第13章-信息分子代謝

第十三章信息分子代謝

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）第一節(jié)DNA的生物合成生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）一、DNA的半保留復(fù)制復(fù)制：以親代DNA分子為模板指導(dǎo)合成相同的子代DNA分子的過程。Meselson等用氮的同位素進行了試驗證明了DNA復(fù)制為半保留復(fù)制機理半保留復(fù)制：DNA復(fù)制時以親代DNA兩條鏈為模板指導(dǎo)合成與其互補的DNA鏈，這樣在子代DNA中，一條鏈來于親代DNA，另一條鏈是新合成的。DNA的這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）DNA半保留復(fù)制生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）15N/15N用含15N氯化銨連續(xù)培養(yǎng)許多代半保留復(fù)制試驗14N/15N用含14N培養(yǎng)基培養(yǎng)1代14N/14N14N/15N用含14N培養(yǎng)基培養(yǎng)1代生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）二、參與DNA復(fù)制的主要酶生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）1.DNA聚合酶催化反應(yīng)的要點：

底物：四種dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）

模板：DNA鏈

聚合方式：按照堿基配對原則，將相應(yīng)dNTP的5′磷酸與上一個核苷酸的3′羥基形成3′－5′磷酸二酯鍵，即合成方向為5′→3′，與模板鏈反平行。

條件：聚合反應(yīng)必須有引物存在。dNTP+核苷酸鏈nPPi+核苷酸鏈n+1

DNA聚合酶PPi+H2O2Pi焦磷酸酶生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）DNA聚合酶催化機理生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（1）大腸桿菌DNA聚合酶：共有三種，為DNA聚合酶I、II、IIIIIIIII亞基數(shù)1≥4≥10M.W10300088000830000聚合作用√√√連續(xù)聚合作用小較小很大聚合速度(N/s)16～2040250～10005′－3′外切酶√×√3′－5′外切酶√√√功能復(fù)制中去除引物填補缺口參與損傷修復(fù)可能參與損傷修復(fù)DNA復(fù)制的主要酶生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）2.引物酶

引物酶本身無活性，只有與另外6種蛋白質(zhì)結(jié)合為引發(fā)體才可催化引物的合成。（2）真核生物DNA聚合酶：共有四種，為DNA聚合酶a、b、g、dabgd功能復(fù)制的主要酶，與后隨鏈合成有關(guān)DNA損傷修復(fù)線粒體DNA的復(fù)制復(fù)制的主要酶，與先導(dǎo)鏈合成有關(guān)生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）引物酶的功能：可以從無到有地以DNA為模板，催化合成一小段與DNA互補的RNA即引物（10個核苷酸左右）。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）3.DNA連接酶

功能：將復(fù)制過程中形成的DNA片段用3′－5′磷酸二酯鍵連接起來。酶酶（部分細菌）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）4.DNA解螺旋酶（解鏈酶）利用ATP供應(yīng)能量，水解堿基間氫鍵，從而打開DNA雙螺旋的雙鏈5.單鏈結(jié)合蛋白（SSB）可與由解鏈酶解開的單鏈結(jié)合功能：防止單鏈再次形成雙鏈，防止核酸酶水解多核苷酸鏈，保護DNA?？梢灾貜?fù)使用，即當所結(jié)合的單鏈進行復(fù)制時，它就發(fā)生解離，而與新解開的單鏈結(jié)合。5′3′5′3′5′3′5′5′3′生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）6.DNA拓撲異構(gòu)酶通過催化DNA拓撲結(jié)構(gòu)的變化，減少由于解鏈形成的張力和合成的子代DNA形成雙螺旋。7.其它因子解鏈雙螺旋存在張力DNA拓撲異構(gòu)酶II張力解除生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）復(fù)制起點1.起始

DNA分子上有特定的起始位點。在一些因子的作用下，DNA部分解鏈，形成了一個“復(fù)制眼”三、

大腸桿菌DNA的復(fù)制過程生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）

復(fù)制的起點和方向生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）復(fù)制叉模型DNA分子中正在復(fù)制的部位，稱為復(fù)制叉。它是由兩股解開的親代鏈和在其上新合成的子鏈、酶、因子組成。引物體引物酶因子解螺旋酶SSB(單鏈結(jié)合蛋白)5ˊ5ˊ3ˊ3ˊ復(fù)制叉移動方向DNA聚合酶生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）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.延長生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）5′3′5′5′3′5′3′5′5′3′生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）5′5′3′3′3′5′5′3′5′5′3′3′3′5′3′生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）5′3′5′5′3′5′3′3′5′5′3′3′3′5′5′3′3′5′生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）5′3′3′3′5′5′3′5′岡崎片段（Okazakifragment）原核生物1000—2000個核苷酸復(fù)制機理：半不連續(xù)復(fù)制生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）ATTGCUG…TAACGA…C……

…

…AAUUGCUG…TAACGA…C……

…

…AUUGCUG…TAACGA…C……

…

…ATUGCUG…TAACGA…C……

…

…AdTTPUdTTPUAUUGCUG…TAACGA…C……

…

…dATPdGTPGCUGdCTPdTTPdGTPDNA聚合酶I生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）ATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATTGCTG…TAACGA…C……

…

…AATP或NADAMP或NMN連接酶ATTGCTG…TAACGA…C……

…

…A生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）DD′C′CB′BA5′3′5′3′3′5′3′5′連續(xù)鏈不連續(xù)鏈先導(dǎo)鏈后隨鏈(滯后鏈)DNA復(fù)制機理生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）3′5′3′5′DNA聚合酶I5′3′3′5′連接酶SSB引物體DNA聚合酶III解螺旋酶DNA復(fù)制系統(tǒng)DNA拓撲異構(gòu)酶IDNA拓撲異構(gòu)酶II生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）3.終止

DNA復(fù)制無特定終止位點，復(fù)制鏈到達前面已復(fù)制成的片段則自動終止生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）

DNA復(fù)制的三個階段生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）四、原核與真核細胞DNA復(fù)制的特點

1.原核細胞DNA復(fù)制的特點：單個起點，多數(shù)為雙向復(fù)制，少數(shù)為單向復(fù)制2.真核細胞DNA復(fù)制的特點：真核細胞DNA復(fù)制與原核細胞DNA復(fù)制系統(tǒng)及過程基本相同，不同之處在于：（1）多個起點（2）均為雙向復(fù)制生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（3）酶系統(tǒng)：①DNA聚合酶不同，原核細胞兩條鏈是同一種聚合酶催化，真核細胞中是不同聚合酶催化。②去除引物、填補缺口的酶不同，原核細胞中是DNA聚合酶I，真核細胞相應(yīng)的酶還未找到。③因子不同生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）五、DNA的損傷修復(fù)生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）1.概念

以RNA為模板合成DNA的過程2.反轉(zhuǎn)錄酶存在于真核生物的RNA腫瘤病毒中。催化特性：①以四種dNTP為底物，需模板和引物。②以病毒RNA為模板，合成互補DNA。③具有核糖核酸酶功能，水解RNA—DNA雜合分子中的RNA。④以自己合成的DNA鏈為模板合成互補的DNA，從而形成雙螺旋分子。催化過程：DNARNA六、

反轉(zhuǎn)錄（逆轉(zhuǎn)錄）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）一、轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）第二節(jié)RNA的生物合成生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）DNA指導(dǎo)下的RNA合成轉(zhuǎn)錄：DNA指導(dǎo)下的RNA合成。在細胞核中進行。啟動子（promoter）:DNA上控制轉(zhuǎn)錄起始的一段特殊序列終止子（terminator）:DNA上控制轉(zhuǎn)錄終止的區(qū)域.轉(zhuǎn)錄單位：從起始到終止的轉(zhuǎn)錄區(qū)。一RNA合成反應(yīng)：（1）由DNA指導(dǎo)下的RNA合成酶催化。（2）反應(yīng)需要：4種核糖三核苷酸、DNA模板、Mg2+等二價陽離子。（3）RNA鏈的延伸方向：5'3'（4）合成的RNA鏈與DNA模板互補（5）合成反應(yīng)可逆，由PPi水解推動。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）RNA合成反應(yīng)與DNA復(fù)制的差別：（1）RNA合成反應(yīng)不需要引物（2）DNA雙鏈中通常只有一條鏈可以用于轉(zhuǎn)錄，或者兩條鏈中各取部分區(qū)域轉(zhuǎn)錄。模板鏈、負鏈、反義鏈（antisensestrand)：用于轉(zhuǎn)錄的鏈（指導(dǎo)mRNA合成）編碼鏈(codingstrand)、正鏈、有意義鏈：與mRNA序列相同的鏈（與模板鏈互補）（3）RNA轉(zhuǎn)錄時，只需要局部解開DNA雙鏈，形成轉(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）；合成的RNA鏈游離存在。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）二RNA轉(zhuǎn)錄：（一）細菌RNA聚合酶與轉(zhuǎn)錄：大腸桿菌RNA聚合酶全酶：(

2’)核心酶（coreenzyme）：(

2’)亞基

RNA聚合酶亞基功能：

酶的裝配；與啟動子上游元件和活化因子結(jié)合

借疏水作用結(jié)合于DNA上；催化核苷酸聚合，形成磷酸二酯鍵催化反應(yīng)中心

’為堿性蛋白，借靜電力與酸性DNA模板結(jié)合,2Zn2+

引導(dǎo)核心酶識別啟動子并與其穩(wěn)定結(jié)合,促進轉(zhuǎn)錄起始

未知生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）

原

核

生

物

的

轉(zhuǎn)

錄

過

程終止因子37oC，20~40nt/秒生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）三轉(zhuǎn)錄的起始、終止與調(diào)節(jié)控制：（一）轉(zhuǎn)錄的起始與啟動子（promoter）1.轉(zhuǎn)錄時DNA上核苷酸編號：

按照與轉(zhuǎn)錄RNA序列相同的一條鏈（編碼鏈）編號，方向為由5’3’。上游（負數(shù)碼）——起點Nt（+1）——下游（正數(shù)碼）2.啟動子:是控制轉(zhuǎn)錄起始的一段（或多個）特殊DNA序列，位于編碼序列上游，自身不被轉(zhuǎn)錄。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）3.細菌啟動子中特征保守序列：

①-10序列（Pribnowbox）：起點上游-5~-9bp處：-TATAAT-是開鏈處，該序列決定起始時DNA雙鏈解開的速度。②-35序列：起點上游約-35bp處：-TTGACA-缺少-35序列的啟動子，轉(zhuǎn)錄速度幾乎為零。③上游元件(upelement)：-40~-60,可提高轉(zhuǎn)錄活性30倍生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（二）轉(zhuǎn)錄終止與終止子（terminator)：原核終止子之前都有一段回文結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)物RNA形成發(fā)夾狀莖環(huán)。1）不依賴的終止子是原核生物的主要終止方式2）依賴的終止子廣泛存在于噬菌體中，少見于細菌轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA自發(fā)形成莖環(huán)1.兩類原核生物終止子作用機制：

蛋白：核苷水解酶+DNA-RNA

解螺旋酶生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別

第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）遺傳密碼一遺傳密碼的破譯：蛋白質(zhì)生物合成：翻譯（translation）RNA蛋白質(zhì)遺傳信息以三聯(lián)體、非重疊、無標點方式編碼用人工合成的mRNA在無細胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)中找到三聯(lián)體密碼與核酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系例如：polyUPhe；polyGGly1966年破譯全部64個三聯(lián)體密碼子：AUG——起始密碼子兼Met；fMet（甲酰Met）UAA、UAG、UGA——終止密碼子

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）遺傳密碼表5’UCAG3’UPhePheLeuLeuSerSerSerSerTyrTyr赭石終止密碼琥珀終止密碼CysCys乳白終止密碼TrpUCAGCLeuLeuLeuLeuProProProProHisHisGlnGlnArgArgArgArgUCAGAIleIleIleMetThrThrThrThrAsnAsnLysLysSerSerArgArgUCAGGValValValValAlaAlaAlaAlaAspAspGluGluGlyGlyGlyGlyUCAG生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）二遺傳密碼的基本特性：1.密碼子是5’-P,3’–OH:pApUpG2.密碼是無標點符號的：閱讀需要正確的讀碼框架（readingframe）,從5’

3’，基本單位為三聯(lián)體。3.遺傳密碼一般不重疊（噬菌體Q，R17除外）4.遺傳密碼具有簡并性（degeneracy）：一種氨基酸有兩個或更多密碼子（同義密碼）的現(xiàn)象。生物學意義：使所有64個密碼子都有意義減少有害突變的幾率

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）5.密碼的變偶性（擺動性，wobble）：密碼的前兩位堿基通常固定，第三位堿基專一性較小。變偶性實現(xiàn)：tRNA反密碼子特定的配對關(guān)系。tRNA反密碼子首位密碼子第三位

AUCGGU，CUA，GIU、A、C變偶性的存在，使細胞內(nèi)只需要32種tRNA，就可識別61個編碼20種氨基酸的密碼子反密碼子:3’-UAC-5’

密碼子:5’-AUG-3’生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）6.密碼的通用性和變異性：

密碼基本上是通用的。只有真核生物的線粒體DNA（mtDNA），及少數(shù)生物（如：支原體、少數(shù)纖毛類原生動物等）的細胞基因組密碼有所變異。如終止密碼UGA

Trp；AUA

Met；終止密碼:（AGA，AGG）生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）7.密碼子堿基順序與氨基酸理化性質(zhì)相關(guān)：例如：密碼的第二位堿基決定氨基酸的極性：中間堿基是U：編碼非極性、疏水和支鏈氨基酸C：編碼非極性或極性不帶電荷A或G：編碼親水氨基酸中間堿基是A或G且第一位是A或C：堿性氨基酸前兩位是AG：酸性氨基酸密碼的編排具有防錯功能。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）蛋白質(zhì)合成一蛋白質(zhì)合成的分子基礎(chǔ)：（一）mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板：轉(zhuǎn)錄在細胞核內(nèi)進行信使—mRNA蛋白質(zhì)合成在細胞質(zhì)中進行mRNA的核酸序列決定氨基酸的序列生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（二）tRNA負責氨基酸的搬運：1.tRNA有兩個活性部位：（1）氨基酸結(jié)合位（3’-OH）（2）mRNA結(jié)合位（反密碼環(huán)）每種氨基酸至少由一種tRNA搬運反密碼子的首位（5’

3’），擺動性。生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）2.tRNA從功能上分為：起始tRNA：負責起始氨基酸的負載延伸tRNA：肽鏈內(nèi)部氨基酸的負載校正tRNA分子：突變與回復(fù)突變（reversemutation）Gln：5’-CAG-3’

UAG（終止密碼子）

無義突變

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（三）核糖體是蛋白合成的場所：蛋白質(zhì)是在核糖體中合成的核糖體的構(gòu)成成分：核糖體來源亞基rRNA（Mr）蛋白原核細胞30S70S

50S16S（5.5105)5S（0.4105)23S（110105)21個34個真核細胞40S80S60S18S（

70105)5S（0.4105)2829S(140180105)5.8S（哺乳類）30個50個生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）核糖體的結(jié)構(gòu):70S核糖體：13.52040nmA位點:氨?；稽cP位點:肽酰基位點E位點：空載tRNA位點小亞基：結(jié)合mRNA多核糖體:一個mRNA同時結(jié)合多個核糖體。30S生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）核糖體的空間結(jié)構(gòu):核糖體頂面觀核糖體側(cè)面觀生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）二蛋白質(zhì)合成——翻譯過程mRNA上信息的閱讀（翻譯）方向：5’3’

蛋白質(zhì)合成的方向：N-端C-端證明：無細胞體系中（含3H標記的Leu）血紅蛋白合成實驗。蛋白質(zhì)合成是極其復(fù)雜的過程，約有上百種蛋白和30多種RNA分子參與。

生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）（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合成酶具有高度的專一性，保證氨基酸正確配位。CC生物化學》（高職高專教材）（陸正清、柯世懷主編）氨基酸一但與tRNA結(jié)合，其命運就被決定。通常一種氨基酸只被一種氨酰-tRNA合成酶作用，后者可識別一個或多個相應(yīng)的tRNA。由于密碼子的變偶性，只要32種tRNA就可以識別全部61個密碼子酶識別tRNA位點，可包括或不包括反密碼環(huán)。氨酰-tRNA合成酶的校正部位：