核酸和核苷酸代謝

1、1 核酸的基本單位是核苷酸。遺傳信息的復制、轉核酸的基本單位是核苷酸。遺傳信息的復制、轉錄和翻譯都與核酸代謝有關，核酸代謝與核苷酸代謝錄和翻譯都與核酸代謝有關，核酸代謝與核苷酸代謝密切關聯(lián)。核苷酸幾乎參與細胞中的所有生化過程。密切關聯(lián)。核苷酸幾乎參與細胞中的所有生化過程。 核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成的前體。的前體。ATP是生物能量代謝中的通用載體，是生物能量代謝中的通用載體，GTP是推動重要生物過程的能量供體。核苷酸衍生物是是推動重要生物過程的能量供體。核苷酸衍生物是許多生物合成反應的活性中間物。腺苷酸是三種重許多生物合成反應的活性中間物。

2、腺苷酸是三種重要輔酶要輔酶(煙酰胺核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷酸和輔酶煙酰胺核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷酸和輔酶A)的組分。的組分。cAMP和和cGMP作為細胞內(nèi)第二信使，調(diào)作為細胞內(nèi)第二信使，調(diào)節(jié)細胞功能和基因表達。節(jié)細胞功能和基因表達。第1頁/共53頁2一一 核酸和核苷酸的分解代謝核酸和核苷酸的分解代謝 動物和異養(yǎng)型微生物可分泌消化酶類來分解食物動物和異養(yǎng)型微生物可分泌消化酶類來分解食物或體外的核蛋白或核酸類物質(zhì)，以獲得各種核苷酸?；蝮w外的核蛋白或核酸類物質(zhì)，以獲得各種核苷酸。核酸核酸核苷酸核苷酸核酸酶核酸酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶核苷酸核苷酸核苷酸酶核苷酸酶核苷核苷 +磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化

3、酶堿基堿基+1-P-戊糖戊糖堿基堿基 + 戊糖戊糖核苷酶核苷酶核苷核苷第2頁/共53頁3 核酸是由許多核苷酸以核酸是由許多核苷酸以3 ,5 磷酸二酯鍵連磷酸二酯鍵連接而成的大分子化合物。核酸分解代謝的第一步是接而成的大分子化合物。核酸分解代謝的第一步是水解連接核苷酸之間的磷酸二酯鍵，生成低級多核水解連接核苷酸之間的磷酸二酯鍵，生成低級多核苷酸或單核苷酸。磷酸二酯酶苷酸或單核苷酸。磷酸二酯酶(核酸酶核酸酶)可催化這一可催化這一解聚作用。水解解聚作用。水解RNA的酶稱核糖核酸酶，水解的酶稱核糖核酸酶，水解DNA的酶稱脫氧核糖核酸酶。能水解核酸分子內(nèi)的酶稱脫氧核糖核酸酶。能水解核酸分子內(nèi)磷酸二酯鍵的

4、酶稱核酸內(nèi)切酶，從核酸鏈的一端逐磷酸二酯鍵的酶稱核酸內(nèi)切酶，從核酸鏈的一端逐步水解下核苷酸的酶稱外切酶。細胞內(nèi)的核酸都不步水解下核苷酸的酶稱外切酶。細胞內(nèi)的核酸都不是恒定不變的，細胞內(nèi)的各種核酸酶參與了核酸的是恒定不變的，細胞內(nèi)的各種核酸酶參與了核酸的代謝。代謝。1 核酸的解聚作用核酸的解聚作用第3頁/共53頁42 核苷酸的降解核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成為核苷。生物體內(nèi)廣泛存在核苷酸水解下磷酸成為核苷。生物體內(nèi)廣泛存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化這一反應。非特異性的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化這一反應。非特異性的磷酸單酯酶對所有核苷酸都能作用，特異性強的磷的磷酸單酯酶對所有核苷酸都能作用，

5、特異性強的磷酸單酯酶只能水解酸單酯酶只能水解3 核苷酸或核苷酸或5 核苷酸。核苷酸。 核苷經(jīng)核苷酶催化分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。核苷經(jīng)核苷酶催化分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。堿基堿基 + 戊糖戊糖核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷 + H2O核苷核苷 + 磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶堿基堿基 + 戊糖戊糖-1-磷酸磷酸第4頁/共53頁53 嘌呤堿的分解嘌呤堿的分解 不同生物分解嘌呤的能力不同，代謝產(chǎn)物也不相不同生物分解嘌呤的能力不同，代謝產(chǎn)物也不相同。靈長類和鳥類動物的嘌呤降解終產(chǎn)物是尿酸；非同。靈長類和鳥類動物的嘌

6、呤降解終產(chǎn)物是尿酸；非靈長類的哺乳動物和腹足類動物是尿囊素；硬骨魚類靈長類的哺乳動物和腹足類動物是尿囊素；硬骨魚類將尿囊素分解為尿囊酸；兩棲類則將尿囊酸分解為尿?qū)⒛蚰宜胤纸鉃槟蚰宜?；兩棲類則將尿囊酸分解為尿素和乙醛酸；甲殼類動物將嘌呤分解為素和乙醛酸；甲殼類動物將嘌呤分解為CO2和和NH3。 腺嘌呤和鳥嘌呤在相應的脫氨酶作用下水解脫氨腺嘌呤和鳥嘌呤在相應的脫氨酶作用下水解脫氨基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤和黃嘌呤基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶催化下轉變?yōu)槟蛩?。尿酸最終降解為在黃嘌呤氧化酶催化下轉變?yōu)槟蛩?。尿酸最終降解為CO2和和NH3。第5頁/共53頁64

7、 嘧啶堿的分解嘧啶堿的分解 胞嘧啶先脫氨轉變?yōu)槟蜞奏?，尿嘧啶?jīng)胞嘧啶先脫氨轉變?yōu)槟蜞奏?，尿嘧啶?jīng)還原、開環(huán)水解，最后生成還原、開環(huán)水解，最后生成NH3、CO2和和-丙氨酸。丙氨酸。-丙氨酸經(jīng)轉氨作用脫去氨基后參丙氨酸經(jīng)轉氨作用脫去氨基后參加有機酸代謝。加有機酸代謝。 胸腺嘧啶經(jīng)還原、開環(huán)水解生成胸腺嘧啶經(jīng)還原、開環(huán)水解生成NH3、CO2和和-氨基異丁酸，后者脫去氨基后參加氨基異丁酸，后者脫去氨基后參加有機酸代謝。有機酸代謝。第6頁/共53頁71 嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成 生物利用生物利用CO2、甲酸鹽、谷氨酰胺、天冬氨酸和、甲酸鹽、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸等簡單前體物質(zhì)作為合

8、成嘌呤環(huán)的前體。甘氨酸等簡單前體物質(zhì)作為合成嘌呤環(huán)的前體。CNCNCCCNN123456789CO2天冬氨酸天冬氨酸N10-甲酰甲酰四氫葉酸四氫葉酸谷氨酰胺谷氨酰胺(酰胺氮酰胺氮)甘氨酸甘氨酸N10-甲酰甲酰四氫葉酸四氫葉酸嘌呤環(huán)的元素來源嘌呤環(huán)的元素來源第7頁/共53頁8 合成過程是在合成過程是在5 -磷酸核糖基礎上進行的。磷酸核糖基礎上進行的。 組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的C1上去的，先合成咪唑環(huán)，再合成駢嘧啶上去的，先合成咪唑環(huán)，再合成駢嘧啶環(huán)。隨著嘌呤環(huán)的生成，環(huán)。隨著嘌呤環(huán)的生成，5 -核苷酸應運而核苷酸應運而生。第一個被合成的核苷酸是生。

9、第一個被合成的核苷酸是IMP。 AMP、 GMP是由是由IMP轉化生成的。轉化生成的。 嘌呤核苷酸生物合成的特點：嘌呤核苷酸生物合成的特點：第8頁/共53頁9 生物利用現(xiàn)有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷生物利用現(xiàn)有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的過程稱為半合成途徑。酸的過程稱為半合成途徑。嘌呤堿嘌呤堿+1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤核苷嘌呤核苷+Pi嘌呤堿嘌呤堿+PRPP嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶ATPADP核苷磷酸激酶核苷磷酸激酶核苷酸焦磷酸化酶核苷酸焦磷酸化酶PPi第9頁/共53頁10CNNCCC123456嘧啶環(huán)各元素來源嘧啶環(huán)各元素來源來來 自自 天天 冬冬 氨氨 酸酸來來 自自 氨

10、氨 甲甲 酰酰 磷磷 酸酸2 嘧啶核糖核苷酸的合成嘧啶核糖核苷酸的合成 嘧啶環(huán)是以天冬氨酸、谷酰胺、嘧啶環(huán)是以天冬氨酸、谷酰胺、CO2為前體物為前體物質(zhì)合成的。質(zhì)合成的。第10頁/共53頁113 脫氧核糖核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸的合成 脫氧核苷酸的合成不是從脫氧核糖起始的，脫氧核苷酸的合成不是從脫氧核糖起始的，而是先合成相應的核苷酸后，再通過還原作用而是先合成相應的核苷酸后，再通過還原作用使其中的核糖脫氧轉變成為脫氧核苷酸。催化使其中的核糖脫氧轉變成為脫氧核苷酸。催化此還原反應的酶體系包括核糖核苷酸還原酶、此還原反應的酶體系包括核糖核苷酸還原酶、硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶及硫氧還蛋白、硫氧

11、還蛋白還原酶及FAD、NADP等因子。等因子。第11頁/共53頁12NADPNADPH+FADATP, Mg2+硫氧還蛋白還原酶硫氧還蛋白還原酶硫氧還蛋白硫氧還蛋白-(SH)2(還原型還原型)硫氧還蛋白硫氧還蛋白-S2(氧化型氧化型)核糖核苷酸還原酶核糖核苷酸還原酶(B1和和B2)核糖核苷核糖核苷二磷酸二磷酸脫氧核糖核脫氧核糖核苷二磷酸苷二磷酸+H2O脫氧核糖核苷酸的形成脫氧核糖核苷酸的形成第12頁/共53頁13三三 遺傳信息遺傳信息1 DNA是遺傳信息的攜帶分子是遺傳信息的攜帶分子第13頁/共53頁142 RNA使遺傳信息得以表達使遺傳信息得以表達第14頁/共53頁153 遺傳密碼的破譯遺傳

12、密碼的破譯 mRNA是指導蛋白質(zhì)合成的直接模板，是由四種是指導蛋白質(zhì)合成的直接模板，是由四種核苷酸組成的。如果由兩個堿基決定一個氨基酸在肽核苷酸組成的。如果由兩個堿基決定一個氨基酸在肽鏈中的位置，則只有鏈中的位置，則只有16組二聯(lián)體，不能滿足組二聯(lián)體，不能滿足20種氨基種氨基酸編碼的需要；如果每三個堿基編碼一個氨基酸，可酸編碼的需要；如果每三個堿基編碼一個氨基酸，可組合成組合成64組三聯(lián)體，能滿足組三聯(lián)體，能滿足20種氨基酸編碼的需求。種氨基酸編碼的需求。應用生物化學和遺傳學實驗證明：三個堿基編碼一個應用生物化學和遺傳學實驗證明：三個堿基編碼一個氨基酸，稱為氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼或密

13、碼子?；蛎艽a子。 從從1961年開始，用年開始，用64個已知密碼，找出了與之對個已知密碼，找出了與之對應的氨基酸。應的氨基酸。1966-1967年，破譯全部遺傳密碼。年，破譯全部遺傳密碼。第15頁/共53頁16第一位堿基第一位堿基(5 端端)第第 二二 位位 堿堿 基（中基（中 間）間）第三位堿基第三位堿基(3 端端)UCAGU苯丙苯丙苯丙苯丙絲絲絲絲絲絲絲絲酪酪酪酪半胱半胱半胱半胱UCAG亮亮亮亮終止終止終止終止終止終止色色C亮亮亮亮亮亮亮亮脯脯脯脯脯脯脯脯組組組組精精精精精精精精UCAG谷酰胺谷酰胺谷酰胺谷酰胺A異亮異亮異亮異亮異亮異亮蘇蘇蘇蘇蘇蘇蘇蘇天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺絲絲絲

14、絲UCAG賴賴賴賴精精精精甲硫甲硫(起始起始)G纈纈纈纈纈纈纈纈丙丙丙丙丙丙丙丙天冬天冬天冬天冬甘甘甘甘甘甘甘甘UCAG谷谷谷谷遺遺 傳傳 密密 碼碼 字字 典典第16頁/共53頁174 遺傳密碼的基本特性遺傳密碼的基本特性第17頁/共53頁18四四 DNA的復制和修復的復制和修復1 DNA的半保留復制的半保留復制 DNA復制時復制時, 兩條鏈堿基對之間氫鍵破裂，雙兩條鏈堿基對之間氫鍵破裂，雙螺旋解開，以每條鏈作模板分別合成新的互補鏈。螺旋解開，以每條鏈作模板分別合成新的互補鏈。于是親代于是親代DNA分子變?yōu)楹塑账崤帕行蛄型耆嗤姆肿幼優(yōu)楹塑账崤帕行蛄型耆嗤膬蓚€子代兩個子代DNA分子。每

15、個子代分子。每個子代DNA分子的一條鏈分子的一條鏈來自親代來自親代DNA，另一條則是新合成的，這樣的復制，另一條則是新合成的，這樣的復制合成方式稱為合成方式稱為半保留復制半保留復制。 1958年，年，MeselsonStahl利用氮的同位素利用氮的同位素15N標記實驗首先證實了標記實驗首先證實了DNA半保留復制。半保留復制。第18頁/共53頁19DNA半保留復制的實驗證明半保留復制的實驗證明第19頁/共53頁202 DNA的復制起點和復制方式的復制起點和復制方式 DNA復制是一個受到嚴格控制的過程，復制是復制是一個受到嚴格控制的過程，復制是從從DNA上定點起始的。大腸桿菌染色體上定點起始的。大

16、腸桿菌染色體DNA復制起復制起始區(qū)為含回紋序列始區(qū)為含回紋序列GATC多達多達11次的一段約次的一段約245bp的的特殊序列。復制起始時，此序列可形成復雜的十字特殊序列。復制起始時，此序列可形成復雜的十字結構，為復制酶識別和結合的信號。原核生物染色結構，為復制酶識別和結合的信號。原核生物染色體體DNA較小，一般只有一個復制起點。較小，一般只有一個復制起點。 真核真核DNA的復制起點沒有順序特異性，是從復的復制起點沒有順序特異性，是從復制酶與制酶與DNA容易接觸的部位起始的，即兩核小體之容易接觸的部位起始的，即兩核小體之間的連接部位。真核間的連接部位。真核DNA有多個復制起始點。有多個復制起始點

17、。第20頁/共53頁21 DNA復制時，從復制點開始，兩條鏈解復制時，從復制點開始，兩條鏈解開，已解開的兩條鏈與未解開的雙鏈間形成叉開，已解開的兩條鏈與未解開的雙鏈間形成叉子樣的結構，稱為子樣的結構，稱為復制叉復制叉。DNA復制在復制叉復制在復制叉中進行。若從起點開始形成兩個復制叉，新鏈中進行。若從起點開始形成兩個復制叉，新鏈同時向相反兩個方向延伸，稱為同時向相反兩個方向延伸，稱為雙向復制雙向復制。若。若從起點開始形成一個復制叉，新鏈向一個方向從起點開始形成一個復制叉，新鏈向一個方向延伸，則稱為延伸，則稱為單向復制單向復制。對稱復制指兩條鏈同。對稱復制指兩條鏈同時進行復制，若一條鏈先復制，待一

18、條鏈復制時進行復制，若一條鏈先復制，待一條鏈復制完成另一條鏈才開始復制，則稱為不對稱復制。完成另一條鏈才開始復制，則稱為不對稱復制。第21頁/共53頁22第22頁/共53頁233 DNA聚合酶聚合酶 1956年年Kornberg等從大腸桿菌提取液中首先等從大腸桿菌提取液中首先發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶聚合酶I。1969年和年和1970年，年，Delucia和和Cairns從大腸桿菌分離得到從大腸桿菌分離得到DNA聚合酶聚合酶和和DNA聚合酶聚合酶。DNA聚合酶聚合酶和和是在是在1999年才年才被發(fā)現(xiàn)，他們涉及被發(fā)現(xiàn)，他們涉及DNA的易錯修復。的易錯修復。第23頁/共53頁24大腸桿菌三種大腸桿菌

19、三種DNA聚合酶的性質(zhì)比較聚合酶的性質(zhì)比較DNA聚聚合酶合酶 IDNA聚聚合酶合酶DNA聚聚合酶合酶相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量103 00088 000130 0003 5 核酸外切酶核酸外切酶+ +5 3 核酸外切酶核酸外切酶+- - -聚合速度聚合速度(核苷酸核苷酸/min)1 0001 2002 40015 00060 000持續(xù)合成能力持續(xù)合成能力32001 500500 000主要功能主要功能切除引物切除引物, 修復修復修復修復復制復制第24頁/共53頁252)真核生物真核生物DNA聚合酶聚合酶哺乳動物的哺乳動物的DNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶a a聚合酶聚合酶b b聚合酶聚合酶g g

20、聚合酶聚合酶d d定位定位細胞核細胞核細胞核細胞核線粒體線粒體細胞核細胞核亞基數(shù)目亞基數(shù)目4124外切酶活性外切酶活性無無無無3 5 3 5 引物合成酶活性引物合成酶活性有有無無無無無無持續(xù)合成能力持續(xù)合成能力低低低低高高抑制劑抑制劑蚜腸霉素蚜腸霉素雙脫氧雙脫氧TTP 雙脫氧雙脫氧TTP蚜腸霉素蚜腸霉素功能功能引物合成引物合成修復修復線粒體線粒體DNA復制和修復復制和修復核核DNA復制和修復復制和修復第25頁/共53頁26DNA聚合酶的反應特點是：聚合酶的反應特點是： 以四種脫氧核苷三磷酸作底物以四種脫氧核苷三磷酸作底物; 反應需要模板的指導，模板方向反應需要模板的指導，模板方向3 5 ; 反

21、應需要引物反應需要引物3 -OH存在存在; DNA新鏈的生長方向為新鏈的生長方向為5 3 ; 產(chǎn)物產(chǎn)物DNA的性質(zhì)與模板相同。的性質(zhì)與模板相同。第26頁/共53頁274 DNA連接酶連接酶 DNA聚合酶只能催化聚合酶只能催化DNA鏈的延伸，不能鏈的延伸，不能使兩條使兩條DNA鏈端部相互以磷酸酯鍵連接起來，也鏈端部相互以磷酸酯鍵連接起來，也不能使單鏈不能使單鏈DNA環(huán)化閉合。環(huán)化閉合。1967年，幾個實驗室年，幾個實驗室同時發(fā)現(xiàn)了同時發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶，該酶可使雙鏈連接酶，該酶可使雙鏈DNA中一中一條斷開的相鄰核苷酸間條斷開的相鄰核苷酸間(斷口的一端為斷口的一端為3 -OH，另，另一端是一端是5

22、 -磷酸基磷酸基)形成形成3 ,5 -磷酸二酯鍵，但不磷酸二酯鍵，但不能使游離的兩條鏈直接連接起來。連接反應需要能使游離的兩條鏈直接連接起來。連接反應需要能量，在動物和噬菌體由能量，在動物和噬菌體由ATP提供，在細菌由提供，在細菌由NAD提供。提供。 此外，參與此外，參與DNA復制過程的酶還有轉軸酶、復制過程的酶還有轉軸酶、旋轉酶、解鏈酶、引發(fā)酶、單鏈結合蛋白等。旋轉酶、解鏈酶、引發(fā)酶、單鏈結合蛋白等。第27頁/共53頁285 DNA的復制過程的復制過程 DNA復制是一個受到嚴格控制的過程復制是一個受到嚴格控制的過程, 復制是從復制是從DNA上定點起始的。大腸桿菌染色體上定點起始的。大腸桿菌染

23、色體DNA復制起始復制起始區(qū)為含回紋序列區(qū)為含回紋序列GATC多達多達11次的一段約次的一段約245bp的特的特殊序列。復制起始時，此序列可形成復雜的十字結殊序列。復制起始時，此序列可形成復雜的十字結構構, 為復制酶識別和結合的信號。原核生物染色體為復制酶識別和結合的信號。原核生物染色體DNA較小，一般只有一個復制起點。較小，一般只有一個復制起點。 真核真核DNA的復制起點沒有順序特異性，是從復的復制起點沒有順序特異性，是從復制酶與制酶與DNA容易接觸的部位起始的，即兩核小體之容易接觸的部位起始的，即兩核小體之間的連接部位。真核間的連接部位。真核DNA有多個復制起始點。有多個復制起始點。第28

24、頁/共53頁29 DNA復制時，解鏈酶與復制起始區(qū)結合，利用復制時，解鏈酶與復制起始區(qū)結合，利用ATP提供能量，使雙鏈解開，形成復制叉。在復制提供能量，使雙鏈解開，形成復制叉。在復制叉中叉中DNA聚合酶以單鏈為模板合成新鏈。隨著解鏈聚合酶以單鏈為模板合成新鏈。隨著解鏈和合成的不斷進行，使復制叉前面的螺旋進一步扭和合成的不斷進行，使復制叉前面的螺旋進一步扭緊，產(chǎn)生正超螺旋張力，而使解鏈難以繼續(xù)進行。緊，產(chǎn)生正超螺旋張力，而使解鏈難以繼續(xù)進行。 拓補異構酶拓補異構酶能切斷雙鏈中的一條，斷端繞螺能切斷雙鏈中的一條，斷端繞螺旋轉動，釋放解鏈造成的正超螺旋張力。超螺旋解旋轉動，釋放解鏈造成的正超螺旋張力

25、。超螺旋解除后封閉斷口。拓補異構酶除后封閉斷口。拓補異構酶能切斷雙鏈，并向能切斷雙鏈，并向DNA分子中引入負超螺旋，以消除解鏈產(chǎn)生的正超分子中引入負超螺旋，以消除解鏈產(chǎn)生的正超螺旋張力。螺旋張力。第29頁/共53頁302)不連續(xù)復制不連續(xù)復制 DNA是兩條反向平行的鏈，是兩條反向平行的鏈，DNA聚合酶要聚合酶要求模板和方向是求模板和方向是3 5 。在。在DNA復制時，復制時，3 5 走向的模板鏈的新鏈以走向的模板鏈的新鏈以5 3 方向連續(xù)合成，稱方向連續(xù)合成，稱先導鏈先導鏈。5 3 走向的模板鏈的新鏈也是走向的模板鏈的新鏈也是5 3 方向合成，與復制叉移動的方向相反，隨著復制方向合成，與復制叉

26、移動的方向相反，隨著復制叉的移動，合成出許多不連續(xù)的片段叉的移動，合成出許多不連續(xù)的片段(稱岡崎片稱岡崎片段段)，最后連接成一條完整的，最后連接成一條完整的DNA鏈，稱鏈，稱滯后鏈滯后鏈。 原核生物中岡崎片段的長度為原核生物中岡崎片段的長度為10002000個個核苷酸；真核生物中的約核苷酸；真核生物中的約200個核苷酸，相當于個核苷酸，相當于一個核小體一個核小體DNA的長度。的長度。第30頁/共53頁313)引物合成引物合成 DNA聚合酶都只能從引物的聚合酶都只能從引物的3 -OH末端延末端延伸伸DNA鏈，而不能從頭合成。引物是由特定的鏈，而不能從頭合成。引物是由特定的RNA聚合酶聚合酶(引發(fā)

27、酶引發(fā)酶)合成的合成的RNA片段，長度約幾片段，長度約幾個到十幾個核苷酸。每個合成起始點都需要引物。個到十幾個核苷酸。每個合成起始點都需要引物。 DNA聚合酶聚合酶以其以其5 3 外切酶活性將外切酶活性將RNA引引物切除，留下的空缺由該酶從下一個岡崎片段的物切除，留下的空缺由該酶從下一個岡崎片段的3 -OH端開始，按模板延伸端開始，按模板延伸DNA鏈將缺口補齊，再由鏈將缺口補齊，再由DNA連接酶將鄰近岡崎片段連接起來，成為一個完連接酶將鄰近岡崎片段連接起來，成為一個完整的新鏈。整的新鏈。第31頁/共53頁32DNA復制過程可分為復制過程可分為8個步驟：個步驟：(1) 解鏈蛋白將解鏈蛋白將DNA

28、雙鏈解開。雙鏈解開。(2) 引發(fā)酶結合于打開的引發(fā)酶結合于打開的DNA單鏈上，合成單鏈上，合成RNA引物。引物。(3) 解旋酶在復制叉前面特定位點解旋，以釋放張力。解旋酶在復制叉前面特定位點解旋，以釋放張力。(4) DNA聚合酶聚合酶按堿基互補原則從引物按堿基互補原則從引物3-OH端延伸端延伸DNA鏈。鏈。(5) DNA鏈延伸致下一個引物時，鏈延伸致下一個引物時，DNA聚合酶聚合酶脫離。脫離。(6) DNA聚合酶聚合酶從從5 3 方向切除引物和合成新方向切除引物和合成新DNA鏈。鏈。(7) 岡崎片段之間由岡崎片段之間由DNA連接酶連接成新鏈。連接酶連接成新鏈。(8) 新合成的子鏈與模板鏈形成新

29、的新合成的子鏈與模板鏈形成新的DNA雙螺旋鏈。雙螺旋鏈。第32頁/共53頁33第33頁/共53頁34紫外線照射紫外線照射產(chǎn)生嘧啶二聚體產(chǎn)生嘧啶二聚體光復活酶光復活酶吸收光解開二聚體吸收光解開二聚體釋放光復活酶釋放光復活酶6 DNA損傷損傷的修復的修復第34頁/共53頁35切開切開( (核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶) )切除切除( (核酸外切酶核酸外切酶) )修復修復(DNA聚合酶聚合酶)連接連接(DNA連接酶連接酶)第35頁/共53頁36復制復制重組重組再合成再合成第36頁/共53頁37五五 RNA的生物合成的生物合成1 RNA聚合酶的類型聚合酶的類型 原核細胞大腸桿菌中只分離到一種原核細胞大腸桿菌中

30、只分離到一種RNA聚合酶，聚合酶，能催化細胞中三種能催化細胞中三種RNA的合成。真核細胞中分離得的合成。真核細胞中分離得到多種到多種RNA聚合酶：聚合酶：RNA聚合酶聚合酶、，分別，分別催化催化rRNA、mRNA、5SrRNA和和tRNA的合成。線粒的合成。線粒體和葉綠體中的體和葉綠體中的RNA聚合酶各自催化線粒體和葉綠聚合酶各自催化線粒體和葉綠體中的體中的RNA轉錄合成。轉錄合成。第37頁/共53頁38 大腸桿菌大腸桿菌RNA聚合酶，相對分子量聚合酶，相對分子量40萬萬50萬，含有萬，含有2、 、五個亞基。無五個亞基。無亞基的亞基的酶稱為核心酶。酶稱為核心酶。亞基的功能是幫助核心酶識別亞基的

31、功能是幫助核心酶識別轉錄起始位點，核心酶的功能是催化聚合反應。轉錄起始位點，核心酶的功能是催化聚合反應。無無亞基的核心酶只能使正在合成的亞基的核心酶只能使正在合成的RNA鏈延長，鏈延長，但不具有起始合成但不具有起始合成RNA的能力。的能力。2 RNA聚合酶的結構聚合酶的結構第38頁/共53頁393 RNA聚合酶催化聚合反應的特聚合酶催化聚合反應的特點點 要求模板方向是要求模板方向是3 5 。 不需要引物，可從頭起始合成。不需要引物，可從頭起始合成。 新鏈延伸方向是新鏈延伸方向是5 3 。 底物是四種核苷三磷酸。底物是四種核苷三磷酸。 反應需要反應需要Mg2+或或Mn2+。第39頁/共53頁40

32、1)轉錄起始轉錄起始 RNA轉錄從轉錄從DNA模板上特定部位開始。模板上特定部位開始。從轉錄起點開始到上游約從轉錄起點開始到上游約 35 40 bp 的一段富的一段富AT區(qū)，稱之為區(qū)，稱之為啟動子啟動子。啟動子包括。啟動子包括亞基的識亞基的識別部位、別部位、RNA聚合酶緊密結合部位和轉錄起點聚合酶緊密結合部位和轉錄起點三個部分。緊密結合部位是位于轉錄起點前三個部分。緊密結合部位是位于轉錄起點前10位的一段位的一段TATAATG保守區(qū)，稱為保守區(qū)，稱為TAT盒。盒。4 RNA的轉錄過程的轉錄過程第40頁/共53頁41 轉錄起始過程為：轉錄起始過程為：RNA聚合酶的聚合酶的因子因子識別啟動子特殊堿

33、基順序，導致識別啟動子特殊堿基順序，導致RNA聚合酶聚合酶全酶與啟動子特定部位緊密結合，并局部打全酶與啟動子特定部位緊密結合，并局部打開開DNA雙螺旋，第一個核苷三磷酸底物插入雙螺旋，第一個核苷三磷酸底物插入轉錄起始點部位，與模板配對結合，轉錄從轉錄起始點部位，與模板配對結合，轉錄從此開始。此開始。第41頁/共53頁42 模板上轉錄起始點第模板上轉錄起始點第1位堿基一般是嘧啶，位堿基一般是嘧啶，RNA新鏈新鏈5 -端第端第1個摻入的核苷酸則為嘌呤，個摻入的核苷酸則為嘌呤，當與模板堿基互補的第當與模板堿基互補的第2個核苷三磷酸的個核苷三磷酸的5 -磷酸磷酸基與第基與第1個核苷酸的個核苷酸的3 -

34、OH形成形成3 , 5 -磷酸二酯磷酸二酯鍵，并釋放焦磷酸則開始了鍵，并釋放焦磷酸則開始了RNA鏈的延伸。隨鏈的延伸。隨著著RNA聚合酶沿模板聚合酶沿模板3 5 方向移動，方向移動，DNA雙雙鏈不斷解開，新生鏈不斷解開，新生RNA鏈就不斷延伸。鏈就不斷延伸。2)延伸延伸第42頁/共53頁43 當新生鏈延長到當新生鏈延長到1020核苷酸后核苷酸后亞基從亞基從全酶上脫落，核心酶繼續(xù)催化鏈的延伸。新全酶上脫落，核心酶繼續(xù)催化鏈的延伸。新生的生的RNA鏈與模板鏈與模板DNA鏈形成的鏈形成的RNA-DNA雜交雙鏈不穩(wěn)定，核心酶移動后留下的兩條雜交雙鏈不穩(wěn)定，核心酶移動后留下的兩條單鏈單鏈DNA有更強的復

35、性能力，從而取代雜交有更強的復性能力，從而取代雜交鏈中的鏈中的RNA鏈，雙鏈鏈，雙鏈DNA模板恢復原樣，新模板恢復原樣，新的的RNA鏈游離出來。鏈游離出來。第43頁/共53頁443)轉錄終止轉錄終止 轉錄在特定位點終止，轉錄在特定位點終止，DNA模板上有終模板上有終止信號，稱終止子。所有原核生物的終止子在止信號，稱終止子。所有原核生物的終止子在終止位點前均有一個二重對稱序列，之后有一終止位點前均有一個二重對稱序列，之后有一個富含個富含AT序列跟隨。由于終止子結構不同，終序列跟隨。由于終止子結構不同，終止有兩種不同的機制：一種是不需終止蛋白止有兩種不同的機制：一種是不需終止蛋白因子幫助的終止，一

36、種是需要因子幫助的終止，一種是需要因子幫助的終因子幫助的終止。止。 不需不需因子幫助的終止，其終止子的二重因子幫助的終止，其終止子的二重對稱結構中富含對稱結構中富含G、C，之后有寡聚，之后有寡聚A序列。需序列。需因子幫助的終止，其終止子的二重對稱結構因子幫助的終止，其終止子的二重對稱結構中不富含中不富含G、C，之后無寡聚，之后無寡聚A序列。序列。第44頁/共53頁45第45頁/共53頁465 RNA的復制合成的復制合成 某些某些RNA病毒，其遺傳物質(zhì)是病毒，其遺傳物質(zhì)是RNA，其，其RNA的合成是通過的合成是通過RNA的復制的方式來完成的。的復制的方式來完成的。噬菌體噬菌體Qb中中RNA占占3

37、0%，蛋白質(zhì)占，蛋白質(zhì)占70%。其。其RNA是是4500個核苷酸組成的一條單鏈分子，具個核苷酸組成的一條單鏈分子，具有有mRNA功能功能(正鏈正鏈)，可編碼成熟蛋白、外殼蛋，可編碼成熟蛋白、外殼蛋白和復制酶的白和復制酶的b b亞基其亞基其RNA的復制是依賴的復制是依賴 RNA 復制酶。復制酶。 RNA復制酶對模板有高度專一性，只識別復制酶對模板有高度專一性，只識別自身自身RNA，對宿主細胞和其他病毒，對宿主細胞和其他病毒RNA均無反均無反應。應。第46頁/共53頁47核酸降解產(chǎn)生的核苷酸可被核苷酸酶降解，產(chǎn)核酸降解產(chǎn)生的核苷酸可被核苷酸酶降解，產(chǎn)生核苷和磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶生核苷和

38、磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶的作用下生成堿基和的作用下生成堿基和1-磷酸戊糖，核苷也可在磷酸戊糖，核苷也可在核苷酸酶的作用下生成堿基和戊糖。核苷酸酶的作用下生成堿基和戊糖。腺嘌呤和鳥嘌呤在相應的脫氨酶作用下水解脫腺嘌呤和鳥嘌呤在相應的脫氨酶作用下水解脫氨基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤氨基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶催化下轉變?yōu)槟蛩帷：忘S嘌呤在黃嘌呤氧化酶催化下轉變?yōu)槟蛩?。尿酸最終降解為尿酸最終降解為NH3和和CO2。生物利用生物利用CO2、甲酸鹽、谷酰胺、甘氨酸、天、甲酸鹽、谷酰胺、甘氨酸、天冬氨酸等簡單前體物質(zhì)合成嘌呤核苷酸。冬氨酸等簡單前體物質(zhì)合成

39、嘌呤核苷酸。提提 要要第47頁/共53頁48嘌呤核苷酸生物合成的特點為：嘌呤核苷酸生物合成的特點為： 合成過程是在合成過程是在5 -磷酸核糖基礎上進行的。磷酸核糖基礎上進行的。 組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的C1上去的上去的, 先合成咪唑環(huán)先合成咪唑環(huán), 再合成駢嘧啶環(huán)。再合成駢嘧啶環(huán)。隨著嘌呤環(huán)的生成隨著嘌呤環(huán)的生成, 5 -核苷酸應運而生。第核苷酸應運而生。第一個被合成的核苷酸是一個被合成的核苷酸是IMP。 AMP、 GMP是由是由IMP轉化生成的。轉化生成的。1)密碼的基本單位密碼的基本單位 2)密碼的簡并性密碼的簡并性3)密碼的變偶性密碼的變偶

40、性 4)密碼的通用性密碼的通用性5)密碼的防錯系統(tǒng)密碼的防錯系統(tǒng)第48頁/共53頁49DNA半保留復制：半保留復制：DNA復制時，兩條鏈堿基對復制時，兩條鏈堿基對之間氫鍵破裂，雙螺旋解開，以每條鏈作模板分之間氫鍵破裂，雙螺旋解開，以每條鏈作模板分別合成新的互補鏈。于是親代別合成新的互補鏈。于是親代DNA分子變?yōu)楹塑辗肿幼優(yōu)楹塑账崤帕行蛄型耆嗤膬蓚€子代酸排列序列完全相同的兩個子代DNA分子。每個分子。每個子代子代 DNA分子的一條鏈來自親代，另一條則是分子的一條鏈來自親代，另一條則是新合成的，這樣的復制合成方式稱為半保留復制。新合成的，這樣的復制合成方式稱為半保留復制。參與參與DNA復制過程

41、的酶有：復制過程的酶有：DNA聚合酶、聚合酶、DNA連接酶、轉軸酶、旋轉酶、解鏈酶、引發(fā)酶、單連接酶、轉軸酶、旋轉酶、解鏈酶、引發(fā)酶、單鏈結合蛋白等。鏈結合蛋白等。第49頁/共53頁50DNA聚合酶的反應特點是：聚合酶的反應特點是： 以四種脫氧核苷三磷酸作底物以四種脫氧核苷三磷酸作底物; 反應需要模板的指導，模板方向反應需要模板的指導，模板方向3 5 ; 反應需要引物反應需要引物3 -OH存在存在; DNA新鏈的生長方向為新鏈的生長方向為5 3 ; 產(chǎn)物產(chǎn)物DNA的性質(zhì)與模板相同。的性質(zhì)與模板相同。DNA復制的起點復制的起點: 原核原核DNA復制是從定點起始復制是從定點起始的，一般只有一個復制

42、起點。真核的，一般只有一個復制起點。真核DNA的復制的復制是從復制酶與是從復制酶與DNA容易接觸的部位起始的，是容易接觸的部位起始的，是有多個復制起始點。有多個復制起始點。第50頁/共53頁51DNA復制從復制點開始，雙鏈解開，在解開的雙復制從復制點開始，雙鏈解開，在解開的雙條鏈與未解開的雙鏈間形成叉狀結構，稱為復制條鏈與未解開的雙鏈間形成叉狀結構，稱為復制叉。如從起點開始形成兩個復制叉，新鏈同時向叉。如從起點開始形成兩個復制叉，新鏈同時向相反兩個方向延伸，稱為雙向復制；若從起點開相反兩個方向延伸，稱為雙向復制；若從起點開始形成一個復制叉，新鏈向一個方向延伸，稱為始形成一個復制叉，新鏈向一個方

43、向延伸，稱為單向復制。對稱復制指兩條鏈同時進行復制；若單向復制。對稱復制指兩條鏈同時進行復制；若一條鏈先復制，待一條鏈復制完成另一條鏈才開一條鏈先復制，待一條鏈復制完成另一條鏈才開始復制，稱為不對稱復制。始復制，稱為不對稱復制。第51頁/共53頁52D N A 復 制 時 ，復 制 時 ， 3 5 走 向 模 板 鏈 的 新 鏈 以走 向 模 板 鏈 的 新 鏈 以5 3 方向連續(xù)合成，稱為先導鏈；方向連續(xù)合成，稱為先導鏈；5 3 走向走向模板鏈的新鏈與復制叉移動的方向相反，隨著復模板鏈的新鏈與復制叉移動的方向相反，隨著復制叉的移動，合成出許多不連續(xù)的片段制叉的移動，合成出許多不連續(xù)的片段(稱

44、岡崎稱岡崎片段片段)，最后連接成一條完整的，最后連接成一條完整的DNA鏈，稱為滯鏈，稱為滯后鏈。后鏈。原核細胞大腸桿菌中只分離到一種原核細胞大腸桿菌中只分離到一種RNA聚合酶，聚合酶，能催化細胞中能催化細胞中3種種RNA的合成。真核細胞中分離的合成。真核細胞中分離得到多種得到多種RNA聚合酶：聚合酶：RNA聚合酶聚合酶、，分別催化分別催化rRNA、mRNA、5SrRNA和和tRNA的合的合成。成。第52頁/共53頁53作 業(yè)1. 生物體合成嘌呤環(huán)的前體物質(zhì)是什么？生物體合成嘌呤環(huán)的前體物質(zhì)是什么？2. 生物體合成嘧啶環(huán)的前體物質(zhì)是什么？生物體合成嘧啶環(huán)的前體物質(zhì)是什么？3. 簡述簡述DNA半保

45、留復制。半保留復制。第53頁/共53頁542 核苷酸的降解核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成為核苷。生物體內(nèi)廣泛存在核苷酸水解下磷酸成為核苷。生物體內(nèi)廣泛存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化這一反應。非特異性的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化這一反應。非特異性的磷酸單酯酶對所有核苷酸都能作用，特異性強的磷的磷酸單酯酶對所有核苷酸都能作用，特異性強的磷酸單酯酶只能水解酸單酯酶只能水解3 核苷酸或核苷酸或5 核苷酸。核苷酸。 核苷經(jīng)核苷酶催化分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。核苷經(jīng)核苷酶催化分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。堿基堿基 + 戊糖

46、戊糖核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷 + H2O核苷核苷 + 磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶堿基堿基 + 戊糖戊糖-1-磷酸磷酸第4頁/共53頁553 嘌呤堿的分解嘌呤堿的分解 不同生物分解嘌呤的能力不同，代謝產(chǎn)物也不相不同生物分解嘌呤的能力不同，代謝產(chǎn)物也不相同。靈長類和鳥類動物的嘌呤降解終產(chǎn)物是尿酸；非同。靈長類和鳥類動物的嘌呤降解終產(chǎn)物是尿酸；非靈長類的哺乳動物和腹足類動物是尿囊素；硬骨魚類靈長類的哺乳動物和腹足類動物是尿囊素；硬骨魚類將尿囊素分解為尿囊酸；兩棲類則將尿囊酸分解為尿?qū)⒛蚰宜胤纸鉃槟蚰宜幔粌蓷悇t將尿囊酸分解為尿素和乙醛酸；甲殼類動物將嘌呤分解為素和乙醛酸；甲殼類動物將嘌呤分解為CO2和和NH3。 腺嘌呤和鳥嘌呤在相應的脫氨酶作用下水解脫氨腺嘌呤和鳥嘌呤在相