核酸的結構和功能與核苷酸代謝

主要內容核酸的化學組成及其一級結構DNA的空間結構與功能RNA的結構與功能核酸的理化性質核酸酶目前一頁\總數一百一十五頁\編于一點核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。目前二頁\總數一百一十五頁\編于一點一、核酸的發(fā)現和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”

1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質1953年Watson和Crick發(fā)現DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發(fā)現遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現逆轉錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架目前三頁\總數一百一十五頁\編于一點二、核酸的分類及分布

90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。目前四頁\總數一百一十五頁\編于一點第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid目前五頁\總數一百一十五頁\編于一點核酸的化學組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)目前六頁\總數一百一十五頁\編于一點嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)一、堿基目前七頁\總數一百一十五頁\編于一點嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)目前八頁\總數一百一十五頁\編于一點二、戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)目前九頁\總數一百一十五頁\編于一點三、核苷

核苷（ribonucleoside）核苷

=堿基+核糖連接方式：

糖苷鍵(glycosidicbond)

嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1與糖的C-1￠以糖苷鍵相連。目前十頁\總數一百一十五頁\編于一點腺嘌呤核苷

（腺苷）胞嘧啶脫氧核苷（脫氧胞苷）1’91￠111’糖苷鍵目前十一頁\總數一百一十五頁\編于一點核苷酸

=核苷+磷酸連接方式：磷酸酯鍵

糖環(huán)上所有游離羥基（核糖的C-2￠、C-3￠、C-5￠及脫氧核糖的C-3￠、C-5￠）均能與磷酸發(fā)生酯化結合。生物體內多數核苷酸是5￠-核苷酸，即糖環(huán)上的C-5￠與磷酸酯化。四、核苷酸(ribonucleotide)目前十二頁\總數一百一十五頁\編于一點腺嘌呤核苷酸

（腺苷酸）脫氧胞嘧啶核苷酸（脫氧胞苷酸）5’5’酯鍵目前十三頁\總數一百一十五頁\編于一點體內重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+目前十四頁\總數一百一十五頁\編于一點目前十五頁\總數一百一十五頁\編于一點五、核酸中核苷酸的

連接方式核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。5′端3′端CGA3'，5'–磷酸二酯鍵目前十六頁\總數一百一十五頁\編于一點AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35ACTGCT

3目前十七頁\總數一百一十五頁\編于一點第二節(jié)DNA的結構與功能StructureandFunctionofDNA目前十八頁\總數一百一十五頁\編于一點概念：

DNA分子中核苷酸的排列順序，即堿基的排列順序。連接鍵：3’,5’-磷酸二酯鍵

即第一個核苷酸糖環(huán)上原來游離的C-3’羥基與第二個核苷酸C-5’磷酸組成3’,5’磷酸二酯鍵。一、DNA的一級結構目前十九頁\總數一百一十五頁\編于一點5'末端的磷酸基團3'，5'–磷酸二酯鍵3'末端的羥基

DNA的一級結構

目前二十頁\總數一百一十五頁\編于一點（一）DNA雙螺旋結構的研究背景堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=[T][G][C]堿基的理化數據分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析

二、DNA的二級結構目前二十一頁\總數一百一十五頁\編于一點

目前二十二頁\總數一百一十五頁\編于一點目前二十三頁\總數一百一十五頁\編于一點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目前二十四頁\總數一百一十五頁\編于一點（二）DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目前二十五頁\總數一百一十五頁\編于一點

目前二十六頁\總數一百一十五頁\編于一點（二）DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內側，與對側堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。目前二十七頁\總數一百一十五頁\編于一點堿基互補配對TAGC目前二十八頁\總數一百一十五頁\編于一點氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。（二）DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）目前二十九頁\總數一百一十五頁\編于一點（三）DNA雙螺旋結構的多樣性目前三十頁\總數一百一十五頁\編于一點二、DNA的超螺旋結構及其在染色質中的組裝（一）DNA的超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。

正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反

目前三十一頁\總數一百一十五頁\編于一點意義DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。目前三十二頁\總數一百一十五頁\編于一點（二）原核生物DNA的高級結構目前三十三頁\總數一百一十五頁\編于一點（三）DNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是

核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4目前三十四頁\總數一百一十五頁\編于一點目前三十五頁\總數一百一十五頁\編于一點三、DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。基因從結構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。目前三十六頁\總數一百一十五頁\編于一點第三節(jié)

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNA目前三十七頁\總數一百一十五頁\編于一點RNA的種類、分布、功能目前三十八頁\總數一百一十五頁\編于一點一、信使RNA的結構與功能hnRNA內含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程外顯子(exon)目前三十九頁\總數一百一十五頁\編于一點*mRNA結構特點1.大多數真核mRNA的5′末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2.大多數真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。目前四十頁\總數一百一十五頁\編于一點(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的5￠帽子結構—m7GpppNm5￠5￠5￠，5￠-三磷酸二脂鍵目前四十一頁\總數一百一十五頁\編于一點帽子結構目前四十二頁\總數一百一十五頁\編于一點mRNA核內向胞質的轉位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調控帽子結構和多聚A尾的功能目前四十三頁\總數一百一十五頁\編于一點*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞

細胞質細胞核DNA內含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞

目前四十四頁\總數一百一十五頁\編于一點*

tRNA的一級結構特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數為G

具有TC二、轉運RNA的結構與功能目前四十五頁\總數一百一十五頁\編于一點51￠1￠1￠99假尿嘧啶核苷

次黃嘌呤核苷

雙氫尿嘧啶核苷7甲基鳥嘌呤

(pseudouridine,y)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylguanosine,mG)1￠1HNNOOHOHOHHHOCH222目前四十六頁\總數一百一十五頁\編于一點*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)目前四十七頁\總數一百一十五頁\編于一點*tRNA的三級結構——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。目前四十八頁\總數一百一十五頁\編于一點目前四十九頁\總數一百一十五頁\編于一點*rRNA的結構三、核蛋白體RNA的結構與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。目前五十頁\總數一百一十五頁\編于一點*rRNA的種類（根據沉降系數）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA目前五十一頁\總數一百一十五頁\編于一點核蛋白體的組成目前五十二頁\總數一百一十五頁\編于一點四、小分子核內RNA除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的一類堿基數小于300的小分子RNA，稱為小分子核內RNA。

snRNA(smallnuclearRNA) 目前五十三頁\總數一百一十五頁\編于一點snRNA的種類核內小RNA核仁小RNA胞質小RNA，等等snRNA的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉運。目前五十四頁\總數一百一十五頁\編于一點五、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。這種有催化作用的RNA被稱為核酶(Ribozyme)1989年，美國科學家Altman和Cech由于發(fā)現核酶而獲Nobel化學獎。是對傳統觀念的一種挑戰(zhàn)。在醫(yī)學上有特殊的用途。催化性DNA(deoxyribozyme)

人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段，也能序列特異性降解RNA。

目前五十五頁\總數一百一十五頁\編于一點TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"

SidneyAltmanThomasR.Cech

1/2oftheprize

1/2oftheprizeCanadaandUSAUSAYaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USAb.1939b.1947核酶的發(fā)現目前五十六頁\總數一百一十五頁\編于一點第四節(jié)核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid目前五十七頁\總數一百一十五頁\編于一點一、核酸一般的理化性質多元酸，較強的酸性。260nm特征性吸收峰核酸的高分子特性

DNA為線性高分子，粘度極大，而RNA分子遠小于DNA，粘度也小得多目前五十八頁\總數一百一十五頁\編于一點目前五十九頁\總數一百一十五頁\編于一點1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用目前六十頁\總數一百一十五頁\編于一點二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失目前六十一頁\總數一百一十五頁\編于一點DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂目前六十二頁\總數一百一十五頁\編于一點例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。目前六十三頁\總數一百一十五頁\編于一點熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目前六十四頁\總數一百一十五頁\編于一點Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內完成，在這一范圍內，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目前六十五頁\總數一百一十五頁\編于一點三、DNA的復性與分子雜交

DNA復性(renaturation)的定義在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構象，這一現象稱為復性。減色效應DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。目前六十六頁\總數一百一十五頁\編于一點在DNA變性后的復性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件（溫度及離子強度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)目前六十七頁\總數一百一十五頁\編于一點目前六十八頁\總數一百一十五頁\編于一點DNA-DNA雜交雙鏈分子變性

復性

不同來源的DNA分子目前六十九頁\總數一百一十五頁\編于一點目前七十頁\總數一百一十五頁\編于一點目前七十一頁\總數一百一十五頁\編于一點核酸分子雜交的應用研究DNA分子中某一種基因的位置定兩種核酸分子間的序列相似性檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否是基因芯片技術的基礎目前七十二頁\總數一百一十五頁\編于一點兩種最重要的生物大分子比較

組成單位

氨基酸

核苷

酸種類20種

四種dNMP(DNA)

四種NMP(RNA)連接方式

肽鍵

磷酸二酯鍵一級結構AA排列順序

堿基序列空間結構

二、三、四

螺旋、超螺旋、蛋白

級結構-核酸非共價結合

功

能

生命活動

遺傳信息貯存、傳遞、

直接執(zhí)行者

表達,決定蛋白結構蛋白質

核酸目前七十三頁\總數一百一十五頁\編于一點第五節(jié)核苷酸的代謝MetabolismofNucleotides

目前七十四頁\總數一百一十五頁\編于一點核酸的消化與吸收概述食物核蛋白蛋白質核酸（RNA及DNA）胃酸核苷酸胰核酸酶核苷磷酸胰、腸核苷酸酶堿基戊糖核苷酶目前七十五頁\總數一百一十五頁\編于一點一、嘌呤核苷酸的代謝MetabolismofPurineNucleotides目前七十六頁\總數一百一十五頁\編于一點嘌呤核苷酸的結構GMPAMP目前七十七頁\總數一百一十五頁\編于一點一、嘌呤核苷酸的合成代謝從頭合成途徑(denovosynthesispathway)補救合成途徑(salvagesynthesispathway)

目前七十八頁\總數一百一十五頁\編于一點嘌呤核苷酸的從頭合成途徑是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應，合成嘌呤核苷酸的途徑。

肝是體內從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小腸和胸腺，而腦、骨髓則無法進行此合成途徑。（一）嘌呤核苷酸的從頭合成定義合成部位目前七十九頁\總數一百一十五頁\編于一點嘌呤堿合成的元素來源CO2天冬氨酸甲?；ㄒ惶紗挝唬└拾彼峒柞；ㄒ惶紗挝唬┕劝滨０罚０坊┠壳鞍耸揬總數一百一十五頁\編于一點過程1.IMP的合成2.AMP和GMP的生成目前八十一頁\總數一百一十五頁\編于一點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、一碳單位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步參與下IMP

AMP

GMPH2N-1-R-5′-P（5′-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺轉移酶目前八十二頁\總數一百一十五頁\編于一點1.IMP的合成過程①磷酸核糖酰胺轉移酶②GAR合成酶③轉甲?；涪蹻GAM合成酶⑤AIR合成酶目前八十三頁\總數一百一十五頁\編于一點目錄目前八十四頁\總數一百一十五頁\編于一點IMP生成總反應過程目錄目前八十五頁\總數一百一十五頁\編于一點①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脫氫酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶2、AMP和GMP的生成目錄目前八十六頁\總數一百一十五頁\編于一點AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶目前八十七頁\總數一百一十五頁\編于一點?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個ATP，6個高能磷酸鍵。?AMP或GMP的合成又需1個ATP。嘌呤核苷酸從頭合成特點目前八十八頁\總數一百一十五頁\編于一點

利用體內游離的嘌呤或嘌呤核苷，經過簡單的反應，合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補救合成（或重新利用）途徑。（二）嘌呤核苷酸的補救合成途徑定義目前八十九頁\總數一百一十五頁\編于一點腺嘌呤磷酸核糖轉移酶(adeninephosphoribosyltransferase,APRT)次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyltransferase,HGPRT)腺苷激酶(adenosinekinase)參與補救合成的酶目前九十頁\總數一百一十五頁\編于一點腺嘌呤+

PRPPAMP+PPiAPRT次黃嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鳥嘌呤+

PRPPHGPRTGMP+PPi合成過程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP目前九十一頁\總數一百一十五頁\編于一點補救合成途徑的生理意義:1.節(jié)約從頭合成時需要的能量和一些氨基酸2.腦、骨髓等(由于缺乏有關酶)不能進行從頭合成,只能進行嘌呤核苷酸的補救合成.

基因缺陷導致HGPRT完全缺乏的患兒,表現為自毀容貌征或稱Lesh-Nyhan綜合征

目前九十二頁\總數一百一十五頁\編于一點（三）嘌呤核苷酸的抗代謝物嘌呤核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤、氨基酸或葉酸等的類似物。目前九十三頁\總數一百一十五頁\編于一點次黃嘌呤(H)6-巰基嘌呤(6-MP)6-巰基嘌呤的結構目前九十四頁\總數一百一十五頁\編于一點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-氨基異咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）=5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（FAICAR）IMP次黃嘌呤（H）PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤（A）GMP==PRPPPPi鳥嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP氮雜絲氨酸氮雜絲氨酸氮雜絲氨酸MTXMTX目前九十五頁\總數一百一十五頁\編于一點

二、嘧啶核苷酸的代謝MetabolismofPyrimidineNucleotides目前九十六頁\總數一百一十五頁\編于一點嘧啶核苷酸的結構目前九十七頁\總數一百一十五頁\編于一點從頭合成途徑補救合成途徑一、嘧啶核苷酸的合成代謝目前九十八頁\總數一百一十五頁\編于一點（一）嘧啶核苷酸的從頭合成主要是肝細胞胞液嘧啶核苷酸的從頭合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應，合成嘧啶核苷酸的途徑。

定義合成部位目前九十九頁\總數一百一十五頁\編于一點嘧啶合成的元素來源氨基甲酰磷酸天