第八章 核酸代谢与蛋白质的生物合成课件.ppt

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1、第八章 核酸代谢与蛋白质的生物合成,本章内容：一、核酸的消化与吸收二、核酸的分解代谢三、核酸的生物合成核苷酸的生物合成DNA的生物合成DNA的修复RNA的生物合成四、蛋白质的生物合成,核酸的消化与吸收Digestion and Absorption of Nucleotides,第 一 节,核酸的分解代谢 Catabolism of Nucleotides,第 二 节,一、核酸的酶促降解,核酸,核酸酶,单核苷酸,核苷酸酶,核苷,嘧啶（嘌呤）,核糖,核苷酶,核苷磷酸化酶,嘧啶（嘌呤）,核糖-1-磷酸,脱氧核糖-1-磷酸,核糖-5-磷酸,磷酸戊糖途径,醛缩酶,乙醛,甘油醛-3-磷酸,嘌呤碱的最终代

2、谢产物,AMP,GMP,H（次黄嘌呤）,G,X（黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,二、嘌呤的分解,嘌呤最终产物:尿酸,血尿酸正常含量:0.12-0.36mmol/L,尿酸溶解度低.嘌呤代谢障碍时,血尿酸浓度升高,尿酸盐结晶沉积于软组织、软骨及关节等处,而导致关节炎、尿路结石及肾脏疾病.,痛风症的治疗机制,三、嘧啶的分解,嘧啶核苷酸 嘧啶碱+磷酸核糖,胞嘧啶尿嘧啶,终产物,NH3、CO2、-丙氨酸,胸腺嘧啶 NH3、CO2、-氨基丁酸,终产物,胞嘧啶,胸腺嘧啶,NH2,NADPH+H+,NADP+,尿嘧啶,二氢胸腺嘧啶,(接下页),嘧啶碱的分解代谢-1,(接上页),NADPH+H+,NADP

3、+,H2O,二氢尿嘧啶,-脲基异丁酸,H2O,-脲基丙酸,H2N-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,CO2+NH3,H2N-CH2-CH-COOH CH2,-氨基异丁酸,H2O,H2O,嘧啶碱的分解代谢-2,核酸的生物合成 Biological Anabolism of Nucleotides,第 三 节,一、核苷酸的生物合成,从头合成途径（denovo synthesis）：用氨基酸、一碳单位、二氧化碳和磷酸核糖等简单物质原料，经一系列酶促反应，合成嘌呤（或嘧啶）核苷酸的途径。,补救合成途径（salvage synthesis）：用现成嘌呤（或嘧啶）作原料，经过简单反应过程，合成核苷酸的途

4、径。,1.核糖的来源与PRPP的生成,2.嘌呤核苷酸的合成,从头合成途径：,原料:天冬氨酸(Asp)、甘氨酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、一碳基团、5-磷酸核糖。过程:在磷酸核糖的基础上由小分子物质或基团逐渐合成嘌呤环。肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。,嘌呤环上各原子的来源：,5-磷酸核糖（R-5-P）,1-焦磷酸-5-磷酸核糖（PRPP）,次黄嘌呤核苷酸（IMP）,GMP,ATP,Asp、Gly、Gln、CO2、一碳基团、,AMP,AspGTP,NAD+Gln,天冬氨酸，Mg2+，GTP,腺苷琥珀酸 合成酶,延胡索酸,腺苷琥珀

5、酸裂解酶,腺苷酸代琥珀酸,AMP,IMP,IMP脱氢酶,NAD+H2O,NADH+H+,XMP,GMP合成酶,谷氨酰胺,Mg2+,ATP,谷氨酸,GMP,由IMP合成AMP及GMP,嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP或GMP的合成又需1个ATP。,嘌呤核苷酸从头合成特点:,补救合成途径：,部位：骨髓、脑等组织过程：在嘌呤或嘌呤核苷的基础上合成.主要酶是：腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）。,合成过程：,AMP,ADP,ATP,GMP,GDP,GTP,ADP,ATP,激酶,ADP,ATP,激酶,AT

6、P和GTP的生成：,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。,3.嘧啶核苷酸的合成,尿嘧啶核苷酸的从头合成：,胞嘧啶核苷酸的合成：,UDP,UTP,嘧啶核苷酸的补救合成途径：,4.脱氧核糖核苷酸的合成,遗传信息的传递中心法则,二、DNA的生物合成（复制）,复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,2.1 DNA复制的方式 半保留复制(semi-conservative replication),1958 Matthew Meselson和Franklin Stahl,马

7、修.梅塞尔(Matthew Keelson),福兰克林.斯塔尔(Franklin Stahl),按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。,半保留复制的意义,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,模板：解开成单链的DNA母链,DNA聚合酶:DNA-pol,底物dNTP：dATP，dGTP，dCTP，dTTP,引物（primer）：RNA引物,其他酶和蛋白质因子,2.2 DNA复制的酶和蛋白质因子,1.DNA复制中涉及到的重要物质：,2.解链相关酶类,(1)解旋酶(helicase),(2)拓扑异构酶（topois

8、omerase I、II）,(3)单链DNA结合蛋白(SSB),解旋酶(helicase),作用：断裂互补碱基间的氢键，使DNA成单链。,ATP,拓扑异构酶,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑异构酶,切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。只能放松负超螺旋。反应不需ATP。,拓扑异构酶,切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛；可将复制前方产生的正超螺旋变成负超螺旋。利用ATP供能。,大肠杆菌拓朴异构酶的结构,单链结合蛋白（SSB）,作用：防止单链DNA重新形成双链，防止单链DNA被核酸酶水解。,SSB,3.DNA聚合酶,DNA聚合酶的特点

9、:,1）均为多功能酶；2）反应需要接受模板的指导；3）催化聚合时DNA链的延长方向是53;4）不能直接催化两分子dNTP之间的缩合，只能在已有引物的3 端连接新的dNTP分子；5）产物的结构与模板相同。,1959 年获诺贝尔生理学或医学奖,奥乔亚 科恩伯格 Severo Ochoa Arthur Kornberg,原核生物的DNA聚合酶:,DNA 聚合酶 pol pol pol 亚基数目 1 7 105 3 聚合酶活性+3 5 外切酶活性+5 3 外切酶活性+-聚合速度(核苷酸/分)1 000-1 200 2 400 15 000-60 000 持续合成能力 3-200 1 500 500 0

10、00功能 参与复制和修复 不详 复制,3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,能切除引物和突变的 DNA片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol,起始引发，有引物酶活性。,延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。,参与低保真度的复制。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,4.引物酶(Primase),催化RNA引物合成的酶叫引物酶，它是一种特殊的RNA聚合酶.,DNA合成需在RNA引物的基础上进行,DNA复制过程中涉及到的酶和蛋白因子,主要

11、成员,主要作用,DnaA 识别复制起始位点,解螺旋酶 解开DNA双链,SSB 维持已解开单链DNA的稳定,引物酶 合成RNA引物,TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的DNA松驰,DNA-pol DNA复制,DNA-pol 水解引物、填补空隙、修复作用,DNA连接酶 催化双链DNA中单链缺口的连接,分为三个阶段：起始 延长 终止,哺乳动物的细胞周期,2.3 DNA复制的过程,DNA合成期,1.复制的起始,亲代DNA开链，复制起始点呈叉型移动,复制起始点（ori）：DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点。原核：一个起始点，约245bp,特殊的重复序列 真核：多个起始点,ori,A

12、.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉,原核细胞：,单起始点,真核细胞：,多起始点,多个复制起始点,复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,2.复制的延长,主导链(leading strand),随从链(lagging strand),DNA复制的方向性,冈崎片断,复 制 过 程 动 画,滚 环 复 制,某些病毒、质粒、线粒体DNA的特殊复制形式,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。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）

13、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。,3.复制的终止,3）真核生物端粒的形成：端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。其共同的结构特征是由一些富含G、C的短重复序列构成，可重复数十次至数百次。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。,端粒酶的爬行模型（动画演示）,2009年诺贝尔生理学或医学奖,伊丽莎白布莱克本Elizabeth Blackburn,卡罗尔格雷德Carol Greider,杰克绍斯塔克Jack Szostak,发

14、现端粒和端粒酶保护染色体的机理。,半保留复制(semi-conservative replication)双向复制(bidirectional replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication)方向性和高保真性,DNA复制的特征,三、DNA的损伤（突变）与修复,遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。,在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNA damage)。,从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。,突变的类型,1.点突变 2.缺失、插入和框移突变3.DNA重排,造成DNA突变的因素有很多，包括有自然突变、物理

15、因素、化学因素和病毒因素等。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,谷 酪 蛋 丝,5 G C A G U A C A U G U C,丙 缬 组 缬,正常,5 G A G U A C A U G U C,缺失C,缺失引起框移突变,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,突变的意义：,（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础,修复(repairing)是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,直接修复切除修复丢失碱基和去碱基部位的修复甲基化指导的不配对修复,修复的主要类型,切 除 修 复

16、动 画,四、RNA的生物合成（转录）,转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。,DNA复制与转录的比较,相同点,模 板 两股链均复制 模板链转录合成方式 半保留复制 不对称转录原 料 dNTP NTP聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶碱基配对 A-T，G-C A-U，T-A，G-C产 物 半保留的双链DNA 单链RNA,不同点,以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为53,参与转录的物质,原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质

17、因子,1.转录的模板：,不对称转录-将用作RNA合成的模板的链叫做模板链；另一条不做模板的链叫编码链。RNA为全保留转录。转录开始不需要引物，链的延长方向也是 5 3。,53,35,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,结构基因,模板链并非永远在同一单链上 不对称转录(asymmetric transcription),2.参与转录的酶类：,原核RNA聚合酶：,决定基因转录的特异性,亚基,分子量,每分子酶中所含数目,功能,36512 2,150618 1,与转录全过程有关,155613 1,结合DNA模板,70263 1,辨认起始位点,RNA聚合酶对利福平敏感,核心酶：解开前方的DNA双螺

18、旋、RNA链的延伸、恢复后面的DNA双螺旋。,亚基：识别DNA上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去。,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,真核RNA聚合酶：,真核较原核的酶复杂，已清楚的有RNA Pol,及Mt四型。组成和功能：均由多亚基构成，Pol主要负责mRNA的合成；Pol主要负责rRNA的合成；Pol主要负责tRNA和5s rRNA的合成。,种类,对鹅膏蕈碱的反应,耐受,极敏感,中度敏感,三种RNA聚合酶对转录抑制剂鹅膏蕈碱的敏感性反应不同,3.转录的过程：,1）起始：,2）延长：,依赖Rho()因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，

19、转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类：,3）终止：,转录后的加工,原核RNA不需加工，边转录边翻译,真核RNA需要加工,rRNA,tRNA,mRNA,5加帽,3加尾,剪接,在转录过程中,转录后进行,电镜下原核生物转录过程中的羽毛状现象,转录未完成，翻译已开始进行。,4.真核细胞转录后的加工：,真核细胞的转录后的常见加工方法：加5末端帽子 加3端多聚A尾 剪接作用 修饰作用 甲基化(甲基化发生在剪接之前,在非编码区分子中含1-2个m6A)RNA编辑(某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上的改

20、变过程，称为RNA编辑),加帽：,ppi,5pppG,磷酸酶,pi,5ppG,pppG,5GpppG,甲基化酶,CH3,mGpppG,O,H,帽1,帽0,帽2,甲基鸟苷5，5-三磷酸,加尾：,AAUAAA,AAAAAAAAA.,加尾,AATAAA,GTGTGTG,-,AAUAAA,GUGUGUG,AAUAAA,GUGUGUG,酶切,转录的终止,加尾信号,GC丰富序列,polyA尾（约20200个A）,A,A,A,A,A,A,剪接：,剪接:在细胞核内,hnRNA剪切掉内含子,将多个外显子连接为成熟mRNA的过程为剪接。例:同一转录本,在不同的组织,因剪接差异产生各自不同的mRNA。剪接的本质：磷

21、酸酯键的转移。剪接特点：剪接部位的结构为内含子末端的特定序列，分布在内含子的三个部位，5端剪切点为GU;3端剪切点为AG；靠近3端含A序列的分支点。,外显子,内含子,DNA,mRNA,转录,形成套索RNA，外显子靠近,剪接体,去除套索RNA，外显子连接,成熟mRNA,mRNA的剪接：,碱基修饰,5.基因转录的调节：,1）原核细胞转录水平的调节操纵子学说,2）真核细胞转录的调节,通过启动子、增强子等DNA元件来控制基因转录的调节方式称为顺式调节，这一类的存在于DNA上的特定序列，称为顺式作用元件（cis-acting element）。与顺式作用元件进行特异性结合的蛋白质因子被称为反式作用因子（

22、trans-acting factor）。,6.反转录：,反转录与癌变,蛋白质的生物合成 Biological Anabolism of Proteins,第 四 节,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质,三种RNAmRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核糖体RNA）tRNA（transfer RNA,转运RNA）,一、RNA在蛋白质生物合成中的作用,1.mRNA的功能与遗传密码,功能：mRNA携带遗传密码。mRNA上每三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个相邻核苷酸就称

23、为一个密码子，或三联体密码。阅读与书写方向：53数量：64（43）起始密码子：AUG（GUG）终止密码子：UAA、UAG、UGA,氨基酸密码表,遗传密码的基本特点：,密码的连续性密码的兼并性密码子的使用频率不同密码子与反密码子配对的不严格性密码的通用性密码的防错性,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致移码突变。,遗传密码的简并性,tRNA上的反密码子通过碱基互补与mRNA上的密码子反向配对结合，反密码子第一位碱基与密码子第三位碱基间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。,氨基酸的极性通常由密码子第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。DNA突变时，保障编码的氨基酸

24、不变，或编码氨基酸的理化性质不变。,第2位碱基U：非极性、支链氨基酸第2位碱基C：非极性或不带电荷的极性氨基酸第2位碱基A、G：除Trp外，均为极性氨基酸第2位碱基A，第1位碱基G：酸性氨基酸第2位碱基A、G，第1位碱基C、A：碱性氨基 酸和不带电荷的极性氨基酸,2.tRNA的功能转运氨基酸,3.核糖体的功能与多核糖体,组成、结构与功能特点：,1）由数种rRNA（占60%左右）及数十种蛋白质组成 结构复杂而精密。,2）rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维持rRNA 的功能区域。,核糖体的组成,核糖体的组成,二、蛋白质生物合成过程,氨基酸的活化与搬运肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止,整个翻译过

25、程可分为：,翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,核糖体循环,1.氨基酸的活化与搬运,注意：起始的甲硫酰氨的氨基要被甲酰化保护！,2.原核细胞多肽链的合成核糖体循环,肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止,IF-3,IF-1,1）核蛋白体大小亚基分离,肽链合成的起始,IF-3,IF-1,2）mRNA在小亚基定位结合,核蛋白体 小亚基上的16s-rRNA,mRNA,原核生物mRNA与核蛋白体小亚基结合的分子机制,SD：Shine-Dalgarno，RBS（核蛋白体结合位点）,IF-3,IF-1,3）起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAime

26、t)结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4）核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,肽链的形成与延长,按mRNA密码序列的指导，依次添加AA从N到C端延伸肽链，直至终止的过程。,注册(registration)成肽(peptide bond formation)转位(translocation),核糖体循环(ribosomal cycle),每次循环增加一个氨基酸,核糖体循环,肽链合成的延长因子,（1）注册,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu

27、,Ts,GTP,（2）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（3）转位,延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,fMet,fMet,肽链合成的终止,RF,3.真核细胞蛋白质的合成,真核细胞蛋白质合成与原核细胞的主要差别:参与翻译的起始因子较多；核糖体较大；起始氨基酸为Met，不是fMet；形成起始复合物的机制不同；mRNA为单顺反子；延长因子不同。,4.蛋白质合成后加工,多肽链的修饰,多肽链N端的修饰多肽链的水解修饰个别氨基酸的共价修饰,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,-MSH

28、,胰岛素原（86肽）,胰岛素的翻译后加工,多肽链的折叠,几种有促进蛋白折叠功能的大分子（助折叠蛋白）,（1）蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)（2）肽链脯氨酸顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI)（3）分子伴侣(molecular chaperon),蛋白二硫键异构酶,多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。,二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的

29、天然构象。,肽链脯氨酸顺反异构酶,多肽链中肽链脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。,肽链脯氨酸顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。,肽链脯氨酸顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,热休克蛋白(heat shock protein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族 伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族,分子伴侣,分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。,伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微

30、环境。,空间结构的修饰,1.亚基聚合,Pr与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、Lp、核蛋白、Hb等结合蛋白质。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。,2.辅基连接,某些Pr（如G蛋白等）翻译后需要在特殊位点连接疏水性较强FA链或多异戊二烯链等。这些Pr通过脂链嵌入疏水膜脂双层，定位成为特殊脂膜内在蛋白，成为具有生物功能的蛋白质。,3.疏水脂链的共价连接,蛋白质合成后的转运,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,蛋白质的靶向输送,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列

31、，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signal sequence),靶向输送蛋白的信号序列或成分,（1）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,信号肽的一级结构,1336个氨基酸残基组成碱性N端：带正电荷的碱性氨基酸疏水核心区：疏水中性氨基酸为主C端加工区：极性小分子氨基酸,信号肽的特点：,信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网,（2）线粒体蛋白的靶向输送,（3）细胞核蛋白的靶向输送,所有靶向输送的胞核蛋白多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列（nuclear localization sequence。NLS）。NLS为48个氨基酸残基组成的短序列，富含带正电的赖氨酸、精氨酸及脯氨酸。不同NLS间未发现共有序列。NLS可位于肽链不同部位，且在蛋白质进核定位后不被切除。新合成胞核蛋白靶向输送涉及几种蛋白质成分，包括核输入因子和，以及一种小GTP酶Ran蛋白。,三、药物对遗传信息传递过程的影响,