核酸代谢电子课件

,第九章核酸代谢一、核酸和核苷酸的分解代谢二、核苷酸的生物合成（一）嘌呤核糖核苷酸的合成（二）嘧啶核苷酸的生物合成（三）脱氧核糖核苷酸的合成三、DNA的生物合成四、RNA的生物合成,一、核酸和核苷酸的分解代谢,1、嘌呤碱的分解,1)、A-腺嘌呤的分解,不同种类的动物分解嘌呤碱的能力不一样，因而代谢产物也各不相同人和猿类将尿酸作为嘌呤碱代谢的最终产物其它多种生物还能进一步对尿酸进行不同程度的降解后排出体外,2)、G-鸟嘌呤分解-与A类似，产物也是尿酸若浓度过高会引起尿结石、风湿性关节炎3)、分解部位：肝脏、小肠及肾脏4)、代谢特点：不开环,腺嘌呤的分解,动物组织中腺嘌呤脱氨酶的含量较少故腺嘌呤的脱氨分解在其核苷和核苷酸的水平上发生,鸟嘌呤的降解,鸟嘌呤脱氨酶的分布较广鸟嘌呤的脱氨分解主要在该酶的作用下进行,人和猿类等缺乏分解尿酸的能力尿酸是人、猿、鸟类及爬虫类体内嘌呤碱分解的最终产物,A-尿酸(人、猿等及排尿酸动物）-尿囊素（其他哺乳类动物）-尿囊酸（硬骨鱼）-尿素（两栖类、鱼）-氨和CO2.（低等动物）痛风症：血中尿酸475umol/L症状：尿酸的溶解度小、易结晶，在关节、软组织、软骨处沉淀原因：原发-先天性代谢缺陷继发-饮食，肿瘤，肾病治疗：别嘌呤醇：对黄嘌呤氧化酶有强抑制作用患者排泄黄嘌呤、次黄嘌呤以代替尿酸,2、嘧啶碱的分解,部位：肝脏原料：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶产物：NH3、CO2及H2O均溶于水，并可进入有机酸代谢代谢特点：开环,二、核苷酸的生物合成,（一）嘌呤核糖核苷酸的合成,嘌呤核苷酸（purinenucleotide）包括AMP与GMP，两条合成途径：1、从头合成途径(denovosynthesispathway)-核苷酸合成的主要途径利用磷酸核糖、氨基酸、及CO2等简单物质为原料，经一系列酶促反应合成嘌呤核苷酸的途径2、补救合成途径(salvagesynthesispathway)利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷(PurineNucleoside)，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸的途径,1、从头合成：,原料：磷酸核糖，Gly，Gln，Asp，CO2,N5-N10-CH=FH4，N10-CHO-FH4,ATP合成过程：IMP(inosinemonophosphate)的合成AMPGMP的合成AMPADPATPGMPGDPGTP,甘氨坐中间，谷氮站两边，左手开天门，头顶二氧碳。,嘌呤碱合成的元素来源,合成步骤(1)5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）的合成(2)次黄嘌呤核苷酸（IMP）的生成(3)AMP与GMP的生成,杭州师范学院生命科学学院,黄嘌呤核苷酸,嘌呤核苷酸从头合成的调节,原则之一：满足需求，防止供过于求,从头合成受两个终产物AMP、GMP的反馈控制,1-氨基-5-磷酸核苷,原则之二：相互调整，比例平衡,2、补救合成从食物中取得完整的嘌呤环或嘧啶环、戊糖、磷酸，在酶的作用下合成单核苷酸，是从头合成受阻时进行的途径。A（G）+PRPP-E-腺（鸟）核苷酸+Ppi部位：脑、骨髓、红细胞原料：碱基,PRPP/腺嘌呤核苷产物：嘌呤核苷酸,杭州师范学院生命科学学院,transferaseA/G/I+PRPPA/G/IMP腺嘌呤磷酸核糖转移酶（adeninephosphoribosyltransferase，APRT）：A+PRPPAMP次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyltransferase，HGPRT)：I+PRPPIMP或G+PRPPGMP2.腺嘌呤核苷AMP,腺苷激酶,ATPADP,生理意义：1、嘌呤核苷酸的补救合成途径比从头合成简单，消耗ATP少，节省一些氨基酸的消耗2、体内某些组织器官（如脑、骨髓、红细胞等），由于缺乏从头合成酶系，只能靠补救合成方式合成核苷酸，以供合成核酸等的需要,（二）嘧啶核苷酸的生物合成,（1）与嘌呤核苷酸不同：先有嘧啶环-再与磷酸核糖相联（先成环，再成糖苷键）（2）部位：胞浆（肝脏）（3）原料：PRPP，Gln/Asp、CO2（4）共同的中间代谢产物为乳清酸（5）产物：首先合成UMP,1、从头合成,氨基甲酰磷酸合成酶的比较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1个来自氨，1个来自天冬氨酸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,嘧啶核苷酸的合成过程,CTP和TTP的合成,TMP的合成,2、嘧啶核苷酸的补救合成途径,三个控制点：氨甲酰磷酸合成酶；天冬氨酸转氨甲酰酶CTP合成酶,3、合成调节,氨甲酰磷酸合成酶,天冬氨酸转氨甲酰酶-,CTP合成酶-,-,-,生物体内脱氧核糖核苷酸可以由核糖核苷酸还原形成NDP-(还原酶)-dNDP（A、G、U、C）UDP-dUDP-+甲基-dTTP注意：1）脱氧是在核糖核苷二磷酸的水平上还原的，生成dADP,dGDP,dCDP2)核苷酸还原酶有B1，B2两种亚基，B1是调节亚基，B2是催化亚基，只有结合在一起才有活力。,(三)脱氧核糖核苷酸的合成,第三节DNA的生物合成,一、DNA复制的一般规律1、DNA的半保留复制概念,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，子代DNA保留了一半父代DNA成份,保留了一半父代DNA成份,半保留复制的实验证据:1958年Meselson和Stahl用同位素15N标记大肠杆菌DNA，首先证明了DNA的半保留复制,15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度,半保留复制的意义,遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自然界还存在着普遍的变异现象。,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,2、复制的起点与方式,1）复制子（replicon)：基因组能独立进行复制的单位每个复制子都含有控制复制的起点（origin)可能还有终止复制的终点（terminus)。,2）复制叉复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构，称为复制叉在复制叉上分布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的复合物称为复制体（replisome）,3）原核生物只有一个复制起点E.coli复制起始点为oriC，跨度为245bp真核生物含有许多复制起点，形成多个复制子。大多为双向复制。,大肠杆菌：双向，单复制起点，形成两个复制叉分别向两侧进行复制-型复制,环状DNA的复制时，在复制起点处两条链解开，各自合成其互补链，在电子显微镜下可以看到形希腊字母形结构，这种复制方式就叫型复制,2、复制的起点与方式,杭州师范学院生命科学学院,大肠杆菌染色体DNA,DNA的单向复制,滚环复制（噬菌体X174DNA单链环状）它在复制过程中首先形成共价闭环的双链分子(复制型)，然后其正链由内切酶在特定位置切开，游离出一个3-OH和一个5磷酸基末端此5磷酸基末端在酶的作用下固着到细胞膜上。随后，在DNA聚合酶催化下，以环状负链为模板，从正链的3-OH末端加入脱氧核苷酸，使链不断延长，通过滚动而合成出新的正链,3,DNA复制时，一条链是连续的，另一条链是不连续的，称半不连续复制,3、DNA的半不连续复制,杭州师范学院生命科学学院,半保留复制结果半不连续复制过程,前导链-在引物的3，端按5，3，方向连续不断地合成的DNA链后随链-在引物的3，端按5，3，方向不连续合成的DNA链冈崎片段-后随链上不连续合成的DNA短片段（不包括引物）,冈崎片段：真核生物中100-200个核苷酸（核小体的DNA单位）原核生物中1000-2000个核苷酸（相当于一个顺反子）,二、DNA聚合反应有关的酶和蛋白质,1、DNA的聚合反应,复制是酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种物质的共同参与底物：dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）DNA聚合酶：即依赖DNA的DNA聚合酶模板：解开成单链的DNA母链引物：RNA，提供3-OH末端新链延伸方向：53其它酶和蛋白质因子：解螺旋酶、拓朴异构酶、引物酶、DNA连接酶、单链结合蛋白等,2、DNA聚合酶,DNA聚合酶（DNApolymerase，DNA-pol）又称为DNA依赖的DNA聚合酶（DNA-dependentDNApolymerase，DDDP）,原核生物的DNA聚合酶：I、II、III-3种真核生物的DNA聚合酶：、-5种,原核生物的DNA聚合酶,DNA聚合酶的作用特点：聚合底物：dATP、dGTP、dTTP、dCTP聚合原则：碱基互补聚合方向：53,在大肠杆菌中发现有三种DNA聚合酶（用突变株研究其功能）：DNA聚合酶:单体酶,53外切酶活性,双链有效，主要是对DNA损伤的修复，以及在DNA复制时RNA引物切除及其空隙的填补）；多肽链内含一个锌原子，多功能酶53聚合酶功能（对脱氧核苷酸的选择）；35外切酶活性（对双链无作用，校对功能。但在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链）,DNA聚合酶：具有53DNA聚合酶活性（亚基，速率高）是原核生物DNA复制的主要聚合酶，该酶由10种亚基组成，其中、形成全酶的核心酶具有35外切酶（亚基）的校对功能，提高DNA复制的保真性还具有53外切酶活性（单链有效，其意义未知）（4）DNA聚合酶IV和V：1999年发现，当DNA严重损伤时，诱导产生。,DNA聚合酶：可能在修复紫外光引起的DNA损伤中起作用多亚基酶，聚合作用，但聚合活力很低；具有35外切酶活性其它生理功能尚不清楚,真核生物的DNA聚合酶,DNA聚合酶：合成引物,DNA聚合酶：相当于原核生物DNA-polII,DNA聚合酶：延长前导链,延长随从链,DNA聚合酶：位于线粒体内,DNA聚合酶：起校读、修复、填补缺口的作用，相当于原核生物DNA-polI,在真核细胞内有五种DNA聚合酶（与细菌DNA聚合酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向）定位细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核3-5外切-+酶活性功能相当于原核DNA-polDNA-polDNA-pol延长随从链前导链,DNA聚合酶的核酸外切酶活性和复制的保真性,核酸外切酶活性：校读功能,复制的保真性,DNA复制的保真性依赖三种机制：遵守严格的碱基配对规律：A与T、G与CDNA-pol在复制延长中对碱基的选择功能复制出错时DNA-polI有即时的校读功能,杭州师范学院生命科学学院,DNA聚合酶损伤修复,3、拓扑异构酶-改变DNA分子的拓扑构象,拓扑异构酶I-曾称为DNA松弛酶、切口-封闭酶、解缠酶等切断DNA双链中的一条链，使DNA解旋中不致打结，适当时再把切口封闭作用是松解负超螺旋，反应不需要能量。,拓扑异构酶II（旋转酶）-可同时切开DNA两条链，使DNA分子变为松弛状态，然后再将切口封接二者共同控制DNA的拓扑结构,4、解螺旋酶（DNAhelicase）,每解开一对碱基需要水解2个ATP分子。,通过水解ATP获得能量，来打开DNA双链，DNA双螺旋解开形成单链，暴露出碱基，便于复制。,5、DNA连接酶（DNAligase）,它不能将两条游离的DNA单链连接起来,6、引发酶（primase）和引发体（primosome）,引物酶：催化引物合成，是一种RNA聚合酶，合成的RNA引物为十个bp左右，方向为5到3引发体（primosome）：由引物酶和六种蛋白DnaB、DnaC、PriA、PriB、PriC、DnaT等蛋白质组成的复合物，催化引物RNA的合成。,在解链的基础上，形成了DnaB、DnaC蛋白与DNA的起始复制区域相结合的复合体，此复合体再与引物酶结合成的复合体结构称为引发体。,7、单链结合蛋白（SSB）,SSB的作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整SSB与DNA的结合具有协同效应,三、DNA复制的过程（以大肠杆菌为例）,DNA复制分为三个阶段1)复制的起始2)复制的延长3)复制的终止,基本步骤双链的解开（起始）引发：RNA引物的合成DNA链的延长切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段切除和修复掺入DNA链的dUMP和错配碱基,复制叉复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构，称为复制叉在复制叉上分布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的复合物称为复制体（replisome）,1)复制的起始,复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点(originofreplication)常用ori或o表示。原核生物每个DNA分子只有一个复制起始点真核生物DNA分子有多个复制起始点,复制体：复制的酶+蛋白质因子,3,5,E.Coli的oriC由245个bp构成，十分保守关键序列：三个13bp的序列(富含AT)和四个9bp的序列,打开双链,在解链的基础上，形成了DnaB、DnaC蛋白与DNA的起始复制区域相结合的复合体，此复合体再与引物酶结合成的复合体结构称为引发体。,杭州师范学院生命科学学院,半不连续复制,2）复制的延长,dNTP按碱基互补配对原则逐个加入而延长DNA新链，其化学本质是生成3,5-磷酸二酯键催化此反应的酶，在原核生物为DNA-polIII真核生物为DNA-pol和。,DNA复制的反应,复制的化学反应方程式,新链延伸方向：53,3）复制的终止,原核生物的环状DNA多采用双向复制的方式复制的终止是双向复制的两子链在复制终止点的汇合,大肠杆菌有一个终止区，有7个约23bp共有序列的终止子和终止蛋白质TusTus蛋白识别并特异性地结合于Ter位点的23bp共有序列,形成Tus-Ter复合物,阻止复制叉的前进,复制中的不连续片段需连接成连续的子链这一过程需先将RNA引物切除，引物留下的空隙由DNA聚合酶I催化dNTP逐一自5向3端聚合而填补最后两不连续片段相邻的5-P和3-OH还有一个缺口，则由DNA连接酶加以连接,四、真核生物DNA的复制,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。冈崎片段长约200bp.真核生物DNA复制速度比原核慢。真核生物有多种DNA聚合酶(见下图)端粒酶-由RNA和蛋白质组成的复合物,以它含的RNA为模板,经逆转录合成端粒DNA,负责新合成链5RNA引物切除后的填补端粒-真核生物线性染色体两端的特殊结构，有许多短的成串的重复序列组成,防止染色体间的末端连接,在真核细胞内有五种DNA聚合酶（与细菌DNA聚合酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向）定位细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核3-5外切-+酶活性功能相当于原核DNA-polDNA-polDNA-pol延长随从链前导链,五、RNA指导下的DNA合成逆转录,模板:RNA原料:dNTPs产物：DNA酶：逆转录酶,逆转录酶是一种多功能酶：RNA指导的DNA聚合活力：可以利用RNA模板，在其上合成出一条互补的DNA链，形成RNADNA杂种分子DNA指导的DNA聚合酶活力：可以在新合成的DNA链上合成另一条互补DNA链，形成双链DNA分子。核糖核酸酶H的活力：专门水解RNADNA杂种分子中的RNA,六、DNA的损伤修复,DNA的损伤：DNA在复制时产生错配病毒基因整合某些物化因子如紫外光、电离辐射和化学诱变等，破坏DNA的双螺旋结构DNA的损伤后，影响DNA的复制，并使DNA的转录和翻译也跟着变化，因而表现出异常的特征（生物突变）,DNA的损伤修复细胞能自行修复DNA的损伤四种修复途径:光复活、切除修复重组修复、错配修复应答修复（亦称暗修复）,光复合修复：修复，主要是TT,高度专一的修复方式，它只作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体,TTCTCC,光修复酶的激活需300-600nm波长的光,光复合修复：修复，主要是TT,TTCTCC,切除修复：将DNA分子中的受损伤部分切除，以完整的那条链为模板再重新合成特异内切酶、DNA聚合酶、DNA外切酶、DNA连接酶均参与。,细胞内有许多特异的DNA糖苷酶，能识别DNA中不正常的碱基，并将其水解下来,重组修复先复制再修复,用DNA重组的方法修复DNA的损伤。DNA损伤面积较大，来不及修复就进行复制其损伤部位失去模板作用，造成子链上缺口出现通过链间的交换，从完整母链将相应核苷酸序列片段移到子链填补该缺口造成母链的缺口，再通过DNA-polI、DNA连接酶进行修复,这种修复的不足之处原损伤部位仍然存在，但随着多次复制，损伤链所占比例越来越少，逐渐被“稀释”,应答修复（应急反应）（SOSresponse）细胞DNA受到损伤或复制受抑制时所引起的一系列复杂的诱导效应此过程诱导产生切除修复和重组修复中的关键蛋白和酶，从而加强切除修复和重组修复的能力产生的DNA聚合酶无校对功能,通过SOS修复，细胞可存活，但DNA保留的错误较多，会引起长期广泛的突变，往往导致细胞恶变所以会有2种结果：修复或变异（进化）,1、转录：以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶催化下，按照碱基配对原则，合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链的过程称为转录,转录是有选择性的，在细胞不同的发育时序，按生存条件和需要才转录,第四节RNA的生物合成一、转录的概念,相同点：1.都以DNA为模板2.合成方向均为53方向3.都需要依赖DNA的聚合酶4.遵守碱基互补配对规律,2、复制和转录的异同点,不同点：复制转录模板两股链均作为模板模板链作为模板原料dNTPNTP聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代DNA双链mRNA、tRNA、rRNA配对A-T；G-CA-U；T-A；G-C引物需RNA引物-方式(特点)半保留复制不对称转录,3不对称转录：在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。,有意义链,反意义链,5,5,3,3,5,5,能够转录RNA的那条DNA链-意义链(模板链、负链），而与之互补的另一条DNA链-反意义链（非模板链、编码链、正链）,1原核生物的RNA聚合酶,大肠杆菌（E.coli）RNA聚合酶：5个亚基2组成的六聚体蛋白质，分子量480kD。全酶2，即亚基+核心酶,二、DNA指导下的RNA聚合酶,大肠杆菌RNA聚合酶全酶,2、RNA聚合酶的特点：,反应底物：NTP模板:DNA、Mg2+促进聚合反应引物:不需要合成方向:53真核生物与原核生物的RNA聚合酶结构不同利福平抑制原核生物RNA聚合酶活性-鹅膏蕈碱抑制真核生物RNA聚合酶活性,三、转录过程,大肠杆菌转录过程包括转录起始、延长、终止三步真核生物的转录，除延长过程相似外，起始、终止都与原核生物有较多的不同,1启动子,指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。,启动子的结构至少由三部分组成：识别部位：-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；结合部位：-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）起始部位：第三部分是RNA合成的起始点,杭州师范学院生命科学学院,杭州师范学院生命科学学院,原核生物中转录起始区的共同序列,3转录起始,RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。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，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，亚基就会被释放脱离核心酶,因子仅与起始有关，RNA的合成一旦开始，便被释放,4、转录延长,DNA分子和酶分子发生构象的变化，核心酶与DNA结合比较松弛，可沿DNA模板移动，并按模板顺序选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向从53,4、转录终止,1）不依赖Rho的转录终止子：-自动终止终止区的碱基可形成特殊的结构RNA3形成回文结构和一串寡聚U2）依赖Rho的转录终止子因子能与RNA结合，还具有ATP酶和解链酶的活性,大肠杆菌E.coli存在两类终止子,大肠杆菌的两类终止子,Rho因子是rho基因的产物，广泛存在于原核和真核细胞中，由6个亚基组成，分子量300KD。Rho因子结合在新生的RNA链上，借助水解ATP（具有依赖于RNA的NTPase活力）获得能量推动其沿着RNA链移动，但移动速度比RNA聚合酶慢，当RNA聚合酶遇到终止子时便发生暂停，Rho因子得以赶上酶。Rho因子与RNA聚合酶相互作用，导致释放RNA，并使RNA聚合酶与该因子一起从DNA上释放下来。,1）不依赖Rho的终止子：简单终止子,1）不依赖Rho的终止子：简单终止子结构特点,RNA产物3端往往形成回文结构，该结构阻碍RNA聚合酶前移,回文结构后有一串寡聚U寡聚U有利于RNA不再依附DNA模板链而脱出,5,3,3,5,回文结构不含富有G-C区，回文结构之后也无寡聚U,2）依赖Rho的终止子结构特点,因子,DNA,RNA,RNA聚合酶,Rho因子是rho基因的产物，广泛存在于原核和真核细胞中，由6个亚基组成，分子量300KDRho因子结合在新生的RNA链上，借助水解ATP（具有依赖于RNA的NTPase活力）获得能量推动其沿着RNA链移动，但移动速度比RNA聚合酶慢，当RNA聚合酶遇到终止子时便发生暂停，Rho因子得以赶上酶。Rho因子与RNA聚合酶相互作用，导致释放RNA，并使RNA聚合酶与该因子一起从DNA上释放下来。,四、RNA的转录后加工,RNA的转录后加工（RNA的成熟）由RNA聚合酶合成的原初转录物（primarytranscript）往往需要一系列的变化链的裂解5和3末端的切除特殊结构的形成核苷的修饰拼接编辑,真核生物RNA转录后的加工修饰,一、mRNA的转录后加工1加帽(addingcap)：即在mRNA的