第八章 核酸化学与代谢

第八章、核酸化学核酸的组成成分DNA的结构DNA和基因组RNA的结构核酸生物合成核酸的生物学功能核酸的分子生物学2一、核酸的生物学功能（一）核酸与遗传信息的传递DNA是基本遗传物质一定结构的DNA产生一定结构的蛋白质，才有一定形态和生理特征，所以DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的具体作用：（1）在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代；（2）作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。3RNA在传递遗传信息上的作用

1)mRNA是蛋白质合成的模板；2)tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；3)rRNA是核糖体的主要成分，是翻译工作的场所。（二）核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。（三）核酸结构改变与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果。4生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变。１）有的由于DNA碱基的颠倒（如TA被颠倒为AT）或被调换（如GC被换为TA）；２）有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸，３）或者在转译时发生了差误，如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA。４）还有一些生物的遗传性状发生了突变。5（四）DNA与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化。（五）核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果。镰刀型红细胞贫血和白化病(albinism)。病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的作用。如流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。6（六）遗传工程遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物品种的技术。实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞（转化或转导）。有利：（1）改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；（2）解决某些疾病病因和控制这些疾病。7不利：1）使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，引起某些疾病的广泛流行；2）使某些酶失去应有的生物活性等。（七）克隆与克隆化由单一亲代细胞用无性繁殖产生的子代细胞称克隆，形成克隆的过程称克隆化。二、核酸的组成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase

或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose

或脱氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）（一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脱氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定（二）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）NNHHHH123645嘧啶NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式（三）核苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）（四）核苷酸OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷PO--O—O‖胸苷-5′-磷酸AMPP

O--O—O‖~ADPATPP

O--O—O‖~各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使——cAMPOHO-O

O—CH2

TO=P—O-3′5′OHOHO-O

O—CH2

GO=P—O-3′5′OHO

O—CH2OHOH

AO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA三、DNA的结构（一）DNA的一级结构

1)因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列（basesequence)。2)通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写。3)DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。1.双螺旋结构的主要依据（１）DNA中A＝T、C＝G。后发现：Ａ与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。（２）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。（二）DNA的双螺旋结构1953年，Watson

和Crick

提出。2021鸟嘌呤－胞嘧啶碱基对腺嘌呤－胸腺嘧啶碱基对22磷酸二酯键232.双螺旋结构模型要点（1）两条多核苷酸链反向平行。（2）碱基内侧，A与T、G与C配对，分别形成3和2个氢键。（3）双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm。3.双螺旋结构的稳定因素（1）氢键（太弱）；（2）碱基堆积力（basestackingforce，由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素；（3）离子键（减少双链间的静电斥力）。242526（三）DNA的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)→超螺旋染色体包装染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩倍数76405

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装四、DNA与基因组织DNATranscription

RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。结构基因调节基因基因组30五、RNA结构１、其基本结构同DNA，主要区别：１）核糖为：RNA；２）含氮碱基中有Ｕ，没有Ｔ。２、RNA主要有三种：１）结构RNA（rRNA)；２）信使RNA(mRNA)；３）转运RNA（tRNA).313233主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3′端有CCAOH的共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶(D)；4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TψC环含有T和ψ；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。3435六核酸的生物合成一）DNA的生物合成二）RNA的生物合成36一）DNA的生物合成（一）DNA的半保留复制371、原核微生物的单链环状DNA主要采用滚环式复制5′3′5′3′5′一）DNA的生物合成-半保留DNA复制的起点和方向382、真核生物DNA的多起点复制Ｓ１Ｓ２Ｓ３Ｓn39（三）原核细胞的DNA复制1.DNA聚合酶Ⅰ（PolⅠ）（dNMP）n+dNTPMg2+（dNMP）n+1+PPi特点（1）不能催化从无到有的聚合反应。（2）催化的反应只能在引物的3′延伸。（3）3′接上的核苷酸决定于模板链。（4）具有5′→3′和3′→5′外切酶活性。402.PolⅡ和PolⅢPCR（多聚酶链式反应）5′5′1热变性2退火5′5′5′5′3DNA聚合酶5′5′5′5′重复1，2，3PCR反应全过程413.双链DNA复制的分子机制（1）冈崎片段和半不连续复制5′3′3′5′5′3′3′5′5′3′3′5′复制叉上DNA合成的三种可行性42（2）冈崎片段的RNA引物利福酶素对RNA聚合酶有抑制作用。氯霉素对蛋白质合成有抑制作用。引物RNA在复制过程中暂时存在，最后通过PolⅠ的5′→3′外切酶活力水解。（3）DNA连接酶催化一条DNA链的3′末端与相邻的另一条DNA链的5′末端之间的磷酸二酯键的合成。43

其它功能：（1）修补双螺旋DNA中单股的缺口；（2）连接线状双螺旋DNA以产生环状DNA；（3）重组过程中将几段DNA链连接起来。（4）母本DNA双链的分离DNA解螺旋酶（DNAhelicase）拓扑异构酶Ⅱ（typeⅡtopoisomerase）44（5）DNA聚合酶的“校对”作用DNA聚合酶的3′→5′外切酶活力是校对新生DNA链和改正聚合酶活性所造成“错配”的一种手段。4.真核细胞DNA的复制（1）真核细胞DNA复制有多个起始点。（2）至少有5种DNA聚合酶，即α、β、γ、δ、ε。（3）端粒由端粒酶催化复制。生物细胞DNA复制分子机制的基本特点455.反转录作用利用反转录酶可制造与任何RNA（mRNA、tRNA、rRNA）的互补DNA（cDNA）。6.DNA的损伤与修复（1）DNA损伤的各种结构变化①碱基缺失或插入②碱基改变③形成TT二聚体46（2）修复机制①光复活；②切除修复；③重组修复；④SOS修复（3）修复缺陷和疾病癌症；着色性干皮