核酸結(jié)構(gòu)功能與核苷酸代謝

第十章核酸結(jié)構(gòu)、功能與核苷酸代謝第一節(jié)核酸的化學組成第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第五節(jié)核苷酸的代謝核酸的研究歷程：1868年Fridrich

Miescher從膿細胞中提取“核素”

1944年

Avery等人證實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測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

2003年美、英等國完成人類基因組計劃核酸(nucleicacid)：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。脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)：90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)：

分布于細胞核、細胞液。參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第一節(jié)核酸的化學組成一、核酸的元素組成：C、H、O、N、P（9～10%）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：嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)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)。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。體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP環(huán)化核苷酸：cAMP，cGMP含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能一、DNA的一級結(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核苷酸糖環(huán)上的C-3’羥基與第二個核苷酸C-5’磷酸形成3’,5’-磷酸二酯鍵。3、DNA鏈的方向：5’3’4、書寫方法：結(jié)構(gòu)式、線條式、文字縮寫二、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)1、研究歷程OswaldAvery(1877-1955)肺炎雙球菌感染實驗ErwinChargaff(1905-2002)DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠，差異越大；相同物種，不同組織中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；DNA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。LinusPauling(1901-1994)進行堿基的理化數(shù)據(jù)分析，認為A-T、G-C以氫鍵配對較合理，并提出DNA可能是三股螺旋。RosalindFranklin(1920-1958)和MauriceWilkins(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。JamesWatson(1928-)和FrancisCrick(1916-2004)提出DNA的雙螺旋模型，和MauriceWilkins一起獲得1962年的nobel生理醫(yī)學獎2、DNA雙螺旋模型要點兩條單鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋(doublehelix)。螺旋直徑2.0nm，表面有大溝和小溝。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個堿基對(bp)，螺距為3.4nm。兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A=T，GC。維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向為氫鍵，縱向為堿基間的堆積力。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的超級結(jié)構(gòu)DNA超級結(jié)構(gòu)的主要形式是超螺旋結(jié)構(gòu)，由DNA雙螺旋進一步扭曲盤旋而成，原核生物DNA超螺旋結(jié)構(gòu)就是其最高級結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)可分為正超螺旋和負超螺旋兩類，它們在拓撲異構(gòu)酶作用下或特殊情況下可相互轉(zhuǎn)變。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義：使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入細胞中；推動DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導致局部變性，利于復制和轉(zhuǎn)錄。四、DNA在真核生物細胞核內(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1.75圈，形成核心顆粒，核心顆粒之間由一個H1組蛋白和連接DNA（約54bp）構(gòu)成的連接區(qū)連接。DNA(2nm)7倍核小體(10nm)

6倍螺線管(纖絲，30nm)7倍染色質(zhì)絆環(huán)(300nm)6倍

常染色質(zhì)(700nm)5倍分裂中期染色體(1400nm)五、DNA的功能DNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復制以及基因信息的轉(zhuǎn)錄提供模板。第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一、RNA的種類、分布、功能二、mRNA的結(jié)構(gòu)與功能1、mRNA成熟過程：2、mRNA結(jié)構(gòu)特點大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能幫助mRNA由核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位維系mRNA的穩(wěn)定性調(diào)控翻譯的起始3、mRNA的功能：作為蛋白質(zhì)合成的模板。三、tRNA的結(jié)構(gòu)與功能1、tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點含10～20%稀有堿基，如DHU3′末端為

—CCA5′末端大多數(shù)為G具有TC2、tRNA的二級結(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的三級結(jié)構(gòu)——倒L形4、tRNA的功能：活化、搬運氨基酸到核糖體，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)生物合成的場所。3、rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）五、其它RNA細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)，胞質(zhì)小RNA(scRNA)，催化性小RNA，小干擾RNA(siRNA)，微小RNA（miRNA）。參與hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運以及基因表達調(diào)控等。RNA組學(RNomics)：研究細胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能的科學。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。核酶(Ribozyme)：具有催化作用的RNA。第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸的一般性質(zhì)DNA的酸堿度及溶解度：DNA有磷酸基及堿基，為兩性大分子，但偏酸性，生理條件下帶負電?？膳c金屬離子成鹽，不溶于乙醇或異丙醇DNA的高分子性質(zhì)：線性高分子，粘度極大粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNADNA的紫外吸收：最大吸收波長為260nm，常用作核酸的定性、定量分析。OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸判斷核酸樣品的純度：DNA純品：OD260/OD280=1.8RNA純品：OD260/OD280=2.0二、DNA的變性(denaturation)1、概念：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。2、方法：過量酸，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：增色效應(yīng)：DNA變性后對260nm紫外光的吸收度增加的現(xiàn)象；旋光性下降；粘度降低；生物學功能喪失或改變。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。融解溫度（meltingtemperature,Tm）：加熱DNA溶液，使DNA解鏈，對260nm紫外光的吸收度達到最大值一半時的溫度。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的復性(renaturation)1、概念：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(gòu)象。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。2、DNA復性后，一系列性質(zhì)將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復，具有減色效應(yīng)（DNA復性時，其溶液OD260降低）。3、影響因素

DNA濃度，DNA大小，DNA復雜性（重復序列數(shù)目），溶液離子強度。4、核酸的分子雜交(hybridization)概念：在DNA復性過程中，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關(guān)系，就可以形成局部或全部雙鏈。應(yīng)用研究DNA分子中某一種基因的位置確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(shù)的基礎(chǔ)四、兩種重要的生物大分子比較第五節(jié)核苷酸的代謝核酸的消化核酸的吸收及生物學功能核苷酸、核苷、磷酸、戊糖、堿基均可在小腸吸收。核苷酸、核苷吸收進入腸粘膜細胞后可再繼續(xù)水解。磷酸、戊糖可被機體利用，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程。這一途徑在肝（主要部位）、小腸和胸腺的胞液中進行。嘌呤合成的元素來源：“竹竿”(Gly)立中央，“谷子”(Gln)下面長，CO2“天”(Asp)上飄，“假仙”(甲酰)在兩旁。合成過程：1）次黃苷酸（IMP）的合成2）腺苷酸（AMP）與鳥苷酸（GMP）的生成3）三磷酸嘌呤核苷的合成：嘌呤核苷酸從頭合成特點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ATP(6個高能磷酸鍵)，再轉(zhuǎn)變成AMP或GMP，又需要1個ATP。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)補救合成途徑：利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)過簡單的反應(yīng)，合成嘌呤核苷酸的過程。參與補救合成的酶：腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(APRT)次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT)腺苷激酶(adenosinekinase)補救合成的生理意義節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗。大部分組織細胞都能進行補救合成途徑，但體內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行補救合成。自毀容貌癥一種X-連鎖隱性遺傳病，多見于男性。由于遺傳缺陷導致次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(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。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，主要以競爭性抑制干擾或阻斷嘌呤核苷酸的合成代謝，從而進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痛風癥的治療機制嘌呤代謝紊亂使尿酸鹽晶體積聚，導致痛風、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單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)，合成嘧啶核苷酸。主要在肝細胞胞液合成。嘧啶合成的元素來源：合成過程：