第二章核酸结构、功能

一、核酸及其分类 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

第一节 核酸及其化学组成

核酸分类

核酸

核糖核酸（ RNA ）：细胞质和胞核，传递遗传信息

脱氧核糖核酸（ DNA ）：细胞核，贮存遗传信息

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

二、核酸的化学组成

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 )

鸟嘌呤 腺嘌呤

胸腺嘧啶 尿嘧啶 胞嘧啶

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

DNA 的一级结构是指核酸分子中核苷酸排列顺序及连接方式

* 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

5´

3´

结构式

5´

3´

p p p p OH3´

A C T G1´

线条式

5´ ACTGCATAGCTCGA 3´

字母式

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； * 不同物种的 DNA 碱基组成不同； * 同一个体的不同器官以及不同脏器的 DNA 具有相同的碱基组成

1.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

2.双螺旋直径 2nm ，碱基平面垂直于螺旋纵轴

右手双螺旋模型要点

3.两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

4.两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

XH

N

N

NN

HH

NH

AO

O

H

H N

N

H

H

H

T

O

H

N

N

NN

H

G

NH H

OH N

N

C

NH H

H

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

负超螺旋模型（多见）正超螺旋

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 ， H2

B ， H3 ， H4 在内的 5种组蛋白结合在一起所构成

核小体

的核心

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

2. RNA 多为单股多核苷酸链，局部可形成双链

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： 1.分子量小，常由 70-90 个核糖核苷酸残基组成，约占总 RNA 的 10％ -15％

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

1. mRNA 的 3’端有一长约 200个 A的 polyA尾 2. mRNA 的 5’端有一 7mG.5’ppp5’NpN帽 3. 真核细胞 mRNA的二级结构没有发现有规律可循，但 mRNA自身可以在局部折叠形成局部性双螺旋或发卡结构

4. 真核细胞核内的 mRNA的初级转录本含有内含子，再变为成熟的mRNA之前尚需一系列的剪切加工

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 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 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

DNA变性复性是否可逆以及可逆性的程度可人为加以控制

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：1. DNA 或 RNA 生物合成的原料 2. 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

3. ATP是生物体内能量的直接来源。4. AMP是某些重要辅酶或辅基（ FAD 、 CoA ）的

组成成分 5. 某些核苷酸是三大代谢中许多关键酶的变构效应剂

6. 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

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 THFAIMP

嘌呤碱基的元素来源

N1

C2

N3 C

4

C5

C6

N9

7N

C8 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

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

自毁容貌综合症 /

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

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

嘧啶碱基的元素来源

氨甲酰磷酸

天冬氨

酸

NH2HCH2C

HOOC

HOOC

UMP

嘧啶核苷酸的合成途径

ATP

胞嘧啶核苷酸 (CTP) 的合成

CO

HNC

CH

CHN

O

R-5'-P

尿苷酸激酶UDP

UMP

二磷酸 尿苷

激酶ADP

UTP

CO

NC

CH

CHN

NH2

R-5'-P-P-P

Gln, ATP

Glu, ADP+Pi ATP ADP

CTP

CTP 合成酶

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

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

GMP G

X

黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶 尿酸

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

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