10_核酸代谢

第十章 核酸代谢,第一节 核酸的降解和核苷酸代谢 第二节 DNA复制与修复（略） 第三节 RNA的生物合成（略） 第四节 核酸生物合成的抑制剂（略）,核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸,第一节 核酸的酶促降解,一、核酸酶 作用于核酸分子中磷酸二酯键的酶. 1.根据对底物的专一性可分为： (1)核糖核酸酶(Nase): (2)脱氧核糖核酸酶Nase (3)非特异性核酸酶 2. 根据酶的作用方式分：核酸内切酶、核酸外切酶。 二、核苷酸酶 （磷酸单脂酶） 三、核苷酶,核糖,嘧啶（嘌呤）,核苷水解酶,一、核酸的酶促降解,？,降解核酸分子中磷酸二酯键的酶. 。 根据对底物的专一性可分为： (1) 核糖核酸酶（Nase） (2) 脱氧核糖核酸酶（Nase） （3） 非特异性核酸酶 根据酶的作用方式分： （1）核酸内切酶 （2）核酸外切酶,核酸酶,nase 脱氧核糖核酸酶 （1） DNaseI （牛胰脱氧核糖核酸酶） 对双链和单链DNA都起作用，切断磷酸二酯键的3端酯键，产物是以5-磷酸为末端的寡核苷酸。 （2） DNaseII 切断磷酸二酯键的5端酯键，产物是以3-磷酸为末端的寡核苷酸。 （3） DNA限制性内切酶 细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶，产生3-OH和5-P。,U(或C）,5 P,3,P,3,G,5,3,U(或C、A）,P,3,（1） RNaseI（牛胰核糖核酸酶） 特异作用于RNA中嘧啶核苷酸C-3位磷酸与其相邻核苷酸C-5位所形成的磷酸酯键。 （2） RNaseT1 （核糖核酸酶T1）-作用位点是3 -P鸟苷酸与其它核苷酸的5-OH间的键。,Nase 核糖核酸酶,RNase I,RNase T1,（4）非特异性核酸酶（核酸外切酶） VPDase 蛇毒磷酸二酯酶 能从RNA或DNA链的游离的3-OH 逐个水解，生成5-单核苷酸。 SPDase 牛脾磷酸二脂酶 从游离的5-OH开始逐个水解，生成3-单核苷酸。,Nase 核糖核酸酶,核苷酸酶 （磷酸单脂酶）,水解核苷酸，产生核苷和磷酸 非特异性磷酸单酯酶：不论磷酸基在戊糖的2、3、 5，都能水解下来。 特异性磷酸单酯酶： 只能水解3核苷酸或5核苷酸 （3核苷酸酶、5核苷酸酶）,核苷酶, 核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆，产物为1-P核糖（脱氧核糖）和碱基。 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆，产物为核糖和碱基。,核苷酸的生化功能,合成核酸的原料 体内能量的利用形式：ATP,GTP,CTP,UTP 参与代谢和生理调节：cAMP, cGMP 组成辅酶：FAD, NAD+, NADP+ 活化中间代谢物： UDPG，CDP-DG，SAM,二、嘌呤和嘧啶的分解,（一）嘌呤的分解,反应部位：主要肝、肾、小肠 嘌呤的分解首先是在各种脱氨酶作用下水解脱去氨基，使腺嘌呤转化成次黄嘌呤，鸟嘌呤转化成黄嘌呤。 脱氨基作用主要在核苷、核苷酸和碱基的水平进行。 不同种类的生物分解嘌呤的能力不同，因此，终产物也不同 排尿酸动物：人、灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类 排尿囊素动物：哺乳动物(灵长类除外)、双翅目昆虫、腹足类 排尿囊酸动物：硬骨鱼类 排尿素动物：大多数鱼类、两栖类,某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。 植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。 微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。,（二）嘧啶的分解,与嘌呤分解类似，嘧啶分解是为含有氨基的首先水解脱氨基。 人和某些动物体内脱氨基过程有的发生在核苷或核苷酸上。脱下的NH3可进一步转化成尿素排出。,嘌呤核苷酸的分解代谢历程,Uric acid,核糖,脱氨基酶,尿酸,嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸 核苷 嘧啶 终产物 C和U：CO2、NH3、 -丙氨酸 T： CO2、NH3、 -氨基异丁酸,嘧啶核苷酸的分解代谢历程,胞嘧啶,NH3,NH3,尿嘧啶,乙酸+3NH3+2CO2,胸腺嘧啶,-氨基异丁酸+CO2+NH3,排出体外或进入有机酸代谢。,核苷酸的生物合成有两条基本途径：,1.从“头合成”途径：利用核糖磷酸，氨基酸及CO2等简单物质为原料，经一系列酶促反应，不经过碱基、核苷的中间阶段，合成核苷酸，称从“头合成”途径或“从无到有”途径。,2.补救途径：利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸，称补救途径。,（一）核苷酸生物合成的基本途径,三、核苷酸的生物合成,核苷酸生物合成途径概括,补救途径,从头合成,核苷,辅酶,碱基,核糖核苷酸,核糖、氨基酸、CO2、NH3,脱氧核苷,脱氧核苷酸,RNA,DNA,（二） 嘌呤核苷酸的从头合成,嘌呤环的元素来源及掺入顺序 A. 谷氨酰胺提供-NH2：N 9 B. 甘氨酸：C4、C5、N7 C. 甲酸：C8 D.谷氨酰胺提供-NH2：N3 闭环 E. CO2：C6 F. 天冬氨酸提供-NH2：N1 G. 甲酸：C2,嘌呤环中的不同原子有着各自的来源。,1,3,6,9,从头合成途径,图示合成过程,O,图示合成过程,嘌呤核苷酸从头合成的特点,合成原料：磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和CO2等简单物质 合成部位：主要在肝细胞液 是在5-磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤环，而不是首先单独合成嘌呤碱，然后再与磷酸核糖结合的。 首先合成次黄嘌呤核苷酸，然后再转变成AMP，GMP 重要的催化酶：PRPP合成酶、PRPP酰胺转移酶（嘌呤核苷酸合成的重要调节点）,补救合成及生理意义,原料:已有的嘌呤碱、嘌呤核苷、PRPP 重要的酶： 腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT） 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT), 最重要 磷酸核糖供体：PRPP 节约能量和一些氨基酸的消耗。 有些组织（如脑、骨髓）不能从头合成嘌呤核苷酸，只能进行嘌呤核苷酸的补救合成。,嘌呤核苷酸的补救合成,HGPRT受IMP、GMP反馈抑制 .,嘌呤核苷酸合成总结,（三） 嘧啶核苷酸的合成,1.从头合成 合成部位：主要在肝细胞液。 原料：Gln、CO2、Asp、R-5-P等 合成方式：先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连。 关键的中间化合物：是乳清酸。 合成过程：先合成UMP，再转变成其他嘧啶核苷酸。,“从头合成”中碱基各原子来源,谷氨酰胺,（1）合成过程,（2）重要的酶及反应,（3）CTP和TTP的合成,TMP合成的特点,在胸苷酸合成酶催化下，由dUMP甲基化生成. 甲基供体；N5，N10-甲烯FH4 dUMP来源：dUDP或dCMP,图示,2.嘧啶核苷酸的补救合成途径,胸苷激酶：正常肝活性低。 再生肝：活性升高 恶性肿瘤：明显升高与恶性程度有关,从头合成途径,PRPP,在三个位点受终产物的反馈抑制， 催化这三个反应的酶都是别构酶。 氨甲酰磷酸合成酶 天冬氨酸转氨甲酰酶 CTP合成酶,脱氧核苷酸的合成 先合成相应的核苷酸再通过还原作用 催化此反应的酶体系： 核糖核苷酸还原酶， 硫氧环蛋白， 硫氧还蛋白还原酶及FAD、NADP等辅助因子,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的生成：,dUDP,dUMP,dUMP,N5、N10亚甲基 四氢叶酸,二氢叶酸,dTMP,dCMP,dUMP,脱磷酸,加水脱氨,核苷（脱氧核苷）二磷酸、 三磷酸的生成 UMP+ATP UDP+ADP AMP+ATP ADP+ADP XDP+YTP XTP+YDP,UMP激酶,AMP激酶,核苷二磷酸激酶,脱氧核苷酸的合成,（1）腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。 （2）胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。,DNA的合成需要脱氧核苷三磷酸为原料。生物体中的脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。,UDP,（d）UDP,还原型硫氧还蛋白,氧化型硫氧还蛋白,NDP还原酶,NADPH + H+,NADP+,核苷酸从头合成的抗代谢物,核苷酸从头合成的抗代谢物可以抑制核苷酸的合成,从而控制快速生长的肿瘤细胞,其主要类型幼有:,核苷酸的补救合成,辅酶核苷酸的生物合成,烟酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP） 黄素核苷酸的合成（FMN、FAD） 辅酶A的合成,四、核酸的生物合成,1958年，F.Crick提出中心法则：复制、转录、翻译,“复制”,“转录”,“翻译”,中心法则的补充： 逆转录、RNA的复制。,（一）DNA的复制,原核生物：每个细胞只有一个染色体. 真核生物：每个细胞含有多条染色体. 染色体以外的遗传因子：包括细菌的质粒,病毒,真核细胞的细胞器中DNA等。 DNA的体外复制：分子克隆。,1. DNA的半保留复制,DNA的半保留复制的证明(1),1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli. DNA，证明了DNA的复制是半保留复制。15NH4Cl为唯一氮原,DNA复制的起点、方向和方式,复制起始点：复制方向：复制叉（生长点）,细菌复制叉移动速度50000bp/min,真核生物复制叉移动速度3000bp/min,复制单位,复制子: 基因组能独立进行复制的单位。 每个复制子 都含有一个复制起点。 单复制子: 一般原核生物细胞 多复制子：真核生物细胞核DNA。 各复制子长度一般在200300bp ； 各复制子发动复制的时间有先有后。,DNA的聚合反应和有关的酶,DNA的聚合反应(提取的酶制剂作实验）,DNA的切口和缺口：露出3-OH的核酸链可作用为引物。 加入的DNA的作用：一条链作为引物，别一条链作为模板,DNA聚合酶 引物酶或RNA聚合酶（引发酶） 解螺旋酶 DNA旋转酶 单链DNA结合蛋白 DNA连接酶（ligase),DNA复制有关的酶及蛋白质因子,以4种dNTP为底物 反应需要接受DNA模板的指导，不能 催化游离的dNTP的聚合。 反应需有引物 3OH的核酸链 链生长方向 5 3 产物DNA的性质与模板相同,DNA聚合酶的反应特点,E.coli三种DNA聚合酶的性质比较,DNA聚合酶：多功能酶,酶的指形结构：414页 握住核酸分子,DNA聚合酶：10种亚基组成。以异二聚体形式存在,核心酶：、和三种亚基组成。 夹子：两个亚基构成夹子。夹住模板。,真核生物DNA聚合酶的比较,2. DNA的半不连续复制,冈崎片段及长度： 细菌：1Kb-2Kb，相当于 一个顺反子的大小。 真核：100-200bp，约等 于一个核小体DNA 的长度。,风崎片段,前导连,引物RNA,1968年,三个阶段： 起始、延伸、终止,3. 原核生物DNA复制过程,(1)复制起点由254个bp构成 要求DNA呈负超螺旋。,(2) DNA链的延长反应,复制体：在DNA合成的复制叉上分布着许多与复制有关的酶和辅助因子，它们在DNA的模板链形成离散的复合物，彼此配合进行高度精确的复制。,(3) 复制的终止 到终止子位点停止复制，复制体解体，在DNA拓扑异构酶参与作用下，两个DNA分子分开。,从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力和氢键都 较弱，易发生错配 复制的最初几个核苷酸，没有与模板形成稳定双 链，DNA聚合酶的35校对功能难发挥作用,聚合酶对dNTP的选择 35核酸外切酶活性以及碱基互补配对。 机体内对DNA损伤的修复。, DNA复制的忠实性, DNA复制为什么要用RNA引物？,(二) DNA 的损伤与修复,造成DNA损伤的原因：生物因素、物理因素、化学因素,1. 错配修复（mismatch Repair） 复制过程中： “旧链GATC序列中腺嘌呤N6甲基化”， “新链未甲基化”,2. 直接修复： 光复活：激活光复活酶，将二聚体分解。 暗修复：核酸内切酶将其切除（切除修复） O6甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶：,3.切除修复,碱基切除修复：,核苷酸切除修复：,4.重组修复（复制后修复）,5.诱导修复和应急反应（SOS）,应急反应：许多能造成DNA损伤或抑制DNA复制的 处理均能引起一系列复杂的诱导效应。 功能是：DNA修复和导致变异。为求生存而出现。,DNA损伤修复效应： 诱导修复中某些关键酶和蛋白质的产生。 诱变效应： 诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶IV和VI,(三） RNA的生物合成和加工,启动子和终止子：DNA分子上的特定序列。 转录单位： 转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA等,1、在DNA指导下的RNA合成,（1）底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） （2）RNA链生长方向：53 （3 ）不需引物 （4）需DNA模板 （5）需DNA指导的RNA聚合酶,DNA指导的RNA聚合酶,5个亚基组成，除亚基外称核心酶。抑制剂利福平。 此酶不需引物，无校对功能，局部解开DNA的两条链。 在体内仅DNA的一条链为模板转录RNA 模板链与编码链,大肠杆菌RNA聚合酶,转录反应可以分为4个阶段（原核）,(1)模板识别：RNA聚合酶的（因子）亚基的引导。 不同的因子识别不同类型的启动子。 (2)转录的起始：按碱基配对原则合成29个核苷酸的链。,(3)转录的延伸： 因子脱离核心酶,(4)转录终止：Nus A因子识别转录终止信号（终止子）。 有的还需因子（ Rho终止辅助因子）,转录与DNA复制的异同,相同：要有模板，新链延伸方向53，碱基的加入 严格遵循碱基配对原则。 相异：复制需要引物，转录不需引物。 转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模 板信息是半保留。 转录时，RNA聚合酶只有53聚合作用， 无53及35外切活性。 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。 基因表达的终产物：RNA 蛋白质,2、 RNA的转录后的加工,（1）原核生物中RNA的加工 主要是rRNA和tRNA的加工 rRNA前体的加工：甲基化修饰；RNase切割 tRNA前体的加工：基因成簇或混合存在。 mRNA前体的加工：大多不需加工，一经转录即可翻译，但也有少数需将多顺反子加工成较小单位。,（2）真核生物中RNA的加工,rRNA前体的加工(rRNA基因几十至几千，成簇存在） 自催化剪切：对有内含子的rRNA前体； 甲基化与切割：由核仁小RNA（snoRNA)指导。 核仁：是rRNA合成、加工和装配成核糖体场所。 tRNA前体的加工：tRNA的基因数目要比原核生物大得多。 mRNA前体（hnRNA，核内不均一RNA)的加工 hnRNA转变为mRNA的加工过程包括： 5 端形成特殊的帽子结构 m7G5ppp5 Np- 在3 端切断并加上一个pol