第八章 核酸结构、功能与核苷酸的代谢

第一节 核酸及其化学组成 一、核酸及其分类 1928-1952年，证实遗传的物质基础是核酸 1868年，Friederich Miesescher 从脓细胞核中分离出一碱性蛋白和含磷的有机酸的混合物，称之为核素 1928-1952年，证实遗传的物质基础是核酸

核酸分类 脱氧核糖核酸（DNA）：细胞核，贮存遗传信息 核酸 核糖核酸（RNA）：细胞质和胞核，传递遗传信息

二、核酸的化学组成 用酸将DNA/RNA完全水解 DNA：含氮碱基、2-脱氧-D-核糖和磷酸 RNA：含氮碱基、D-核糖和磷酸

核酸（核苷酸多聚物）：核苷酸 戊糖 碱基 核苷 磷酸

一、含氮碱基 (包括：嘌呤和嘧啶)

腺嘌呤 鸟嘌呤

胸腺嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶

二、戊糖（DNA含脱氧核糖；RNA以核糖取代了脱氧核糖）

三、核苷（嘌呤或嘧啶与糖相连后形成） 核苷结构

四、核苷酸(核苷的磷酸酯，磷酸位于C－5’) AMP ADP ATP 腺苷酸及其多磷酸化合物

第二节 DNA的结构与功能 一、DNA的一级结构 * 3’,5’磷酸二酯键,前一个脱氧核苷酸的3’-OH和后一个的5’-磷酸缩合形成磷酸二酯键 * 方向性：通常规定5’3’为正向

DNA一级结构的表示法 结构式 p A C T G 线条式 字母式 OH 1´ 3´ 5´ 5´ ACTGCATAGCTCGA 3´ 5´

二、DNA的二级结构 1953 年Watson 和 Crick 提出右手双螺旋模型 Chargaff法则： * A=T，G＝C；

右手双螺旋模型要点 DNA分子由两条反向的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟 双螺旋直径2nm，碱基平面垂直于螺旋纵轴

两条链都由磷酸和脱氧核糖以3’，5’-磷酸二酯键相连而成，它们位于螺旋的外侧。嘌呤碱基与嘧啶碱基位于螺旋的内侧，糖基平面与碱基平面相垂直 两条多核苷酸链依照碱基互补配对的原则形成的氢键相连接；A-T间形成两个氢键；G-C间形成三个氢键

碱基配对示意图

O H N G H N A O H N C O H N T X 1.08 nm 1.08 nm

三、 DNA的三级结构 DNA的三级结构：DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂结构。以超螺旋最为常见 正超螺旋 负超螺旋模型（多见）

核小体 的核心 真核生物的三级结构常是以核小体的形式存在，核小体常由约200个碱基对的DNA和包括H1, H2A，H2B，H3，H4在内的5种组蛋白结合在一起所构成

长约140bp的DNA分子绕核心部位1¾圈

四、真核生物基因组 基因：细胞遗传信息的携带者，是DNA或RNA的功能性片段。它是多核苷酸链中能够决定一种蛋白质或一条多肽链的遗传单位 基因组：生物体内遗传信息的组合。对于高等生物来说，一套染色体构成一个基因组

第三节、RNA的结构与功能 RNA的结构特征： 1. RNA分子的碱基组成主要是A、G、C、U。此外，RNA分子中含有多种稀有碱基 3. RNA分子比DNA分子小。按其在基因表达中的作用常分为三大类

一、转移RNA 转移RNA（transfer RNA，tRNA）：在多肽链的合成中起转运氨基酸的作用 特征： 2.稀有碱基及核苷含量丰富 3.tRNA的5端大多为pG，3端为CCA（与氨基酸相连） 4.tRNA均可以形成二级和三级结构

tRNA的二级结构呈三叶草型，二级结构有四个螺旋区、 三个环、 和一个附加叉 第一个环: DHU环，含二氢尿嘧啶 第二个环: 反密码环，与mRNA上的三联密码互补配对，在蛋白质合成中解读密码子，把正确的氨基酸引入合成位点 第三个环:Tψ环，含有稀有碱基胸腺核苷T和假尿苷ψ tRNA的三级结构为倒L型

tRNA二级结构示意图

tRNA三级结构示意图

二、信使RNA 信使RNA是蛋白合成的模板。mRNA种类多，含量少，占RNA总量的5％-10％。mRNA的T1/2短，一般不超过数小时或几天。代谢率高。组成单位：A、G、C、U 它们按一定顺序通过3’，5’磷酸二酯键相连形成一多核苷酸链。其残基数从几百到几万不等

真核生物mRNA的一级结构特点 mRNA的3’端有一长约200个A的polyA尾 mRNA的5’端有一7mG.5’ppp5’NpN帽

mRNA结构示意图

三、核蛋白体RNA 核蛋白体RNA（ribosomal RNA ，rRNA）与蛋白质组成核蛋白体参与蛋白的合成，是蛋白合成的场所。rRNA是细胞中RNA含量最多的一种，约占总RNA的75％-80％ 真核细胞中含4种rRNA，按其含氨基酸残基数目的多少，分为28S、5.8S（大亚基）；18S 、 5S（小亚基）

核酶 从此改变了“酶的化学本质为蛋白”的传统概念 1981年， T. cell 从四膜虫中发现：一类具有自身催化，并可以剪切去除RNA内含子的催化活性的RNA分子，称之为核酶 从此改变了“酶的化学本质为蛋白”的传统概念

第四节 核酸的理化性质 一、核酸的一般性质 核酸是生物大分子，具有大分子的一般性质。表示核酸分子的大小的方式除了分子量外，常用碱基数目或碱基对数目来表示。核酸是两性电解质，但因磷酸基酸性较强，常显酸性

二、核酸的紫外吸收 这一性质主要用于核酸的定量 由于核酸中的嘌呤和嘧啶分子都含共轭双键，使得核酸分子在250nm-280nm处有吸收，但最大吸收峰在260nm处 这一性质主要用于核酸的定量

三、核酸的变性、复性及杂交 变性：DNA变性是指双螺旋的DNA分子双链解开形成单链的过程。由于双螺旋的稳定是靠碱基堆砌力及氢键来维持，所以DNA变性是不伴有共价键的断裂 引起DNA变性的因素有：加热、化学因素（有机溶剂、酸、碱、尿素）和机械力

Tm：DNA热变性是在一很窄的温度范围内进行，这个温度范围的中点叫解链温度。用Tm值表示。它表示有50％的DNA分子解链时的温度 Tm值是一特征常数，它由DNA碱基组成DNA分子长度溶液离子强度等因素有关。PCR实验时常会用到这个性质 增色效应：变性后的DNA分子溶液在260nm处的光吸收增加的现象

复性：DNA变性后，当温度缓慢下降时，解开的双链可以重新締合形成双螺旋的过程，称之为DNA的复性 核酸分子的杂交 基于核酸变性和复性的原理，并依据碱基间互补配对的原则而建立的一门技术。主要用于确定两种相同或不同的核酸分子间同源性的鉴定

第五节 核酸的代谢 核苷酸代谢的作用： DNA或RNA生物合成的原料 第五节 核酸的代谢 核苷酸代谢的作用： DNA或RNA生物合成的原料 核苷酸的衍生物是许多物质生物合成的活性中间产物。如：UPD-葡萄糖是糖原合成的活性物质 ATP是生物体内能量的直接来源。 AMP是某些重要辅酶或辅基（FAD、CoA）的组成成分 某些核苷酸是三大代谢中许多关键酶的变构效应剂 cAMP/cGMP可作为一些激素作用的第二信使

核苷酸的合成途径分: 补救途径：以嘌呤或嘧啶碱基及相应的核苷为原料合成核苷酸的途径称之为补救途径 从头合成途径：以氨基酸、一碳单位、二氧化碳等小分子合成嘌呤或嘧啶的途径

一 嘌呤核苷酸的合成代谢 嘌呤核苷酸的从头合成途径 原料：谷氨酸、天冬氨酸、一碳单位以及二氧化碳。核糖5-磷酸来自磷酸戊糖途径 一 嘌呤核苷酸的合成代谢 嘌呤核苷酸的从头合成途径 原料：谷氨酸、天冬氨酸、一碳单位以及二氧化碳。核糖5-磷酸来自磷酸戊糖途径 顺序：先与磷酸核糖相连，然后再合成碱基部分 PRPP+2Gln+Gly+N5，N10-甲炔THFA+CO2+Asp+甲酰THFAIMP

7N Asp N1 C2 C N9 N 甘氨酸 嘌呤碱基的元素来源 CO2 甘氨当中站, 谷氮坐两边,左上天冬氨, 头顶CO2 甲酰基 3 C 4 5 6 N9 7N 8 Asp 甲酰基 (一碳单位) 甲酰基 (一碳单位) 甘氨当中站, 谷氮坐两边,左上天冬氨, 头顶CO2 Gln(酰胺基) 嘌呤碱基的元素来源

嘌呤核苷酸的从头合成途径

嘧啶核苷酸的从头合成途径

嘌呤核苷酸的补救合成途径 补救合成途径：以现成的嘌呤碱基作为合成核苷酸的途径叫做补救途径。 腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤核苷酸的合成：腺嘌呤 + PRPP AMP + PPi 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化IMP与GMP的合成： 次黄嘌呤 + PRPP IMP + PPi 鸟嘌呤 + PRPP GMP + PPi

自毁容貌综合症： 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷表现为患儿智力发育受阻，共济不佳，具有攻击性和敌对性。患儿有咬自己口唇、手指以及脚趾等自毁容貌综合症/Lesh-Nyhan综合症 脑和骨髓主要通过补救途径来合成嘌呤核糖核苷酸

Lesh-Nyhan综合症 缺乏HGPRT酶 X-联锁 (Gene on X) 男性多发 特征： 嘌呤代谢高 200倍 尿酸尿酸水平高 痉挛 神经系统缺陷 攻击性行为 自残 自毁容貌综合症/ Lesh-Nyhan综合症

某些嘌呤碱基类似物，如：6-巯基嘌呤、 6-巯基鸟嘌呤以及2，6-二氨基嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤由于能抑制生物体内嘌呤核苷的补救合成途径因此具有抗肿瘤的作用

二、嘧啶核苷酸的合成代谢 嘧啶核苷酸的从头合成途径： 原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、 CO2。磷酸核糖部分也是PRPP 顺序：先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸 部位：胞浆

天冬氨酸 氨甲酰磷酸 NH2 HC H2C HOOC 嘧啶碱基的元素来源

嘧啶核苷酸的合成途径 UMP

胞嘧啶核苷酸(CTP)的合成 C O HN CH N R-5'-P 二磷酸 尿苷激酶 尿苷酸激酶 C O N CH NH2 二磷酸 尿苷激酶 Gln, ATP 尿苷酸激酶 CTP合成酶 UDP UTP Glu, ADP+Pi ATP ADP ATP ADP C O N CH NH2 R-5'-P-P-P UMP CTP

嘧啶核苷酸的补救合成途径 1.磷酸核糖转移酶催化嘧啶碱接受来自PRPP的磷酸核糖基，直接生成相应的核苷 2.嘧啶碱基在核苷酸磷酸化酶的催化下先与核糖1-磷酸反应生产嘧啶核苷，再在嘧啶核苷激酶的催化下磷酸化生成核苷酸 尿嘧啶 + PRPP UMP+PPi 尿嘧啶+ 核糖1-磷酸 尿嘧啶核苷+Pi 尿嘧啶核苷 + ATP UMP+ADP

三 脱氧核糖核苷酸的生成 脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸还原而生成的。核糖核苷是在核苷二磷酸（NDP）水平上还原脱氧核糖核苷酸的 NDP + NADPH（H+） dNDP + NADP+ + H2O 核糖核苷酸还原酶

dTMP是由dUMP甲基化生成，N5，N10-CH2-FH4是一碳单位供体 dUMP的来源有二： 一是dUDP的水解；二是dCMP的脱氨基（为主）

分化较快的肿瘤细胞由于需要有大量的dTMP以供能量合成的需要 5-FU与dUDP相似，可以起到抑制DNA合成的功能 FH4作为一碳单位的载体，在嘌呤和嘧啶核苷酸的合成过程中起重要的作用。某些叶酸类似物，如：氨甲蝶呤 可以抑制FH4的合成进而抑制了dTDP的合成； 此外，戊糖的核苷类似物也有类似的抗癌功效

四、核苷一磷酸、核苷二磷酸 和核苷三磷酸的相互转变 UMP + ATP UDP + ADP AMP + ATP ADP + ADP XDP + YTP XTP + YDP

五 嘌呤核苷酸的分解代谢 细胞中的核苷酸在核苷酸酶的作用下水解生成核苷 五 嘌呤核苷酸的分解代谢 细胞中的核苷酸在核苷酸酶的作用下水解生成核苷 核苷经过核苷酸磷酸化酶酶解成碱基（参与核苷酸的补救合成途径或进一步氧化成尿酸排出体外）与 核糖1-磷酸。核糖1-磷酸在磷酸核糖变构酶的催化下变为5-磷酸核糖（合成PRPP的原料）

嘌呤核苷酸的分解代谢 AMP I 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 X 尿酸 GMP G

黄嘌呤和次黄嘌呤是嘌呤代谢生成终产物尿酸过程的中间产物 痛风是血中尿酸含量过高为特征的疾病。常伴有关节与肾脏受累。临床上常用别嘌呤醇（次黄嘌呤类似物）抑制黄嘌呤氧化酶从而抑制尿酸的生成；别嘌呤醇还可以与PRPP反应生成别嘌呤醇核苷酸，不仅使PRPP含量减少，还直接抑制了嘌呤核苷酸的合成

痛 风

六 嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶核苷酸经降解反应生成游离的嘧啶及磷酸核糖 六 嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶核苷酸经降解反应生成游离的嘧啶及磷酸核糖 胞嘧啶脱氨基转化生成尿嘧啶，尿嘧啶还原成二氢尿嘧啶，并水解开环，最终生成NH3、CO2 、 β-丙氨酸。胸腺嘧啶降解生成的β-氨基异丁酸则可作为一种氨基酸进一步分解或直接随尿排泄