核酸代謝與蛋白質生物合成

導言俗語說“種瓜得瓜，種豆得豆”，其中蘊含著在生物界中普遍存在的遺傳規(guī)律；而“世界上沒有完全相同的兩片葉子”卻又預示了遺傳現象的復雜性和可變性。對于生物體而言，貯存遺傳信息的物質就是核酸，它是記載生物體的演變、種屬特征及一切生命活動規(guī)律的圖書館。本章書除了闡述核苷酸的基本代謝外，還將從復制、轉錄及翻譯等幾個方面分別闡述與遺傳信息傳遞有關的重要理論知識。第1頁/共78頁第1節(jié)核酸代謝一、核苷酸的合成代謝途徑：從頭合成、補救合成。第2頁/共78頁1.從頭合成途徑：是指細胞利用一碳單位、磷酸核糖和氨基酸等基本原料，經過一系列復雜的酶促反應，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的過程。2.補救合成途徑：是指細胞利用已有的嘌呤堿或嘧啶堿以及它們的核苷形式，經過簡單的酶促反應，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的過程。第3頁/共78頁（一）嘌呤核苷酸的合成1.嘌呤核苷酸的從頭合成嘌呤環(huán)的元素來源第4頁/共78頁第5頁/共78頁IMP腺苷酸代琥珀酸AMP腺苷酸代琥珀酸合成酶AspMg2+GTP裂解酶延胡索酸IMP腺苷酸代琥珀酸GMPIMP脫氫酶NAD+

H2OGMP合成酶NADH+GlnMg2+

ATPGluIMP分別轉變?yōu)锳MP和GMP第6頁/共78頁2.嘌呤核苷酸的補救合成腺嘌呤+PRPPAPRTAMP+PPi次黃嘌呤+PRPP

HGPRTIMP+PPi鳥嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi腺嘌呤核苷+ATP激酶AMP+ADP第7頁/共78頁（二）嘧啶核苷酸的合成1.嘧啶核苷酸的從頭合成嘧啶環(huán)的元素來源第8頁/共78頁第9頁/共78頁UMP分別轉變?yōu)镃TP和TMPUMPCTPUDPUTPCTP合成酶UMPUDPdUDPdUMPTMPTMP合成酶N5，N10－CH2－FH4FH2Gln第10頁/共78頁2.嘧啶核苷酸的補救合成嘧啶堿+PRPP嘧啶磷酸核糖轉移酶磷酸嘧啶核苷+PPi第11頁/共78頁（三）脫氧核苷酸的合成嘌呤和嘧啶脫氧核苷酸合成是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上進行的，反應式如下：核糖核苷酸還原酶NDPdNDPNADPHNADP++H2O第12頁/共78頁（四）核苷酸抗代謝物及應用核苷酸抗代謝物是指與核苷酸合成過程的中間產物結構相似的一些類似物。如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、葉酸等。通過競爭性抑制或以假亂真的方式，干擾和阻斷核苷酸的合成。第13頁/共78頁抗代謝物相似物作用6－巰基嘌呤次黃嘌呤抑制IMP轉變?yōu)锳MP和GMP氮雜絲氨酸谷氨酰胺抑制嘌呤核酸的合成氨蝶呤甲氨蝶呤葉酸阻斷二氫葉酸及四氫葉酸的生成→影響一碳單位的代謝嘌呤核苷酸抗代謝物第14頁/共78頁抗代謝物相似物作用5－氟尿嘧啶胸腺嘧啶阻斷嘧啶核苷酸的合成氮雜絲氨酸谷氨酰胺抑制CTP的合成氨蝶呤甲氨蝶呤葉酸干擾一碳單位的代謝，影響嘧啶核苷酸合成嘧啶核苷酸抗代謝物第15頁/共78頁二、核苷酸的分解代謝（一）嘌呤核苷酸的分解代謝嘌呤核苷酸在體內代謝的終產物是尿酸。（二）嘧啶核苷酸的分解代謝1.胞嘧啶→尿嘧啶→

β－丙氨酸、NH3和CO22.胸腺嘧啶→

β－氨基異丁酸、NH3和CO2第16頁/共78頁遺傳信息傳遞中心法則第17頁/共78頁三、DNA的生物合成DNA的生物合成包括DNA復制、逆轉錄及DNA的損傷與修復。（一）DNA復制DNA復制是指以親代單鏈DNA為模板，合成子代DNA的過程。第18頁/共78頁DNA復制的方式：半保留復制子代DNA分子中，一條鏈來自親代，另一條鏈是新合成的。親代DNA子代DNA復制來自親代DNA新合成鏈第19頁/共78頁1.復制的模板：親代單鏈DNA為模板方向：為3′→5′2.復制的原料：dNTP（N為A、G、C、T）。第20頁/共78頁3.參與復制的酶和蛋白質因子（1）DNA聚合酶作用：以單鏈DNA為模板，以dNTP作為原料，按堿基配對原則，催化DNA新鏈的合成。第21頁/共78頁原核生物三種DNA聚合酶及其作用DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5′→3′聚合作用有有有3′→5′核酸外切酶活性有有有5′→3′核酸外切酶活性有無無功能校讀損傷后修復目前尚不完全清楚復制過程中的主要催化酶第22頁/共78頁真核生物DNA聚合酶：有α、β、γ、δ和ε等五種。第23頁/共78頁酶作用拓撲異構酶松解、理順DNA超螺旋。解螺旋酶解開DNA雙鏈之間的氫鍵，形成單鏈DNA模板。引物酶以單鏈DNA為模板，合成RNA引物，以提供3′－OH。DNA連接酶DNA復制終止階段，催化DNA分子上的片段缺口之間形成磷酸二酯鍵。參與DNA復制的其它酶及作用第24頁/共78頁單鏈DNA結合蛋白：單鏈DNA結合蛋白（SSB）能結合在DNA單鏈上，具有保護和穩(wěn)定DNA模板單鏈的作用。一方面：解開的單鏈DNA會被水解；另一方面：解開的單鏈DNA很容易再次聚合形成雙螺旋形式。第25頁/共78頁DNA復制過程起始階段延長階段終止階段第26頁/共78頁起始階段

拓撲異構酶參與松解DNA超螺旋，在復制的整個過程中都發(fā)揮作用。解螺旋酶：解開DNA雙鏈間的氫鍵，形成單鏈DNA模板。SSB：維持、保護單鏈DNA模板。引物酶：催化合成RNA引物。第27頁/共78頁延長階段模板鏈合成鏈DNA－polⅢ催化模板方向：3′→5′合成的方向：5′→3′堿基配對：A＝T、G≡C第28頁/共78頁前導鏈與隨從鏈AGCTTAGCAAGCCATCGGA3′5′5′3′CGGTAGCCT5′RNA引物TCGAA領頭鏈5′3′3′隨從鏈解鏈方向第29頁/共78頁岡崎片段：在隨從鏈的合成之前，先合成的一些不連續(xù)的DNA短片段。DNA復制的特點：半保留復制、半不連續(xù)復制。第30頁/共78頁終止階段引物合成鏈引物RNA水解DNA-polⅠ催化填補空隙DNA連接酶連接缺口前導鏈隨從鏈第31頁/共78頁逆轉錄1.概念：以RNA為模板，合成DNA鏈的過程。2.逆轉錄酶：為多功能酶，作用如下：RNA逆轉錄dNTPcDNA水解RNA催化合成DNA互補鏈dNTP雙鏈DNA第32頁/共78頁DNA的損傷與修復1.概念：DNA損傷又稱突變，是DNA分子結構改變從而導致遺傳信息的改變。2.類型：錯配、缺失、插入、重排、框移等。3.修復機制（1）光修復：光修復酶使嘧啶二聚體分解（2）重組修復：由DNA－polⅠ、DNA連接及多種蛋白因子共同參與，切除DNA分子中損傷的片段，再以另一條完整鏈作為模板進行修復。第33頁/共78頁損傷區(qū)段DNA蛋白質因子辨認、結合及切除損傷區(qū)段。DNA－polⅠ以dNTP為原料，填補空隙。DNA連接酶催化重組修復基本過程第34頁/共78頁四、RNA的生物合成（一）概念：以單鏈DNA為模板，合成RNA的過程。（二）原料：NTP（N代表A、G、C、U四種堿基）。（三）特點：不對稱轉錄。第35頁/共78頁不對稱轉錄：*只以DNA單鏈的某一區(qū)段作為模板進行轉錄。*模板鏈不是永遠都在同一條DNA單鏈上。5′3′3′5′模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈編碼鏈DNA第36頁/共78頁RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶：α2ββ′σ

（全酶）α2ββ′（核心酶）：在RNA合成過程中起催化作用。σ：辨認識別轉錄起始點。ααβ

β

′ααβ

β

′σ核心酶全酶第37頁/共78頁真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ：催化轉錄生成45S－rRNA。RNA聚合酶Ⅱ：催化轉錄生成hnRNA（不均一核RNA，是mRNA的前體）。RNA聚合酶Ⅲ：催化轉錄生成5S－rRNA、tRNA和snRNA（小核RNA）。下面以原核生物轉錄過程進行說明。

第38頁/共78頁轉錄起始RNA聚合酶σ亞基識別和辯認模板DNA鏈上的特異序列。啟動子：RNA聚合酶辨認結合的DNA序列稱為。RNA轉錄不需合成引物，是轉錄與復制的重要區(qū)別之一。RNA聚合酶催化形成第一個磷酸二酯鍵。（通常加入的第一個核苷酸為GTP，并保留三磷酸形式。）第39頁/共78頁轉錄起始*啟動子：RNA聚合酶辨認結合的DNA序列。*RNA聚合酶催化形成第一個磷酸二酯鍵。*通常加入的第一個核苷酸為GTP，并保留三磷酸形式。DNA3′

5′

TTGACATATAAT

－35－10+1RNA聚合酶辨認、結合轉錄區(qū)GTP啟動子第40頁/共78頁轉錄延長σ亞基即脫落，核心酶（α2ββ′）催化RNA鏈的延長。模板鏈的方向：3′→5′合成的RNA鏈方向：5′→3′。堿基配對關系：A＝T、A＝U、G≡C第41頁/共78頁轉錄過程中的“轉錄泡”第42頁/共78頁轉錄終止1.依賴ρ（Rho）因子的轉錄終止ρ因子能結合在RNA上的特異終止序列上，并具有ATP酶活性和解螺旋酶作用。2.非依賴ρ（Rho）因子的轉錄終止RNA鏈形成莖環(huán)結構，終止轉錄。第43頁/共78頁轉錄終止形成的莖環(huán)結構第44頁/共78頁DNA復制與RNA轉錄的區(qū)別復制轉錄模板單鏈DNA模板單鏈DNA模板原料dNTP（N：A、G、C、T）NTP（N：A、G、C、U）聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要合成一段RNA引物不需要引物堿基配對A與T、G與CA與U、A與T、G與C產物DNA分子三種RNA特征半保留復制不對稱轉錄第45頁/共78頁轉錄后的加工真核生物轉錄的RNA初級產物需要經過加工才具有生物活性，加工過程主要在細胞核中進行。第46頁/共78頁1.mRNA的加工（1）加“帽”：5′－端形成m7GpppN。（2）加“尾”：3′端形成polyA。（3）剪接：切除mRNA上的非編碼序列（內含子）和拼接編碼序列（外顯子）。第47頁/共78頁2.tRNA的加工（1）切除3′端和5′端部分核苷酸。（2）3′端加上CCA序列（3）對部分堿基進行特殊修飾。第48頁/共78頁3.rRNA的加工rRNA的初級轉錄產物經剪接后，在核仁上與核糖體蛋白一起組裝核糖體的大小亞基。第49頁/共78頁第2節(jié)蛋白質的生物合成翻譯：以mRNA為模板，合成蛋白質的過程。合成體系（1）場所：核糖體（2）基本原料：20種編碼氨基酸（3）三種RNA共同參與（4）其它：蛋白質因子（起始因子、延長因子、終止因子）、GTP、ATP、Mg2+、K+等。第50頁/共78頁RNA在蛋白質合成中的作用（一）mRNA：mRNA是蛋白質生物合成的直接模板模板方向：5′→3′蛋白質合成方向：N→C方式：密碼子→氨基酸第51頁/共78頁遺傳密碼1、概念：mRNA鏈上沿5′→3′方向，每3個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸，這3個相鄰核苷酸即稱為一個遺傳密碼或密碼子。mRNA鏈上的4種核苷酸共有64個密碼子，其中：（1）61個密碼子編碼20種氨基酸（AUG為起始密碼）（2）UAA、UAG和UGA為終止密碼，不代表任何氨基酸第52頁/共78頁5′端第一位核苷酸第二位核苷酸3′端第三位核苷酸UCAGU苯丙氨酸UUU絲氨酸UCU酪氨酸UAU半胱氨酸UGUU苯丙氨酸UUC絲氨酸UCC酪氨酸UAC半胱氨酸UGCC亮氨酸UUA絲氨酸UCA終止密碼UAA終止密碼UGAA亮氨酸UUG絲氨酸UCG終止密碼UAG色氨酸UGGGC亮氨酸CUU脯氨酸CCU組氨酸CAU精氨酸CGUU亮氨酸CUC脯氨酸CCC組氨酸CAC精氨酸CGCC亮氨酸CUA脯氨酸CCA谷氨酸CAA精氨酸CGAA亮氨酸CUG脯氨酸CCG谷氨酸CAG精氨酸CGGGA異亮氨酸AUU蘇氨酸ACU天冬氨酸AAU絲氨酸AGUU異亮氨酸AUC蘇氨酸ACC天冬酰胺AAC絲氨酸AGCC異亮氨酸AUA蘇氨酸ACA賴氨酸AAA精氨酸AGAA甲硫氨酸AUG蘇氨酸ACG賴氨酸AAG精氨酸AGGGG纈氨酸GUU丙氨酸GCU天冬氨酸GAU甘氨酸GGUU纈氨酸GUC丙氨酸GCC天冬氨酸GAC甘氨酸GGCC纈氨酸GUA丙氨酸GCA谷氨酸GAA甘氨酸GGAA纈氨酸GUG丙氨酸GCG谷氨酸GAG甘氨酸GGGG遺傳密碼表第53頁/共78頁遺傳密碼的特點1.方向性：密碼子只能沿mRNA的5′→3′方向進行閱讀。2.簡并性：除蛋氨酸和色氨酸只對應1個密碼子外，其余氨基酸都具有兩個或兩個以上的密碼子。3.擺動性：反密碼子的第1位堿基與密碼子的第3位堿基之間不嚴格遵守堿基配對規(guī)律的現象。4.連續(xù)性：密碼子從mRNA上起始的AUG開始，以5′→3′方向進行閱讀，每個堿基讀一次，沒有間隔。5.通用性：除動物的線粒體和植物的葉綠體外，幾乎所有的生物都使用同一套遺傳密碼。第54頁/共78頁3′模板mRNA5′AUGCCAUCUGGCAUC-----------CUCUAAMetProSerGlyIle----------Leu終止密碼NC蛋白質多肽鏈密碼子閱讀方向

肽鏈合成方向mRNA上的遺傳密碼指導合成蛋白質多肽鏈

第55頁/共78頁（二）tRNA：轉運氨基酸的工具氨基酸+ATP+tRNA氨基酰－tRNA+AMP+PPi氨基酰－tRNA合成酶

氨基酸的a-羧基酯鍵tRNA3′－CCA－OH第56頁/共78頁UCA5′

3′

mRNA

ACUCCASer3′

5′

123321反密碼子與密碼子之間的配對第57頁/共78頁（三）rRNA：參與形成核糖體，是蛋白質生物合成的場所P位A位E位小亞基大亞基原核生物核糖體結構模式

第58頁/共78頁原核生物多肽鏈的合成過程1.起始階段在起始因子的參與下，核糖體大小亞基先分開，模板mRNA與小亞基辨認結合，與起始密碼子對應的蛋氨酰由tRNA攜帶到達核糖體P位。翻譯起始復合物：核糖體大小亞基、模板mRNA、fMet－tRNAfMet。第59頁/共78頁核糖體大小亞基分離，模板mRNA與小亞基結合起始因子AUGmRNA小亞基大亞基AUGPA第60頁/共78頁起始因子AUGmRNA小亞基大亞基AUGPAfMetIF-2GTPfMet－tRNAfMet

PAAUGIF-2GTPfMettRNA攜帶起始密碼對應的蛋氨酰進入P位第61頁/共78頁PAAUGfMetIF-2GTPGDP起始因子AUGPAfMetE形成翻譯起始復合物第62頁/共78頁2.延長階段（1）進位：又稱注冊，是按照mRNA上的密碼子信息，相對應的氨基酰－tRNA進入核糖體的A位。第63頁/共78頁AUGPAfMetEAATuGTPTuGDPAUGPAfMetEAA氨基酰－tRNA翻譯延長：注冊第64頁/共78頁（2）成肽：核糖體P位上fMet－tRNAfMet（或肽酰－tRNA）的甲硫氨酸（或肽?；┮浦罙位，與結合在A位上氨基酰－tRNA的氨基形成肽鍵。第65頁/共78頁AUGPAfMetEAAAUGPAEAAfMet肽鍵甲?；痜Met氨基酸轉肽酶翻譯延長：成肽第66頁/共78頁（3）轉位：成肽完成后，核糖體向mRNA的3′端移動一個密碼子的距離，下一個密碼子即進入A位。第67頁/共78頁PAEAAfMetAUGPAEAAfMetAUGA位空出待下一個氨基酰－tRNA進入模板mRNA鏈上下一個密碼子進入A位轉位酶GTPGDP翻譯延長：轉位第68頁/共78頁3.終止階段核糖體A位上出現mRNA的終止密碼子時，由釋放因子識別并結合于終止密碼子。第69頁/共78頁多肽鏈A位出現終止密碼釋放因子RF識別結合起始因子IFUAAPAEtRNA小亞基大亞基mRNA

翻譯終止過程第70頁/共78頁核糖體循環(huán)1.廣義的概念：是指翻譯起始、延長、終止三個循環(huán)過程。2.狹義的概念：是指翻譯延長階段的注冊、成肽、轉位三個循環(huán)過程。*翻譯模板mRNA方向：5′→3′*蛋白質多肽鏈合成方向：N→C第71頁/共78頁三、蛋白質生物合成與醫(yī)學的關系1.遺傳性疾?。篋NA損傷、結構異?！鞍踪|結構和功能異常。2.藥物：利用蛋白質生物合成機理，發(fā)揮抑制或殺菌作用。第72頁/共78頁（一）分子病例：鐮刀狀細胞性貧血N纈1

組2

亮2

蘇4

脯5

谷6

谷7

賴8

絲9

丙10....................天冬100..................C

3′……..CTC………………......................5′