核酸代谢医学宣教专家讲座

第七章

核酸代谢

核酸代谢医学宣教专家讲座第1页一、核酸酶促降解

细胞内核酸在核酸酶作用下逐步分解；

体内DNA分解极为迟缓，RNA分解较快，二者终产物

一致。

磷酸

核酸→核苷酸戊糖（核糖或脱氧核糖）

核苷

碱基（嘌呤或嘧啶）

核酸代谢医学宣教专家讲座第2页水解产物除部分作为新核苷酸合成原料外，大部

分被深入分解。

◆

戊糖――HMS氧化分解；

◆

磷酸――磷酸代谢；

◆

碱基――分别降解。

核酸代谢医学宣教专家讲座第3页二、嘌呤、嘧啶代谢

（一）嘌呤分解

◆

反应部位：主要肝、肾、小肠

◆

过程：①水解脱氨②氧化

◆

主要酶：黄嘌呤氧化酶

◆

不一样生物嘌呤分解终产物有差异。

人体嘌呤分解终产物为尿酸，尿酸微溶于水，如体内

产生过多，不能及时排出，则沉积在体内。

如：沉积在关节——痛风症

沉积在肾——肾结石核酸代谢医学宣教专家讲座第4页核酸代谢医学宣教专家讲座第5页（二）嘧啶分解

终产物：

NH3，CO2，

β－脲基异丁酸。

β－丙AA

NH3,+CO2+乙酸

核酸代谢医学宣教专家讲座第6页三、核苷酸合成

1．核酸降解产物：核苷酸、核苷、碱基，被吸收或重新利用。

2．生物体利用其它物质合成核苷酸→核酸。

不一定需要膳食供给。

（一）嘌呤核苷酸合成

用同位素示踪试验，证实嘌呤核苷酸中各原子起源：

AMP

原料--→IMP

GMP

GTPATP核酸代谢医学宣教专家讲座第7页（二）嘧啶核苷酸合成

同位素示踪试验证实：嘧啶核苷酸元素起源：

从头合成――主要路径

原料：(Gln，CO2)

氨甲酰磷酸，Asp

方式：原料嘧啶环UMP

CMP

TMP核糖、PCO2，Gln组装核酸代谢医学宣教专家讲座第8页四、核酸生物合成

核酸是细胞基本成份，DNA是主要遗传物

质，是遗传物质载体。

DNA功效：

①贮存遗传信息。

②传递遗传信息（复制、转录、翻译）。

③接收遗传信息（经过反转录）。核酸代谢医学宣教专家讲座第9页1953年，F.Crick在总结DNA与RNA和蛋白质关系基础上，提出了分子生物学中心法则，、1957年修改：

核酸代谢医学宣教专家讲座第10页复制：以亲代DNA分子为模板合成新子代DNA分子

过程，新合成子代DNA分子与亲代DNA分

子完全一样。DNA→DNA

RNA也能够复制（病毒）RNA→RNA

转录：以DNA为模板，合成RNA过程。DNA→RNA

反转录：在反转录酶作用下，以RNA为模板合成DNA

过程。

翻译：以RNA为模板，依据RNA链上每三个核苷酸

（碱基）决定一个AA规则，合成出含有特定

AA次序蛋白质肽链过程。RNA→Pr核酸代谢医学宣教专家讲座第11页核酸代谢医学宣教专家讲座第12页DNA复制。

DNA生物合成方式DNA反转录合成。（病毒）

DNA损伤修复。

核酸代谢医学宣教专家讲座第13页（一）DNA生物合成

A．DNA复制1．参加DNA复制酶和蛋白质（原核生物）

（１）DNA聚合酶（DNApolymerase，DNApol）

DNA聚合酶：以DNA为模板、dNTP为底物催化合成DNA一类酶。

DNApolⅠ

原核生物有三种DNA聚合酶DNApolⅡ

DNApolⅢ核酸代谢医学宣教专家讲座第14页

DNA聚合酶作用条件：

◆

需模板：DNA

◆

需引物：具3´-OHDNAorRNA

◆

底物：４种dNTP

◆

需Mg2+，Mn2+

◆

使dNTP以3´，5´磷酸二酯键相连，按5´→3´方向

聚合成与模板互补DNA链。

核酸代谢医学宣教专家讲座第15页DNA聚合酶Ⅰ（DNApolⅠ）催化特点

DNApolⅠ是一个多功效酶

◆5´→3´聚合催化特征：

使dNTP按模板要求逐一加到含有3´-OH端

多核苷酸链上。

核酸代谢医学宣教专家讲座第16页

◆

3´→5´外切酶活性：从3´-OH端水解DNA。

出现与模板错配核苷酸时，DNApolⅠ先切去错

配碱基（核苷酸）然后再继续进行聚合。

功效：识别、消除错配碱基。对聚合起校正作用。核酸代谢医学宣教专家讲座第17页

◆

5´→3´外切酶活性：从5´端水解DNA链，

也可距5´端12个左右碱基处水解DNA链。

（只作用于双链DNA）。

功效：切除引物，切除变异损伤核苷酸—修复

作用。核酸代谢医学宣教专家讲座第18页原核生物有三种DNA聚合酶比较：

核酸代谢医学宣教专家讲座第19页（2）DNA连接酶（DNALigase）

双链DNA一条链上有切口，3´-OH与5´-P相邻；

不能连接两条游离单链。

（切口处两核苷酸必须相邻不能缺乏核苷酸。）

作用：在DNA不连续合成时起连接作用。

3′5′核酸代谢医学宣教专家讲座第20页（3）解链酶（Helicase解螺旋酶，复制蛋白——rep

蛋白）

作用：解开DNA双螺旋，使其成单链。

（4）旋转酶

作用：消除DNA超螺旋酶。核酸代谢医学宣教专家讲座第21页（5）引发酶

引发酶：催化RNA引物合成RNA聚合酶。

作用：合成引物

DNA聚合酶不能从头起始DNA合成，需要引物

（primer），只能在引物（3´-OH）端逐步加上

脱氧核苷酸，延长DNA链。

DNA合成引物有三种：RNA片段；

DNA片段；

tRNA片段。核酸代谢医学宣教专家讲座第22页

（6）单链结合蛋白

（Singlestrandbindingprotein——SSB蛋白）

作用：与单链DNA特异结合蛋白质。

◆

SSB与解开单股DNA结合，使两条单链不再形

成双链，保持单链区稳定。

◆

预防核酸酶降解DNA。

核酸代谢医学宣教专家讲座第23页2．复制方式和特点

(1)半保留复制:

Watson和Crick1953年提出，DNA两条链都能作为模板，分别合成出两条互补新链。核酸代谢医学宣教专家讲座第24页机制：DNA复制时，两条互补连解开；两条链都可做模板，然后在每条模板链上按碱基配正确标准形成互补新链，组成子代DNA分子。

新产生两子代DNA分子与亲代DNA分子完全相同，且子代DNA中一条链来自亲代，另一条链是新合成——半保留复制。

DNA半保留复制方式，确保了DNA在代谢上稳定性，从而确保了生物遗传稳定性和准确性。(稳定是相正确)。核酸代谢医学宣教专家讲座第25页（2）DNA半不连续复制：

问题提出？？？？：

DNA分子两条链都能做模板，几乎同时、齐头并进

合成为两条新互补链。

DNA模板两条链反向平行，一条5´→3´；

另一条3´→5´。

DNA聚合酶要求：模板方向3´→5´。

合成新链方向5´→3´。

怎样解释在同一个复制叉中两条新链合成是同时，齐

头并？

日本学者冈崎——DNA半不连续复制模型：核酸代谢医学宣教专家讲座第26页DNA半不连续复制模型：

◆DNA复制时两条亲代单链DNA都做为模板。

◆复制叉：DNA复制时，双螺旋局部解开，在复制区

形成Y形结构——复制叉；

伴随复制叉移动DNA双螺旋逐步解开。

核酸代谢医学宣教专家讲座第27页

◆

以复制叉移动方向为准；

3´→5´走向模板链，DNA新链合成方向5´→3´，与

复制叉方向一致，连续合成——前导链。

◆

5´→3´走向模板链，DNA新链合成方向也是5´→３´,

与复制叉移动方向相反，先照模板按5´→3´合成若

干短片断——冈崎片断，然后由连接酶将短片断

连接，成一条完整DNA链。不连续合成——滞后

链（后随链）。核酸代谢医学宣教专家讲座第28页结论：

DNA半不连续复制：一条新链连续合成；

另一条新链不连续合成。核酸代谢医学宣教专家讲座第29页

冈崎片断长度：原核生物1000-个Nt。

真核生物200个左右Nt。核酸代谢医学宣教专家讲座第30页3．DNA复制过程

合成起始；

DNA链延伸；

合成终止。

核酸代谢医学宣教专家讲座第31页3．DNA复制过程

（1）合成起始：

◆

引发酶识别、结合在模板DNA起始位点；

◆DNA双螺旋及超螺旋解开（边合成边解开）；

◆RNA引物合成。核酸代谢医学宣教专家讲座第32页（2）DNA链延伸

◆

在DNApolⅢ催化下，按照模板链3´→5´次序

在RNA引物3´-OH末端逐一按上对应核苷酸，

合成互补新链。

◆前导链合成方向5´→3´，连续合成。

◆滞后链合成方向5´→3´，不连续合成。核酸代谢医学宣教专家讲座第33页（3）合成终止

DNA复制合成终止包含：

①RNA引物切除和缺口填补。

经过DNApolⅠ5´→3´外切酶活性，或RNaseH

酶切除引物，然后由polⅠ5´→3´聚合活性补齐

缺口。

②DNA片段连接——DNA连接酶。核酸代谢医学宣教专家讲座第34页核酸代谢医学宣教专家讲座第35页核酸代谢医学宣教专家讲座第36页核酸代谢医学宣教专家讲座第37页B、DNA反（逆）转录合成——RNA指导DNA合成

反转录：在反转录酶作用下，以RNA为模板合成DNA

过程。

反转录发觉：

◆1964年Temin提出反转录假设。

◆1970年Temin和Batimore，同时分别从致癌RNA

病毒中发觉反转录酶。

以后在正常动物胚胎细胞也发觉反转录酶。

◆

反转录酶又称为：依赖RNADNA聚合酶

RNA指导DNA聚合酶核酸代谢医学宣教专家讲座第38页反转录条件：酶：反转录酶。

底物：4种dNTP为。

模板：病毒单链RNA为。

引物：宿主细胞tRNA。

核酸代谢医学宣教专家讲座第39页合成方式：

致癌DNA

整合到宿主DNA

病毒RNA

cDNA

（模板）mRNA

蛋白质（转化蛋白）

以病毒RNA为模板合成cDNA（complementaryDNA）经过复制合成致癌DNA，后者可整合到宿主DNA中，并随宿主细胞分裂而遗传下去，碰到适当条件便进行复制产生致癌DNA分子，引发癌变。

转录、翻译产生蛋白（转化蛋白、病毒蛋白）也引发癌变。反转录酶转录翻译复制核酸代谢医学宣教专家讲座第40页反转录酶含有三种酶活性：

①逆转录功效：利用病毒RNA为模板合成互补

cDNA，形成RNA-DNA杂合子。

②复制功效：以新合成（逆转录）cDNA为模板，

合成另一条DNA成DNA-DNA双链。

③RNaseH活性：水解RNA-DNA杂交分子中RNA。核酸代谢医学宣教专家讲座第41页核酸代谢医学宣教专家讲座第42页逆转录病毒生活史核酸代谢医学宣教专家讲座第43页C、DNA损伤与修复

（1）DNA损伤

DNA分子不是绝对稳定，可受各种原因作用而

改变或受破坏.

◆

生物原因：复制及基因重组过程出现差错而改变。

◆

物理原因：紫外线、电离辐射、X-射线等。

◆化学原因：烷化剂，氧化剂等化学诱变剂。核酸代谢医学宣教专家讲座第44页UV引发辐射损伤：形成嘧啶二聚体，C和C之间，

T和T之间形成共价键。核酸代谢医学宣教专家讲座第45页（2）DNA损伤修复

◆

光复活作用

利用光能，光复活酶催化下切除由紫外线照射引发

DNA嘧啶二聚体。

DNA复制、DNA转录时，到嘧啶二聚体处，复制、

转录均受阻。

修复过程：核酸代谢医学宣教专家讲座第46页◆

光复活酶能在暗处识别损伤DNA部位，并结合在受

损部位。

◆

可见光激活光复活酶，分解由UV照射而形成DNA中

嘧啶二聚体。

◆

光复活作用高度专一，只能修复UV照射引发DNA嘧

啶二聚体。

光复活酶只存在于低等单细胞(如微生物)→鸟类；

高等哺乳动物无此酶。

核酸代谢医学宣教专家讲座第47页2．切除修复——（复制前修复）

在几个酶作用下，将DNA分子中错配或受损部位切除，然后以完好链为模板合成出切除部位。

该机制普遍存在，作用于各种损伤。

三种：碱基切除修复：修复DNA中改变碱基。

核苷酸切除修复：修复DNA中巨大损伤。

碱基错配修复（前述）。核酸代谢医学宣教专家讲座第48页◆

碱基切除修复核酸代谢医学宣教专家讲座第49页◆

核苷酸切除修复：

过程：识别、切断→修复→切除→连接（原核生物）

核酸代谢医学宣教专家讲座第50页◆

识别及切断：UvrA，UvrB识别并结合在DNA损伤处，

UvrC（相当于核酸内切酶）在损伤处

靠近5´→3´一侧切断，产生切口。

◆

修复：以另一条完好单链为模板,由DNApolⅠ在切

口处修复合成，补齐缺口；方向5´→3´。

◆

切除：UvrC在受损伤部位3´一侧切断，去除受损

伤片段。

◆

连接：连接酶将新合成DNA片断与原链连接。

此修复发生在DNA复制前——复制前修复。核酸代谢医学宣教专家讲座第51页3．重组修复——（复制后修复）

先复制再修复：含有错误或损伤DNA仍可进行复制，但子代DNA链在对应于损伤部位出现缺口，经过分子间重组使缺口补齐。

核酸代谢医学宣教专家讲座第52页重组修复中，二聚体（或其它损伤）并未除去，第二轮复制时，留在母链中损伤仍会给复制造成困难，仍须以重组修复来填补。

伴随复制不停进行，若干代以后，损伤部分虽未从分子中除去，但损伤DNA链却逐步稀释，以至无碍DNA正常生理功效。

核酸代谢医学宣教专家讲座第53页（二）RNA合成

两种方式：转录（主要）：以DNA为模板合成RNA

复制：以RNA为模板合成RNA。

1．转录

转录：以DNA为模板合成RNA过程。

（1）转录基本特征

◆

底物：4种NTP。

◆

模板：DNA

◆

不需引物：合成RNA时第一个NTP普通是嘌呤核苷

酸，大多是G（80%）。核酸代谢医学宣教专家讲座第54页

◆

通常为不对称转录：

体内转录通常只以DNA分子双链一条链为模板；

体外转录失去链选择性。

作为模板链称——模板链，

反义链，

转录链。

核酸代谢医学宣教专家讲座第55页

不作为模板链称——编码链，

正义链，

非转录链，

信息链。

（或一些区域以这条链为模板转录，

另一些区域以另一条链为模板）核酸代谢医学宣教专家讲座第56页

◆

RNA聚合酶与DNA模板结合，沿DNA反义链

3´→5´方向移动。

转录方向：RNA链由5´→3´延伸。

◆

RNA聚合酶——依赖DNARNA聚合酶

以DNA为模板；

以四种核苷三磷酸（NTP）为底物；

在Mn2+或Mg2+参加下催化RNA合成。核酸代谢医学宣教专家讲座第57页

组成：（E.ColiRNA聚合酶）

全酶由5个亚基组成，有时含有ω链；

表示为：α2ββ´σ（ω）

关键酶：α2ββ´

起始因子：σ亚基。

核酸代谢医学宣教专家讲座第58页功效：

σ亚基：识别DNA模板上特殊转录起始信号，在

RNA合成中起发动作用；

关键酶：含有催化RNA聚合活性，但不能开启一条

新链合成。

ω链：功效不详。

◆

新链RNA与模板DNA链碱基配对：

dT-A，dG-C，

dC-G，dA-U。核酸代谢医学宣教专家讲座第59页（2）转录过程

四步：RNA聚合酶与模板DNA起始部位识别、结合；

转录起始；

RNA链延长；

RNA链合成终止。核酸代谢医学宣教专家讲座第60页

核酸代谢医学宣教专家讲座第61页◆

RNA聚合酶与模板识别与结合

RNA聚合酶首先识别DNA模板上特异起始部位

——开启子，并与之结合。

开启子（promoter）：

DNA上能被RNA聚合酶识别、结合，与转录起始有

关一段DNA序列。核酸代谢医