CH5-Gangan生化ppt课件--核酸化学和核苷酸代谢ok.ppt

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1、核酸化学,核酸化学,目的要求：掌握核酸的化学组成、一级结构、DNA的二级结构熟悉RNA的结构与功能了解核酸的理化性质,教学内容,概述第一节核酸的分子组成 第二节核酸的分子结构 第三节核酸的理化性质,核酸化学-概述,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1968年 Nirenberg发现遗传密码1975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PC

2、R 技术1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,1916-,1928-,1916-,University of London London,Great Britain,Harvard University Cambridge,MA,USA,Institute of Molecular Biology Cambridge,Great Britain,Great Britain,USA,Great Britain,Maurice Hugh Frederick Wilkins,James Dewey Watson,Francis Harry Co

3、mpton Crick,for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,for their discoveries concerning genetic control of enz

4、yme and virus synthesis,1910-1976,1902-1994,1920-,Institut Pasteur Paris,France,Institut Pasteur Paris,France,Institut Pasteur Paris,France,France,France,France,Jacques Monod,Andre Michellwoff,Francois Jacob,1927-,1922-,1922-1993,National Institutes of Health Bethesda,MD,USA,University of Wisconsin

5、Madison,WI,USA,Cornell University Ithaca,NY,USA,Marshall W.Nirenberg,Har Gobind Khorana,Robert W.Holley,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968,for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis,核酸的分类及分布,核酸化学第一节-分子组成,核酸的分子组成,核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)DNA的基本组成单位是

6、脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA,RNA,核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基,碱基,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),碱基,五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响,戊 糖,（构成RNA）,

7、核糖(ribose),（构成DNA）,脱氧核糖(deoxyribose),核苷,碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)（或脱氧核苷）,核苷酸（脱氧核苷酸）,核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,糖苷键,多磷酸核苷酸,NMP，NDP，NTP,环化核苷酸,cAMP，cGMP,稀有碱基,嘌呤衍生物次黄嘌呤(I)、黄嘌呤(X)、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶衍生物5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型

8、,核苷酸的功能,核苷酸是核酸的合成原料核苷酸直接为生命活动提供能量(ATP)核苷酸衍生物是生物合成中的活化中间产物 腺苷酸构成酶的辅助因子（FAD,NAD,CoA）核苷酸参与信号转导(cAMP,cGMP)核苷酸参与代谢调节（AMP/GMP别构调节）,核酸化学第二节-分子结构,本节内容,核酸的一级结构DNA的二级结构 DNA的三级结构 RNA的种类和分子结构,核酸的一级结构,定义：核酸中核苷酸的组成及其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核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸核酸具有方向性 5-3,3,5-磷酸二酯键,核酸的方向性,主链与侧链,核酸的书写

9、方法,核酸一级结构的不均一性,重复序列正向重复（repeat)反向重复（回文序列）镜象重复（mirror repeat)高度重复序列（high repetive sequence,satelite DNA，SSR):中度重复序列（middle repetitive sequence):低拷贝重复：gene family单拷贝序列（single copy sequence):gene富含AT的序列,回文结构/镜像重复,Hairpin,Cruciform,Triple helix,嘧啶-嘌呤-嘧啶（YRY）型三螺旋：TAT和C+GC，其专一性体现在T对AT，质子化的C对GC的识别，链3和链2的碱基

10、以两个Hoogsteen氢键配对，不影响链1和链2间的相互作用。,Triple helix,YRY型三螺旋也包括三链复合物GTA、TCG和XGC（X=A、G、T）。在GTA三螺旋中，第三条G链的糖环构象采取N型，而其他的两条链上的糖环构象大部分是S型。在TCG三螺旋中，碱基T和C之间仅以一个氢链相连。在YRY型分子内三螺旋XGC（X=A、G、T）中，第二条链和第三条链的碱基之间都是以一条或两条氢键相连。这些三螺旋不同于典型的TAT和CGC三螺旋，氢键配对没有严格的限制。,DNA的二级结构,Franklin,Rosalind Elsie,Watson：主要从事动物学的研究Crick：数学和物理学

11、家Franklin：主要从事X射线的,DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析（Chargaff 规则）：A=T,G=C;A+G=T+CDNA碱基组成有物种特异性；无组织特异性DNA碱基组成相当保守，不随年龄、环境等变化碱基的理化数据分析（Watson and Crick）A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析（Franklin）,DNA双螺旋结构模型要点,1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对(bp)，螺距为3.4nm。,碱基平面与纵轴垂直

12、，糖环平面与纵轴平行,3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。,DNA双螺旋结构模型要点,碱基互补配对,T,A,G,C,DNA双螺旋结构的多样性,Z型DNA,B型DNA,A型DNA,DNA的三级结构,环状DNA的超螺旋结构（DNA再盘绕）分类：正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方同相反 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真核生物的核酸-蛋白结构 核小体,DNA的

13、三级结构,原核生物DNA的高级结构,负超螺旋（自然界常见）,环状DNA分子,DNA的三级结构,真核生物DNA的高级结构核小体（nucleosome）核小体的组成：DNA：约200bp 组蛋白:H1H2A，H2BH3H4,串珠状核小体结构,DNA分子结构组装模型,DNA的功能,DNA是遗传的物质基础肺炎球菌感染小鼠（DNA）噬菌体侵染细菌（DNA）,RNA的种类与功能,mRNA的结构与功能,内含子(intron),*mRNA成熟过程,外显子(exon),mRNA结构特点,5末端帽子结构：m7GpppNm-3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾,帽子结构,mRNA结构与功能,帽子结

14、构和多聚A尾的功能mRNA核内向胞质的转移mRNA的稳定性翻译起始的调控mRNA的功能：蛋白质合成的模板,转运RNA的结构与功能,tRNA的一级结构特点 含有较多的稀有碱基 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 由7090个核苷酸组成,稀有碱基,tRNA二级结构,氨基酸臂,额外环,三叶草形,5,*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-茎环结构,rRNA的结构与功能,*rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所，具有催化功能。,核糖体的组成,其他小分子RNA结构及功能,。,Noncoding RNAs(ncRN

15、As)in eukaryotesSmall RNA(sRNA)in bacteriaSmall nuclear RNAs(snRNAs):mRNA剪接 Small nucleolar RNAs(snoRNAs):参与rRNA成熟加工 MicroRNA(miRNA):knock down 调控功能 Small temporal RNAs(stRNAs):Small interfering RNAs(siRNAs):knock down 调控功能 RNA interference(RNAi)Guide RNAs(gRNAs):RNA编辑 tRNA/mRNA(tmRNA):参与破损mRNA蛋白质合成

16、的终止 Ribozyme:催化活性RNA病毒:携带遗传信息Xist:调控 X染色体活性,是研究细胞中RNome的种类、结构和功能的科学。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RNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学(RNomics),RNomics,核酸化学第三节 核酸的理化性质,核酸的一般理化性质,核酸为多元酸，具有较强的酸性；DNA是线性高分子，粘度极大；在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。,各种碱基的UV吸收光谱（pH7.0）,核酸光吸收特性的应用,DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50 g/m

17、l双链DNA40 g/ml单链DNA（或RNA）20 g/ml寡核苷酸判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0,DNA的变性(denaturation),定义：dsDNA解链成ssDNA过程本质：DNA双链间氢键的断裂变性因素：高温、强酸、强碱等变性后理化性质的主要改变：OD260增高（增色效益）粘度下降,DNA变性,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,Tm：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

18、成正比。,解链温度（Tm）,DNA复性(renaturation)-退火(annealing),定义:ssDNA通过碱基互补形成 dsDNA过程本质：DNA双链间氢键的重新形成复性因素：除去引起变性的因素（缓慢）变性后理化性质的主要改变：OD260降低（减色效益）粘度上升,核酸分子杂交(hybridization),定义：异源互补的核苷酸序列通过碱基配对形成稳定的杂合双链分子DNA分子的过程称为杂交 本质：碱基配对种类：Southern blot(DNA)Northern blot(RNA)Western blot(Pr Pr)ISH(RNA),变性,复性,复性,核酸分子杂交的应用,分子生物学

19、中广泛应用于基因表达、突变及SNP等研究如：基因copy数分析、基因表达分析、突变sscp分析等临床诊断细菌、病毒、寄生虫检测，诊断人类基因组工程遗传图谱的构建，DNA测序，表达图谱法医学及亲子鉴定中的应用疑犯的鉴定、亲子鉴定等肿瘤各种肿瘤检测其他,核酸分子杂交的应用,Southern blot 应用DNA指纹分析,血迹中的DNA,核酸分子杂交的应用,FISH 分析基因原位表达,第十二章 核苷酸代谢,本章大纲要求,掌握：核苷酸从头合成的成环原料、基本阶段及特点，嘌呤核苷酸分解代谢终产物及其临床意义熟悉：临床常见核苷酸抗代谢物及其作用机理。了解：核苷酸的合成代谢和分解代谢过程，核酸的消化与吸收。

20、,核苷酸代谢,核苷酸的消化与吸收（小肠）,核苷酸的分解代谢,嘌呤碱基的分解部位：肝、小肠、肾分解简单过程及终产物（尿酸）,特点：嘌呤环不被打破；产物不易溶于水。,正常人血浆尿酸含量 0.120.36 mmol/L（26mg%)。由于嘌呤代谢异常，使尿酸生成增多，血尿酸增加（0.48mmol/L），难溶的尿酸盐晶体沉积于关节、软骨、肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病等。临床用别嘌呤醇（结构与次黄嘌呤相似）抑制(黄嘌呤氧化酶)尿酸生成治疗痛风症。,痛风症（gout）,核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸的分解部位：主要在肝脏终产物：CU-丙氨酸、NH3、CO2T-氨基异丁酸、NH3、CO2特点：嘧啶环被

21、彻底打破，产物易溶于水,核苷酸的合成代谢,从头合成途径（de novo pathway）定义：利用5-磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和CO2，通过连续酶促反应合成核苷酸器官：肝脏、小肠、胸腺补救途径（salvage pathway）定义：直接利用体内的碱基和5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）通过简单反应合成核苷酸器官：脑、骨髓,嘌呤核苷酸的生物合成,从头合成途径特点嘌呤环上的原子分别来自Gln、Asp、Gly、CO2和一碳单位嘌呤环是在5-磷酸核糖焦磷酸上逐步形成过程先合成IMP，再由IMP转变成AMP或GMP,嘌呤环的原子来源,嘌呤核苷酸的合成,补救途径,嘧啶核苷酸的合成代谢,从头合成特点嘧啶环上原

22、子来自 Gln、Asp 和 CO2先合成嘧啶环再与PRPP缩合成UMP过程先合成UMP 再转化为 CTP和dTMP,嘧啶环的原子来源,CTP,嘧啶核苷酸的合成代谢,补救途径,NTP的合成,NTP是合成RNA的原料,脱氧核苷酸（dNTP）的合成,dNTP是合成DNA的原料，脱氧核苷酸由NADPH2+供氢，在NDP水平上由核糖核苷酸还原酶（变构酶）催化进行,核苷酸抗代谢物（antimetabolite）,抗代谢物：是指在化学结构上与正常代谢物结构相似，具有竞争性阻抑其正常代谢过程的物质，大多属于竞争性抑制剂嘌呤核苷酸的抗代谢物：叶酸、氨基酸、嘌呤碱基类似物叶酸：氨基蝶呤、氨甲蝶呤Gln：杂环丝氨酸和6-重氮-5-氧正亮氨酸嘌呤碱基：6-巯基嘌呤（6-MP）与次黄嘌呤相似从而抑制 IMP 合成,核苷酸抗代谢物（antimetabolite）,嘧啶核苷酸的抗代谢物：叶酸、氨基酸、嘧啶碱基类似物，作用机制与嘌呤相似嘌呤碱基：5-氟脲嘧啶（5-FU）体内经磷酸化（5-FdUMP/5-FdUTP）后抑制dNTP的合成核糖类似物（如阿糖胞苷）可抑制CDP脱氧其他的核苷酸类似物（如临床上抗HIV药物如DDI、DDC、AZT可作为假底物参与核酸合成）,