核酸代謝合成與蛋白質的生物合成

關于核酸代謝合成與蛋白質的生物合成湖北工業(yè)大學湖北工業(yè)大學核酸是生物遺傳的物質基礎,蛋白質是生命活動的體現(xiàn)者.DNA子代DNA信使RNA蛋白質

復制轉錄翻譯密碼蛋白質生物合成依賴核酸的正常功能,核酸生物合成及基因表達的調節(jié)需要蛋白質參與（生物性狀）（遺傳信息）第2頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學核酸的消化

膳食核蛋白蛋白質蛋白質代謝

核酸DNA、RNA

胃酸單核苷酸磷酸核苷嘧啶核苷嘌呤核苷核糖或脫氧核糖嘧啶堿核糖或脫氧核糖嘌呤堿胰核酸酶胰、腸核苷酸酶嘌呤核苷酶嘧啶核苷酶HMP途徑HMP途徑第3頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學第一節(jié)核酸代謝一、核苷酸的代謝二、DNA的生物合成復制三、RNA的生物合成轉錄第4頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(一)核苷酸的生物合成1.部位:肝臟為主,小腸和胸腺其次.2.原料:天冬氨酸(Asp)、甘氨酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、一碳基團、

5-磷酸核糖3.過程:嘌呤核糖核苷酸的合成第5頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學R-5-P1-焦磷酸-5-磷酸核糖

（PRPP）AMPATP

酶次黃嘌呤核苷酸

（IMP）

AMP、GMP第6頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

次黃嘌呤堿合成的原料來源第7頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學H2O第8頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學天冬氨酸，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脫氫酶NAD+H2ONADH+H+XMPGMP合成酶谷氨酰氨Mg2+,ATP谷氨酸GMP由IMP合成AMP及GMP第9頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學NMPNDPNTPATPADPATPADP激酶激酶（N：嘌呤或嘧啶堿基）第10頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學AMP腺苷酸代琥珀酸IMPXMPGMP腺苷酸脫氨酶鳥苷酸還原酶NH3NADPHNH3NADP+AMP，GMP，IMP的相互轉變第11頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學嘌呤核苷酸的合成代謝補救合成途徑（salvagepathway）概念：細胞利用現(xiàn)成的嘌呤堿基或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補救合成途徑。第12頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學反應：腺嘌呤＋PRPPAMP＋PPiAPRT次黃嘌呤＋PRPPIMP＋PPiHGPRT鳥嘌呤＋PRPPGMP＋PPiHGPRT腺嘌呤核苷AMP腺苷激酶ATPADP第13頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學生理意義：

（1）節(jié)省能量與氨基酸消耗

（2）某些器官如腦、骨髓等，缺乏從頭合成嘌呤核苷酸的酶體系，只能進行補救合成

第14頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學嘧啶核苷酸的合成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.過程：第15頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學氨基甲酰磷酸天冬氨酸嘧啶堿（UMP）合成的元素來源=o=odR-5-P第16頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學第17頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學補救合成嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶＋PRPP嘧啶核苷酸＋PPi嘧啶磷酸核糖轉移酶尿嘧啶核苷UMP尿苷激酶ATPADP胸苷激酶——惡性腫瘤的指征脫氧胸苷TMP胸苷激酶ATPADP第18頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學UMPUDP、UTPATPCTP（氨基化GLn）

由UTP生成CTP的反應發(fā)生在三磷酸核苷的水平上。第19頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學脫氧核糖核苷酸的合成體內脫氧核糖核苷酸由核糖核苷酸還原而成1.在NDP（核苷二磷酸）水平上：ADPdADPdATPGDPdGDPdGTPCDPdCDPdCTPH2H2OATPADP酶1酶2酶1：核糖核苷酸還原酶酶2：激酶第20頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學2.dTTP的生成UDPdUDPdUMPdTMPdTDPdTTPdCMPH2H2OPi甲基化脫氨基（主要）N5，N10-甲烯四氫葉酸第21頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學（二）核苷酸的分解代謝1.嘌呤核苷酸分解代謝嘌呤核苷酸嘌呤核苷核苷酸酶Pi嘌呤堿+磷酸核糖核苷磷酸化酶尿酸(終產(chǎn)物)HMP第22頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

嘌呤核苷酸的分解代謝第23頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學嘌呤核苷酸分解代謝特點:1、環(huán)打不破;2、最終產(chǎn)物:尿酸;3、嘌呤代謝障礙:痛風癥血尿酸正常含量:149-416umol/L,溶解度低.嘌呤代謝障礙時,血尿酸濃度升高,尿酸鹽結晶沉積于軟組織、軟骨及關節(jié)等處,而導致關節(jié)炎、尿路結石及腎臟疾病.第24頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學2、嘧啶核苷酸的分解代謝嘧啶核苷酸嘧啶堿+磷酸核糖胞嘧啶尿嘧啶終產(chǎn)物NH3、CO2、β-丙氨酸胸腺嘧啶

NH3、CO2、β-氨基丁酸終產(chǎn)物第25頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學第26頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學嘧啶核苷酸分解代謝特點:1、環(huán)被打破;2、終產(chǎn)物:NH3、CO2.第27頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學二、DNA的生物合成復制復制:以親代DNA為模板,將親代DNA上的遺傳信息復制到子代DNA分子上的過程。親代DNA子代DNA復制第28頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學轉錄:以DNA為模板合成與DNA某段核苷酸順序相對應的RNA分子，將遺傳信息傳遞到RNA分子中的過程。DNARNA轉錄第29頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學翻譯:以RNA中mRNA為模板,按照其核苷酸順序所組成的密碼指導蛋白質的合成的過程。mRNA蛋白質翻譯各種信息各種蛋白質第30頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

轉錄翻譯

DNARNA蛋白質

mRNAtRNA

反轉錄

rRNA

轉錄、翻譯

RNA（病毒）蛋白質（病毒）

中心法則遺傳信息傳遞的規(guī)律(復制、轉錄、翻譯).復制復制第31頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(一)DNA的復制1、復制方式:半保留復制定義:以DNA分子中的每一條鏈為模板,通過堿基配對，合成兩個新的DNA分子(子代DNA),每個新

DNA分子的兩條鏈中，其中一條鏈來自親代DNA,另一條鏈是新合成的。第32頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學DNA的半保留復制ATCGATCGTAGCTAGCATCGTAGCATCGTAGC第33頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學2、DNA的復制過程(四步)基本條件:A、模板DNA(母鏈);B、原料:三磷酸脫氧核苷(dNTP)

dATP、dGTP、dCTP、dTTP;C、參與DNA復制的酶:

DNA指導的DNA聚合酶、引物酶、連接酶、解鏈酶等.第34頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(1)DNA復制的起始及RNA引物的生成解旋酶、旋轉酶

DNA結合蛋白DNA雙鏈

復制叉起始位點引物酶NTPRNA引物(5′3′-OH)(5-100個核苷酸)合成辨認第35頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學DNA復制過程模式圖DNA旋轉酶ATPADP+PiDNA結合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA連接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶復制叉移動方向

5′3′3′5′3′5′第36頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(2)DNA片段的生成DNA雙鏈5′3′5′3′DNA聚合酶(5′3′)連續(xù)合成不連續(xù)合成岡崎片段完整DNA雙鏈連接第37頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學DNA復制過程模式圖DNA旋轉酶ATPADP+PiDNA結合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA連接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶復制叉移動方向

5′3′3′5′3′5′第38頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(3)RNA引物的水解RNA引物

DNA核酸酶DNADNA聚合酶延長第39頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(4)完整DNA分子的形成DNA連接酶DNADNADNA第40頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學DNA復制過程模式圖DNA旋轉酶ATPADP+PiDNA結合蛋白引物RNA引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA連接酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶復制叉移動方向

5′3′3′5′3′5′第41頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學某些病毒以RNA為模板,合成DNA的過程,稱為逆轉錄.催化上述反應的酶稱為逆轉錄酶,又稱RNA指導的DNA聚合酶.該酶存在于所有致瘤RNA病毒中,其功能可能與被病毒感染的細胞的惡性轉化有關.(二)逆轉錄過程第42頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

RNARNA-DNA雙鏈DNA逆轉錄酶逆轉錄酶復制或表達插入宿主細胞DNA中

病毒蛋白mRNA

轉錄（病毒）（雜交體）翻譯(DNA破壞)(細胞癌變)第43頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學三、RNA的生物合成轉錄定義:以DNA為模板合成與DNA某段核苷酸順序相對應的RNA分子，將遺傳信息傳遞到RNA分子中的過程。DNARNA轉錄原料:四種NTP(ATPGTPCTPUTP)第44頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學遺傳信息:即DNA片段中的核苷酸排列順序.RNA的生物合成轉錄分類:mRNAtRNArRNA特點:以DNA雙鏈中的一條鏈的某個片段為模板.有意義鏈:有指導轉錄作用的一條DNA鏈.反意義鏈:無轉錄功能的一條DNA鏈.第45頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學RNA的轉錄過程(三步)1.起始DNA特殊位點啟動子RNA聚合酶結合DNA解旋形成第一個磷酸二酯鍵第46頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意義鏈有意義鏈RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′第47頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學2.延長催化酶:RNA聚合酶酶移動方向:沿DNA模板

5′

3′方向RNA合成方向:3′5′原則:在有意義鏈上堿基互補配對第48頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意義鏈有意義鏈RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′第49頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學3.終止DNA終止轉錄信號RNA聚合酶識別轉錄終止RNA聚合酶及新RNA鏈脫落轉錄完成第50頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學TCGAGTACAGCTCATGCGAGUACGCAURNA聚合酶反意義鏈有意義鏈RNAPPi5′5′5′3′3′GTPUTPCTPATPUTPRNA在DNA模板上的生物合成3′起終第51頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

哺乳動物細胞中,RNA聚合酶和DNA主要分布在細胞核內,因而RNA主要在細胞核內合成.

轉錄合成的RNA是rRNA、tRNA、mRNA的前體,還需經(jīng)過加工修飾后才具有生物學功能.第52頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學翻譯:以RNA中mRNA為模板,按照其核苷酸順序所組成的密碼指導蛋白質的合成的過程.mRNA蛋白質翻譯

各種信息各種蛋白質（核苷酸排列順序）（氨基酸排列順序）

第二節(jié)蛋白質的生物合成第53頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學原料：20種氨基酸條件：mRNA、tRNA、rRNAATP、GTP等供能物質無機離子、有關的酶、蛋白因子等。第54頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學RNA在蛋白質的生物合成中的作用第55頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(一)mRNA

是帶有DNA遺傳信息指導蛋白質合成的直接模板.以mRNA為模板,合成一定結構的多肽鏈的過程(翻譯),就是將mRNA分子中的核苷酸排列順序轉變成蛋白質分子中的氨基酸排列順序.第56頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學氨基酸密碼mRNA分子中,每三個相鄰的核苷酸組成的三聯(lián)體代表某種氨基酸或其它信息,稱為密碼子或三聯(lián)密碼.第57頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學

四種核苷酸編成三聯(lián)體可形成43個即64個密碼子.其中:1.一個起始密碼:AUG

位于mRNA的5′-末端,并兼作蛋氨酸的密碼.2.三個終止密碼:UAAUGAUAG

位于mRNA的3′-末端3.多數(shù)氨基酸擁有2-4個密碼.第58頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學遺傳密碼的特點:1.連續(xù)性；2.簡并性；3.通用性；4.擺動性。

擺動性(wobblehypothesis)：mRNA密碼子的前兩位堿基和tRNA的反密碼嚴格配對。而密碼第三位堿基與反密碼第一位堿基不嚴格遵守配對規(guī)則，稱為密碼配對的擺動性。即密碼的第一、第二堿基是必需嚴格按標準配對(A-U、G-C)，而第三堿基則不然，它的配對不如此嚴格，可以有一定程度的擺動靈活性，但也不是可以任意組合，只限于表中所列舉的配對。tRNA反密碼子第一個堿基IUCAGmRNA密碼子第三個堿基U,C,AA,GGUU,C

密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象第59頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(二)tRNA

tRNA是氨基酸的轉運工具,能攜帶活化的氨基酸到核蛋白體.tRNA有特異性,至少有20種以上.每種tRNA的反密碼環(huán)頂端均有由三個核苷酸組成的反密碼,能與mRNA上相應的密碼互補結合(堿基互補配對).第60頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學酪5′5′3′AUGGUUUACACA酪氨酰-tRNA反密碼mRNA密碼與反密碼的堿基配對第61頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學(三)rRNArRNA與蛋白質組成核蛋白體,是蛋白質合成的場所.由大小兩個亞基組成:小亞基:與mRNA結合,沿5′3′

方向移動.大亞基:受位(A位):結合氨基酰-tRNA給位(P位):成肽第62頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學AUGACA5′蛋蘇UGUGUU3′受位(A位)給位(P位)大亞基小亞基第63頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學蛋白質生物合成過程1、準備階段：

氨基酸的活化與轉運。2、中心環(huán)節(jié)：

核蛋白體循環(huán)-活化氨基酸在核蛋白體上的縮合組裝。第64頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學氨基酸的活化與轉運1、反應式：AA+tRNA+ATP氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi2、AA結合位置：AA的α-羧基與tRNA活末端腺苷酸中核糖2′-或3′-羥基以酯鍵相結合。

tRNA-CCA-OH（R-3′-OH）第65頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學核蛋白體循環(huán)（三階段）1、起始階段2、延伸階段3、終止階段第66頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學肽鏈合成的起始階段1.mRNA與小亞基結合2.AUG與蛋氨酰-tRNA結合3.大小亞基結合第67頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學AUGACA5’3’AUGACA5’3’UACUACAUGACA5’3’小亞基mRNA蛋氨酰tRNAGTP大亞基GDP+Pi受位給位蛋蛋肽鏈合成的起始階段第68頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學肽鏈合成的延伸階段1.進位:氨基酰-tRNA進入受位;2.轉肽:形成肽鍵,在轉肽酶作用下,

給位與受位結合;3.移位:核蛋白體向3′-端移動一個密碼子的位置,空出受位,

不斷地進位、轉肽、移位,

使肽鏈延長.第69頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學AUGACA5’3’UAC蛋蘇UGUAUGACA5’UAC蛋蘇UGUGUUAUGACA5’UAC蛋蘇UGUGUUAUGACA5’蛋蘇UGUGUU3’3’3’GTPGDP+PiGDP+PiGTP起始復合體進位轉肽移位Mg+K+第70頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學肽鏈合成的終止階段1.出現(xiàn)終止密碼并與終止因子結合;2.肽鍵水解,多肽釋放;3.tRNA,mRNA,大小亞基解離.第71頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學AUGUAA5’UACAUGUAA5’UAC3’3’終終AUGUAA5’UAC3’終5’3’UAC終肽鏈第72頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學多核蛋白體循環(huán)

多個核蛋白體在一條mRNA鏈上,間隔一定距離,從5′-端向3′-端移動,同時合成多條肽鏈.合成后的多肽鏈必須經(jīng)加工、修飾才能成為具有特定生物學活性的蛋白質.第73頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學三、蛋白質合成的調節(jié)（一）轉錄水平的調節(jié)（二）翻譯水平的調節(jié)第74頁,共79頁，2024年2月25日，星期天湖北工業(yè)大學基因操縱子調節(jié)系統(tǒng)示意圖

調節(jié)基因

啟動基因操縱基因結構基因

DNA

轉錄

（）

RNA聚合酶（+）轉錄