核酸结构与功能12核苷酸代谢.ppt

第 八 章核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,罗开珺 研究员 硕士生导师,课前5分钟,本周教学助理：,本章主要内容,一核酸简介二核酸的化学组成及其一级结构三DNA的空间结构与功能四 RNA的结构与功能五核酸的理化性质六 核酸酶,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子（一种线状聚合物），携带和传递遗传信息。,一、核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1965年 Nirenberg发现遗传密码1970年 Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年 Mullis发明PCR 技术1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)1994年 中国人类基因组计划启动2001年 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,第一节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 核酸的一级结构,核酸的化学组成,2.元素组成C、H、O、N、P（910%）,1.核酸的基本单位：核苷酸,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),（只存在于RNA中）,（只存在于DNA中）,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影响,戊 糖,核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR,一、核苷酸的结构,糖苷键：单键，易转动，对酸敏感,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,电 脑 模 型图 简化式,酯键,糖苷键,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：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸:cAMP，cGMP,C,G,A,二、核酸的一级结构,定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 录,第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的二级结构-双螺旋结构 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,DNA的二级结构-双螺旋结构DNA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DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能,一、DNA的二级结构双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义,目 录,Chargaff 规则任何一种生物中各碱基相对比例相同 即：A=T，G=C；不同生物的DNA,其碱基组成不同；同一个体不同器官、组织的DNA,其碱基组成相同。DNA双螺旋结构发现的历史意义：揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制开创了现代分子生物学是生物学发展史上的里程碑,（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,目 录,（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。亲水的糖-磷酸骨架位于外侧。相邻碱基互相平行，平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,目 录,碱基互补配对,T,A,G,C,（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,目 录,（三）DNA双螺旋结构的多样性,目 录,B-,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,（二）原核生物DNA的高级结构,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。,核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,三、DNA的功能,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,信使RNA的结构与功能（帽子结构）转运RNA的结构与功能 核蛋白体RNA的结构与功能 其他小分子RNA及RNA组学,RNA的种类、分布、功能,一、信使RNA的结构与功能,内含子(intron),*mRNA成熟过程,外显子(exon),目 录,*mRNA结构特点,1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。,2.大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,帽子结构和多聚A尾都是转录后生成的,帽子结构,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,帽结合蛋白（CBPs),polyA结合蛋白(PAB),*mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。（三个碱基决定一个氨基酸）。,*tRNA的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,*tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环（其三个碱基与mRNA上的密码子配对）额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,*tRNA的三级结构 倒L形,*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,*rRNA的结构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,*rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA,原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA,核蛋白体的组成,四、其他小分子RNA及RNA组学,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。,snmRNAs,snmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA,snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学,核酸和蛋白质的比较,核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,OD260的应用 DNA的变性 DNA的复性与分子杂交,一.溶解性 不溶于乙醇或异丙醇 溶解于水中 由于核糖和磷酸的存在，具有较强的酸性 高分子特性：粘度，沉降系数二.紫外吸收 共轭双键 平均分子在260nm处,1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0,OD260的应用,目 录,二、DNA的变性(denaturation),定义：在某些理化因素作用下，DNA氢键破坏，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、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：,OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失,目 录,DNA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,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,目 录,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,目 录,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。,目 录,三、DNA的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。,目 录,在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),DNA-DNA杂交双链分子,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交的应用,研究DNA分子中某一种基因的位置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是基因芯片技术的基础,探针,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探针技术。探针：单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探针。,第 五 节 核 酸 酶 Nuclease,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。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特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶。,参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 体外重组DNA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,核酸酶的功能,核 酶,催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。,催化性RNA(ribozyme)作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。,小 结,DNA的组成与结构及性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等RNA的组成与结构 mRNA：密码子、5帽子、3poly尾 tRNA：三叶草、倒L型结构、反密码子 rRNA：大、小亚基的组装DNA与RNA的区别：组成、结构、功能,核酸的性质,OD260/OD280变性与复性增色效应与减色效应解链曲线与解链温度分子杂交与探针技术,DNA和RNA的比较,第 九章,核 苷 酸 代 谢,Metabolism of Nucleotides,罗开珺 研究员 硕士生导师,核酸的消化与吸收,概 述,磷酸戊糖途径,第一阶段：氧化反应 生成磷酸戊糖、NADPH+H+及CO2,第二阶段则：非氧化反应包括一系列基团转移,戊 糖,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把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来,一碳单位是甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、甲硫氨酸(Met)和组氨酸(His)的特殊产物,甲基(methyl),-CH3,甲烯基(methylene),-CH2-,甲炔基(methenyl),-CH=,甲酰基(formyl),-CHO,亚胺甲基(formimino),-CH=NH,种类,一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5,N10=CHFH4,N5,N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,色氨酸,组氨酸,丝氨酸和甘氨酸,甲酰基,甲炔基,甲烯基,甲基,亚胺甲基,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),（只存在于RNA中）,（只存在于DNA中）,第一节 嘌呤核苷酸的代谢,Metabolism of Purine Nucleotides,嘌呤核苷酸的结构,GMP鸟嘌呤,AMP腺嘌呤,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,从头合成途径(de novo synthesis pathway)补救合成途径(salvage synthesis pathway),嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。,肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,定义,合成部位,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）,IMP生成总反应过程,过程,1.IMP（inosine monophosphate）的合成,2.AMP和GMP的生成,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）,1.IMP的合成过程,磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶,2、AMP和GMP的生成,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,嘌呤核苷酸从头合成特点,嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP或GMP的合成又需1个ATP。,从头合成的调节,PRPP,PRA,GTP,调节方式：反馈调节和交叉调节,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,定义,腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT)腺苷激酶(adenosine kinase),参与补救合成的酶,合成过程,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。,（三）嘌呤核苷酸的相互转变,（四）脱氧核糖核苷酸的生成,二磷酸脱氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH+H+,核糖核苷酸还原酶，Mg2+,还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2,氧化型硫氧化还原蛋白,硫氧化还原蛋白还原酶（FAD）,脱氧核苷酸的生成,（五）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、氨基酸或叶酸等的类似物。,次黄嘌呤(H),6-巯基嘌呤(6-MP),6-巯基嘌呤的结构,6-巯基嘌呤抑制嘌呤核苷酸合成的机制,6-巯基嘌呤 HGPRT6-巯基嘌呤 6-巯基嘌呤核苷酸 6MP 6-MPMP AMPR5P PRPP PRA IMP GMP,PRPP,6-MPMP,二、嘌呤核苷酸的分解代谢,核苷酸,核苷,核苷酸酶,Pi,核苷磷酸化酶,碱基,1-磷酸核糖,嘌呤碱的最终代谢产物,AMP,GMP,H(I)（次黄嘌呤）,G,X（黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,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,第二节嘧啶核苷酸的代谢,Metabolism of Pyrimidine Nucleotides,嘧啶核苷酸的结构,从头合成的调节,ATP+CO2+谷氨酰胺,氨基甲酰磷酸,UMP,氨基甲酸天冬氨酸,UTP,CTP,天冬氨酸,嘌呤核苷酸,ATP+5-磷酸核糖,嘧啶核苷酸,PRPP,从头合成途径补救合成途径,一、嘧啶核苷酸的合成代谢,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。,定义,合成部位,嘧啶合成的元素来源,合成过程,1.尿嘧啶核苷酸的合成,2.胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,3.dTMP或TMP的生成,dUMP,脱氧胸苷一磷酸dTMP,（二）嘧啶核苷酸的补救合成,（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),5-FUFdUMP与TMP结构相似可竞争性抑制TMP合酶5-FUFUTP，可以FUMP形式参入到RNA分子中，但无正常的功能。,某些改变了核糖结构的核苷类似物,氮杂丝氨酸,阿糖胞苷,氨甲碟呤,5-FU,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2+NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,