[论文]4核酸与核酸代谢

第七章核酸
前言：核酸是生命最重要的分子，最简单的生命仅含有核酸（病毒）。

150亿年宇宙蛋，50亿年太阳，46亿年地球，无机有机生物大分子细胞。

美国的Miller在做其PhD时，模拟40亿年前地球的原始大气条件，产生了AA，见（B）P13，有了AA当然就会产生蛋白质。

但核苷酸何时产生？据估计也不少于40亿年前，谁先谁后？1868年首次在绷带上的脓细胞核中发现一种富含磷酸呈酸性又不溶于酸溶液的分子，命名为核素，其实是核蛋白，1898年从小牛的胸腺中提取了一种溶于碱性溶液中的纯净物，这才是真正的核酸，从此，对核酸的研究全面展开，揭开了生物化学领域惊天动地的一页。

§1.核酸的分子组成
一.基苯分子组成：对核酸的水解发现
核酸酶磷酸单酯酶核苷酶
（脱氧）核酸—--→（脱氧）核苷酸—------→○P+（脱氧）核苷----→戊糖+碱基
由上面可知，核酸的结构单位是（脱氧）核苷酸，基本组成成分是○P、戊糖、碱基
核酸共有2类，脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA，其特点如下
○P 戊糖基本碱基
DNA 同脱氧核糖（2位）P129 A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）RNA 同核糖P129 A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）
二．碱基的结构：基本碱基一共只有5种，从分子骨架上分将碱基分为嘌呤碱基和嘧啶碱基。

1.嘌呤碱基：嘌呤（Pu）的结构及编号：P130下
A（腺嘌呤）的结构：P130
G（鸟嘌呤）的结构：见草图
2.嘧啶（Py）碱基：嘧啶（Py）碱基的结构及编号：新系统，P130上
C（胞嘧啶）：氨基态，P131
U（尿嘧啶）：酮式，P131
T（胸腺嘧啶）：见草图
以上各具体碱基的结构最好见（B）P61，结合图来记忆。

记忆口诀：先将嘌呤和嘧啶的结构式记住，然后再记住下面口诀
胸前一滩尿：U + 一碳基团（甲基）＝T
尿里两泡泡：嘧啶中有两个O＝U
上面一个是氨气包：U靠上面的一个O换成-NH2就是C
鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即O，嘌呤有O又有-NH2 ＝G
线儿将鸟嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2换个位置＝A
三.核苷：由戊糖和碱基形成的糖苷，见P132上，反式更稳定，顺式更好认。

仍用单字母表示，跟碱基的表示法相同，只是在脱氧时加d，如dA。

糖苷键的键型均为β-N型，不是α- N型。

解释之。

各种核苷的结构均见P132，略。

注意核苷中的戊糖的编号要加“’”号，如2’位。

碱基中的编号不加“’”号。

有一种特殊的核苷叫假尿苷，糖苷键的键型均为β-C型，见P134右。

四.核苷酸：核苷与磷酸形成的酯。

磷酸出羧基，戊糖出羟基。

1.戊糖有2’、3’、5’位自由-OH，因此可以形成2’、3’、5’-核苷酸，其中5’-核苷酸为默认的核苷酸。

见133上。

2.磷酸的个数可以有1、2、3，这是指TP、DP、MP与核苷形成的酯，见P133下。

表示为NMP、NDP、NTP，脱氧时加“d”，如ATP、dATP。

3.可以形成环状的核苷酸：一个磷酸以二个羧基与戊糖上的两个-OH形成酯，见P134，称为磷酸二酯键，这种键可以处在3’、5’之间（默认的环核苷酸），也可以处在2’、3’之间，没有处在2’、5’之间的。

表示为c，如cAMP环腺苷酸，dcAMP。

所以遇到核苷酸时要注意是否脱氧，有几个磷酸，是否成环。

核苷酸的性质：是两性电解质，有PI；紫外吸收峰为260nm，是碱基造成的。

蛋白质为280nm。

§2.核酸的一级结构
一．核酸就是多聚核苷酸：
是磷酸通过3’、5’磷酸二酯键将核苷连接起来的长链，见P138。

其一端点的核苷酸的5’-OH没有参与3’、5’磷酸二酯键的形成，也就是说有游离的5’-OH，这一端点叫5’端，反之另一端就是3’端。

这样核酸的写法就具有方向，5’→3’或3’→5’，规定标准的书写方法是5’→3’，如确有必要写成3’→5’则需专门注明。

如果核酸的两端也被磷酸二酯键连起来了，则无端点，但仍有方向。

二．核酸的一级结构表示法
1. 书写的方向5’→3’
2. 完整结构表示法：见P138
3. 线条式缩写法：见P138，碱基、磷酸、戊糖以及酯键的位置都很清楚。

4. 字母式缩写法：见P138，碱基、磷酸位置清楚，戊糖以及酯键的位置略掉。

三.一级结构测定涉及到的工具酶：水解3’、5’磷酸二酯键
酶类别底物特异性产物
牛脾磷酸二酯酶SPDase 外切酶DNA、RNA 从5’端作用（要求5’端有游离的5’-OH）,切点见P141HO-Np↓……3’-NMP
蛇毒磷酸二酯酶VPDase 外切酶DNA、RNA 从3’端作用（要求3’端有游离的3’-OH）, 切点见P141……↓pN-OH 5’-NMP
磷酸单酯酶Pmase 外切酶DNA、RNA 去掉端点核苷酸的游离磷酸根，见P141p↓N……N↓p 端点有游离的-OH
牛胰核糖核酸酶RnaseⅠ内切酶RNA 左边为Py，切点见P140-Pyp↓N- 3’端Py核苷酸具有游离的3’-○P
核糖核酸酶T1Rnase T1 内切酶RNA 左边为G，切点见P140-Gp↓N- 3’端G核苷酸具有游离的3’-○P
核糖核酸酶U2Rnase U2 内切酶RNA 左边为Pu，切点见P140-Pup↓N- 3’端Pu核苷酸具有游离的3’-○P
DNA限制性内切酶内切酶DNA双链高度专一性：迴文对称结构…↓AGCT…………TCGA↑……↓AGCT……↑TCGA…粘性末端：……AGCT…………TCGA ……平末端……AGCT………… TCGA……
*** DNA限制性酶是在细菌中发现的专一性很高的DNA内切酶，是基因工程最重要的工具酶，目前已经发现数百种，在特定的DNA上标出各种DNA限制性酶的作用点就是DNA 限制性酶图谱。

§3.核酸的二级结构和三级结构
一. DNA的二级结构：DNA分子骨架在空间的走向
1. 二级结构的依据
<1>对DNA分子结晶的X衍射数据：由Franklin和Wilkins提供，来源不同的DNA的二级结构非常相似。

前者早逝，后者与Watson、Creck分享了诺贝尔奖。

<2>Chargaff规则：A与T、G与C在任何DNA分子中的摩尔数都相等。

<3>DNA是遗传物质，能够自我复制。

<4>大量的电位滴定（探测H键的方法）和其它物化数据
2. Watson-Creck的DNA二级结构模型（B-DNA，线状DNA，自然选择）: 美国Watson 、英国Creck在1953/5的《Nature》上合作了一篇文章，第一次科学的提出了DNA二级结构模型，现总结如下：
<1>DNA分子是由2条互相缠绕的多聚脱氧核苷酸链组成（简称2条DNA单链），反向平行（一条链为5’→3’，另一条链为3’→5’），空间走向为右手螺旋，有一个假想的螺旋轴（见自制模型，手指）。

P157
<2>2条链靠链间的H键结合，H键的产生符合碱基配对原则：A＝T，G＝C，P157，由电镜照片为证。

右手螺旋的维持力主要是碱基堆积力（范德华力？疏水力？），其次是氢键。

<3>DNA的骨架为磷酸和脱氧核糖，在分子外面（相当于梯子的扶手，见自制模型），戊糖平面∥螺旋轴，DNA的侧链基团是碱基，在分子内部（相当于梯子的横档，见自制模型），碱基平面⊥螺旋轴。

螺距34Å，直径20Å，10bp/圈。

分子背部有一条宽沟称为大沟，分子腹部有一条窄沟叫小沟，复制和转录的有关酶就是付在大沟之处的。

<4>遗传信息储存在DNA分子的bp序中。

<5>意义：能够解释DNA的一切物理化学性质；实现了DNA的结构与生物功能之间的统一：精确的自我复制。

3. 其它的DNA二级结构模型
<1>A-DNA：B-DNA脱去部分结晶水而形成的，属粗短型DNA，仍为右手双股螺旋，螺距25Å，直径26Å，11bp/圈，进一步脱水可形成C-DNA。

<2>Z-DNA：左手双股螺旋，人工合成的d（GC）n，属瘦长型，螺距46Å，直径18Å，12bp/圈，大小沟不明显。

用免疫学方法探得人体内有存在，是DNA分子局部的二级结构，意义在于封闭基因表达，使复制和转录的酶找不到大沟。

<3>3股右手螺旋模型：人工合成d（Py）、d（Pu），按照1：2或2：1混合就形成了3股右手螺旋。

具体过程是，2条链先形成B-DNA，第三条链从大沟处附上。

用免疫学方法探得人体内有存在，意义在于形成分子剪刀，即在DNA分子的转弯处局部解链，其单链搭在正常DNA右手双螺旋的大沟处形成三股右手螺旋，该处易被Fe2+或EDTA水解，利于基因表达。

见讲义草图P72。

<4>环状双链DNA模型：2条反向平行的环状DNA单链按照碱基配对原则形成的右手双螺旋，其数据完全同B-DNA，是原核生物和真核生物细胞器DNA的结构。

P159
二. RNA的二级结构
1. RNA的种类：
mRNA：信使RNA，是从基因上转录下来去指导蛋白质合成的RNA。

tRNA：转运RNA，在蛋白质合成过程中运输aa。

rRNA：核糖体RNA，是核糖体的组成部分。

它们都是单链分子
2. RNA二级结构的通式：发夹结构或茎环结构
RNA单链局部回折形成2条反向平行的片段，2片段中碱基互补的地方就形成右手双股螺旋，符合A-DNA模型，不互补的地方就形成环状结构。

P147草图
3. tRNA的三叶草结构模型
P148，几个发夹结构形成4臂4环，从5’端开始
AA臂：特点：包含3’和5’端，其3’端具有CCA-OH序列。

功能：这个-OH将和AA中的-COOH形成酯键，携带AA。

二氢尿嘧啶环：含有二氢尿嘧啶，稀有碱基，即将U（酮式）环中的唯一双键饱和，P132中右。

反密码环：最底部具有反密码子，可以和mRNA上的密码子配对，将携带的AA送到恰当的位置。

额外环：显示tRNA特异性的地方，是tRNA分类的依据。

TψC环：含有稀有碱基T（本应该在DNA中的）、假尿苷ψ（P134）
三. DNA的三级结构：在双螺旋结构基础上形成的超螺旋
1. 两种超螺旋及其意义
正超螺旋：左手超螺旋，是B-DNA加剧螺旋形成的超螺旋，用绳子示意，非自然选择，不利于基因表达。

负超螺旋：右手超螺旋，是B-DNA减弱螺旋形成的超螺旋，用绳子示意，自然选择，利于基因表达。

解链环状DNA：将环状双链DNA中的一条链切断，也可加剧或减弱原来的螺旋，进而形成正超螺旋或负超螺旋。

P159
2. 超螺旋的描述：略
RNA的三级结构：P149略
§4.核酸的性质
一. 一般性质
1.两性解离：DNA无，只有酸解离（○P），碱基被屏蔽（在分子内部形成了H键）。

RNA有，有PI。

2.粘度大：DNA>RNA，粘度由分子长度/直径决定，DNA为线状分子，RNA为线团。

3.碱的作用：DNA耐碱
RNA易被碱水解。

4.显色反应：鉴别DNA和RNA
浓HCl 浓HCl
RNA ------→绿色化合物DNA ------→蓝紫色化合物
苔黑酚二苯胺
啡啶溴红（荧光染料）和溴嘧啶都可对DNA染色，原理是卡在分子中，DNA的离心和电泳显色可用它们。

5.溶解性：都溶于水而不溶于乙醇，因此，常用乙醇来沉淀溶液中的DNA和RNA。

DNA 溶于苯酚而RNA不溶，故可用苯酚来沉淀RNA。

6.紫外吸收：核酸的λm＝260nm，碱基展开程度越大，紫外吸收就越厉害。

当A＝1时，DNA：50ug/ml，RNA和单链DNA：40ug/ml，寡核苷酸：20ug/ml。

用A260/A280还可来表示核酸的纯度：>1.8，DNA很纯；>2RNA很纯。

7.沉降速度：对于拓扑异构体（核苷酸数目相同的核酸），其沉降速度为：
RNA > 超螺旋DNA > 解链环状DNA > 松弛环状DNA > 线形DNA
也就是在离心管中最上层是线形DNA，最下面是RNA。

8.电泳：核苷酸、核酸均可以进行电泳，泳动速度主要由分子大小来决定，因此，电泳是测定核酸分子量的好方法。

9.DNA分子量测定最直接的方法：用适当浓度的EB（溴嘧啶）染色DNA，可以将其他形式的DNA变成线形DNA，用电镜测出其长度，按B-DNA模型算出bp数，根据核苷酸的平均分子量就可计算出DNA的分子量。

二. DNA的变性与杂交
1.DNA的变性：在外界因素的影响下，维持DNA双螺旋的碱基堆积力和氢键遭到破坏，使DNA发生解链，物化性质随之改变，生物活性丧失的现象。

这些因素包括：加热、有机试剂等
理化性质改变包括：A260增大、粘度下降。

2.DNA的热变性：
给DNA溶液加热可使其解链。

伴随有增色效应：A260增大（原因是暴露了碱基）。

DNA 的热变性可以用DNA的熔点来描述。

DNA的熔点：Tm：加热使一半DNA解链时的温度。

在Tm时，A260＝A260最大/2
影响Tm的因素：
DNA分子中的碱基比：GC/AT↑Tm↑，原因是G＝C，A＝T，经验公式：GC％＝（Tm-69.3）*244
介质的离子强度：I↑Tm↑。

复杂度↑Tm↑，复杂度指DNA分子中的最小重复单位中的bp个数。

例如：d（AT/TA）n，复杂度为2，d（ATTA/TAAT）n的复杂度为4。

3.DNA的复性：撤出变性因素后，DNA可以重新形成双螺旋，物化性质随之恢复。

其中伴随着减色效应，即A260减低。

RNA也具有变性和复性现象，它是指局部双螺旋的破坏和恢复。

4.核酸的分子杂交：将不同来源的DNA单链以及将DNA单链和RNA形成双螺旋的方法。

产物叫杂交分子。

<1>核酸分子杂交的意义：
发现原核生物的基因是连续基因，而真核生物的基因是断裂基因。

连续基因：基因中的bp序列能够连续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因能够和它的成熟mRNA形成平滑的杂交分子。

断裂基因：基因中的bp序列能够断续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因和它的成熟mRNA只能形成带泡的杂交分子。

见讲义草图P78
发现癌基因的普遍性：肿瘤病毒的RNA能够与人类正常的DNA分子形成带泡的杂交分子。

<2>核酸分子杂交的技术
Southern Blotting（南印迹）：用于钓基因，即用已知的DNA单链或RNA，钓取未知DNA 分子中的基因，方法如下：
未知的DNA --DNA限制性内切酶→DNA片段 --→琼脂糖电泳分离--→碱液变性--→影印在硝酸纤维薄膜上--→与放射性标记的已知DNA单链或RNA杂交--→放射自显影
Northern Blotting（北印迹）：用已知的DNA钓mRNA，方法如下：
众多未知的RNA --→电泳分离 --→变性 --→影印--→用标记的已知DNA单链杂交--→放射自显影
Western Blotting（西印迹）：蛋白质与抗体的杂交，跟核酸无关。

Eastern Blotting（东印迹）：？
恐龙是？的后裔？
第十三章核酸的代谢
核酸的分解代谢及核苷酸的生物合成，而核酸的生物合成（复制、转录等）将在后面详述。

§1.核酸的分解
一.核酸的消化吸收：在小肠处被水解为核苷酸水平以下的组分时才能被吸收进细胞内。

核酸酶（磷酸二酯酶）磷酸单酯酶核苷酶
核酸-------→核苷酸 ----→○P核苷 ----→BR
↓核苷磷酸化酶
B1-P-R
二.碱基的分解：均可在3种水平上进行，碱基、核苷、核苷酸。

此处以碱基水平为例
1. 嘌啉的分解：A、G
见P454、455，人、猿、鸟类以尿酸为终产物排除体外，所以人的尿是酸性的。

其他动物还要进一步分解。

人的痛风症：黄嘌啉氧化酶活性过高时，形成过多的尿酸，它们的钠盐沉积在关节处造成疼痛。

可用别嘌啉醇解除，它是黄嘌啉氧化酶自杀性底物。

2. 嘧啶的分解：U、C、T
见P456，生成的β-氨基酸可以部分排除体外也可以进一步分解。

三.核苷酸的生物合成
1. 补救途径：由现成的碱基合成核苷酸
磷酸核糖转移酶
b + PRPP ←-----------------→NMP + PPi
PRPP：5-P-核糖-1-Ppi,见P457
核苷磷酸化酶核苷激酶
b + 1-P-R ←-----------→○P +核苷--------→NMP
ATP→ADP
2. 从头合成途径：在PRPP的基础上合成碱基，当碱基合成完毕，核苷酸也合成了，因此称这种碱基的合成方式是核苷酸水平上的。

<1>嘌啉核苷酸的合成（AMP、GMP）：过程很复杂，重要掌握2点：
PRPP是合成的直接起始物，见P457，在PRPP上添加原料合成碱基，核苷酸也合成了。

嘌啉环上的原子来源：见P457
<2>嘧啶核苷酸的合成（CMP、UMP）：过程很复杂，重要掌握2点：
PRPP是合成的间接起始物，先合成嘧啶环再加到PRPP上。

嘧啶环的原子来源：见P461
3. 核苷酸的衍生物的合成
在4种基本核苷酸的基础上合成NDP、NTP、dNMP、dNDP、dNTP
<1>NDP、NTP的合成
核苷酸激酶核苷二磷酸激酶
NMP ----------→NDP -------------→NTP
ATP-→ADP ATP-→ADP
<2> dNMP的合成：是在DP或TP水平上形成的。

NDP或NTP 核苷酸还原酶系---------------→dNDP或dNTP 磷酸酶--------→ dNMP 以上只能形成dAMP、dGMP、dCMP三种
dTMP没有与之对应的NMP，它得由UMP转变而来：
核苷酸激酶核苷酸还原酶系磷酸酶dTMP合成酶
UMP --------→UDP ------------→dUDP -----→dUMP --------→dTMP
ATP→ADP 甲烯FH4
4. 癌症的化疗原理
癌细胞：失去接触抑制，核酸和蛋白质合成异常旺盛，消耗营养制造毒物。

治疗癌症：放射、手术、化疗
癌症的化疗原理：药物抑制核苷酸的从头合成途径。

这些药物被设计成核苷酸从头合成途径中有关酶的抑制剂，如氧重氮亮氨酸是Gln的类似物，竞争性的抑制剂，干扰嘌啉和嘧啶核苷酸的从头合成。

结构对照见草图；
5-F-U是U的类似物，干扰dTMP的合成。

氨基喋呤和氨甲基喋呤是叶酸（F）的类似物，干扰FH4的合成，进而干扰嘌啉核苷酸的合成。