核酸和核苷酸代谢

1、1 核酸的基本单位是核苷酸。遗传信息的复制、转核酸的基本单位是核苷酸。遗传信息的复制、转录和翻译都与核酸代谢有关，核酸代谢与核苷酸代谢录和翻译都与核酸代谢有关，核酸代谢与核苷酸代谢密切关联。核苷酸几乎参与细胞中的所有生化过程。密切关联。核苷酸几乎参与细胞中的所有生化过程。 核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成的前体。的前体。ATP是生物能量代谢中的通用载体，是生物能量代谢中的通用载体，GTP是推动重要生物过程的能量供体。核苷酸衍生物是是推动重要生物过程的能量供体。核苷酸衍生物是许多生物合成反应的活性中间物。腺苷酸是三种重许多生物合成反应的活性中间物。

2、腺苷酸是三种重要辅酶要辅酶(烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A)的组分。的组分。cAMP和和cGMP作为细胞内第二信使，调作为细胞内第二信使，调节细胞功能和基因表达。节细胞功能和基因表达。第1页/共53页2一一 核酸和核苷酸的分解代谢核酸和核苷酸的分解代谢 动物和异养型微生物可分泌消化酶类来分解食物动物和异养型微生物可分泌消化酶类来分解食物或体外的核蛋白或核酸类物质，以获得各种核苷酸。或体外的核蛋白或核酸类物质，以获得各种核苷酸。核酸核酸核苷酸核苷酸核酸酶核酸酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶核苷酸核苷酸核苷酸酶核苷酸酶核苷核苷 +磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化

3、酶碱基碱基+1-P-戊糖戊糖碱基碱基 + 戊糖戊糖核苷酶核苷酶核苷核苷第2页/共53页3 核酸是由许多核苷酸以核酸是由许多核苷酸以3 ,5 磷酸二酯键连磷酸二酯键连接而成的大分子化合物。核酸分解代谢的第一步是接而成的大分子化合物。核酸分解代谢的第一步是水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核苷酸。磷酸二酯酶苷酸或单核苷酸。磷酸二酯酶(核酸酶核酸酶)可催化这一可催化这一解聚作用。水解解聚作用。水解RNA的酶称核糖核酸酶，水解的酶称核糖核酸酶，水解DNA的酶称脱氧核糖核酸酶。能水解核酸分子内的酶称脱氧核糖核酸酶。能水解核酸分子内磷酸二酯键的

4、酶称核酸内切酶，从核酸链的一端逐磷酸二酯键的酶称核酸内切酶，从核酸链的一端逐步水解下核苷酸的酶称外切酶。细胞内的核酸都不步水解下核苷酸的酶称外切酶。细胞内的核酸都不是恒定不变的，细胞内的各种核酸酶参与了核酸的是恒定不变的，细胞内的各种核酸酶参与了核酸的代谢。代谢。1 核酸的解聚作用核酸的解聚作用第3页/共53页42 核苷酸的降解核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，

5、特异性强的磷酸单酯酶只能水解酸单酯酶只能水解3 核苷酸或核苷酸或5 核苷酸。核苷酸。 核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。碱基碱基 + 戊糖戊糖核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷 + H2O核苷核苷 + 磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基 + 戊糖戊糖-1-磷酸磷酸第4页/共53页53 嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解 不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非同。灵长类和鸟类动物的嘌

6、呤降解终产物是尿酸；非灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为CO2和和NH3。 腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为CO2和和NH3。第5页/共53页64

7、 嘧啶碱的分解嘧啶碱的分解 胞嘧啶先脱氨转变为尿嘧啶，尿嘧啶经胞嘧啶先脱氨转变为尿嘧啶，尿嘧啶经还原、开环水解，最后生成还原、开环水解，最后生成NH3、CO2和和-丙氨酸。丙氨酸。-丙氨酸经转氨作用脱去氨基后参丙氨酸经转氨作用脱去氨基后参加有机酸代谢。加有机酸代谢。 胸腺嘧啶经还原、开环水解生成胸腺嘧啶经还原、开环水解生成NH3、CO2和和-氨基异丁酸，后者脱去氨基后参加氨基异丁酸，后者脱去氨基后参加有机酸代谢。有机酸代谢。第6页/共53页71 嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成 生物利用生物利用CO2、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸等简单前体物质作为合

8、成嘌呤环的前体。甘氨酸等简单前体物质作为合成嘌呤环的前体。CNCNCCCNN123456789CO2天冬氨酸天冬氨酸N10-甲酰甲酰四氢叶酸四氢叶酸谷氨酰胺谷氨酰胺(酰胺氮酰胺氮)甘氨酸甘氨酸N10-甲酰甲酰四氢叶酸四氢叶酸嘌呤环的元素来源嘌呤环的元素来源第7页/共53页8 合成过程是在合成过程是在5 -磷酸核糖基础上进行的。磷酸核糖基础上进行的。 组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的C1上去的，先合成咪唑环，再合成骈嘧啶上去的，先合成咪唑环，再合成骈嘧啶环。随着嘌呤环的生成，环。随着嘌呤环的生成，5 -核苷酸应运而核苷酸应运而生。第一个被合成的核苷酸是生。

9、第一个被合成的核苷酸是IMP。 AMP、 GMP是由是由IMP转化生成的。转化生成的。 嘌呤核苷酸生物合成的特点：嘌呤核苷酸生物合成的特点：第8页/共53页9 生物利用现有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷生物利用现有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的过程称为半合成途径。酸的过程称为半合成途径。嘌呤碱嘌呤碱+1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤核苷嘌呤核苷+Pi嘌呤碱嘌呤碱+PRPP嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶ATPADP核苷磷酸激酶核苷磷酸激酶核苷酸焦磷酸化酶核苷酸焦磷酸化酶PPi第9页/共53页10CNNCCC123456嘧啶环各元素来源嘧啶环各元素来源来来 自自 天天 冬冬 氨氨 酸酸来来 自自 氨

10、氨 甲甲 酰酰 磷磷 酸酸2 嘧啶核糖核苷酸的合成嘧啶核糖核苷酸的合成 嘧啶环是以天冬氨酸、谷酰胺、嘧啶环是以天冬氨酸、谷酰胺、CO2为前体物为前体物质合成的。质合成的。第10页/共53页113 脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核苷酸的合成不是从脱氧核糖起始的，脱氧核苷酸的合成不是从脱氧核糖起始的，而是先合成相应的核苷酸后，再通过还原作用而是先合成相应的核苷酸后，再通过还原作用使其中的核糖脱氧转变成为脱氧核苷酸。催化使其中的核糖脱氧转变成为脱氧核苷酸。催化此还原反应的酶体系包括核糖核苷酸还原酶、此还原反应的酶体系包括核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶及硫氧还蛋白、硫氧

11、还蛋白还原酶及FAD、NADP等因子。等因子。第11页/共53页12NADPNADPH+FADATP, Mg2+硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白硫氧还蛋白-(SH)2(还原型还原型)硫氧还蛋白硫氧还蛋白-S2(氧化型氧化型)核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶(B1和和B2)核糖核苷核糖核苷二磷酸二磷酸脱氧核糖核脱氧核糖核苷二磷酸苷二磷酸+H2O脱氧核糖核苷酸的形成脱氧核糖核苷酸的形成第12页/共53页13三三 遗传信息遗传信息1 DNA是遗传信息的携带分子是遗传信息的携带分子第13页/共53页142 RNA使遗传信息得以表达使遗传信息得以表达第14页/共53页153 遗传密码的破译遗传

12、密码的破译 mRNA是指导蛋白质合成的直接模板，是由四种是指导蛋白质合成的直接模板，是由四种核苷酸组成的。如果由两个碱基决定一个氨基酸在肽核苷酸组成的。如果由两个碱基决定一个氨基酸在肽链中的位置，则只有链中的位置，则只有16组二联体，不能满足组二联体，不能满足20种氨基种氨基酸编码的需要；如果每三个碱基编码一个氨基酸，可酸编码的需要；如果每三个碱基编码一个氨基酸，可组合成组合成64组三联体，能满足组三联体，能满足20种氨基酸编码的需求。种氨基酸编码的需求。应用生物化学和遗传学实验证明：三个碱基编码一个应用生物化学和遗传学实验证明：三个碱基编码一个氨基酸，称为氨基酸，称为三联体密码三联体密码或密

13、码子。或密码子。 从从1961年开始，用年开始，用64个已知密码，找出了与之对个已知密码，找出了与之对应的氨基酸。应的氨基酸。1966-1967年，破译全部遗传密码。年，破译全部遗传密码。第15页/共53页16第一位碱基第一位碱基(5 端端)第第 二二 位位 碱碱 基（中基（中 间）间）第三位碱基第三位碱基(3 端端)UCAGU苯丙苯丙苯丙苯丙丝丝丝丝丝丝丝丝酪酪酪酪半胱半胱半胱半胱UCAG亮亮亮亮终止终止终止终止终止终止色色C亮亮亮亮亮亮亮亮脯脯脯脯脯脯脯脯组组组组精精精精精精精精UCAG谷酰胺谷酰胺谷酰胺谷酰胺A异亮异亮异亮异亮异亮异亮苏苏苏苏苏苏苏苏天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺丝丝丝

14、丝UCAG赖赖赖赖精精精精甲硫甲硫(起始起始)G缬缬缬缬缬缬缬缬丙丙丙丙丙丙丙丙天冬天冬天冬天冬甘甘甘甘甘甘甘甘UCAG谷谷谷谷遗遗 传传 密密 码码 字字 典典第16页/共53页174 遗传密码的基本特性遗传密码的基本特性第17页/共53页18四四 DNA的复制和修复的复制和修复1 DNA的半保留复制的半保留复制 DNA复制时复制时, 两条链碱基对之间氢键破裂，双两条链碱基对之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。于是亲代于是亲代DNA分子变为核苷酸排列序列完全相同的分子变为核苷酸排列序列完全相同的两个子代两个子代DNA分子。每

15、个子代分子。每个子代DNA分子的一条链分子的一条链来自亲代来自亲代DNA，另一条则是新合成的，这样的复制，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为合成方式称为半保留复制半保留复制。 1958年，年，MeselsonStahl利用氮的同位素利用氮的同位素15N标记实验首先证实了标记实验首先证实了DNA半保留复制。半保留复制。第18页/共53页19DNA半保留复制的实验证明半保留复制的实验证明第19页/共53页202 DNA的复制起点和复制方式的复制起点和复制方式 DNA复制是一个受到严格控制的过程，复制是复制是一个受到严格控制的过程，复制是从从DNA上定点起始的。大肠杆菌染色体上定点起始的。大

16、肠杆菌染色体DNA复制起复制起始区为含回纹序列始区为含回纹序列GATC多达多达11次的一段约次的一段约245bp的的特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结构，为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色结构，为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体体DNA较小，一般只有一个复制起点。较小，一般只有一个复制起点。 真核真核DNA的复制起点没有顺序特异性，是从复的复制起点没有顺序特异性，是从复制酶与制酶与DNA容易接触的部位起始的，即两核小体之容易接触的部位起始的，即两核小体之间的连接部位。真核间的连接部位。真核DNA有多个复制起始点。有多个复制起始点

17、。第20页/共53页21 DNA复制时，从复制点开始，两条链解复制时，从复制点开始，两条链解开，已解开的两条链与未解开的双链间形成叉开，已解开的两条链与未解开的双链间形成叉子样的结构，称为子样的结构，称为复制叉复制叉。DNA复制在复制叉复制在复制叉中进行。若从起点开始形成两个复制叉，新链中进行。若从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反两个方向延伸，称为同时向相反两个方向延伸，称为双向复制双向复制。若。若从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向延伸，则称为延伸，则称为单向复制单向复制。对称复制指两条链同。对称复制指两条链同时进行复制，若一条链先复制，待一

18、条链复制时进行复制，若一条链先复制，待一条链复制完成另一条链才开始复制，则称为不对称复制。完成另一条链才开始复制，则称为不对称复制。第21页/共53页22第22页/共53页233 DNA聚合酶聚合酶 1956年年Kornberg等从大肠杆菌提取液中首先等从大肠杆菌提取液中首先发现了发现了DNA聚合酶聚合酶I。1969年和年和1970年，年，Delucia和和Cairns从大肠杆菌分离得到从大肠杆菌分离得到DNA聚合酶聚合酶和和DNA聚合酶聚合酶。DNA聚合酶聚合酶和和是在是在1999年才年才被发现，他们涉及被发现，他们涉及DNA的易错修复。的易错修复。第23页/共53页24大肠杆菌三种大肠杆菌

19、三种DNA聚合酶的性质比较聚合酶的性质比较DNA聚聚合酶合酶 IDNA聚聚合酶合酶DNA聚聚合酶合酶相对分子质量相对分子质量103 00088 000130 0003 5 核酸外切酶核酸外切酶+ +5 3 核酸外切酶核酸外切酶+- - -聚合速度聚合速度(核苷酸核苷酸/min)1 0001 2002 40015 00060 000持续合成能力持续合成能力32001 500500 000主要功能主要功能切除引物切除引物, 修复修复修复修复复制复制第24页/共53页252)真核生物真核生物DNA聚合酶聚合酶哺乳动物的哺乳动物的DNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶a a聚合酶聚合酶b b聚合酶聚合酶g g

20、聚合酶聚合酶d d定位定位细胞核细胞核细胞核细胞核线粒体线粒体细胞核细胞核亚基数目亚基数目4124外切酶活性外切酶活性无无无无3 5 3 5 引物合成酶活性引物合成酶活性有有无无无无无无持续合成能力持续合成能力低低低低高高抑制剂抑制剂蚜肠霉素蚜肠霉素双脱氧双脱氧TTP 双脱氧双脱氧TTP蚜肠霉素蚜肠霉素功能功能引物合成引物合成修复修复线粒体线粒体DNA复制和修复复制和修复核核DNA复制和修复复制和修复第25页/共53页26DNA聚合酶的反应特点是：聚合酶的反应特点是： 以四种脱氧核苷三磷酸作底物以四种脱氧核苷三磷酸作底物; 反应需要模板的指导，模板方向反应需要模板的指导，模板方向3 5 ; 反

21、应需要引物反应需要引物3 -OH存在存在; DNA新链的生长方向为新链的生长方向为5 3 ; 产物产物DNA的性质与模板相同。的性质与模板相同。第26页/共53页274 DNA连接酶连接酶 DNA聚合酶只能催化聚合酶只能催化DNA链的延伸，不能链的延伸，不能使两条使两条DNA链端部相互以磷酸酯键连接起来，也链端部相互以磷酸酯键连接起来，也不能使单链不能使单链DNA环化闭合。环化闭合。1967年，几个实验室年，几个实验室同时发现了同时发现了DNA连接酶，该酶可使双链连接酶，该酶可使双链DNA中一中一条断开的相邻核苷酸间条断开的相邻核苷酸间(断口的一端为断口的一端为3 -OH，另，另一端是一端是5

22、 -磷酸基磷酸基)形成形成3 ,5 -磷酸二酯键，但不磷酸二酯键，但不能使游离的两条链直接连接起来。连接反应需要能使游离的两条链直接连接起来。连接反应需要能量，在动物和噬菌体由能量，在动物和噬菌体由ATP提供，在细菌由提供，在细菌由NAD提供。提供。 此外，参与此外，参与DNA复制过程的酶还有转轴酶、复制过程的酶还有转轴酶、旋转酶、解链酶、引发酶、单链结合蛋白等。旋转酶、解链酶、引发酶、单链结合蛋白等。第27页/共53页285 DNA的复制过程的复制过程 DNA复制是一个受到严格控制的过程复制是一个受到严格控制的过程, 复制是从复制是从DNA上定点起始的。大肠杆菌染色体上定点起始的。大肠杆菌染

23、色体DNA复制起始复制起始区为含回纹序列区为含回纹序列GATC多达多达11次的一段约次的一段约245bp的特的特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结构构, 为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体DNA较小，一般只有一个复制起点。较小，一般只有一个复制起点。 真核真核DNA的复制起点没有顺序特异性，是从复的复制起点没有顺序特异性，是从复制酶与制酶与DNA容易接触的部位起始的，即两核小体之容易接触的部位起始的，即两核小体之间的连接部位。真核间的连接部位。真核DNA有多个复制起始点。有多个复制起始点。第28

24、页/共53页29 DNA复制时，解链酶与复制起始区结合，利用复制时，解链酶与复制起始区结合，利用ATP提供能量，使双链解开，形成复制叉。在复制提供能量，使双链解开，形成复制叉。在复制叉中叉中DNA聚合酶以单链为模板合成新链。随着解链聚合酶以单链为模板合成新链。随着解链和合成的不断进行，使复制叉前面的螺旋进一步扭和合成的不断进行，使复制叉前面的螺旋进一步扭紧，产生正超螺旋张力，而使解链难以继续进行。紧，产生正超螺旋张力，而使解链难以继续进行。 拓补异构酶拓补异构酶能切断双链中的一条，断端绕螺能切断双链中的一条，断端绕螺旋转动，释放解链造成的正超螺旋张力。超螺旋解旋转动，释放解链造成的正超螺旋张力

25、。超螺旋解除后封闭断口。拓补异构酶除后封闭断口。拓补异构酶能切断双链，并向能切断双链，并向DNA分子中引入负超螺旋，以消除解链产生的正超分子中引入负超螺旋，以消除解链产生的正超螺旋张力。螺旋张力。第29页/共53页302)不连续复制不连续复制 DNA是两条反向平行的链，是两条反向平行的链，DNA聚合酶要聚合酶要求模板和方向是求模板和方向是3 5 。在。在DNA复制时，复制时，3 5 走向的模板链的新链以走向的模板链的新链以5 3 方向连续合成，称方向连续合成，称先导链先导链。5 3 走向的模板链的新链也是走向的模板链的新链也是5 3 方向合成，与复制叉移动的方向相反，随着复制方向合成，与复制叉

26、移动的方向相反，随着复制叉的移动，合成出许多不连续的片段叉的移动，合成出许多不连续的片段(称冈崎片称冈崎片段段)，最后连接成一条完整的，最后连接成一条完整的DNA链，称链，称滞后链滞后链。 原核生物中冈崎片段的长度为原核生物中冈崎片段的长度为10002000个个核苷酸；真核生物中的约核苷酸；真核生物中的约200个核苷酸，相当于个核苷酸，相当于一个核小体一个核小体DNA的长度。的长度。第30页/共53页313)引物合成引物合成 DNA聚合酶都只能从引物的聚合酶都只能从引物的3 -OH末端延末端延伸伸DNA链，而不能从头合成。引物是由特定的链，而不能从头合成。引物是由特定的RNA聚合酶聚合酶(引发

27、酶引发酶)合成的合成的RNA片段，长度约几片段，长度约几个到十几个核苷酸。每个合成起始点都需要引物。个到十几个核苷酸。每个合成起始点都需要引物。 DNA聚合酶聚合酶以其以其5 3 外切酶活性将外切酶活性将RNA引引物切除，留下的空缺由该酶从下一个冈崎片段的物切除，留下的空缺由该酶从下一个冈崎片段的3 -OH端开始，按模板延伸端开始，按模板延伸DNA链将缺口补齐，再由链将缺口补齐，再由DNA连接酶将邻近冈崎片段连接起来，成为一个完连接酶将邻近冈崎片段连接起来，成为一个完整的新链。整的新链。第31页/共53页32DNA复制过程可分为复制过程可分为8个步骤：个步骤：(1) 解链蛋白将解链蛋白将DNA

28、双链解开。双链解开。(2) 引发酶结合于打开的引发酶结合于打开的DNA单链上，合成单链上，合成RNA引物。引物。(3) 解旋酶在复制叉前面特定位点解旋，以释放张力。解旋酶在复制叉前面特定位点解旋，以释放张力。(4) DNA聚合酶聚合酶按碱基互补原则从引物按碱基互补原则从引物3-OH端延伸端延伸DNA链。链。(5) DNA链延伸致下一个引物时，链延伸致下一个引物时，DNA聚合酶聚合酶脱离。脱离。(6) DNA聚合酶聚合酶从从5 3 方向切除引物和合成新方向切除引物和合成新DNA链。链。(7) 冈崎片段之间由冈崎片段之间由DNA连接酶连接成新链。连接酶连接成新链。(8) 新合成的子链与模板链形成新

29、的新合成的子链与模板链形成新的DNA双螺旋链。双螺旋链。第32页/共53页33第33页/共53页34紫外线照射紫外线照射产生嘧啶二聚体产生嘧啶二聚体光复活酶光复活酶吸收光解开二聚体吸收光解开二聚体释放光复活酶释放光复活酶6 DNA损伤损伤的修复的修复第34页/共53页35切开切开( (核酸内切酶核酸内切酶) )切除切除( (核酸外切酶核酸外切酶) )修复修复(DNA聚合酶聚合酶)连接连接(DNA连接酶连接酶)第35页/共53页36复制复制重组重组再合成再合成第36页/共53页37五五 RNA的生物合成的生物合成1 RNA聚合酶的类型聚合酶的类型 原核细胞大肠杆菌中只分离到一种原核细胞大肠杆菌中

30、只分离到一种RNA聚合酶，聚合酶，能催化细胞中三种能催化细胞中三种RNA的合成。真核细胞中分离得的合成。真核细胞中分离得到多种到多种RNA聚合酶：聚合酶：RNA聚合酶聚合酶、，分别，分别催化催化rRNA、mRNA、5SrRNA和和tRNA的合成。线粒的合成。线粒体和叶绿体中的体和叶绿体中的RNA聚合酶各自催化线粒体和叶绿聚合酶各自催化线粒体和叶绿体中的体中的RNA转录合成。转录合成。第37页/共53页38 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶，相对分子量聚合酶，相对分子量40万万50万，含有万，含有2、 、五个亚基。无五个亚基。无亚基的亚基的酶称为核心酶。酶称为核心酶。亚基的功能是帮助核心酶识别亚基的

31、功能是帮助核心酶识别转录起始位点，核心酶的功能是催化聚合反应。转录起始位点，核心酶的功能是催化聚合反应。无无亚基的核心酶只能使正在合成的亚基的核心酶只能使正在合成的RNA链延长，链延长，但不具有起始合成但不具有起始合成RNA的能力。的能力。2 RNA聚合酶的结构聚合酶的结构第38页/共53页393 RNA聚合酶催化聚合反应的特聚合酶催化聚合反应的特点点 要求模板方向是要求模板方向是3 5 。 不需要引物，可从头起始合成。不需要引物，可从头起始合成。 新链延伸方向是新链延伸方向是5 3 。 底物是四种核苷三磷酸。底物是四种核苷三磷酸。 反应需要反应需要Mg2+或或Mn2+。第39页/共53页40

32、1)转录起始转录起始 RNA转录从转录从DNA模板上特定部位开始。模板上特定部位开始。从转录起点开始到上游约从转录起点开始到上游约 35 40 bp 的一段富的一段富AT区，称之为区，称之为启动子启动子。启动子包括。启动子包括亚基的识亚基的识别部位、别部位、RNA聚合酶紧密结合部位和转录起点聚合酶紧密结合部位和转录起点三个部分。紧密结合部位是位于转录起点前三个部分。紧密结合部位是位于转录起点前10位的一段位的一段TATAATG保守区，称为保守区，称为TAT盒。盒。4 RNA的转录过程的转录过程第40页/共53页41 转录起始过程为：转录起始过程为：RNA聚合酶的聚合酶的因子因子识别启动子特殊碱

33、基顺序，导致识别启动子特殊碱基顺序，导致RNA聚合酶聚合酶全酶与启动子特定部位紧密结合，并局部打全酶与启动子特定部位紧密结合，并局部打开开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起始点部位，与模板配对结合，转录从转录起始点部位，与模板配对结合，转录从此开始。此开始。第41页/共53页42 模板上转录起始点第模板上转录起始点第1位碱基一般是嘧啶，位碱基一般是嘧啶，RNA新链新链5 -端第端第1个掺入的核苷酸则为嘌呤，个掺入的核苷酸则为嘌呤，当与模板碱基互补的第当与模板碱基互补的第2个核苷三磷酸的个核苷三磷酸的5 -磷酸磷酸基与第基与第1个核苷酸的个核苷酸的3 -

34、OH形成形成3 , 5 -磷酸二酯磷酸二酯键，并释放焦磷酸则开始了键，并释放焦磷酸则开始了RNA链的延伸。随链的延伸。随着着RNA聚合酶沿模板聚合酶沿模板3 5 方向移动，方向移动，DNA双双链不断解开，新生链不断解开，新生RNA链就不断延伸。链就不断延伸。2)延伸延伸第42页/共53页43 当新生链延长到当新生链延长到1020核苷酸后核苷酸后亚基从亚基从全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。新全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。新生的生的RNA链与模板链与模板DNA链形成的链形成的RNA-DNA杂交双链不稳定，核心酶移动后留下的两条杂交双链不稳定，核心酶移动后留下的两条单链单链DNA有更强的复

35、性能力，从而取代杂交有更强的复性能力，从而取代杂交链中的链中的RNA链，双链链，双链DNA模板恢复原样，新模板恢复原样，新的的RNA链游离出来。链游离出来。第43页/共53页443)转录终止转录终止 转录在特定位点终止，转录在特定位点终止，DNA模板上有终模板上有终止信号，称终止子。所有原核生物的终止子在止信号，称终止子。所有原核生物的终止子在终止位点前均有一个二重对称序列，之后有一终止位点前均有一个二重对称序列，之后有一个富含个富含AT序列跟随。由于终止子结构不同，终序列跟随。由于终止子结构不同，终止有两种不同的机制：一种是不需终止蛋白止有两种不同的机制：一种是不需终止蛋白因子帮助的终止，一

36、种是需要因子帮助的终止，一种是需要因子帮助的终因子帮助的终止。止。 不需不需因子帮助的终止，其终止子的二重因子帮助的终止，其终止子的二重对称结构中富含对称结构中富含G、C，之后有寡聚，之后有寡聚A序列。需序列。需因子帮助的终止，其终止子的二重对称结构因子帮助的终止，其终止子的二重对称结构中不富含中不富含G、C，之后无寡聚，之后无寡聚A序列。序列。第44页/共53页45第45页/共53页465 RNA的复制合成的复制合成 某些某些RNA病毒，其遗传物质是病毒，其遗传物质是RNA，其，其RNA的合成是通过的合成是通过RNA的复制的方式来完成的。的复制的方式来完成的。噬菌体噬菌体Qb中中RNA占占3

37、0%，蛋白质占，蛋白质占70%。其。其RNA是是4500个核苷酸组成的一条单链分子，具个核苷酸组成的一条单链分子，具有有mRNA功能功能(正链正链)，可编码成熟蛋白、外壳蛋，可编码成熟蛋白、外壳蛋白和复制酶的白和复制酶的b b亚基其亚基其RNA的复制是依赖的复制是依赖 RNA 复制酶。复制酶。 RNA复制酶对模板有高度专一性，只识别复制酶对模板有高度专一性，只识别自身自身RNA，对宿主细胞和其他病毒，对宿主细胞和其他病毒RNA均无反均无反应。应。第46页/共53页47核酸降解产生的核苷酸可被核苷酸酶降解，产核酸降解产生的核苷酸可被核苷酸酶降解，产生核苷和磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶生核苷和

38、磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶的作用下生成碱基和的作用下生成碱基和1-磷酸戊糖，核苷也可在磷酸戊糖，核苷也可在核苷酸酶的作用下生成碱基和戊糖。核苷酸酶的作用下生成碱基和戊糖。腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为尿酸最终降解为NH3和和CO2。生物利用生物利用CO2、甲酸盐、谷酰胺、甘氨酸、天、甲酸盐、谷酰胺、甘氨酸、天冬氨酸等简单前体物质合成嘌呤核苷酸。冬氨酸等简单前体物质合成

39、嘌呤核苷酸。提提 要要第47页/共53页48嘌呤核苷酸生物合成的特点为：嘌呤核苷酸生物合成的特点为： 合成过程是在合成过程是在5 -磷酸核糖基础上进行的。磷酸核糖基础上进行的。 组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的C1上去的上去的, 先合成咪唑环先合成咪唑环, 再合成骈嘧啶环。再合成骈嘧啶环。随着嘌呤环的生成随着嘌呤环的生成, 5 -核苷酸应运而生。第核苷酸应运而生。第一个被合成的核苷酸是一个被合成的核苷酸是IMP。 AMP、 GMP是由是由IMP转化生成的。转化生成的。1)密码的基本单位密码的基本单位 2)密码的简并性密码的简并性3)密码的变偶性密码的变偶

40、性 4)密码的通用性密码的通用性5)密码的防错系统密码的防错系统第48页/共53页49DNA半保留复制：半保留复制：DNA复制时，两条链碱基对复制时，两条链碱基对之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。于是亲代别合成新的互补链。于是亲代DNA分子变为核苷分子变为核苷酸排列序列完全相同的两个子代酸排列序列完全相同的两个子代DNA分子。每个分子。每个子代子代 DNA分子的一条链来自亲代，另一条则是分子的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。参与参与DNA复制过程

41、的酶有：复制过程的酶有：DNA聚合酶、聚合酶、DNA连接酶、转轴酶、旋转酶、解链酶、引发酶、单连接酶、转轴酶、旋转酶、解链酶、引发酶、单链结合蛋白等。链结合蛋白等。第49页/共53页50DNA聚合酶的反应特点是：聚合酶的反应特点是： 以四种脱氧核苷三磷酸作底物以四种脱氧核苷三磷酸作底物; 反应需要模板的指导，模板方向反应需要模板的指导，模板方向3 5 ; 反应需要引物反应需要引物3 -OH存在存在; DNA新链的生长方向为新链的生长方向为5 3 ; 产物产物DNA的性质与模板相同。的性质与模板相同。DNA复制的起点复制的起点: 原核原核DNA复制是从定点起始复制是从定点起始的，一般只有一个复制

42、起点。真核的，一般只有一个复制起点。真核DNA的复制的复制是从复制酶与是从复制酶与DNA容易接触的部位起始的，是容易接触的部位起始的，是有多个复制起始点。有多个复制起始点。第50页/共53页51DNA复制从复制点开始，双链解开，在解开的双复制从复制点开始，双链解开，在解开的双条链与未解开的双链间形成叉状结构，称为复制条链与未解开的双链间形成叉状结构，称为复制叉。如从起点开始形成两个复制叉，新链同时向叉。如从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反两个方向延伸，称为双向复制；若从起点开相反两个方向延伸，称为双向复制；若从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向延伸，称为始形成一个复制叉，新链向一个方

43、向延伸，称为单向复制。对称复制指两条链同时进行复制；若单向复制。对称复制指两条链同时进行复制；若一条链先复制，待一条链复制完成另一条链才开一条链先复制，待一条链复制完成另一条链才开始复制，称为不对称复制。始复制，称为不对称复制。第51页/共53页52D N A 复 制 时 ，复 制 时 ， 3 5 走 向 模 板 链 的 新 链 以走 向 模 板 链 的 新 链 以5 3 方向连续合成，称为先导链；方向连续合成，称为先导链；5 3 走向走向模板链的新链与复制叉移动的方向相反，随着复模板链的新链与复制叉移动的方向相反，随着复制叉的移动，合成出许多不连续的片段制叉的移动，合成出许多不连续的片段(称

44、冈崎称冈崎片段片段)，最后连接成一条完整的，最后连接成一条完整的DNA链，称为滞链，称为滞后链。后链。原核细胞大肠杆菌中只分离到一种原核细胞大肠杆菌中只分离到一种RNA聚合酶，聚合酶，能催化细胞中能催化细胞中3种种RNA的合成。真核细胞中分离的合成。真核细胞中分离得到多种得到多种RNA聚合酶：聚合酶：RNA聚合酶聚合酶、，分别催化分别催化rRNA、mRNA、5SrRNA和和tRNA的合的合成。成。第52页/共53页53作 业1. 生物体合成嘌呤环的前体物质是什么？生物体合成嘌呤环的前体物质是什么？2. 生物体合成嘧啶环的前体物质是什么？生物体合成嘧啶环的前体物质是什么？3. 简述简述DNA半保

45、留复制。半保留复制。第53页/共53页542 核苷酸的降解核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷酸单酯酶只能水解酸单酯酶只能水解3 核苷酸或核苷酸或5 核苷酸。核苷酸。 核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。碱基碱基 + 戊糖

46、戊糖核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷 + H2O核苷核苷 + 磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基 + 戊糖戊糖-1-磷酸磷酸第4页/共53页553 嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解 不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为CO2和和NH3。 腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨腺嘌呤和鸟嘌呤在相