第九章 核酸代谢课件

第九章核酸代谢第一节核酸的降解一、核酸的酶促降解：核酸内切酶核酸外切酶二、嘌呤和嘧啶的分解(一)嘌呤的分解嘌呤分解的最终产物（与酶有关）人---------尿酸第九章核酸代谢第一节核酸的降解1(二)、嘧啶的分解代谢(二)、嘧啶的分解代谢2是是3第二节核苷酸的生物合成从头合成途径补救途径：利用核酸降解的碱基和核苷合成第二节核苷酸的生物合成从头合成途径4一、从头合成途径1、嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤环中各原子的来历一、从头合成途径1、嘌呤核糖核苷酸的合成5嘌呤核糖核苷酸的合成特点以核糖-5-磷酸为起始物，在1’碳原子上逐步增加原子数目，形成次黄苷酸（IMP），再分别转变为AMP和GMP并不是先合成嘌呤环嘌呤核糖核苷酸的合成特点以核糖-5-磷酸为起始物，在1’碳原6AMP和GMP的合成AMP和GMP的合成72、嘧啶核糖核苷酸的合成

嘧啶环中各原子的来历2、嘧啶核糖核苷酸的合成

8嘧啶核糖核苷酸的合成特点先形成嘧啶环-------含嘧啶的乳清酸，再与核糖磷酸结合，形成UMPUMP-----UDP-----UTP-----CTP-----CDP------CMP嘧啶核糖核苷酸的合成特点先形成嘧啶环-------含嘧啶的乳9先合成乳清酸先合成乳清酸10UTP和CTP的合成UTP和CTP的合成113.脱氧核糖核苷酸的合成dAMP，dTMP，dCMP，dGMP可以通过-MP还原生成AMP，CMP，GMP-------dAMP，dCMP，dGMPUMP-----dUMP--------dTMP还原通常发生在核苷二磷酸水平上3.脱氧核糖核苷酸的合成dAMP，dTMP，dCMP，dG12第三节核酸的生物合成一、生物学中心法则生物的各种性状由核酸决定，性状遗传依赖于DNA的复制。

性状的表达要通过蛋白质的活动才能实现。第三节核酸的生物合成一、生物学中心法则13中心法则生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。中心法则生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转14二、DNA的生物合成复制逆转录二、DNA的生物合成复制15一）复制

DNA能准确地自我复制复制的特点：1、半保留性在双螺旋结构学说上提出1958年，Meselson和Stahl使用密度梯度离心法，结合同位素实验得到证实.一）复制

DNA能准确地自我复制复制16第九章核酸代谢课件17在其它细菌、病毒、动植物细胞中也证实了半保留复制学说的正确性。DNA在代谢上的稳定性，与其遗传功能一致。保证了物种的稳定性。在其它细菌、病毒、动植物细胞中也证实了半保留复制学说的正确性182、半不连续性反向平行细胞内催化DNA聚合的酶都只能催化5‘→3’延伸。以复制叉移动的方向为基准，一条模板链是3'→5'，以此为模板而进行的新生DNA链的合成沿5'→3'方向连续进行，这条链称为前导链。另一条模板链的方向为5'→3'，以此为模板的DNA合成也是沿5'→3'方向进行，但与复制叉前进的方向相反，而且是分段、不连续合成的，这条链称为滞后链，合成的片段即为冈崎片段。后由DNA连接酶连成完整的DNA链。前导链的连续复制和滞后链的不连续复制2、半不连续性反向平行19第九章核酸代谢课件20冈崎片段日本学者冈崎发现大肠杆菌：1000----2000bp真核生物：100----200bp一旦合成终止，这些片段就成一条链。实验证实冈崎片段日本学者冈崎发现21大肠杆菌[3H]dT短时间标记-----密度梯度离心分离标记DNA片段。结果：短时间内有较短的带标记DNA片段，随时间延长出现较大的带标记片段。温度敏感的突变型菌株（DNA连接酶在20°C时有活力，44°C失活）：在44°C下，有大量小片段的标记DNA积累。说明：DNA复制时，首先有较短的DNA片段，然后有连接酶连成大分子DNA。大肠杆菌[3H]dT短时间标记-----密度梯度离心分离标记223、DNA合成以RNA为引物DNA聚合酶不能发动新链的合成，只能催化已有链的延长反应，而RNA聚合酶只要有DNA模板及核糖核苷三磷酸，即可以合成新的RNA链。DNA合成需要引物，而RNA不需要引物。并且DNA复制时的引物是一个RNA片段。利福平能抑制RNA聚合酶的发动作用，即能影响RNA的合成，发现对DNA的合成也有抑制作用。3、DNA合成以RNA为引物DNA聚合酶不能发动新链的合成，23引物酶与模板上复制的起始部位结合，以DNA为模板合成小段RNA（原核生物50-100个bp，真核10个bp）引物酶不同于转录过程中的RNA聚合酶，它不仅能催化引物合成，而且与打开复制的起始部位有关。引物酶与模板上复制的起始部位结合，以DNA为模板合成小段RN24二）复制起点和复制子从DNA分子上特定位置开始复制。这个特定的位置就称为复制起点，用ori表示。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。原核生物中，每个DNA分子上有一个复制子;而在真核生物中，每个DNA分子有许多个复制子，每个复制子长约50-200kb。真核细胞DNA的复制是由许多个复制子共同完成的。二）复制起点和复制子从DNA分子上特定位置开始25复制可以是单向或双向

复制起点

ori复制起点

ori

复制可以是单向或双向

复制起点ori26第九章核酸代谢课件27第九章核酸代谢课件28三）与DNA复制有关的主要酶1、DNA聚合酶最早在大肠杆菌中发现，以后陆续在其他原核生物及微生物中找到。共同性质是:①以(dNTP)为前体催化合成DNA;②需要模板和引物的存在;③不能起始合成新的DNA链;④催化dNTP加到生长中的DNA链的3'-OH末端;⑤催化DNA合成的方向是5'→3'。三）与DNA复制有关的主要酶1、DNA聚合酶29原核生物的DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ，II，III功能：①聚合作用:在引物RNA或正在合成的DNA3'-OH末端，以dNTP为底物，按模板DNA上的指令逐个将核苷酸加上去。聚合酶能辨别进入的底物核苷酸与模板核苷酸之间能否形成碱基配对，非配对碱基不能进行聚合反应。-----聚合酶的选择作用。聚合酶III最强，I次之，II最弱。37°C每分子DNA聚合酶III每分钟聚合的核苷数数目为5000，聚合酶I为1000，聚合酶II为50原核生物的DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ，II，III30②3‘→5’外切酶活性──校对作用:从3'→5'方向识别和切除不配对的DNA生长链末端的核苷酸。

对DNA复制真实性（提高102-103倍）的维持是十分重要的。

大肠杆菌中，每复制109-1010个核苷酸便要出现一个误差。②3‘→5’外切酶活性──校对作用:从3'→5'方向识别31③5'→3'外切酶活性──水解除去RNA引物和切除修复作用。

在DNA损伤的修复中起着重要作用。对冈崎片段5'末端DNA引物的去除依赖此种外切酶活性。

DNA聚合酶II无5'→3'外切酶活性。③5'→3'外切酶活性──水解除去RNA引物和切除修复作32真核生物的DNA聚合酶：主要的酶是DNA聚合酶α、β、γ一般真核生物DNA聚合酶无3'→5'

或5'→3'外切酶活性。因此，可能存在其他校正机制以保证DNA复制的准确性。真核生物的DNA聚合酶：主要的酶是DNA聚合酶α、β、γ332、DNA连接酶1967年在三个实验室同时发现的。是一种封闭DNA链上缺口酶，借助ATP或NAD+水解提供的能量催化DNA链的5’-磷酸基与另一DNA链的3’-OH生成磷酸二酯键。两条链必须与同一条互补链配对结合，而且必须紧邻的。在DNA复制、修复和重组中起着重要的作用，连接酶有缺陷的突变株不能进行DNA复制、修复和重组。2、DNA连接酶1967年在三个实验室同时发现的。34DNA复制过程1）解链蛋白和解旋蛋白使DNA双链解开2）合成RNA引物3）合成冈崎片段4）去除引物5）连接DNA复制过程1）解链蛋白和解旋蛋白使DNA双链解开35二）逆转录70年代H.Temin，D.Baltimore某些RNA病毒能产生逆转录酶逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶作用下以四种脱氧核糖核苷三磷酸为底物合成DNA。遗传信息由RNADNA二）逆转录70年代H.Temin，D.Baltimore36逆转录过程以RNA为模板，合成RNA引物，逆转录酶催化底物从引物的3’-OH端逐一聚合，合成互补的RNA-DNA杂合子以杂合子中DNA为模板，合成另一条DNA链，同时杂合子中RNA被水除去.形成双链DNA，整合到宿主染色体DNA中逆转录过程以RNA为模板，合成RNA引物，逆转录酶催化底物从37逆转录酶（Zn2+）1、以RNA为模板催化DNA合成（RNA指导的DNA聚合酶）2、水解杂化链上的RNA（核糖核酸H外切酶）3、用DNA为模板催化DNA合成（DNA指导的DNA聚合酶）逆转录酶（Zn2+）1、以RNA为模板催化DNA合成（RNA38致癌蛋白逆转录酶作用致逆转录酶作用39逆转录存在于所有致癌的RNA病毒中，与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。鸡白血病病毒：RNA病毒，致癌，鸡HIV（人类免疫缺陷病毒）劳氏肉瘤病毒逆转录存在于所有致癌的RNA病毒中，与RNA病毒引起细胞恶性40逆转录发现的意义改变了原来的生物学中心法则治疗肿瘤：逆转录酶的专一性抑制剂制备合成基因（cDNA）RNA序列分析逆转录发现的意义改变了原来的生物学中心法则41三）DNA的损伤与修复DNA存储着遗传信息，维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之所在。在细胞中能进行修复的生物大分子只有DNA，反映了DNA对生命的重要性。

遗传与变异

三）DNA的损伤与修复DNA存储着遗传信息，维421、DNA损伤的原因①DNA分子的自发性损伤A.DNA复制中的错误B.DNA的自发性化学变化

a.碱基的异构互变（烯醇式酮式）b.碱基的脱氨基作用c.碱基修饰如果细胞不具备高效率的修复系统，生物的突变率将大大提高。1、DNA损伤的原因①DNA分子的自发性损伤43②物理因素引起的DNA损伤

电离辐射（X、射线）、紫外线（UV）辐射紫外线引起的DNA损伤：当DNA受到最易被其吸收波长（～260nm）的紫外线照射时，同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体:Cyt-ThyCyt-CytThy-Thy其中最容易形成的是Thy-Thy二聚体。

②物理因素引起的DNA损伤电离辐射（X、射线）、紫外线（44第九章核酸代谢课件45③化学因素引起的DNA损伤A、烷化剂对DNA的损伤：烷化剂（氮芥、硫芥等）是极强的化学诱变剂。

a.碱基烷基化。甲基鸟嘌呤----胸腺嘧啶烷基化后的嘌呤与脱氧核糖结合的糖苷键不稳定，嘌呤容易脱落。

b.同一条链或两条不同链上的鸟嘌呤连成二聚体。

③化学因素引起的DNA损伤A、烷化剂对DNA的损伤：46B、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤

如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。

结构与正常的碱基相似，进入细胞能替代正常的碱基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成.

B、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤如5-溴尿嘧啶（5-B47例如：5-溴尿嘧啶(5-BU)结构与Thy十分相近，在酮式结构时与Ade配对，却又更容易成为烯醇式结构与Gua配对，在DNA复制时导致A-T转换为G-C。GuaAde5-BU5-BU例如：5-溴尿嘧啶(5-BU)结构与Thy十分相近，在酮式48一些人工合成或环境中存在的化学物质能专一修饰DNA链上的碱基或通过影响DNA复制而改变碱基序列.一些人工合成或环境中存在的化学物质能专一修饰DNA链上的碱基492、DNA损伤对生物可能产生的后果①致死性②丧失某些功能；③改变基因型而不改变表现型；④发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。2、DNA损伤对生物可能产生的后果①致死性503、修复方式：

1）光复活

光复活酶：能特异性识别紫外线造成的DNA嘧啶二聚体，并与其结合（这步反应不需要光）------------可见光（400nm最有效）照射，酶被激活，二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。从低等单细胞生物一直到鸟类均有光复活酶，但高等的哺乳动物没有。3、修复方式：1）光复活51光复活修复光复活修复522）切除修复普遍存在于各种生物细胞中，对多种DNA损伤能起修复作用，也是人体细胞主要的DNA修复机制。在一系列酶作用下，将DNA分子中受损部分切除，并以完整的一条链为模板，合成切除部分，使DNA恢复正常结构。2）切除修复普遍存在于各种生物细胞中，53切除修复过程①特异的核酸内切酶识别DNA的损伤位点，5’侧切开。②5’

3’核酸外切酶将有损伤的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按5’—3’方向DNA链，填补已切除的空隙。④DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来。切除修复过程①特异的核酸内切酶识别DNA的损伤位点，5’侧切54切除修复切553）重组修复在某些情况下没有互补链可以直接利用。例如在DNA复制进行时发生DNA损伤，此时DNA两条链已经分开，如何修复？3）重组修复在某些情况下没有互补链可以直接利用。56当DNA发动复制时，尚未修复的损伤部位可以先复制再修复。

复制时复制酶系在损伤部位无法通过碱基配对合成子代DNA，跳过损伤部位，在下一个冈崎片段的起始位置或前导链的相应位置重新合成引物和DNA链子代DNA在损伤相对应处留下一段缺口重组修复当DNA发动复制时，尚未修复的损伤部位复制时复57受损的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。完整的另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，母链DNA出现缺口。以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。受损的DNA链复制时，完整的另一条母链DNA以另一条子链DN58重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA段落仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA段落仍然594）SOS修复（诱导修复，应急反应）SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式。修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生存率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复,使细胞有较高的突变率。

4）SOS修复（诱导修复，应急反应）SOS修复是指DNA受到60SOS修复带给细胞很高的突变率当DNA两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组修复，这时在核酸内切酶、外切酶的作用下造成损伤处的DNA链空缺，再由损伤诱导产生的一整套的特殊DNA聚合酶──SOS修复酶类，催化空缺部位DNA的合成，这时补上去的核苷酸几乎是随机的，虽然终于保持了DNA双链的完整性，使细胞得以生存，但SOS修复带给细胞很高的突变率。SOS修复带给细胞很高的突变率当DNA两条链的61目前对真核细胞的DNA修复的反应类型、参与修复的酶类和修复机制了解还不多，但DNA损伤修复与细胞突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、某些毒物的作用都有密切的关系。人类遗传性疾病已发现4000多种，其中不少与DNA修复缺陷有关，这些DNA修复缺陷的细胞表现出对辐射和致癌剂的敏感性增加。目前对真核细胞的DNA修复的反应类型、参与修复的酶类和修62着色性干皮病是第一个发现的DNA修复缺陷性遗传病（缺少紫外线特异性核酸内切酶），患者皮肤和眼睛对太阳光特别是紫外线十分敏感，身体暴光部位的皮肤干燥脱屑、色素沉着、容易发生溃疡、皮肤癌发病率高，常伴有神经系统障碍，智力低下等，病人的细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低。着色性干皮病是第一个发现的DNA修复缺陷性遗传病（缺少63第四节RNA的生物合成转录：DNA转录复制：RNA复制第四节RNA的生物合成转录：DNA转录64一、转录----DNA指导下RNA合成模板：DNA原料：四种核糖核苷三磷酸酶：DNA指导下的RNA聚合酶（2）引物：不需要RNA的合成方向：5’3’一、转录----DNA指导下RNA合成模板：DNA65DNA指导下的RNA聚合酶（2)DNA指导下的RNA聚合酶（2)661、起始阶段启动子：聚合酶首先与DNA模板的特定部位结合，此特定部位叫启动子。启动子序列特点：富含AT，该区域的Tm值较低，双链易解开。RNA聚合酶（2）中，因子本身并无催化功能，它的作用是识别DNA分子上的启动子，从而使转录能正确启动。1、起始阶段启动子：聚合酶首先与DNA模板的特定部位结合，此67因子识别启动子因子识别启动子682、延伸阶段延长反应由核心酶（2）催化进行转录开始后，不再需要因子，从聚合酶上释放下来。可以与另一核心酶结合，开始另外的启动。核心酶（2）在DNA分子上以一定速度滑动，同时以DNA中的一条链为模板，合成互补的RNA链，从而使遗传信息从DNARNA。在延伸时，RNA链的合成方向为5’3’2、延伸阶段延长反应由核心酶（2）催化进行69DNA双链解开，新合成的RNA链与模板DNA链杂交，RNA-DNA杂交链易分开，随RNA的不断延长，RNA-DNA不断分开，DNA又恢复双螺旋构象DNA双链解开，新合成的RNA链与模板DNA链杂交，RNA-703、终止阶段DNA上的一个信号顺序--终止子核心酶或蛋白因子------

因子（与RNA聚合酶核心酶结合在一起）能识别终止子，此时转录停止RNA链、RNA聚合酶、

因子从DNA上释放，同时原有的两条DNA链又重新形成双螺旋构象。3、终止阶段DNA上的一个信号顺序--终止子71DNA转录与DNA复制的区别模板，原料，酶，引物转录时两条链都是必需的，但只以其中的一条链为模板合成RNA；DNA复制时两条链都是有意义的，都作为模板合成DNA；复制时以全部染色体DNA为模板产生相同的子代DNA分子，转录时并不是全部DNA都必须转录，基因的转录有选择性，根据需要有的基因开放，有的关闭。不同基因转录时的模板DNA并不一定是同一条链不同基因的转录方向不同：有的向左，有的向右，取决于启动子和RNA聚合酶结合的方向DNA转录与DNA复制的区别模板，原料，酶，引物72

RNA的合成一定要非常精确。然而不像DNA那样，转录作用并没有校正机制。但