核酸代谢与蛋白质生物合成

导言俗语说“种瓜得瓜，种豆得豆”，其中蕴含着在生物界中普遍存在的遗传规律；而“世界上没有完全相同的两片叶子”却又预示了遗传现象的复杂性和可变性。对于生物体而言，贮存遗传信息的物质就是核酸，它是记载生物体的演变、种属特征及一切生命活动规律的图书馆。本章书除了阐述核苷酸的基本代谢外，还将从复制、转录及翻译等几个方面分别阐述与遗传信息传递有关的重要理论知识。第1页/共78页第1节核酸代谢一、核苷酸的合成代谢途径：从头合成、补救合成。第2页/共78页1.从头合成途径：是指细胞利用一碳单位、磷酸核糖和氨基酸等基本原料，经过一系列复杂的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程。2.补救合成途径：是指细胞利用已有的嘌呤碱或嘧啶碱以及它们的核苷形式，经过简单的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程。第3页/共78页（一）嘌呤核苷酸的合成1.嘌呤核苷酸的从头合成嘌呤环的元素来源第4页/共78页第5页/共78页IMP腺苷酸代琥珀酸AMP腺苷酸代琥珀酸合成酶AspMg2+GTP裂解酶延胡索酸IMP腺苷酸代琥珀酸GMPIMP脱氢酶NAD+

H2OGMP合成酶NADH+GlnMg2+

ATPGluIMP分别转变为AMP和GMP第6页/共78页2.嘌呤核苷酸的补救合成腺嘌呤+PRPPAPRTAMP+PPi次黄嘌呤+PRPP

HGPRTIMP+PPi鸟嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi腺嘌呤核苷+ATP激酶AMP+ADP第7页/共78页（二）嘧啶核苷酸的合成1.嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶环的元素来源第8页/共78页第9页/共78页UMP分别转变为CTP和TMPUMPCTPUDPUTPCTP合成酶UMPUDPdUDPdUMPTMPTMP合成酶N5，N10－CH2－FH4FH2Gln第10页/共78页2.嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶碱+PRPP嘧啶磷酸核糖转移酶磷酸嘧啶核苷+PPi第11页/共78页（三）脱氧核苷酸的合成嘌呤和嘧啶脱氧核苷酸合成是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上进行的，反应式如下：核糖核苷酸还原酶NDPdNDPNADPHNADP++H2O第12页/共78页（四）核苷酸抗代谢物及应用核苷酸抗代谢物是指与核苷酸合成过程的中间产物结构相似的一些类似物。如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸等。通过竞争性抑制或以假乱真的方式，干扰和阻断核苷酸的合成。第13页/共78页抗代谢物相似物作用6－巯基嘌呤次黄嘌呤抑制IMP转变为AMP和GMP氮杂丝氨酸谷氨酰胺抑制嘌呤核酸的合成氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸阻断二氢叶酸及四氢叶酸的生成→影响一碳单位的代谢嘌呤核苷酸抗代谢物第14页/共78页抗代谢物相似物作用5－氟尿嘧啶胸腺嘧啶阻断嘧啶核苷酸的合成氮杂丝氨酸谷氨酰胺抑制CTP的合成氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸干扰一碳单位的代谢，影响嘧啶核苷酸合成嘧啶核苷酸抗代谢物第15页/共78页二、核苷酸的分解代谢（一）嘌呤核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸在体内代谢的终产物是尿酸。（二）嘧啶核苷酸的分解代谢1.胞嘧啶→尿嘧啶→

β－丙氨酸、NH3和CO22.胸腺嘧啶→

β－氨基异丁酸、NH3和CO2第16页/共78页遗传信息传递中心法则第17页/共78页三、DNA的生物合成DNA的生物合成包括DNA复制、逆转录及DNA的损伤与修复。（一）DNA复制DNA复制是指以亲代单链DNA为模板，合成子代DNA的过程。第18页/共78页DNA复制的方式：半保留复制子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的。亲代DNA子代DNA复制来自亲代DNA新合成链第19页/共78页1.复制的模板：亲代单链DNA为模板方向：为3´→5´2.复制的原料：dNTP（N为A、G、C、T）。第20页/共78页3.参与复制的酶和蛋白质因子（1）DNA聚合酶作用：以单链DNA为模板，以dNTP作为原料，按碱基配对原则，催化DNA新链的合成。第21页/共78页原核生物三种DNA聚合酶及其作用DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5´→3´聚合作用有有有3´→5´核酸外切酶活性有有有5´→3´核酸外切酶活性有无无功能校读损伤后修复目前尚不完全清楚复制过程中的主要催化酶第22页/共78页真核生物DNA聚合酶：有α、β、γ、δ和ε等五种。第23页/共78页酶作用拓扑异构酶松解、理顺DNA超螺旋。解螺旋酶解开DNA双链之间的氢键，形成单链DNA模板。引物酶以单链DNA为模板，合成RNA引物，以提供3´－OH。DNA连接酶DNA复制终止阶段，催化DNA分子上的片段缺口之间形成磷酸二酯键。参与DNA复制的其它酶及作用第24页/共78页单链DNA结合蛋白：单链DNA结合蛋白（SSB）能结合在DNA单链上，具有保护和稳定DNA模板单链的作用。一方面：解开的单链DNA会被水解；另一方面：解开的单链DNA很容易再次聚合形成双螺旋形式。第25页/共78页DNA复制过程起始阶段延长阶段终止阶段第26页/共78页起始阶段

拓扑异构酶参与松解DNA超螺旋，在复制的整个过程中都发挥作用。解螺旋酶：解开DNA双链间的氢键，形成单链DNA模板。SSB：维持、保护单链DNA模板。引物酶：催化合成RNA引物。第27页/共78页延长阶段模板链合成链DNA－polⅢ催化模板方向：3´→5´合成的方向：5´→3´碱基配对：A＝T、G≡C第28页/共78页前导链与随从链AGCTTAGCAAGCCATCGGA3´5´5´3´CGGTAGCCT5´RNA引物TCGAA领头链5´3´3´随从链解链方向第29页/共78页冈崎片段：在随从链的合成之前，先合成的一些不连续的DNA短片段。DNA复制的特点：半保留复制、半不连续复制。第30页/共78页终止阶段引物合成链引物RNA水解DNA-polⅠ催化填补空隙DNA连接酶连接缺口前导链随从链第31页/共78页逆转录1.概念：以RNA为模板，合成DNA链的过程。2.逆转录酶：为多功能酶，作用如下：RNA逆转录dNTPcDNA水解RNA催化合成DNA互补链dNTP双链DNA第32页/共78页DNA的损伤与修复1.概念：DNA损伤又称突变，是DNA分子结构改变从而导致遗传信息的改变。2.类型：错配、缺失、插入、重排、框移等。3.修复机制（1）光修复：光修复酶使嘧啶二聚体分解（2）重组修复：由DNA－polⅠ、DNA连接及多种蛋白因子共同参与，切除DNA分子中损伤的片段，再以另一条完整链作为模板进行修复。第33页/共78页损伤区段DNA蛋白质因子辨认、结合及切除损伤区段。DNA－polⅠ以dNTP为原料，填补空隙。DNA连接酶催化重组修复基本过程第34页/共78页四、RNA的生物合成（一）概念：以单链DNA为模板，合成RNA的过程。（二）原料：NTP（N代表A、G、C、U四种碱基）。（三）特点：不对称转录。第35页/共78页不对称转录：*只以DNA单链的某一区段作为模板进行转录。*模板链不是永远都在同一条DNA单链上。5´3´3´5´模板链编码链编码链模板链模板链编码链DNA第36页/共78页RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶：α2ββ´σ

（全酶）α2ββ´（核心酶）：在RNA合成过程中起催化作用。σ：辨认识别转录起始点。ααβ

β

´ααβ

β

´σ核心酶全酶第37页/共78页真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ：催化转录生成45S－rRNA。RNA聚合酶Ⅱ：催化转录生成hnRNA（不均一核RNA，是mRNA的前体）。RNA聚合酶Ⅲ：催化转录生成5S－rRNA、tRNA和snRNA（小核RNA）。下面以原核生物转录过程进行说明。

第38页/共78页转录起始RNA聚合酶σ亚基识别和辩认模板DNA链上的特异序列。启动子：RNA聚合酶辨认结合的DNA序列称为。RNA转录不需合成引物，是转录与复制的重要区别之一。RNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。（通常加入的第一个核苷酸为GTP，并保留三磷酸形式。）第39页/共78页转录起始*启动子：RNA聚合酶辨认结合的DNA序列。*RNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。*通常加入的第一个核苷酸为GTP，并保留三磷酸形式。DNA3´

5´

TTGACATATAAT

－35－10+1RNA聚合酶辨认、结合转录区GTP启动子第40页/共78页转录延长σ亚基即脱落，核心酶（α2ββ´）催化RNA链的延长。模板链的方向：3´→5´合成的RNA链方向：5´→3´。碱基配对关系：A＝T、A＝U、G≡C第41页/共78页转录过程中的“转录泡”第42页/共78页转录终止1.依赖ρ（Rho）因子的转录终止ρ因子能结合在RNA上的特异终止序列上，并具有ATP酶活性和解螺旋酶作用。2.非依赖ρ（Rho）因子的转录终止RNA链形成茎环结构，终止转录。第43页/共78页转录终止形成的茎环结构第44页/共78页DNA复制与RNA转录的区别复制转录模板单链DNA模板单链DNA模板原料dNTP（N：A、G、C、T）NTP（N：A、G、C、U）聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要合成一段RNA引物不需要引物碱基配对A与T、G与CA与U、A与T、G与C产物DNA分子三种RNA特征半保留复制不对称转录第45页/共78页转录后的加工真核生物转录的RNA初级产物需要经过加工才具有生物活性，加工过程主要在细胞核中进行。第46页/共78页1.mRNA的加工（1）加“帽”：5´－端形成m7GpppN。（2）加“尾”：3´端形成polyA。（3）剪接：切除mRNA上的非编码序列（内含子）和拼接编码序列（外显子）。第47页/共78页2.tRNA的加工（1）切除3´端和5´端部分核苷酸。（2）3´端加上CCA序列（3）对部分碱基进行特殊修饰。第48页/共78页3.rRNA的加工rRNA的初级转录产物经剪接后，在核仁上与核糖体蛋白一起组装核糖体的大小亚基。第49页/共78页第2节蛋白质的生物合成翻译：以mRNA为模板，合成蛋白质的过程。合成体系（1）场所：核糖体（2）基本原料：20种编码氨基酸（3）三种RNA共同参与（4）其它：蛋白质因子（起始因子、延长因子、终止因子）、GTP、ATP、Mg2+、K+等。第50页/共78页RNA在蛋白质合成中的作用（一）mRNA：mRNA是蛋白质生物合成的直接模板模板方向：5´→3´蛋白质合成方向：N→C方式：密码子→氨基酸第51页/共78页遗传密码1、概念：mRNA链上沿5´→3´方向，每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸，这3个相邻核苷酸即称为一个遗传密码或密码子。mRNA链上的4种核苷酸共有64个密码子，其中：（1）61个密码子编码20种氨基酸（AUG为起始密码）（2）UAA、UAG和UGA为终止密码，不代表任何氨基酸第52页/共78页5´端第一位核苷酸第二位核苷酸3´端第三位核苷酸UCAGU苯丙氨酸UUU丝氨酸UCU酪氨酸UAU半胱氨酸UGUU苯丙氨酸UUC丝氨酸UCC酪氨酸UAC半胱氨酸UGCC亮氨酸UUA丝氨酸UCA终止密码UAA终止密码UGAA亮氨酸UUG丝氨酸UCG终止密码UAG色氨酸UGGGC亮氨酸CUU脯氨酸CCU组氨酸CAU精氨酸CGUU亮氨酸CUC脯氨酸CCC组氨酸CAC精氨酸CGCC亮氨酸CUA脯氨酸CCA谷氨酸CAA精氨酸CGAA亮氨酸CUG脯氨酸CCG谷氨酸CAG精氨酸CGGGA异亮氨酸AUU苏氨酸ACU天冬氨酸AAU丝氨酸AGUU异亮氨酸AUC苏氨酸ACC天冬酰胺AAC丝氨酸AGCC异亮氨酸AUA苏氨酸ACA赖氨酸AAA精氨酸AGAA甲硫氨酸AUG苏氨酸ACG赖氨酸AAG精氨酸AGGGG缬氨酸GUU丙氨酸GCU天冬氨酸GAU甘氨酸GGUU缬氨酸GUC丙氨酸GCC天冬氨酸GAC甘氨酸GGCC缬氨酸GUA丙氨酸GCA谷氨酸GAA甘氨酸GGAA缬氨酸GUG丙氨酸GCG谷氨酸GAG甘氨酸GGGG遗传密码表第53页/共78页遗传密码的特点1.方向性：密码子只能沿mRNA的5´→3´方向进行阅读。2.简并性：除蛋氨酸和色氨酸只对应1个密码子外，其余氨基酸都具有两个或两个以上的密码子。3.摆动性：反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基之间不严格遵守碱基配对规律的现象。4.连续性：密码子从mRNA上起始的AUG开始，以5´→3´方向进行阅读，每个碱基读一次，没有间隔。5.通用性：除动物的线粒体和植物的叶绿体外，几乎所有的生物都使用同一套遗传密码。第54页/共78页3´模板mRNA5´AUGCCAUCUGGCAUC-----------CUCUAAMetProSerGlyIle----------Leu终止密码NC蛋白质多肽链密码子阅读方向

肽链合成方向mRNA上的遗传密码指导合成蛋白质多肽链

第55页/共78页（二）tRNA：转运氨基酸的工具氨基酸+ATP+tRNA氨基酰－tRNA+AMP+PPi氨基酰－tRNA合成酶

氨基酸的a-羧基酯键tRNA3´－CCA－OH第56页/共78页UCA5´

3´

mRNA

ACUCCASer3´

5´

123321反密码子与密码子之间的配对第57页/共78页（三）rRNA：参与形成核糖体，是蛋白质生物合成的场所P位A位E位小亚基大亚基原核生物核糖体结构模式

第58页/共78页原核生物多肽链的合成过程1.起始阶段在起始因子的参与下，核糖体大小亚基先分开，模板mRNA与小亚基辨认结合，与起始密码子对应的蛋氨酰由tRNA携带到达核糖体P位。翻译起始复合物：核糖体大小亚基、模板mRNA、fMet－tRNAfMet。第59页/共78页核糖体大小亚基分离，模板mRNA与小亚基结合起始因子AUGmRNA小亚基大亚基AUGPA第60页/共78页起始因子AUGmRNA小亚基大亚基AUGPAfMetIF-2GTPfMet－tRNAfMet

PAAUGIF-2GTPfMettRNA携带起始密码对应的蛋氨酰进入P位第61页/共78页PAAUGfMetIF-2GTPGDP起始因子AUGPAfMetE形成翻译起始复合物第62页/共78页2.延长阶段（1）进位：又称注册，是按照mRNA上的密码子信息，相对应的氨基酰－tRNA进入核糖体的A位。第63页/共78页AUGPAfMetEAATuGTPTuGDPAUGPAfMetEAA氨基酰－tRNA翻译延长：注册第64页/共78页（2）成肽：核糖体P位上fMet－tRNAfMet（或肽酰－tRNA）的甲硫氨酸（或肽酰基）移至A位，与结合在A位上氨基酰－tRNA的氨基形成肽键。第65页/共78页AUGPAfMetEAAAUGPAEAAfMet肽键甲酰化fMet氨基酸转肽酶翻译延长：成肽第66页/共78页（3）转位：成肽完成后，核糖体向mRNA的3´端移动一个密码子的距离，下一个密码子即进入A位。第67页/共78页PAEAAfMetAUGPAEAAfMetAUGA位空出待下一个氨基酰－tRNA进入模板mRNA链上下一个密码子进入A位转位酶GTPGDP翻译延长：转位第68页/共78页3.终止阶段核糖体A位上出现mRNA的终止密码子时，由释放因子识别并结合于终止密码子。第69页/共78页多肽链A位出现终止密码释放因子RF识别结合起始因子IFUAAPAEtRNA小亚基大亚基mRNA

翻译终止过程第70页/共78页核糖体循环1.广义的概念：是指翻译起始、延长、终止三个循环过程。2.狭义的概念：是指翻译延长阶段的注册、成肽、转位三个循环过程。*翻译模板mRNA方向：5´→3´*蛋白质多肽链合成方向：N→C第71页/共78页三、蛋白质生物合成与医学的关系1.遗传性疾病：DNA损伤、结构异常→蛋白质结构和功能异常。2.药物：利用蛋白质生物合成机理，发挥抑制或杀菌作用。第72页/共78页（一）分子病例：镰刀状细胞性贫血N缬1

组2

亮2

苏4

脯5

谷6

谷7

赖8

丝9

丙10....................天冬100..................C

3´……..CTC………………......................5´