核酸結構功能與核苷酸代謝

核酸結構功能與核苷酸代謝第1頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五1868年，瑞士外科醫(yī)生FreidrichMiescher首先從膿細胞核中分離得到核酸(nucleicacid)。1944年OswaldAvery等發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)。1953年Watson和Crick創(chuàng)立了DNA雙螺旋結構模型，闡明了DNA分子的結構特征。隨后科學家又發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)等。第2頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五核酸是一類生物大分子，具有復雜的結構與重要的生物學功能。DNA主要存在于細胞核，是遺傳信息的攜帶者，決定細胞和個體的基因型。RNA存在于細胞核和細胞質內，參與細胞內遺傳信息的表達，病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。本章內容主要包括核酸的化學組成、分子結構與功能、理化性質以及核苷酸代謝。第3頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

第一節(jié)核酸的化學組成核酸分為DNA和RNA兩大類核酸的基本組成單位為核苷酸（nucleotide）核苷酸是由堿基、戊糖和磷酸組成核苷酸核苷＋磷酸核苷堿基＋戊糖第4頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五堿基：嘌呤堿(purine)和嘧啶堿(pyrimidine)嘌呤堿：腺嘌呤(adenine,A)和鳥嘌呤(guanine,G)嘧啶堿：胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)、胸腺嘧啶(thymine,T)第5頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第6頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五戊糖：β-D-核糖(β-D-ribose)

β-D-2-脫氧核糖(β-D-2-deoxyribose)

分別存在于RNA和DNA中

第7頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五戊糖的C1′與嘧啶堿的N1或嘌呤堿的N9相連接形成核苷第8頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五核苷中戊糖的羥基與磷酸以磷酸酯鍵連接而成為核苷酸核苷酸還有環(huán)化形式，主要是3ˊ，5ˊ-環(huán)化腺苷一磷酸（cAMP）和3ˊ，5ˊ-環(huán)化鳥苷一磷酸（cGMP）第9頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五核酸堿基核苷核苷酸

RNA核糖核苷核糖核苷酸腺嘌呤（A） 腺苷 腺苷酸（AMP）鳥嘌呤（G） 鳥苷 鳥苷酸（GMP）胞嘧啶（C） 胞苷 胞苷酸（CMP）尿嘧啶（U） 尿苷 尿苷酸（UMP）DNA脫氧核糖核苷脫氧核糖核苷酸腺嘌呤（A）脫氧腺苷 脫氧腺苷酸（dAMP）鳥嘌呤（G）脫氧鳥苷 脫氧鳥苷酸（dGMP）胞嘧啶（C）脫氧胞苷 脫氧胞苷酸（dCMP）胸腺嘧啶（T）脫氧胸苷 脫氧胸苷酸（dTMP）參與DNA和RNA的堿基、核苷及相應的核苷酸第11頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

第二節(jié)DNA的結構與功能一、DNA的一級結構

DNA的一級結構是指DNA分子中核苷酸的排列順序及其連接方式

4種核苷酸之間按照一定的順序排列以3ˊ，5ˊ-磷酸二酯鍵相連，即前一個脫氧核糖核苷酸的3ˊ-OH和后一個相鄰的脫氧核糖核苷酸的5ˊ磷酸縮合形成磷酸二酯鍵，而形成多聚核苷酸鏈第12頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五5′端3′端CGA第13頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五二、DNA的二級結構20世紀40年代，E.Chargaff等人發(fā)現(xiàn)：①腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)總是相等（A＝T），鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)總是相等（G＝C）②不同生物種屬的DNA堿基組成不同③同一個體的不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成第14頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五1953年Watson和Crick兩位科學家提出了DNA右手雙螺旋結構模型，確定了DNA的二級結構DNA右手螺旋模型的要點如下：1.DNA分子由2條反向平行互補多核苷酸鏈組成；2條多核苷酸鏈通過堿基之間的氫鍵連接在一起，腺嘌呤與胸腺嘧啶之間形成2個氫鍵，鳥嘌呤與胞嘧啶之間形成3個氫鍵。這種A-T、G-C配對的規(guī)律稱為堿基互補規(guī)則。第15頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五2.2條多核苷酸鏈都以右手螺旋，圍繞同一中心軸構成雙螺旋結構，脫氧核糖與磷酸相連構成的鏈狀骨架位于螺旋的外側，堿基位于螺旋的內側。雙螺旋表面形成大溝和小溝。此溝狀結構與蛋白質、DNA之間的相互識別有關。3.雙螺旋的直徑為2nm，堿基平面與螺旋的縱軸垂直，相鄰堿基對的距離為0.34nm，每10個核苷酸旋轉一周，螺距為3.4nm。螺旋的縱向穩(wěn)定性靠堿基平面間的疏水性堆砌力維持。第16頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第17頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五三、DNA的三級結構DNA的三級結構是雙螺旋結構進一步盤曲形成更加復雜的空間構象。超螺旋：超螺旋有負超螺旋與正超螺旋。前者旋轉方向與雙螺旋方向相反，這是最常見的一種形式；后者旋轉方向與雙螺旋方向相同，體內較少見。第18頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五環(huán)狀ＤＮＡ超螺旋ＤＮＡ第19頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五真核細胞中的DNA是與組蛋白結合在一起，構成許多核小體（nucleosome）。每個核小體由長約200個bp的DNA片段和5種組蛋白組成。組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成的八聚體構成核小體的核心。DNA分子纏繞在這一核心上構成了核小體的核心顆粒,核小體的核心顆粒之間再由DNA和H1構成連接區(qū)連接起來形成串珠樣結構。第20頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第21頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

第三節(jié)RNA的結構與功能RNA分子組成與結構：

１.堿基組成主要是A、G、C和U2.存在稀有堿基

3.戊糖為D-核糖

4.RNA分子是一條多核苷酸鏈，也可局部雙鏈

RNA種類繁多，它們的分子大小、堿基組成、分子結構以及生物學功能各不相同據(jù)其功能的不同主要將RNA分為3類：

mRNA,tRNA,rRNA第22頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

一、信使RNA

信使RNA（messengerRNA,mRNA）為蛋白質生物合成的模板。mRNA種類多，含量少，僅占RNA總量的5%-10%。mRNA代謝非?；钴S，半壽期很短，真核生物mRNA的半壽期為數(shù)小時或幾天。第23頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五真核生物mRNA的結構特點如下：1.5ˊ-末端“帽子”結構：m7GpppNm結構。2.3ˊ-末端有一段長約200個腺苷酸殘基的“尾巴”，稱為多聚A（polyA）尾部。3.真核細胞mRNA的二級結構沒有共同的規(guī)律，mRNA本身可折疊，形成局部雙螺旋區(qū)或發(fā)夾結構。第24頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五5ˊ-末端“帽子”結構第25頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

二、轉移RNA

轉移RNA（transferRNA,tRNA）起轉運氨基酸的作用。tRNA分子量最小，由70-90個核苷酸殘基組成，約占總RNA的10%-15%。含有10%-20%的稀有堿基。3ˊ-末端均有CCA-OH結構，此結構為氨基酸的連接部位。第26頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五各種tRNA的二級結構均類似三葉草型,此結構有4個局部螺旋區(qū)、3個環(huán)各1個附加叉。第27頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第28頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

三、核蛋白體RNA

核蛋白體RNA（ribosomalRNA,rRNA）作為蛋白質的生物合成的場。是細胞中含量最多的一類RNA，約占細胞總RNA的75%~80%，與一些蛋白質結合形成核蛋白體。真核細胞中含有4種rRNA：28S、5.8S和5S18S。各種rRNA有不同的二級結構及三級結構。第29頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五四、小分子RNA除了上述3種主要的RNA外，細胞內還存在多種小分子RNA，這些RNA種類繁多，功能多樣，由此產(chǎn)生了RNA組學（RNomics）概念，即研究細胞內所有小分子RNA的種類、結構和功能。小分子RNA主要有：核內小RNA、核仁小RNA、胞質小RNA、催化性小RNA即核酶。（ribozyme）、小干擾RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）。這些小分子RNA在RNA的轉錄后加工、轉運，基因表達調控等方面起非常重要的作用。第30頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五核酶是具有自我催化功能的小分子RNA。核酶的發(fā)現(xiàn)和深入研究不僅改變了長期以來人們認為“酶的化學本質是蛋白質”的傳統(tǒng)概念，而且推動了人們對生命活動多樣性的理解。第31頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

第四節(jié)核酸的理化性質

一、核酸的一般性質核酸是兩性電解質，它既含有酸性的磷酸基，又含有堿性的堿基，故可在電場中泳動。通常因磷酸基的酸性較強，核酸常顯示酸性在堿性條件下，RNA不穩(wěn)定，可在室溫下水解，利用這個性質可以測定RNA的堿基組成，也可清除DNA溶液中混雜的RNA。核酸是生物大分子，在溶液中的粘度很高。

第32頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五二、核酸的紫外吸收核酸在260nm波長處有最大吸收峰，這是因為核酸分子中嘌呤堿和嘧啶堿都含有共軛雙鍵，利用這一特性可進行核酸的定量分析。第33頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五三、核酸的變性、復性與雜交（一）變性：是指在某些理化因素的作用下，DNA分子互補堿基對之間的氫鍵斷裂，雙螺旋被解開，形成單鏈的過程。變性過程不伴有共價鍵的斷裂，DNA一級結構沒有被破壞。引起核酸變性的因素很多，如加熱、化學處理（有機溶劑、酸、堿、尿素、酰胺等）。第34頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五DNA的熱變性在一個很狹窄的溫度范圍內進行，這個溫度范圍的中點叫做解鏈溫度，用Tm值表示。Tm是指有DNA雙鏈解開50%時的環(huán)境溫度，它與DNA的堿基組成，DNA分子的長度、溶液離子強度等因素有關。DNA變性時，原來位于雙螺旋內部的堿基暴露，造成260nm處的紫外吸收值增高，這種現(xiàn)象稱為增色效應（hyperchromiceffect）。第35頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五（二）復性：DNA的變性是可逆的，當變性后溫度再緩慢下降，解開的兩條鏈又可重新恢復天然的雙螺旋構象,這一過程叫做復性或退火。如果兩條鏈的堿基完全互補，通過堿基配對就有機會達到天然DNA的狀態(tài)，DNA變性引起的性質改變也得以恢復。第36頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五分子雜交技術是以核酸的變性與復性為基礎建立起來的一種技術。不僅同源的DNA單鏈之間可以進行雜交，形成雙鏈。而且不同來源的DNA、DNA與RNA，以及RNA之間也可雜交，只要這些核酸分子含有可以形成堿基互補配對的序列。通過雜交反應就可以確定兩種不同核酸之間的同源性有多大。如果同源性越高（即堿基順序相同的程度越大），雜交的程度就越大。（三）核酸的分子雜交第37頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)核苷酸代謝核苷酸是核酸（DNA和RNA）的基本組成單位體內核苷酸主要生理功用是作為原料參與DNA、RNA生物大分子的合成核苷酸還參與多種物質代謝過程：①ATP是可直接利用的能源分子②作為活化中間物的載體，如UDP攜帶糖基參加糖原、糖蛋白的合成；③核苷酸作為多種輔酶（NAD+、FAD、HSCoA等）的重要組成成分；④環(huán)核苷酸cAMP和cGMP是激素信號傳遞過程的信息分子。第38頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五核酸的消化與吸收食物核蛋白蛋白質核酸（RNA及DNA）胃酸核苷酸胰核酸酶核苷磷酸胰、腸核苷酸酶堿基戊糖核苷酶第39頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五一、嘌呤核苷酸代謝（一）嘌呤核苷酸的合成代謝哺乳類細胞嘌呤核苷酸的合成有2條途徑。主要合成途徑是用簡單小分子磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及CO2等為原料，經(jīng)過多步酶促反應，進行嘌呤核苷酸的合成，稱為從頭合成途徑（denovosynthesis）。以細胞已有的嘌呤或嘌呤核苷為前體，經(jīng)過酶促反應直接合成嘌呤核苷酸，稱為補救合成途徑（salvagepathway）。一般來說，體內多數(shù)組織主要是肝組織通過從頭合成途徑合成嘌呤核苷酸。第40頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五1.嘌呤核苷酸的從頭合成原料:5-磷酸核糖、谷氨酰胺、一碳單位、甘氨酸、CO2和天冬氨酸

CO2天冬氨酸甲?；ㄒ惶紗挝唬└拾彼峒柞；ㄒ惶紗挝唬┕劝滨０罚０坊┑?1頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五過程:嘌呤核苷酸從頭合成過程在胞液中進行，涉及多個酶促反應。第一階段先合成次黃嘌呤核苷酸（inosinemonophosphate，IMP）。第二階段中IMP作為共同前體分別轉變成腺嘌呤核苷酸（adenosinemonophosphate，AMP）與鳥嘌呤核苷酸（guanosinemonophosphate，GMP）。合成過程是耗能過程,由ATP供能。第42頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

IMP的合成

第43頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳單位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步參與下IMPAMPGMPH2N-1-R-5′-P（5′-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺轉移酶第44頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脫氫酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶AMP和GMP的生成第45頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶由核苷酸單磷酸激酶及核苷二磷酸激酶分別催化AMP和GMP通過從ATP轉移磷酸基，經(jīng)過兩步磷酸化反應，分別生成ATP和GTP第46頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

從頭合成的調節(jié)體內嘌呤核苷酸主要依靠從頭合成的方式產(chǎn)生，需要消耗氨基酸等原料及大量ATP。機體對AMP及GMP的合成速度進行著精確的調節(jié)，在核苷酸含量、相互比例、合成時間等方面適應機體合成核酸對嘌呤核苷酸的需要，以節(jié)省前提分子及能量的消耗。調節(jié)的機理是對途徑關鍵酶催化部位的反應活性進行反饋調節(jié)。第47頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五R-5-PATPPRPP合成酶PRPP酰胺轉移酶PRAIMP腺苷酸代琥珀酸AMPADPATPXMPGMPGDPGTP++_____IMP腺苷酸代琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATPGTP__++調節(jié)方式：第48頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五2.嘌呤核苷酸的補救合成細胞重新利用已有的嘌呤堿或嘌呤核苷合成嘌呤核苷酸，稱為補救合成。這一途徑比較簡單，耗能量少，有2種特異性不同的酶：腺嘌呤磷酸核糖轉移酶（APRT），次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶(HGPRT)。由PRPP提供磷酸核糖，分別催化嘌呤堿基的磷酸核糖基化合成AMP和IMP、GMP。第49頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五腺嘌呤+

PRPPAMP+PPiAPRT次黃嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鳥嘌呤+

PRPPHGPRTGMP+PPi合成過程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP第50頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五嘌呤核苷酸補救合成的生理意義利用現(xiàn)成的嘌呤或嘌呤核苷，減少能量和一些氨基酸前體的消耗。機體腦、紅細胞、多形核白細胞等由于某種從頭合成嘌呤核苷酸的酶活性缺陷，它們只能利用肝細胞產(chǎn)生的自由嘌呤堿及嘌呤核苷補救合成嘌呤核苷酸補救合成途徑對這些組織細胞具有更重要的意義。自毀容貌征或稱Lesch-Nyhan綜合征患兒因遺傳性基因缺陷而導致HGPRT完全缺失，表現(xiàn)為智力減退、有自身殘毀行為等，并伴有高尿酸血癥。第51頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五3.脫氧核糖核苷酸的生成核糖核苷酸還原酶（ribonucleotidereductase）催化二磷酸脫氧核糖核苷的生成，總反應如下：第52頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五dNDP

+

ATP

激酶dNTP+ADP二磷酸脫氧核苷NDPdNDP二磷酸核糖核苷NADP+NADPH+H+核糖核苷酸還原酶，Mg2+還原型硫氧化還原蛋白-(SH)2氧化型硫氧化還原蛋白SS硫氧化還原蛋白還原酶（FAD）脫氧核苷酸的生成第53頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五(二)嘌呤核苷酸的分解代謝嘌呤核苷酸分解主要在肝臟、小腸及腎臟進行。細胞中核苷酸酶可催化各種核苷酸水解成核苷，核苷又可被核苷磷酸化酶磷酸解生成游離的堿基及1-磷酸核糖。1-磷酸核糖可進入糖代謝，轉變?yōu)?-磷酸核糖，成為PRPP的原料，用于合成新的核苷酸；也可經(jīng)磷酸戊糖途徑氧化分解。大部分嘌呤堿可在體內分解最終生成尿酸（uricacid）。第54頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五嘌呤堿的最終代謝產(chǎn)物AMPGMPH（次黃嘌呤）GX（黃嘌呤）黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶第55頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五尿酸是人體嘌呤堿代謝的終產(chǎn)物，從腎臟排出，正常成人每天排出尿酸400~600mg。正常成人血漿中尿酸含量為0.12~0.36mmol/L（2~6mg/dl）。痛風是以血中尿酸含量過高為主要特征的疾病,多見于成年男性。原發(fā)性痛風癥發(fā)生由于某些嘌呤核苷酸代謝相關酶遺傳性缺陷導致嘌呤核苷酸過量產(chǎn)生，尿酸生成異常增加，引起高尿酸血癥。進食高嘌呤飲食、體內核酸大量分解（如白血病、惡性腫瘤等）或腎疾病而尿酸排泄障礙，也可能導致血中尿酸升高。第56頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五由于尿酸水溶性較低，血漿尿酸含量超過0.48mmol/L(8mg/dl)時，尿酸鈉鹽晶體可在關節(jié)、軟組織、軟骨及腎等處沉積，引起關節(jié)炎、尿路結石及腎疾病。臨床上常用次黃嘌呤結構類似物別嘌呤醇（allopurinol）治療痛風癥。別嘌呤醇通過競爭性抑制黃嘌呤氧化酶，而抑制尿酸的生成；或轉變?yōu)镮MP類似的別嘌呤核苷酸，反饋抑制嘌呤核苷酸的從頭合成，減少尿酸產(chǎn)生量。第57頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第58頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

二、嘧啶核苷酸代謝

（一）嘧啶核苷酸的合成代謝

1.從頭合成途徑

2.補救合成途徑第59頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五

1.嘧啶核苷酸的從頭合成

從頭合成途徑的前體:

嘧啶核苷酸從頭合成的前體分子是5-磷酸核糖、天冬氨酸、谷氨酰胺和CO2

天冬氨酸谷氨酰胺CO2第60頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五從頭合成途徑的過程:嘧啶核苷酸從頭合成途徑首先生成UMP。尿嘧啶核苷酸的合成：嘧啶環(huán)的合成有6步反應完成，第一步是生成氨基甲酰磷酸。肝臟是嘧啶合成的主要的器官，肝細胞中存在2種氨基甲酰磷酸合成酶（CPS）。在肝細胞線粒體中氨基甲酰磷酸合成酶I(CPS-I)催化生成氨基甲酰磷酸用于合成尿素。而肝細胞液中存在氨基甲酰磷酸合成酶II(CPS-II)則以谷氨酰胺為氮源合成氨基甲酰磷酸，用于合成嘧啶；這2種酶有不同的性質和生理功用。第61頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五谷氨酰胺+

CO２氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+Pi谷氨酸+氨基甲酰磷酸第62頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五第63頁，共72頁，2023年，2月20日，星期五在胞液中，氨基甲酰磷酸、天冬氨酸等產(chǎn)生具有嘧啶環(huán)的乳清酸后，乳清酸與PRPP化合，生成乳清酸核苷酸，進一步形成UMP。第64頁，共72頁，2023年，2月20日，星期