《核酸代谢32h》PPT课件.ppt

第七章核酸代谢 一 核酸的酶促降解细胞内核酸在核酸酶的作用下逐步分解 体内DNA分解极为缓慢 RNA分解较快 二者终产物一致 磷酸核酸 核苷酸戊糖 核糖或脱氧核糖 核苷碱基 嘌呤或嘧啶 水解产物除部分作为新的核苷酸合成的原料外 大部分被进一步分解 戊糖 HMS氧化分解 磷酸 磷酸代谢 碱基 分别降解 二 嘌呤 嘧啶代谢 一 嘌呤的分解 反应部位 主要肝 肾 小肠 过程 水解脱氨 氧化 重要的酶 黄嘌呤氧化酶 不同生物嘌呤分解终产物有差异 人体嘌呤分解终产物为尿酸 尿酸微溶于水 如体内产生过多 不能及时排出 则沉积在体内 如 沉积在关节 痛风症沉积在肾 肾结石 二 嘧啶的分解终产物 NH3 CO2 脲基异丁酸 丙AANH3 CO2 乙酸 三 核苷酸的合成1 核酸降解产物 核苷酸 核苷 碱基 被吸收或重新利用 2 生物体利用其它物质合成核苷酸 核酸 不一定需要膳食供给 一 嘌呤核苷酸的合成用同位素示踪实验 证明嘌呤核苷酸中各原子的来源 AMP原料 IMPGMP GTP ATP 二 嘧啶核苷酸合成同位素示踪试验证明 嘧啶核苷酸元素来源 从头合成 主要途径原料 Gln CO2 氨甲酰磷酸 Asp方式 原料嘧啶环UMPCMPTMP 核糖 P CO2 Gln 组装 四 核酸的生物合成核酸是细胞基本成分 DNA是主要的遗传物质 是遗传物质的载体 DNA功能 贮存遗传信息 传递遗传信息 复制 转录 翻译 接受遗传信息 通过反转录 1953年 F Crick在总结DNA与RNA和蛋白质的关系的基础上 提出了分子生物学的中心法则 1957年修改 复制 以亲代DNA分子为模板合成新的子代DNA分子的过程 新合成的子代DNA分子与亲代DNA分子完全一样 DNA DNARNA也可以复制 病毒 RNA RNA转录 以DNA为模板 合成RNA的过程 DNA RNA反转录 在反转录酶作用下 以RNA为模板合成DNA的过程 翻译 以RNA为模板 根据RNA链上的每三个核苷酸 碱基 决定一种AA的规则 合成出具有特定AA顺序的蛋白质肽链的过程 RNA Pr DNA的复制 DNA生物合成方式DNA的反转录合成 病毒 DNA损伤的修复 一 DNA的生物合成A DNA复制1 参与DNA复制的酶和蛋白质 原核生物 DNA聚合酶 DNApolymerase DNApol DNA聚合酶 以DNA为模板 dNTP为底物催化合成DNA的一类酶 DNApol 原核生物有三种DNA聚合酶DNApol DNApol DNA聚合酶作用条件 需模板 DNA 需引物 具3 OH的DNAorRNA 底物 种dNTP 需Mg2 Mn2 使dNTP以3 5 磷酸二酯键相连 按5 3 方向聚合成与模板互补的DNA链 DNA聚合酶 DNApol 催化特点DNApol 是一个多功能酶 5 3 聚合催化特性 使dNTP按模板的要求逐个加到具有3 OH端的多核苷酸的链上 3 5 外切酶活性 从3 OH端水解DNA 出现与模板错配的核苷酸时 DNApol 先切去错配的碱基 核苷酸 然后再继续进行聚合 功能 识别 消除错配碱基 对聚合起校正作用 5 3 外切酶的活性 从5 端水解DNA链 也可距5 端12个左右碱基处水解DNA链 只作用于双链DNA 功能 切除引物 切除变异损伤的核苷酸 修复作用 原核生物有三种DNA聚合酶比较 2 DNA连接酶 DNALigase 双链DNA一条链上有切口 3 OH与5 P相邻 不能连接两条游离的单链 切口处的两核苷酸必须相邻不能缺少核苷酸 作用 在DNA不连续合成时起连接作用 3 5 3 解链酶 Helicase解螺旋酶 复制蛋白 rep蛋白 作用 解开DNA双螺旋 使其成单链 4 旋转酶作用 消除DNA超螺旋的酶 5 引发酶引发酶 催化RNA引物合成的RNA聚合酶 作用 合成引物DNA聚合酶不能从头起始DNA合成 需要引物 primer 只能在引物 3 OH 端逐渐加上脱氧核苷酸 延长DNA链 DNA合成的引物有三种 RNA片段 DNA片段 tRNA片段 6 单链结合蛋白 Singlestrandbindingprotein SSB蛋白 作用 与单链DNA的特异结合的蛋白质 SSB与解开的单股DNA结合 使两条单链不再形成双链 保持单链区的稳定 防止核酸酶降解DNA 2 复制的方式和特点 1 半保留复制 Watson和Crick1953年提出 DNA的两条链都能作为模板 分别合成出两条互补的新链 机制 DNA复制时 两条互补连解开 两条链都可做模板 然后在每条模板链上按碱基配对的原则形成互补的新链 组成子代DNA分子 新产生的两子代DNA分子与亲代DNA分子完全相同 且子代DNA中一条链来自亲代 另一条链是新合成的 半保留复制 DNA半保留复制方式 保证了DNA在代谢上的稳定性 从而保证了生物遗传的稳定性和准确性 稳定是相对的 2 DNA的半不连续复制 问题的提出 DNA分子两条链都能做模板 几乎同时 齐头并进合成为两条新的互补链 DNA模板的两条链反向平行 一条5 3 另一条3 5 DNA聚合酶要求 模板方向3 5 合成新链方向5 3 如何解释在同一个复制叉中两条新链合成是同步 齐头并 日本学者冈崎 DNA的半不连续复制模型 DNA半不连续复制模型 DNA复制时两条亲代单链DNA都做为模板 复制叉 DNA复制时 双螺旋局部解开 在复制区形成Y形结构 复制叉 随着复制叉的移动DNA双螺旋逐渐解开 以复制叉移动方向为准 3 5 走向模板链 DNA新链合成方向5 3 与复制叉方向一致 连续合成 前导链 5 3 走向模板链 DNA新链合成方向也是5 与复制叉移动方向相反 先照模板按5 3 合成若干短的片断 冈崎片断 然后由连接酶将短片断连接 成一条完整的DNA链 不连续合成 滞后链 后随链 结论 DNA的半不连续复制 一条新链连续合成 另一条新链不连续合成 冈崎片断长度 原核生物1000 2000个Nt 真核生物200个左右Nt 3 DNA复制过程合成的起始 DNA链的延伸 合成终止 3 DNA复制过程 1 合成的起始 引发酶识别 结合在模板DNA起始位点 DNA双螺旋及超螺旋解开 边合成边解开 RNA引物合成 2 DNA链的延伸 在DNApol 的催化下 按照模板链3 5 顺序在RNA引物3 OH末端逐个按上相应的核苷酸 合成互补新链 前导链合成方向5 3 连续合成 滞后链合成方向5 3 不连续合成 3 合成终止DNA复制合成的终止包括 RNA引物的切除和缺口的填补 通过DNApol 5 3 外切酶活性 或RNaseH酶切除引物 然后由pol 5 3 聚合活性补齐缺口 DNA片段的连接 DNA连接酶 B DNA反 逆 转录合成 RNA指导的DNA合成反转录 在反转录酶作用下 以RNA为模板合成DNA的过程 反转录的发现 1964年Temin提出反转录假设 1970年Temin和Batimore 同时分别从致癌RNA病毒中发现反转录酶 后来在正常动物胚胎细胞也发现反转录酶 反转录酶又称为 依赖RNA的DNA聚合酶RNA指导的DNA聚合酶 反转录条件 酶 反转录酶 底物 4种dNTP为 模板 病毒单链RNA为 引物 宿主细胞的tRNA 合成方式 致癌DNA整合到宿主DNA病毒RNAcDNA 模板 mRNA蛋白质 转化蛋白 以病毒RNA为模板合成的cDNA complementaryDNA 通过复制合成致癌DNA 后者可整合到宿主DNA中 并随宿主细胞分裂而遗传下去 遇到合适的条件便进行复制产生致癌DNA分子 引起癌变 转录 翻译产生的蛋白 转化蛋白 病毒蛋白 也引起癌变 反转录酶 转录 翻译 复制 反转录酶具有三种酶活性 逆转录功能 利用病毒RNA为模板合成互补的cDNA 形成RNA DNA杂合子 复制功能 以新合成 逆转录 的cDNA为模板 合成另一条DNA成DNA DNA双链 RNaseH活性 水解RNA DNA杂交分子中RNA 逆转录病毒生活史 C DNA损伤与修复 1 DNA损伤DNA分子不是绝对稳定的 可受多种因素的作用而改变或受破坏 生物因素 复制及基因重组过程出现差错而改变 物理因素 紫外线 电离辐射 X 射线等 化学因素 烷化剂 氧化剂等化学诱变剂 UV引起辐射损伤 形成嘧啶二聚体 C和C之间 T和T之间形成共价键 2 DNA损伤的修复 光复活作用利用光能 光复活酶催化下切除由紫外线照射引起的DNA嘧啶二聚体 DNA复制 DNA转录时 到嘧啶二聚体处 复制 转录均受阻 修复过程 光复活酶能在暗处识别损伤的DNA部位 并结合在受损部位 可见光激活光复活酶 分解由UV照射而形成的DNA中的嘧啶二聚体 光复活作用高度专一 只能修复UV照射引起的DNA嘧啶二聚体 光复活酶只存在于低等单细胞 如微生物 鸟类 高等哺乳动物无此酶 2 切除修复 复制前修复 在几种酶作用下 将DNA分子中错配的或受损的部位切除 然后以完好链为模板合成出切除的部位 该机制普遍存在 作用于各种损伤 三种 碱基切除修复 修复DNA中改变的碱基 核苷酸切除修复 修复DNA中巨大损伤 碱基错配修复 前述 碱基切除修复 核苷酸切除修复 过程 识别 切断 修复 切除 连接 原核生物 识别及切断 UvrA UvrB识别并结合在DNA损伤处 UvrC 相当于核酸内切酶 在损伤处靠近5 3 一侧切断 产生切口 修复 以另一条完好单链为模板 由DNApol 在切口处修复合成 补齐缺口 方向5 3 切除 UvrC在受损伤部位3 一侧切断 去除受损伤片段 连接 连接酶将新合成的DNA片断与原链连接 此修复发生在DNA复制前 复制前修复 3 重组修复 复制后修复 先复制再修复 含有错误或损伤的DNA仍可进行复制 但子代DNA链在对应于损伤的部位出现缺口 通过分子间重组使缺口补齐 重组修复中 二聚体 或其他损伤 并未除去 第二轮复制时 留在母链中的损伤仍会给复制造成困难 仍须以重组修复来弥补 随着复制不断进行 若干代以后 损伤部分虽未从分子中除去 但损伤的DNA链却逐渐稀释 以至无碍DNA正常的生理功能 二 RNA的合成两种方式 转录 主要 以DNA为模板合成RNA复制 以RNA为模板合成RNA 1 转录转录 以DNA为模板合成RNA的过程 1 转录的基本特征 底物 4种NTP 模板 DNA 不需引物 合成RNA时第一个NTP一般是嘌呤核苷酸 大多是G 80 通常为不对称转录 体内转录通常只以DNA分子双链的一条链为模板 体外转录失去链选择性 作为模板的链称 模板链 反义链 转录链 不作为模板的链称 编码链 正义链 非转录链 信息链 或某些区域以这条链为模板转录 另一些区域以另一条链为模板 RNA聚合酶与DNA模板结合 沿DNA反义链3 5 方向移动 转录方向 RNA链由5 3 延伸 RNA聚合酶 依赖DNA的RNA聚合酶以DNA为模板 以四种核苷三磷酸 NTP 为底物 在Mn2 或Mg2 参与下催化RNA合成 组成 E ColiRNA聚合酶 全酶由5个亚基组成 有时含有 链 表示为 2 核心酶 2 起始因子 亚基 功能 亚基 识别DNA模板上特殊的转录起始信号 在RNA合成中起发动作用 核心酶 具有催化RNA聚合的活性 但不能启动一条新链的合成 链 功能不详 新链RNA与模板DNA链碱基配对 dT A dG C dC G dA U 2 转录过程四步 RNA聚合酶与模板DNA起始部位识别 结合 转录的起始 RNA链的延长 RNA链合成的终止 RNA聚合酶与模板的识别与结合RNA聚合酶首先识别DNA模板上特异的起始部位 启动子 并与之结合 启动子 promoter DNA上能被RNA聚合酶识别 结合 与转录起始有关的一段DNA序列 RNA聚合酶的 因子能识别启动子 使全酶与启动子结合 并使双螺旋局部解链 核心酶也能与DNA模板结合 但对DNA各部位亲和力相同 转录的起始第1个NTP 多为GTP 引入 产生新生RNA5 端 形成稳定的E 启动子 NTP三元复合物 因子从复合物释放 链的延伸 因子脱去 核心酶在DNA模板上沿3 5 方向滑动 按模板DNA信息 不断加入互补NTP 使RNA链由5 3 方向延伸 底物NTP的 P与新生RNA链的3 OH缩合 形成3 5 磷酸二脂键 随着核心酶在模板DNA上滑行 模板DNA不断解链 原来解开的部位完成转录又重新形成双螺旋 E ColiRNA聚合酶37 时转录速度 20 50Nt sec RNA链合成的终止终止包括 RNA链延伸停止 新生RNA链从模板上释放 RNA聚合酶 核心酶 脱离模板 DNA模板上有终止信号 终止子终止子 模板DNA上提供转录终止信号的