核酸化學(xué)與核苷酸代謝

核酸化學(xué)與核苷酸代謝第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

概述核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機(jī)體不可缺少的組成部分。核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長發(fā)育，細(xì)胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。因此，核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。核酸是由核苷酸組成的具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的大分子化合物，是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)核苷酸代謝本章要講述的主要內(nèi)容第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及分類第二節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)

第3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及分類脫氧核糖核酸(deoxyribonucliecacidDNA),

磷酸(phosphate)一.核酸的種類二.核酸的化學(xué)組成堿基(base)戊糖(pentose)核糖核酸（ribonucliecacid,RNA)核酸核苷酸核酸酶第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核酸的種類脫氧核糖核酸(DNA)核糖核酸（RNA)第5頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五兩類核酸的基本化學(xué)組成比較

DNA

RNA

嘌呤堿

腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)

（Purinebases

）鳥嘌呤(G)

鳥嘌呤(G)

堿基(Base)嘧啶堿

胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)

（Pyrimidinebases）胸腺嘧啶(T)

尿嘧啶(U)戊糖

D-2-脫氧核糖

D-核糖(Pentose)

酸

磷酸

磷酸(Acid)第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五CNCCCNNNCHHHNH2嘌呤堿123456789第7頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五嘌呤CNCHCCCNNHCHNH2CNCCCCNNHCHOH2N腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)626第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五HCHNHCCHCHNNH2OCCHNCHCHNHOONCHNCHCCHHOOCHNCCCHNHCH3嘧啶胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）123456第10頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）核酸核苷酸核苷磷酸戊糖堿基核酸的組成核酸酶水解第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五由戊糖和堿基以糖苷鍵連接而成核苷脫氧核糖核糖嘌呤堿基嘧啶堿基第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2腺苷9第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2脫氧腺苷91’第16頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五由核苷的戊糖羥基被磷酸酯化而成5’第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五※

核苷酸的命名含一個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷一磷酸（NMP）含兩個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷二磷酸（NDP）含三個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷三磷酸（NTP）N

代表各種堿基的名稱環(huán)化核苷酸：cNMP第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五O第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能一、DNA的結(jié)構(gòu)二、DNA的生物學(xué)功能1.DNA的一級結(jié)構(gòu)2.DNA的二級結(jié)構(gòu)3.DNA的三級結(jié)構(gòu)攜帶并傳遞遺傳信息第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五四種脫氧核糖核苷酸通過3’、5’-磷酸二酯鍵彼此連接而形成的直線形或環(huán)線形分子.DNA分子中核苷酸的排列順序.DNA的一級結(jié)構(gòu)第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核苷酸鏈的書寫方法第23頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五雙螺旋結(jié)構(gòu)即DNA分子的空間結(jié)構(gòu)1.Chargaff堿基組成規(guī)律2.DNA晶體的X-射線圖譜研究

各原子之間的鍵長、鍵角一、DNA分子模型建立DNA的二級結(jié)構(gòu)由JamesWatson和FrancisCrick提出第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(1)腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等.A=T

鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等.G=C嘌呤總數(shù)=嘧啶總數(shù)A+G=C+T(2)DNA的組成具有種的特異性(3)DNA的堿基組成沒有組織的特異性,

且較為穩(wěn)定,不隨年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境改變的影響Chargaff堿基組成規(guī)律第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五ＤＮＡ分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.ＤＮＡ由兩條反向平行的脫氧多核苷酸（兩條鏈的走向?yàn)?’→3’和3’→5’），圍繞一中心軸（假想軸）構(gòu)成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五彼此間以磷酸二酯鍵相連，構(gòu)成ＤＮＡ的骨架。2.堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)。雙鏈中相對的堿基按Ａ＝Ｔ和Ｇ≡Ｃ通過氫鍵配對連接，形成互補(bǔ).磷酸基與脫氧核糖在外側(cè)，5’C3’5’C3’5’C第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第28頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

糖環(huán)平面與中心軸平行。3.堿基平面與中心軸垂直，各相鄰平面部分重疊。第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五3.4nm4.雙螺旋的直徑為2nm沿軸向，每個(gè)堿基平面的距離為0.34nm每圈螺旋含有10對核苷酸，其軸向距為3.4nm,第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(3)離子鍵5.維持DNA雙螺旋穩(wěn)定的作用力(1)

互補(bǔ)堿基間的氫鍵(2)使堿基平面堆積的平面間范德華力,

又稱堿基堆積力第31頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五二、DNA結(jié)構(gòu)的多樣性A-DNA：右手螺旋B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋生理?xiàng)l件下DNA最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式Z-DNA：左手螺旋第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五DNA的三級結(jié)構(gòu)原核生物真核生物沒有典型的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，真核生物ＤＮＡ的三級結(jié)構(gòu)是由ＤＮＡ分子與組蛋白(histine)和非組蛋白(nonhistineprotein,NHP)結(jié)合組成。被認(rèn)為是原核生物ＤＮＡ的三級結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是真核生物ＤＮＡ的三級結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)核小體結(jié)構(gòu)第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五DNA超螺旋結(jié)構(gòu)第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五H2A、H2B、H3和H4各兩分子組成組蛋白八聚體，構(gòu)成核心組蛋白雙螺旋DNA以左手超螺旋的方式繞核心顆粒1.75圈，纏繞在核心組蛋白表面，構(gòu)成核心顆粒核心顆粒和連接區(qū)DNA及附著在連接區(qū)DNA上的組蛋白H1構(gòu)成核小體第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五一個(gè)個(gè)核小體連接成串珠狀結(jié)構(gòu)染色單體折疊折疊第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)和功能一、RNA的類型1.核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)3.轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,tRNA)2.信使RNA(messengerRNA,mRNA)4.不均一核RNA(HnRNA)二、RNA的結(jié)構(gòu)與功能5.小核RNA(SnRNA)第37頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五mRNA的結(jié)構(gòu)與功能一、mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)3’末端有多聚腺嘌呤的結(jié)構(gòu)(polyA)(2)5’末端具有帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppNm)(3)一種mRNA只含有一條多肽鏈的信息※由HnRNA經(jīng)過剪接而成※半衰期最短，幾分鐘到數(shù)小時(shí)第38頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五二、mRNA的功能蛋白質(zhì)合成的直接模板

把核內(nèi)DNA的堿基順序（遺傳信息），按照堿基互補(bǔ)的原則，抄襲并轉(zhuǎn)送至胞質(zhì)，在蛋白質(zhì)合成中用以翻譯成蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五tRNA的結(jié)構(gòu)與功能

1.分子量最小一類RNA,占RNA總量10-25%

2.分子中含有10%-20%的稀有堿基一、tRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如假尿嘧啶（ψ）,二氫尿嘧啶（DHU）,甲基化堿基（mG,mA)等

3.3’末端有CCA-OH,是攜帶氨基酸的部位第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

4.具有識別密碼子功能的反密碼子

5.二級結(jié)構(gòu)為三葉草形,有三個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)（DHU環(huán)、Tψ環(huán)、反密碼環(huán)）三級結(jié)構(gòu)為“倒L”形二、tRNA的功能在蛋白質(zhì)的合成過程中作為各種氨基酸的載體并將其轉(zhuǎn)呈給mRNA第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五tRNA的三級結(jié)構(gòu)第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五rRNA的結(jié)構(gòu)與功能一、rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.含量最豐富,約占總RNA的80%以上2.與核蛋白體蛋白結(jié)合成核蛋白體,rRNA

與蛋白質(zhì)既可分離,又可結(jié)合3.核蛋白體由大小兩個(gè)亞基構(gòu)成,兩亞基呈不規(guī)則形狀,聚合時(shí)中間有裂縫,可通過mRNA第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五二、rRNA的功能是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的場所其他小分子RNA小核RNA（SnRNA)、小核仁RNA(SnoRNA)、小胞質(zhì)RNA（scRNA/7SL-RNA)

※功能：參與HnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)和加工第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五原核生物核糖體的亞基組成第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五原核生物核蛋白體第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五真核生物核蛋白體第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核酶某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。這些RNA稱為核酶（ribozyme)※意義：擴(kuò)充了酶的范圍，使之不再局限于蛋白質(zhì)。第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的粘度二、核酸的紫外吸收特性三、核酸的變性、復(fù)性及其分子雜交第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

一、核酸的粘度*分子量越大粘度也越大ＲＮＡ分子比ＤＮＡ分子小，粘度也就小*生物分子的空間結(jié)構(gòu)也影響粘度。線形分子>無規(guī)線團(tuán)分子>球形分子第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五二、核酸的紫外吸收特性嘌呤堿和嘧啶堿有共軛雙鍵，都能強(qiáng)烈吸收紫外光，最大吸收波長為260nm蛋白質(zhì)對紫外光的最大吸收波長是280nm第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五紫外分光光度法檢測核酸的純度通過測定波長在260nm和280nm處吸光度的比值(A260／A280)來估計(jì)核酸樣品的純度DNA溶液：A260／A280=1.8

RNA溶液：A260／A280=2.0方法：第53頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五在波長260nm紫外線下，吸光度為1.00時(shí)，紫外分光光度法估計(jì)核酸的濃度取5μl雙鏈DNA樣品,加水稀釋至1ml。以1ml純水作為參照測定波長在260nm處的吸光度值(Ａ260),假如測得稀釋樣品的Ａ260值為0.500，相當(dāng)于50μg/ml的雙鏈DNA,40μg/ml的單鏈DNA或RNA,20μg/ml的單鏈寡核苷酸問題1那么原液中DNA的濃度是？μg/ml第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五三、核酸的變性、復(fù)性及其分子雜交(一)變性(二)復(fù)性(三)分子雜交第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(一)核酸的變性1.概念

核酸分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，氫鍵斷裂（不涉及共價(jià)鍵的斷裂），使雙鏈分離，這種現(xiàn)象稱為核酸的變性2.引起核酸變性的因素如乙醇、丙酮、尿素、酰胺等加熱、介質(zhì)中的pH過酸或過堿、有機(jī)溶劑、第56頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五3.核酸的變性與降解的區(qū)別

降解其過程是不可逆的。是指多核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵斷裂，使分子量降低，不發(fā)生分子量的變化。一般是可逆的，變性4.

蛋白質(zhì)和核酸的變性兩者均不涉及共價(jià)鍵的斷裂一級結(jié)構(gòu)不破壞粘度下降，生物活性喪失第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五ＤＮＡ分子的熱變性ＤＮＡ雙螺旋結(jié)構(gòu)即遭破壞，氫鍵斷裂，雙鏈分離。將ＤＮＡ的稀鹽溶液加熱至80～95℃(或以上)數(shù)分鐘，第58頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五d.喪失生物活性a.260nm處的紫外吸收值升高b.粘度下降c.浮力、密度升高（增色效應(yīng)）變性DNA的特點(diǎn)第59頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五DNA解鏈曲線拐點(diǎn)所對應(yīng)的溫度，代表ＤＮＡ變性50％時(shí)溫度，稱為解鏈溫度，通常稱為融解溫度。用符號Tm

表示70℃～85℃之間“Ｓ”形曲線第60頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五Tm值的大小主要與下列因素有關(guān)⑴ＤＮＡ中Ｇ≡Ｃ對的含量Ｇ≡Ｃ堿基對的比例越高，Tm值越高pH和離子強(qiáng)度不變,根據(jù)Ｇ≡Ｃ百分含量，則可計(jì)算ＤＮＡ樣品的Tm值Tm＝69.3+0.41*(Ｇ≡Ｃ)％Tm＝4*(G+C)+2*(A+T),(小于20bp)第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五⑵介質(zhì)中的離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度低Tm值低變性溫度范圍較寬離子強(qiáng)度大Tm值高變性溫度范圍較窄第62頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(二)核酸的復(fù)性DNA熱變性后的復(fù)性,常常稱為退火。變性的DNA或RNA在去除變性因素并處于適當(dāng)?shù)臈l件下，又可重新結(jié)合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)這一過程稱為復(fù)性。1.概念彼此分離的雙鏈2.復(fù)性過程兩種情況第63頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五（1）兩條完全分開的單鏈通過隨機(jī)碰撞形成互補(bǔ)短片段的雙螺旋。（2）尚未配對的堿基很快地“對齊”。迅速形成雙鏈直至雙螺旋結(jié)構(gòu)。第64頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)性后ＤＮＡ分子性質(zhì)一系列的理化性質(zhì)隨即恢復(fù)d.生物活性部分恢復(fù)a.260nm處的紫外吸收值下降b.粘度上升c.浮力、密度降低（減色效應(yīng)）第65頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

(三)核酸分子雜交在一定條件下（適宜的溫度、pH及離子強(qiáng)度），可按堿基互補(bǔ)原則復(fù)性形成雙鏈，此過程稱為核酸分子雜交。1.概念

具有一定同源性的兩條核酸單鏈，變性復(fù)性第66頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五不完全同源核酸單鏈分子雜交突環(huán)第67頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五2.可發(fā)生雜交的核酸分子(1)兩條同源的DNA鏈(2)兩條同源的RNA鏈(3)一條DNA鏈一條RNA鏈3.核酸雜交的應(yīng)用（1）測定核酸分子堿基組成（2）檢測某些因基因突變引起的疾病第68頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核苷酸庫核酸的降解核苷酸的合成核酸的合成核苷酸的降解核苷酸是核酸的基本結(jié)構(gòu)單位，它不屬于營養(yǎng)必需物質(zhì)核苷酸代謝概述第69頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五食物核蛋白蛋白質(zhì)核酸(RNA與DNA)胰核酸酶RNA酶DNA酶(磷酸二酯酶)單核苷酸胰、腸核苷酸酶(磷酸單酯酶)核苷磷酸核苷酶(水解或磷酸解)戊糖或磷酸戊糖堿基核酸的消化排出，很少利用第70頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)嘌呤核苷酸代謝一、嘌呤核苷酸的合成代謝(一)嘌呤核苷酸的從頭合成(二)嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成(三)脫氧(核酸)核苷酸的生成二、嘌呤核苷酸的分解代謝第71頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五一、嘌呤核苷酸的合成代謝(一)、從頭合成途徑1.概念：用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及CO2等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)合成嘌呤核苷酸的途徑.

2.原料：5－磷酸核糖、谷氨酰胺、一碳單位、甘氨酸、CO2、天冬氨酸

第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五N1C2N3C4C5C6N97NC8

甲?；?一碳單位)甘氨酸CO2Asp甲酰基(一碳單位)Gln(酰胺基)甘氨當(dāng)中站,谷氮坐兩邊,左上天冬氨,頭頂CO2第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五3.合成的場所:

肝臟的胞液4.合成的過程:

兩個(gè)階段。(1)次黃嘌呤核苷酸(IMP)的合成(2)腺苷酸(AMP)和鳥苷酸(GMP)的合成第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(1)IMP的合成(11步反應(yīng)，過程只需了解)R-5'-PAMPPRPP合成酶PP-1'-R-5'-P(PRPP)ATP①5'-磷酸核糖磷酸核糖焦磷酸反應(yīng)過程：第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(2)腺苷酸和鳥苷酸的合成R-5'-PCNCNNCHCOHNHCIMPR-5'-PCNCNNCHCNHCNHHOOCCH2CHCOOH腺苷酸代琥珀酸合成酶AMPSAsp,Mg2+,GTP第76頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五R-5'-PCNCNNCHCNHCNHHOOCCH2CHCOOHR-5'-PCNCNNCHCNHCNH2COOHCHHCHOOC腺苷酸代琥珀酸(AMPS)腺苷酸(AMP)延胡索酸腺苷酸代琥珀酸裂解酶第77頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五R-5'-PCNCNNCHCOHNHCIMPR-5'-PCNCNNCHCOHNCONAD+H2ONADH+H+XMP黃嘌呤核苷酸IMP脫氫酶第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五H2NR-5'-PCNCNNCHCOHNCR-5'-PCNCNNCHCOHNCOGlnGluGMP合成酶Mg2+,ATPXMPGMP第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五AMP腺苷酸激酶ADPATPADPATPADP腺苷酸激酶ATPGMP鳥苷酸激酶GDPATPADPATPADP鳥苷酸激酶GTP第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五一、嘌呤核苷酸的合成代謝(二)、補(bǔ)救合成途徑有兩條合成途徑(1)嘌呤堿與PRPP直接合成嘌呤核苷酸次黃嘌呤次黃嘌呤核苷酸鳥嘌呤鳥嘌呤核苷酸次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT)PRPPPPi腺嘌呤腺嘌呤核苷酸腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（APRT）HGPRT活性高APRT活性低90%嘌呤堿第81頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五生理意義減少從頭合成時(shí)能量和原料的消耗●節(jié)省:●作為某些器官(腦,骨髓和脾)合成核苷酸的途徑遺傳疾病Lesch-Nyhan萊-尼綜合征,自毀容貌綜合征HGPRT基因缺陷嘌呤合成過多，明顯的高尿酸血癥，痛風(fēng)伴-----罕見的性染色體X連鎖遺傳病疾病生化本質(zhì):行為,稱之為自毀容貌綜合征.大腦癱瘓、智力減退、舞蹈手足綜合征,身體和精神發(fā)育遲緩,有咬指咬唇的強(qiáng)迫性自殘第82頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五(三)脫氧(核糖)核苷酸的合成在核苷二磷酸水平被還原而成OHOPOOHH堿基HOHHHOOOHOPHOOHOPOHH堿基HOHHHOOOHOPHONADPH+H+NADP++H2O核糖核苷酸還原酶dNDPNDP第83頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核苷酸分解代謝大致過程核苷酸核苷PiPi1-磷酸核糖堿基補(bǔ)救途徑分解代謝5-磷酸核糖PRPP終末產(chǎn)物經(jīng)尿排出核苷酸酶磷酸化酶1-磷酸核糖變位酶第84頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五嘌呤核苷酸的分解代謝AMPIGMPGX黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶尿酸第85頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

正常人血漿尿酸含量：0.12～0.36mmol/