核酸结构功能与核苷酸代谢

第十章核酸结构、功能与核苷酸代谢第一节核酸的化学组成第二节DNA的结构与功能第三节RNA的结构与功能第四节核酸的理化性质第五节核苷酸的代谢核酸的研究历程：1868年Fridrich

Miescher从脓细胞中提取“核素”

1944年

Avery等人证实DNA是遗传物质

1953年

Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)

2003年美、英等国完成人类基因组计划核酸(nucleicacid)：以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)：90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)：

分布于细胞核、细胞液。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第一节核酸的化学组成一、核酸的元素组成：C、H、O、N、P（9～10%）二、核酸的分子组成核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)。1、碱基：嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受酸碱环境的影响。2、戊糖3、核苷：碱基+戊糖嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与戊糖的C-1¢以N-糖苷键相连。4、核苷酸：核苷+磷酸糖环上的C-5¢与磷酸酯化成磷酸酯键。体内重要的游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸：cAMP，cGMP含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP第二节DNA的结构与功能一、DNA的一级结构1、概念：

DNA分子中核苷酸的排列顺序，即碱基排列顺序。2、连接键：3’,5’-磷酸二酯键即第一个核苷酸糖环上的C-3’羟基与第二个核苷酸C-5’磷酸形成3’,5’-磷酸二酯键。3、DNA链的方向：5’3’4、书写方法：结构式、线条式、文字缩写二、DNA的二级结构——双螺旋结构1、研究历程OswaldAvery(1877-1955)肺炎双球菌感染实验ErwinChargaff(1905-2002)DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；相同物种，不同组织中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=C+T。这一规律被称为Chargaff规则。LinusPauling(1901-1994)进行碱基的理化数据分析，认为A-T、G-C以氢键配对较合理，并提出DNA可能是三股螺旋。RosalindFranklin(1920-1958)和MauriceWilkins(1916-)发现了DNA晶体的X-衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。JamesWatson(1928-)和FrancisCrick(1916-2004)提出DNA的双螺旋模型，和MauriceWilkins一起获得1962年的nobel生理医学奖2、DNA双螺旋模型要点两条单链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。螺旋直径2.0nm，表面有大沟和小沟。磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对(bp)，螺距为3.4nm。两条链通过碱基间的氢键相连，A=T，GC。维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。3、DNA双螺旋结构的多样性目前已知DNA双螺旋结构可分为：A、B、C、D（右手螺旋）；Z型（左手螺旋）三、DNA的超级结构DNA超级结构的主要形式是超螺旋结构，由DNA双螺旋进一步扭曲盘旋而成，原核生物DNA超螺旋结构就是其最高级结构。超螺旋结构可分为正超螺旋和负超螺旋两类，它们在拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变。DNA超螺旋结构形成的意义：使DNA形成高度致密状态从而得以装入细胞中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。四、DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体的基本单位是核小体(nucleosome)。核小体：由H2A、H2B、H3、H4组蛋白各两分子构成八聚体核心，大约146bp

DNA在核心上盘绕1.75圈，形成核心颗粒，核心颗粒之间由一个H1组蛋白和连接DNA（约54bp）构成的连接区连接。DNA(2nm)7倍核小体(10nm)

6倍螺线管(纤丝，30nm)7倍染色质绊环(300nm)6倍

常染色质(700nm)5倍分裂中期染色体(1400nm)五、DNA的功能DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。第三节RNA的结构与功能一、RNA的种类、分布、功能二、mRNA的结构与功能1、mRNA成熟过程：2、mRNA结构特点大多数真核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甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。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。帽子结构和多聚A尾的功能帮助mRNA由核内向胞质的转位维系mRNA的稳定性调控翻译的起始3、mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。三、tRNA的结构与功能1、tRNA的一级结构特点含10～20%稀有碱基，如DHU3´末端为

—CCA5´末端大多数为G具有TC2、tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TC环，额外环3、tRNA的三级结构——倒L形4、tRNA的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。四、rRNA的结构与功能1、rRNA的结构2、rRNA的功能：参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。3、rRNA的种类（根据沉降系数）五、其它RNA细胞的不同部位存在的一些碱基数小于300的小分子RNA，统称为非信使小RNA（snmRNA），包括核内小RNA(snRNA)，核仁小RNA(snoRNA)，胞质小RNA(scRNA)，催化性小RNA，小干扰RNA(siRNA)，微小RNA（miRNA）。参与hnRNA和rRNA的转录后加工、转运以及基因表达调控等。RNA组学(RNomics)：研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。核酶(Ribozyme)：具有催化作用的RNA。第四节核酸的理化性质一、核酸的一般性质DNA的酸碱度及溶解度：DNA有磷酸基及碱基，为两性大分子，但偏酸性，生理条件下带负电。可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇DNA的高分子性质：线性高分子，粘度极大粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNADNA的紫外吸收：最大吸收波长为260nm，常用作核酸的定性、定量分析。OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸判断核酸样品的纯度：DNA纯品：OD260/OD280=1.8RNA纯品：OD260/OD280=2.0二、DNA的变性(denaturation)1、概念：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。2、方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺等。3、本质：双链间氢键的断裂。4、DNA变性后的性质改变：增色效应：DNA变性后对260nm紫外光的吸收度增加的现象；旋光性下降；粘度降低；生物学功能丧失或改变。5、DNA热变性的解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。融解温度（meltingtemperature,Tm）：加热DNA溶液，使DNA解链，对260nm紫外光的吸收度达到最大值一半时的温度。Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。三、DNA的复性(renaturation)1、概念：在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。2、DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应（DNA复性时，其溶液OD260降低）。3、影响因素

DNA浓度，DNA大小，DNA复杂性（重复序列数目），溶液离子强度。4、核酸的分子杂交(hybridization)概念：在DNA复性过程中，如果把不同单链DNA或单链DNA与RNA放在同一溶液中，只要在DNA或RNA的单链分子之间有一定的碱基配对关系，就可以形成局部或全部双链。应用研究DNA分子中某一种基因的位置确定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础四、两种重要的生物大分子比较第五节核苷酸的代谢核酸的消化核酸的吸收及生物学功能核苷酸、核苷、磷酸、戊糖、碱基均可在小肠吸收。核苷酸、核苷吸收进入肠粘膜细胞后可再继续水解。磷酸、戊糖可被机体利用，碱基很少利用、分解后排出。一、嘌呤核苷酸的代谢1、嘌呤核苷酸的合成代谢从头合成途径（主要途径）：利用5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位和CO2等原料，逐步合成嘌呤核苷酸的过程。这一途径在肝（主要部位）、小肠和胸腺的胞液中进行。嘌呤合成的元素来源：“竹竿”(Gly)立中央，“谷子”(Gln)下面长，CO2“天”(Asp)上飘，“假仙”(甲酰)在两旁。合成过程：1）次黄苷酸（IMP）的合成2）腺苷酸（AMP）与鸟苷酸（GMP）的生成3）三磷酸嘌呤核苷的合成：嘌呤核苷酸从头合成特点嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的，先合成咪唑环，后合成嘧啶环。先合成IMP，消耗5个ATP(6个高能磷酸键)，再转变成AMP或GMP，又需要1个ATP。嘌呤核苷酸从头合成的调节调节方式：反馈调节和交叉调节补救合成途径：利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程。参与补救合成的酶：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)腺苷激酶(adenosinekinase)补救合成的生理意义节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。大部分组织细胞都能进行补救合成途径，但体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。自毁容貌症一种X-连锁隐性遗传病，多见于男性。由于遗传缺陷导致次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺失，患者表现为尿酸增高及神经异常。症状为脑发育不全、智力低下、攻击和破坏性行为、常咬伤自己的嘴唇、手和足趾，故称自毁容貌症。嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物，主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。2、嘌呤核苷酸的分解代谢痛风症的治疗机制嘌呤代谢紊乱使尿酸盐晶体积聚，导致痛风、关节炎、尿路结石及肾病，临床上用别嘌呤醇治疗。二、嘧啶核苷酸的代谢1、嘧啶核苷酸的合成代谢从头合成途径：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸。主要在肝细胞胞液合成。嘧啶合成的元素来源：合成过程：