核酸的结构和功能与核苷酸代谢

关于核酸的结构和功能与核苷酸代谢核酸(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。第2页,共115页，2024年2月25日，星期天一、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第3页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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4页,共115页，2024年2月25日，星期天第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第5页,共115页，2024年2月25日，星期天核酸的化学组成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)第6页,共115页，2024年2月25日，星期天嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)一、碱基第7页,共115页，2024年2月25日，星期天嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第8页,共115页，2024年2月25日，星期天二、戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第9页,共115页，2024年2月25日，星期天三、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。第10页,共115页，2024年2月25日，星期天腺嘌呤核苷

（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）1’91¢111’糖苷键第11页,共115页，2024年2月25日，星期天核苷酸

=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)第12页,共115页，2024年2月25日，星期天腺嘌呤核苷酸

（腺苷酸）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）5’5’酯键第13页,共115页，2024年2月25日，星期天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+第14页,共115页，2024年2月25日，星期天第15页,共115页，2024年2月25日，星期天五、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'–磷酸二酯键第16页,共115页，2024年2月25日，星期天AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

第17页,共115页，2024年2月25日，星期天第二节DNA的结构与功能

StructureandFunctionofDNA第18页,共115页，2024年2月25日，星期天概念：

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的一级结构第19页,共115页，2024年2月25日，星期天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

第20页,共115页，2024年2月25日，星期天（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的二级结构第21页,共115页，2024年2月25日，星期天

第22页,共115页，2024年2月25日，星期天第23页,共115页，2024年2月25日，星期天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第24页,共115页，2024年2月25日，星期天（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。第25页,共115页，2024年2月25日，星期天

第26页,共115页，2024年2月25日，星期天（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。第27页,共115页，2024年2月25日，星期天碱基互补配对TAGC第28页,共115页，2024年2月25日，星期天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）第29页,共115页，2024年2月25日，星期天（三）DNA双螺旋结构的多样性第30页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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

第31页,共115页，2024年2月25日，星期天意义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。第32页,共115页，2024年2月25日，星期天（二）原核生物DNA的高级结构第33页,共115页，2024年2月25日，星期天（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第34页,共115页，2024年2月25日，星期天第35页,共115页，2024年2月25日，星期天三、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36页,共115页，2024年2月25日，星期天第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第37页,共115页，2024年2月25日，星期天RNA的种类、分布、功能第38页,共115页，2024年2月25日，星期天一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)第39页,共115页，2024年2月25日，星期天*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。第40页,共115页，2024年2月25日，星期天(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的5¢帽子结构—m7GpppNm5¢5¢5¢，5¢-三磷酸二脂键第41页,共115页，2024年2月25日，星期天帽子结构第42页,共115页，2024年2月25日，星期天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尾的功能第43页,共115页，2024年2月25日，星期天*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

第44页,共115页，2024年2月25日，星期天*

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的结构与功能第45页,共115页，2024年2月25日，星期天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第46页,共115页，2024年2月25日，星期天*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环第47页,共115页，2024年2月25日，星期天*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。第48页,共115页，2024年2月25日，星期天第49页,共115页，2024年2月25日，星期天*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。第50页,共115页，2024年2月25日，星期天*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第51页,共115页，2024年2月25日，星期天核蛋白体的组成第52页,共115页，2024年2月25日，星期天四、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) 第53页,共115页，2024年2月25日，星期天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。第54页,共115页，2024年2月25日，星期天五、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。

第55页,共115页，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"

SidneyAltmanThomasR.Cech

1/2oftheprize

1/2oftheprizeCanadaandUSAUSAYaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USAb.1939b.1947核酶的发现第56页,共115页，2024年2月25日，星期天第四节核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第57页,共115页，2024年2月25日，星期天一、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，粘度也小得多第58页,共115页，2024年2月25日，星期天第59页,共115页，2024年2月25日，星期天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的应用第60页,共115页，2024年2月25日，星期天二、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 生物活性丧失第61页,共115页，2024年2月25日，星期天DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第62页,共115页，2024年2月25日，星期天例：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。第63页,共115页，2024年2月25日，星期天热变性解链曲线：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。第64页,共115页，2024年2月25日，星期天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。第65页,共115页，2024年2月25日，星期天三、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)。第66页,共115页，2024年2月25日，星期天在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)第67页,共115页，2024年2月25日，星期天第68页,共115页，2024年2月25日，星期天DNA-DNA杂交双链分子变性

复性

不同来源的DNA分子第69页,共115页，2024年2月25日，星期天第70页,共115页，2024年2月25日，星期天第71页,共115页，2024年2月25日，星期天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第72页,共115页，2024年2月25日，星期天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73页,共115页，2024年2月25日，星期天第五节核苷酸的代谢MetabolismofNucleotides

第74页,共115页，2024年2月25日，星期天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第75页,共115页，2024年2月25日，星期天一、嘌呤核苷酸的代谢MetabolismofPurineNucleotides第76页,共115页，2024年2月25日，星期天嘌呤核苷酸的结构GMPAMP第77页,共115页，2024年2月25日，星期天一、嘌呤核苷酸的合成代谢从头合成途径(denovosynthesispathway)补救合成途径(salvagesynthesispathway)

第78页,共115页，2024年2月25日，星期天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第79页,共115页，2024年2月25日，星期天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）第80页,共115页，2024年2月25日，星期天过程1.IMP的合成2.AMP和GMP的生成第81页,共115页，2024年2月25日，星期天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第82页,共115页，2024年2月25日，星期天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合成酶第83页,共115页，2024年2月25日，星期天目录第84页,共115页，2024年2月25日，星期天IMP生成总反应过程目录第85页,共115页，2024年2月25日，星期天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的生成目录第86页,共115页，2024年2月25日，星期天AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶第87页,共115页，2024年2月25日，星期天•嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。•IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。•AMP或GMP的合成又需1个ATP。嘌呤核苷酸从头合成特点第88页,共115页，2024年2月25日，星期天

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，称为补救合成（或重新利用）途径。（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径定义第89页,共115页，2024年2月25日，星期天腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adeninephosphoribosyltransferase,APRT)次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyltransferase,HGPRT)腺苷激酶(adenosinekinase)参与补救合成的酶第90页,共115页，2024年2月25日，星期天腺嘌呤+

PRPPAMP+PPiAPRT次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鸟嘌呤+

PRPPHGPRTGMP+PPi合成过程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP第91页,共115页，2024年2月25日，星期天补救合成途径的生理意义:1.节约从头合成时需要的能量和一些氨基酸2.脑、骨髓等(由于缺乏有关酶)不能进行从头合成,只能进行嘌呤核苷酸的补救合成.

基因缺陷导致HGPRT完全缺乏的患儿,表现为自毁容貌征或称Lesh-Nyhan综合征

第92页,共115页，2024年2月25日，星期天（三）嘌呤核苷酸的抗代谢物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。第93页,共115页，2024年2月25日，星期天次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤(6-MP)6-巯基嘌呤的结构第94页,共115页，2024年2月25日，星期天甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）PRPP

谷氨酰胺（Gln）=PRA甘氨酰胺核苷酸（GAR）==甲酰甘氨脒核苷酸（FGAM）5-氨基异咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）=5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（FAICAR）IMP次黄嘌呤（H）PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤（A）GMP==PRPPPPi鸟嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸MTXMTX第95页,共115页，2024年2月25日，星期天

二、嘧啶核苷酸的代谢MetabolismofPyrimidineNucleotides第96页,共115页，2024年2月25日，星期天嘧啶核苷酸的结构第97页,共115页，2024年2月25日，星期天从头合成途径补救合成途径一、嘧啶核苷酸的合成代谢第98页,共115页，2024年2月25日，星期天（一）嘧啶核苷酸的从头合成主要是肝细胞胞液嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、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，合成嘧啶核苷酸的途径。

定义合成部位第99页,共115页，2024年2月