第五章核酸基础知识

NucleicAcid二十世纪是二十一世纪是物理学生命科学的世纪的世纪生命是生命=核酸+蛋白质二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪？核酸、蛋白质谁更“牛”?

目的要求：介绍核酸的分类、化学组成、结构特征和理化性质，并在此基础上介绍核酸在体内的变化。初步认识核酸与遗传的关系。了解核酸类药物。第五章核酸基础知识授课顺序第一节核酸的概述第二节核酸的化学组成第三节核酸的分子结构第四节核酸的理化性质第五节核苷酸代谢第六节核酸与遗传第一节核酸的概述一、核酸的发现和研究简史二、核酸的种类三、核酸的分布四、核酸的概念和重要性五、核酸在医药上的应用一、核酸的发现和研究简史1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1935年，Kossel和Levene等确定核酸的组分是DNA和RNA，提出“四核苷酸假说1944年Avery等人通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953年Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958年Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后，分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，90年代以后，实施人类基因组计划（HGP）二、核酸的种类1、脱氧核糖核酸（DNA，细胞核）DeoxyribonucleicAcid2、核糖核酸（RNA，胞质）RibonucleicAcid1、脱氧核糖核酸（DNA）DNA为双链分子，其中大多数是线形结构大分子，也有少部分呈环状结构二、核酸的种类2、核糖核酸（RNA）RNA为单链分子。主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。根据RNA的功能，可以分为mRNAtRNArRNA二、核酸的种类mRNA、tRNA和rRNAmRNA：约占全部RNA的5%，可以作为合成蛋白质的直接模板。tRNA：约占全部RNA的15%，在蛋白质合成中起转运氨基酸的功能。rRNA：约占全部RNA的80%，是构成核糖体的成分。2、核糖核酸（RNA）二、核酸的种类三、核酸的分布

真核生物

原核生物细胞核（98%）拟核线粒体mDNA（少量）质粒DNA（plasmid）叶绿体ctDNA（少量）等病毒DNA

细胞质（90%）细胞质核仁（少量）病毒RNA

RNA核糖核酸注：生物细胞都含有DNA和RNA；病毒中只含DNA或只含RNA。DNA脱氧核糖核酸四、核酸的概念和重要性核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子物质。包括DNA和RNA。（一）概念（二）重要性1、核酸是遗传物质2、核酸参与蛋白质的生物合成五、核酸在医药上的应用1、RNA：可用于改善精神迟缓，记忆衰退，刺激造血，促进白细胞再生，治疗初级癌症。2、DNA：可用于改善疲劳，提高抗癌疗效。3、免疫核糖核酸：用于肿瘤的免疫治疗。4、多聚核苷酸：作为干扰素的诱导剂。5、核苷酸：CMP；治疗肝炎、肾炎、白血球、血小板升高第二节核酸的化学组成一、核酸的元素组成二、核酸的结构组成三、核苷酸的衍生物四、核苷酸的生物学功能五、核苷酸的连接方式一、核酸的元素组成组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P其中P的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。二、核酸的结构组成（一）化学组成核酸核苷酸磷酸核苷

戊糖(pentose)碱基(base)

1、戊糖（pentose）RNA中的戊糖为D-核糖（D-ribose）DNA中的戊糖为D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)RiboseDeoxyribose2′1′3′4′5′2′二、核酸的结构组成（一）化学组成2、碱基（氮碱）

核酸中的碱基分为两类，即嘌呤碱和嘧啶碱。（1）.嘌呤碱（purine）：为嘌呤的衍生物，两种：腺嘌呤（adenineAdeorA）鸟嘌呤（guanineGuaorG

）（2）.嘧啶碱（pyrimidine）：为嘧啶的衍生物，三种：胞嘧啶（cytosineCytorC

）尿嘧啶（uracilUraorU）胸腺嘧啶（thymineThyorT

）二、核酸的结构组成（一）化学组成基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)3.稀有碱基（修饰碱基、微量碱基）含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。主要存在于RNA分子中。二、核酸的结构组成（一）化学组成二氢尿嘧啶（DHU）稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。两类核酸分子组成的比较磷酸D-核糖CUAGRNA磷酸D-2-脱氧核糖CTAGDNA酸核糖嘧啶嘌呤1、核苷：戊糖+碱基（二）核苷与核苷酸核苷的表示：核苷：A、G、C、U；脱氧核苷：dA、dG、dC、dTN-糖苷键：糖与碱基之间的C-N键5’5’3’3’磷酸与核苷5’位-OH脱水形成磷酸酯键2、核苷酸核苷酸种类RNA中含有腺苷酸AMP，

鸟苷酸GMP，胞苷酸CMP，

尿苷酸UMP，

DNA中含有脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP2、核苷酸三、核苷酸的衍生物（一）多磷酸核苷

5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U

5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷ADP三磷酸腺苷ATP构成DNA及RNA的碱基、核苷和常见核苷酸1、3’，5’-环化腺苷酸（cAMP）三、核苷酸的衍生物（二）环核苷酸放大激素信号2、3’，5’-环化鸟苷酸（cGMP）三、核苷酸的衍生物（二）环核苷酸缩小激素信号三、核苷酸的衍生物（三）辅酶类核苷酸1、作为核酸的单体2、细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、UTP）3、酶的辅助因子的结构成分（如NAD+）4、细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）四、核苷酸的生物学功能五、核苷酸的连接方式2、核酸一级结构的简写：①②5′-pGpApCpTpTpApC-OH-3′③5′-GACTTAC-3′

不同的核苷酸在核酸长链上的排列顺序。也称为核苷酸序列或碱基序列。五、核苷酸的连接方式1、核酸的一级结构：第三节核酸的分子结构一、DNA的分子结构DNA的分子组成：Chargaff规律DNA的空间结构二、RNA的分子结构RNA的分子组成RNA的空间结构一、DNA的分子结构1、四种碱基：A、G、C、T2、A+G=C+T

，A=T

G=C3、DNA的碱基组成有物种的特异性4、DNA的碱基组成无组织的特异性Chargaff规律DNA分子有三个结构层次：一级结构:DNA核苷酸链中脱氧核苷酸的组成和排列顺序。二级结构：DNA的两条多聚链间通过氢键形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。DNA的二级结构Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。DNA的空间结构DNA双螺旋结构模型要点1、反平行的两条多核苷酸链形成右手双股螺旋2、外侧：磷酸与脱氧核糖内侧：嘌呤与嘧啶碱碱基互补规律：A-T，G-C3、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行横向作用力：氢键纵向作用力：碱基平面间的堆积力4、每圈螺旋：10个核苷酸碱基堆积距：0.34nm

双螺旋直径：2nm

★螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。★疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。★由于几何形状的限制，碱基之间的配对只能在A与T，G与C之间进行，这种配对关系，称为碱基互补规律。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持2.0nm小沟大沟由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此，在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，二者交替出现。双螺旋横截面的直径约为2nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4nm。DNA的双螺旋结构的意义

该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。DNA的三级结构1、定义：双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象——超螺旋结构。螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋2、DNA的存在形式--核小体组蛋白八聚体核小体H1组蛋白真核生物中DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心的短轴绕1.75圈，形成超螺旋结构，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，形成染色体。从DNA到染色质，DNA压缩了近100倍，若从DNA到最后凝缩成染色体，DNA压缩了近万倍。（一）、RNA分子的组成1、碱基组成：基本碱基：A、G、C、U稀有碱基：60多种，主要由碱基修饰而来2、戊糖：D-核糖3、磷酸4、基本单位：核苷酸二、RNA的分子结构1、定义：RNA的多核苷链在某些部分弯曲折叠形成的双螺旋区。2、特点：双螺旋区的碱基有配对规律双螺旋区不能参加配对的碱基仍以单链形式存在3、以tRNA为例讲述其结构特点二级结构二、RNA的分子结构DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCA3´5´tRNA的二级结构特点--三叶草型定义：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。三级结构二、RNA的分子结构第四节核酸的理化性质一、酸碱性质二、溶解性和粘度三、紫外吸收四、变性、复性与杂交一、酸碱性质两性电解质：含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，所以为两性电解质。但通常表现为较强的酸性。pH大于4时，呈阴离子状态。二、溶解性和粘度1、溶解性：微溶于水，不溶于有机溶剂。因此常用乙醇来沉淀DNA；DNA难溶于0.14mol/L的NaCl溶液，可溶于1~2mol/L的NaCl溶液，RNA则相反，可据此分离二者。2、粘度：DNA〉RNADNA粘度很大，可作为变性指标RNA粘度很小三、紫外吸收碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有强烈的光吸收，λmax=260nm天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123鉴定纯度：纯DNA的A260/A280应为1.8纯RNA的A260/A280应为2.0四、变性、复性和分子杂交1、变性

——在理化因素影响下，核酸互补碱基之间的氢键断裂的现象。DNA：双链变成两条单链RNA：局部双螺旋被破坏，失去原有的空间构象四、变性、复性和分子杂交2、DNA的复性

——变性DNA在一定条件下，两条互补的单链重新缔合而恢复天然的双螺旋结构，其理化性质和生物活性随之恢复的过程。热变性的DNA在缓慢冷却后可以复性，也称为退火。

复性也称退火

将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。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。四、变性、复性和分子杂交3、分子杂交

——在变性的DNA溶液中加入外源核酸单链分子（DNA或RNA单链分子），去掉变性条件后复性形成双螺旋结构的过程。DNA杂交：DNA-DNARNA杂交：DNA-RNA意义：基因诊断最常用的基本技术，是定性、定量检测特异DNA或RNA片段的有力工具。

探针：用于杂交的异源DNA或RNA序列，其核苷酸序列是人工特定的、已知的，经放射性标记的一条链。第五节核苷酸代谢一、体内核苷酸分布情况及来源二、核苷酸的分解代谢三、核苷酸的合成代谢一、体内核苷酸分布情况及来源1、分布情况体内核苷酸主要是5′

-核苷酸，核糖核苷酸浓度（mmol）远大于脱氧核糖核苷酸（μmol）。ATP最多。2、体内核苷酸的来源食物核酸消化吸收体内核酸的降解体内生物合成：完全能够满足机体需要1、嘌呤核苷酸的分解AMP二、核苷酸的分解代谢黄嘌呤氧化酶腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶AG正常：119~357µmol/LGMP

次黄嘌呤（I）

黄嘌呤（X）

尿酸过程：痛风症临床症状：高血尿酸症：关节炎（疼痛、肿胀）、尿路结石、肾脏疾病病因：嘌呤代谢酶的缺陷，导致嘌呤合成过多进食高嘌呤食物肾脏疾病导致尿酸不能排出痛风症的治疗机制鸟嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤尿酸黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶二氢尿嘧啶β-脲基丙酸β-脲基异丁酸CO2+NH3β-丙氨酸β-氨基异丁酸2、嘧啶核苷酸的分解二、核苷酸的分解代谢乙酰辅酶A琥珀酰辅酶ATCA循环二、核苷酸的合成代谢从头合成途径(denovosynthesispathway)补救合成途径(salvagesynthesispathway)

利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途径利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应，合成核苷酸的过程（一）嘌呤核苷酸的合成1、从头合成途径：原料：天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、一碳单位、CO2、5-磷酸核糖场所：肝脏（主要）、小肠粘膜、胸腺等器官的胞液。CCCCCNNNN过程：

PRPP合成酶天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺一碳单位CO25-磷酸核糖

+

ATP

PRPP+AMP

IMPAMPGMP①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脱氢酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶2、补救合成途径：原料：体内游离的嘌呤和嘌呤核苷场所：脾脏、脑、骨髓等器官的胞液过程嘌呤核苷的再利用：（一）嘌呤核苷酸的合成（二）嘧啶核苷酸的合成1、从头合成途径原料：氨基甲酰磷酸、天门冬氨酸、5-磷酸核糖场所：肝细胞胞液过程：①先合成嘧啶环，再与在PRPP相连，首先合成UMP②再由UMP转化为UDP、UTP、CMP①UMP的合成：原料：谷氨酰胺CO2天冬氨酸5-磷酸核糖

O

C

HN

CH

CCH

N

R-5-PO谷氨酰胺

+

CO2

+

ATP

→

氨基甲酰磷酸②UTP、CTP的合成：尿苷酸激酶尿苷酸激酶ATPATPADPADPCTP合成酶UMPUDP

UTPUTP+Gln+ATP

CTP+Glu+ADP+Pi2、补救合成途径由嘧啶碱合成嘧啶核苷酸：嘧啶磷酸核糖转移酶可催化U、C合成相应核苷酸。嘧啶+PRPP→嘧啶核苷酸+PPi嘧啶与1-磷酸核苷合成嘧啶核苷，后者在嘧啶核苷激酶催化下生成嘧啶核苷酸。（二）嘧啶核苷酸的合成（三）脱氧核糖核苷酸的生成脱氧核糖核苷酸（包括嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸）是在二磷酸核苷（NDP）水平还原生成的。第六节核酸与遗传一、遗传中心法则二、DNA的合成三、RNA的生物合成——DNA的转录四、蛋白质的合成基因、染色体、DNA三者有什么关系呢？染色体是DNA的载体基因是有遗传效应的DNA片断一个DNA上可能有很多个基因；通过复制传给后代基因在染色体上呈直线排列基因在后代的个体发育过程中表达，控制后代的性状，这就是基因的表达基因蛋白质的合成控制以RNA为媒介一、遗传中心法则基因：决定生物性状的基本单位，是有遗传效应的DNA片段。DNA转录翻译复制逆转录RNA复制RNA蛋白质中心法则：遗传信息的流向是从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息从DNA传递给DNA的复制过程。双螺旋结构单链结构脱氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）脱氧核糖核糖磷酸磷酸DNA与RNA分子的比较二、DNA的合成1、DNA半保留复制半保留复制----在DNA复制过程中，双螺旋结构解开而成为单链，分别以DNA双螺旋中的一条链为模板，按碱基互补配对的原则合成两条新的互补链。这样新合成的DNA双链中一股单链是从亲代完整地接受过来的，另一股单链完全重新合成。二、DNA的合成2、DNA复制的条件模板：DNA其中任意一条单链原料：dNTP（四种脱氧三磷酸核苷）能量：ATP酶：①拓扑异构酶和解链酶：使DNA解离为两条单链。②引物酶：是RNA聚合酶，合成一段RNA引物。③单链结合蛋白：保护单链的完整。④DNA聚合酶：最重要的酶，催化脱氧核苷酸链形成。⑤DNA连接酶：催化冈崎片段之间3′、5′-磷酸二酯键形成。二、DNA的合成3、DNA的复制过程引发延伸终止三、RNA的生物合成（转录）定义：以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下，以4种核糖核苷酸为原料，合成RNA的过程。合成部位：细胞核条件：模板：DNA的一条链酶：解旋酶、RNA聚合酶原料：NTP（四种三磷酸核糖核苷）能量：ATP结果：形成一条mRNAAG

T

AC

TA

A

T

DNA的一条链AGCUGACGGUUU游离的核糖核苷酸(原料）DNA解旋，以一条链为模板合成RNA细胞核中过程：AG

T

AC

TA

A

T

AGCUGACGGUUU

DNA与RNA的碱基互补配对：A—U；T—A；C—G；G—CRNA聚合酶细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

AGCGACGGUUUU

组成

RNA的核糖核苷酸一个个连接起来细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUUUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUUGUUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGUGUUAA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAU细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGUUAAUA细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GCGCGGUUAAUAU细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUC细胞核中AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGUUAAUAUCDNA上的遗传信息就传递到mRNA上mRNADNA细胞核中a.DNA解旋，以一条链为模板合成RNAb.DNA与RNA的碱基互补配对：A—U;T—A；C—G；G—Cc.组成

RNA的核糖核苷酸一个个连接起来过程：三、RNA的生物合成（转录）AG

T

AC

TA

A

T

DNA的一条链UUAGAUAUC思考：与DNA复制的异同点？mRNAAG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

细胞质

细胞核

核孔DNAmRNA在细胞核中合成AG

T

AC

TA

A

T

UCAUGAUUAmRNA

细胞质

细胞核mRNA通过核孔进入细胞质UCAUGAUUAmRNA四、蛋白质的合成1、RNA在蛋白质生物合成中的作用mRNA:信使，模板tRNA:搬运氨基酸的工具rRNA:合成蛋白质的场所四、蛋白质的合成2、翻