 转录过程281转录起始282. 转录延长283转录终止28基本概念28基本要求29第三节 真核RNA的转录后加工291、mRNA转录后加工292tRNA转录后加工293rRNA的转录后加工29基本概念30基本要求30第六章 蛋白质的生物合成（5学时）30本章重点30本章难点31第一节 参与蛋白质生物合成的物质31基本要点311mRNA是翻译的直接模板312核蛋白体是肽链合成的场所313tRNA和氨基酰-tRNA32基本要求321熟悉遗传密码的生物特性322掌握氨基酰-tRNA合成酶的催化活性及特异性323掌握三种RNA在蛋白质合成中的功能32基本概念321、 遗传密码322 翻译32第二节 蛋白质生物合成过程33基本要点331.翻译起始 (原核生物)332.肽链的延长333肽链合成终止（原核生物）34基本要求351掌握原核生物翻译起始的过程352了解真核生物翻译起始的特点353熟悉原核生物肽链延长的三个步骤及延长因子的作用35基本概念351. 核蛋白体循环（广义）352. S-D序列（核蛋白体结合序列）353核蛋白体循环（狭义）35第三节 翻译后加工35基本要点35新合成的多肽链，经加工修饰，转变成有生物活性的蛋白质351.高级结构修饰352.一级结构的修饰353.蛋白质合成后的靶向运输36基本要求361掌握翻译后加工的形式及意义362熟悉蛋白质靶向输送的过程及意义36基本概念361信号肽362翻译后加工36第四节 蛋白质生物合成的干扰和抑制37基本要点371.抗生素类372.干扰蛋白质合成的生物活性物质37基本要求37了解抗生素、毒素和干扰素阻断蛋白质生物合成的作用的机理37第七章 基因表达调控(4学时)38本章重点38第一节 基因表达调控基本概念与原理38一、基因表达的概念38二、基因表达的特点38三、基因转录激活的基本要素38第二节 原核基因转录调控39一、原核基因表达调节的特点39二、乳糖操纵子的结构、负性和正性调节及协调调节39三、操纵子的其他转录调节机制39第三节 真核基因转录调节40、真核基因组结构特点40二、真核基因表达调节特点40三、真核基因转录激活调节40第八章 基因重组与基因工程 （4学时）41本章重点41掌握41熟悉42了解42本章难点42基本要点42第一节 自然界的基因转移和重组42第二节 重组DNA技术相关概念43第三节 重组DNA技术基本原理44第四节 重组DNA技术与医学的关系45名词解释45第九章 细胞间信号转导（5学时）47本章重点47本章难点47G蛋白的结构和功能、受体的结构及功能、Ca2+-依赖性蛋白激酶途径、酪氨酸蛋白激酶途径47第一节 细胞间信号转导47基本要点47信息物质47基本要求481、掌握细胞间信号转导过程482、熟悉细胞间信息物质、细胞内信息物质48基本概念481、细胞间信号转导482、第二信使48第二节 信号转导受体48基本要点48（一）膜受体48（二）胞内受体48基本要求491掌握受体的概念492熟悉膜受体及胞内受体的结构、类型及特点493了解受体与配体结合的特点49基本概念49第三节 信息的传递途径49基本要点49一 胞内受体介导的信息途径49（一）、受体介导的信息途径49（二）Ca2+-依赖性蛋白激酶途径50基本要求511熟悉影响细胞内cAMP浓度的因素512掌握PKA的结构、激活过程及PKC的功能513掌握cAMP-蛋白激酶途径、Ca2+-磷脂、Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径的特点及过程51基本概念511、钙调蛋白(CAM)512、cAMP依赖性蛋白激酶（ PKA）51（三） cGMP 蛋白激酶途径（PKG途径）51（四） 酪氨酸蛋白激酶（TPK）途径51二 胞内受体介导的信息途径52第十章 癌基因、抑癌基因与生长因子（2学时）53本章重点53本章难点53第一节 癌基因53基本要点531癌基因的命名形式为3个斜体小写字母表示，如src 2病毒癌基因533 细胞癌基因534原癌基因的活化机制545原癌基因产物和功能54基本概念54第二节 抑癌基因55基本要点551Rb基因552P53基因55基本概念55基本要求55第十一章 分子生物学在医学和农牧业方面的应用（3学时）56本章重点56基因诊断的定义及常用技术方法；基因治疗的定义、采用方法和基本程序56遗传标记在家畜及农作物育种上的应用56第一节 基因诊断与基因治疗56本节难点56基因诊断与基因治疗常用技术方法的基本原理56一、基因诊断56基本要点561基因诊断的概念和特点。562基因诊断的常用技术方法563基因诊断的应用57基本概念57二、基因治疗57基本要点571基因治疗的概念和常用方法572基因治疗的基本程序573基因治疗的应用与展望57基本概念57基因治疗57基本要求58掌握基因治疗的概念，了解基因治疗采取的方法和基本程序58第二节 育种中的分子遗传标记58基本要点58RFLP技术、DNA指纹技术、RAPD技术和AFLP技术58分子遗传标记在家畜或农作物基因定位、基因图谱构建、背景基因型选择及杂交选育上的应用58分子遗传标记应用于家畜育种需要解决的问题58一、分子遗传标识的种类和特点581RFLP分析技术592DNA指纹分析技术593RAPD分析技术594AFLP分析技术60二、遗传标记在家畜或农作物育种中的应用601基因定位602构建基因图谱603背景基因型的选择614杂交选育61基本要求61熟悉RFLP技术、DNA指纹技术、RAPD技术和AFLP技术等基本概念61了解基因定位、基因图谱构建的基本过程和意义61第十二章 分子生物学常用技术与人类基因组计划（1学时）62本章重点62本章难点62第一节 分子杂交与印渍技术62基本要点621分子杂交是建立印渍技术的理论基础622印渍技术623探针技术624印渍技术的类别和应用62基本概念63核酸分子杂交63基本要求63第二节 PCR技术63基本要点631PCR的工作原理632PCR的主要用途63第三节 核酸序列分析64两大方法64基本要求64了解目前最常用的核酸序列分析方法是什么64第四节 人类基因组计划与后基因组研究641人类基因组计划的主要内容642后基因组研究64教材：生物化学（第五版）周爱儒 主编 人民卫生出版社课时：40学时教学参考资料：生物化学应试指南 周爱儒 主编 北京医科大学出版社辅助资料：生物化学与分子生物学习题集 于雪艳 张莲英 主编第一章 绪论（1学时）本章重点1、 分子遗传学的定义与内容2、 分子遗传学简要发展史3、 分子遗传学在农牧业、医药卫生中的重要作用第二章 核酸的结构与功能（4学时）本章重点 1DNA双螺旋结构模型基本要点2核小体的概念3DNA的变性、复性及分子杂交本章难点 DNA在真核细胞内的组装第一节 核酸的化学组成基本要点1核苷酸中的碱基成分 核苷酸由 碱基 嘌呤(A,G) 嘧啶（T，C，U） 戊糖 -D-核糖，-D-2-核糖 磷酸2戊糖与核苷 核苷酸（脱氧核苷酸） 核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合。3核苷酸的结构与命名核苷一磷酸（nucleoside monophosphate,NMP）核苷二磷酸（nucleoside diphosphate,NDP）核苷三磷酸（nucleoside triphosphate,NTP）环腺苷酸（cycle AMP,cAMP） 环鸟苷酸（cycle GMP,cGMP）基本概念基本要求 了解核苷酸的结构。熟悉核苷酸的命名。掌握核苷酸的化学组成。第二节 核酸的一级结构基本要点1DNA和RNA的一级结构 四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以3，5磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚核苷酸链或脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides）, 称为核苷酸序列(也称为碱基序列)。脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，是前一核苷酸的-OH与下一位核苷酸的5-位磷酸间形成3，5磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。DNA的书写应从5到3。2RNA与DNA的差别 戊糖成分是核糖不是脱氧核糖; 嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶, U代替了DNA的T。DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。基本概念：核酸的一级结构。基本要求：熟悉DNA与RNA的区别。掌握核酸的一级结构。第三节 DNA的空间结构与功能基本要点1DNA的二级结构双螺旋结构模型 的双螺旋结构的研究背景 Chargaff规则：腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（=T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（G=C）；不同生物种属的DNA碱基组成不同，同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。双螺旋结构模型的基本要点 是一反向平行的互补双链结构 亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧、而碱基位于内侧，两条链的碱基互补配对， A-T形成两个氢键，G-C形成三个氢键。堆积的疏水性碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。两条链呈反平行走向，一条链，另一条链是。）。DNA是右手螺旋结构 DNA线性长分子在小小的细胞核中折叠形成了一个右手螺旋式结构（图-7）。螺旋直径为nm。螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为36。螺距为3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。DNA双螺旋分子存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。DNA双螺旋结构稳定的维系 横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。2结构的多样性 B-DNA(atson-Crick模型结构) Z-DNA A-DNA3DNA的超螺旋结构 DNA在双链螺旋式结构基础上,进一步折叠成为超级螺旋结构,在蛋白质的参与下构成核小体(nucleosome),再进一步折叠将DNA紧密压缩于染色体中。DNA的超螺旋-原核生物DNA的高级结构 绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内(图3-9)。4DNA在真核生物细胞核内的组装 染色体的基本单位核小体。核小体由DNA和组蛋白共同构成。组蛋白分子共有五种,分别称为H1,H2A,H2B,H3和H4共同构成了核小体的核心,称为组蛋白八聚体(又称核心组蛋白)。DNA双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒（core particle）。核小体的核心颗粒之间再由DNA (约60个碱基对,bp)和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样的结构(图3-10)。在此基础上,核小体又进一步旋转折叠,形成纤维状结构及襟状结构、最后形成棒状的染色体,将近l m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。DNA双螺旋分子组蛋白八聚体DNA双螺旋分子缠绕(核心颗粒)串珠样的结构维状结构及襟状结构棒状的染色体5DNA的功能 基因(gene) 就是DNA分子中的某一区段,经过复制可以遗传给子代,经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。 DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板,它是生命遗传繁殖的物质基础,也是个体生命活动的基础。一个生物体的全部基因序列称为基因组(genome)。基本概念：DNA双螺旋结构、核小体基本要求：了解DNA双螺旋结构模型的研究背景及意义。熟悉DNA结构的多样性及超螺旋结构。掌握DNA双螺旋结构模型的基本要点及DNA的功能。第四节 RNA的空间结构与功能基本要点1信使RNA的结构与功能 细胞核内合成的mRNA 初级产物比成熟的mRNA大得多,这种初级的RNA被称为不均一核RNA (Hetergeneou nuclear RNA,hnRNA),它们在细胞核内存在时间极短,经过剪接成为成熟的mRNA并移位到细胞质(见十二章)。成熟的mRNA由编码区和非编码区构成,它的结构特点(图3-11)如下:大多数的真核mRNA转录后在5-端加一个7-甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的C2也是甲基化的,这种m7G ppp N m结构被称为帽子结构(cap sequence)。帽子结构具有促进核蛋白体与mRNA的结合、加速翻译起始速度的作用,同时可以增强mRNA的稳定性。在真核mRNA的3末端,有一多聚腺苷酸(poly A)结构,通常称为多聚A尾。一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。poly A是RNA生成后加上去的。poly A与mRNA从核内向胞质的转位及mRNA的稳定性有关。各种mRNA的长短差别很大, mRNA分子的长短,决定翻译的蛋白质分子量的大小。各种RNA分子中, mRNA的半衰期最短,由几分钟到数小时不等,是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。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,抄录并转送至胞质,在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。mRNA分子上每3个核苷酸为一组,三联体密码(triplet code)。2转运RNA的结构与功能 转运RNA (transfer RNA,tRNA)是细胞内分子量最小的一类核酸, 100多种tRNA都由70至90个核苷酸构成。tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给mRNA。 tRNA的结构特点:分子中含10%20%的稀有碱基(rare bases)。稀有碱基是指除A、G、C、U外的一些碱基,包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶(,pseudouridine)和甲基化的嘌呤(mG,mA)等(图3-12)。一般的嘧啶核苷以杂环上N-1与糖环的C-1连成糖苷键,假尿嘧啶核苷则用杂环上的C-5与糖环的C-1相连。tRNA核苷酸中存在局部互补配对的区域,可以形成局部双链,进而形成一种茎-环样(stem-loop)结构或发夹结构。中间不能配对的部分则膨出形成环状或襻状。tRNA形成三叶草形(cloverleaf pattern)二级结构。分别称为DHU环和T环,以及反密码环。反密码子(anticoden)与mRNA相应的三联体密码子碱基互补。例如负责转运酪氨酸的tRNA(tRNATyr)的反密码子5-GUA-3与mRNA上相应的三联体密码子5-UAC-3(编码酪氨酸)呈反向互补。不同的tRNA依照其转运的氨基酸的差别,有不同的反密码子。X射线衍射结构分析发现tRNA的共同三级结构是倒L型(图3-13b)。倒L形三级结构中T环与DHU环相距很近。3核蛋白体RNA的结构与功能 核蛋白体RNA(ribosomal RNA,rRNA)约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体(ribosome),原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。真核生物的核蛋白体小亚基由18S rRNA及30余种蛋白质构成；大亚基则由5S、5.8S、及28S三种rRNA加上近50种蛋白质构成(表3-3)。真核生物的18S rRNA的二级结构呈花状(图3-14),形似40S小亚基,其中多个茎环结构为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构基础。4其他小分子 细胞的不同部位还存在着另外一些小分子的RNA，它们分别被称为小核、小核仁、小胞质R等。这些小RNA分别参与hnRNA和rRNA的转运和加工。5核酶 某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。这种具有催化作用的被称为核酶（ribozyme）。基本概念：核酶基本要求：了解HnRNA、SnRNA等小分子RNA的功能。掌握mRNA、tRNA、rRNA的结构特点和功能。第五节 核酸的理化性质及其应用基本要点1核酸的一般理化性质 核酸具有较强的酸性。DNA是线性高分子，粘度极大，RNA分子远小于DNA，粘度也小得多。DNA分子在机械力的作用下易发生断裂。嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260左右的紫外光有较强吸收。这是DNA和RNA定量最常用的方法。2的变性变性 在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链。加热是实验室最常用的DNA变性的方法。DNA的增色效应（hyperchromic effect） 加热时，DNA双链解链过程中，内部的碱基暴露，对260nm波长紫外光吸收增加，DNA的A260增加，并与解链程度有一定的比例关系。这种关系称为DNA的增色效应（hyperchromic effect）。解链曲线 连续加热DNA的过程中以温度对A260的关系作图，所得的曲线（图3-15）。从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50时的温度称为DNA的解链温度（融解温度）（melting temprature,Tm）。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。一种DNA分子的Tm值的大小与其所含碱基中的G+C比例相关，G+C比例越高，Tm值越高。Tm值计算公式：Tm69.3+0.41（%G+C），20bp的寡核苷酸的Tm计算：Tm4（G+C）+2（A+T）。3的复性与分子杂交DNA复性 变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，又称为退火（annealing）。DNA的复性速度受到温度的影响，复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后，将其迅速冷却至以下，则几乎不可能发生复性。这一特性被用来保持DNA的变性状态，一般认为，比Tm 低25的温度是DNA复性的最佳条件。核酸分子杂交（hybridization） 在DNA复性过程中，如果将不同来源的DNA单链分子放在同一溶液中，或者将DNA和RNA分子放在一起，双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子间，也可以发生在那些碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间。核酸分子探针 用同位素、生物素或荧光染料标记一小段已知序列的多聚核苷酸的末端或全链就可以作为探针，探针的序列如果与DNA或RNA序列互补，就可以探知核酸分子。基本概念：DNA变性和复性、Tm值、增色效应、减色效应、核酸分子杂交基本要求：了解核酸的一般理化性质。熟悉Tm值的计算。掌握DNA的变性、复性及分子杂交。第六节 核酸酶基本要点核酸酶（nucleases）是指所有可以水解核酸的酶，在细胞内催化核酸的降解，以维持核酸（尤其是RNA）的水平与细胞功能相适应。食物中的核酸也需要在核酸酶的作用下被消化。按照作用底物 DNA酶（DNase）、RNA酶（RNase）。核酸外切酶 末端外切酶、末端外切酶核酸内切酶 作用于链的内部，其中一部分具有严格的序列依赖性（48 bp），称为限制性内切酶。核酸酶在DNA重组技术中是不可缺少的重要工具，尤其是限制性核酸内切酶的应用更是所有基因人工改造的基础。基本概念：核酸酶基本要求：了解核酸酶的分类。掌握核酸酶的特性及应用。第三章 核苷酸代谢(2学时)本章重点核苷酸最主要的功能是作为核酸合成的原料，体内核苷酸的合成有两条途径，一条是从头合成途径，一条是补救合成途径。肝组织进行从头合成途径，脑、骨髓等则只能进行补救合成，前者是合成的主要途径。核苷酸合成代谢中有一些嘌呤、嘧啶、氨基酸或叶酸等的类似物，可以干扰或阻断核苷酸的合成过程，故可作为核苷酸的抗代谢物。体内核苷酸的分解代谢类似于食物中核苷酸的消化过程，嘌呤核苷酸的分解终产物是尿酸，嘧啶核苷酸的分解终产物是-丙氨酸或-氨基异丁酸。核苷酸的合成代谢受多种因素的调节。本章难点嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸从头合成的原料及关键步骤、关键酶，嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的从头合成代谢调节机制。核苷酸合成代谢过程中的一些抗代谢物，以及它们的作用机理。第一节 概述基本要点1核酸的消化 食物中的核酸大多以核蛋白的形式存在。核蛋白在胃中受胃酸的作用，分解成核酸与蛋白质。核酸在小肠中受胰液和肠液中各种水解酶的作用逐步水解，最终生成碱基和戊糖。产生的戊糖被吸收参加体内的戊糖代谢；嘌呤和嘧啶碱主要被分解排出体外。食物来源的嘌呤和嘧啶很少被机体利用。2核苷酸的分布 核苷酸是核酸的基本结构单位，人体内的核苷酸主要有机体细胞自身合成，核苷酸不属于营养必需物质。核苷酸在体内的分布广泛。细胞中主要以5-核苷酸形式存在。细胞中核糖核苷酸的浓度远远超过脱氧核糖核苷酸。不同类型细胞中的各种核苷酸含量差异很大，同一细胞中，各种核苷酸含量也有差异，核苷酸总量变化不大。3核苷酸的生物学功用 作为核酸合成的原料，这是核苷酸最主要的功能；体内能量的利用形式；参与代谢和生理调节；组成辅酶；活化中间代谢物。基本要求：掌握核苷酸的生物学功用。了解核酸消化概况，及核苷酸的分布情况。第二节 嘌呤核苷酸代谢基本要点 （一）嘌呤核苷酸的合成代谢 体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径，一是从头合成途径，一是补救合成途径，其中从头合成途径是主要途径。 1嘌呤核苷酸的从头合成 肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠粘膜和胸腺。嘌呤核苷酸合成部位在胞液，合成的原料包括磷酸核糖、天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、一碳单位及CO2等。主要反应步骤分为两个阶段：首先合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），然后IMP再转变成腺嘌呤核苷酸（AMP）与鸟嘌呤核苷酸（GMP）。嘌呤环各元素来源如下：N1由天冬氨酸提供，C2由N10-甲酰FH4提供、C8由N5，N10-甲炔FH4提供，N3、N9由谷氨酰胺提供，C4、C5、N7由甘氨酸提供，C6由CO2提供。嘌呤核苷酸从头合成的特点是：嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子基础上逐步合成的，不是首先单独合成嘌呤碱然后再与磷酸核糖结合的。反应过程中的关键酶包括PRPP酰胺转移酶、PRPP合成酶。PRPP酰胺转移酶是一类变构酶，其单体形式有活性，二聚体形式无活性。IMP、AMP及GMP使活性形式转变成无活性形式，而PRPP则相反。从头合成的调节机制是反馈调节，主要发生在以下几个部位：嘌呤核苷酸合成起始阶段的PRPP合成酶和PRPP酰胺转移酶活性可被合成产物IMP、AMP及GMP等抑制；在形成AMP和GMP过程中，过量的AMP控制AMP的生成，不影响GMP的合成，过量的GMP控制GMP的生成，不影响AMP的合成；IMP转变成AMP时需要GTP，而IMP转变成GMP时需要ATP。2嘌呤核苷酸的补救合成 反应中的主要酶包括腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT），次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）。嘌呤核苷酸补救合成的生理意义：节省从头合成时能量和一些氨基酸的消耗；体内某些组织器官，例如脑、骨髓等由于缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶体系，而只能进行嘌呤核苷酸的补救合成。3嘌呤核苷酸的相互转变 IMP可以转变成AMP和GMP，AMP和GMP也可转变成IMP。AMP和GMP之间可相互转变。4脱氧核苷酸的生成体内的脱氧核苷酸是通过各自相应的核糖核苷酸在二磷酸水平上还原而成的。核糖核苷酸还原酶催化此反应。5嘌呤核苷酸的抗代谢物 嘌呤类似物：6-巯基嘌呤（6MP）、6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等。6MP应用较多，其结构与次黄嘌呤相似，可在体内经磷酸核糖化而生成6MP核苷酸，并以这种形式抑制IMP转变为AMP及GMP的反应。氨基酸类似物：氮杂丝氨酸和6-重氮-5-氧正亮氨酸等。结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。叶酸类似物：氨喋呤及甲氨喋呤（MTX）都是叶酸的类似物，能竞争抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸，从而抑制了嘌呤核苷酸的合成。（二）嘌呤核苷酸的分解代谢分解代谢反应基本过程是核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷，进而在酶作用下成自由的碱基及1-磷酸核糖。嘌呤碱最终分解成尿酸，随尿排出体外。黄嘌呤氧化酶是分解代谢中重要的酶。嘌呤核苷酸分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行。嘌呤代谢异常：尿酸过多引起痛风症，患者血中尿酸含量升高，尿酸盐晶体可沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病。临床上常用别嘌呤醇治疗痛风症。1从头合成途径（de novo synthesis）体内嘌呤核苷酸的合成代谢中，利用磷酸核糖、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，合成嘌呤核苷酸称为从头合成途径。2补救合成途径（salvage pathway）利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救合成途径。基本要求掌握嘌呤核苷酸从头合成的原料，部位，关键酶，关键调节，及抗代谢物的主要种类和作用机制。掌握嘌呤核苷酸分解代谢参加的关键酶，主要终产物。熟悉嘌呤核苷酸从头合成的步骤及调节。熟悉嘌呤核苷酸补救合成的几种反应及参与的酶。第三节 嘧啶核苷酸代谢基本要点（一）嘧啶核苷酸的合成代谢1嘧啶核苷酸的从头合成肝是体内从头合成嘧啶核苷酸的主要器官。嘧啶核苷酸从头合成的原料是天冬氨酸、谷氨酰胺、CO2等。反应过程中的关键酶在不同生物体内有所不同，在细菌中，天冬氨酸氨基甲酰转移酶是嘧啶核苷酸从头合成的主要调节酶；而在哺乳动物细胞中，嘧啶核苷酸合成的调节酶主要是氨基甲酰磷酸合成酶II。主要合成过程：形成的第一个嘧啶核苷酸是乳氢酸核苷酸（OMP），进而形成尿嘧啶核苷酸（UMP），UMP在一系列酶的作用下生成CTP。dTMP由dUMP经甲基化生成的。嘧啶核苷酸从头合成的特点是先合成嘧啶环，再磷酸核糖化生成核苷酸。2嘧啶核苷酸的补救合成 主要酶是嘧啶磷酸核糖转移酶，能利用尿嘧啶、胸腺嘧啶及乳氢酸作为底物，对胞嘧啶不起作用。3嘧啶核苷酸的抗代谢物嘧啶类似物：主要有5-氟尿嘧啶（5-FU），在体内转变为FdUMP或FUTP后发挥作用。氨基酸类似物：同嘌呤抗代谢物。叶酸类似物：同嘌呤抗代谢物。阿糖胞苷：抑制CDP还原成dCDP。（二）嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶核苷酸在酶作用下生成磷酸、核糖及自由碱基，产生的嘧啶碱进一步分解。胞嘧啶脱氨基转变成尿嘧啶，尿嘧啶最终生成NH3、CO2及-丙氨酸。胸腺嘧啶降解成-氨基异丁酸。基本要求 掌握嘧啶从头合成的原料，主要酶，抗代谢物。掌握嘧啶分解代谢的最终产物。了解嘧啶从头合成反应过程，了解嘧啶补救合成过程。第四章 DNA的生物合成（复制）（5学时）基本要求1掌握与DNA复制、DNA损伤与修复、逆转录过程有关的基本概念。包括：半保留复制，半不连续复制，复制叉，复制子，岡崎片段，领头链，随从链，端粒，端粒酶等2掌握复制的过程，以及复制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；并掌握原核生物与真核生物复制的相同点与不同点3掌握逆转录过程，熟悉逆转录酶的应用4了解引起地中海贫血和镰形红细胞贫血的分子机制本章重点 DNA分子在生物体内的合成有三种方式：（1）DNA指导的DNA合成，也称复制，是细胞内DNA最主要的合成方式。遗传信息储存在DNA分子中，细胞增殖时，DNA通过复制使遗传信息从亲代传递到子代。（2）修复合成，即DNA受到损伤（突变）后进行修复，需要进行局部的DNA的合成，用以保证遗传信息的稳定遗传。（3）RNA指导的DNA合成，即反转录合成，是RNA病毒的复制形式，以RNA为模板，由逆转录酶催化合成DNA。真核生物的DNA合成过程与原核生物基本相似，但机理尚不十分清楚，以原核生物为例介绍其复制过程。本章难点DNA的双螺旋结构是复制的结构基础。DNA复制的实质为酶催化的脱氧核糖核苷酸的聚合反应。复制开始时，亲代双链DNA分子解开，分别作为模板，在DNA依赖的DNA聚合酶催化下，按照碱基配对的原则，将四种脱氧核苷酸连接成DNA大分子，合成产物的碱基序列与模板DNA的碱基序列是互补的，子代DNA双链分子中，一条来自亲代的模板链，另一条为新合成的链，故称半保留复制，是生物体最主要的DNA合成方式；合成过程中，自53连续合成一条领头链，不连续地合成一些片断，而后连成一条随从链，所以DNA合成是半不连续合成。反应过程复杂，首先螺旋松弛，双链打开，形成复制叉，然后复制的引发，包括合成引物，形成引发体，最后是DNA链的延长与终止。每一阶段需要有许多酶和蛋白因子参与，包括拓扑异构酶，用于理顺解链过程中造成的链的盘绕、打结等现象；解螺旋酶在蛋白因子的辅助下结合于复制起始点，并打开双链，由单链结合蛋白稳定解开的两股单链；引物酶及其它辅助蛋白因子在打开的双链上催化合成引物，由引物提供3-OH，与原料dNTP的5-P形成磷酸二酯键，然后DNA聚合酶催化这一聚合反应的进行，而DNA连接酶将复制中的不连续片段连接成完整的链。真核生物的复制与原核生物相比，为多个起始点、5种DNA聚合酶以及有端粒复制等特点。第一节 DNA的复制基本要求1. 掌握复制叉、半不连续复制、岡崎片段、领头链、随从链等基本概念2. 掌握拓扑异构酶、解螺旋酶、单链结合蛋白、引物酶、DNA聚合酶、DNA连接酶的特点及生物学作用3. 熟悉DNA的合成过程4. 了解半保留复制的实验依据基本概念1. 中心法则：遗传信息从DNA通过转录流向RNA，RNA通过翻译指导合成蛋白质，这种遗传信息的传递规律称之。少数RNA也是遗传信息的贮存者，RNA能逆转录为DNA，是对中心法则的补充。2. 复制（replication）：即DNA的生物合成，以DNA为模板指导合成相同的DNA分子，使遗传信息从亲代传递到子代的过程。RNA病毒的遗传信息储存于RNA分子中，可进行RNA复制并反转录合成DNA。3. 半保留复制（semiconservative replication）：DNA复制时，亲代DNA双螺旋结构解开，分别以解开的两股单链为模板，以dNTP(dATP、 dGTP 、dTTP 、dCTP)为原料，按照碱基互补的原则，合成与模板链互补的新链，从而形成两个子代DNA双链，其结构与亲代DNA双链完全一致。因子代DNA双链中的一股单链源自亲代，另一股单链为合成的新链，形成的双链与亲代双链的碱基序列完全一致，故称为半保留复制。4. 复制叉（replication fork）：原核生物DNA的复制从单一起点开始，双螺旋结构被打开，分开的两股单链分别作为新DNA合成的模板，DNA合成从起点开始向两个方向进行，与单一起点相连的局部结构形状呈“Y”型，称复制叉结构。5. 半不连续复制：复制过程中，催化DNA 合成的DNA聚合酶只能催化核苷酸从53方向合成，以3 5链为模板时，新生的DNA以53方向连续合成；而以53为模板只能合成若干反向互补的岡崎片段，这些片段再相连成完整的新链，故称半不连续复制。6. 岡崎片段（Okazaki fragments）：DNA双链是反向平行的，复制时，亲代双链DNA在复制叉处打开，由于新链的合成具有方向性，即从53，以53DNA链为模板合成反向互补的新链时，只能合成小片段DNA，这些片段根据发现者命名为岡崎片断。7. 领头链、随从链：DNA双链是反向的，复制时，两股链均作为模板，但新链的合成只能是53。因此，顺着解链方向合成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链，另一股新链的复制方向与解链方向相反，复制是不连续进行的，这条不连续合成的链称为随从链。8. 引发体：是由DnaA蛋白、DnaB蛋白（解螺旋酶）、DnaC蛋白、引物酶和DNA的起始复制区域共同形成的一个复合结构。DnaA蛋白辨认复制起始点，DnaB蛋白有解螺旋作用，DnaC蛋白使DnaB蛋白组装到复制起始点，引物酶合成引物。（一）、原核生物DNA的复制1与复制有关的酶及蛋白质（1）拓扑异构酶：通过切断并连接DNA双链中的一股或双股，改变DNA分子拓扑构象，避免DNA分子打结、缠绕、连环，在复制的全程中都起作用。其种类有：拓扑异构酶I和拓扑异构酶II，拓扑异构酶I能切断DNA双链中一股并再连接断端，反应不需ATP供能；拓扑异构酶II能使DNA双链同时发生断裂和再连接，需ATP供能，并使DNA分子进入负超螺旋。（2） 解螺旋酶： DNA进行复制时，需亲代DNA的双链分别作模板来指导子代DNA分子的合成，解螺旋酶可以将DNA双链解开成为单链。大肠杆菌中发现的解螺旋酶为DnaB。（3） 单链结合蛋白（SSB）：在复制中模板需处于单链状态，SSB可以模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解。随着DNA双链的不断解开，SSB能不断的与之结合、解离。（4） 引物酶： 是一种RNA聚合酶，在复制的起始点处以DNA为模板，催化合成一小段互补的RNA。DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合反应，若没有引物就不能起始DNA合成。引物酶能直接在单链DNA模板上催化游离的NTP合成一小段RNA，并由这一小段RNA引物提供3-OH， 经DNA聚合酶催化链的延伸。（5） DNA聚合酶：是依赖DNA的DNA聚合酶，简称为DNA pol，以DNA为模板，dNTP为原料，催化脱氧核苷酸加到引物或DNA链的3-OH末端，合成互补的DNA新链，即53聚合活性。原核生物的DNA聚合酶有DNA polI、DNA pol II和DNA pol III，DNA pol III是复制延长中真正起催化作用的，除具有53聚合活性，还有3 5 核酸外切酶活性和碱基选择功能，能够识别错配的碱基并切除，起即时校读的作用；DNA pol I具有53聚合活性、3 5和53核酸外切酶活性，53核酸外切酶活性可用于切除引物以及突变片段，起切除、修复作用。另外，klenow片断是DNA pol I体外经蛋白酶水解后产生的大片段，具有DNA 聚合酶和3 5外切酶活性，是分子生物学的常用工具酶。DNA pol II 在无DNA pol I和DNA pol III时起作用，也具有53和3 5 核酸外切酶活性。（6） DNA连接酶：DNA连接酶用于连接双链中的单链缺口，使相邻两个DNA片段的3-OH末端和5-P末端形成3,5磷酸二酯键。DNA连接酶在DNA复制、修复、重组、剪接中用于缝合缺口，是基因工程的重要工具酶。2DNA的合成过程：可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段复制起始（1） 辨认起始点，合成引发体：在E.coli，复制起始点称为oriC，具有特定结构能够被DnaA蛋白辨认结合，DnaB蛋白具有解螺旋作用，DnaC蛋白使DnaB蛋白结合于起始点，DNA双链局部被打开，引物酶及其他蛋白加入，形成引发体。（2） 形成单链：DNA进行复制时，首先在拓扑异构酶作用下，使分子的超螺旋构象变化，然后在解链酶的作用下，解开双链，才能开始进行DNA的合成。解螺旋酶在蛋白因子的辅助下打开DNA双链，单链结合蛋白SSB结合于处于单链状态模板链上；拓扑异构酶使DNA分子避免打结、缠绕等，在复制全过程中起作用。（3） 合成引物：引发体中的引物酶催化合成RNA引物，由引物提供3-OH基，使复制开始进行。领头连和随从链均由引物酶合成引物，随从链在复制中需多次合成引物。复制延长（1） 复制方向：原核生物如E.coli，只有一个起始点oriC，两个复制叉同时向两个方向进行复制，称为双向复制。（2） 链的延长：按照与模板链碱基配对的原则，在DNA聚合酶III的作用下，逐个加入脱氧核糖核酸，使链延长。由于DNA双链走向相反，DNA聚合酶只能催化核苷酸从53方向合成，领头链的复制方向与解链方向一致，可以连续复制，而另一股模板链沿53方向