核酸化学与核苷酸代谢课件.ppt

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1、核酸化学与核苷酸代谢,概述核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子化合物，是遗传的物质基础。,第四节 核苷酸代谢,本章要讲述的主要内容,第一节 核酸的化学组成及分类,第二节 核酸的分子结构,第三节 核酸的理化性质,第一节 核酸的化学组成及分类,脱氧核糖核酸(deoxyribonucliec acid DNA),磷酸

2、(phosphate),一.核酸的种类,二.核酸的化学组成,碱基(base),戊糖(pentose),核糖核酸（ribonucliec acid,RNA),核酸,核苷酸,核酸酶,核 酸 的 种 类,脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸（RNA),两类核酸的基本化学组成比较,DNA RNA 嘌呤碱 腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)（Purine bases）鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)碱基(Base)嘧啶碱 胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)（Pyrimidine bases）胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)戊糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖(Pentose)酸 磷酸 磷酸(Acid),C,N,C,C,C,N,N,N,C,H,H

3、,H,NH2,嘌呤碱,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌 呤,NH2,O,H2N,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),6,2,6,HC,HN,HC,CH,CH,N,NH2,O,O,O,O,O,CH3,嘧 啶,胞嘧啶（C）,尿嘧啶（U）,胸腺嘧啶（T）,1,2,3,4,5,6,核糖核酸（RNA）,脱氧核糖核酸（DNA）,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,戊糖,碱基,核 酸 的 组 成,核酸酶水解,由戊糖和碱基以糖苷键连接而成,核 苷,脱氧核糖,核糖,嘌呤碱基,嘧啶碱基,+,腺苷,9,+,脱氧腺苷,9,1,由核苷的戊糖羟基被磷酸酯化而成,5,核苷酸的命名,含一个磷酸基团：核苷一磷酸（NMP）,含两个磷酸基团：

4、核苷二磷酸（NDP）,含三个磷酸基团：核苷三磷酸（NTP）,N 代表各种碱基的名称,环化核苷酸：cNMP,O,第二节 DNA的结构与功能,一、DNA的结构,二、DNA的生物学功能,1.DNA的一级结构,2.DNA的二级结构,3.DNA的三级结构,携带并传递遗传信息,四种脱氧核糖核苷酸通过3、5-磷酸二酯键彼此连接而形成的直线形或环线形分子.,DNA分子中核苷酸的排列顺序.,DNA 的 一 级 结 构,核苷酸链的书写方法,双螺旋结构,即DNA分子的空间结构,1.Chargaff 碱基组成规律,2.DNA晶体的X-射线图谱研究,各原子之间的键长、键角,一、DNA分子模型建立,DNA 的 二 级 结

5、 构,由James Watson和Francis Crick提出,(1)腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等.A=T,鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等.G=C,嘌呤总数=嘧啶总数 A+G=C+T,(2)DNA的组成具有种的特异性,(3)DNA的碱基组成没有组织的特异性,且较为稳定,不随年龄、营养状态、环境改变的影响,Chargaff 碱基组成规律,分子双螺旋结构模型要点,1.由两条反向平行的脱氧多核苷酸（两条链的走向为53和35），围绕一中心轴（假想轴）构成右手双螺旋结构。,彼此间以磷酸二酯键相连，构成的骨架。,2.碱基在双螺旋内侧。,双链中相对的碱基按和通过氢键配对连接，形成互补.,磷酸基与脱氧核糖在外侧

6、，,5C,糖环平面与中心轴平行。,3.碱基平面与中心 轴垂直，各相邻 平面部分重叠。,4.双螺旋的直径为2nm,沿轴向，每个碱基平面的距离为0.34nm,每圈螺旋含有10对核苷酸，其轴向距为3.4nm,(3)离子键,5.维持DNA双螺旋稳定的作用力,(1)互补碱基间的氢键,(2)使碱基平面堆积的平面间范德华力,又称碱基堆积力,二、DNA结构的多样性,A-DNA：右手螺旋,B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋生理条件下DNA最稳定的结构形式,Z-DNA：左手螺旋,DNA 的 三 级 结 构,原核生物,真核生物,没有典型的细胞核结构，,真核生物的三级结构是由分子与组蛋白(histin

7、e)和非组蛋白(nonhistineprotein,NHP)结合组成。,被认为是原核生物的三级结构,被认为是真核生物的三级结构,超螺旋结构,核小体结构,DNA 超 螺 旋 结 构,H2A、H2B、H3和H4各两分子,组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白,双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒,核心颗粒和 连接区DNA及附着在连接区DNA上的 组蛋白H1构成核小体,一个个核小体连接成串珠状结构,染色单体,折叠,折叠,第三节 RNA的结构和功能,一、RNA的类型,1.核蛋白体RNA(ribosomal RNA,rRNA),3.转运RNA(transfer

8、 RNA,tRNA),2.信使RNA(messenger RNA,mRNA),4.不均一核RNA(HnRNA),二、RNA的结构与功能,5.小核RNA(SnRNA),mRNA的结构与功能,一、mRNA的结构特点,(1)3末端有多聚腺嘌呤的结构(polyA),(2)5末端具有帽子结构(m7GpppNm),(3)一种 mRNA只含有一条多肽链的信息,由HnRNA经过剪接而成,半衰期最短，几分钟到数小时,二、mRNA的功能,蛋白质合成的直接模板,把核内DNA的碱基顺序（遗传信息），按照碱基互补的原则，抄袭并转送至胞质，在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。,tRNA 的结构与功能,1.分

9、子量最小一类RNA,占RNA总量10-25%,2.分子中含有10%-20%的稀有碱基,一、tRNA的结构特点,如假尿嘧啶（）,二氢尿嘧啶（DHU）,甲基化碱基（mG,mA)等,3.3末端有CCA-OH,是携带氨基酸的部位,4.具有识别密码子功能的反密码子,5.二级结构为三叶草形,有三个环状结构（DHU环、T 环、反密码环）三级结构为“倒L”形,二、tRNA的功能,在蛋白质的合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给mRNA,tRNA的三级结构,rRNA的结构与功能,一、rRNA的结构特点,1.含量最丰富,约占总RNA的80%以上,2.与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体,rRNA 与蛋白质既可分离,又

10、可结合,3.核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNA,二、rRNA的功能,是细胞内蛋白质合成的场所,其他小分子RNA,小核RNA（SnRNA)、,小核仁RNA(SnoRNA)、,小胞质RNA（scRNA/7SL-RNA),功能：参与HnRNA和rRNA的转运和加工,原核生物核糖体的亚基组成,原核生物核蛋白体,真核生物核蛋白体,核 酶,某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。这些RNA称为核酶（ribozyme),意义：扩充了酶的范围，使之不再局限于蛋白质。,第四节 核酸的理化性质,一、核酸的粘度,二、核酸的紫外吸收特性,三、核酸的变

11、性、复性及其分子杂交,一、核 酸 的 粘 度,*分子量越大粘度也越大,分子比分子小，粘度也就小,*生物分子的空间结构也影响粘度。,线形分子,无规线团分子,球形分子,二、核酸的紫外吸收特性,嘌呤碱和嘧啶碱有共轭双键，都能强烈吸收紫外光，最大吸收波长为260nm,蛋白质对紫外光的最大吸收波长是280nm,紫外分光光度法检测核酸的纯度,通过测定波长在260nm和280nm处吸光度的比值(A260A280)来估计核酸样品的纯度,DNA溶液：A260A280=1.8,RNA溶液：A260A280=2.0,方法：,在波长260nm紫外线下，吸光度为1.00时，,紫外分光光度法估计核酸的浓度,取5l双链DN

12、A样品,加水稀释至1ml。以1ml纯水作为参照测定波长在260nm处的吸光度值(260),假如测得稀释样品的260值为0.500，,相当于50g/ml的双链DNA,40g/ml的单链DNA或RNA,20g/ml的单链寡核苷酸,问题1,那么原液中DNA的浓度是？g/ml,三、核酸的变性、复性及其分子杂交,(一)变性,(二)复性,(三)分子杂交,(一)核 酸 的 变 性,1.概念,核酸分子的双螺旋结构解开，氢键断裂（不涉及共价键的断裂），使双链分离，这种现象称为核酸的变性,2.引起核酸变性的因素,如乙醇、丙酮、尿素、酰胺等,加热、,介质中的pH过酸或过碱、,有机溶剂、,3.核酸的变性与降解的区别,

13、降解,其过程是不可逆的。,是指多核苷酸链中的磷酸二酯键断裂，,使分子量降低，,不发生分子量的变化。,一般是可逆的，,变性,4.蛋白质和核酸的变性,两者均不涉及共价键的断裂,一级结构不破坏,粘度下降，生物活性丧失,分子的热变性,双螺旋结构即遭破坏，氢键断裂，双链分离。,将的稀盐溶液加热至8095(或以上)数分钟，,d.丧失生物活性,a.260nm处的紫外吸收值升高,b.粘度下降,c.浮力、密度升高,（增色效应）,变 性 DNA 的 特 点,DNA解链曲线,拐点所对应的温度，,代表变性50时温度，称为解链温度，通常称为融解温度。,用符号 Tm 表示,7085之间,“”形曲线,Tm值的大小主要与下列

14、因素有关,中对的含量,碱基对的比例越高，Tm值越高,pH和离子强度不变,根据百分含量，,则可计算样品的Tm值,Tm69.3+0.41*(),Tm4*(G+C)+2*(A+T),(小于20bp),介质中的离子强度,离子强度低,Tm值低,变性温度范围较宽,离子强度大,Tm值高,变性温度范围较窄,(二)核酸的复性,DNA热变性后的复性,常常称为退火。,变性的DNA或RNA在去除变性因素,并处于适当的条件下，,又可重新结合成为双螺旋结构,这一过程称为复性。,1.概念,彼此分离的双链,2.复性过程,两种情况,（1）两条完全分开的单链通过随机碰撞形 成互补短片段的双螺旋。,（2）尚未配对的碱基很快地“对齐

15、”。迅速 形成双链直至双螺旋结构。,复性后分子性质,一系列的理化性质随即恢复,d.生物活性部分恢复,a.260nm处的紫外吸收值下降,b.粘度上升,c.浮力、密度降低,（减色效应）,(三)核酸分子杂交,在一定条件下（适宜的温度、pH及离子强度），可按碱基互补原则复性形成双链，此过程称为核酸分子杂交。,1.概念,具有一定同源性的两条核酸单链，,变性,复性,不完全同源核酸单链分子杂交,突环,2.可发生杂交的核酸分子,(1)两条同源的DNA链,(2)两条同源的RNA链,(3)一条DNA链一条RNA链,3.核酸杂交的应用,（1）测定核酸分子碱基组成,（2）检测某些因基因突变引起的疾病,核苷酸库,核酸的

16、降解,核苷酸的合成,核酸的合成,核苷酸的降解,核苷酸是核酸的基本结构单位，它不属于营养必需物质,核苷酸代谢,概述,食物核蛋白,蛋白质,核酸(RNA与DNA),胰核酸酶,RNA酶,DNA酶,(磷酸二酯酶),单核苷酸,胰、肠核苷酸酶,(磷酸单酯酶),核苷,磷酸,核苷酶,(水解或磷酸解),戊糖或磷酸戊糖,碱基,核酸的消化,排出，很少利用,第一节 嘌呤核苷酸代谢,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,(一)嘌呤核苷酸的从头合成,(二)嘌呤核苷酸的补救合成,(三)脱氧(核酸)核苷酸的生成,二、嘌呤核苷酸的分解代谢,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,(一)、从头合成途径,1.概念：用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物

17、质为原料，经过一系列酶促反应合成嘌呤核苷酸的途径.,2.原料：5磷酸核糖、谷氨酰胺、一碳单位、甘氨酸、CO2、天冬氨酸,甲酰基(一碳单位),甘氨酸,CO2,Asp,甲酰基(一碳单位),Gln(酰胺基),甘氨当中站,谷氮坐两边,左上天冬氨,头顶CO2,3.合成的场所:肝脏的胞液,4.合成的过程:两个阶段。,(1)次黄嘌呤核苷酸(IMP)的合成,(2)腺苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)的合成,(1)IMP的合成(11步反应，过程只需了解),R-5-P,AMP,PRPP合成酶,PP-1-R-5-P(PRPP),5-磷酸核糖,磷酸核糖焦磷酸,反应过程：,(2)腺苷酸和鸟苷酸的合成,IMP,腺苷酸代琥珀

18、酸合成酶,AMPS,Asp,Mg2+,GTP,腺苷酸代琥珀酸(AMPS),腺苷酸(AMP),延胡索酸,腺苷酸代琥珀酸裂解酶,IMP,NADH+H+,XMP,黄嘌呤核苷酸,IMP脱氢酶,Gln,Glu,XMP,GMP,AMP,腺苷酸激酶,ADP,腺苷酸激酶,ATP,GMP,鸟苷酸激酶,GDP,鸟苷酸激酶,GTP,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,(二)、补救合成途径,有两条合成途径,(1)嘌呤碱与PRPP直接合成嘌呤核苷酸,次黄嘌呤,次黄嘌呤核苷酸,鸟嘌呤,鸟嘌呤核苷酸,PRPP,PPi,腺嘌呤,腺嘌呤核苷酸,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,（APRT）,HGPRT活性高,APRT活性低,生理意义,减少从头合成时

19、能量和原料的消耗,节省:,作为某些器官(脑,骨髓和脾)合成核苷酸的途径,遗传疾病,Lesch-Nyhan 莱-尼综合征,自毁容貌综合征,HGPRT基因缺陷,嘌呤合成过多，明显的高尿酸血症，痛风伴,-罕见的性染色体X连锁遗传病,疾病生化本质:,行为,称之为自毁容貌综合征.,大脑瘫痪、智力减退、舞蹈手足综合征,身体,和精神发育迟缓,有咬指咬唇的强迫性自残,(三)脱氧(核糖)核苷酸的合成,在核苷二磷酸水平被还原而成,NADPH+H+,NADP+H2O,dNDP,NDP,核苷酸分解代谢大致过程,核苷酸,核苷,Pi,Pi,1-磷酸核糖,碱基,补救途径,分解代谢,5-磷酸核糖,PRPP,终末产物经尿排出,

20、核苷酸酶,磷酸化酶,1-磷酸核糖变位酶,嘌呤核苷酸的分解代谢,AMP,I,GMP,G,X,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,尿酸,正常人血浆尿酸含量：0.120.36mmol/L,男:0.27mmol/L,女:0.21mmol/L,以尿酸及其钠盐形式存在,均难溶于水,0.48mmol/L(8mg%),析出结晶,沉积在关节和软骨等处,痛风症,进食高嘌呤膳食时,体内核酸大量分解(白血病,恶性肿瘤）,肾脏疾病尿酸排泄障碍,血中尿酸,临床上用别嘌呤醇治疗,第二节 嘧啶核苷酸代谢,一、嘧啶核苷酸的合成代谢,(一)嘧啶核苷酸的从头合成,(二)嘧啶核苷酸的补救合成,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,一、嘧啶核苷酸的合成代

21、谢,(一)从头合成途径,先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸.,Asp,CO2,Gln,(二)嘧啶核苷酸的补救合成,嘧啶+PRPP,嘧啶核苷酸+PPi,嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,乳清酸,胞嘧啶,嘧啶核苷+ATP,嘧啶核苷酸+ADP,核苷激酶,胸苷激酶,TK,与恶性肿瘤,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸,嘧啶核苷,嘧啶,NH3,NADPH+H+,NADP+,H2O,H2O,CO2+NH3,H2N-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,胞嘧啶,尿嘧啶,NADPH+H+,NADP+,H2O,CO2+NH3,-氨基异丁酸,-脲基异丁酸,H2O,胸腺嘧啶,二氢胸腺嘧啶,作业1、试比较DNA和RNA的组成成分和基本单位的异同？2、细胞内有哪几种主要的RNA，其主要功能是什么？3、试述DNA双螺旋结构模型的要点？,