核酸降解與核苷酸代謝ba.ppt

第十三章 核酸代謝,Chapter 13 Metabolism of Nucleotides,本章內(nèi)容,131 核酸分解 132 核苷酸的生物合成 133 DNA的復制 134 RNA的生物合成與加工,第一節(jié) 核酸的降解與核酸酶類,一、 核酸的降解,1、核酸酶的定義及分類 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶 依據(jù)底物不同分類 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 專一降解DNA。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 專一降解RNA。 依據(jù)切割部位不同 核酸外切酶：53或35核酸外切酶。 核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。,二、 核 酸 酶（Nuclease）,蛇毒磷酸二酯酶（或牛脾磷酸二酯酶）是專一性較低的磷酸二酯酶，屬核酸外切酶。,限制性核酸內(nèi)切酶 限制性酶主要分為三種類型：型限制酶為復合功能酶，具有限制-修飾兩種功能，但在 DNA鏈上沒有固定的切割位點，一般在離切割位點1kb到幾kb的地方隨機切割，不產(chǎn)生特異性片段。型酶與型酶基本相似，不同的是型酶有特異性的切割位點，但這兩類酶對 DNA酶切分析的意義不大，通常所說的限制性內(nèi)切酶是指型酶，它能夠識別與切割DNA鏈上的特定的核苷酸順序，產(chǎn)生特異性的DNA片段。,限制酶的切口不都是一長一短的, 一長一短的叫黏性末端,一樣長的叫平末端.,當一種限制性內(nèi)切酶在一個特異性的堿基序列處切斷DNA時，就可在切口處留下幾個未配對的核苷酸片段，即5突出。這些片斷可以通過重疊的5末端形成的氫鍵相連，或者通過分子內(nèi)反應環(huán)化。因此稱這些片段具有粘性，叫做粘性末端。 用途？,參與DNA的合成與修復及RNA合成后的剪接等重要基因復制和基因表達過程 。 負責清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸 。 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 。 體外重組DNA技術(shù)中的重要工具酶 。,生物體內(nèi)的核酸酶負責細胞內(nèi)外催化核酸的降解,2、核酸酶的功能,Degradation of Nucleotides,磷酸戊糖途徑P244,堿基是嘧啶和嘌呤這兩個母體化合物的衍生物。,Pyrimidines are six-membered heterocyclic雜環(huán) aromatic rings containing two nitrogen atoms,The purine ring structure is represented by the combination of a pyrimidine ring with a five-membered imidazole ring咪唑to yield a fused ring system,嘧啶,嘌呤,二 堿基的分解代謝,腺嘌呤A 鳥嘌呤G,I,40+男性多發(fā)（95%），女性一般在絕經(jīng)后常見，因為雌激素對尿酸的形成有抑制作用；但是在更年期后會增加發(fā)作比率。,（高尿酸血癥）,多發(fā)人體最低部位的關(guān)節(jié)劇烈疼痛，痛不欲生的”痛“，很快1-7天痛像”風“一樣吹過去了，所以叫”痛風“。,痛風的病因：,動物類內(nèi)臟如腦、肝、腎、心、肚。和顏色深的肉類、西式濃肉湯、牛素、雞精等。海產(chǎn)類。硬殼果如花生腰果之類、全麥制品、乳酸飲品、酵母菌、酒(過量) 。植物幼芽部分一般含中度成份，不可多食，菜花類，豆苗，筍類，豆類。,痛風的治療,乙酰-COA，琥珀酰-COA,合成尿素,圖13-6,第二節(jié) 核苷酸的生物合成,核苷酸的生理功用 核酸合成的原料 細胞內(nèi)能量的利用形式：如ATP 生物合成中的活化載體：UDPG、CDP-二酰甘油 輔酶的構(gòu)成成分：FAD、NAD+、NADP 生理調(diào)節(jié)介質(zhì)：cAMP、cGMP 酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑：ATP、ADP、AMP等,核苷酸代謝的動態(tài) 核苷酸來源：,單核苷酸庫,氨基酸 葡萄糖 磷酸,核苷酸的從頭合成,核酸的降解,補救合成：堿基和核苷,核苷酸的降解,核酸的合成,食物,自身合成,有些,核苷酸合成的兩條途徑,從頭合成,核苷,堿基,脫氧核苷,核糖、氨基酸、CO2、NH3,核糖核苷酸,脫氧核苷酸,DNA,輔酶,RNA,補救途徑,嘌呤核苷酸的結(jié)構(gòu),GMP,AMP,一、 嘌呤核苷酸的生物合成,嘌呤核苷酸的從頭合成途徑是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應，合成嘌呤核苷酸的途徑。,肝是體內(nèi)從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小腸和胸腺，而腦、骨髓則無法進行此合成途徑。,1、嘌呤核苷酸的從頭合成,定義,合成部位,嘌呤堿合成的元素來源,CO2,天冬氨酸,甲?；?（一碳單位）,甘氨酸,甲?；?（一碳單位）,谷氨酰胺 （酰胺基）,合成原料： 天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基團、CO2、磷酸核糖。 合成特點：嘌呤堿與核苷酸同時合成 磷酸核糖為起始物，逐步加原料合成嘌呤環(huán)，形成重要中間產(chǎn)物IMP（次黃嘌呤核苷酸或肌苷酸），再由它轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP。,過程,1）. IMP的合成,2）. AMP和GMP的生成,5-磷酸核糖,5磷酸核糖1焦磷酸 (PRPP),1）. IMP的合成,磷酸核糖焦磷酸激酶,5磷酸核糖焦磷酸,5磷酸核糖胺（PRA）,磷酸核糖酰胺轉(zhuǎn)移酶,谷氨酰胺,谷氨酸,限速反應,5磷酸核糖胺（PRA）,甘氨酰胺核苷酸,GAR合成酶,磷酸核糖,甘氨酸,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,轉(zhuǎn)甲?；?四氫葉酸,甲酰-四氫葉酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪唑核苷酸,FGAM合成酶,谷氨酰胺,谷氨酸,甲酰甘氨咪唑核苷酸,5氨基咪唑核苷酸,AIR合成酶,5氨基咪唑核苷酸,5亞氨基咪唑4羧酸核苷酸,羧化酶,5亞氨基咪唑4羧酸核苷酸,5氨基咪唑4羧酸核苷酸,合成酶,5氨基咪唑4羧酸核苷酸,5氨基咪唑4琥珀酸甲酰胺核苷酸,合成酶,天冬氨酸,5氨基咪唑4琥珀酸甲酰胺核苷酸,5氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,裂解酶,5氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,5甲酰氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,轉(zhuǎn)甲?；?5甲酰氨基咪唑 4甲酰胺核苷酸,次黃嘌呤核苷酸,11,環(huán)化水解酶,IMP合成的總反應 2Gln+2HCOOH+CO2+Gly+Asp+R-5-P IMP+2Glu+延胡索酸,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脫氫酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,2）AMP和GMP的生成,黃苷酸, 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 IMP的合成需5個ATP，6個高能磷酸鍵。p346,總結(jié): 嘌呤核苷酸從頭合成特點,利用體內(nèi)游離的嘌呤堿或嘌呤核苷，經(jīng)過簡單的反應，合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補救合成（或重新利用）途徑。,2、嘌呤核苷酸的補救合成途徑,定義,合成過程,Pi,核苷磷酸化酶,重要補救途徑,另一種,腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶,5磷酸核糖1焦磷酸 (PRPP),補救合成的生理意義,補救合成節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗。 體內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行補救合成。,IMP的合成需5個ATP，6個高能磷酸鍵。,Gln+Gly+Asp,腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(APRT) 次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT) 腺苷激酶,參與補救合成的酶,Lesch-Nyhan綜合癥（Lesch-Nyhan syndrome）：也稱為自毀容貌癥，是由于次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的遺傳缺陷引起的。缺乏該酶使得次黃嘌呤和鳥嘌呤不能轉(zhuǎn)換為IMP和GMP，而是降解為尿酸，過量尿酸將導致Lesch-Nyhan綜合癥。,此種疾病是一種X染色體隱形連鎖遺傳缺陷。患者表現(xiàn)為尿酸增高及神經(jīng)異常。如腦發(fā)育不全、智力低下、攻擊和破壞性行為。1歲后可出現(xiàn)手足徐動，繼而發(fā)展為肌肉強迫性痙攣，四肢麻木，發(fā)生自殘行為，常咬傷自己的嘴唇、手和足趾，故亦稱自毀容貌癥。,3、 嘌呤核苷酸合成的調(diào)節(jié),嘌呤核苷酸受其終產(chǎn)物腺苷酸和鳥苷酸的反饋抑制，除此外，一些嘌呤、氨基酸或葉酸等類似物也影響其合成。,結(jié)構(gòu)與谷氨酰胺相似，可干擾谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用,抑制了四氫葉酸的生成，干擾了一碳單位代謝，從而抑制了嘌呤核苷酸的合成,腫瘤細胞DNA的合成，而抑制腫瘤細胞的生長與繁殖。臨床上用作抗葉酸類抗腫瘤藥。,次黃嘌呤,6-巰基嘌呤 (6-MP),6-巰基嘌呤的結(jié)構(gòu),可通過抑制嘌呤代謝而干擾核酸合成的一種具有免疫抑制作用的抗代謝藥物。常用于抗腫瘤和移植排斥反應。,嘧啶核苷酸的結(jié)構(gòu),二、 嘧啶核苷酸的合成,從頭合成途徑 補救合成途徑,嘧啶核苷酸的合成,1、嘧啶核苷酸的從頭合成,主要是肝細胞胞液,嘧啶核苷酸的從頭合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、二氧化碳及氨等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應，合成嘧啶核苷酸的途徑。,定義,合成部位,嘧啶堿合成的元素來源,NH3,CO2,合成原料： 谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2、磷酸核糖。 合成特點： 用原料先合成嘧啶環(huán)，然后再與磷酸核糖連接生成嘧啶核苷酸。 CMP 先合成UMP dTMP,合成過程,1） 尿嘧啶核苷酸的合成,CPS- 限速,反應在線粒體中進行,限速，不可逆,來源,尿素里第一個氮的來源,限速,2） 胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,CDP,CMP,2、 嘧啶核苷酸的補救合成,5磷酸核糖1焦磷酸 (PRPP),胞嘧啶,CMP,PRPP,PPi,3、嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié),嘧啶類似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),5-氟尿嘧啶（5-FU）在體內(nèi)可轉(zhuǎn)變?yōu)镕-dUMP，其結(jié)構(gòu)與dUMP相似，可競爭性抑制胸腺苷酸合成酶的活性，從而抑制胸腺苷酸的合成。,受UMP的反饋抑制,三、 脫氧核糖核苷酸的生成,1、 一般脫氧核苷酸的生成,以核糖核苷酸為原料，通過核糖核苷酸還原酶將核糖分子還原為脫氧核糖。核糖核苷酸必須先行轉(zhuǎn)化為二磷酸核苷酸(NDP)水平，再還原為脫氧核苷二磷酸(dNDP). 除需還原酶外，還需氧還蛋白參與，即硫氧還蛋白。進一步在激酶的作用下形成相應的dNTP。,除需還原酶外，還需氧還蛋白參與，即硫氧還蛋白。進一步在激酶的作用下形成相應的dNTP。,核糖核苷酸還原酶,脫氧核苷酸的生成,NDP,dNDP,dNTP：滿足DNA合成的需要（dUTP除外）,dNTP的生成,2、脫氧胸苷酸（ dTMP）的生物合成,存在二種不同途徑：全程合成途徑和補救途徑。 全程合成途徑：以dUMP為起始物，N5,N10-亞甲基 THFA為甲基供體，由dTMP 合酶催化生成。（圖 補救途徑：,dUMP,脫氧胸苷一磷酸 dTMP,dUDP,dCDP,dUMP,dUTP,胸腺嘧啶+脫氧核糖-1-P 胸苷 dT kinase 胸苷+ATPdTMP+ADP,胸苷酸磷酸化酶,本節(jié)結(jié)束,第四節(jié) 核酸代謝調(diào)節(jié),核苷酸生物合成需要多種酶的參與，受各種酶的調(diào)控； DNA聚合酶和RNA聚合酶受結(jié)構(gòu)基因、操縱基因、調(diào)節(jié)基因的控制。 mRNA合成受DNA的限制。 在反轉(zhuǎn)錄情況下，DNA受mRNA的約束。,作業(yè)：,1、寫出IMP從頭合成的方程式，所需的ATP數(shù)？ 2、寫出嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上氮原子和碳原子的來源（不必寫詳細合成過程）。 3、DNA復制所需的酶有哪些，各起什么作用？ 4。名詞解釋： 轉(zhuǎn)錄、啟動子、終止子、岡崎片段,第三節(jié),DNA Replication and DNA Repair,逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄,一,中心法則的意義,概 念 與意義,型復制,最常見,書上主要3種,lagging strand,leading strand,復制方式,DNA復制的基本過程,起始階段 人為分三個階段 延長階段 終止階段,復制的基本條件,ndNTP DNA + nPPi,DNA聚合酶 模板 引物 其他酶及蛋白質(zhì)因子 Mg2+,線狀DNA形成的紐結(jié)、超螺旋和多重螺旋 環(huán)狀DNA形成的結(jié)、超螺旋和連環(huán),類型,線狀DNA,環(huán)狀DNA,細菌環(huán)狀DNA,拓撲異構(gòu)酶是針對什么情況出現(xiàn)的？,防止單鏈DNA 被核酸酶降解,以DNA為模板，依賴DNA的DNA聚合酶,原核生物,DNA聚合酶,ori,E.coli,82,(2),DNA復制過程（3）,真核 Pol 德爾塔,端粒,衣服縮水,真核,生命的時鐘,組織培養(yǎng)的細胞證明，端粒在決定動植物細胞的壽命中起著重要作用，經(jīng)過多代培養(yǎng)的老化細胞端粒變短，染色體也變得不穩(wěn)定。 細胞分裂次數(shù)越多，其端粒磨損越多，壽命越短。 運動量過量，飲酒過量，過度操勞。,端粒 壽命 腫瘤,人體中生殖細胞的端粒長度保持不變，而體細胞的端粒長度則隨個體的老化而逐步縮短。對此的一個推論是：人的生殖細胞具端粒酶的活力，體細胞則否。這一問題的解決無疑會有助于對生命衰老的認識。,端粒酶的催化延長作用,爬行模型,端粒酶(telomerase),端粒酶 RNA (human telomerase RNA, hTR) 模板 端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),總結(jié)：復制的忠實性,DNA復制過程是一個高度精確的過程，據(jù)估計，大腸桿菌DNA復制5109堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復制忠實性的原因主要有以下三點:, DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則，但錯配率為7 10-6 ）, DNA聚合酶的校對功能（錯配堿基被3-5 外切酶切除）,二,常用的烷化劑有烯烴、鹵烷、硫酸烷酯等。化療,溴化乙錠是一種高度靈敏的熒光染色劑，用于觀察瓊脂糖和聚丙烯酰胺凝膠中的DNA。溴化乙錠可以嵌入堿基分子中,導致錯配。,修復(repairing) 是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。,光修復(light repairing) 切除修復(excision repairing) 重組修復(recombination repairing) SOS修復,修復的主要類型,光修復,光修復酶(photolyase),UV,DNA紫外線損傷的光裂合酶修復 （哺乳動物除外）,1、形成嘧啶二聚體,2、光復合酶結(jié)合于 損傷部位,3、酶被可見光激活,4、修復后酶被釋放,DNA的損傷和切除修復,堿基丟失,堿基缺陷或錯配,結(jié)構(gòu)缺陷,切開,核酸內(nèi)切酶,核酸外切酶,切除,DNA聚合酶,DNA連接酶,AP核酸內(nèi)切酶（切無嘌呤，無嘧啶）,核酸外切酶,切開,切除,修復,連接,糖苷酶,大腸桿菌,一種由于DNA修復基因缺陷引起的遺傳性皮膚病。表現(xiàn)為皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤。,由核酸內(nèi)切酶缺陷造成DNA修復功能異常所致。本病的主要生化缺陷是由于皮膚部位細胞缺乏核酸內(nèi)切酶，而使日光損傷的DNA不能正常修復。初起在暴露部如面、唇、結(jié)膜、頸部及小腿等處出現(xiàn)雀斑和皮膚發(fā)干，類似日光性皮炎，開始皮膚發(fā)紅，以后出現(xiàn)持久性網(wǎng)狀毛細血管擴張。對典型病例根據(jù)臨床即可確診外涂避光軟膏，如25%二氧化鈦霜等，內(nèi)服維生素A及煙酰胺或硫酸鋅治療。,誘導修復,第四節(jié) RNA的生物合成 （RNA復制和DNA轉(zhuǎn)錄）,轉(zhuǎn)錄 (transcription) 生物體以DNA為模板合成RNA的過程 。,轉(zhuǎn)錄,一、轉(zhuǎn)錄 的一般規(guī)律,(一)不對稱轉(zhuǎn)錄(asymmetric transcription) 1. 結(jié)構(gòu)基因(structural gene): DNA分子上轉(zhuǎn)錄出 RNA的區(qū)段 。 2. 模板鏈(template strand): DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，也稱作反 義鏈或Watson鏈。 3. 編碼鏈(coding strand): DNA雙鏈中與模板鏈相對的單鏈，不進行轉(zhuǎn)錄，也稱為有意義鏈或Crick 鏈。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,編碼鏈,模板鏈,mRNA,蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄,翻譯,（二）RNA聚合酶 RNA聚合酶催化的反應，原料，方向,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,RNA聚 合 酶,（1）原核生物的RNA聚合酶,全酶 (holoenzyme),核心酶 (core enzyme),W,W,利福平 抗結(jié)核？,RNA 聚合酶錯配率高？,（2）,西格馬,順式作用元件 (cis-actingelement)存在于基因旁側(cè)序列中能影響基因表達的序列。順式作用元件包括啟動子、增強子、沉默子和終止子等，它們的作用是參與基因表達的調(diào)控。順式作用元件本身不編碼任何蛋白質(zhì),僅僅提供一個作用位點，要與反式作用因子相互作用而起作用。,編碼鏈 5-3,位于5方向的區(qū)域稱為上游,用”-”表示,沉默子:負性調(diào)控元件,有時在上游,有時在下游,肉,反式作 用元件,RNA轉(zhuǎn)錄過程,起始,雙鏈DNA局部解開,磷酸二酯鍵形成,終止階段,解鏈區(qū)到達基因終點,延長階段,RNA,啟動子（promoter),終止子(terminator),二,三,