核苷酸代谢11.ppt

1、第十二章 核苷酸代谢,一、核酸的分解代谢 二、核苷酸的生物合成 三、DNA的生物合成 四、DNA的损伤修复 五、RNA的生物合成,第一节 核酸的分解代谢,核酸的酶促降解 嘌呤的降解 嘧啶的降解,核酸的酶促降解,核酸,核酸酶,单核苷酸,磷酸单脂酶,核苷,嘧啶（嘌呤）,核糖（脱氧核糖）,核苷酶,核苷磷酸化酶,嘧啶（嘌呤）,核糖-1-磷酸,脱氧核糖-1-磷酸,核糖-5-磷酸,磷酸戊糖途径,醛缩酶,乙醛,3-磷酸甘油醛,+磷酸,核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3端或5端），逐个水解下核苷酸。 脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA 核糖核酸外切酶:只作用于RNA 核酸内切酶：从核酸分子内部切断3,5-磷酸二

2、酯键。 限制性核酸内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA,常作为基因工程工具酶。,核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶。,牛脾磷酸二酯酶 从5端3-核苷酸,蛇毒磷酸二酯酶 从3端移去5-核苷酸,嘌呤的降解：,腺嘌呤 鸟嘌呤 H2O H2O NH3 NH3 次黄嘌呤 黄嘌呤 H2O+O2 H2O2 H2O+O2 H2O2 尿囊素 尿酸 H2O CO2+H2O2 2H2O+O2 尿囊酸 尿素 + 乙醛酸 H2O 2H2O 4NH3 + 2CO2,（植物）,腺嘌呤脱氨酶,鸟嘌呤脱氨酶,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,尿酸氧化酶,尿囊 素酶,尿囊酸酶,脲酶,各

3、种生物嘌呤碱的代谢产物,嘧啶的降解：,胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O NH3 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -丙氨酸 -脲基丙酸 H2O 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -氨基异丁酸 -脲基异丁酸 H2O,胞嘧啶脱氨酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,NH3+CO2+,NH3+CO2 +,第二节 核苷酸的生物合成,嘌呤核苷酸的合成 嘧啶核苷酸的合成,核苷酸的合成有2条途径: 从头合成:利用CO2、NH3、某些氨基酸、磷酸核糖 等简单物质为原料,经过一系列酶促反应 合成核苷酸.(肝组织)

4、 补救途径:利用体内的游离碱基或核苷合成核苷酸. (脑和骨髓),1 嘌呤核苷酸的从头合成,一、嘌呤核苷酸的合成,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤核苷酸合成特点,(1) 5-P-核糖在ATP参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸) (2) 从5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)开始先逐步合成IMP(次黄嘌呤核苷酸)，然后再由IMP合成AMP、GMP。 (3) 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1开始逐渐加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、CO2 提供N和C ，合成时先形成右环，再形成左环。四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体 . (4) AMPADPATP GMPGDPGTP,2 嘌呤核苷

5、酸合成的补救途径,A+PRPPAMP+PP i G+PRPP GMP+PP i H yP+ PRPP IMP+ PP i,1 嘧啶核苷酸的从头合成途径 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的。,氨甲酰磷酸,天冬氨酸,二、 嘧啶核苷酸的生物合成,嘧啶核苷酸合成特点 (1) (胞液)G L n +2 ATP+CO2 2ADP +Pi +氨甲酰磷酸+ G L u 氨甲酰磷酸与天冬氨酸形成乳清酸. 乳清酸再与5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）结合形成 UMP。 胞苷酸(CTP)则由尿苷酸(UTP)转变而来。,(1) U 尿苷 UMP,2 嘧啶核苷酸合成的补救途径,R-1-P,P i,ATP,AD

6、P,(2)嘧啶(U T) 嘧啶核苷酸(胞嘧啶除外),PRPP,PP i,UMP磷酸核糖转移酶,(3) 脱氧胸腺嘧啶核苷酸(d TMP)是由脱氧尿嘧啶核糖核苷酸经甲基化而生成.,嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）：可抑制AMP、GMP的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制IMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）：可抑制IMP合成中有四氢叶酸参与的反应,三 核苷酸从头合成的抗代谢物 (临床上治癌药物),第三节 DNA的生物合成,DNA的半保留复制 DNA生物合成中的酶 DNA的合成方式 DNA的复制过程（原核生物） 真核生物DNA的复制特点 逆转录,复制：亲代DNA在一系

7、列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA的过程。 转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的RNA的过程。 翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码解读成蛋白质的AA排列顺序的过程。 逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成DNA的过程。,定义：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，这种复制方式叫半保留复制,一 、DNA的半保留复制,DNA聚合酶 单体酶,多肽链内含一个锌原子, 多功能酶。 (1)具有5 3 聚合酶功能； (2)3 5外切酶活性（对双链无作用，校对

8、功能。但在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链） (3)5 3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）,二、DNA生物合成中的酶,原核生物三种DNA聚合酶,DNA聚合酶 多亚基酶，聚合作用，但聚合活力很低；具有3 5外切酶活性。其它生理功能尚不清楚，可能在修复紫外光引起的DNA损伤中起作用。,DNA聚合酶 (原)DNA复制的主要聚合酶，由10种亚基，其中、形成全酶的核心酶。 (1)具有53DNA聚合酶活性（ 亚基，速率高）； (2)具有3 5外切酶（亚基）的校对功能，提高 DNA复制的保真性； (3)具有5 3外切酶活性。 DNA聚合酶

9、IV和V 1999年发现，当DNA严重损伤时，诱导产生。, 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核 3-5 外切 - - + + + 酶活性,引物 合成,修复 作用,线粒体DNA 的复制,核DNA 的复制,修复 作用,功能,真核生物五种DNA聚合酶,若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来。,DNA连接酶（1967年发现）,消除DNA 的超螺旋,根据作用方式不同而分为两种:,拓扑异构酶(旋转酶),旋转酶,旋转酶,旋转酶：使DNA一条链发生断裂(切口反应)和再连接(封口反应)。作

10、用是松解负超螺旋，不需要能量。,旋转酶：使DNA两条链发生断裂和再连接。可以形成负超螺旋,需要由ATP或GTP提供能量.,解开双螺旋,使其成为单链.通过水解ATP将DNA两条链打开。每解开一对碱基需要水解2个ATP分子。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。rep蛋白沿3 5移动，而解螺旋酶I、II、III沿5 3移动。,解旋酶 （解链酶）,其它蛋白因子,单链结合蛋白(SSB-single-strand binding protein)(又叫螺旋去稳定蛋白)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。 引发酶:催化RNA引物合成的RNA聚合酶

11、. 引发酶需要ATP或GTP提供能量.,DNA的复制：以DNA为模板合成DNA。 逆转录：以RNA为模板合成DNA。 修复合成（DNA聚合酶I、连接酶等）,三、 DNA的合成方式,双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段,四、 DNA的复制过程：（以大肠杆菌为例）,(一) 双链的解开 DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。常用ori(或o）表示。 从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子。 大肠杆菌染色体DNA以及真核生物的细胞器DNA为双链环状，只有一个复制原点. 真核生物染色体DNA是线性双链分子，含有多个复制原点,因此是多复制

12、子.,复制原点在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。 DNA复制进行时，在眼的两侧出现两个叉子状的生长点(growth point)，叫复制叉。 (大肠杆菌）由rep 蛋白在复制叉内解开亲代双螺旋DNA，分开的双链再与SSB结合，防止链内退火,复制眼的结构：,DNA的双向复制,(二) 引发体和引物,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.在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段， 引物酶的底物是核苷三磷酸，在引物的5端含3个磷酸残基,3端为游离的羟基。 引物长度为(原)50至100个核苷酸， (真)较短,约10.,Dna A,Dna

13、 B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,(三) DNA链的延伸,在DNA聚合酶的催化下,根据模板链3 5的核苷酸序列,在RNA引物的3-OH末端逐个添加脱氧核苷三磷酸,延伸方向是53,每形成一个磷酸二酯键即释放1个焦磷酸, 随着复制叉的推进，两条新链的合成方向是不同的：一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致，它的合成能连续进行，称为前导链；,另一条链延伸的方向与复制叉前进的方向相反，不能被连续合成，需要复制叉推进了一定的长度，有了一段DNA单链后，才能以此为模板合成一个片段。因此这条新链

14、的合成是不连续的，所以称为滞后链。,DNA的双向复制,DNA复制的半不连续性,前导链,滞后链,冈崎片段,前导链：以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链。,滞后链：以5 3方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。,半不连续复制在DNA复制时，领头链是连续合成的,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。,冈崎片段,在DNA复制过程中，领头链能连续合成，而随后链只是多个短片段，这些不连续的小片段以其发现者的名字命名为冈崎片段。 冈崎片段真核100-200个核苷酸 原核1000-2000个核苷酸。,参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图,(四)复制准

15、确性的保证,复制必需无误,否则将危及生物的生存.大肠杆菌109-1010pb仅可能发生1个误差.,DNA聚合酶的聚合作用,DNA聚合酶的35外切活力,(五) 切除RNA引物，填补缺口连接相邻的DNA片段,引物:DNA聚合酶的53外切活力来切除的. 留下的空隙是由该酶的53聚合活力填补. 冈崎片段是由DNA连接酶封闭缺口,把小片段连接成完整的子代链.,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。 真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用

16、更多的复制起点。 真核生物有多种DNA聚合酶。,五 真核生物中DNA的复制特点,1 、定义:以RNA为模板，以4种d NTP为底物,合成一条与模板RNA 互补的DNA链称为逆转录，由逆转录酶催化进行。 2 、发现：1970年Temin和Baltimore同时分别从劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒中分离出逆转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆转录酶。,六 逆转录,因发现逆转录病毒的遗传物质而获1975年诺贝尔奖的三位科学家,双链DNA（前病毒）,3 、病毒RNA的逆转录过程,单链病 毒RNA,RNA-DNA 杂交分子,RNA指导的DNA聚合酶53活性 DNA指导的DNA聚合酶活性 核糖核酸酶H

17、的活性，专一水解RNA-DNA杂交分子中的RNA，可沿53和3 5两个方向起核酸外切酶的作用。 逆转录酶也和DNA聚合酶一样，沿53方向合成DNA，需要有模板、底物、Mg2+,Mn2+参加.并需要短链RNA作引物。,4 、逆转录酶,不能把“中心法则”绝对化，遗传信息也可以从RNA传递到DNA。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了新的线索。目前逆转录酶已经成为研究这些学科的工具。 1983年，发现人类免疫缺陷病毒（human immune deficience virus,HIV）,感染T淋巴细胞后即杀死细胞，造成宿主机体免疫系统损伤，引起艾滋病（ acquired im

18、munodeficiency syndrome,AIDS） 乙型肝炎病毒,5、逆转录的生物学意义,某些物理化学因素如:紫外线、电离辐射和化学诱变剂等作用于DNA造成DNA结构和功能的破坏, 然而一定条件下，生物机体能使损伤得到修复. 紫外线照射-TT( CT CC )二聚体的形成影响双螺旋结构，影响复制和转录功能。 一个或几个碱基被置换 插入一个或几个碱基 一个或多个碱基对缺失,第四节 DNA的损伤修复,DNA的损伤修复,光修复：400nm左右的光激活光复活酶，专一分解紫外光照射引起的同一条链上TT（CC CT）二聚体。（包括从单细胞生物到鸟类，而高等哺乳动物无）,DNA的损伤修复,切除修复：

19、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。（发生在DNA复制前）,DNA的损伤修复,重组修复 （发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由母链弥补，原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释。,DNA的损伤修复,诱导修复：造成DNA损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（SOS response）。此过程诱导产生切除修复和重组修复中的关键蛋白和酶，同时产生无校对功能的DNA聚合酶。所以会有2种结果：修复或变异（进化）。,着色性干皮病,概念 RNA聚合酶 RNA的转录过程 RNA转录后

20、加工 RNA的复制,第五节 RNA的生物合成,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。 以四种核糖核苷三磷酸酸（NTP）为底物，形成3、5 -磷酸二酯键相连接。,一、概念,都需要模板 都以三磷酸核苷酸为底物（NTP或dNTP） 合成方向都是53,转录与DNA复制的比较,相同点,转录与DNA复制的不同点,转录不需引物； 只转录DNA分子中的一个片段（称为转录单位或操纵子,operon)； 双链DNA中只有一条链具有转录活性（称为模板链）； 基因被转录与特定的时间、空间、生理状态有关； RNA聚合酶无校对功能。,转录与

21、DNA复制的比较,转录的不对称性：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。 反义链：在RNA的转录中，用于转录的模板DNA链称为模板链。（或反义链） 有义链：在RNA的转录中，与模板DNA互补的链称为编码链（或有义链）,DNA的一个小片段是一个基因，DNA是双螺旋结 构，而且每个基因的有义链并不总在染色体DNA的 同一条链上，DNA 的一条链上具有着某些基因的有 义链和另一些基因的反义链。,二、RNA聚合酶：大肠杆菌的RNA聚合酶,核心酶,全酶,只能使已开始合成的RNA 链延长，不具有起始合成RNA 的能力。,从固定的起点开始合成RNA,大肠杆菌RNA

22、聚合酶各亚基的功能,RNA聚合酶的特点：,反应底物：NTP，DNA为模板、Mg2+促进聚合反应。 RNA聚合酶不需要引物，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。,起始位点的识别 转录起始（起始阶段） 链的延伸（延长阶段） 转录终止（终止阶段）,三、RNA的转录过程,亚基起着识别DNA分子上的起始信号的作用。（启动子指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列） 不同的亚基识别不同的启动子，从而表达不同的基因。,起始位点的识别,转录起始,RNA聚合酶与DNA 双链的起始点结合,并且局部解开双螺旋,解链仅发生在于RNA 聚合酶结合部位，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。,RNA链的延伸,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