医学核酸基础知识

二十世纪是二十一世纪是物理学生命科学的世纪的世纪生命是生命=核酸+蛋白质二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪？核酸、蛋白质谁更“牛”?目的要求：介绍核酸的分类、化学组成、结构特征和理化性质，并在此基础上介绍核酸在体内的变化。初步认识核酸与遗传的关系。了解核酸类药物。第五章核酸基础知识授课顺序第一节核酸的概述第二节核酸的化学组成第三节核酸的分子结构第四节核酸的理化性质第五节核苷酸代谢第六节核酸与遗传第一节核酸的概述一、核酸的发现和研究简史二、核酸的种类三、核酸的分布四、核酸的概念和重要性五、核酸在医药上的应用一、核酸的发现和研究简史1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1935年，Kossel和Levene等确定核酸的组分是DNA和RNA，提出“四核苷酸假说1944年Avery等人通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953年Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958年Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后，分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，90年代以后，实施人类基因组计划（HGP）二、核酸的种类1、脱氧核糖核酸（DNA，细胞核）DeoxyribonucleicAcid2、核糖核酸（RNA，胞质）RibonucleicAcid1、脱氧核糖核酸（DNA）DNA为双链分子，其中大多数是线形结构大分子，也有少部分呈环状结构二、核酸的种类2、核糖核酸（RNA）RNA为单链分子。主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。根据RNA的功能，可以分为mRNA信使RNAtRNA转运RNArRNA核糖体RNA二、核酸的种类mRNA、tRNA和rRNAmRNA：约占全部RNA的5%，可以作为合成蛋白质的直接模板。tRNA：约占全部RNA的15%，在蛋白质合成中起转运氨基酸的功能。rRNA：约占全部RNA的80%，是构成核糖体的成分。2、核糖核酸（RNA）二、核酸的种类真核生物原核生物病毒DNA细胞核（98%）核质病毒DNA细胞质（少量）质粒DNA线粒体（少量）叶绿体（少量）RNA细胞质（90%）细胞质病毒RNA核仁（少量）三、核酸的分布四、核酸的概念和重要性核酸包括DNA和RNA，它们都是由核苷酸组成的具有复杂三维结构的大分子物质。（一）概念（二）重要性1、核酸是遗传物质2、核酸参与蛋白质的生物合成五、核酸在医药上的应用1、RNA：可用于改善精神迟缓，记忆衰退，刺激造血，促进白细胞再生，治疗初级癌症。2、DNA：可用于改善疲劳，提高抗癌疗效。3、免疫核糖核酸：用于肿瘤的免疫治疗。4、多聚核苷酸：作为干扰素的诱导剂。5、核苷酸：CMP；治疗肝炎、肾炎、白血球、血小板升高第二节核酸的化学组成一、核酸的元素组成二、核酸的结构组成三、核苷酸的衍生物四、核苷酸的生物学功能五、核苷酸的连接方式一、核酸的元素组成组成核酸的基本元素：C、H、O、N、其中P的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。二、核酸的结构组成（一）化学组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖(pentose)碱基(base)1、戊糖（pentose）RNA中的戊糖为D-核糖（D-ribose）DNA中的戊糖为D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖RiboseDeoxyribose2′1′3′4′5′2′二、核酸的结构组成（一）化学组成2、碱基（氮碱）核酸中的碱基分为两类，即嘌呤碱和嘧啶碱。（1）.嘌呤碱（purine）：为嘌呤的衍生物，两种：腺嘌呤（adenineAdeorA）鸟嘌呤（guanineGuaorG）（2）.嘧啶碱（pyrimidine）：为嘧啶的衍生物，三种：胞嘧啶（cytosineCytorC）尿嘧啶（uracilUraorU）胸腺嘧啶（thymineThyorT）二、核酸的结构组成（一）化学组成基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine(A)Guanine(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)3.稀有碱基（修饰碱基、微量碱基）含量甚少的碱基，多数为主要碱基的修饰物。主要存在于RNA分子中。二、核酸的结构组成（一）化学组成两类核酸分子组成的比较磷酸D-核糖CUAGRNA磷酸D-2-脱氧核糖CTAGDNA酸核糖嘧啶嘌呤1、核苷二、核酸的结构组成（二）核苷与核苷酸OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸5’5’3’3’磷酸与核苷5’位-OH脱水形成磷酸酯键2、核苷酸核苷酸种类RNA中含有腺苷酸AMP，鸟苷酸GMP，胞苷酸CMP，尿苷酸UMP，DNA中含有脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP2、核苷酸三、核苷酸的衍生物（一）多磷酸核苷5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷ADP三磷酸腺苷ATP构成DNA及RNA的碱基、核苷和常见核苷酸碱基核苷核苷酸DNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷脱氧胸苷脱氧腺苷酸(dAMP)、dADP、dATP脱氧鸟苷酸(dGMP）、dGDP、dGTP脱氧胞苷酸(dCMP)、dCDP、dCTP脱氧胸苷酸(dTMP)、dTDP、dTTPRNA腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)腺苷鸟苷胞苷尿苷腺苷酸(AMP)、ADP、ATP鸟苷酸(GMP）、GDP、GTP胞苷酸(CMP)、CDP、CTP尿苷酸(UMP)、UDP、UTP1、3’，5’-环化腺苷酸（cAMP）三、核苷酸的衍生物（二）环核苷酸放大激素信号2、3’，5’-环化鸟苷酸（cGMP）三、核苷酸的衍生物（二）环核苷酸缩小激素信号三、核苷酸的衍生物（三）辅酶类核苷酸1、作为核酸的单体2、细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、UTP）3、酶的辅助因子的结构成分（如NAD+）4、细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）四、核苷酸的生物学功能五、核苷酸的连接方式2、核酸一级结构的简写：①②5′-pGpApCpTpTpApC-OH-3′③5′-GACTTAC-3′不同的核苷酸在核酸长链上的排列顺序。也称为核苷酸序列或碱基序列。五、核苷酸的连接方式1、核酸的一级结构：第三节核酸的分子结构一、DNA的分子结构DNA的分子组成：Chargaff规律DNA的空间结构二、RNA的分子结构RNA的分子组成RNA的空间结构一、DNA的分子结构1、四种碱基：A、G、C、T2、A+G=C+T，A=TG=C3、DNA的碱基组成有物种的特异性4、DNA的碱基组成无组织的特异性Chargaff规律DNA的二级结构Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。DNA的空间结构DNA双螺旋结构模型要点1、反平行的两条多核苷酸链形成右手双股螺旋2、外侧：磷酸与脱氧核糖内侧：嘌呤与嘧啶碱碱基互补规律：A-T，G-C3、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行横向作用力：氢键纵向作用力：碱基平面间的堆积力4、每圈螺旋：10个核苷酸碱基堆积距：0.34nm双螺旋直径：2nm★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★碱基互补规律：A-T，G-C★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持每圈螺旋10个核苷酸碱基堆积距0.34nm双螺旋平均直径2nmDNA的三级结构1、定义：双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象——超螺旋结构。螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋2、DNA的存在形式--核小体DNA的三级结构组蛋白八聚体核小体H1组蛋白（一）、RNA分子的组成1、碱基组成：•基本碱基：A、G、C、U•稀有碱基：60多种，主要由碱基修饰而来2、戊糖：D-核糖3、磷酸4、基本单位：核苷酸二、RNA的分子结构1、定义：RNA的多核苷链在某些部分弯曲折叠形成的双螺旋区。2、特点：•双螺旋区的碱基有配对规律•双螺旋区不能参加配对的碱基仍以单链形式存在3、以tRNA为例讲述其结构特点二级结构二、RNA的分子结构DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCA3´5´tRNA的二级结构特点--三叶草型定义：指tRNA的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成一种形状象倒L型字母的三维结构。三级结构二、RNA的分子结构第四节核酸的理化性质一、酸碱性质二、溶解性和粘度三、紫外吸收四、变性、复性与杂交一、酸碱性质•两性电解质：含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，通常表现为较强的酸性。•pH大于4时，呈阴离子状态。二、溶解性和粘度1、溶解性：微溶于水，不溶于有机溶剂2、粘度：DNA〉RNA•DNA粘度很大，可作为变性指标•RNA粘度很小三、紫外吸收碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有强烈的光吸收，λmax=260nm天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123鉴定纯度：纯DNA的A260/A280应为1.8纯RNA的A260/A280应为2.0五、变性、复性和分子杂交1、变性——在物化因素影响下，核酸互补碱基之间的氢键断裂的现象。•DNA：双链变成两条单链•RNA：局部双螺旋被破坏，失去原有的空间构象五、变性、复性和分子杂交2、复性——变性DNA在一定条件下，两条互补的单链重新缔合而恢复天然的双螺旋结构，其物理性质和生物活性随之恢复的过程。•热变性的DNA在缓慢冷却后可以复性，也称为退火。五、变性、复性和分子杂交3、分子杂交——在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA单链分子，去掉变性条件后复性形成双螺旋结构的过程。•DNA杂交：DNA-DNA•RNA杂交：DNA-RNA意义：•基因诊断最常用的基本技术，是定性、定量检测特异DNA或RNA片段的有力工具。探针变性（加热）杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）探针探针变性（加热）杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）变性（加热）变性（加热）杂交（缓慢冷却）杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）第五节核苷酸代谢一、体内核苷酸分布情况及来源二、核苷酸的分解代谢三、核苷酸的合成代谢一、体内核苷酸分布情况及来源1、分布情况•体内核苷酸主要是5′-核苷酸，核糖核苷酸浓度（mmol）远大于脱氧核糖核苷酸（μmol）。ATP最多。2、体内核苷酸的来源•食物核酸消化吸收•体内核酸的降解•体内生物合成：完全能够满足机体需要1、嘌呤核苷酸的分解过程：AMPGMP次黄嘌呤黄嘌呤尿酸二、核苷酸的分解代谢黄嘌呤氧化酶腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶AG正常：119~357µmol/L痛风症的治疗机制鸟嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤尿酸黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶二氢尿嘧啶β-脲基丙酸β-脲基异丁酸CO2+NH3H2N-CH2-CH2-COOHβ-丙氨酸H2N-CH2-CH-COOHCH3β-氨基异丁酸2、嘧啶核苷酸的分解二、核苷酸的分解代谢二、核苷酸的合成代谢从头合成途径(denovosynthesispathway)补救合成途径(salvagesynthesispathway)利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的