核酸结构和核苷酸代谢

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1、第九章核酸的结构与核苷酸代谢 第九章核酸的结构与核苷酸代谢 学习目标 知识目标 一 阐述核酸的元素组成 组成成分及组成单位 二 描述DNA mRNA tRNA和rRNA的结构特点 三 阐述核酸的变性 复性 杂交等基本概念 并举例其应用 第九章核酸的结构与核苷酸代谢 学习目标 知识目标 四 了解核酸的性质 体内重要的游离核苷酸及其衍生物的功能 五 概括核酸提取的有关原理和注意事项 第九章核酸的结构与核苷酸代谢 学习目标 能力目标 一 至少会用一种方法完成核酸的含量测定 二 具备核酸类药物在使用 储存和运输中的基本技能 第九章核酸的结构与核苷酸代谢 核酸是组成生物体重要的生物大分子天然存在两类核酸

2、 脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA DNA主要在细胞核内 是遗传信息的载体 RNA主要存在于细胞质中 参与遗传信息的复制与表达 是生物的生长 发育 繁殖和遗传得以继续进行的物质基础 第九章核酸的结构与核苷酸代谢 核酸的研究对医学的发展起重要作用 如肿瘤的发生 病毒感染及遗传疾病等 目前核酸研究已形成并发展了许多新理论 新概念 新技术 如基因组学 蛋白质组学 生育工程技术 基因芯片技术 克隆技术 转基因技术等 第一节核酸的化学组成 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 DNA平均含磷量为9 9 RNA为9 4 通过测定P的含量来推算核酸的含量 定

3、磷法 任何核酸都含磷酸 所以核酸呈酸性 第一节核酸的化学组成 二 核酸的基本组成单位 核苷酸 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖 核苷酸通式表示为 碱基 戊糖 磷酸 核苷 第一节核酸的化学组成 一 核苷酸的组成成分1 碱基 碱基 嘌呤碱 嘧啶碱 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 尿嘧啶 U DNA特有 RNA特有 两者均有 第一节核酸的化学组成 嘌呤 嘧啶 第一节核酸的化学组成 第一节核酸的化学组成 胞嘧啶 C 两者均有 胸腺嘧啶 T DNA特有 尿嘧啶 U RNA特有 第一节核酸的化学组成 2 戊糖 第一节核酸的化学组成 3 磷酸 DNA RNA均有 RNA AMP DNA

4、 dAMP 两类核酸的基本化学组成比较 第一节核酸的化学组成 第一节核酸的化学组成 二 核苷酸的分子结构核苷 由戊糖和碱基以糖苷键连接而成核苷 戊糖 碱基 第一节核酸的化学组成 第一节核酸的化学组成 核苷酸 由磷酸与核苷上戊糖5 位碳原子上的 OH脱水形成磷酸酯键形成的结构 核苷酸 核苷 磷酸 第一节核酸的化学组成 核苷酸 NMP 种类DNARNA脱氧腺苷酸dAMP腺苷酸AMP脱氧鸟苷酸dGMP鸟苷酸GMP脱氧胞苷酸dCMP胞苷酸CMP脱氧胸苷酸dTMP尿苷酸UMP 第一节核酸的化学组成 三 体内某些重要的核苷酸1 多磷酸核苷是体内能量的直接供给者 也是合成核酸的直接原料 第一节核酸的化学组成

5、 2 环核苷酸是激素的第二信使 对细胞的代谢调节中起重要作用 5 环腺苷酸3 5 环鸟苷酸 cAMP cGMP 第二节核酸的结构与功能 核酸的基本结构是指多核苷酸链中核苷酸的排列顺序通过磷酸二酯键连接而成的多核苷酸长链 可以用碱基排列顺序表示 不同的核苷酸之间的差异主要是碱基的不同 核苷酸的序列也可称为碱基序列 多核苷酸链的结构具有一下特点 主键为3 5 磷酸二酯键主链为重复的磷酸 戊糖长链 侧链为碱基具有严格的方向性5 3 第二节核酸的结构与功能 第二节核酸的结构与功能 一 DNA的结构与功能 一 DNA的一级结构由脱氧核糖核苷酸按一定的数目 比例和特定的排列顺序 通过磷酸二酯键连接而成的多

6、核苷酸长链 二 DNA的二级结构DNA的二级结构是双螺旋结构 DNA双螺旋结构的研究背景 第二节核酸的结构与功能 1953年4月25日 英国 自然 杂志上登载的一篇论文 核酸的分子结构 脱氧核糖核酸的一个结构模型 在科学界引起了极大反响 它把人们对生物科学研究的视野 一下子从细胞水平推向了分子水平 而这篇文章的撰稿人 却是两位年轻人 美国生物学家沃森和英国物理学家克里克 它不仅说明了DNA为什么是遗传信息的携带者 而且说明了因的复制突变等 1962年 沃森 克里克和共同参与研究的维尔金斯三人共同获得了诺贝尔生理学或医学奖 第二节核酸的结构与功能 物理学家克里克 生物学家沃森 物理学家维尔金斯

7、第二节核酸的结构与功能 双螺旋结构模型要点 两条反向平行的多脱氧核苷酸链 两条链的走向分别为5 3 和3 5 磷酸与脱氧核糖在外侧 构成 的骨架 不变 碱基在双螺旋内侧 可变 两条链之间的碱基遵守碱基互补原则 A T G C 两链为互补链 中间形成氢键 特定的DNA中有特定的碱基对数目和排列顺序 携带特定的遗传信息 第二节核酸的结构与功能 直径为2nm 螺距为3 4nm 螺旋每一周包含10个碱基对 碱基对的距离为0 34nm 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 抑制DNA互补双螺旋结构的意义 自身复制的功能 通过复制可以合成与其一模

8、一样的DNA分子 5 C 不变 可变 第二节核酸的结构与功能 二 RNA的结构与功能 转运RNA tRNA 蛋白质合成时携带活化氨基酸 核糖体RNA rRNA 与蛋白质结合构成核糖体 蛋白质合成场所 信使RNA mRNA 蛋白质合成中起模板作用 分类 tRNA 二级结构 三叶草形三级结构 倒L形3 端为 CCA 蛋白质合成时连接活化的氨基酸密码环上有反密码子识别mRNA上密码还有DHU环和T C环 第二节核酸的结构与功能 一 转运核糖核酸的结构与功能 识别mRNA上密码 3 端为 CCA 蛋白质合成时连接活化的氨基酸 1 tRNA二级结构 三叶草形 第二节核酸的结构与功能 二 核糖体核糖核酸的

9、结构与功能构成核糖体 rRNA 蛋白质 大亚基 小亚基 蛋白质合成场所 核糖体rRNA Pr 大 小亚基 大亚基 tRNA附着部位小亚基 mRNA附着部位 第二节核酸的结构与功能 三 信使核糖核酸的结构与功能结构特点 5 有由7 甲基鸟嘌呤核苷酸三磷酸组成的帽状结构3 有由多聚腺苷酸组成的尾部结构 5 加帽 3 加尾 mRNA 转录DNA信息 作为蛋白质合成的直接模板 第三节核酸的理化性质 一 一般性质1 线性大分子2 两性电解质3 分子的大小有碱基对来表示bp 1000 1Kb4 粘度比DNA小二 紫外线吸收原因 核酸中有嘌呤与嘧啶碱有强烈的紫外吸收最大吸收值在260nM附近 oD260 据

10、此可以定量测定核酸含量 第三节核酸的理化性质 第三节核酸的理化性质 三 核酸的变性 复性与分子杂交1 变性概念 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 核酸变性后 由于DNA分子双链打开暴露了更多碱基的共轭双键 使其在波长260nm处的光吸收增强 这一现象称为高色效应温度升高引起的核酸变性称热变性 第三节核酸的理化性质 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 方法 过量酸 碱 加热 变性试剂如尿素 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇 丙酮等变性的机制 维系碱基配对的氢键断裂 双螺旋解开 不涉及磷酸

11、二酯断裂 一级结构完整 第三节核酸的理化性质 2 DNA的复性变性DNA在适当条件下两条彼此分开的单链重新缔合成双螺旋结构称为DNA复性或退火 核酸复性后 在260nm的光吸收下降的现象称为低色效应 3 杂交将不同来源的核酸放在同一溶液中进行变性处理后再进行复性 如果它们之间有某些区域的核苷酸序列含有碱基互补的片段 它们之间就会形成局部的双链结构 这一过程称为核酸分子杂交 第三节核酸的理化性质 DNA DNA杂交双链分子 不同来源的DNA分子 第三节核酸的理化性质 第四节核苷酸代谢 核苷酸是组成核酸的基本单位 人体内都可以合成不属于必需营养物质 他的功能如下 作为核酸合成的原料 参与代谢和生理

12、调节 体内能量的载体和利用形式 组成辅酶 第四节核苷酸的合成代谢 从头合成途径是指利用氨基酸 一碳单位 二氧化碳和磷酸核糖等简单物质为原料 经过一系列酶促反应合成嘌呤或嘧啶核苷酸的途径 补救合成途径是指利用游离的嘌呤 嘧啶或其核苷 经过简单的反应过程 合成核苷酸的途径 第四节核苷酸的合成代谢 一 嘌呤核苷酸的合成 一 嘌呤核苷酸的从头合成部位 肝 主要 其次是小肠粘膜和胸腺 整个过程在胞液中进行 合成原料 甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰胺 一碳单位 二氧化碳和5 磷酸核糖 第四节核苷酸的合成代谢 嘌呤碱合成的元素来源 CO2 天冬氨酸 甲酰基 一碳单位 甘氨酸 甲酰基 一碳单位 谷氨酰胺 酰胺基 第

13、四节核苷酸的合成代谢 1 IMP的合成 R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P 磷酸核糖焦磷酸 在谷氨酰胺 甘氨酸 一碳单位 二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下 IMP H2N 1 R 5 P 5 磷酸核糖胺 第四节核苷酸的合成代谢 2 AMP和GMP的生成 第四节核苷酸的合成代谢 3 ATP和GTP的生成 第四节核苷酸的合成代谢 二 嘌呤核苷酸的补救合成途径部位 脑 骨髓等参与补救合成的酶 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 APRT 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 HGPRT 腺苷激酶 第四节核苷酸的合成代谢 合成过程 第四节核苷酸的合成代谢 三 嘌呤核苷酸的抗代谢物 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤

14、 氨基酸或叶酸等的类似物 第四节核苷酸的合成代谢 6 巯基嘌呤的结构与次黄嘌呤相似 它在体内形成6 巯基核苷酸而抑制IMP转变成AMP及GMP 也可以反馈抑制PRPP酰胺转移酶的活性 从而阻断嘌呤核苷酸的从头合成 另外 6 巯基核苷酸可竞争性抑制HGPRT的合成 从而抑制补救合成途径 氮杂丝氨酸的结构与谷氨酸的结构相似 以竞争性抑制的方式干扰谷氨酰胺在核苷酸合成中的作用 第四节核苷酸的合成代谢 二 嘧啶核苷酸的合成代谢 一 嘧啶核苷酸的从头合成合成部位 主要是肝细胞胞液嘧啶合成的元素来源 1 尿嘧啶核苷酸的合成 第四节核苷酸的合成代谢 2 胞嘧啶核苷酸的合成 UDP UTP 第四节核苷酸的合成

15、代谢 二 嘧啶核苷酸的补救合成 第四节核苷酸的合成代谢 氮杂丝氨酸 阿糖胞苷 氨甲碟呤 氮杂丝氨酸 三 嘧啶核苷酸的抗代谢物 第四节核苷酸的合成代谢 二磷酸脱氧核苷 NDP dNDP 二磷酸核糖核苷 核糖核苷酸还原酶 Mg2 三 脱氧核糖核苷酸的生成 脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸在二磷酸水平还原而来 第四节核苷酸的合成代谢 dTMP的生成 dUMP 脱氧胸苷一磷酸dTMP 第五节核苷酸的分解代谢 嘌呤碱的终代谢产物 AMP GMP H 次黄嘌呤 G X 黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 一 嘌呤核苷酸的分解代谢 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 第五节核苷酸的分解代谢 氨基异丁酸 NH3 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O CO2 NH3 丙氨酸 脲基异丁酸 H2O 二 嘧啶核苷酸的分解代谢