核苷酸代谢及DNA的生物合成.ppt.ppt

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1、1,教学目标,掌握：嘌呤环与嘧啶环上各原子来源熟悉：核酸的降解过程以及参与降解的酶类 人体内嘌呤的分解过程 嘌呤核苷酸的从头合成途径了解:嘧啶的分解与合成途径,第十二章 核酸与核苷酸代谢,第一节 核酸的分解代谢,核酸分解简图,核酸,核苷酸,核酸酶（磷酸二酯酶）,核苷酸酶（磷酸单酯酶）,核苷,磷酸,核苷酶,戊糖,碱基,碱基,磷酸戊糖,核苷磷酸化酶,磷酸酶,戊糖,磷酸,一、核酸酶(nuclease),根据底物类型分类 DNA酶（Dnase）：水解DNA RNA酶（RNase）：水解RNA根据作用位点分类 核酸内切酶：水解核酸分子内部的磷酸二酯键 核酸外切酶：从核酸链的一端逐个水解核苷酸,RNase

2、T1,RNase A,RNase T1 作用于鸟苷酸3端磷酸 RNase A 作用于胞苷酸和尿苷酸3端磷酸,1.核酸内切酶,（1）RNase 作用于RNA内部的磷酸二酯键,DNase,（2）DNase DNase：真核生物，水解双链或单链DNA。限制性DNA内切酶：原核生物抵御病毒入侵的利器,5,OH,B,3,B,B,B,B,B,B,B,牛脾磷酸二酯酶,蛇毒磷酸二酯酶,2.核酸外切酶 非特异性的磷酸二酯酶。,二.核苷酸的分解过程,核苷酸酶核苷酸+H2O 核苷+Pi,核苷水解酶核苷+H2O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖(植物及微生物中),切断核苷酸5或3末端的磷酸基,1.嘌呤的分解（氧化脱氨）,灵长类、

3、鸟类、爬行类和昆虫体内嘌呤降解的终产物是尿酸。人体内腺嘌呤的分解腺嘌呤核苷经脱氨酶及核苷磷酸化酶作用分解成次黄嘌呤;次黄嘌呤再经黄嘌呤氧化酶的作用转变成尿酸。,人体内,小知识,2.嘧啶的分解(还原降解),胞嘧啶首先脱氨转变成尿嘧啶。尿嘧啶经还原、开环水解，最后生成氨、CO2和-丙氨酸，-丙氨酸经转氨作用脱去氨基后可参加有机酸代谢。,乙酰CoA,琥珀酰CoA,一.嘌呤核苷酸的合成代谢,第二节 核苷酸的生物合成,N1-AspC2、C8-N10-甲酰 FH4N3、N9-GlnC6-CO2C4,5,7-Gly,嘌呤核苷酸的从头合成途径,(1)原料:,来源 磷酸戊糖途径 核酸降解 ATP AMP*5-磷

4、酸核糖 5-磷酸核糖-1-磷酸 磷酸核糖焦磷酸激酶(PRPP合成酶),(2)磷酸戊糖-活性形式:PRPP,(3)过程:胞浆 在PRPP的基础上,逐步加上简单原料而形成嘌呤核苷酸(11步反应)IMP是重要的中间产物，AMP、GMP的前体 第一阶段:IMP的合成，在PRPP的基础上，逐步加上嘌呤环合成所需的原料，合成IMP（次黄嘌呤）,定向步骤,重要酶,第一阶段:IMP生成,第二阶段:AMP、GMP生成,重要的中间产物AMP、GMP的前体,*核苷三磷酸-核酸合成的底物 激酶 激酶AMP ADP ATP ATP ADP ATP ADP 激酶 激酶GMP GDP GTP ATP ADP ATP ADP

5、,脑、骨髓内缺乏有关合成酶，因此只能采用补救合成。,补救合成（salvage pathway）,*APRT腺嘌呤+PRPP AMP+PPI*HGPRT次黄嘌呤+PRPP IMP+PPI HGPRT鸟嘌呤+PRPP GMP+PPI,HGPRT缺乏-自毁容貌症（lesch Nyhan综合症）,嘧啶核苷酸的从头合成途径,二.嘧啶核苷酸的合成代谢,1.元素来源,2.过程：肝细胞*特点：（1）合成嘧啶环的基础上，再加上PRPP（2）UMP是CTP与dTMP的共同前体*第一步：UMP 的合成*第二步：UTP、CTP 的合成,UMP,GIn,GIu,教学目标,掌握：半保留复制、半不连续复制、冈崎片段、前导链

6、、随从链等基本概念；突变的分类熟悉：复制的基本过程；参与DNA复制过程的各种酶的特点及作用；损伤修复的类型；突变的后果。了解：DNA损伤修复的过程、单核苷酸多态性,第十四章 DNA的复制与修复,第一节 DNA复制,DNA的半保留复制 DNA复制的半不连续性 原核生物的DNA复制(E.coli)真核生物的DNA复制,复制（replication）：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原则，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程复制子（Replicon）：含有一定复制起点和复制终点的复制单位。,基本概念,DNA 复制在细胞周期的S期,一、DNA的复制特点（一）半保留复制

7、(semi-conservative replication)DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链。1958 Meselson-stahl 设计的N15标记结合CsCl密度梯度离心试验证实了DNA复制的这一特性,细胞生长在15N 标记培养基中 转入正常N源培养基中 分离各代DNA 分析各代DNA的浮力密度,DNA类型 浮力密度 N15DNA 1.742g/ml N15N14DNA 1.717g/ml N14DNA 1.710g/ml,15N标记实验,DNA的半保留复制的生物学意义,DNA的半保留复制表明DNA在代谢

8、上的稳定性，是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代的必要措施。,（二）、复制原点、方向和方式,1、复制原点、复制子 DNA的复制有特定的起始位点，称为复制原点，常用ori表示。从复制原点到复制终点，组成一个复制单位，称为复制子。,原核生物：单复制起点，即整个 染色体只有一个复制单位,真核生物（Eukaryote）:多复制起点，即一个genome中有多个复制单位,复制起点是以一条链为模板起始DNA合成的一段序列。两条链的复制起点不一定在同一点上，如不对称复制。多数生物的复制起点，都是DNA呼吸作用（配对碱基之间的氢键持续断裂和再生的过程）强烈的区段，即经常开放的区段，富含AT。在一个完整的细胞周期

9、中，每一个复制起点只使用一次，完成一次复制过程。,复制叉（Replication fork）：染色体中参与复制的 活性区域，即复制正在发生的位点 复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正 在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛,2、复制方向,真核生物的多复制子 多个复制眼,单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉,单向复制,双向复制,3、原核生物DNA复制方式,大多数以对称方式进行即两条链同时复制，也有一定时期内DNA只复制一条链的情况,（1）从头起始 a.复制（E.coli,phage，某些病毒）双链环状DNA的复制眼可以形成一种结 构，形状像希腊字母,b.D环复制 不

10、对称复 制，线粒体 和叶绿体DNA 的复制。,（2）共价延伸方式（滚环式复制）由于复制时产生 的滚环结构形状 象，又称复 制 M13,T2 phage等病毒、细菌因子,（三）半不连续复制,由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为35。因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为前导链(leading strand)。以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链或滞后链(l

11、agging strand)。,冈崎片段（Okazaki fragment）：DNA复制时，一条以53方向的母链作为模板，指导新合成的链沿53合成不连续的小片段。岗崎片段由DNA连接酶连成一条完整的新链。冈崎片段的大小:在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,5,3,前导链,随从链,岗崎片段,5,3,3,3,3,3,5,5,5,5,二、参与DNA复制的酶和蛋白因子,1.DNA聚合酶,原料：四种dNTPs（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)模板：以DNA为模板链，合成子代DNA，模板可以 是双链，也可以是单链DNA。合成产物与模 板互补。引物：一小段R

12、NA(或DNA）为引物，在大肠杆菌 中，DNA的合成需要一段RNA链作为引物，引物含3-OH.合成方向：5 3,53聚合酶活性（但持续合成DNA的能力差）；35外切酶活性；53外切酶活性（双链DNA或DNA:RNA杂交体）,（1）E.coli DNA聚合酶(a)DNA聚合酶（单体多功能酶）,该酶主要是对DNA损伤的修复，以及在DNA复制时RNA引物切除及其缺口的填补。,(b)DNA聚合酶(多亚基酶),具有35外切酶活性聚合活力比DNA聚合酶高(持续合成DNA的能力差),可能在修复紫外光引起的DNA损伤中起作用。,(c)DNA聚合酶,多亚基酶（10种亚基）（）称为核心酶，2称为夹子，（2）组成复

13、合物，其主要功能是帮助亚基夹住DNA，故称为夹子装配器;该酶DNA合成的持续能力强，主要与该结构有关;该酶是DNA的真正复制酶。,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为聚合酶（pol），聚合酶（pol），聚合酶（pol），聚合酶（pol），聚合酶（pol）。其中，参与染色体DNA复制的是pol（延长随从链）和pol（延长前导链），参与线粒体DNA复制的是pol，pol与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol 只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。,(2)真核细胞DNA聚合酶,3 55 3,2.DNA连接酶(DNA ligase),若双链DNA中一条链有切口，切口一端是3-OH，

14、另一端是5-Pi，DNA连接酶可催化二者之间形成磷酸二酯键，从而使切口连接起来。不能连接两条游离的DNA单链,OH Pi,需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用。T4噬菌体DNA连接酶不仅能连接接口，还能连接平头双链DNA。,3.拓扑异构酶,拓扑异构酶I：使DNA一条链发生断裂和再连接，以解开负超螺旋，同转录有关。拓扑异构酶II：使DNA两条链发生断裂和再连接，可以引入负超螺旋，同复制有关。,4.解螺旋酶（解链酶）,通过水解ATP将DNA两条链打开。E.coli中的 rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III

15、。每解开一对碱基需要水解2个ATP分子。,稳定DNA解开的单链，防止复性和保护单链部 分不被核酸酶水解。,5.单链结合蛋白,思考题：为什么使用RNA作引物？,6.引物合成酶与引发前体,引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA，这一段RNA作为合成DNA的引物。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,引发前体:它由多种蛋白质dnaA、dnaB、dnaC、n、n、n和i组成。引发前体再与引发酶结合组装成引发体。,三、DNA的复制过程,（一）复制的起始 1.预引发（1）解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单

16、链DNA结合蛋白（SSB）结合在两条单链DNA上，形成复制叉。,（2）引发体组装：由蛋白因子（如dnaB等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。,2.引发 在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基。,2、复制的延长,（1）聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中，是DNA聚合酶(延长随从链)和（延长前导链）。,（2）引发体移动：引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成 RNA引物，继续进

17、行链的延长。,（三）复制的终止,1.去除引物，填补缺口：在原核生物中，由DNA聚合酶来水解去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。,2.连接冈崎片段：在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,第二节 DNA的损伤、修复与突变一、损伤与修复,DNA的损伤：指生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。可以分为两类：单个碱基改变和结构扭曲。,引起DNA损伤的原因：DNA在复制时产生错配，病毒基因整合，某些物化因

18、子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等。DNA的损伤修复：四种修复途径:直接修复、错配修复、切除（碱基或核苷酸）修复、重组修复。,直接修复：当紫外线引起DNA嘧啶二聚体时，光复活酶的活性被可见光激活，将嘧啶二聚体分解。,错配修复：错配修复系统可以识别新旧链，一旦发现错配碱基，即将未甲基化的新链切除，并以甲基化的链为模板进行修复合成。,丢失碱基和去碱基部位的修复：由C脱氨基为U，A变为I时，DNA糖苷酶可以切除不正确的碱基，由Pol和连接酶修复。,切除修复：核酸内切酶切除损伤部位，产生的缺口以另一条链为模板被补平。重组修复：发生在复制后，复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由同源母链上相应的核苷酸序列

19、片段弥补，然后再合成的序列补上母链的空缺。原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释。,二、突变,突变（mutation）：基因组DNA分子在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变（通常它只涉及基因中部分序列的变化），并引起个体表型的改变,而使生物体发生遗传性变异。,在自然界中生物体由于受到某种突变剂的作用，偶然会由于基因复制的错误而发生突变，这种突变称为自发突变（spontaneous mutation）。自发突变的频率较低，基因的每个核苷酸突变率平均为 10-910-10。相反如果在人为条件下，使用某种突变剂处理生物体而产生的突变称为诱发突变（induced mutation）。,按突变的形式分类

20、,点突变（point mutation）缺失（deletion）插入（insertion）重排（rearrangement）,基因突变的表型（后果）分类,体细胞突变和性细胞突变形态突变(morphological mutations)矮小突变，白眼突变生化突变(biochemical mutations)营养缺陷型致死突变(lethal mutations)导致生物体死亡的突变 条件致死突变,失去功能的突变(loss-of-function mutation)Null mutation,完全丧失功能的突变 Leaky mutation,渗漏突变，部分功能的丧失获得功能的突变(gain-of-f

21、unction mutation)突变导致新功能的获得,自然界基因突变广泛存在,白化,果蝇眼色变异,猫的眼色变异,四条腿的鸡,蜜蜂绿眼变异,三、DNA多态性,定义 在人类进化过程中，其DNA序列会发生变异，而且能不断积累这类变异，在人群中其DNA序列某特定位点变异频率高于1%就叫DNA分子多态性。,类型 限制性核酸内切酶片断长度多态性（RFLP）;数目可变的串联重复多态性（VNTR）；串联重复序列多态性（STR）；单核苷酸多态性（SNP）。,定义在某一人群中的正常个体间的基因组DNA的某些位点存在单个碱基对的差异，称为单核苷酸多态性。基因组中单个核苷酸的缺失、插入或重复都不属于SNP。,单核苷酸多态性（SNP）,特点是最主要的多态性（占90%），是一种在进化早期发生的突变，能够稳定遗传。种类少，等位基因数量少，SNP数量多，密度高，呈现高度的多态性，可以提供高信息度，可自动化，大规模筛查。,end,