03 第三章 核酸的结构与功能.ppt

第三章核酸的结构和功能 StructureandFunctionofNucleicAcid 生物化学 护理学专业本科教材 核酸 nucleicacid 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 护理学专业本科教材 核酸的分类及分布 生物化学 护理学专业本科教材 第一节核酸的分子组成TheMolecularOrganizationofNucleicAcid 生物化学 护理学专业本科教材 核酸的化学组成 1 元素组成C H O N P 9 10 生物化学 护理学专业本科教材 一 戊糖 生物化学 护理学专业本科教材 嘌呤 purine 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 二 碱基 生物化学 护理学专业本科教材 嘧啶 pyrimidine 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 核苷酸 AMP GMP UMP CMP脱氧核苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 第二节核苷酸代谢MetabolismofNucleotides 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 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 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 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 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 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 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 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 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 2 嘌呤核苷酸从头合成的调节 2个长反馈 生物化学 护理学专业本科教材 2个短反馈 IMP AMPS XMP AMP ADP GMP GDP GTP ATP ATP GTP 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 NDP dNDP ADP dADP GDP dGDP UDP dUDP CDP dCDP TDP dTDP 生物化学 护理学专业本科教材 dNDP ATP dNTP ADP dCDP ATP dCTP ADP dUDP ATP dUTP ADP dGDP ATP dGTP ADP dADP ATP dATP ADP 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 正常人血浆尿酸含量 0 12 0 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 乳清酸 PRPP PPi 乳清酸核苷酸 OMP CO2 尿嘧啶核苷酸 UMP 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 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 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 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 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 UMP UDP UTP dUDP dUMP dTMP CTP CDP dCDP MTX 5FU 阿糖胞苷 氮杂丝氨酸 生物化学 护理学专业本科教材 第三节DNA的结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA 生物化学 护理学专业本科教材 C G A 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 核酸的书写方法 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 生物化学 护理学专业本科教材 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 LinusPauling 生物化学 护理学专业本科教材 DNA双螺旋结构的研究背景 Franklin获得高质量的DNAX射线衍射图谱 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 生物化学 护理学专业本科教材 二 DNA的二级结构 双螺旋结构 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 碱基互补配对 T A G C 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 DNA双螺旋结构的多样性 生物化学 护理学专业本科教材 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 positivesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方向相同 负超螺旋 negativesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 原核生物DNA的超螺旋结构 生物化学 护理学专业本科教材 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 H1H2A H2BH3H4 生物化学 护理学专业本科教材 生物化学 护理学专业本科教材 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 第四节RNA的结构与功能 StructureandFunctionofRNA 生物化学 护理学专业本科教材 RNA的种类 分布 功能 生物化学 护理学专业本科教材 一 信使RNA 内含子 intron mRNA成熟过程 外显子 exon 生物化学 护理学专业本科教材 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C 2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 护理学专业本科教材 帽子结构 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 tRNA的一级结构特点含10 20 稀有碱基 如DHU3 末端为 CCA OH5 末端大多数为G具有T C 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 护理学专业本科教材 tRNA的二级结构 三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环T C环 氨基酸臂 额外环 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 核糖体的组成 生物化学 护理学专业本科教材 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 smallnon messengerRNAs snmRNAs snmRNAs 生物化学 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 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 护理学专业本科教材 核酸的理化性质ThePhysicalan