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mRNA信使RNAtRNA转运RNArRNA核糖体RNA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

真核生物

原核生物病毒DNA

细胞核（98%）核质病毒DNA细胞质（少量）质粒DNA线粒体（少量）叶绿体（少量）RNA细胞质（90%）细胞质病毒RNA核仁（少量）三、核酸的分布四、核酸的概念和重要性核酸包括DNA和RNA，它们都是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子物质。（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、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、核苷二、核酸的结构组成（二）核苷与核苷酸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腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷ADP三磷酸腺苷ATP构成DNA及RNA的碱基、核苷和常见核苷酸碱基核苷核苷酸DNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷脱氧胸苷脱氧腺苷酸(dAMP)、dADP、dATP脱氧鸟苷酸(dGMP）、dGDP、dGTP脱氧胞苷酸(dCMP)、dCDP、dCTP脱氧胸苷酸(dTMP)、dTDP、dTTPRNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)腺苷鸟苷胞苷尿苷腺苷酸(AMP)、ADP、ATP鸟苷酸(GMP）、GDP、GTP胞苷酸(CMP)、CDP、CTP尿苷酸(UMP)、UDP、UTP1、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

★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’★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。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★碱基互补规律：A-T，G-C★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每圈螺旋10个核苷酸碱基堆积距0.34nm双螺旋平均直径2nmDNA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DNA的三级结构组蛋白八聚体核小体H1组蛋白（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，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2.0五、变性、复性和分子杂交1、变性——在物化因素影响下，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五、变性、复性和分子杂交2、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，其物理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。五、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DNA单链分子或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。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、嘌呤核苷酸的分解过程：

AMPGMP

次黄嘌呤黄嘌呤

尿酸二、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/L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+NH3H2N-CH2-CH2-COOH

β-丙氨酸H2N-CH2-CH-COOHCH3

β-氨基异丁酸2、嘧啶核苷酸的分解二、核苷酸的分解代谢二、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嘌呤或嘌呤核苷，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CCCCCNNNN过程：5-磷酸核糖+ATPPRPP+AMP

IMP

AMPGMPPRPP合成酶天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺一碳单位CO2①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、骨髓等胞液过程腺嘌呤+PRPPAMP+PPi次黄嘌呤IMP鸟嘌呤GMP嘌呤核苷的再利用：腺嘌呤核苷AMPAPRT+PRPPHGPRT腺苷激酶ATPADP（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：UMP合成原料：谷氨酰胺、CO2、（谷氨酰胺+CO2+ATP+

→氨基甲酰磷酸）、天冬氨酸、5-磷酸核糖。

O

C

HN

CH

CCH

N

R-5-PO②UTP、CTP的合成：UMPUDPUTPUTP+Gln+ATPCTP+Glu+ADP+Pi尿苷酸激酶尿苷酸激酶ATPATPADPADPCTP合成酶CCH

CHNNH2

NOCR-5-PPP2、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。规则的双螺旋结构通常呈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：四种脱氧核苷三磷酸能量：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DNA的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：四种核糖核苷酸能量：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、翻译定义：在细胞质中,以mRNA为模板,合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。思考：基因中的碱基如何控制氨基酸的种类？信使上只有四种碱基，如何决定20种氨基酸？四、蛋白质的合成3、遗传密码定义：排列在DNA或mRNA链上为蛋白质氨基酸编码的核苷酸序列。密码子：遗传学上把mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基叫做一个密码子。UCAUGAUUAmRNA（模板）

密码子

密码子

密码子

a、一种氨基酸可以和多个密码子相对应。

b、一个密码子只和一种氨基酸相对应

c、密码子共61个，其中含有两个起始密码子。分别是AUG、GUG。d、另外还有三个终止密码子UAA、UAG、UGA运载工具：转运

RNA（tRNA)ACU天冬氨酸AUG

异亮氨酸

反密码子注意：一种tRNA只能携带一种氨基酸三、蛋白质的合成4、蛋白质的生物合成场所：细胞质的核糖体上翻译者：

tRNA条件：过程：模板：mRNA原料：20种氨基酸能量：ATP结果：多肽AAUACUAUG转运

RNA（tRNA)（运载工具）

亮氨酸

天冬氨酸

异亮氨酸

氨基酸（原料）AAU

亮氨酸ACU天冬氨酸AUG

异亮氨酸

tRNA的一端运载着氨基酸

反密码子UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸

核糖体细胞质中的mRNA

与核糖体结合.细胞质中UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸

tRNA上的反密码子与

mRNA上的密码子互补配对.细胞质中UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸细胞质中

tRNA将氨基酸转运到

mRNA上的相应位置.UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸缩合细胞质中

两个氨基酸分子缩合UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸

核糖体随着

mRNA滑动.

另一个

tRNA上的碱基与mRNA上的密码子配对.

细胞质中UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸

一个个氨基酸分子缩合成链状结构细胞质中UCAUGAUUAAAU

亮氨酸ACU

天冬氨酸AUG

异亮氨酸

tRNA离开，再去转运新的氨基酸细胞质中UCAUGAUUAAUG

亮氨酸

天冬氨酸

异亮氨酸以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质.细胞质中信息传递DNA上的遗传信息（脱氧核苷酸的排列顺序）转录细胞核mRNA(