核酸結(jié)構(gòu)、功能和核苷酸代謝

1、核酸結(jié)構(gòu)、功能和核苷酸代謝l核酸的研究歷程： 1868年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素” 1944年 Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì) 1953年 Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu) 1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼 1975年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 測(cè)序方法 1985年 Mullis發(fā)明PCR 技術(shù) 1990年 美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP) 2003年 美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃l核 酸(nucleic acid)：以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺

2、傳信息。u脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)： 90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。 攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。u核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)： 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞液。 參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。一、核酸的元素組成：C、H、O、N、P（910%）二、核酸的分子組成核酸的基本組成單位是核苷酸 (nucleotide)。1、堿基：l嘌呤(purine)l嘧啶(pyrimidine)l五種堿基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亞氨基的互變異構(gòu)。

3、這兩種異構(gòu)體的平衡關(guān)系受酸堿環(huán)境的影響。2、戊糖3、核苷：堿基 + 戊糖 嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1與戊糖的C-1以N-糖苷鍵相連。4、核苷酸：核苷 + 磷酸 糖環(huán)上的C-5與磷酸酯化成磷酸酯鍵。l體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物u多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPu環(huán)化核苷酸：cAMP，cGMPu含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、 FAD 等都含有 AMP一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)1、概念： DNA分子中核苷酸的排列順序，即堿基排列順序。2、連接鍵：3,5-磷酸二酯鍵 即第一個(gè)核苷酸糖環(huán)上的C-3羥基與第二個(gè)核苷酸C-5磷酸形成3,5-磷酸二酯鍵。3、DNA鏈的

4、方向： 5 34、書寫方法：結(jié)構(gòu)式、線條式、文字縮寫二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)1、研究歷程l Oswald Avery (1877-1955)肺炎雙球菌感染實(shí)驗(yàn)lErwin Chargaff (1905-2002)uDNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，差異越大；u相同物種，不同組織中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)而改變；uDNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=C+T。這一規(guī)律被稱為Chargaff規(guī)則。lLinus Pauling (1901-1994)進(jìn)行堿基的理化數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理，并提出DNA可能

5、是三股螺旋。lRosalind Franklin (1920-1958)和Maurice Wilkins (1916- )發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X-衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。lJames Watson (1928- )和Francis Crick (1916-2004)提出DNA的雙螺旋模型，和Maurice Wilkins 一起獲得1962年的nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)2、DNA雙螺旋模型要點(diǎn)兩條單鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋 (double helix)。螺旋直徑，表面有大溝和小溝。l磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)，堿基垂直于螺旋軸伸入內(nèi)側(cè)。每圈螺旋含10

6、個(gè)堿基對(duì) (bp)，螺距為。l兩條鏈通過(guò)堿基間的氫鍵相連，A=T，GC。l維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向?yàn)闅滏I，縱向?yàn)閴A基間的堆積力。3、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為：A、B、C、D（右手螺旋）；Z型（左手螺旋）三、DNA的超級(jí)結(jié)構(gòu)lDNA超級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式是超螺旋結(jié)構(gòu)，由DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤旋而成，原核生物DNA超螺旋結(jié)構(gòu)就是其最高級(jí)結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)可分為正超螺旋和負(fù)超螺旋兩類，它們?cè)谕負(fù)洚悩?gòu)酶作用下或特殊情況下可相互轉(zhuǎn)變。lDNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義：u使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入細(xì)胞中；u推動(dòng)DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負(fù)超螺旋分子所受張力會(huì)引

7、起互補(bǔ)鏈分開(kāi)導(dǎo)致局部變性，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。四、DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體的基本單位是核小體(nucleosome)。核小體：由H2A、H2B、H3、H4 組蛋白各兩分子構(gòu)成八聚體核心，大約146bp DNA在核心上盤繞圈，形成核心顆粒，核心顆粒之間由一個(gè)H1組蛋白和連接DNA（約54bp）構(gòu)成的連接區(qū)連接。DNA(2nm)DNA(2nm) 7 7倍倍核小體核小體(10nm)(10nm) 6 6倍倍螺線管螺線管( (纖絲，纖絲，30nm)30nm) 7 7倍倍染色質(zhì)絆環(huán)染色質(zhì)絆環(huán)(300nm) (300nm) 6 6倍倍 常染色質(zhì)常染色質(zhì)(700nm)(700nm) 5 5倍倍

8、分裂中期染色體分裂中期染色體(1400nm)(1400nm)五、DNA的功能DNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復(fù)制以及基因信息的轉(zhuǎn)錄提供模板。一、RNA的種類、分布、功能二、mRNA的結(jié)構(gòu)與功能1、mRNA成熟過(guò)程：2、mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C2甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。l帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能u幫助mRNA由核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位u維系mRNA的穩(wěn)定性u(píng)調(diào)控翻譯的起始3、mRNA的功能：作為蛋白質(zhì)合成的模板。三、tRN

9、A的結(jié)構(gòu)與功能1、tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含 1020% 稀有堿基，如 DHU3末端為 CCA5末端大多數(shù)為G具有 TC 2、tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形氨基酸臂，DHU環(huán)，反密碼環(huán)，TC環(huán)，額外環(huán)3、tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)倒L形4、tRNA的功能：活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。四、rRNA的結(jié)構(gòu)與功能1、rRNA的結(jié)構(gòu)2、rRNA的功能：參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。3、rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）五、其它RNAl細(xì)胞的不同部位存在的一些堿基數(shù)小于300的小分子RNA，統(tǒng)稱為非信使小RNA（snmRNA），包括核內(nèi)小RNA(snRNA)，核仁小RNA(snoRNA)，胞

10、質(zhì)小RNA (scRNA)，催化性小RNA，小干擾RNA(siRNA)，微小RNA（miRNA）。l參與hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因表達(dá)調(diào)控等。lRNA組學(xué) (RNomics)：研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。l核酶(Ribozyme)：具有催化作用的RNA。一、核酸的一般性質(zhì)lDNA的酸堿度及溶解度：uDNA有磷酸基及堿基，為兩性大分子，但偏酸性，生理?xiàng)l件下帶負(fù)電。u可與金屬離子成鹽，不溶于乙醇或異丙醇lDNA的高分子性質(zhì)：線性高分子，粘度極大 粘度： DN

11、A RNA dsDNA ssDNAlDNA的紫外吸收：最大吸收波長(zhǎng)為260nm，常用作核酸的定性、定量分析。uOD260=1.0 相當(dāng)于 50g/ml雙鏈DNA 40g/ml單鏈DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸u判斷核酸樣品的純度： DNA純品：OD260/OD280 = 1.8 RNA純品：OD260/OD280 二、DNA的變性(denaturation)1、概念：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。2、方法：過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺等。3、本質(zhì)：雙鏈間氫鍵的斷裂。4、DNA變性后的性質(zhì)改變：l增色效應(yīng)：DNA變性后對(duì)260nm紫外光的吸收度增加的現(xiàn)

12、象；l旋光性下降；l粘度降低；l生物學(xué)功能喪失或改變。5、DNA熱變性的解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度對(duì)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。融解溫度（melting temperature, Tm）：加熱DNA溶液，使DNA解鏈，對(duì)260nm紫外光的吸收度達(dá)到最大值一半時(shí)的溫度。Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關(guān)，G+C的含量越高，則Tm越高。三、DNA的復(fù)性(renaturation)1、概念：在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象。 熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱

13、為退火(annealing) 。2、DNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)，具有減色效應(yīng)（ DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低）。3、影響因素 DNA濃度，DNA大小，DNA復(fù)雜性（重復(fù)序列數(shù)目），溶液離子強(qiáng)度。 4、核酸的分子雜交(hybridization)l概念：在DNA復(fù)性過(guò)程中，如果把不同單鏈DNA或單鏈DNA與RNA放在同一溶液中，只要在DNA或RNA的單鏈分子之間有一定的堿基配對(duì)關(guān)系，就可以形成局部或全部雙鏈。l應(yīng)用u研究DNA分子中某一種基因的位置u確定兩種核酸分子間的序列相似性u(píng)檢測(cè)某些專一序列在待檢樣品中存在與否u是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ) 四、兩

14、種重要的生物大分子比較l核酸的消化l核酸的吸收及生物學(xué)功能核苷酸、核苷、磷酸、戊糖、堿基均可在小腸吸收。核苷酸、核苷吸收進(jìn)入腸粘膜細(xì)胞后可再繼續(xù)水解。磷酸、戊糖可被機(jī)體利用，堿基很少利用、分解后排出。一、嘌呤核苷酸的代謝1、嘌呤核苷酸的合成代謝l從頭合成途徑（主要途徑）：利用5-磷酸核糖，氨基酸，一碳單位和CO2等原料，逐步合成嘌呤核苷酸的過(guò)程。這一途徑在肝（主要部位）、小腸和胸腺的胞液中進(jìn)行。u嘌呤合成的元素來(lái)源：“竹竿”(Gly)立中央，“谷子”(Gln)下面長(zhǎng)， CO2“天”(Asp)上飄，“假仙”(甲酰)在兩旁。u合成過(guò)程：1）次黃苷酸（IMP）的合成2）腺苷酸（AMP）與鳥(niǎo)苷酸（GM

15、P）的生成3）三磷酸嘌呤核苷的合成：u嘌呤核苷酸從頭合成特點(diǎn)嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的，先合成咪唑環(huán)，后合成嘧啶環(huán)。先合成 IMP，消耗5個(gè)ATP(6個(gè)高能磷酸鍵)，再轉(zhuǎn)變成 AMP或GMP，又需要1個(gè)ATP。u嘌呤核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式：反饋調(diào)節(jié)和交叉調(diào)節(jié)l補(bǔ)救合成途徑：利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的反應(yīng)，合成嘌呤核苷酸的過(guò)程。u參與補(bǔ)救合成的酶：腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(APRT)次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT)腺苷激酶(adenosine kinase)u補(bǔ)救合成的生理意義節(jié)省從頭合成時(shí)的能量和一些氨基酸的消耗。大部分組織細(xì)胞都能進(jìn)行補(bǔ)救合成途徑，但體

16、內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進(jìn)行補(bǔ)救合成。u自毀容貌癥一種X-連鎖隱性遺傳病，多見(jiàn)于男性。由于遺傳缺陷導(dǎo)致次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT）缺失，患者表現(xiàn)為尿酸增高及神經(jīng)異常。癥狀為腦發(fā)育不全、智力低下、攻擊和破壞性行為、常咬傷自己的嘴唇、手和足趾，故稱自毀容貌癥。l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，主要以競(jìng)爭(zhēng)性抑制干擾或阻斷嘌呤核苷酸的合成代謝，從而進(jìn)一步阻止核酸以及蛋白質(zhì)的生物合成。2、嘌呤核苷酸的分解代謝l痛風(fēng)癥的治療機(jī)制嘌呤代謝紊亂使尿酸鹽晶體積聚，導(dǎo)致痛風(fēng)、關(guān)節(jié)炎、尿路結(jié)石及腎病，臨床上用別嘌呤醇治療。二、嘧啶核苷酸的代謝1、嘧啶核苷酸的合成代謝l從頭合成途徑：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡(jiǎn)單物質(zhì)為原料，經(jīng)過(guò)一系列酶促反應(yīng)，合成嘧啶核苷酸。主要在肝細(xì)胞胞液合成。u嘧啶合成的元素來(lái)源：u合成過(guò)程：