第13章核酸和核苷酸代谢.ppt

1,第13章 核酸和核苷酸代谢,教学目的：1.了解核苷酸分解过程的概况。2.掌握嘌呤核苷酸生物合成的特点。3.熟悉遗传密码的基本特性。4.掌握DNA聚合酶的反应特点。5.熟悉DNA半保留式复制的意义。教学重点：1.核苷酸生物合成的特点 2.DNA聚合酶的反应特点。,2,核酸的基本单位是核苷酸。遗传信息的复制、转录和翻译都与核酸代谢有关，核酸代谢与核苷酸代谢密切关联。核苷酸几乎参与细胞中的所有生化过程。核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成的前体。ATP是生物能量代谢中的通用载体，GTP是推动重要生物过程的能量供体。核苷酸衍生物是许多生物合成反应的活性中间物。腺苷酸是三种重要辅酶(烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A)的组分。cAMP和cGMP作为细胞内第二信使，调节细胞功能和基因表达。,3,一 核酸和核苷酸的分解代谢,动物和异养型微生物可分泌消化酶类来分解食物或体外的核蛋白或核酸类物质，以获得各种核苷酸。,4,核酸是由许多核苷酸以3,5磷酸二酯键连接而成的大分子化合物。核酸分解代谢的第一步是水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核苷酸。磷酸二酯酶(核酸酶)可催化这一解聚作用。水解RNA的酶称核糖核酸酶，水解DNA的酶称脱氧核糖核酸酶。能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶称核酸内切酶，从核酸链的一端逐步水解下核苷酸的酶称外切酶。细胞内的核酸都不是恒定不变的，细胞内的各种核酸酶参与了核酸的代谢。,1 核酸的解聚作用,5,2 核苷酸的降解,核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷酸单酯酶只能水解3核苷酸或5核苷酸。核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。,6,3 嘌呤碱的分解,不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为CO2和NH3。腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为CO2和NH3。,7,4 嘧啶碱的分解,胞嘧啶先脱氨转变为尿嘧啶，尿嘧啶经还原、开环水解，最后生成NH3、CO2和-丙氨酸。-丙氨酸经转氨作用脱去氨基后参加有机酸代谢。胸腺嘧啶经还原、开环水解生成NH3、CO2和-氨基异丁酸，后者脱去氨基后参加有机酸代谢。,8,二 核苷酸的合成,1 嘌呤核糖核苷酸的合成,生物利用CO2、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸等简单前体物质作为合成嘌呤环的前体。,9,合成过程是在5-磷酸核糖基础上进行的。组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的C1上去的，先合成咪唑环，再合成骈嘧啶环。随着嘌呤环的生成，5-核苷酸应运而生。第一个被合成的核苷酸是IMP。AMP、GMP是由IMP转化生成的。,嘌呤核苷酸生物合成的特点：,10,生物利用现有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的过程称为半合成途径。,11,2 嘧啶核糖核苷酸的合成,嘧啶环是以天冬氨酸、谷酰胺、CO2为前体物质合成的。,12,3 脱氧核糖核苷酸的合成,脱氧核苷酸的合成不是从脱氧核糖起始的，而是先合成相应的核苷酸后，再通过还原作用使其中的核糖脱氧转变成为脱氧核苷酸。催化此还原反应的酶体系包括核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶及FAD、NADP等因子。,13,硫氧还蛋白还原酶,硫氧还蛋白-(SH)2(还原型),硫氧还蛋白-S2(氧化型),核糖核苷酸还原酶(B1和B2),核糖核苷二磷酸,脱氧核糖核苷二磷酸+H2O,脱氧核糖核苷酸的形成,14,三 遗传信息,1 DNA是遗传信息的携带分子,1)细胞含有恒定量的DNA2)DNA是细菌的转化因子3)病毒是游离的遗传因子4)基因是DNA的一段序列5)DNA重组技术促进了生物学的发展,15,2 RNA使遗传信息得以表达,1)RNA参与蛋白质的合成2)RNA进行信息加工3)RNA干扰4)RNA的表型效应5)RNA对基因的解读,16,3 遗传密码的破译,mRNA是指导蛋白质合成的直接模板，是由四种核苷酸组成的。如果由两个碱基决定一个氨基酸在肽链中的位置，则只有16组二联体，不能满足20种氨基酸编码的需要；如果每三个碱基编码一个氨基酸，可组合成64组三联体，能满足20种氨基酸编码的需求。应用生物化学和遗传学实验证明：三个碱基编码一个氨基酸，称为三联体密码或密码子。从1961年开始，用64个已知密码，找出了与之对应的氨基酸。1966-1967年，破译全部遗传密码。,17,遗 传 密 码 字 典,18,4 遗传密码的基本特性,1)密码的基本单位2)密码的简并性3)密码的变偶性4)密码的通用性 5)密码的防错系统,19,四 DNA的复制和修复,1 DNA的半保留复制,DNA复制时,两条链碱基对之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。于是亲代DNA分子变为核苷酸排列序列完全相同的两个子代DNA分子。每个子代DNA分子的一条链来自亲代DNA，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。1958年，MeselsonStahl利用氮的同位素15N标记实验首先证实了DNA半保留复制。,20,DNA半保留复制的实验证明,21,2 DNA的复制起点和复制方式,DNA复制是一个受到严格控制的过程，复制是从DNA上定点起始的。大肠杆菌染色体DNA复制起始区为含回纹序列GATC多达11次的一段约245bp的特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结构，为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体DNA较小，一般只有一个复制起点。真核DNA的复制起点没有顺序特异性，是从复制酶与DNA容易接触的部位起始的，即两核小体之间的连接部位。真核DNA有多个复制起始点。,22,DNA复制时，从复制点开始，两条链解开，已解开的两条链与未解开的双链间形成叉子样的结构，称为复制叉。DNA复制在复制叉中进行。若从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反两个方向延伸，称为双向复制。若从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向延伸，则称为单向复制。对称复制指两条链同时进行复制，若一条链先复制，待一条链复制完成另一条链才开始复制，则称为不对称复制。,23,24,3 DNA聚合酶,1)原核生物DNA聚合酶,1956年Kornberg等从大肠杆菌提取液中首先发现了DNA聚合酶I。1969年和1970年，Delucia和Cairns从大肠杆菌分离得到DNA聚合酶和DNA聚合酶。DNA聚合酶和是在1999年才被发现，他们涉及DNA的易错修复。,25,大肠杆菌三种DNA聚合酶的性质比较,26,2)真核生物DNA聚合酶,哺乳动物的DNA聚合酶,27,DNA聚合酶的反应特点是：以四种脱氧核苷三磷酸作底物;反应需要模板的指导，模板方向35;反应需要引物3-OH存在;DNA新链的生长方向为53;产物DNA的性质与模板相同。,28,4 DNA连接酶,DNA聚合酶只能催化DNA链的延伸，不能使两条DNA链端部相互以磷酸酯键连接起来，也不能使单链DNA环化闭合。1967年，几个实验室同时发现了DNA连接酶，该酶可使双链DNA中一条断开的相邻核苷酸间(断口的一端为3-OH，另一端是5-磷酸基)形成3,5-磷酸二酯键，但不能使游离的两条链直接连接起来。连接反应需要能量，在动物和噬菌体由ATP提供，在细菌由NAD提供。此外，参与DNA复制过程的酶还有转轴酶、旋转酶、解链酶、引发酶、单链结合蛋白等。,29,5 DNA的复制过程,DNA复制是一个受到严格控制的过程,复制是从DNA上定点起始的。大肠杆菌染色体DNA复制起始区为含回纹序列GATC多达11次的一段约245bp的特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结构,为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体DNA较小，一般只有一个复制起点。真核DNA的复制起点没有顺序特异性，是从复制酶与DNA容易接触的部位起始的，即两核小体之间的连接部位。真核DNA有多个复制起始点。,30,1)模板DNA的解链和解旋,DNA复制时，解链酶与复制起始区结合，利用ATP提供能量，使双链解开，形成复制叉。在复制叉中DNA聚合酶以单链为模板合成新链。随着解链和合成的不断进行，使复制叉前面的螺旋进一步扭紧，产生正超螺旋张力，而使解链难以继续进行。拓补异构酶能切断双链中的一条，断端绕螺旋转动，释放解链造成的正超螺旋张力。超螺旋解除后封闭断口。拓补异构酶能切断双链，并向DNA分子中引入负超螺旋，以消除解链产生的正超螺旋张力。,31,2)不连续复制,DNA是两条反向平行的链，DNA聚合酶要求模板和方向是35。在DNA复制时，35走向的模板链的新链以53方向连续合成，称先导链。53走向的模板链的新链也是53方向合成，与复制叉移动的方向相反，随着复制叉的移动，合成出许多不连续的片段(称冈崎片段)，最后连接成一条完整的DNA链，称滞后链。原核生物中冈崎片段的长度为10002000个核苷酸；真核生物中的约200个核苷酸，相当于一个核小体DNA的长度。,32,3)引物合成,DNA聚合酶都只能从引物的3-OH末端延伸DNA链，而不能从头合成。引物是由特定的RNA聚合酶(引发酶)合成的RNA片段，长度约几个到十几个核苷酸。每个合成起始点都需要引物。,4)合成终止,DNA聚合酶以其53外切酶活性将RNA引物切除，留下的空缺由该酶从下一个冈崎片段的3-OH端开始，按模板延伸DNA链将缺口补齐，再由DNA连接酶将邻近冈崎片段连接起来，成为一个完整的新链。,33,DNA复制过程可分为8个步骤：(1)解链蛋白将DNA双链解开。(2)引发酶结合于打开的DNA单链上，合成RNA引物。(3)解旋酶在复制叉前面特定位点解旋，以释放张力。(4)DNA聚合酶按碱基互补原则从引物3-OH端延伸DNA链。(5)DNA链延伸致下一个引物时，DNA聚合酶脱离。(6)DNA聚合酶从53方向切除引物和合成新DNA链。(7)冈崎片段之间由DNA连接酶连接成新链。(8)新合成的子链与模板链形成新的DNA双螺旋链。,34,35,1)光修复,6 DNA损伤的修复,36,2)切除修复,37,3)重组修复,38,五 RNA的生物合成,1 RNA聚合酶的类型,原核细胞大肠杆菌中只分离到一种RNA聚合酶，能催化细胞中三种RNA的合成。真核细胞中分离得到多种RNA聚合酶：RNA聚合酶、，分别催化rRNA、mRNA、5SrRNA和tRNA的合成。线粒体和叶绿体中的RNA聚合酶各自催化线粒体和叶绿体中的RNA转录合成。,39,大肠杆菌RNA聚合酶，相对分子量40万50万，含有2、五个亚基。无亚基的酶称为核心酶。亚基的功能是帮助核心酶识别转录起始位点，核心酶的功能是催化聚合反应。无亚基的核心酶只能使正在合成的RNA链延长，但不具有起始合成RNA的能力。,2 RNA聚合酶的结构,40,3 RNA聚合酶催化聚合反应的特点,要求模板方向是35。不需要引物，可从头起始合成。新链延伸方向是53。底物是四种核苷三磷酸。反应需要Mg2+或Mn2+。,41,1)转录起始,RNA转录从DNA模板上特定部位开始。从转录起点开始到上游约 35 40 bp 的一段富AT区，称之为启动子。启动子包括亚基的识别部位、RNA聚合酶紧密结合部位和转录起点三个部分。紧密结合部位是位于转录起点前10位的一段TATAATG保守区，称为TAT盒。,4 RNA的转录过程,42,转录起始过程为：RNA聚合酶的因子识别启动子特殊碱基顺序，导致RNA聚合酶全酶与启动子特定部位紧密结合，并局部打开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起始点部位，与模板配对结合，转录从此开始。,43,模板上转录起始点第1位碱基一般是嘧啶，RNA新链5-端第1个掺入的核苷酸则为嘌呤，当与模板碱基互补的第2个核苷三磷酸的5-磷酸基与第1个核苷酸的3-OH形成3,5-磷酸二酯键，并释放焦磷酸则开始了RNA链的延伸。随着RNA聚合酶沿模板35方向移动，DNA双链不断解开，新生RNA链就不断延伸。,2)延伸,44,当新生链延长到1020核苷酸后亚基从全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。新生的RNA链与模板DNA链形成的RNA-DNA杂交双链不稳定，核心酶移动后留下的两条单链DNA有更强的复性能力，从而取代杂交链中的RNA链，双链DNA模板恢复原样，新的RNA链游离出来。,45,3)转录终止,转录在特定位点终止，DNA模板上有终止信号，称终止子。所有原核生物的终止子在终止位点前均有一个二重对称序列，之后有一个富含AT序列跟随。由于终止子结构不同，终止有两种不同的机制：一种是不需终止蛋白因子帮助的终止，一种是需要因子帮助的终止。不需因子帮助的终止，其终止子的二重对称结构中富含G、C，之后有寡聚A序列。需因子帮助的终止，其终止子的二重对称结构中不富含G、C，之后无寡聚A序列。,46,47,5 RNA的复制合成,某些RNA病毒，其遗传物质是RNA，其RNA的合成是通过RNA的复制的方式来完成的。噬菌体Qb中RNA占30%，蛋白质占70%。其RNA是4500个核苷酸组成的一条单链分子，具有mRNA功能(正链)，可编码成熟蛋白、外壳蛋白和复制酶的b亚基其RNA的复制是依赖 RNA 复制酶。RNA复制酶对模板有高度专一性，只识别自身RNA，对宿主细胞和其他病毒RNA均无反应。,48,核酸降解产生的核苷酸可被核苷酸酶降解，产生核苷和磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶的作用下生成碱基和1-磷酸戊糖，核苷也可在核苷酸酶的作用下生成碱基和戊糖。腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为NH3和CO2。生物利用CO2、甲酸盐、谷酰胺、甘氨酸、天冬氨酸等简单前体物质合成嘌呤核苷酸。,提 要,49,嘌呤核苷酸生物合成的特点为：,合成过程是在5-磷酸核糖基础上进行的。组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的C1上去的,先合成咪唑环,再合成骈嘧啶环。随着嘌呤环的生成,5-核苷酸应运而生。第一个被合成的核苷酸是IMP。AMP、GMP是由IMP转化生成的。,遗传密码的基本特性：,1)密码的基本单位 2)密码的简并性3)密码的变偶性 4)密码的通用性5)密码的防错系统,50,DNA半保留复制：DNA复制时，两条链碱基对之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。于是亲代DNA分子变为核苷酸排列序列完全相同的两个子代DNA分子。每个子代 DNA分子的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。参与DNA复制过程的酶有：DNA聚合酶、DNA连接酶、转轴酶、旋转酶、解链酶、引发酶、单链结合蛋白等。,51,DNA聚合酶的反应特点是：以四种脱氧核苷三磷酸作底物;反应需要模板的指导，模板方向35;反应需要引物3-OH存在;DNA新链的生长方向为53;产物DNA的性质与模板相同。DNA复制的起点:原核DNA复制是从定点起始的，一般只有一个复制起点。真核DNA的复制是从复制酶与DNA容易接触的部位起始的，是有多个复制起始点。,52,DNA复制从复制点开始，双链解开，在解开的双条链与未解开的双链间形成叉状结构，称为复制叉。如从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反两个方向延伸，称为双向复制；若从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向延伸，称为单向复制。对称复制指两条链同时进行复制；若一条链先复制，待一条链复制完成另一条链才开始复制，称为不对称复制。,53,DNA复制时，35走向模板链的新链以53方向连续合成，称为先导链；53走向模板链的新链与复制叉移动的方向相反，随着复制叉的移动，合成出许多不连续的片段(称冈崎片段)，最后连接成一条完整的DNA链，称为滞后链。原核细胞大肠杆菌中只分离到一种RNA聚合酶，能催化细胞中3种RNA的合成。真核细胞中分离得到多种RNA聚合酶：RNA聚合酶、，分别催化rRNA、mRNA、5SrRNA和tRNA的合成。,54,作 业,1.生物体合成嘌呤环的前体物质是什么？2.生物体合成嘧啶环的前体物质是什么？3.简述DNA半保留复制。,