《食品生物化学教学课件》核酸及其代谢

第三章

核酸化学NucleicAcidchemistry核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。核酸概述核酸是遗传物质的载体一、核酸的研究发现史1868年，F.Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。1944年，Avery的转换转化实验

orand可分离1952年，Hexshey、ChaseT2噬菌体（捣碎器实验）1953年，Watson、CrickDNA双螺旋模型核酶（Ribozyme）人类基因组计划

98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的种类和分布

核酸分为两大类：脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）RNA主要存在于细胞质中

tRNA

rRNAmRNA

其它snRNA

反义RNA

RNA病毒：SARS核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。

组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。一、戊糖RiboseDeoxyribose二、碱基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)假尿苷（ψ）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷m5G5OHAdenosineGuanosine

Cytidine

Uridine四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH五、核苷酸衍生物1.继续磷酸化AMPADPATP2.环化磷酸化

cAMP

cGMP3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)4.辅酶

NAD、NADP、FMNIMP

GMP六、多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA的结构一、DNA的一级结构脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。2.基因与基因组基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。

蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNA

RNA

rRNA

调节功能：调节基因无产物

作用未知结构基因基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）

bp（碱基对）

103104105106107108109101010111012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小3.原核生物基因组特点重复序列少，多位编码区多为操纵子形式组织有重叠基因存在真核生物基因组特点以染色体存在重复序列多基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因组计划（YGP）大肠杆菌（E.Coli）二、DNA的二级结构

DNA的双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。DNA双螺旋模型要点B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0nm小沟大沟双螺旋DNA的结构参数P187类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7º双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）DNA的三级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，超螺旋原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）

DNA的三级结构---超螺旋超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象正超螺旋（变紧）和负超螺旋（变松）人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm如线粒体DNA、细菌质粒DNA、病毒DNADNA的存在形式--核小体真核生物中DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心的短轴绕1.75圈，形成左手超螺旋，称核小体。染色质的基本结构单位是核小体。串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单体。组蛋白八聚体核小体H1组蛋白RNA的结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNAtRNA

rRNAtRNA:P198占RNA总量的15％一种氨基酸对应最少一种RNA分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3'-末端都具有CpCpAOH的结构。tRNA的三级结构tRNA的三级结构--倒L型指tRNA的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成一种形状象倒L型字母的三维结构。第三节核酸的性质及研究技术一、一般的理化性质两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂P200线性大分子（粘度高。抗剪切力差）可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色

D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色0.14摩尔法：P200二、核酸的紫外吸收特性在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。以A260/A280进行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光三、核酸的变性、复性与分子杂交1.变性稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。变性表征生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）变性因素

pH（>11.3或<5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度加热DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442.热变性和Tm3.核酸的复性变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度＝Tm－25℃复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/溶液离子强度4.分子杂交DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。Southern杂交（Southernbolting）P204Northern杂交（Northernbolting）Western杂交（Westernbolting）四、核酸的含量与纯度测定P202定磷、定糖2.凝胶电脉五、核酸的序列测定双脱氧链终止法（Sanger酶法）2.Gilbert化学降解法第四节核酸的降解与核苷酸代谢核苷酸(nucleotide)是构成核酸(nucleicacid)的基本单位，人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的。食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体所利用。在核酸类物质的水解产物中，只有磷酸和戊糖可被吸收利用。小肠单核苷酸胰核酸酶食物中核酸的消化核苷酶小肠戊糖含氮碱核苷酸酶磷酸核苷小肠核蛋白胃HCl蛋白质核酸核苷酸起着重要的作用：P204

一、核酸的酶促降解：P2041.核酸酶2.酶降解产物

核酸的酶促降解：

A

核酸外切酶（exonulease）从核酸链的末端开始逐个顺次水解下核苷酸的酶称之。产物为单核苷酸。B、核酸内切酶（endonuclease）

能够水解核酸分子内磷酸二酯键的酶称核酸内切酶。一般的核酸内切酶专一性不强（专一性强的不多），限制性内切酶具有很强的碱基专一性。牛脾磷酸二脂酶：作用5/-端，产物3/-核苷酸

蛇毒磷酸二脂酶：作用3/-端，产物5/-核苷酸

C、限制性内切酶（reestrietion

endonuclease）

在原核生物体内一类能识别双链DNA上特定的一段核苷酸序列并在特定的一段核苷酸序列并在特定位点切断DNA两条链的核酸内切酶。平头末端：切口齐的；粘性末端；切口交错。1、限制性内切酶的酶切点：酶限制和修饰部位来源产生平头末端↓HindⅡ5’—G—T—Py—Pu—A—C—3’流感嗜血菌·3’—C—A—Pu—Py—T—G—5’↑产生粘性末端↓大肠杆菌EcoRⅠ5’—G—A—A—T—T—G—3’·3’—G—T—T—A—A—G—5’↑二、核苷酸的分解代谢：P2051.核苷酸的分解2.核苷的分解

嘌呤和嘧啶的分解嘌呤核苷酸的分解代谢

嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱，最后在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸(uricacid)，再经尿液排出体外。尿酸是嘌呤核苷酸在人体内分解代谢的终产物。但在鸟类，尿酸则可继续分解产生尿囊素。正常人血浆中尿酸含量约为0.12~0.36mmol/L

(2~6mg%)。尿酸水溶性较差，当血浆中尿酸含量超过8mg%时，即可形成尿酸盐晶体。痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。临床上常用别嘌呤醇（allopurinol）治疗痛风症。鸟嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤氧化酶黄嘌呤尿酸黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇痛风症的治疗机制别嘌呤醇的分子结构与次黄嘌呤类似，可竞争性抑制黄嘌呤氧化酶的活性，从而减少体内尿酸的生成。同时，别嘌呤与PRPP反应生成的别嘌呤核苷酸，可反馈抑制嘌呤核苷酸从头合成途径的关键酶。

嘧啶的分解包括脱氨、还原、水解开环等反应，产物：CO2+NH3+β—丙氨酸β—氨基异丁酸核苷酸的合成代谢P208嘌呤核苷酸的合成代谢通过利用一些简单的前体物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径(denovosynthesis)。这一途径主要见于肝，其次为小肠和胸腺。所有合成反应在胞液中进行。（一）嘌呤核苷酸的从头合成：嘌呤碱合成的元素来源CO2甲酰基（N5,N10-CH=FH4）甲酰基（N10-CHOFH4）天冬氨酸谷氨酰胺（酰胺基）甘氨酸

⑴次黄苷酸的合成：首先在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，消耗ATP，由5-磷酸核糖合成PRPP(1-焦磷酸-5-磷酸核糖)。PRPP再经过大约10步反应，合成第一个嘌呤核苷酸——次黄苷酸（IMP）。1．从头合成途径：在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的参与下，逐步合成IMPR-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）次黄苷酸（IMP）的合成

⑵腺苷酸及鸟苷酸的合成：IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸（AMP-S），然后裂解产生腺苷酸（AMP）。IMP也可在IMP脱氢酶的催化下，以NAD+为受氢体，脱氢氧化为黄苷酸（XMP），后者再在鸟苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸（GMP）。腺苷酸（AMP）与鸟苷酸（GMP）的合成P210H2O+NAD+XMPIMP脱氢酶NADH+H+Asp+GTPIMPAMP-S腺苷酸代琥珀酸合成酶GDP+PiGln+ATPGMP鸟苷酸合成酶Glu+AMP+PPiAMP腺苷酸代琥珀酸裂解酶延胡索酸⑶三磷酸嘌呤核苷的合成：

AMP/GMPADP/GDP核苷单磷酸激酶ATP

ADPATP/GTP核苷二磷酸激酶ATP

ADPdATP/dGTP核苷二磷酸激酶ATP

ADPdADP/dGDPNADPH+H+NADP++H2O核糖核苷酸还原酶合成RNA合成DNA核糖核苷酸还原酶的作用机制氧化型硫氧化还原蛋白SS核糖核苷酸还原酶SHSH还原型硫氧化还原蛋白NDP

dNDP+H2O硫氧化还原蛋白还原酶(FAD)NADPH+H+NADP+2.从头合成的调节：PRPP合成酶5-磷酸核糖+-IMPAMP、ADPGMP、GDP调节方式：反馈调节和交叉调节PRPP酰胺转移酶+PRPP-IMPAMPGMP腺苷酸代琥珀酸合成酶+GTP-AMPIMP脱氢酶GMP合成酶GMP-ATP+从头合成的调节++_____IMP腺苷酸代琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATP__++GTPR-5-PATPPRPP合成酶PRPPPRAIMP腺苷酸代琥珀酸AMPADPATPXMPGMPGDPGTP酰胺转移酶又称再利用合成途径(salvagepathway)。指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。这一途径可在大多数组织细胞中进行。（二）嘌呤核苷酸的补救合成：A+PRPPAMP+PPi腺嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶I/G+PRPPIMP/GMP+PPi嘌呤核苷酸的补救合成过程能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物，通常是属于嘌呤、氨基酸或叶酸的类似物，主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用，来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗肿瘤治疗作用。（三）抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制：1.嘌呤类似物：临床上应用较多的嘌呤类似物包括6-巯基嘌呤（6-mercaptopurine，6-MP）、6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等。6-MP的化学结