生物化学 第十二章 核酸代谢课件.ppt

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1、第十二章 核酸代谢,1.核苷酸是合成DNA和RNA所必需的前体。2.ATP是生物体内能量代谢中通用的高能化合物，是联系产能反应和需能反应的主要物质。3.核苷酸的衍生物是糖类、脂类等合成中前体的活化形式。,4.腺苷酸是许多辅酶如NAD+、NADP+、FAD和CoASH的组成成分。5.cAMP、cGMP等是代谢调节物质。6.有些核苷酸如ATP、GTP、UTP、CTP是许多磷酸激酶的辅酶。,第十二章 核酸代谢,第一节、核苷酸代谢第二节、DNA的生物合成第三节、RNA的生物合成,第一节 核苷酸代谢,一、核苷酸的分解代谢二、核苷酸的合成代谢三、脱氧核糖核苷酸的合成,核酸酶 核苷酸酶 核苷磷酸化酶 核酸

2、核苷酸 核苷 碱基+戊糖-1P,一、核苷酸分解代谢,磷酸,核苷水解酶,碱基+戊糖,(一)核酸酶,（1）根据对底物的 专一性分为,（2）根据切割位点分为,核糖核酸酶(RNase),脱氧核糖核酸酶(DNase),非特异性核酸酶,核酸内切酶(DNase,RNase),核酸外切酶(蛇毒磷酸二酶、牛脾磷酸二酯酶),(二)限制性内切酶,原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶。,（三）嘌呤的分解代谢,不同种类的生物分解嘌呤的能力不同，产物也不同。人、灵长类、鸟类、

3、某些爬虫类将嘌呤分解成尿酸，其他生物还可将尿酸进一步分解成尿囊素、尿囊酸、尿素、甚至CO2、NH3。,核酸中的嘌呤主要是Ade、Gua首先脱氨，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤，再进一步代谢生成尿酸。,鸟嘌呤脱氨酶,腺嘌呤核苷脱氨酶,尿酸过多导致痛风（gout）,（四）嘧啶的分解代谢,-丙氨酸,-氨基异丁酸,二、核苷酸的合成代谢,概述：从头合成基本途径 半合成（补救合成）,（CO2/NH3/AA/戊糖）核苷酸 dNDP,分解的现成嘌呤、嘧啶,ATP,（一）嘌呤核苷酸的合成,嘌呤环中各原子的来源,5P核糖焦磷酸（PRPP）次黄嘌呤核苷酸（IMP）其他嘌呤核苷酸,1、主要合成途径,IMP的合成要点：,（1

4、）在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环；（2）PRPP（磷酸核糖焦磷酸）是重要的中间代谢物，它不仅参与嘌呤核苷酸的从头合成，而且参与嘧啶核苷酸的从头合成及两类核苷酸的补救合成。（3）PRPP合成酶和酰胺转移酶为关键酶。,IMP是AMP和GMP的前体。,ATP和GTP的生成,(4)四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体,嘌呤核苷酸合成特点,(1)先形成IMP，然后在单磷酸的水平上转变成AMP、GMP。,(2)IMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参与下先形成PRPP,(3)嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的。由Asp、Gln、Gly、甲酸、CO2 提供N和C.,2、补救合成,补救合成的生理意

5、义,(1)节省能量及一些氨基酸的消耗；(2)体内某些组织器官（如脑、骨髓等）只能进行嘌呤核苷酸补救合成。,(二)嘧啶核苷酸的合成,小分子化合物嘧啶环，再与核糖磷酸结合UMP，关键的中间化合物是乳清酸，其他嘧啶核苷酸则由尿苷酸转变而来。,氨基甲酰磷酸,天冬氨酸,嘧啶碱（UMP）合成的元素来源,=O,=O,dR-5-P,1、嘧啶核苷酸的主要合成过程,氨基甲酰磷酸,氨基甲酰磷酸合成酶-氨基甲酰磷酸合成酶-分 布 线粒体（肝）胞液（所有细胞）氮 源 氨 谷氨酰胺变构激活剂 N-乙酰谷氨酸 无功 能 尿素合成 嘧啶的合成,氨基甲酰磷酸合成酶的比较,UMP UDP、UTP,ATP,CTP,（氨基化 GLn

6、）,由UTP生成CTP的反应发生在三磷酸核苷的水平上。,2、嘧啶核苷酸的补救合成途径,三、脱氧核糖核苷酸的合成,体内脱氧核糖核苷酸由核糖核苷二磷酸水平还原而成(脱氧胸腺嘧啶核苷酸除外),1.在NDP（核苷二磷酸）水平上：,ADP dADP dATPGDP dGDP dGTPCDP dCDP dCTP,H2 H2O,ATP ADP,酶1,酶2,酶1：核糖核苷酸还原酶 酶2：激酶,2 dTTP的生成,UDP dUDP,dUMP dTMP,dTDP,dTTP,dCMP,H2H2O,Pi,甲基化,脱氨基,（主要）,N5，N10-甲烯四氢叶酸,第二节 DNA的生物合成,在DNA合成时，决定其结构特异性的

7、遗传信息只能来于自身，因此必须由原来的DNA作为模板合成新的DNA分子。新合成的DNA分子是模板DNA分子的复制品，故DNA的生物合成亦称DNA的复制。,一、参与DNA复制的酶及蛋白因子,(一）DNA聚合酶(二）DNA连接酶(三）与解除DNA高级结构有关的酶及蛋白因子,（1）以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物；（2）反应需要有模板的指导；（3）反应需要有3-OH存在；（4）DNA链的合成方向为53；（5）需要引物。,(一）DNA聚合酶：,DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶亚基数目 单体酶 单体酶 22多亚基酶 5 3聚合活性+中+很低+很高3 5外切活性+5 3外切活性+-,主要是对DNA损伤

8、的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。,修复紫外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要聚合酶.,1.原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌):,2.真核细胞DNA聚合酶：,二）、DNA连接酶:,三）、与解除DNA高级结构有关的酶及蛋白因子,通过水解ATP将DNA两条链打开。E.coli中的rep蛋白就是解链酶。每解开一对碱基需要水解2个ATP分子。,1.解链酶,2.拓朴异构酶：引起拓扑异构体反应的酶称为拓朴异构酶,拓朴异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接。作用是松解负超螺旋。,拓朴异构酶：使DNA两条链发生断裂和再连接。当引入负超螺旋时需要由ATP提供能量。,稳定已被解开的

9、DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。,3.单链结合蛋白(SSB),二、DNA的半保留复制,由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制.,(一)概念,(二)半保留复制的实验验证,(三)DNA的半保留复制的生物学意义：,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,三、冈崎片段与半不连续复制,同位素实验（短期脉冲标记）1、3HdT 短时间（2s）内为DNA小片段一段时间（30s）后检测到 DNA大片段。推断先合成小片段然后连接成大片段。2、当用DNA连接酶的变异株（2

10、5C 42C）时，检测到大量DNA片段小的积累。证明DNA复制中有小片段合成。,四、DNA的复制过程（以大肠杆菌为例）,（一）复制的起始,（二）DNA链的延长,（三）DNA链终止,(一）复制起始,1、辨认起始点2、模版DNA解除高级结构3、RNA引物的生成,1.辨认起始点,DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。常用ori(或o）表示。许多生物的复制原点都是富含A、T的区段。,2.模版DNA解除高级结构,首先DNA解螺旋酶(DnaB)打开局部双链，SSB与每条单链结合，稳定单链并防止DNA复性；然后在DNA旋转酶（TOP)的作用下，使螺旋DNA局部变成松弛态。,起始因子、引物酶、DNA聚合

11、酶等随后结合，复制开始。,引发体在复制叉上移动，沿模板链5 3的方向移动，与复制叉移动的方向相同，识别合成的起始位点，DnaB蛋白.,活化引物合成酶,引发RNA引物的合成。,3.RNA引物的合成,（二）链的延伸,领头链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。随后链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链。,当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其3-OH端遇到上一个冈崎片段时即停止合成。复制叉移动到终止区即停止复制在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下

12、，连接相邻的DNA链；,（三）合成终止,(一）原核生物DNA的复制,五、原核生物与真核生物DNA的复制特点,(二）真核生物DNA的复制,真核生物DNA的多起点复制,1、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子。2、冈崎片段长约200bp.3、真核生物DNA复制速度比原核慢。4、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制点。,(三）新链5末端复制,1、原核生物新链末端的复制2、端粒和端粒酶,真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的末端连接。由端粒酶负责新合成链5RNA引物切除后的填补，亦保持端粒的一定长度。,端粒酶是含RNA的逆转录酶,真核和原核DNA细胞复制

13、比较,第三节 RNA的生物合成,一、催化RNA合成的酶,二、RNA的合成过程,三、RNA转录“加工”,在生物界，RNA合成有两种方式：一是DNA指导的RNA合成（转录);另一种是RNA指导的RNA合成（复制)。,基因表达与转录,一、催化RNA合成的酶,一）、RNA聚合酶二）、RNA复制酶三）、RNA生物合成的抑制剂,1.细菌RNA聚合酶,(一）、RNA聚合酶(DDRP),五种亚基的功能：亚基：与启动子结合功能。亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。亚基：与DNA模板结合功能。亚基：识别起始位点。,2.真核RNA聚合酶,(二）RNA复制酶(RDRP),以RNA为模板在RNA复制酶催化

14、下合成RNA的过程称RNA复制。RNA病毒感染大肠杆菌时才产生RNA复制酶，它在宿主细胞内，以4种NTP为底物，以病毒RNA为模板催化合成新RNA链（53）。,(三）RNA生物合成的抑制剂,二、RNA的合成过程,(一）RNA合成的起始(二）链的延长(三）RNA合成的终止,(一）RNA合成的起始,启动子（Promoter）：是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。,1.原核生物启动子,2.真核生物启动子,真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100200bp序列(包含有若干具有独立功能的DNA序列元件)。,核心启动子元件,上游启动子元件,(二）链的延伸,加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或AT

15、P。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物。,(三）转录终止 位于一个基因或操纵子末端，提供转录终止信号的DNA序列。,1、强终止子,2、弱终止子,依赖于RNA的ATP酶的水解获得能量。促使RNA-DNA杂合双链解旋。只能引起没有进行翻译的RNA合成终止。,因子,特性,大肠杆菌两类终止子的回文结构,A.不依赖于Rho（）的强终止子,A.依赖于Rho（）的弱终止子,富含G-C,系列U,真核生物和原核生物转录的差别,DNA,核,核糖体,新生蛋白质,真核生物,原核生物,mRNA前体,转运,加工,mRNA,mRNA,真核生物中转录与翻译在不同的区域 RNA聚合酶不相同 启动子不同 转

16、录后RNA加工修饰不同,三、RNA转录“加工”,在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物（primary transcript）往往需要一系列的变化，包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的RNA分子。,(一）mRNA的转录后加工,原核生物的mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。,5“帽子”,PolyA 3,顺反子(cistron)HnRNA,AAAAAAA-OH,5端接上一个“帽子”(CAP)结构 3端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化 剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extro

17、n),原核生物中rRNA前体的加工,甲基化作用专一核酸外切酶,30S前体,17S,tRNA,25S,专一核酸外切酶,16S rRNA,tRNA,23S rRNA,5S rRNA,专一核酸外切酶,(二）rRNA的转录后加工,(三）tRNA的生物合成：,主要有以下几种加工方式：切断、剪接和化学修饰。,a、切除tRNA前体两端多余的序列：5端切除几到10个核苷酸。,b、末端添加：3-端添加CCA序列。,c、修饰：形成稀有碱基如DH2。,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseD,RNAaseD,ACC,表示核酸内切酶的作用,表示核苷酸转移酶的作用,表示核酸外切酶的作用,表示异构化酶的作用,加工,