核酸代谢医学知识讲座

核酸代谢医学知识讲座核酸代谢医学知识讲座第1页核苷酸生物功用作为核酸合成原料体内能量利用形式参加代谢和生理调整组成辅酶活化中间代谢物核酸代谢医学知识讲座第2页第一节

核苷酸代谢核酸代谢医学知识讲座第3页一、嘌呤核苷酸合成代谢从头合成路径补救合成路径

核酸代谢医学知识讲座第4页嘌呤核苷酸从头合成路径是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸路径。

肝是体内从头合成嘌呤核苷酸主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成路径。（一）嘌呤核苷酸从头合成定义合成部位核酸代谢医学知识讲座第5页嘌呤碱合成元素起源CO2天冬氨酸甲酰基（一碳单位）甘氨酸甲酰基（一碳单位）谷氨酰胺（酰胺基）核酸代谢医学知识讲座第6页过程1.次黄嘌呤核苷酸（IMP）合成2.腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）生成3.ATP和GTP生成核酸代谢医学知识讲座第7页R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸逐步参加下IMPAMPGMPH2N-1-R-5´-P（5´-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺转移酶核酸代谢医学知识讲座第8页1.IMP合成过程①磷酸核糖酰胺转移酶②GAR合成酶③转甲酰基酶④FGAM合成酶⑤AIR合成酶核酸代谢医学知识讲座第9页核酸代谢医学知识讲座第10页IMP生成总反应过程核酸代谢医学知识讲座第11页①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脱氢酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶2、AMP和GMP生成核酸代谢医学知识讲座第12页AMPADPATPADPATP腺苷激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP鸟苷激酶ADPATP激酶3.ATP和GTP生成核酸代谢医学知识讲座第13页

利用体内游离嘌呤或嘌呤核苷，经过简单反应，合成嘌呤核苷酸过程，称为补救合成（或重新利用）路径。（二）嘌呤核苷酸补救合成路径定义核酸代谢医学知识讲座第14页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)腺苷激酶参加补救合成酶核酸代谢医学知识讲座第15页腺嘌呤+

PRPPAMP+PPiAPRT次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鸟嘌呤+

PRPPHGPRTGMP+PPi合成过程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP磷酸核糖焦磷酸核酸代谢医学知识讲座第16页补救合成生理意义补救合成节约从头合成时能量和一些氨基酸消耗。体内一些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。核酸代谢医学知识讲座第17页二、嘌呤核苷酸分解代谢核苷酸核苷核苷酸酶Pi核苷磷酸化酶碱基1-磷酸核糖核酸代谢医学知识讲座第18页嘌呤碱最终代谢产物AMPGMPH（次黄嘌呤）GX（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶核酸代谢医学知识讲座第19页第二节

嘧啶核苷酸代谢核酸代谢医学知识讲座第20页从头合成路径补救合成路径一、嘧啶核苷酸合成代谢核酸代谢医学知识讲座第21页（一）嘧啶核苷酸从头合成主要是肝细胞胞液嘧啶核苷酸从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸路径。1.定义2.合成部位核酸代谢医学知识讲座第22页嘧啶合成元素起源氨基甲酰磷酸天冬氨酸核酸代谢医学知识讲座第23页合成过程1.尿嘧啶核苷酸（UMP）合成谷氨酰胺+

HCO3-氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+Pi谷氨酸+氨基甲酰磷酸核酸代谢医学知识讲座第24页核酸代谢医学知识讲座第25页核酸代谢医学知识讲座第26页2.胞嘧啶核苷酸合成ATPADP尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶谷氨酰胺ATP谷氨酸ADP+Pi三磷酸胞苷核酸代谢医学知识讲座第27页3.dTMP或TMP生成TMP合酶N5,N10-甲烯FH4FH2FH2还原酶FH4NADP+NADPH+H+dUMP脱氧胸苷一磷酸dTMPUDP脱氧核苷酸还原酶dUDPCTPCDPdCDPdCMP核酸代谢医学知识讲座第28页（二）嘧啶核苷酸补救合成嘧啶+

PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶UMP+ADP胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶TMP+ADP核酸代谢医学知识讲座第29页二、嘧啶核苷酸分解代谢嘧啶碱1-磷酸核糖嘧啶核苷酸核苷

核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶核酸代谢医学知识讲座第30页

组成DNA各种脱氧核糖核苷酸是在各种核苷酸基础上由核糖核苷酸还原酶催化而成，但此反应是在二磷酸核苷水平上进行。三、脱氧核糖核苷酸合成核酸代谢医学知识讲座第31页第三节

DNA生物合成核酸代谢医学知识讲座第32页一、半保留复制是DNA复制基础特征DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，合成与模板互补子链。子代细胞DNA，一股单链从亲代完整地接收过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制概念核酸代谢医学知识讲座第33页AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成复制叉子代DNA核酸代谢医学知识讲座第34页子链继承母链遗传信息几个可能方式:

全保留式半保留式混合式核酸代谢医学知识讲座第35页密度梯度试验:——试验结果支持半保留复制构想。含重氮-DNA细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液

第二代梯度离心结果核酸代谢医学知识讲座第36页按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA碱基序列一致，即子代保留了亲代全部遗传信息，表达了遗传保守性。半保留复制意义:遗传保守性，是物种稳定性分子基础，但不是绝正确。核酸代谢医学知识讲座第37页原核生物复制时，DNA从起始点向两个方向解链，形成两个延伸方向相反复制叉，称为双向复制。二、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制复制中放射自显影图像核酸代谢医学知识讲座第38页A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中两个复制叉C.复制靠近终止点(ter)oriterABC核酸代谢医学知识讲座第39页原核生物细胞有单个起始点核酸代谢医学知识讲座第40页真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。习惯上把两个相邻起始点之间距离定为一个复制子。复制子是独立完成复制功效单位。5’3’oriorioriori5’3’核酸代谢医学知识讲座第41页5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制3’核酸代谢医学知识讲座第42页真核生物有多个起始点核酸代谢医学知识讲座第43页复制子与复制方向核酸代谢医学知识讲座第44页三、DNA一股子链复制方向与解链方向相反造成半不连续复制3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链随从链核酸代谢医学知识讲座第45页顺着解链方向生成子链，复制是连续进行，这股链称为领头链。另一股链因为复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制链称为随从链。复制中不连续片段称为岡崎片段。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制半不连续性。核酸代谢医学知识讲座第46页（一）参加DNA复制物质

底物:

四种脱氧核苷三磷酸（dATP,dGTP,dCTP,dTTP）聚合酶:

依赖DNADNA聚合酶，简写为DNA-pol模板:

解开成单链DNA母链引物:

提供3

-OH末端使dNTP能够依次聚合

其它酶和蛋白质因子核酸代谢医学知识讲座第47页复制化学反应

(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

dNMP：代表四种脱氧核苷酸；dNTP：代表四种脱氧核苷三磷酸核酸代谢医学知识讲座第48页1、DNA聚合酶全称：依赖DNADNA聚合酶简称：DNA-pol活性：1.5

3

聚合活性

2.核酸外切酶活性核酸代谢医学知识讲座第49页

DNA聚合酶不能直接将两个游离核苷酸聚合，故需一段RNA引物。5´3´5

3

聚合活性核酸代谢医学知识讲座第50页5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性5

3

外切酶活性?能切除突变DNA片段。能识别错配碱基对，并将其水解。

核酸外切酶活性核酸代谢医学知识讲座第51页原核生物DNA聚合酶核酸代谢医学知识讲座第52页功效：对复制中错误进行校读，对复制和修复中出现空隙进行填补。DNA-polⅠ核酸代谢医学知识讲座第53页DNA-polⅡ

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它参加DNA损伤应急状态修复。

核酸代谢医学知识讲座第54页功效：是原核生物复制延长中真正起催化作用酶。

DNA-polⅢ核酸代谢医学知识讲座第55页真核生物DNA聚合酶DNA-pol

起始引发，有引物酶活性。延长子链主要酶，有解螺旋酶活性。参加低保真度复制。在复制过程中起校读、修复和填补缺口作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

核酸代谢医学知识讲座第56页核酸代谢医学知识讲座第57页2、DNA连接酶连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻DNA链连接成一条完整链。

DNA连接酶作用方式核酸代谢医学知识讲座第58页HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’核酸代谢医学知识讲座第59页3.解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白核酸代谢医学知识讲座第60页解螺旋酶：又称解链酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。DnaBDnaC解链方向核酸代谢医学知识讲座第61页5´3´3´5´

引物酶：

引物酶与DNA聚合酶α形成复合体。引物酶负责合成约10个核苷酸RNA引物。它底物为核苷三磷酸。在引物产生基础上后，DNA聚合酶α负责聚合15～30个核苷酸，它底物为脱氧核苷三磷酸。3´5´5´3´核酸代谢医学知识讲座第62页

单链DNA结合蛋白(SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链完整性。核酸代谢医学知识讲座第63页DNA拓扑异构酶108

局部解链后

拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变性质。核酸代谢医学知识讲座第64页

解链过程中，DNA分子会出现过分拧紧、打结、缠绕、连环等现象。核酸代谢医学知识讲座第65页拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中打结、缠绕现象

拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类核酸代谢医学知识讲座第66页拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当初候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端经过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。（主要）作用机制

核酸代谢医学知识讲座第67页拓扑异构酶Ⅰ作用核酸代谢医学知识讲座第68页拓扑异构酶Ⅱ作用核酸代谢医学知识讲座第69页解旋解链酶类作用核酸代谢医学知识讲座第70页（二）原核生物DNA生物合成

1.复制起始需要处理两个问题：DNA解开成单链，提供模板。合成引物，提供3-OH末端。核酸代谢医学知识讲座第71页E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串联重复序列

反向重复序列5

3

5

3

DNA解链核酸代谢医学知识讲座第72页DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域复合结构称为引发体。

核酸代谢医学知识讲座第73页3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成短链RNA分子。

引物3'HO5'引物酶核酸代谢医学知识讲座第74页复制延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP方式逐一加入引物或延长中子链上，其化学本质是磷酸二酯键不停生成。

2.复制延长核酸代谢医学知识讲座第75页5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol核酸代谢医学知识讲座第76页领头链合成核酸代谢医学知识讲座第77页随从链合成核酸代谢医学知识讲座第78页核酸代谢医学知识讲座第79页阶段一阶段二核酸代谢医学知识讲座第80页阶段三阶段四核酸代谢医学知识讲座第81页复制过程简图核酸代谢医学知识讲座第82页原核生物基因是环状DNA，双向复制复制片段在复制终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV405003.复制终止核酸代谢医学知识讲座第83页5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA连接酶

随从链上不连续性片段连接核酸代谢医学知识讲座第84页核酸代谢医学知识讲座第85页哺乳动物细胞周期DNA合成期G1G2SM•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M调整，与蛋白激酶活性相关。

•蛋白激酶经过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。

（三）真核生物DNA生物合成

核酸代谢医学知识讲座第86页•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同时起动。•复制起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参加。还需拓扑酶和复制因子(RF)。•增殖细胞核抗原(PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。1.复制起始核酸代谢医学知识讲座第87页3

5

5

3

领头链3

5

3

5

亲代DNA随从链引物核小体2.复制延长核酸代谢医学知识讲座第88页染色体DNA呈线状，复制在末端停顿。复制中岡崎片段连接，复制子之间连接。染色体两端DNA子链上最终复制RNA引物，去除后留下空隙。3.复制终止核酸代谢医学知识讲座第89页5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

核酸代谢医学知识讲座第90页核酸代谢医学知识讲座第91页

线性DNA复制末端

核酸代谢医学知识讲座第92页端粒指真核生物染色体线性DNA分子末端结构。功效•保护染色体末端DNA不被核酸酶降解•防止染色体间融合结构特点•由末端单链DNA序列和蛋白质组成。•末端DNA序列是屡次重复富含G、C碱基短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…核酸代谢医学知识讲座第93页端粒酶端粒酶RNA(hTR)端粒酶协同蛋白(hTP1)端粒酶逆转录酶(hTRT)

组成核酸代谢医学知识讲座第94页端粒酶催化延长作用——爬行模型核酸代谢医学知识讲座第95页二、与复制相关生化过程遗传物质结构改变而引发遗传信息改变，均可称为突变。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基改变。

核酸代谢医学知识讲座第96页突变分子改变类型点突变缺失插入倒位框移核酸代谢医学知识讲座第97页DNA损伤一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂能使细胞DNA受到损伤而引发生物突变或致死。如紫外线照射能够使DNA链中相邻嘧啶形成一个环形丁烷，主要产生胸腺嘧啶二体。二聚体形成使DNA复制和转录供能受到妨碍，必须除去。核酸代谢医学知识讲座第98页DNA损伤修复修复

是对已发生分子改变赔偿办法，使其回复为原有天然状态。光修复切除修复重组修复SOS修复

修复主要类型核酸代谢医学知识讲座第99页光修复机制：可见光激活了光复活酶，使之能分解因为紫外光照射而产生嘧啶二体。光复活酶专一性较高（只作用于因紫外线照射而形成嘧啶二体）分布很广，从单细胞生物岛鸟类都有，但高等哺乳动物中不存在核酸代谢医学知识讲座第100页光修复酶光修复核酸代谢医学知识讲座第101页切除修复切除修复包含四个步骤：1.专一内切酶在靠近二聚体处切断单链DNA2.DNA聚合酶利用完整互补链为模板，在断口处进行局部修复合成3.5’-核酸外切酶切去含嘧啶二聚体寡核苷酸片段4.连接酶将新合成DNA链和原来DNA链连在一起上述次序进行修复为“先补后切”，也可“先切后补”，即2和3颠倒。

核酸代谢医学知识讲座第102页切除修复是细胞内最主要和有效修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHPDNA连接酶NAD+E.coli切除修复机制核酸代谢医学知识讲座第103页切除修复动画核酸代谢医学知识讲座第104页重组修复核酸代谢医学知识讲座第105页SOS修复SOS修复：

DNA受到严重损伤，细胞处于危机状态时所诱导一个DNA修复方式。因为它是在无模板DNA情况下合成酶一个诱导修复，所以修复结果只是能维持基因组完整性，但留下错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高突变率。核酸代谢医学知识讲座第106页（09）紫外线照射生物体会引发以下哪种现象？（）

A.二聚体解聚B.SOS反应

C.基因突变D.嘧啶二聚体形成（09）以下关于SOS反应描述，哪项是正确？（）

A.专用于碱基切除修复

B.能够完全修复DNA损伤

C.专用于嘧啶二聚体修复

D.是准确性差修复方式DD核酸代谢医学知识讲座第107页三、反转录作用逆转录酶逆转录RNADNA

逆转录酶核酸代谢医学知识讲座第108页逆转录病毒细胞内逆转录现象RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA核酸代谢医学知识讲座第109页四、PCR技术与DNA扩增PCR：聚合酶链式反应，是一个体外模拟自然DNA复制过程核酸扩增技术，即无细胞分子克隆技术。PCR技术以待扩增两条DNA链为模板，由一对人工合成寡聚核苷酸引物介导，经过DNA聚合酶酶促反应，快速体外扩增特异DNA序列。每轮循环包含变性、复性和延伸3个阶段。约经过30轮循环，就可快速将待扩增DNA扩增数百万倍。核酸代谢医学知识讲座第110页核酸代谢医学知识讲座第111页PCR应用：基因工程

DNA测序人遗传病分类判别和诊疗肿瘤发生、诊疗和治疗法医学核酸代谢医学知识讲座第112页（07）在PCR反应中不需要以下哪种物质参加？（）

A.DNAB.DNAC.RNAD.引物C核酸代谢医学知识讲座第113页第四节

RNA合成核酸代谢医学知识讲座第114页一、参加转录酶

原核生物RNA聚合酶核酸代谢医学知识讲座第115页真核生物RNA聚合酶核酸代谢医学知识讲座第116页DNA分子上转录出RNA区段，称为结构基因。DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成RNA一股单链，称为模板链，也称作有意义链或Watson链。相正确另一股单链是编码链，也称为反义链或Crick链。二、转录过程

转录模板

核酸代谢医学知识讲座第117页转录

生物体以DNA为模板合成RNA过程。

转录RNADNA

核酸代谢医学知识讲座第118页1、转录起始（2）DNA双链解开（1）RNA聚合酶全酶与模板结合（3）在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物5

-pppG-OH+

NTP

5

-pppGpN-OH3

+ppi核酸代谢医学知识讲座第119页2、转录延长（1）

亚基脱落，RNA–pol聚合酶关键酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；（2）在关键酶作用下，NTP不停聚合，RNA

链不停延长。(NMP)n+NTP

(NMP)n+1

+PPiNMP：代表四种核糖核苷酸；NTP：代表四种核糖核苷三磷酸核酸代谢医学知识讲座第120页3、转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。核酸代谢医学知识讲座第121页复制和转录区分

核酸代谢医学知识讲座第122页三、真核细胞内转录后修饰

1、mRNA转录后加工修饰首、尾修饰5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)7-甲基鸟苷以三磷酸键连接在mRNA5’端核苷酸残基上核酸代谢医学知识讲座第123页mRNA剪接

在基因转录过程中，内含子与外显子同时被转录，产物为RNA前体，然后切除前体中内含子，将余下外显子拼接。内部一些