第13章-信息分子代谢

第十三章信息分子代谢

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）第一节DNA的生物合成生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）一、DNA的半保留复制复制：以亲代DNA分子为模板指导合成相同的子代DNA分子的过程。Meselson等用氮的同位素进行了试验证明了DNA复制为半保留复制机理半保留复制：DNA复制时以亲代DNA两条链为模板指导合成与其互补的DNA链，这样在子代DNA中，一条链来于亲代DNA，另一条链是新合成的。DNA的这种复制方式称为半保留复制生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）DNA半保留复制生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）15N/15N用含15N氯化铵连续培养许多代半保留复制试验14N/15N用含14N培养基培养1代14N/14N14N/15N用含14N培养基培养1代生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）二、参与DNA复制的主要酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）1.DNA聚合酶催化反应的要点：

底物：四种dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）

模板：DNA链

聚合方式：按照碱基配对原则，将相应dNTP的5′磷酸与上一个核苷酸的3′羟基形成3′－5′磷酸二酯键，即合成方向为5′→3′，与模板链反平行。

条件：聚合反应必须有引物存在。dNTP+核苷酸链nPPi+核苷酸链n+1

DNA聚合酶PPi+H2O2Pi焦磷酸酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）DNA聚合酶催化机理生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（1）大肠杆菌DNA聚合酶：共有三种，为DNA聚合酶I、II、IIIIIIIII亚基数1≥4≥10M.W10300088000830000聚合作用√√√连续聚合作用小较小很大聚合速度(N/s)16～2040250～10005′－3′外切酶√×√3′－5′外切酶√√√功能复制中去除引物填补缺口参与损伤修复可能参与损伤修复DNA复制的主要酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）2.引物酶

引物酶本身无活性，只有与另外6种蛋白质结合为引发体才可催化引物的合成。（2）真核生物DNA聚合酶：共有四种，为DNA聚合酶a、b、g、dabgd功能复制的主要酶，与后随链合成有关DNA损伤修复线粒体DNA的复制复制的主要酶，与先导链合成有关生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）引物酶的功能：可以从无到有地以DNA为模板，催化合成一小段与DNA互补的RNA即引物（10个核苷酸左右）。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）3.DNA连接酶

功能：将复制过程中形成的DNA片段用3′－5′磷酸二酯键连接起来。酶酶（部分细菌）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）4.DNA解螺旋酶（解链酶）利用ATP供应能量，水解碱基间氢键，从而打开DNA双螺旋的双链5.单链结合蛋白（SSB）可与由解链酶解开的单链结合功能：防止单链再次形成双链，防止核酸酶水解多核苷酸链，保护DNA。可以重复使用，即当所结合的单链进行复制时，它就发生解离，而与新解开的单链结合。5′3′5′3′5′3′5′5′3′生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）6.DNA拓扑异构酶通过催化DNA拓扑结构的变化，减少由于解链形成的张力和合成的子代DNA形成双螺旋。7.其它因子解链双螺旋存在张力DNA拓扑异构酶II张力解除生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复制起点1.起始

DNA分子上有特定的起始位点。在一些因子的作用下，DNA部分解链，形成了一个“复制眼”三、

大肠杆菌DNA的复制过程生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）

复制的起点和方向生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复制叉模型DNA分子中正在复制的部位，称为复制叉。它是由两股解开的亲代链和在其上新合成的子链、酶、因子组成。引物体引物酶因子解螺旋酶SSB(单链结合蛋白)5ˊ5ˊ3ˊ3ˊ复制叉移动方向DNA聚合酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）DNA5ˊDNA3ˊ3ˊ5ˊ—A-T-G-G-C-A-A-A-T——T-A-C-C-G-T-T-T-A—RNA5ˊDNA3ˊ3ˊ5ˊ—A-T-G-C-C-A-G-A-T——U-A-C-G-G-U-C-U-A—5ˊ5ˊ3ˊ3ˊ5′3′5′5′3′3′5′3′5′5′3′ATPGTPUTPCTPPPidATPdGTPdTTPdCTPPPiDNA聚合酶2.延长生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）5′3′5′5′3′5′3′5′5′3′生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）5′5′3′3′3′5′5′3′5′5′3′3′3′5′3′生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）5′3′5′5′3′5′3′3′5′5′3′3′3′5′5′3′3′5′生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）5′3′3′3′5′5′3′5′冈崎片段（Okazakifragment）原核生物1000—2000个核苷酸复制机理：半不连续复制生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）ATTGCUG…TAACGA…C……

…

…AAUUGCUG…TAACGA…C……

…

…AUUGCUG…TAACGA…C……

…

…ATUGCUG…TAACGA…C……

…

…AdTTPUdTTPUAUUGCUG…TAACGA…C……

…

…dATPdGTPGCUGdCTPdTTPdGTPDNA聚合酶I生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）ATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATP或NADAMP或NMN连接酶ATTGCTG…TAACGA…C……

…

…A生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）DD′C′CB′BA5′3′5′3′3′5′3′5′连续链不连续链先导链后随链(滞后链)DNA复制机理生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）3′5′3′5′DNA聚合酶I5′3′3′5′连接酶SSB引物体DNA聚合酶III解螺旋酶DNA复制系统DNA拓扑异构酶IDNA拓扑异构酶II生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）3.终止

DNA复制无特定终止位点，复制链到达前面已复制成的片段则自动终止生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）

DNA复制的三个阶段生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）四、原核与真核细胞DNA复制的特点

1.原核细胞DNA复制的特点：单个起点，多数为双向复制，少数为单向复制2.真核细胞DNA复制的特点：真核细胞DNA复制与原核细胞DNA复制系统及过程基本相同，不同之处在于：（1）多个起点（2）均为双向复制生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（3）酶系统：①DNA聚合酶不同，原核细胞两条链是同一种聚合酶催化，真核细胞中是不同聚合酶催化。②去除引物、填补缺口的酶不同，原核细胞中是DNA聚合酶I，真核细胞相应的酶还未找到。③因子不同生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）五、DNA的损伤修复生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）1.概念

以RNA为模板合成DNA的过程2.反转录酶存在于真核生物的RNA肿瘤病毒中。催化特性：①以四种dNTP为底物，需模板和引物。②以病毒RNA为模板，合成互补DNA。③具有核糖核酸酶功能，水解RNA—DNA杂合分子中的RNA。④以自己合成的DNA链为模板合成互补的DNA，从而形成双螺旋分子。催化过程：DNARNA六、

反转录（逆转录）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）一、转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

转录RNADNA

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）第二节RNA的生物合成生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）DNA指导下的RNA合成转录：DNA指导下的RNA合成。在细胞核中进行。启动子（promoter）:DNA上控制转录起始的一段特殊序列终止子（terminator）:DNA上控制转录终止的区域.转录单位：从起始到终止的转录区。一RNA合成反应：（1）由DNA指导下的RNA合成酶催化。（2）反应需要：4种核糖三核苷酸、DNA模板、Mg2+等二价阳离子。（3）RNA链的延伸方向：5'3'（4）合成的RNA链与DNA模板互补（5）合成反应可逆，由PPi水解推动。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）RNA合成反应与DNA复制的差别：（1）RNA合成反应不需要引物（2）DNA双链中通常只有一条链可以用于转录，或者两条链中各取部分区域转录。模板链、负链、反义链（antisensestrand)：用于转录的链（指导mRNA合成）编码链(codingstrand)、正链、有意义链：与mRNA序列相同的链（与模板链互补）（3）RNA转录时，只需要局部解开DNA双链，形成转录泡（transcriptionbubble）；合成的RNA链游离存在。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）二RNA转录：（一）细菌RNA聚合酶与转录：大肠杆菌RNA聚合酶全酶：(

2’)核心酶（coreenzyme）：(

2’)亚基

RNA聚合酶亚基功能：

酶的装配；与启动子上游元件和活化因子结合

借疏水作用结合于DNA上；催化核苷酸聚合，形成磷酸二酯键催化反应中心

’为碱性蛋白，借静电力与酸性DNA模板结合,2Zn2+

引导核心酶识别启动子并与其稳定结合,促进转录起始

未知生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）

原

核

生

物

的

转

录

过

程终止因子37ºC，20~40nt/秒生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）三转录的起始、终止与调节控制：（一）转录的起始与启动子（promoter）1.转录时DNA上核苷酸编号：

按照与转录RNA序列相同的一条链（编码链）编号，方向为由5’3’。上游（负数码）——起点Nt（+1）——下游（正数码）2.启动子:是控制转录起始的一段（或多个）特殊DNA序列，位于编码序列上游，自身不被转录。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）3.细菌启动子中特征保守序列：

①-10序列（Pribnowbox）：起点上游-5~-9bp处：-TATAAT-是开链处，该序列决定起始时DNA双链解开的速度。②-35序列：起点上游约-35bp处：-TTGACA-缺少-35序列的启动子，转录速度几乎为零。③上游元件(upelement)：-40~-60,可提高转录活性30倍生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（二）转录终止与终止子（terminator)：原核终止子之前都有一段回文结构，使产物RNA形成发夹状茎环。1）不依赖的终止子是原核生物的主要终止方式2）依赖的终止子广泛存在于噬菌体中，少见于细菌转录产物RNA自发形成茎环1.两类原核生物终止子作用机制：

蛋白：核苷水解酶+DNA-RNA

解螺旋酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复制和转录的区别

第三节蛋白质的生物合成

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）遗传密码一遗传密码的破译：蛋白质生物合成：翻译（translation）RNA蛋白质遗传信息以三联体、非重叠、无标点方式编码用人工合成的mRNA在无细胞蛋白质合成系统中找到三联体密码与核酸序列之间的对应关系例如：polyUPhe；polyGGly1966年破译全部64个三联体密码子：AUG——起始密码子兼Met；fMet（甲酰Met）UAA、UAG、UGA——终止密码子

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）遗传密码表5’UCAG3’UPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr赭石终止密码琥珀终止密码CysCys乳白终止密码TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAG生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）二遗传密码的基本特性：1.密码子是5’-P,3’–OH:pApUpG2.密码是无标点符号的：阅读需要正确的读码框架（readingframe）,从5’

3’，基本单位为三联体。3.遗传密码一般不重叠（噬菌体Q，R17除外）4.遗传密码具有简并性（degeneracy）：一种氨基酸有两个或更多密码子（同义密码）的现象。生物学意义：使所有64个密码子都有意义减少有害突变的几率

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）5.密码的变偶性（摆动性，wobble）：密码的前两位碱基通常固定，第三位碱基专一性较小。变偶性实现：tRNA反密码子特定的配对关系。tRNA反密码子首位密码子第三位

AUCGGU，CUA，GIU、A、C变偶性的存在，使细胞内只需要32种tRNA，就可识别61个编码20种氨基酸的密码子反密码子:3’-UAC-5’

密码子:5’-AUG-3’生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）6.密码的通用性和变异性：

密码基本上是通用的。只有真核生物的线粒体DNA（mtDNA），及少数生物（如：支原体、少数纤毛类原生动物等）的细胞基因组密码有所变异。如终止密码UGA

Trp；AUA

Met；终止密码:（AGA，AGG）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）7.密码子碱基顺序与氨基酸理化性质相关：例如：密码的第二位碱基决定氨基酸的极性：中间碱基是U：编码非极性、疏水和支链氨基酸C：编码非极性或极性不带电荷A或G：编码亲水氨基酸中间碱基是A或G且第一位是A或C：碱性氨基酸前两位是AG：酸性氨基酸密码的编排具有防错功能。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）蛋白质合成一蛋白质合成的分子基础：（一）mRNA是蛋白质合成的模板：转录在细胞核内进行信使—mRNA蛋白质合成在细胞质中进行mRNA的核酸序列决定氨基酸的序列生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（二）tRNA负责氨基酸的搬运：1.tRNA有两个活性部位：（1）氨基酸结合位（3’-OH）（2）mRNA结合位（反密码环）每种氨基酸至少由一种tRNA搬运反密码子的首位（5’

3’），摆动性。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）2.tRNA从功能上分为：起始tRNA：负责起始氨基酸的负载延伸tRNA：肽链内部氨基酸的负载校正tRNA分子：突变与回复突变（reversemutation）Gln：5’-CAG-3’

UAG（终止密码子）

无义突变

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（三）核糖体是蛋白合成的场所：蛋白质是在核糖体中合成的核糖体的构成成分：核糖体来源亚基rRNA（Mr）蛋白原核细胞30S70S

50S16S（5.5105)5S（0.4105)23S（110105)21个34个真核细胞40S80S60S18S（

70105)5S（0.4105)2829S(140180105)5.8S（哺乳类）30个50个生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）核糖体的结构:70S核糖体：13.52040nmA位点:氨酰基位点P位点:肽酰基位点E位点：空载tRNA位点小亚基：结合mRNA多核糖体:一个mRNA同时结合多个核糖体。30S生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）核糖体的空间结构:核糖体顶面观核糖体侧面观生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）二蛋白质合成——翻译过程mRNA上信息的阅读（翻译）方向：5’3’

蛋白质合成的方向：N-端C-端证明：无细胞体系中（含3H标记的Leu）血红蛋白合成实验。蛋白质合成是极其复杂的过程，约有上百种蛋白和30多种RNA分子参与。

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（一）氨基酸活化

—氨酰-tRNA的合成：氨基酸+ATP+tRNA

氨酰-tRNA合成酶

氨酰-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，保证氨基酸正确配位。CC生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）氨基酸一但与tRNA结合，其命运就被决定。通常一种氨基酸只被一种氨酰-tRNA合成酶作用，后者可识别一个或多个相应的tRNA。由于密码子的变偶性，只要32种tRNA就可以识别全部61个密码子酶识别tRNA位点，可包括或不包括反密码环。氨酰-tRNA合成酶的校正部位：