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1、第 八 章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid罗罗开珺开珺 研究研究员员 硕硕士生士生导师导师kaijun_2013.11.20课课前前5分分钟钟本周教学助理：本章主要内容一核酸简介一核酸简介二核二核酸的化学组成及其一级结构酸的化学组成及其一级结构三三DNA的空间结构与功能的空间结构与功能四四 RNA的结构与功能的结构与功能五核酸的理化性质五核酸的理化性质六六 核酸酶核酸酶核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子（分子（一种线状聚合物一种线状聚合物），携带
2、和传递遗），携带和传递遗传信息。传信息。一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” ” 1944年年 Avery等人证实等人证实DNADNA是遗传物质是遗传物质19531953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1965年年 Nirenberg发现遗传密码发现遗传密码1970年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶现逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技
3、术1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信
4、息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 核苷酸的结构核苷酸的结构 核酸的一级结构核酸的一级结构核酸的化学组成核酸的化学组成 2. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）3. 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱（：嘌呤碱（两种两种），嘧啶），嘧啶碱（
5、碱（三种三种） 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)1.核酸的基本单位：核苷酸核酸的基本单位：核苷酸嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)（只存在（只存在于于RNA中）中）（只存在于（只存在于DNA中）中） 碱基的互变异构碱基的互变异构酮式烯醇 C=O C-OH N N氨基亚氨基 C-NH2 C=NH2 + +HN HN 受介质pH
6、影响戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1. 核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。11糖苷键糖苷键：单键，易转动，对酸：单键，易转动，对酸敏感敏感核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, d
7、TMP, dCMP 2. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 电电 脑脑 模模 型图型图 简化式简化式 酯键酯键糖苷键糖苷键体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNADP+NAD+5端端3端端3. 3
8、. 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Functio
9、n of DNA DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装DNA的功能的功能一、一、 DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背
10、景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则：A = TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分分子子由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以- -脱脱氧氧核核糖糖- -磷磷酸酸- -为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。螺
11、螺旋旋直直径径为为2 2nm，形形成成大大沟沟(major groove)及及小小沟沟(minor groove)相间。相间。目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：A=T; G C） 。亲亲水水的的糖糖-磷磷酸酸骨骨架位于外侧。架位于外侧。u相邻碱基相邻碱基互相平行互相平行，平面距，平面距离离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。目目 录录碱基互补配对碱基
12、互补配对 TAGC（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵向稳定性纵向稳定性。目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录B-二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive s
13、upercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。 （二）原核生物（二）原核生物DNA的高级结构的高级结构（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真真核核生生物物染染色色体体由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosom
14、e)。核小体的组成核小体的组成DNA：约：约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、三、DNA的功能的功能DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的信息基础。的信息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基基因的功能。因的功能。 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Func
15、tion of RNA 信使信使RNA的的结结构与功能（帽子构与功能（帽子结结构）构） 转转运运RNA的的结结构与功能构与功能 核蛋白体核蛋白体RNA的的结结构与功能构与功能 其他小分子其他小分子RNA及及RNA组组学学RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能一一 、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子( (exon) )目目 录录* * mRNA结构特点结构特点1. 大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核
16、核苷苷酸酸的的C2也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾都是转录后生成的尾都是转录后生成的帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能尾的功能eIF4A帽结合蛋白（帽结合蛋白（CBPs)polyA结合蛋白结合蛋白(PAB)* mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息
17、，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则，抄抄录录并并传传送送至至核核糖糖体体，用用以以决决定定其其合合成成蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸排排列列顺顺序序。（三三个个碱基决定一个氨基酸）。碱基决定一个氨基酸）。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 * tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3末端为末端为 CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 二、转运二、转运RNA的
18、结构与功能的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 * tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环（其三个碱反密码环（其三个碱基与基与mRNA上的密码子上的密码子配对）配对） 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的翻译。白质的翻译。* rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA
19、的功能的功能参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所。* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚
20、基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%四四 、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAssnmRNAs的的种类种类核内小核内小RNARN
21、A核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNARNA催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。RNARNA组组学学研研究究细细胞胞中中snmRNAs的的种种类类、结结构构和和功功能能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时间间、不不同同状状态态下下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。 RNARNA组学组学核酸和蛋白质的比较核酸和蛋白质的比较核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and
22、 Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节目目 录录 OD260的的应应用用 DNA的的变变性性 DNA的复性与分子的复性与分子杂杂交交一.溶解性溶解性 不溶于乙醇或异丙醇不溶于乙醇或异丙醇 溶解于水中溶解于水中 由于核糖和磷酸的存在，具有较强的酸由于核糖和磷酸的存在，具有较强的酸性性 高分子特性：粘度，沉降系数高分子特性：粘度，沉降系数二二.紫外吸收紫外吸收 共轭双键共轭双键 平均分子在平均分子在260nm处处1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20
23、g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用目目 录录二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA氢键破坏，氢键破坏，双链解开成两条单链的过程。双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增
24、高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失目目 录录DNADNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。目目 录录热变性热变性解解链链曲曲线线：如如果果在在连连续续加加热热DNADNA的的过过程程中中以以温温度度对对A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代代表表溶溶液液在在260nm
25、260nm处处的的吸吸光光率率）值值作作图图，所所得得的的曲曲线线称称为为解解链曲线链曲线。目目 录录 Tm：变变性性是是在在一一个个相相当当窄窄的的温温度度范范围围内内完完成成，在在这这一一范范围围内内，紫紫外外光光吸吸收收值值达达到到最最大大值值的的50%时时的的温温度度称称为为DNA的的解解链链温温度度，又又称称融融解解温温度度(melting temperature, Tm)。其其大大小小与与G+C含量成正比。含量成正比。目目 录录三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条
26、互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing) 。目目 录录在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子
27、强强度度）下下，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成杂化双链成杂化双链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这这种种现现象象称称为为核核酸酸分子杂交。分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相
28、似性定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础探针探针在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究核酸和基因诊断的新技术称为究核酸和基因诊断的新技术称为探针技术。探针：单链的核苷酸聚合体标记后，就可以：单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探针。称为探针。第第 五五 节节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease核酸酶是指所有可以水解核酸的酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降
29、解专一降解DNA。RNA酶酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。u参参与与DNA的的合合成成与与修修复复及及RNA合合成成后后的的剪剪接接等重要基因复制和基因表达过程等重要基因复制和基因表达过程 u负负责责清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 u在消化液中降
30、解食物中的核酸以利吸收在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 u体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 核酸酶的功能核酸酶的功能 核核 酶酶u催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 u催化性催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核作为序列特异性的核酸内切酶降解酸内切酶降解mRNA。 小小 结结DNA的组成与结构及的组成与结构及性质性质 一级：碱基序列一级：碱基序列 二级：双螺
31、旋结构二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等三级：核小体、超螺旋等RNA的组成与结构的组成与结构 mRNA：密码子、：密码子、5帽子、帽子、3poly尾尾 tRNA：三叶草、倒：三叶草、倒L型结构、反密码子型结构、反密码子 rRNA：大、小亚基的组装：大、小亚基的组装DNA与与RNA的的区别区别：组成、结构、功能：组成、结构、功能核酸的性质OD260/OD280变性与复性变性与复性增色效应与减色效应增色效应与减色效应解链曲线与解链温度解链曲线与解链温度分子杂交与探针技术分子杂交与探针技术DNA和和RNA的比较的比较第第 九章九章核核 苷苷 酸酸 代代 谢谢Metabolism of Nucl
32、eotides 罗罗开珺开珺 研究研究员员 硕硕士生士生导师导师kaijun_2012.11.14第一节第一节 嘌呤核苷酸的代谢嘌呤核苷酸的代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢1、嘌呤核苷酸的从头合成、嘌呤核苷酸的从头合成2、嘌呤核苷酸的补救合成途径、嘌呤核苷酸的补救合成途径3、嘌呤核苷酸的相互转变、嘌呤核苷酸的相互转变4、脱氧核糖核苷酸的生成、脱氧核糖核苷酸的生成5、嘌呤核苷酸的抗代谢物、嘌呤核苷酸的抗代谢物二、嘌呤核苷酸的分解代谢二、嘌呤核苷酸的分解代谢第二节第二节 嘧啶核苷酸的代谢嘧啶核苷酸的代谢一、嘧啶核苷酸的合成代谢一、嘧啶核苷酸的合成代谢1、嘧啶核苷酸的从头合成、嘧
33、啶核苷酸的从头合成2、嘧啶核苷酸的补救合成、嘧啶核苷酸的补救合成3、嘧啶核苷酸的抗代谢物、嘧啶核苷酸的抗代谢物二、嘧啶核苷酸的分解代谢二、嘧啶核苷酸的分解代谢l核酸的消化与吸收核酸的消化与吸收概概 述述食物核蛋白食物核蛋白蛋白质蛋白质核酸（核酸（RNA及及DNA）胃酸胃酸核苷酸核苷酸胰核酸酶胰核酸酶核苷核苷磷酸磷酸胰、肠核苷酸酶胰、肠核苷酸酶碱基碱基戊糖戊糖核苷酶核苷酶磷酸戊糖途径5-磷酸木酮糖 C55-磷酸木酮糖 C57-磷酸景天糖 C73-磷酸甘油醛 C34-磷酸赤藓糖 C46-磷酸果糖 C66-磷酸果糖 C63-磷酸甘油醛 C36-磷酸葡糖(C6)3 6-磷酸葡糖酸内酯(C6)3 6-磷
34、酸葡糖酸(C6)3 5-磷酸核酮糖(C5) 3 5-磷酸核糖 C53NADP+ 3NADP+3H+ 6-磷酸葡糖脱氢酶 3NADP+ 3NADP+3H+ 6-磷酸葡糖酸脱氢酶 CO2 第一阶段：第一阶段：氧化反应氧化反应 生成磷酸戊糖、生成磷酸戊糖、NADPH+H+及及CO2 第二阶段则：第二阶段则：非氧化反应非氧化反应包括一系列基团转移包括一系列基团转移 戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H一碳单位的主要功能是参与嘌呤、嘧啶的合成一碳单位的主要功能是参与嘌呤、嘧啶的合成 作为合成嘌呤和嘧啶的原料作为合
35、成嘌呤和嘧啶的原料把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来一碳一碳单单位是甘氨酸位是甘氨酸(Gly)、丝丝氨酸氨酸(Ser)、甲硫氨、甲硫氨酸酸(Met)和和组组氨酸氨酸(His)的特殊的特殊产产物物甲基甲基 (methyl)-CH3甲烯基甲烯基 (methylene)-CH2-甲炔基甲炔基 (methenyl)-CH=甲酰基甲酰基 (formyl)-CHO亚胺甲基亚胺甲基 (formimino)-CH=NH 种类种类一碳单位的互相转变一碳单位的互相转变N10CHOFH4N5, N10=CHFH4N5, N10CH2FH4N5CH3FH4N5CH=NHFH4H+H2ONAD
36、PH+H+NADP+NADH+H+NAD+NH3色氨酸色氨酸组氨酸组氨酸丝氨酸和甘氨酸丝氨酸和甘氨酸甲酰基甲酰基甲炔基甲炔基甲烯基甲烯基甲基甲基亚胺甲基亚胺甲基 嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)（只存在（只存在于于RNA中）中）（只存在于（只存在于DNA中）中）第一节第一节 嘌呤核苷酸的代谢嘌呤核苷酸的代谢Metabolism of Purine Nucleotidesl嘌呤核
37、苷酸的结构嘌呤核苷酸的结构GMP鸟嘌呤鸟嘌呤AMP腺嘌呤腺嘌呤一、嘌呤核苷酸的合成代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢l从头合成途径从头合成途径( (de novo synthesis pathway) )l补救合成途径补救合成途径( (salvage synthesis pathway) )嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的从从头头合合成成途途径径是是指指利利用用磷磷酸酸核核糖糖、氨氨基基酸酸、一一碳碳单单位位及及二二氧氧化化碳碳等等简简单单物物质质为为原原料料，经经过过一一系系列列酶酶促促反反应应，合合成成嘌嘌呤呤核核苷酸的途径。苷酸的途径。 肝肝是是体体内内从从头头合合成成嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的主主要要
38、器器官官，其其次次是是小小肠肠和和胸胸腺腺，而而脑脑、骨骨髓髓则则无无法法进进行行此此合成途径。合成途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成（一）嘌呤核苷酸的从头合成定义定义合成部位合成部位嘌呤碱合成的元素来源嘌呤碱合成的元素来源CO2天冬氨酸天冬氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）甘氨酸甘氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）谷氨酰胺谷氨酰胺（酰胺基）（酰胺基）IMP生成总反应过程生成总反应过程过程过程1. IMP （inosine monophosphate）的合成）的合成2. AMP和和GMP的生成的生成R-5-P（5-磷酸核糖）磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶合成酶PP-1-R-5-
39、P（磷酸核糖焦磷酸）（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下氨酸的逐步参与下IMP AMP GMPH2N-1-R-5-P（5-磷酸核糖胺）磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸酰胺转移酶酰胺转移酶1. IMP的合成过程的合成过程 磷酸核糖酰胺转移酶磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶合成酶 转甲酰基酶转甲酰基酶 FGAM合成酶合成酶 AIR合合成成酶酶2、AMP和和GMP的生成的生成腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶合成酶AMPADPA
40、TPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶GMPGDPGTPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶嘌呤核苷酸从头合成嘌呤核苷酸从头合成特点特点 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 IMP的合成需的合成需5个个ATP，6个高能磷酸键。个高能磷酸键。 AMP或或GMP的合成又需的合成又需1个个ATP。从头合成的调节从头合成的调节R-5-PATPPRPP合成酶合成酶PRPP酰胺转移酶酰胺转移酶PRAIMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸AMP ADPATPXMPGMPGDP GTP+_IMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDP
41、GTPATPGTP_+调节方式：调节方式：反馈调节反馈调节和和交叉调节交叉调节 利利用用体体内内游游离离的的嘌嘌呤呤或或嘌嘌呤呤核核苷苷，经经过过简简单单的的反反应应，合合成成嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的过过程程，称称为为补救合成（或重新利用）途径。补救合成（或重新利用）途径。（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径定义定义腺嘌呤磷酸核糖转移酶腺嘌呤磷酸核糖转移酶( (adenine phosphoribosyl transferase, APRT) )次黄嘌呤次黄嘌呤- -鸟嘌呤磷酸核糖转移酶鸟嘌呤磷酸核糖转移酶( (hypoxanthine- guanine phospho
42、ribosyl transferase, HGPRT) )腺苷激酶腺苷激酶( (adenosine kinase)参与补救合成的酶参与补救合成的酶腺嘌呤腺嘌呤 + + PRPPAMP + PPiAPRT次黄嘌呤次黄嘌呤 + + PRPPIMP + PPiHGPRT鸟嘌呤鸟嘌呤 + + PRPPHGPRTGMP + PPi合成过程合成过程腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷腺苷激酶腺苷激酶ATPADPAMP补救合成的生理意义补救合成的生理意义l补救合成节省从头合成时的能量和一些补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。氨基酸的消耗。l体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行
43、补救合成。进行补救合成。（三）嘌呤核苷酸的相互转变（三）嘌呤核苷酸的相互转变IMPIMPAMPAMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPXMPGMPGMPNH3腺苷酸脱氨酶腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶鸟苷酸还原酶NADPH+H+ NADP+NH3（四）（四） 脱氧核糖核苷酸的生成脱氧核糖核苷酸的生成在核苷二磷酸水平上进行在核苷二磷酸水平上进行（N代表代表A、G、U、C等碱基）等碱基）dNDP + ATP 激酶激酶dNTP + ADP二磷酸脱氧核苷二磷酸脱氧核苷NDPdNDP二磷酸核糖核苷二磷酸核糖核苷NADP+NADPH + H+核糖核苷酸还原酶，核糖核苷酸还原酶，Mg2+还原型硫氧化还原型硫氧化还
44、原蛋白还原蛋白-(SH)2氧化型硫氧氧化型硫氧化还原蛋白化还原蛋白SS硫氧化还原蛋白还原酶硫氧化还原蛋白还原酶（FAD）脱氧核苷酸的生成脱氧核苷酸的生成（五）（五） 嘌呤核苷酸的抗代谢物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、嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。氨基酸或叶酸等的类似物。嘌呤类似物嘌呤类似物氨基酸类似物氨基酸类似物叶酸类似物叶酸类似物6- 6-巯基嘌呤巯基嘌呤6- 6-巯基鸟嘌呤巯基鸟嘌呤8- 8-氮杂鸟嘌呤等氮杂鸟嘌呤等氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸等等氨蝶呤氨蝶呤氨甲蝶呤氨甲蝶呤等等次黄嘌呤次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)6-巯基嘌呤巯基嘌
45、呤的结构的结构6-巯基嘌呤抑制嘌呤核苷酸合成的机制巯基嘌呤抑制嘌呤核苷酸合成的机制6-巯基嘌呤巯基嘌呤 HGPRT6-巯基嘌呤巯基嘌呤 6-巯基嘌呤核苷酸巯基嘌呤核苷酸 6MP 6-MPMP AMPR5P PRPP PRA IMP GMPPRPP 6-MPMP甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰胺核苷酸胺核苷酸（FGAR）PRPP谷氨酰胺谷氨酰胺（Gln）=PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸（GAR）=甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸（FGAM）5-氨基异咪唑氨基异咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（AICAR）=5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（FAICAR）IMP次黄嘌呤次黄嘌呤
46、H(I)PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤（腺嘌呤（A）GMP=PRPPPPi鸟嘌呤鸟嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸MTXMTX二、嘌呤核苷酸的分解代谢二、嘌呤核苷酸的分解代谢核苷酸核苷酸核苷核苷核苷酸酶核苷酸酶Pi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基1- 1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤碱的最终嘌呤碱的最终代谢产物代谢产物AMPAMPGMPGMPH(I)H(I)（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）G GX X（黄嘌呤）（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤黄嘌呤氧化酶氧化酶痛风症的治疗机制痛风症的治疗机制鸟嘌呤鸟嘌
47、呤次黄嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤黄嘌呤尿酸尿酸黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇别嘌呤醇第二节第二节嘧啶核苷酸的代谢嘧啶核苷酸的代谢Metabolism of Pyrimidine Nucleotidesl嘧啶核苷酸的结构嘧啶核苷酸的结构从头合成的调节从头合成的调节- - - -ATP + CO2+ + 谷氨酰胺谷氨酰胺氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸UMP氨基甲酸天冬氨酸氨基甲酸天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸天冬氨酸嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸ATP + 5-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸PRPP- -l从头合成途径从头合成途径l补救合成途径补救合成途径一、嘧啶核苷酸的合成代谢一、嘧啶核苷
48、酸的合成代谢（一）嘧啶核苷酸的从头合成（一）嘧啶核苷酸的从头合成主要是肝细胞胞液主要是肝细胞胞液嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸的的从从头头合合成成是是指指利利用用磷磷酸酸核核糖糖、氨氨基基酸酸、一一碳碳单单位位及及二二氧氧化化碳碳等等简简单单物物质质为为原原料料，经经过过一一系系列列酶酶促促反反应应，合合成成嘧嘧啶啶核苷酸的途径。核苷酸的途径。 定义定义合成部位合成部位嘧啶合成的元素来源嘧啶合成的元素来源氨基甲氨基甲酰磷酸酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸合成过程合成过程1. 尿嘧啶核苷酸的合成尿嘧啶核苷酸的合成谷氨酰胺谷氨酰胺 + + HCO3-氨基甲酰磷氨基甲酰磷酸合成酶酸合成酶II2ATP2ADP+Pi谷氨酸
49、谷氨酸 + + 氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸2. 胞嘧啶核苷酸的合成胞嘧啶核苷酸的合成ATPADP尿苷酸激酶尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶合成酶谷氨酰胺谷氨酰胺ATP谷氨酸谷氨酸ADP+Pi3. dTMP或或TMP的生成的生成TMP合酶合酶N5, N10-甲烯甲烯FH4FH2FH2还原酶还原酶FH4NADP+NADPH+H+dUMP脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷一磷酸dTMPUDP脱氧核苷酸还原酶脱氧核苷酸还原酶dUDPCTPCDPdCDPdCMP（二）（二） 嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶嘧啶 + + PRPP磷酸嘧啶核苷磷酸嘧啶核苷 + + P
50、Pi嘧啶磷酸核糖转移酶嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 + + ATP尿苷激酶尿苷激酶UMP +ADP胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷 + + ATP胸苷激酶胸苷激酶TMP +ADP（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物嘧啶类似物嘧啶类似物胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)5-FUFdUMP与与TMP结构相似可竞争性结构相似可竞争性抑制抑制TMP合合酶5-FUFUTP，可以，可以FUMP形式参入到形式参入到RNA分子中，但无正分子中，但无正常的功能。常的功能。某些改变了核糖结构的核苷类似物某些改变了核糖结构的核苷类似物UMPUTPCTPCDPdCDPUDPdUDPdUMPdTMP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸阿糖胞苷阿糖胞苷氨甲碟呤氨甲碟呤5-FU二、嘧啶核苷酸的分解代谢二、嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶碱嘧啶碱1-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核苷核苷 核苷酸酶核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶胞嘧啶胞嘧啶NH3尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 H2OCO2 + NH3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸H2O丙二酸单酰丙二酸单酰CoA乙酰乙酰CoATAC肝肝尿素尿素甲基丙二酸单酰甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰琥珀酰CoATAC糖异生糖异生
