化学生物学化学物质与核酸的相互作用

1、 化学物质与核酸的化学物质与核酸的相互作用相互作用化学物质 核酸 破坏模板作用 核酸链断裂 影响基因调控和表达功能 抗肿瘤药物的母体 癌变的预警标示物 一切生物的变异和进化都可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果 郝璐璐郝璐璐 整容前整容前郝璐璐郝璐璐 整容后整容后呵呵，奇怪，这一株呵呵，奇怪，这一株水稻结出的稻谷好大水稻结出的稻谷好大拿它作种子明年肯定拿它作种子明年肯定大丰收大丰收!大量的事实告诉我们，生物是能够大量的事实告诉我们，生物是能够发生变异的。这些变异有的能够遗传给发生变异的。这些变异有的能够遗传给后代，有的却不能！后代，有的却不能！变异的概念：生物的后代出

2、现与亲本不变异的概念：生物的后代出现与亲本不同的性状（也包括后代个体间的差异）同的性状（也包括后代个体间的差异）可遗传的变异可遗传的变异不遗传的变异不遗传的变异一、基因突变的类型一、基因突变的类型基因突变： 由DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，是基因的核苷酸顺序或数目发生改变。 单个碱基改变 点突变（点突变（point mutation） 多个碱基改变 缺失、重复和插入缺失、重复和插入 基因突变的类型 碱基置换移码大段损伤 （1）碱基置换（）碱基置换（substitution） 它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。 分类分类：转换（转换（t

3、ransitiontransition），），即即DNADNA链中的一个嘌呤被另一链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换； 颠换（颠换（transversiontransversion），），即一个嘌呤被一个嘧啶即一个嘌呤被一个嘧啶, ,或或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转说，即可同时引起转换与颠换，也可只具换与颠换，也可只具其中的一种功能。根其中的一种功能。根据化学诱变剂是据化学诱变剂是直接直接还是还是间接间接地引起置换，地引起置换，可把置换的机制分成可把置换

4、的机制分成以下两类来讨论。以下两类来讨论。直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂 定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。 种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基甲基-N硝基硝基-N-亚硝基胍，亚硝基胍，N-甲甲基基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。 作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而作用

5、：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。生变异。 羟胺只引起羟胺只引起GCA : T， 其余都是可使其余都是可使GC=A : T发生互变的。发生互变的。 能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。见下表）。若干诱变剂的作用机制及诱变功能若干诱变剂的作用机制及诱变功能诱变因素诱变因素在在DNA上的初级效应上的初级效应遗传效应遗传效应碱基类似物碱基类似物掺入作用掺入作用AT=GC双向转换双向转换羟羟 胺胺与胞嘧啶起反应与胞嘧啶起反应G

6、CAT的转换的转换亚硝酸亚硝酸A、G、C的氧化脱氨作用的氧化脱氨作用交交 联联AT=GC双向转换双向转换缺失缺失烷化剂烷化剂烷化碱基（主要是烷化碱基（主要是G）烷化磷酸基团烷化磷酸基团丧失烷化的嘌呤丧失烷化的嘌呤糖糖-磷酸骨架的断裂磷酸骨架的断裂AT=GC双向转换双向转换ATTA的颠换的颠换GCCG的颠换的颠换巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位）巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位）吖啶类吖啶类碱基之间的相互作用（双链变形）碱基之间的相互作用（双链变形）码组移动（或）码组移动（或）紫外线紫外线形成嘧啶的水合物形成嘧啶的水合物形成嘧啶的二聚体形成嘧啶的二聚体交交 联联GCAT转换转换码组移动（或）码组

7、移动（或）电离辐射电离辐射碱基的羟基化核降解碱基的羟基化核降解DNA降解降解 糖糖-磷酸骨架的断裂磷酸骨架的断裂丧失嘌呤丧失嘌呤AT=GC双向转换双向转换码组移动（或）码组移动（或） 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位）巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位）加热加热C脱氨基脱氨基CGTA转换转换Mu噬菌体噬菌体结合到一个基因中间结合到一个基因中间码组移动码组移动亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。 HNO2胞嘧啶（胞嘧啶（C） 尿嘧啶（尿嘧啶（U） HNO2腺嘌呤（腺嘌呤（A） 次黄嘌呤（次黄嘌呤（H） HNO2鸟嘌呤（鸟嘌呤（G） 黄嘌呤（黄嘌呤（X）这些反应及形成

8、物均可在这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。主要是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制碱基转换的分子机制以亚硝酸为例以亚硝酸为例亚硝酸引起的亚硝酸引起的AT-GC转换细节转换细节这类诱变剂主要是一些这类诱变剂主要是一些碱基类似物碱基类似物 ,如：如：5-溴尿嘧溴尿嘧啶啶(5-BU)和和5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5AU）、）、叠氮胸腺嘧啶（叠氮胸腺嘧啶（AIT）等）等等等； 作用方式作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，分子中，主要是在主要是在DNA复制时碱基类似物插入复制时碱基类似物插入DNA中，中，引起碱

9、基引起碱基对配对错误，造成碱基置换。对配对错误，造成碱基置换。以以5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)为例：为例： 5-BU是胸腺嘧啶（是胸腺嘧啶（T）的）的的的类似物类似物 ，酮式的，酮式的5-BU可以和可以和A配对，配对，烯醇式的烯醇式的5-BU可以和可以和G配对，在配对，在DNA分子复制的过程中，由于分子复制的过程中，由于5-BU的的插入和互变异构导致碱基置换。插入和互变异构导致碱基置换。间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂5-BU引起的转换引起的转换5-BU引起的转换引起的转换 从上图中，还可以看到从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的的掺入引起的GC回复到回复到A?T的过程。通过这

10、两个图示，就很容易理的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。使它产生回复突变的原因了。也可以知道，为什么像也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不起作用。分子却不起作用。（2）移码突变）移码突变 frame-shift mutation 或或 phase-shift mutation，指诱变剂

11、使，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。 由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为（frame-shift mutant）。与染色体畸变相比，移）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。分子的微小损伤。 丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一系列称为氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合

12、物，类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。都是移码突变的有效诱变剂。图图 能诱发移码突变的几种代表性化合物能诱发移码突变的几种代表性化合物引起移码突变的诱变剂：主要是引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，如吖啶吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。黄、吖啶橙等等。这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤个嘌呤嘧啶对十分相似。嘧啶对十分相似。吖啶类化合物的诱变机制：吖啶类化合物的诱变机制： 至今还不很清楚。至今还不很清楚。 有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个结构与一个嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶十

13、分相似，故能十分相似，故能嵌入嵌入两个相邻两个相邻DNADNA碱基对之间，造成双螺旋的部分碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距解开（两个碱基对原来相距0.34nm0.34nm，当嵌入一，当嵌入一个丫啶分子时，就变成个丫啶分子时，就变成0.68nm0.68nm），从而在），从而在DNADNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。结果就引起了移码突变。吖啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：吖啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：基因突变的特点基因突变的特点 普遍性普遍性 随机性随机性 稀有性稀有性 有害性有害

14、性 不定向性不定向性 二、实例镰刀型细胞贫血症正常人的红细胞镰刀型贫血症患者 的 红 细 胞讨论：镰刀型细胞贫血症的发病原因是什么？临床表现临床表现血红蛋白血红蛋白6(N端端)mRNA基因基因(DNA上上)正常表现正常谷氨酸CTTGAAGAA镰刀型贫血异常缬氨酸CATGTAGUA基因突变的实例基因突变的实例镰刀型细胞贫血症镰刀型细胞贫血症基因突变的实例：基因突变的实例：正常绵羊有时生下正常绵羊有时生下短腿短腿“安康羊安康羊”红花红花蓝紫色蓝紫色物理因素：主要是各种射线。如：紫外线、物理因素：主要是各种射线。如：紫外线、射线、射线、射线、射线、射线等。射线等。化学因素：主要是各种能与化学因素：主

15、要是各种能与DNADNA发生化学反应发生化学反应的化学物质。如烟碱、秋水仙素、黄曲霉毒素、的化学物质。如烟碱、秋水仙素、黄曲霉毒素、硫酸二乙酯等。硫酸二乙酯等。生物因素：主要是某些寄生在细胞内的病毒。生物因素：主要是某些寄生在细胞内的病毒。三、基因突变的原因1.1.人工诱变的方法：人工诱变的方法：用射线（如紫外线、用射线（如紫外线、X X射线、激光等）照射或致突射线、激光等）照射或致突变物质处理生物的敏感部位（植物的萌发种子、动物变物质处理生物的敏感部位（植物的萌发种子、动物的生殖腺等）。的生殖腺等）。例：我国科技人员用例：我国科技人员用60CO产生的射线照射水稻萌发的种子，产生的射线照射水稻

16、萌发的种子，培育出优质高产、抗病虫害强的培育出优质高产、抗病虫害强的新品种。新品种。四、基因突变的应用例：例：19451945年爱尔兰科学家费来明发现青年爱尔兰科学家费来明发现青霉素以来，世界各地科学家用紫外线照射的方霉素以来，世界各地科学家用紫外线照射的方法处理青霉，将青霉素的产量提高了几千倍，法处理青霉，将青霉素的产量提高了几千倍，价格下降到原来的几万分之一。价格下降到原来的几万分之一。紫外线照紫外线照射处理射处理例：例：19871987年，我国科学家将普通青椒种年，我国科学家将普通青椒种子搭载在人造卫星上使之接受宇宙射线照射发子搭载在人造卫星上使之接受宇宙射线照射发生基因突变，培育出产量

17、特高，质量特别好的生基因突变，培育出产量特高，质量特别好的“太空椒太空椒”。2.2.人工诱变的优点：人工诱变的优点：自然突变由于变异频率很低，产生的极少量变异自然突变由于变异频率很低，产生的极少量变异个体混杂于大量未变异个体中，难以被发现并选出来个体混杂于大量未变异个体中，难以被发现并选出来进行培育。而人工诱变可以产生大量的变异个体，容进行培育。而人工诱变可以产生大量的变异个体，容易发现发生有利变异的个体并将其从中选择出来。如易发现发生有利变异的个体并将其从中选择出来。如我国近年每年都有许多优质高产的农作物新品种出现，我国近年每年都有许多优质高产的农作物新品种出现，其中大多数都经过了人工诱变处

18、理。其中大多数都经过了人工诱变处理。如青霉素的生产，从如青霉素的生产，从19451945年到年到19651965年年2020年时间就年时间就将单位产量提高了几十万倍。将单位产量提高了几十万倍。3.3.人工诱变的缺点：人工诱变的缺点：，并且常常，并且常常是一个个体中既发生了有利变异又发生了不利是一个个体中既发生了有利变异又发生了不利变异，必须通过杂交方法将有利变异组合到同变异，必须通过杂交方法将有利变异组合到同一个体中来。一个体中来。，生物发生，生物发生的变异绝大多数是不利变异，因此的变异绝大多数是不利变异，因此必须处理大必须处理大量材料量材料形成大量变异个体再从中选择发生有利形成大量变异个体再

19、从中选择发生有利变异的个体。变异的个体。，如，如有泄漏将造成人体伤害或环境污染。有泄漏将造成人体伤害或环境污染。灯笼形，特大果灯笼形，特大果平均单果重平均单果重250克左右，克左右，最大果可达最大果可达720克克露地栽培露地栽培亩产亩产5000公斤左右公斤左右大棚栽培大棚栽培产量可达产量可达8000公斤公斤 五、化学致癌物质以其作用机制直接致癌物 直接作用于RNA、DNA、蛋白质等 烷化剂、亚硝胺物质 间接致癌物 需经代谢活化才与大分子化合物结合 多环芳烃类、亚硝胺类、芳香胺 促癌物 本身不致癌，但与致癌物同时作用时，能明显地强化致癌 巴豆油、丙酮、酚、氧化铁粉尘 有机致癌物 多环芳烃类、芳香

20、胺类、偶氮类、烷化剂类、亚硝胺类及亚硝酰胺类、内酯类、性激素、霉菌素 多环芳烃、亚硝胺及霉菌毒素是环境中三类最普遍最重要的致癌物 一、共价结合一、共价结合1氮丙啶类抗生素丝裂霉素C 2氨茴霉素、茅屋霉素等抗生素3螺旋丙烷类抗生素二、非共价结合二、非共价结合大多数抗癌药物与DNA的作用都是非共价结合 典型沟区结合的药物分子典型沟区结合的药物分子 典型沟区结合的药物分子典型沟区结合的药物分子嵌插结合嵌插结合（1）经典的嵌插结合 药物分子通过嵌入DNA令DNA构象发生改变，使其不能或不易复制，而显现出抗肿瘤、抗病毒的活性。（2）双嵌插 将两个嵌插环通过不同长度的链共价连接起来 （3）带有多个大取代基

21、的嵌插剂 三、剪切作用RNA可成为新型小分子药物的作用靶点 一、一、RNA药靶的优越性药靶的优越性1RNA种类多样性2RNA结构的多样性在RNA分子中，并不遵守DNA中碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。RNA还可以形成更复杂的三级结构。尽管转录于同一DNA，翻译相同的蛋白质，不同的转录子形式有不同的序列和独特的RNA三级结构形状。二、作用于二、作用于RNA的小分子药物的小分子药物两大类：一类是传染性疾病新型抗菌和抗病毒药物研制；另一类是非传染性疾病包括抗癌和抗炎症药物研制。 1与H

22、IV TAR RNA作用的小分子化合物反式激活（TAR） 反式激活依赖于Tat蛋白和一个RNA序列特异区（TAR RNA）的相互结合。 HIV 1基因表达是由一类病毒编码的蛋白调控的，其中包括一种转录的反式激活子Tat。当基因表达的Tat水平增高时，病毒的复制才能够进行。这是通过RNA聚合酶转录复合物延长的增加而达到的，也叫做反式激活（TAR）。 （a）新霉素B；（b）2, 4-氨基喹唑啉；（c）喹唑啉-2, 3-二酮；（d）吖啶衍生物CGP40336A2与rRNA作用的小分子化合物核糖霉素、巴龙霉素和利维霉素可与原核rRNA的A位点亚结构域形成特定的复合物；而安普霉素对原核亚结构域的强结合依

23、赖于1408位点RNA具有高亲和性和特异性的靶点，小分子化合物可以作为基因研究的工具一、分光光度法一、分光光度法1测糖法（1）二苯胺法 在强酸性条件下，水解后的DNA能与二苯胺反应，并有蓝色产物生成，其最大吸收波长位于600mn处，由此可以测得样品中核酸的含量，测定DNA的范围为25250g/ml。 优点：与UV法相比，该方法更准确，灵敏度更高， 并且可以测定混合物。缺点：方法冗长（需1620h），条件苛刻， 在测定过程中容易造成样品的损失。 在硫酸中水解DNA，加入高碘酸和硫代巴比妥酸，则有粉红色反应物生成，max位于532nm处，可用于DNA的测定。（2）硫代巴比妥酸优点：RNA和蛋白质不

24、干扰测定RNA经热酸水解和转化之后，与地衣酚（5-甲基-1,3-苯二酚）在浓HCL及Cu2或FeCl3存在下反应，溶液呈绿色，max位于670nm处。在一定范围内，吸收强度与RNA的浓度成正比，用于测定RNA及其衍生物，灵敏度为0.015mol/L。（3）地衣酚法（4）定磷法 将核酸和核苷酸用强酸消化，使有机磷变成磷酸根，再用一般测定磷的试剂显色。根据磷的含量即可推算出核酸和核苷酸的含量 优点：反应灵敏缺点：DNA和RNA都含有磷，测定时必须分别测定 2染料结合法基于多核苷酸中两个单核苷酸残基之间的电离具有较低的pK值（pK=1.5），当溶液的pH高于4时，全部解离，呈多阴离子状态，具有与某些

25、阳离子染料结合的能力。 优点：简便、快速、灵敏、准确 缺点：蛋白质对体系的测定干扰严重 （1）甲基绿 在pH 7.9的Tris-HCl缓冲溶液中，将甲基绿与核酸的混合液加热至45，3h之后，在最大吸收峰630nm处溶液的吸光度，吸光度的强度与一定浓度的核酸成正比，将该方法用以测定DNA，其测定范围为0300g，检出限为2g。 2染料结合法（2）甲苯胺蓝 甲苯胺蓝的水溶液在628nm处有一最大吸收峰，当有痕量DNA存在时，会导致最大吸收峰降低，吸收峰的降低程度与一定浓度的DNA成正比。 测定微克级的DNA，线性范围04.0g/ml，检出限0.048g/ml 目前测定痕量DNA的较好方法 （3）乙基紫 pH6.47.4时，乙基紫的max位于595nm处，当加入DNA后，乙基紫的吸收峰显著下降，而在507nm处出现新的吸收峰。可用于DNA定量测定。线性范围为1.0810-5mol/L。方法操作简便，灵敏度高，选择性较好，且反应迅速（2min后即可测定） 二、荧光法二、