第十二章 核酸代谢合成与蛋白质的生物合成课件

湖北工业大学精品课程第十二章核酸代谢与核酸和蛋白质的生物合成

湖北工业大学生物工程学院食品工程系生物化学

湖北工业大学湖北工业大学生物化学

湖北工业大学1核酸是生物遗传的物质基础,蛋白质是生命活动的体现者.DNA子代DNA信使RNA蛋白质

复制转录翻译密码蛋白质生物合成依赖核酸的正常功能,核酸生物合成及基因表达的调节需要蛋白质参与（生物性状）（遗传信息）湖北工业大学核酸是生物遗传的物质基础,DNA子代DN2核酸的消化膳食核蛋白蛋白质蛋白质代谢

核酸DNA、RNA

胃酸单核苷酸磷酸核苷嘧啶核苷嘌呤核苷核糖或脱氧核糖嘧啶碱核糖或脱氧核糖嘌呤碱胰核酸酶胰、肠核苷酸酶嘌呤核苷酶嘧啶核苷酶HMP途径HMP途径湖北工业大学核酸的消化膳食核蛋白蛋白质3第一节核酸代谢一、核苷酸的代谢二、DNA的生物合成复制三、RNA的生物合成转录湖北工业大学第一节核酸代谢一、核苷酸的代谢湖北工业大4(一)核苷酸的生物合成1.部位:肝脏为主,小肠和胸腺其次.2.原料:天冬氨酸(Asp)、甘氨酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、一碳基团、5-磷酸核糖3.过程:嘌呤核糖核苷酸的合成湖北工业大学(一)核苷酸的生物合成1.部位:肝脏为主,小肠和胸腺其次.嘌5R-5-P1-焦磷酸-5-磷酸核糖

（PRPP）AMPATP酶次黄嘌呤核苷酸

（IMP）

AMP、GMP湖北工业大学R-5-P1-焦磷酸-5-磷酸核糖AMPATP次黄嘌呤核苷酸6第十二章核酸代谢合成与蛋白质的生物合成课件7第十二章核酸代谢合成与蛋白质的生物合成课件8天冬氨酸，Mg2+，GTP腺苷酸代琥珀酸合成酶延胡索酸腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸AMPIMPIMP脱氢酶NAD+H2ONADH+H+XMPGMP合成酶谷氨酰氨Mg2+,ATP谷氨酸GMP由IMP合成AMP及GMP湖北工业大学天冬氨酸，Mg2+，GTP腺苷酸代琥珀酸延胡索酸腺苷酸代琥珀9NMPNDPNTPATPADPATPADP激酶激酶（N：嘌呤或嘧啶碱基）湖北工业大学NMPNDP10AMP腺苷酸代琥珀酸IMPXMPGMP腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶NH3NADPHNH3NADP+AMP，GMP，IMP的相互转变湖北工业大学AMP腺苷酸代IMPXMPGMP腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶NH11嘌呤核苷酸的合成代谢补救合成途径（salvagepathway）概念：细胞利用现成的嘌呤碱基或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成途径。湖北工业大学嘌呤核苷酸的合成代谢补救合成途径（salvagepathw12反应：腺嘌呤＋PRPPAMP＋PPiAPRT次黄嘌呤＋PRPPIMP＋PPiHGPRT鸟嘌呤＋PRPPGMP＋PPiHGPRT腺嘌呤核苷AMP腺苷激酶ATPADP湖北工业大学反应：腺嘌呤＋PRPPAMP＋PPiAPRT次黄嘌呤13生理意义：

（1）节省能量与氨基酸消耗

（2）某些器官如脑、骨髓等，缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶体系，只能进行补救合成

湖北工业大学生理意义：

（1）节省能量与氨基酸消耗

（2）某些器官如脑14嘧啶核苷酸的合成1.部位：肝2.原料：天冬氨酸（Asp）、氨基甲酰磷酸（NH3+CO2）、5-磷酸核糖（R-5-P）3.过程：湖北工业大学嘧啶核苷酸的合成1.部位：肝2.原料：天冬氨酸（Asp）、315氨基甲酰磷酸天冬氨酸嘧啶碱（UMP）合成的元素来源=o=odR-5-P湖北工业大学氨基甲酰天冬氨酸嘧啶碱（UMP）合成的元素来源=o=odR-16湖北工业大学湖北工业大学17补救合成嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶＋PRPP嘧啶核苷酸＋PPi嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷UMP尿苷激酶ATPADP胸苷激酶——恶性肿瘤的指征脱氧胸苷TMP胸苷激酶ATPADP湖北工业大学补救合成嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶＋PRPP嘧啶核苷酸＋18UMPUDP、UTPATPCTP（氨基化GLn）

由UTP生成CTP的反应发生在三磷酸核苷的水平上。湖北工业大学UMPU19脱氧核糖核苷酸的合成体内脱氧核糖核苷酸由核糖核苷酸还原而成1.在NDP（核苷二磷酸）水平上：ADPdADPdATPGDPdGDPdGTPCDPdCDPdCTPH2H2OATPADP酶1酶2酶1：核糖核苷酸还原酶酶2：激酶湖北工业大学脱氧核糖核苷酸的合成体内脱氧核糖核苷酸由核糖核苷酸还原而成1202.dTTP的生成UDPdUDPdUMPdTMPdTDPdTTPdCMPH2H2OPi甲基化脱氨基（主要）N5，N10-甲烯四氢叶酸湖北工业大学2.dTTP的生成UDPdUDP21（二）核苷酸的分解代谢1.嘌呤核苷酸分解代谢嘌呤核苷酸嘌呤核苷核苷酸酶Pi嘌呤碱+磷酸核糖核苷磷酸化酶尿酸(终产物)HMP湖北工业大学（二）核苷酸的分解代谢1.嘌呤核苷酸分解代谢嘌呤核苷酸22

嘌呤核苷酸的分解代谢湖北工业大学嘌呤核苷酸的分解代谢湖北工23嘌呤核苷酸分解代谢特点:1、环打不破;2、最终产物:尿酸;3、嘌呤代谢障碍:痛风症血尿酸正常含量:149-416umol/L,溶解度低.嘌呤代谢障碍时,血尿酸浓度升高,尿酸盐结晶沉积于软组织、软骨及关节等处,而导致关节炎、尿路结石及肾脏疾病.湖北工业大学嘌呤核苷酸分解代谢特点:1、环打不破;血尿酸正常含量:149242、嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶核苷酸嘧啶碱+磷酸核糖胞嘧啶尿嘧啶终产物NH3、CO2、β-丙氨酸胸腺嘧啶

NH3、CO2、β-氨基丁酸终产物湖北工业大学2、嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶核苷酸嘧啶碱+磷酸25湖北工业大学湖北工业大学26嘧啶核苷酸分解代谢特点:1、环被打破;2、终产物:NH3、CO2.湖北工业大学嘧啶核苷酸分解代谢特点:1、环被打破;湖北工业27二、DNA的生物合成复制复制:以亲代DNA为模板,将亲代DNA上的遗传信息复制到子代DNA分子上的过程。亲代DNA子代DNA复制湖北工业大学二、DNA的生物合成复制复制:以亲代DNA为模板,将28转录:以DNA为模板合成与DNA某段核苷酸顺序相对应的RNA分子，将遗传信息传递到RNA分子中的过程。DNARNA转录湖北工业大学转录:以DNA为模板合成与DNA某段DNARNA转录湖北29翻译:以RNA中mRNA为模板,按照其核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程。mRNA蛋白质翻译各种信息各种蛋白质湖北工业大学翻译:以RNA中mRNA为模板,按照mRNA蛋白质翻译各种信30

转录翻译DNARNA蛋白质

mRNAtRNA

反转录rRNA

转录、翻译RNA（病毒）蛋白质（病毒）

中心法则遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).复制复制湖北工业大学中心法则遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译31(一)DNA的复制1、复制方式:半保留复制定义:以DNA分子中的每一条链为模板,通过碱基配对，合成两个新的DNA分子(子代DNA),每个新DNA分子的两条链中，其中一条链来自亲代DNA,另一条链是新合成的。湖北工业大学(一)DNA的复制1、复制方式:半保留复制定义:以DNA分子32DNA的半保留复制ATCGATCGTAGCTAGCATCGTAGCATCGTAGC湖北工业大学DNA的半保留复制AATTATAT湖北工业大332、DNA的复制过程(四步)基本条件:A、模板DNA(母链);B、原料:三磷酸脱氧核苷(dNTP)

dATP、dGTP、dCTP、dTTP;C、参与DNA复制的酶:

DNA指导的DNA聚合酶、引物酶、连接酶、解链酶等.湖北工业大学2、DNA的复制过程(四步)基本条件:A、模板DNA(母链)34(1)DNA复制的起始及RNA引物的生成解旋酶、旋转酶DNA结合蛋白DNA双链

复制叉起始位点引物酶NTPRNA引物(5′3′-OH)(5-100个核苷酸)合成辨认湖北工业大学(1)DNA复制的起始及RNA引物的生成解旋酶、旋转酶DNA35DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA连接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶复制叉移动方向

5′3′3′5′3′5′湖北工业大学DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合36(2)DNA片段的生成DNA双链5′3′5′3′DNA聚合酶(5′3′)连续合成不连续合成冈崎片段完整DNA双链连接湖北工业大学(2)DNA片段的生成DNA双链5′3′5′3′DNA聚合酶37DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA连接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶复制叉移动方向

5′3′3′5′3′5′湖北工业大学DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合38(3)RNA引物的水解RNA引物

DNA核酸酶DNADNA聚合酶延长湖北工业大学(3)RNA引物的水解RNA引物39(4)完整DNA分子的形成DNA连接酶DNADNADNA湖北工业大学(4)完整DNA分子的形成DNA连接酶DNADNADNA湖40DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA连接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶复制叉移动方向

5′3′3′5′3′5′湖北工业大学DNA复制过程模式图DNA旋转酶ATPADP+PiDNA结合41某些病毒以RNA为模板,合成DNA的过程,称为逆转录.催化上述反应的酶称为逆转录酶,又称RNA指导的DNA聚合酶.该酶存在于所有致瘤RNA病毒中,其功能可能与被病毒感染的细胞的恶性转化有关.(二)逆转录过程湖北工业大学某些病毒以RNA为模板,合催化上述反应的酶称为逆转录酶,又称42

RNARNA-DNA双链DNA逆转录酶逆转录酶复制或表达插入宿主细胞DNA中

病毒蛋白mRNA

转录（病毒）（杂交体）翻译(DNA破坏)(细胞癌变)湖北工业大学RNARNA-DNA43三、RNA的生物合成转录定义:以DNA为模板合成与DNA某段核苷酸顺序相对应的RNA分子，将遗传信息传递到RNA分子中的过程。DNARNA转录原料:四种NTP(ATPGTPCTPUTP)湖北工业大学三、RNA的生物合成转录定义:以DNA为模板合44遗传信息:即DNA片段中的核苷酸排列顺序.RNA的生物合成转录分类:mRNAtRNArRNA特点:以DNA双链中的一条链的某个片段为模板.有意义链:有指导转录作用的一条DNA链.反意义链:无转录功能的一条DNA链.湖北工业大学遗传信息:即DNA片段中的核苷酸排列顺序.RNA的生物合成45RNA的转录过程(三步)1.起始DNA特殊位点启动子RNA聚合酶结合DNA解旋形成第一个磷酸二酯键湖北工业大学RNA的转录过程(三步)1.起始DNA特殊位点启动子RNA聚46TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意义链有意义链RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′湖北工业大学TCGAGTACAGCTCATG472.延长催化酶:RNA聚合酶酶移动方向:沿DNA模板5′

3′方向RNA合成方向:3′5′原则:在有意义链上碱基互补配对湖北工业大学2.延长催化酶:RNA聚合酶酶移动方向:沿DNA模板RNA合48TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意义链有意义链RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′湖北工业大学TCGAGTACAGCTCATG493.终止DNA终止转录信号RNA聚合酶识别转录终止RNA聚合酶及新RNA链脱落转录完成湖北工业大学3.终止DNA终止转录信号RNA聚合酶识别转录终止RNA聚合50TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意义链有意义链RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′起终湖北工业大学TCGAGTACAGCTCATG51哺乳动物细胞中,RNA聚合酶和DNA主要分布在细胞核内,因而RNA主要在细胞核内合成.转录合成的RNA是rRNA、tRNA、mRNA的前体,还需经过加工修饰后才具有生物学功能.湖北工业大学哺乳动物细胞中,RNA聚合酶和湖北工业52翻译:以RNA中mRNA为模板,按照其核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程.mRNA蛋白质翻译各种信息各种蛋白质（核苷酸排列顺序）（氨基酸排列顺序）第二节蛋白质的生物合成湖北工业大学翻译:以RNA中mRNA为模板,按照其mRNA蛋白质翻译53原料：20种氨基酸条件：mRNA、tRNA、rRNAATP、GTP等供能物质无机离子、有关的酶、蛋白因子等。湖北工业大学原料：20种氨基酸条件：mRNA、tRNA、rRNA湖北54RNA在蛋白质的生物合成中的作用湖北工业大学RNA在蛋白质的湖北工业大学55(一)mRNA

是带有DNA遗传信息指导蛋白质合成的直接模板.以mRNA为模板,合成一定结构的多肽链的过程(翻译),就是将mRNA分子中的核苷酸排列顺序转变成蛋白质分子中的氨基酸排列顺序.湖北工业大学(一)mRNA是带有DNA遗传信息指导蛋白质合湖56氨基酸密码mRNA分子中,每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表某种氨基酸或其它信息,称为密码子或三联密码.湖北工业大学氨基酸密码mRNA分子中,每三个相邻的核湖北57四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子.其中:1.一个起始密码:AUG

位于mRNA的5′-末端,并兼作蛋氨酸的密码.2.三个终止密码:UAAUGAUAG位于mRNA的3′-末端3.多数氨基酸拥有2-4个密码.湖北工业大学四种核苷酸编成三联体可形成1.一个起始密码:AUG258遗传密码的特点:1.连续性；2.简并性；3.通用性；4.摆动性。

摆动性(wobblehypothesis)：mRNA密码子的前两位碱基和tRNA的反密码严格配对。而密码第三位碱基与反密码第一位碱基不严格遵守配对规则，称为密码配对的摆动性。即密码的第一、第二碱基是必需严格按标准配对(A-U、G-C)，而第三碱基则不然，它的配对不如此严格，可以有一定程度的摆动灵活性，但也不是可以任意组合，只限于表中所列举的配对。tRNA反密码子第一个碱基IUCAGmRNA密码子第三个碱基U,C,AA,GGUU,C密码子、反密码子配对的摆动现象湖北工业大学遗传密码的特点:1.连续性；2.简并性；tRNA反密码子第一59(二)tRNA

tRNA是氨基酸的转运工具,能携带活化的氨基酸到核蛋白体.tRNA有特异性,至少有20种以上.每种tRNA的反密码环顶端均有由三个核苷酸组成的反密码,能与mRNA上相应的密码互补结合(碱基互补配对).湖北工业大学(二)tRNAtRNA是氨基酸的转运工具,能60酪5′5′3′AUGGUUUACACA酪氨酰-tRNA反密码mRNA密码与反密码的碱基配对湖北工业大学酪5′5′3′AUGGUUUACACA酪氨酰-tR61(三)rRNArRNA与蛋白质组成核蛋白体,是蛋白质合成的场所.由大小两个亚基组成:小亚基:与mRNA结合,沿5′3′方向移动.大亚基:受位(A位):结合氨基酰-tRNA给位(P位):成肽湖北工业大学(三)rRNArRNA与蛋白质组成核蛋白体,小亚62AUGACA5′蛋苏UGUGUU3′受位(A位)给位(P位)大亚基小亚基湖北工业大学AUGACA5′蛋苏UGUGUU3′受位给位大亚基小亚63蛋白质生物合成过程1、准备阶段：

氨基酸的活化与转运。2、中心环节：

核蛋白体循环-活化氨基酸在核蛋白体上的缩合组装。湖北工业大学蛋白质生物合成过程1、准备阶段：2、中心环节：湖北工64氨基酸的活化与转运1、反应式：AA+tRNA+ATP氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi2、AA结合位置：AA的α-羧基与tRNA活末端腺苷酸中核糖2′-或3′-羟基以酯键相结合。

tRNA-CCA-OH（R-3′-OH）湖北工业大学氨基酸的活化与转运1、反应式：AA+tRNA+A65核蛋白体循环（三阶段）1、起始阶段2、延伸阶段3、终止阶段湖北工业大学核蛋白体循环（三阶段）1、起始阶段湖北工业大66肽链合成的起始阶段1.mRNA与小亚基结合2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合3.大小亚基结合湖北工业大学肽链合成的起始阶段1.mRNA与小亚基结合湖北工67AUGACA5’3’AUGACA5’3’UACUACAUGACA5’3’小亚基mRNA蛋氨酰tRNAGTP大亚基GDP+Pi受位给位蛋蛋肽链合成的起始阶段湖北工业大学AUGACA5’3’AUGACA5’3’UACUACAU68肽链合成的延伸阶段1.进位:氨基酰-tRNA进入受位;2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位与受位结合;3.移位:核蛋白体向3′-端移动一个密码子的位置,空出受位,不断地进位、转肽、移位,使肽链延长.湖北工业大学肽链合成的延伸阶段1.进位:氨基酰-tRNA进入受位;湖69AUGACA5’3’UAC蛋苏UGUAUGACA5’UAC蛋苏UGUGUUAUGACA5’UAC蛋苏UGUGUUAUGACA5’蛋苏UGUGUU3’3’3’GTPGDP+PiGDP+PiGTP起始复合体进位转肽移位Mg+K+湖北工业大学AUGACA5’3’UAC蛋苏UGUAUGACA5’UA70肽链合成的终止阶段1.出现终止密码并与终止因子结合;2.肽键水解,多肽释放;3.tRNA,mRNA,大小亚基解离.湖北工业大学肽链合成的终止阶段1.出现终止密码并与终止因子结合;湖北71AUGUAA5’UACAUGUAA5’UAC3’3’终终AUGUAA5’UAC3’终5’3’UAC终肽链湖北工业大学AUGUAA5’UACAUGUAA5’UAC3’3’终终72多核蛋白体循环多个核蛋白体在一条mRNA链上,间隔一定距离,从5′-端向3′-端移动,同时合成多条肽链.合成后的多肽链必须经加工、修饰才能成为具有特定生物学活性的蛋白质.湖北工业大学多核蛋白体循环多个核蛋白体在一条mRNA链上,湖73三、蛋白质合成的调节（一）转录水平的调节（二）翻译水平的调节湖北工业大学三、蛋白质合成的调节（一）转录水平的调节湖北工业74基因操纵子调节系统示意图

调节基因

启动基因操纵基因结构基因

DNA

转录

（）

RNA聚合酶（+）转录

翻译

mRNA