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1、第八章核酸结构、功能与核苷酸代谢 第八章 核酸结构、功能与核苷酸代谢 核酸（nucleic acid）根据所含戊糖差别，分为脱氧核糖核酸（DNA）导言：本章开始介绍，遗传物质的储存、和核糖核酸（RNA）。DNA主要存在于细胞核，线粒体内也存在有DNA；传递和表达RNA存在于细胞质和细胞核内。 的有关内容。 画图讲解 强调：T与U 的区别。 由学生自己 总结。 第一节 核酸的化学组成 核酸基本组成单位：核酸的基本组成单位是核苷酸；核苷酸完全水解 一、碱基 碱基是含氮杂环化合物，有两类：嘌呤与嘧定。其中嘌呤分为腺嘌呤 提问：DNA与RNA碱基的异同点。 二、戊糖 DNA中含-D-2-脱氧核糖；RN
2、A中含-D-脱氧核糖。 三、核苷 戊糖的第1位碳原子分别与嘌呤碱的第9位N原子和嘧啶碱的第1位N原子通过糖苷键相连接形成核苷。戊糖若为脱氧核糖，称为脱氧核苷。 提问：几种核苷的命名。 四、核苷酸 核苷与磷酸通过磷酸酯键连接，即为核苷酸。含脱氧核糖者称为脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）。生物体内多数生成5-核苷酸。 DNA和RNA基本单位： 组成RNA的核糖核苷酸主要有AMP、GMP、CMP及UMP 4种； 组成DNA的脱氧核苷酸主要有 dAMP、dGMP、dCMP及 dTMP 4种。 游离的核苷酸： 在体内还存在有重要生理功能的游离核苷酸。如3、5-环状腺苷酸（cAMP）；3、5-环状鸟苷酸等，c
3、AMP、cGMP和激素的作用有非常密切关系，人们把cAMP称为激素的“第二信使”。ATP是体内能量的直接来源 和利用形式。细菌DNA中含有众多的非甲基化的CpG模体，此模体对哺乳动物的免疫细胞具有刺激作用。研究人员正试图利用它进行疫苗的制备、肿瘤治疗与阻止免疫变态的反应的发生。 第二节 DNA的结构与功能 3-5磷酸 二酯键是每 一、DNA的一级结构 定义：DNA分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式。也可用碱基顺序来表示核酸的一级结构。以3-5磷酸二酯键相连接。 主链的两个末端：核酸分子的主链是由戊糖和磷酸所组成。主链的一端为3-末端（游离羟基末端），另一端为5-末端（游离磷酸末端）。 一级结构
4、的简化式：通常以5为头写在左侧。 个核苷酸的5-磷酸和相邻核苷酸3-羟基缩合脱水形成。 除B型构象以 外天然DNA还 有A型、Z型 构象。 Z-DNA 参与基因表 达的调控。 二、DNA的二级结构 1953年Watson和Crick提出了 DNA双螺旋结构模型。其要点是： DNA分子由两条反向平行的多核酸链围绕一共同中轴以右手螺旋方式盘旋而形成双螺旋结构。螺旋表面形成深沟与浅沟。这些沟状结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。 两链以磷酸与脱氧核糖为骨架，位于螺旋外侧；碱基位于螺旋内侧，碱基平面与脱氧核糖平面、中轴垂直。 碱基对之间距离为0.34nm，每一螺旋含10个碱基对，旋距为3.4nm螺
5、旋的直径为2nm，旋转的夹角为36。 碱基通过氢键形成碱基对。A与T配对（两个氢键），G与C配对（三个氢键），称为碱基互补规律。碱基对之间的氢键及碱基平面之间的碱基堆积力是维持双螺旋结构稳定的主要力量。 三、DNA三级结构 DNA的三级结构指DNA双螺旋进一步盘曲所形成的复杂构象。 原核和真核生物线粒体、叶绿体DNA以正、负超螺旋形式存在。 组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成的八聚体组成，DNA分子的146个碱基对在此八聚体上盘绕2周。另54个碱基对与组蛋白H1结合，将各核小 核小体是染色质的基本组成单位，由200个碱基对体颗粒连接起来，形成串珠样结构。此结构再进一步盘曲成直径为3
6、0nm的与5种组蛋白纤维状结构。后者再经几次卷曲，形成染色体的结构。 DNA功能：作为生物遗传信息的携带者，作为复制的模板将遗传信息传给子代；同时也作为基因转录的模板，展示个体生命现象。 组成。 第三节 RNA的结构与功能 RNA在生命活动中的作用是与蛋白质一同负责基因的表达过程的调控。RNA的结构多种多样，其功能也各不相同。 强调：DNA与RNA结构的不同点。 RNA由一条 多核苷链组 成。 一、信使RNA mRNA的前体：mRNA的前体是不均一核RNA（hnRNA），其分子量比成熟的mRNA大，经剪接生成成熟的mRNA，并移位到细胞质。 MRNA结构特点与功能： 15-端加帽：在5-末端加
7、上一个7-甲基鸟苷二磷酸基，而第1个核苷酸的2位碳也甲基化，形成7-甲基鸟苷三磷酸帽子结构，此结构可保护mRNA免受核酸酶从5揣的降解作用，并在翻译起中起重要作用。 23-端加尾： mRNA的3端有200多个腺苷酸残基的尾巴，其作用在于增加mRNA的稳定性和维持其翻译活性。 3mRNA功能：把DNA的遗传信息携带到细胞质，并在那里作为蛋白质合成的模板，决定其合成的蛋白质中氨基酸顺序。 各种RNA结构与其功能有密切联系。 各环的核苷 酸序列差别 较大，这是各 种tRNA差异 性所在。 二、转运RNA tRNA结构特点与功能： 1、含较多的稀有碱基：每一分子常含有715个稀有碱基，如双氢尿嘧啶（D
8、HU）、假尿嘧啶（）和甲基化的嘌呤等。 2、tRNA三叶草形二级结构：由7090个核苷酸组成的小分子RNA，共有100多种，其结构均是线性多核苷酸链。有四臂（螺旋区）、三环和1个附加叉（可变环） 嘌呤， 3-末端都是C-C-A-OH，在蛋白质生物合成时，氨基酸的羧基与3-未端羟基形成酯键相连。 3个环分别称DHU环、TC 7个核苷酸组成，3、4、5三个核苷酸组成反密码，在蛋白质生物合成时，反密码可与mRNA上的密码借碱基配对而结合，识别相应的密码。 3、tRNA的三级结构呈倒L型：一端为氨基酸臂，L型的拐角处是DHU环和TC环。 4、tRNA的功能：携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA上的
9、密码顺序“对号入座”地将其运转到mRNA分子上。 三、核蛋白体RNA rRNA是细胞内含量最多的RNA，占细胞总RNA的90。 rRNA结构特点与功能： 1、原核生物含3种rRNA： 其中23S与5S rRNA存在于大亚基，16S存在于小亚基。 2、真核生物含有4种rRNA： 其中28S、5.8S和5S存在于大亚基，小亚基只含有18S一种。 3、rRNA茎样二级结构： 原核生物与真核生物都含有的rRNA是：5SrRNA 各种rRNA的碱基组成无一定比率，不同来源的rRNA的碱基组成差 别很大。除5SrRNA外，其他的rRNA均含有少量稀有碱基，现已推测出 各种rRNA的结构均为茎样结构。 4、
10、rRNA功能： rRNA与蛋白质结合形成的核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所。 四、核酶 1、核酶的提出： 介绍：核酶的应用。 1982年Thomas Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA 2、锤头核酶： R.H.Symons发现某些病毒和类病毒等最简单核酶二级结构呈锤头状， 于是提出了锤头核酶的概念。锤头核酶结构由3个茎和13个环组成，包 括催化部分和底物部分。核酶中有13碱基构成保守的核苷酸序列。锤头核 酶结构的发现促使人们设计并合成出许多种核酶，用以剪切破坏一些不害 基因转录出的mRNA或其前体，试图在抗癌和抗病毒方面发挥作用。 小结： 1、 DNA结构特点与功能。 2
11、、三种RNA结构特点与功能。 第四节 核酸理化性质 复习： DNA和RNA结 构特点与功 能。 一、核酸的一般性质 1、核酸是两性电解质：含有酸性的磷酸基和碱性的碱基。因磷酸基的离子交换分离。 2、在碱性条件下，RNA不稳定：可在室温下水解。利用这个性质可以 测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。 3、核酸多是线性分子：由于DNA细长，其在溶液中的粘度很高，RNA分子比DNA短，在溶液中粘度低于DNA。 二、核酸的紫外线吸收 1、对核酸进行定量分析：核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在260nm介绍：标准吸波长处有最大紫外吸收。 2、估计核酸的纯度：蛋白质在280nm波长处有最
12、大吸收，可利用溶液260nm和280nm处吸光度的比值来估计核酸的纯度。对于纯的DNA和RNA来说，其A260/A280应分别为1.8和2.0，若有蛋白质和酚的污染，比值下降。 光度值为1时，各种标准浓度。 原因：G和C 之间有3个氢 键。 三、核酸变性与复性 （一）变性：指在某些因素的作用下，维系DNA双螺旋的次级键断裂（碱基堆砌力和氢键）双螺旋结构解开成单链的过程称为变性。 变性因素：加热和化学物质，如有机溶剂、酸、碱、尿素和酰胺等。实验中最常用的DNA的变性方法是热变性。 变性后的性质：粘滞度下降、紫外吸收值改变等。 DNA增色效应：变性使原来位于双螺旋内部的碱基暴露出来，造成在260n
13、m处的紫外吸收值增高的现象。 Tm：是DNA双链解开50时的环境温度。GC含量越高，Tm值越大；AT含量越高，Tm值越小。 （二）复性：DNA的变性是可逆的，当变性后，温度再缓慢下降，解开的两条链又重新聚合形成双螺旋结构。此过程也叫退火。 退火温度：复性的最佳温度是比Tm低25，若时间较长，可以复性至天然DNA的状态。若在DNA变性后，温度突然下调到4以下，复性则不能进行。这是保存变性状态DNA的良好方法。 分子杂交与PCR都是根据变性复性的原理设计的。 第五节 核苷酸代谢 核酸消化吸收： 食物中的核酸主要以核蛋白的形式存在。受胃酸的影响，核蛋白在胃中分解成核酸和蛋白质。核酸进入小肠后在胰液和
14、肠液中的各种水解酶的催化下不断水解。 核苷酸的2条合成途径： 从头合成（肝）：合成是从氨基酸、一碳单位、CO2等小分子开始。 补救合成（脑和骨髓）：以嘌呤碱和嘧啶碱为原料合成。 嘌呤和嘧啶的分解代谢途径没有差别。 合成过程是耗能过程，由ATP供能。 6MP在临床上最常用。 MTX常用于治疗白血病。 一、嘌呤核苷酸的代谢 （一）嘌呤核糖核苷酸的合成 1从头合成途径： （1）5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）的合成：由ATP及5-磷酸核糖在PRPP合成酶催化下合成。 （2）次黄嘌呤核苷酸（IMP）的合成：PRPP先脱去焦磷酸而以核糖第一碳与来源于谷氨酰胺的-NH2相结合, 然后依次将甘氨酸、一碳单位、CO2等基团连接上去，生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）。 （3）由IMP合成AMP和GMP 2补救合成途径： 以PRPP和嘌呤碱为原料，经酶催化形成嘌呤核苷酸。 腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）：催化腺苷酸的合成。 催化IMP与GMP的合成。 HGPRT部分缺陷或完全缺陷：分别引起痛风和自毁容貌症（Lesh-Nyhan 3、嘌呤核苷酸的抗代谢物：可竞争性抑制嘌呤核苷酸的合成，从而进一步阻止核酸与蛋白质的生物合成，达到抗肿瘤目的。 嘌呤类似物：6-巯基嘌呤（6MP），6-巯基鸟嘌呤、
