环境生物化学基础 第10章 核酸代谢课件.ppt

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1、第10章 核酸代谢,第10章 核酸代谢,第1节 核酸的酶促降解 一.核酸酶促降解 二.核酸酶第2节 核苷酸的分解代谢 一.嘌呤的分解 二.嘧啶的分解,第3节 核苷酸的合成代谢,一、嘌呤核苷酸的生物合成 二、嘧啶核苷酸的生物合成三、脱氧核糖核苷酸的生物合成四、核苷三磷酸及脱氧核苷三磷酸的合成五、核苷酸合成的抑制剂六、核苷酸辅酶的合成,第四节 DNA的生物合成和损伤修复,一、DNA的生物合成二、DNA的损伤与修复,第五节 RNA的生物合成,一、概述二、RNA聚合酶 三、RNA的转录过程四、真核细胞转录的特点五、转录过程的抑制剂六、转录后加工七、RNA的编辑、再编辑八、RNA的复制,第一节 核酸酶促

2、降解,一、核酸酶促降解 动物和厌氧微生物可以分泌消化酶分解食物、体外的核蛋白和核酸类物质，以获得各种核苷酸。植物不消化体外的有机质，但是生物体存在分解核酸的酶系。外源核酸不能直接被人体细胞吸收利用，人体所需的核酸都是自身合成的。,二、核酸酶,（一）外切核酸酶 外切核酸酶作用于核酸链的一端，逐个水解下核苷酸，它们是非特异性的水解磷酸二酯键的酶。,（二）内切核酸酶 催化多核苷酸链内部磷酸二酯键水解的酶称为内切酶。不同内切酶可以在多核苷酸链内不同位置水解磷酸二酯键，水解时既可以在3，5-磷酸二酯键的3酯键处，也可以在5酯键处切断磷酸二酯键。,（三）核糖核酸酶 RNase是一类水解RNA中磷酸二酯键的

3、内切酶，特异性较强，主要有RNase、RNase和RnaseU2等。这几种RNase具有特定的作用位点，如RnaseU2特异性作用于嘌呤核苷酸C（3）位磷酸与其相邻核苷酸C（3）位间的磷酸酯键。,（四）脱氧核糖核酸酶 DNase一类内切核酸酶，作用于DNA的磷酸二酯键，催化DNA水解，包括DNase、DNase和限制性核酸内切酶。,第二节 核苷酸的分解代谢,一、嘌呤的分解 嘌呤碱的分解首先在脱氨酶的作用下脱去氨基，腺嘌呤和鸟嘌呤水解脱氨分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。腺嘌呤的脱氨在核苷或核苷酸水平上发生，然后再将脱氨基生成的次黄嘌呤核苷或次黄嘌呤核苷酸水解生成次黄嘌呤。,二、嘧啶的分解不同种类生物对

4、嘧啶碱的分解过程也不完全相同。与嘌呤碱的分解类似，嘧啶分解时，有氨基的首先脱去氨基，在人和某些动物体内其脱氨的过程也可能是在核苷或核苷酸的水平上进行。胞嘧啶脱氨基即转化为尿嘧啶；尿嘧啶再经还原打破环内双键，水解开环成链状化合物，继续水解成CO2、NH3、-丙氨酸。,第三节 核苷酸的合成代谢,一、嘌呤核苷酸的生物合成 生物体内的核苷酸合成代谢有两条基本途径：由游离碱基和核苷直接合成；或以氨基酸和某些小分子物质为原料，经一系列酶促反应从头合成核苷酸。二者在不同组织的重要性各不相同，如肝组织主要进行从头合成，而脑、骨髓等只能进行补救合成。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成（主要合成途径）除某些细菌外，几乎

5、所有的生物体都能合成嘌呤碱，此途径主要是以CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺为原料合成嘌呤碱。,1 次黄嘌呤核苷酸的合成 嘌呤核苷酸合成的起始物质是5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。,IMP的合成过程如下：,由次黄嘌呤合成腺嘌呤和鸟嘌呤的过程如下：,（二）补救途径 在生命体降解形成的一部分嘌呤可以进一步降解生成尿酸或其他排泄物，但大部分嘌呤可以直接转变为嘌呤核苷酸中的嘌呤而被回收，这被称作嘌呤核苷酸合成的补救途径。,二、嘧啶核苷酸的生物合成,嘧啶核苷酸的从头合成途径比嘌呤从头合成途径简单，并且消耗ATP少，核素实验表明，嘧啶环中的原子来自3个前体：即HCO3、谷氨酰胺和天冬氨酸。,（一）

6、尿嘧啶核苷酸的从头合成,（二）胞嘧啶核苷酸的合成 尿嘧啶核苷酸（UMP）转变为胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行的。,3 嘧啶核苷酸合成的补救途径 生物体对外源的或核苷酸代谢产生的嘧啶碱和核苷可以重新利用，这被称为嘌呤核苷酸的补救途径，嘧啶核苷酸激酶在补救途径中起着重要的作用。,三、脱氧核糖核苷酸的生物合成（一）2-脱氧核糖核苷酸是DNA分子的构件分子。生物体中的脱氧核苷酸是由核糖核苷酸还原生成的。在大多数生物中，脱氧还原反应发生在核苷二磷酸水平。,（二）DNA合成需要的TMP则是由dUMP甲基化形成的。,四、核苷三磷酸及脱氧核苷三磷酸的合成核苷酸和核苷二磷酸不直接参加核酸的生物合成

7、，而是转化成相应的核苷三磷酸后再加入RNA或DNA，核苷酸转化为核苷二磷酸需要激酶催化，这些激酶对碱基专一，对其底物所含核糖或脱氧核糖无特殊要求，反应通式：核苷二磷酸转化为核苷三磷酸是由另一种激酶催化的，这种酶对碱基和戊糖无特殊要求，磷酸供体为ATP。,五、核苷酸合成的抑制剂（一）氨基酸类似物（二）叶酸类似物（三）碱基和核苷类似物,六、核苷酸辅酶的合成 1.NAD+和NADP+生物合成生物体内色氨酸、烟酸或烟酰胺都可以作为NAD+和NADP+合成的起始物。,色氨酸经一系列反应转变成吡啶-2,3二羧酸，后者结合磷酸核糖焦磷酸（PRPP）转移来的PPi基，同时释放CO2生成烟酸单核苷酸，再经系列酶

8、促反应生成NAD+和NADP+；某些生物可将色氨酸转变为烟酸，烟酸与PRPP作用生成烟酸单核苷酸，后者再与ATP反应，接受一分子AMP生成烟酸腺嘌呤二核苷酸，后者的羧基接受谷氨酰胺的酰胺基即生成NAD+，NAD+经磷酸化可得到NADP+；烟酰胺合成NAD+和NADP+的途径与烟酸合成途径基本相同。,2.FMN和FAD的生物合成 核黄素是合成FMN、FAD的起始物，生物体合成FMN、FAD的途径基本相同。人体和高等动物不能合成核黄素，植物和许多微生物能合成核黄素，但是迄今研究的所有生物体都能利用核黄素，其反应为核黄素经ATP磷酸化即得FMN，FMN从第二个ATP分子取得AMP单位生成FAD。,3

9、.CoA的生物合成 CoA是酰基转移酶的辅酶，CoA是从泛酸开始合成的。微生物可以从天冬氨酸起始合成CoA，高等动物不能合成泛酸，必须从食物中摄取泛酸才能合成CoA。微生物将天冬氨酸脱羧产生-丙氨酸，-丙氨酸与泛解酸作用合成泛酸，泛酸再经一系列酶促反应生成CoA。,第四节 DNA的生物合成和损伤修复,一、DNA的生物合成（一）DNA复制概述 1半保留复制 全保留复制和半保留复制开始都只是一种假说，直至1958年哈佛大学生物系教授Matthew Meselson和他的学生Franklin Stahl的实验直接证明了DNA的半保留复制方式。,Meselson-stahl实验,2 DNA复制的起点和

10、方式复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点(originof replication)常用ori或o表示。在原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子，而在真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。每个复制子都含有一个复制起点。,（二）DNA聚合反应有关的酶及相关蛋白因子1DNA聚合酶1956年，由Kornberg等首先在大肠杆菌中分离出DNA聚合的酶，被命名为DNA聚合酶。70年代初期先后从大肠杆菌又分离出了两种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶和DNA聚合酶。这三种酶催化同一类聚合反应，DNA聚合酶没

11、有外切酶53的活力，而且活力低。DNA聚合酶的活力较强，为DNA聚合酶的15倍，DNA聚合酶的300倍。,真核生物的DNA聚合酶有、和五种。DNApol催化前导链的合成；DNApol在复制中主要起到校阅、修复和填补缺口的作用；DNApol也是一种修复酶，但它只在没有其它酶作用时才发挥作用；DNApol催化线粒体DNA的合成。,2DNA连接酶 DNA连接酶起到填补空隙及催化滞后链合成的作用，DNA连接酶是1967年发现的，最初是在大肠杆菌中发现的。它是一种封闭DNA 链上缺口的酶，借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA链的5-PO4与另一DNA链的3-OH生成磷酸二酯键。这两条链必须是与同一

12、条互补链配对结合的，而且必须是两条紧邻的DNA链才能被DNA连接酶催化成磷酸二酯键,3DNA解螺旋酶 DNA双螺旋分子具有紧密缠绕的结构，而DNA发生聚合反应时，至少双螺旋应部分解链并分开。而使DNA双螺旋解旋并使两条链保持分开的状态是个极复杂的过程，研究证明某些酶和蛋白质，能使DNA双链变得易于解开，每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。大肠杆菌中的DNA解螺旋酶由dnaB基因编码。,4DNA 拓扑异构酶 还有一种蛋白质称为DNA旋转酶（grase）或拓扑异构酶（type topoisomerase），该酶兼有内切酶和连接酶的活力，能迅速使DNA链断开又连上，当与ATP水解产生ADP与Pi的反

13、应偶联时，旋转酶可使松弛态的DNA转变为超螺旋状态，在没有ATP时，又可使超螺旋DNA变成松弛态。,（三）原核细胞DNA的复制过程 原核生物DNA复制的全部过程可大致分为三个阶段。第一个阶段为DNA复制的起始阶段，这个阶段包括起始点，DNA模板解旋；第二个阶段为引物的生成、DNA链的延长，前导链和随后链的形成；第三个阶段为DNA复制的终止阶段，包括切除RNA引物后填补空缺及岗崎片段的延长和连接。,（四）真核细胞DNA复制的特点（1）真核生物所含的DNA聚合酶种类更多些，真核生物至少含有5种不同的DNA聚合酶：DNA聚合酶，DNA聚合酶，DNA聚合酶，DNA聚合酶、DNA聚合酶。DNA聚合酶、D

14、NA聚合酶和DNA聚合酶是在细胞核内发现的，负责DNA的复制和某些DNA修复反应。,（2）真核生物复制叉处需要的辅助蛋白不同。真核生物中有类似SSB的复制蛋白A（replication factor protein A,RPF），有时也称复制因子A。RP由3个亚基组成，它与单链DNA结合紧密，增加滞后链DNA合成的效率。复制因子C（RPC）是多亚基蛋白，与DNA pol结合，帮助它移动。,（3）真核生物的染色体存在许多复制起点，复制从每个起点双向进行，相邻复制叉彼此靠近，会合成更大的“泡”。如图，王希成，192,尽管真核生物中的复制叉移动速度比原核生物慢，但由于存在大量的独立的复制起点，所以就

15、每个复制单位而言，复制所需时间在同一数量级。,（五）反转录 反转录（reverse transcription）是以RNA为模板，以dNTP为底物，tRNA（主要是色氨酸tRNA）为引物，合成一条与RNA模板互补的DNA单链，这条单链叫做互补DNA（complementary DNA,cDNA）,随后又在反转录酶的作用下，水解掉RNA链，再以cDNA为模板合成第二条DNA链。与传统意义上的遗传信息流从DNA到RNA的方向相反，称为反转录。,（六）DNA的人工合成 一首先将欲合成寡核苷酸链3末端核苷（N1）以其3OH通过长的烷基臂与固相载体，一般为不溶性的高分子化合物，常用有硅胶S、交联的聚苯乙

16、烯、特殊孔径的多孔玻璃等）藕联，N1的5OH以二甲氧基三苯甲基（DMTr）保护。然后从N1开始逐步地延长寡核苷酸链。,二寡合苷酸链的合成 第一步，去保护（deprotection），以苯磺酸或三氯醋酸处理保护基DMTr；第二步，欧联反应（coupling），加入经四唑激活的核苷N2，与N1的5OH藕联反应；第三步，加帽反应（capping）,加入醋酐及二甲基氨基吡啶，使未进一步藕联的寡合苷酸链乙酰化，以利于纯化目的DNA片段。第四步，氧化反应（oxidation）,加入碘，使三价的亚磷酸转变为稳定的五价磷酸。,（七）PCR技术及其在环境保护中的应用聚合酶链式反应（Polymerase chai

17、n reaction,PCR）是一种非常简单有效的体外DNA聚合反应，能够将样品中的任一段目的片段在数小时内扩增109倍。,该技术快速简便，重复性好，特异性高，扩增效率强，除在疾病的早期诊断，法医学鉴定，动植物学溯源分型广泛应用外，也被引入环境保护的相关研究中。研究者利用PCR技术，扩增好氧污泥中的目的DNA片段，鉴定优势菌，从而确定有机负荷对好氧污泥微生物生物群落的影响。,二DNA的损伤与修复（一）DNA突变 突变分为两类：1碱基对的置换（substitution），DNA错配碱基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一对碱基取代；2移码突变（frameshiftmutation），由于

18、一个或多个非三整倍数的核苷酸对插入（insertion）或缺失（deletion），使编码区该位点后的三联体密码子阅读框架改变，通常导致产物会完全失活。,(二)DNA损伤与修复 1DNA损伤的类型 DNA的损伤分自发性损伤、物理因素引起的DNA损伤和化学因素引起的DNA损伤。来自细胞内部的损伤，指在复制过程中可能产生错配，DNA的重组，病毒基因的整合，更可能会局部破坏DNA的双螺旋结构的现象。这些损伤破坏的是DNA碱基、糖或是磷酸二酯键。,2DNA损伤修复的方式（1）直接修复（2）切除修复（3）错配修复（4）重组修复,第五节 RNA的生物合成,一、概述RNA的合成途径包括三种：（一）DNARN

19、A，以DNA为模板转录合成RNA，这是本章介绍的主要内容；（二）RNARNA，以RNA为模板合成RNA；（三）RNADNARNA。,二、RNA聚合酶,二、RNA的转录过程 原核细胞中转录酶存在于细胞液中，真核生物细胞中的转录在细胞核内进行的，合成mRNA、rRNA和tRNA前体。（一）模板的识别 主要是依靠因子，因子能够帮助RNA聚合酶稳定地结合在DNA启动子上。,（二）转录起始：原核生物转录以E.coli为例，当RNA聚合酶全酶结合到模板上的启动子后，就开始了RNA的合成，启动子调控转录的进行。启动子启动转录需要识别两段高度保守的DNA序列。即开始转录的第一个核苷酸的5端之前的35区，另一个

20、为10区。,（三）转录延伸 核心酶沿模板链的3 5方向滑行，双螺旋DNA解链，同时RNA链按5 3方向不断延伸。转录形成的RNA暂时与DNA模板链形成DNA-RNA杂交体，当RNA链的长度超过12个碱基时，RNA的3端仍与DNA形成杂交体，但是RNA的5端很容易脱离DNA模板链，于是被转录过的DNA区段又重新形成双螺旋。,（四）转录终止 无论是原核生物还是真核生物基因的编码序列3端都有称为终止子（terminator）的转录终止信号。在E.coli中存在两类终止子，结构上有自身特点。1不依赖因子的终止子：这类终止子的转录产物有两个特征：一是存在富含G-C的 回文序列，可形成发夹结构，二是发夹结

21、构之后有一串连续的U。当延伸复合物遇到发夹结构处时，即停止。,2依赖因子的终止子：这类终止子的转录产物不能形成发夹结构，因子是一种原核生物的转录终止因子，能够与RNA聚合酶复合物相互作用终止转录。,四、真核细胞转录的特点 真核生物转录的起始时，真核生物RNApol不与DNA分子直接结合，而需要众多因子参与。例如转录起始前需要顺式作用元件（cis-acting element）,位于基因上游的一段富含TA的序列；另外还需要反式作用因子（trans-acting factors），即能直接、间接和结合转录上游区段DNA的蛋白质。此外由于真核生物的DNA结构特点，RNApol前移会遇上核小体的移位和

22、解聚现象。,五、转录过程的抑制剂 RNA合成的抑制剂放线菌素D和利福霉素等一些抗生素是RNA合成的抑制剂。利福霉素（Rifamycin）是另一个非常有用的抗生素，也是从链霉菌分离出来的。鹅膏蕈碱（-Amanitin）：是一种来自毒蘑菇鬼笔鹅蕈(Amanita phalloides)的真菌毒素，二环八肽，能抑制真核RNA聚合酶与RNA聚合酶转录。,六、转录后加工 RNA聚合酶转录合成的RNA称为初始转录物（primary transcript），大多要经过加工才能得到有生物学功能的成熟RNA分子，该加工过程称为转录后加工。,（一）mRNA的加工 在原核生物中，大多数初始mRNA直接进行翻译了。真

23、核生物与原核生物不同，真核生物的mRNA在细胞和中合成，而翻译过程在细胞质中进行。且真核生物蛋白质基因多为断裂基因，其外显子和内含子均被转录，所以mRNA需在细胞核内加工为成熟的mRNA，再被运输到细胞质内作为模板进行翻译。,1.加帽,2mRNA前体的剪接：真核生物基因的编码序列中分散着一些非基因或称为不能表达的区域，转录后仍然存在于初始转录产物中，这样的转录产物称为前信使RNA（pre-mRNA）或核内不均一RNA（heterogeneous RNA,hnRNA）。我们将前信使RNA中的非表达的插入序列称为内含子（intron）,表达的序列称为外显子（exon）。将内含子切除，外显子连接在一

24、起的过程称为mRNA前体的剪接（RNA Splicing）。,3加尾巴：mRNA3末端的多聚腺苷酸（polyA）也是转录后加上去的。先由核酸外切酶切去3末端的一些核苷酸，加尾过程是在核内进行的，在核内多聚腺苷酸聚合酶催化下，以ATP为引物，在hnRNA的3末端加上一段多聚腺苷酸约（100200个腺苷酸），从而形成poly尾。polyA尾的功能是：保护mRNA不被水解；引导mRNA有细胞核进入细胞质。,（二）rRNA的加工 rRNA的加工主要有两种方式（1）1982年，Cech T发现四膜虫（tetrahymena）初始转录 rRNA不需要一般的核酸酶等蛋白酶类，可自我催化完成剪接。rRNA前体

25、的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，这就说明了RNA本身即具有酶的催化作用。因而Cech将这种具有催化功能的酶命名为核酶(ribozyme)。这是人们对RNA分子功能认识的一个重大突破。,（2）rRNA前体加工的另一种形式是化学修饰，主要是甲基化反应。甲基化主要发生在核糖的2-羟基上。此外，rRNA前体中的一些尿嘧啶核苷酸通过异构作用可转变为假尿嘧啶。,（三）tRNA的加工 原核生物和真核生物tRNA前体一般无生物学活性，需要进行加工修饰。tRNA前体在剪切酶作用下切成一定大小分子，再由连接酶将小分子片段拼接起来。再由核苷酸转移酶的作用下，在3-末端删去个别碱基后，加上tRNA特有的CCA序列

26、。最后对tRNA序列上的稀有碱基进行甲基化、还原反应、脱氨反应和核苷内的转位反应。如某些嘌呤生成甲基嘌呤，某些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶（DHU），或尿嘧啶核苷转位为假尿嘧啶核苷，还有就是某些腺苷酸脱氨为为次黄嘌呤。,七、RNA的编辑、再编辑（一）RNA编辑（RNA editing）RNA编码序列的改变称为编辑，RNA编码和读码方式的改变称为再编码，由于存在编码和再编码，因此一个基因可以产生多种蛋白质。RNA编辑是指在RNA水平上改变遗传信息的过程，即核苷酸的缺失、插入或置换，基因转录的序列不与基因编码序列互补，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序列中的编码信息现象，这种编辑使得一个基因序

27、列可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物长期进化过程中形成的。,（二）RNA的再编码 通常编码mRNA上的遗传信息，是以固定方式进行的，即mRNA的三联体密码子可以被tRNA的反密码子识别，使mRNA携带的遗传信息得以翻译。但是也有这种情况，突变的tRNA，指反密码子环碱基发生改变，改变译码规则，使那些可能在基因层面发生错义突变、无义突变或移码突变的mRNA遗传信息得到校正。我们称反密码子环碱基发生突变的tRNA为校正tRNA，校正tRNA的存在可能使遗传mRNA上发生的突变恢复或部分恢复。,八、RNA的复制 以DNA为模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式，但有些病毒，噬菌体的遗传信息贮存在RNA分子中，当进入宿主细胞后，靠复制传代，它们在RNA指导的RNA聚合酶指导下，以RNA为模板，4种核苷三磷酸为底物，催化合成。RNA复制酶只对病毒本身的RNA起作用，不会作用于宿主细胞的RNA分子，RNA复制酶中缺乏校正功能。,