蛋白质与核酸代谢及DNA合成PPT课件.ppt

蛋白质分解和氨基酸代谢 蛋白质的重要性在前面已经论述 蛋白质是一切生命不可缺少的物质 不仅因为蛋白质是构成组织器官的基本成分 而且更重要的是蛋白质是体内代谢必不可少的物质 不能被其他的营养物质所代替 蛋白质本身不断地自我更新 不断地进行合成与分解 蛋白质的分解代谢是指蛋白质分解为氨基酸及氨基酸继续分解为含氮的代谢产物 二氧化碳和水并释放出能量的过程 构成蛋白质的氨基酸共有20种 其共同点是均含氨基和羧基 不同点是它们的碳骨架各不相同 因此 脱去氨基后各个氨基酸的碳骨架的分解途径有所不同 这就是个别氨基酸的代谢 也可称之为氨基酸的特殊代谢 1 一 蛋白质的营养作用 一 氮平衡 nitrogenbalance 氮平衡是一种人体实验 体内蛋白质的代谢情况可以根据该实验来评价 蛋白质中氮的平均含量为16 食物中的含氮物质主要是蛋白质 故通过测定食物中氮的含量可以推算出其中的蛋白质含量 蛋白质在体内代谢后产生的含氮物质主要经尿 粪 汗排出 因此 测定人体每天从食物摄入的氮含量和每天排泄物 包括尿 粪 汗等 中的氮含量 可评价蛋白质在体内的代谢情况 氮的总平衡 摄入氮 排出氮 见于正常成人 氮的正平衡 摄入氮 排出氮 表示体内蛋白质的合成大于蛋白质的分解 见于儿童 孕妇及病后恢复期 氮的负平衡 摄入氮 排出氮 常见于蛋白质摄入量不能满足需要时 如长期饥饿 消耗性疾病等 2 二 必需氨基酸 essentialaminoacids 必需氨基酸是指体内需要 但人体本身不能合成或合成速度不足以满足需要 必须由食物蛋白质提供的氨基酸 共有8种 赖氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 甲硫 蛋 氨酸 苏氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 此外 组氨酸和精氨酸在婴幼儿和儿童时期因其体内合成量常不能满足生长发育的需要 也必须由食物提供 可称为半必需氨基酸 非必需氨基酸 non essentialaminoacids 是指体内需要 而人体本身可以合成 不必由食物供给的氨基酸 除上述8种必需氨基酸以外的其它组成蛋白质的氨基酸均为非必需氨基酸 从食物蛋白质的氨基酸组成来讲 若所含必需氨基酸的种类和数量与人体蛋白质相接近 则易于被机体利用 也就是说氮的保留量高 因此其生理价值亦高 一般讲 动物蛋白质的生理价值较植物蛋白质高 若将几种生理价值较低的蛋白质混合食用 可使其所含必需氨基酸成分相互补充 于是生理价值得以提高 称为蛋白质的互补作用 3 二 蛋白质的消化 吸收与腐败 一 蛋白质的消化蛋白质的消化部位是胃和小肠 主要在小肠 受多种蛋白水解酶的催化而水解成氨基酸和少量小肽 然后再吸收 氨基酸在小肠的吸收是一个主动耗能的过程 二 腐败未被吸收的氨基酸和小肽及未被消化的蛋白质 在大肠下部受大肠杆菌的作用 发生一些化学变化的过程称腐败 4 多肽 5 三 氨基酸的一般代谢 20种氨基酸的化学结构不同 其代谢途径必然有所差别 但各种氨基酸的 氨基和 羧基的变化是相类似的 氨基酸的分解代谢的一般途径就是指的这些具有普遍的变化 一 氨基酸的脱氨基作用 氨基酸分解代谢的最主要反应是脱氨基作用 它是指氨基酸脱去氨基 生成酮酸的过程 这是多数氨基酸分解代谢的第一步 6 1 氧化脱氨基作用 普遍存在于动 植物 在有氧作用下 氨基酸进行氧化脱氨作用 产物是 酮酸和氨 谷氨酸脱氢酶在动 植物体内分布广泛 且活性及专一性很强 只对L 谷氨酸起催化作用 7 2 转氨作用 AA和 酮酸之间氨基的转移作用 是氨基酸脱去氨基的一种重要形式 转氨基作用是在转氨酶的催化下 氨基酸的氨基转移到 酮酸的酮基上 生成相应的氨基酸 原来的氨基酸则转变为 酮酸催化转氨基作用的酶叫转氨酶或氨基转移酶 种类繁多分布广泛 辅酶均为磷酸吡哆醛 B6的磷醛酯 8 3 联合脱氨基作用转氨 氧化脱氨 AA的转氨作用虽然在生物体内普遍存在 但只靠转氨作用并不能最终使氨基脱掉 同时氧化脱氨作用也不能满足机体脱氨基的需要 由于生物体内普遍存在着 酮戊二酸作为氨基受体的转氨酶 因此一般氨基酸不直接氧化脱氨 而是先与 酮戊二酸通过转氨形成相应的a 酮酸和谷氨酸 谷氨酸再通过谷氨酸脱氢酶脱氨基 9 二 氨基酸分解产物的去向 1 NH3的去路氨对生物机体有毒 特别是高等动物的脑对氨极敏感 血中1 的氨会引起中枢神经中毒 因此 脱去的氨必须排出体外A 重新形成氨基酸 重新合成氨基酸 当组织细胞中碳水化合物代谢旺盛时 氨可与碳水化合物转化成的 酮酸发生氨基化反应重新生成氨基酸 虽然通过脱氨基作用产生的氨再用来合成AA时并不能增加AA的数量 但却能改变AA的种类 B 形成酰胺 消除NH3毒害 贮存NH3 生成Gln和Asn 一方面是生物体贮藏和运输氨的主要形式 也是解除氨毒害的最主要途径 另一方面还可作为蛋白质合成的原料 C 尿素的生成和鸟氨酸循环 在哺乳动物体内 氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并随尿排出体外 在部分植物体内尿素的形成既能解除氨毒 又是氨的一种贮存形式 10 鸟氨酸循环 1 氨基甲酰磷酸的合成 2 瓜氨酸的合成 3 精氨酸的合成 4 精氨酸水解生成尿素 每循环一次 形成一分子尿素 可清除两分子氨 来自于氨分子和Asp天冬氨酸分子 和一分子C02 尿素属中性无毒物质 鸟氨酸 瓜氨酸 又称 尿素循环 11 2 酮酸的代谢去路 C架的去路 A 形成新的氨基酸B 形成乙酰 CoA 经丙酮酸到乙酰 CoA的途径 丙 甘 丝 苏 半胱氨酸 经乙酰乙酰 CoA到乙酰 CoA的途径 苯丙 酪氨酸 亮 赖 色氨酸 酮戊二酸 精 组 谷氨酰胺 脯氨酸 谷氨酸 琥珀酰 CoA 甲硫氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 延胡索酸 苯丙氨酸和酪氨酸 两条途径 草酰乙酸 天冬酰胺和天冬氨酸 参加TCA循环 氧化成CO2和水 产生能量 12 生糖氨基酸和生酮氨基酸凡能形成丙酮酸 草酰乙酸 酮戊二酸的氨基酸称为生糖氨基酸 因为这些物质都能导致生成葡萄糖和糖原 能转变为乙酰乙酰 COA 苯丙 酪氨酸 亮 赖 色氨酸5种 或乙酰乙酸和 羟丁酸的氨基酸 既能生成糖又能生成酮体的AA称为生糖兼生酮AA 如苯丙氨酸和酪氨酸 13 四 个别氨基酸的代谢 除了氨基酸共有的代谢途径外 有些氨基酸有其特殊的代谢途径 一 氨基酸的脱羧基作用体内部分氨基酸可进行脱羧基作用 生成相应的胺 催化这些反应的酶是氨基酸脱羧酶 辅酶是磷酸吡哆醛 它也是转氨酶的辅酶 14 氨基酸与生物活性物质1 氨基丁酸 由谷氨酸脱羧基生成 是抑制性神经递质 2 牛磺酸 由半胱氨酸代谢转变而来 是结合胆汁酸的成分 3 组胺 由组氨酸生成 创伤性休克或炎症反应都有组胺释放 还是神经递质 4 5 羟色胺 黑色紧张素 烟酸 由色氨酸生成 5 羟色胺是脊椎动物神经递质 吲哚乙酸生长激素 5 黑色素 儿茶酚胺类 肾上腺素 去甲肾上腺素 多巴和多巴胺统称为儿茶酚胺类物质 是神经递质 甲状腺素 激素 酪氨酸形成 6 肌酸和磷酸肌酸 精氨酸 甘氨酸 甲硫氨酸7 腐胺 精胺 亚精胺 鸟氨酸 15 二 一碳单位的代谢1 定义 某些氨基酸在分解代谢过程中可以产生含有一个碳原子的基团 称一碳单位 体内的一碳单位有 甲基 甲烯基 甲炔基 甲酰基和亚氨甲基等 CO 不属于此种一碳单位 一碳单位常结合于四氢叶酸 THF 分子的N N10位上而转运 故四氢叶酸可看作是其辅酶 2 一碳单位的生理功能 一碳单位还参与嘌呤和胸腺嘧啶的合成以及S 腺苷甲硫氨酸的生物合成 它是生物体各种化合物甲基化的甲基来源 因为一碳单位可由氨基酸转变而来 而其又可作为核酸合成的原料 故一碳单位将氨基酸和核酸代谢密切联系起来 生物体内合成的胆碱 肌酸 肾上腺素所需的甲基都是由S 腺苷甲硫氨酸提供 16 一碳单位代谢障碍 可造成某些疾病 因为其会影响核酸合成 使细胞分裂受到阻碍 叶酸是四氢叶酸的前身 人体叶酸来源于食物 细菌自己合成 叶酸组成成分之一是对 氨基苯甲酸 磺胺类药物是对氨基苯甲酸的拮抗剂 磺胺药即是通过干扰细菌四氢叶酸合成 影响一碳单位代谢 进而影响细菌核酸合成而抑制细菌生长增殖 17 核酸代谢 一 核酸的酶促降解 核苷酶 18 核酸酶是作用于核酸磷酸二酯键的水解酶 包括核糖核酸酶 RNase 和脱氧核糖核酸酶 DNase 其中能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶 endonuclease 从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶 exonuclease 核酸酶 19 二 核苷酸的代谢 一 嘌呤的降解不同种类生物分解嘌呤碱的酶系不一样 因而代谢产物各不相同 人类灵长类 鸟类 爬虫类以及大多数昆虫嘌呤的最终产物为尿酸 其它哺乳动物则为尿囊素 硬骨鱼中尿素继续分解为尿囊酸 大多数鱼类 两栖类中尿囊酸再分解为尿素和乙醛酸 低等动物将尿素分解为氨和二氧化碳 20 嘌呤碱的分解 首先是在各种脱氨酶的作用下脱去氨基 分别生成次黄嘌呤 I 和黄嘌呤 X NH3 尿素 NH3 CO2 微生物 尿囊素 人类 灵长类 鸟类 爬虫类 昆虫 其它哺乳动物 尿囊酸 某些硬骨鱼 大多鱼类 两栖类 A 黄嘌呤氧化酶 21 体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏 小肠及肾脏中进行 正常生理情况下 嘌呤合成与分解处于相对平衡状态 所以尿酸的生成与排泄也较恒定 当体内核酸大量分解 白血病 恶性肿瘤等 或食入高嘌呤食物时 血中尿酸水平升高 当超过0 48mmol L 8mg dl 时 尿酸盐将过饱合而形成结晶 沉积于关节 软组织 软骨及肾等处 而导致关节炎 尿路结石及肾疾患 称为痛风症 痛风症多见于成年男性 临床上常用别嘌呤醇治疗痛风症 别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似 只是分子中N8 与C2互换了位置 故可抑制黄嘌呤氧化酶 灭活 从而抑制尿酸的生成 22 二 嘧啶的分解不同种类的生物对嘧啶的分解过程不一样 胞嘧啶先水解脱去氨基生成尿嘧啶 尿嘧啶和胸腺嘧啶分解时 先还原对应的二氢衍生物 然后水解使环开裂分别产生 丙氨酸及 氨基异丁酸 23 嘧啶碱的分解 NH2 二氢尿嘧啶 脲基丙酸 丙氨酸 H2O H2O 开环 C U T 氨基异丁酸 脲基异丁酸 24 三 核苷酸的合成代谢无论动物 植物或微生物通常都能合成各种嘌呤和嘧啶核苷酸 核苷酸在细胞内合成有两条途径 由氨基酸 磷酸戊酸 CO2和NH3这些化合物合成核苷酸 叫做从头合成途径或叫做从无到有途径 由预先形成的碱基和核苷合成核苷合成核苷酸叫做补救途径 25 核苷酸合成的两条途径 补救途径从头合成 核苷 碱基 脱氧核苷 核糖 氨基酸 CO2 NH3 核糖核苷酸 脱氧核苷酸 DNA 辅酶 RNA 26 嘌呤核苷酸的合成 利用同位素标记可知 CO2 Asp 天门冬氨酸 一碳单位 Gln 甘氨酸 4 5 7位碳 一碳单位 N5 N10 次甲基四氢叶酸 1 嘌呤核苷酸的生成 不是先合成嘌呤碱 再与核糖和磷酸合成核苷酸 而是从5 磷酸核糖焦磷酸开始 经一系列反应 生成次黄嘌呤核苷酸 然后再转变为其他嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸 腺嘌呤 次黄嘌呤核苷酸 黄嘌呤核苷酸 鸟嘌呤 5 磷酸核糖焦磷酸 PRPP 是核糖的活化形式 由核糖 5 磷酸与ATP在核糖磷酸焦磷酸激酶催化下生成 27 嘧啶核苷酸的合成 CO2 Gln Asp 2 嘧啶核苷酸的生成 氨甲酰磷酸与天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 与磷酸核糖合成为乳清核苷 尿嘧啶核苷酸其他嘧啶核苷酸由尿嘧啶核苷酸转化 在尿嘧啶核苷三磷酸水平上进行的 而成 28 三 DNA的生物合成 现代生物学已充分证明 DNA是生物遗传的主要物质基础 生物机体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上 表现为特定的核苷酸排列顺序 并通过DNA复制 转录 翻译等形式由亲代传递给子代 使后代表现出与亲代相似的性状 复制 就是指以原来的DNA分子为模板合成出相同分子的过程转录 就是在DNA分子合成出与其核苷酸顺序相对就的RNA的过程 翻译 是在RNA的控制下 根据核酸链上每三个核苷酸决定一个AA的三联体密码规则 合成出具有特定AA顺序的蛋白质肽链的过程 29 中心法则CentralDogma RNA DNA 蛋白质 转录 翻译 复制 逆转录 少数病毒复制 翻译 蛋白质 病毒 30 一 DNA的半保留复制 31 1 复制的起始点 方向和方式 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和质粒 一个起始点真核 多个起始点 ori 32 真核生物 Eukaryote 多复制起点即 一个genome中有多个复制单位 33 34 复制眼概念 环状DNA的复制眼形成 结构 35 1 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 大多数生物 复制方向 复制过程的顺序性 36 2 复制的多模式 单起点 单方向 原核 多起点 单方向 真核 多起点 双方向 真核 37 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 复制或从新起始 denovoinitiation 或复制叉式 replicationfork 双链环状DNA的复制眼可以形成一种 结构 形状像希腊字母 因而叫 38 2 D环复制线粒体和叶绿体DNA的复制方式 39 3 滚环式复制病毒 细菌因子 如含有单链环状DNA的 X174 G4 M13 40 二 DNA复制的酶学 1 模板 解开成单链的DNA母链 3 DNA聚合酶 DNA pol 2 底物dNTP dATP dGTP dCTP dTTP 4 引物 primer RNA引物 5 其他酶和蛋白质因子 41 与复制有关的酶及蛋白质 1 拓扑异构酶 通过切断并连接DNA双链中的一股或双股 改变DNA分子拓扑构象 避免DNA分子打结 缠绕 连环 在复制的全程中都起作用 2 解螺旋酶 DNA进行复制时 需亲代DNA的双链分别作模板来指导子代DNA分子的合成 解螺旋酶可以将DNA双链解开成为单链 3 单链结合蛋白 SSB 在复制中模板需处于单链状态 SSB可以模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解 随着DNA双链的不断解开 SSB能不断的与之结合 解离 4 引物酶 是一种RNA聚合酶 在复制的起始点处以DNA为模板 催化合成一小段互补的RNA DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合反应 42 解旋酶 作用 断裂互补碱基间的氢键 使DNA成单链 dnaA B C DnaA B C ATP 43 单链DNA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 44 引物酶 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 45 5 DNA聚合酶 以DNA为模板 dNTP为原料 催化脱氧核苷酸加到引物或DNA链的3 OH末端 合成互补的DNA新链 即5 3 聚合活性 原核生物的DNA聚合酶有DNApolI DNApolII和DNApolIII DNApolI 最初从大肠杆菌中分离出来 pol 为单一肽链的大分子蛋白质 可被特异的蛋白酶水解为两个片段 其中的大片段称为Klenowfragment 具有5 3 聚合酶活性和3 5 外切酶的活性 小的片段具有5 3 核酸外切酶活性 5 3 核酸外切酶活性可用于切除引物以及突变片段 起切除 修复作用 合成速度慢 DNA复制速度的百分之一 46 DNApolIII是复制延长中真正起催化作用的酶 除具有5 3 聚合活性 还有3 5 核酸外切酶活性和碱基选择功能 能够识别错配的碱基并切除 起即时校读的作用 DNApolII在无DNApolI和DNApolIII时起作用 也具有5 3 和3 5 核酸外切酶活性 47 大肠杆菌DNA聚合酶I II III的性质比较 48 在真核生物中 目前发现的DNA聚合酶有五种 分别命名为DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol 其中 参与染色体DNA复制的是pol 延长滞后链 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 49 6 DNA连接酶 DNA连接酶用于连接双链中的单链缺口 使相邻两个DNA片段的3 OH末端和5 P末端形成3 5 磷酸二酯键 在原核生物中由NAD 供能 在真核生物中由ATP供能 50 三 DNA的复制过程 冈崎片段 Okazakifragments DNA双链是反向平行的 复制时 亲代双链DNA在复制叉处打开 由于新链的合成具有方向性 即从5 3 以5 3 DNA链为模板合成反向互补的新链时 只能合成小片段DNA 这些片段根据发现者命名为冈崎片断 可将复制过程分为起始 延长和终止三个阶段 拓扑异构酶解螺旋酶单链结合蛋白 SSB 引物酶DNA聚合酶DNA连接酶 51 1 大肠杆菌的DNA复制 1 大肠杆菌的DNA复制起始 四个9bp的重复序列dnaA结合位点 富含AT 三个13bp的重复序列 涉及到的蛋白质 DnaA DnaB DnaC等解螺旋酶 SSB DNA拓扑异构酶 52 a 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 b 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 3 OH 引物合成后 DNApol组装到引发的RNA上 完成复制体 复制叉上分布着各种各样与复制有关的酶和蛋白质因子 构成的复合物称为复制体 的组装DNA的调节发生在起始阶段 一旦开始复制 就一直进行到完成 53 在原核生物中 参与DNA复制延长的是DNA聚合酶 引发体向前移动 解开新的局部双螺旋 形成新的复制叉 滞后链重新合成RNA引物 继续进行链的延长 2 复制的延伸 54 原核生物基因是环状DNA 双向复制的复制片段在复制的终止点 ter 处汇合 3 复制的终止 55 3 复制的终止E coli有两个终止区域 分别结合专一性的终止蛋白序列一 terEterDterA序列二 terFterBterC每个区域只对一个方向的复制叉起作用去除引物 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 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 56 2 真核生物DNA的复制起始 a 多个复制起点 b 复制子较小 C 复制速度较慢 延长 在真核生物中 是DNA聚合酶 延长滞后链 和 延长前导链 在真核生物中 RNA引物的去除 由一种特殊的核酸酶来水解 57 真核生物端粒的形成 端粒 真核生物线性染色体的两个末端具有特殊的结构 称为端粒 有许多成串短的重复序列组成 通常一条富含G 互补链富含C 端粒的功能为稳定染色体末端结构 线性DNA在复制完成后 其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短 故需要在端粒酶的催化下 进行延长反应 端粒酶是一种含有RNA链的逆转录酶 它可以其RNA为模板 通过逆转录过程对末端DNA链进行延长 58 1 半