大二上学习生化课件核酸

1、中山大学药学院 欧田苗SUPERHELIX (supercoiling)2013.11.131Topoisomer：具有相同一级结构，但两链相互缠绕次数不同的两个环状或线性DNA。2负超螺旋：underwinding；正超螺旋：overwinding。3Lk: DNA链间盘绕数, = Tw + WrTw：DNA链绕轴数 (helical turn number)，当超螺旋盘绕未发生时，Lk=Tw；当超螺旋盘绕成右手螺旋时，T；左手螺旋则T。Wr：超螺旋数，指双螺旋DNA自身盘绕数。Wr0，左手螺旋4负超螺旋：W0。5Topoisomerase I：剪切单链，Lk，因此正超螺旋程度Topoiso

2、merase II：剪切双链，松散负和正超螺旋；原核生物中的Top II（gyrase）可以进一步诱导负超螺旋生成。KEYPOINTSEnzymes involved in DNA replication2013.11.13DNA polymeraseDNA ligaseDNA primaseDNA topoisomeraseDNA helicaseSingle strand binding protein (SSB)DNA replication2013.11.132013.11.153. DNA的损伤与修复 某些物理化学因素，如化学诱变剂、紫外线和电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡，其

3、化学本质是这些物理化学因素直接作用于DNA，造成其DNA结构和功能的破坏，称为DNA损伤。生物体具有一系列起修复作用的酶系统，可以消除DNA损伤，恢复DNA的正常结构。3. DNA的损伤与修复 目前已知有多种修复系统：直接修复（direct reversal repair）核苷酸切除修复（nucleotide excision repair）碱基切除修复（base excision repair）错配修复（mismatch repair）2013.11.152013.11.15direct reversal repairDNA photolyasesphotoreactivationNucle

4、otide excision repair2013.11.15base excision repair2013.11.15mismatch repair4. RNA指导下的DNA合成 以RNA为模板，按照RNA的核苷酸顺序合成 DNA逆转录 (reverse transcription ) 与通常转录过程中遗传信息传递方向(DNARNA) 相反的转录过程。逆转录酶 (reverse transcriptase) 催化逆转录反应，即RNA指导的 DNA 聚合酶。所有已知的致癌RNA病毒都含有逆转录酶，因此被称为逆转录病毒（retrovirus）。2013.11.152013.11.15逆转录与逆

5、转录病毒 逆转录病毒在感染期间：逆转录酶具有RNA降解活性和DNA聚合酶活性。逆转录酶同样以四种dNTP为底物，需要Mg2+，Mn2+作辅助因子，并要求有模板和引物的存在。逆转录与癌变和艾滋病 RNADNA病毒cDNA与宿主DNA整合潜伏于宿主后代中逆转录酶作用示意图2013.11.15（三）DNA指导下的RNA合成 细胞内的各种RNA都是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下合成的，此过程称为转录。最初转录的RNA产物通常需要一系列断裂、拼接、修饰和改造才能成为成熟的 RNA分子。 DNAmRNA、tRNA and rRNARNA聚合酶2013.11.15DNA双链中仅有一条链可用以转录，称为

6、模板链或非编码链或反义链（template or noncoding or antisense strand）。而另一条链称为编码链或有义链（coding or sense strand）。转录过程中所生成的RNA分子是DNA编码链的拷贝，唯一不同的是DNA编码链中的T在mRNA链中是U。模板链与编码链 2013.11.15DNA启动子（promoter）：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。DNA终止子（terminator）：提供转录停止信号的 DNA序列。 启动子与终止子 2013.11.151. RNA合成 以大肠杆菌RNA合成为例，RNA合成主要涉及起始，延伸和终止三

7、个过程。2013.11.152. RNA的转录后加工 在细胞内，转录过程中合成的RNA链一般需要经过一系列的变化，包括链的断裂和化学修饰等过程，才能转变为成熟的mRNA、tRNA和rRNA。此过程过程称为RNA的成熟，或称为转录后加工（post-transcriptional processing）。 2013.11.15rRNA的加工2013.11.15tRNA的加工2013.11.152013.11.15（四）蛋白质的生物合成 1944，薛定谔在中提出： 基因就是遗传信息的携带者，而基因携带遗传信息的可能方式就如同电报密码一样，由少量几个符号的一定的组合方式，亦即编码来表达遗传信息。1.

8、遗传密码（1）遗传密码（Genetic Code）概念的提出1953, Watson和Crick提出: DNA中的四个碱基就是薛定谔所提到的”电报密码”。1954，Gamove提出: DNA中的碱基可以为20种基本氨基酸编码。遗传密码： 就是代表DNA遗传信息的mRNA中一定顺序排列的寡聚核苷酸（即碱基顺序）。（1）遗传密码概念的提出2013.11.152013.11.15How could the genetic information encoded in the 4-letter language of nucleic acids be translated into the 20-le

9、tter language of proteins? A small nucleic acid (perhaps RNA) could serve the role of an adaptor（适配器）, one part of the adaptor molecule binding a specific amino acid and another part recognizing the nucleotide sequence encoding that amino acid in an mRNA.Cricks Adaptor Hypothesis2013.11.15你怎样用mRNA中4

10、种不同的碱基（A, G, C, U）为20种氨基酸编码呢？分析：密码碱基数编码数编码氨基酸数合理性144X21616X36420结论：三个碱基组成的编码有可能符合为 20个氨基酸编码的要求。（2） 密码子中的碱基数目（四）蛋白质的生物合成 密码子（Codon）：指mRNA中由三个碱基组成的编码，也称三联体密码（Codon triplet）。1960年前后，年轻的美国生物学家Nirenberg等人建立了两种重要的方法。（3）遗传密码的破释2013.11.151. 遗传密码方法1：应用多核苷酸磷酸化酶合成多聚核苷酸多核苷酸磷酸化酶可作为蛋白质合成的模板nRDP RNA + Pi（3）遗传密码的破释

11、2013.11.15方法2： 建立了无细胞蛋白质合成体系 Cell-free protein-synthesizing system, CFPSSE. Coli细胞细胞壁，膜，DNA, RNA, ribosome, 酶等破碎离心分离DNA, RNA, ribosome，酶核酸酶水解原有DNA, RNACSPSS人工合成（天然）mRNA按加入的mRNA为模板合成的蛋白质蛋白质蛋白质2013.11.151961年, Nirenberg等人发现： polyUpolyPhe polyApolyLys polyCpolyPro1964年, Nirenberg首先确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接

12、的是哪那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据。Jones,Khorana等人用有机化学和酶法制备的已知核苷酸重复序列为模板，通过CFPSS进行蛋白质合成，发现可以生成三种重复的多肽链。证明三联体密码的三个著名实验2013.11.15证明三联体密码的三个著名实验示意图 2013.11.15（四）蛋白质的生物合成 （4） 遗传密码的特点遗传密码的通用性密码子不可彼此交盖（少数病毒例外）遗传密码没有标点符号遗传密码具有简并性：Trp和Met只有一个密码子密码的防错系统： - 密码的头两个核苷酸残基就可以确定一个氨基酸 - 类似序列的密码往往指定化学性质类似的氨基酸

13、64个密码中有61个密码编码氨基酸，其中一个起始密码子（AUG），三个是终止密码子（UAA, UAG, UGA）2013.11.151. 遗传密码2013.11.15蛋白质生物合成的真正模板是mRNA。mRNA 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。蛋白质的合成过程相当复杂，整个过程涉及到三种 RNA（mRNA、tRNA和rRNA），几种核苷酸（ATP，GTP）以及一系列酶、蛋白质、辅助因子等的参与。 2. 蛋白质的生物合成过程 2013.11.15（四）蛋白质的生物合成 tRNA的结构2013.11.15密码子与反密码子配对的“摆动”性 1966年，Crick提出：密码子与反密码子

14、中的3和中间的碱基形成Watson-Crick碱基配对，而反密码子的5位容许其它类型的碱基配对。Crick将5位的这种变通性称之“摆动”（wobble）。位于反密码子5（摆动）位的核苷酸 位于密码子的3位的核苷酸ACGUIUGU或CG或AU，C或A 2013.11.152013.11.15氨酰-tRNA的合成 tRNA在氨酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，形成氨酰-tRNA。氨酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：氨基酸的活化 氨基酸ATP 氨基酸-AMPPPi 氨基酰-tRNA的形成 氨基酸-AMPtRNA = 氨酰-tRNAAMP 每一种氨基酸至少有一种对应的氨酰-tRN

15、A合成酶。它既催化氨基酸与 ATP 的作用, 也催化氨基酰基转移到 tRNA。氨酰-tRNA的合成 AMP2013.11.15除原核生物外，所有其他生物的蛋白质的翻译开始于Met-tRNA原核细胞的蛋白质合成以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA (fMet-tRNA,tRNAifMet)形式作为肽合成的起始物。肽合成完成后，有专一性的酶将 fMet 或 Met 从肽链的 N 端切除。2013.11.15起始tRNAFive stages of protein synthesisStage 1: Aminoacyl-tRNA Synthetases Attach the Correct Amino Ac

16、ids to Their tRNAs (活化)Stage 2: A Specific Amino Acid Initiates Protein Synthesis (起始)Stage 3: Peptide Bonds Are Formed in the Elongation Stage (延伸)Stage 4: Termination of Polypeptide Synthesis Requires a Special Signal (终止)Stage 5: Newly Synthesized Polypeptide Chains Undergo Folding and Posttransl

17、ational Processing（折叠及后翻译过程）2013.11.155353NC1. 起始2. 延伸2013.11.15蛋白质的生物合成过程53NCNC532. 延伸3. 终止2013.11.15蛋白质的生物合成过程Ribosome 70S in bacteriaFormation of the initiation complex（70S） in bacteriaFirst elongation step in bacteria2013.11.15Second elongation step in bacteria2013.11.152013.11.15Third elongatio

18、n step in bacteria（五） 遗传变异遗传变异（Mutation） DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异，这种现象称为遗传变异，又称基因突变。一切生物的变异和进化都可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。2013.11.152013.11.151. 突变的类型同型碱基间的转换（transition） 可自发产生，或人工诱变异型碱基间的颠换（transversion） 可自发产生，或人工诱变移码突变（frameshift ） 包括插入（insertion）或缺失（deletion），一般由人工诱变引起安

19、全变异（silent mutation）：缺损变异（leaky mutation）： 致死变异（lethal mutation）： 2013.11.15自然环境的长期影响遗传误差物理因素化学因素2. 引起基因突变的因素诱变剂（mutagen）：能提高突变率的物理或化学因子。原癌基因或抑癌基因致癌剂或肿瘤病毒癌基因或失调抑癌基因调节正常细胞分裂调节功能丧失许多诱变剂是致癌物质（致癌剂：carcinogen）(1) 遗传误差DNA复制、转录引起的差错tRNA在翻译mRNA信息时出现的差错DNA分子中碱基互变异构会导致差错 DNA分子的碱基，存在酮式烯醇式或氨式亚胺式互变异构。不同的互变异构体形成氢

20、键的方向和能力不同，有可能导致复制时出现错误。 例如：在正常情况下，A（氨式结构）与T（酮式结构）配对；当A以亚胺式存在时（几率非常小），则与C配对。出错率：1/3000-40002013.11.152013.11.15(2) 物理因素紫外线（UV）高能射线 (X-射线)电离辐射等(3) 化学因素 化学因素是引起DNA结构发生变化的最常见因素，主要包括：烷基化试剂碱基类似物嵌入剂亚硝酸盐2013.11.152013.11.15 烷基化试剂烷基化试剂能够与DNA分子中的氨基或氧作用，生成烷基化DNA。从而产生致癌作用。氮芥、环磷酰胺等药品仍在作为抗癌药物继续使用。它们既是抗肿瘤药物，又可诱发继发

21、性肿瘤。 Example of how DNA damage results in mutationsFigure 12013.11.15Figure 2Example of how DNA damage results in mutations2013.11.15 碱基类似物取代正常碱基掺入并与互补链上碱基配对。某些碱基类似物易发生互变异构，复制时导致配对改变，引起碱基对置换。如：5溴尿嘧啶（BU） 2氨基嘌呤2013.11.152013.11.15 嵌入剂扁平的稠环分子，如吖啶（acridine）、溴乙锭（ethidium）等染料，可插入到DNA的碱基对之间，导致碱基对间的距离撑大，引起移

22、码突变。2013.11.15 亚硝酸盐 在亚硝酸作用下： C转变为U。 A转变为I（次黄嘌呤核苷） G转变为X（黄嘌呤核苷）NNNH2ORHONONNN2+ORH2ONNOHORHNNORO2013.11.152013.11.15The Ames Test -诱变剂和致癌剂的快速检测Bruce AmesCompleted in 2 daysAbout 90% positive correlation营养缺陷型菌株（Salmonella typhimurium）诱变剂无His, 不生长产生菌落突变成能合成His的菌株2013.11.15（六）化学物质与核酸的相互作用核酸是重要的生命物质基础。许多

23、分子能与核酸发生相互作用,破坏其模板作用,使核酸链断裂，进而影响基因调控和表达功能。与核酸相互作用的小分子可作为生物探针、抗肿瘤药物的先导化合物、预警标示物。小分子与核酸相互作用的测定： -光谱、电泳等方法。 -阐明作用模式、构效关系等。2013.11.151. 小分子化合物与DNA的识别及作用方式 小分子化合物与DNA的结合常常诱发很多生物效应。以DNA为靶分子进行药物设计的分子基础。结合作用按化学键划分： - 共价键结合 - 非共价键结合 2013.11.15（1）共价结合 DNA烷基化剂：早期使用，如氮芥。基本上没有选择性，临床使用有严重的毒副作用。天然抗癌抗生素：首先与DNA形成非共价

24、复合物，然后再与之共价结合。这些杂环化合物最初的作用是干扰DNA、RNA的合成来达到杀菌的目的，但很多这类化合物却也表现了明显的抗癌活性，而且具有选择性毒性。 2013.11.152013.11.15丝裂霉素C 丝裂霉素C是一种抗癌抗生素。经酶的还原活化会引起结构中某些碳位甲醇组成的脱去，继而进行DNA的烷基化（还原烷基化剂）。2013.11.15螺旋丙烷类抗生素 CC-1065：此类中较新的抗生素，有较强的细胞毒作用，能序列特异性地作用在DNA小沟区。由于它攻击腺嘌呤N-3位，脱嘌呤作用的发生会产生一个活性部位，序列分析表明CC-1065对DNA的AT富集区有选择性。 顺铂(cis-Pt)c

25、is-Pt是临床上比较成功的化学治疗药物。 2013.11.15顺铂它的铂化定位于DNA大沟区的鸟嘌呤的N-7位，紧接着与第二个嘌呤作用，选择性地结合到d(pGpG)和d(pApG) 序列，形成了DNA的各种交联。2013.11.15（2）非共价结合 大多数药物与DNA的作用都是非共价结合，它主导着药物分子与DNA结合的特异性。 2013.11.15外部静电作用 核酸的阴离子磷酸根部分强烈地影响DNA的构象及其反应。这种带电荷的高聚物的构象需要在小分子作为抗衡离子的协同作用中达到完全稳定，这种沿着螺旋外部静电相互作用多是非特异性的。例如，聚乙烯基亚胺。2013.11.15沟区结合 蛋白质与DN

26、A的特异性结合多在DNA大沟区药物小分子一般在小沟区作用。典型的小沟区结合的药物分子多含有几种简单的芳香杂环结构如呋喃、吡咯或苯环，这些芳环由扭转自由的键来连接药物在小沟区结合的特异性源于药物分子与DNA双螺旋链各沟区的碱基对边缘通过范德华力形成接触。 2013.11.15嵌插结合 药物分子嵌插入DNA双链的碱基对片层之间，碱基对的分开，使螺旋伸长、螺旋解链、扭转角减小。药物分子通过嵌入DNA，使DNA的构象发生改变，使其不能或不易复制，从而显现出抗肿瘤、抗病毒的活性。2013.11.15Nature Review Cancer 2002, 2, 188-200DNA AND ITS ASSOCIATEDPROCESSES AS TARGETS FORCANCER THERAPYReviewLaurence H. Hurley2013.11.151940198519801997Main period for discoveryContinued dis