第09章 核酸的结构和功能与核苷酸代谢

第九章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid主要内容核酸的化学组成及其一级结构DNA的空间结构与功能RNA的结构与功能核酸的理化性质核酸酶核酸(nucleicacid)

是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。一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher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)

1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布

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。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。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及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)一、碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)二、戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)三、核苷

核苷（ribonucleoside）核苷

=碱基+核糖连接方式：

糖苷键(glycosidicbond)

嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1¢以糖苷键相连。腺嘌呤核苷

（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）1’91¢111’糖苷键核苷酸

=核苷+磷酸连接方式：磷酸酯键

糖环上所有游离羟基（核糖的C-2¢、C-3¢、C-5¢及脱氧核糖的C-3¢、C-5¢）均能与磷酸发生酯化结合。生物体内多数核苷酸是5¢-核苷酸，即糖环上的C-5¢与磷酸酯化。四、核苷酸(ribonucleotide)腺嘌呤核苷酸

（腺苷酸）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）5’5’酯键体内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，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+五、核酸中核苷酸的

连接方式核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。5´端3´端CGA3'，5'–磷酸二酯键AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

第二节DNA的结构与功能StructureandFunctionofDNA概念：

DNA分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序。连接键：3’,5’-磷酸二酯键

即第一个核苷酸糖环上原来游离的C-3’羟基与第二个核苷酸C-5’磷酸组成3’,5’磷酸二酯键。一、DNA的一级结构5'末端的磷酸基团3'，5'–磷酸二酯键3'末端的羟基

DNA的一级结构

（一）DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff

规则：[A]=

[T][G]

[C]碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理

DNA纤维的X-线衍射图谱分析

二、DNA的二级结构

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"

FrancisHarryComptonCrickJamesDeweyWatsonMauriceHughFrederickWilkins

1/3oftheprize

1/3oftheprize

1/3oftheprizeMRCLaboratoryofMolecularBiology

Cambridge,UnitedKingdomHarvardUniversity

Cambridge,MA,USALondonUniversity

London,UnitedKingdomb.1916

d.2004b.1928b.1916

(inPongaroa,NewZealand)d.2004（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。

（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。碱基互补配对TAGC氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）（三）DNA双螺旋结构的多样性二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）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双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

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。（二）原核生物DNA的高级结构（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由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，H2BH3H4三、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。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程外显子(exon)*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。(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的5¢帽子结构—m7GpppNm5¢5¢5¢，5¢-三磷酸二脂键帽子结构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*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞

细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞

*

tRNA的一级结构特点

含10~20%稀有碱基，如DHU

3´末端为

—CCA-OH5´末端大多数为G具有T

C二、转运RNA的结构与功能51¢1¢1¢99假尿嘧啶核苷

次黄嘌呤核苷

双氢尿嘧啶核苷7甲基鸟嘌呤

(pseudouridine,y)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylguanosine,mG)1¢1HNNOOHOHOHHHOCH222*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂

DHU环反密码环额外环

TΨC环氨基酸臂额外环*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。*rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成四、小分子核内RNA除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的一类碱基数小于300的小分子RNA，称为小分子核内RNA。

snRNA(smallnuclearRNA) snRNA的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA，等等snRNA的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。五、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。这种有催化作用的RNA被称为核酶(Ribozyme)1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现核酶而获Nobel化学奖。是对传统观念的一种挑战。在医学上有特殊的用途。催化性DNA(deoxyribozyme)

人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。

TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"

SidneyAltmanThomasR.Cech

1/2oftheprize

1/2oftheprizeCanadaandUSAUSAYaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USAb.1939b.1947核酶的发现第四节核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid一、核酸一般的理化性质多元酸，较强的酸性。260nm特征性吸收峰核酸的高分子特性DNA为线性高分子，粘度极大，而RNA分子远小于DNA，粘度也小得多1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：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。

Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，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，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)DNA-DNA杂交双链分子变性

复性

不同来源的DNA分子核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置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两种最重要的生物大分子比较

组成单位

氨基酸

核苷

酸种类20种

四种dNMP(DNA)

四种NMP(RNA)连接方式

肽键

磷酸二酯键一级结构AA排列顺序

碱基序列空间结构

二、三、四

螺旋、超螺旋、蛋白

级结构-核酸非共价结合

功

能

生命活动

遗传信息贮存、传递、

直接执行者

表达,决定蛋白结构蛋白质

核酸第五节核苷酸的代谢MetabolismofNucleotides

核酸的消化与吸收概述食物核蛋白蛋白质核酸（RNA及DNA）胃酸核苷酸胰核酸酶核苷磷酸胰、肠核苷酸酶碱基戊糖核苷酶一、嘌呤核苷酸的代谢MetabolismofPurineNucleotides嘌呤核苷酸的结构GMPAMP一、嘌呤核苷酸的合成代谢从头合成途径(denovosynthesispathway)补救合成途径(salvagesynthesispathway)

嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、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，合成嘌呤核苷酸的途径。

肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成定义合成部位嘌呤碱合成的元素来源CO2天冬氨酸甲酰基（一碳单位）甘氨酸甲酰基（一碳单位）谷氨酰胺（酰胺基）过程1.IMP的合成2.AMP和GMP的生成R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下IMP

AMP

GMPH2N-1-R-5´-P（5´-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺转移酶1.IMP的合成过程①磷酸核糖酰胺转移酶②GAR合成酶③转甲酰基酶④FGAM合成酶⑤AIR合成酶目录IMP生成总反应过程目录①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脱氢酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶2、AMP和GMP的生成目录AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶•嘌呤核苷