第八章__核酸代谢和蛋白质的生物合成

第八章核酸代谢和蛋白质的生物合成第一节核苷酸代谢MetabolismofNucleotides一、核酸的化学组成1.元素组成：C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成：——碱基（base）：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖（ribose）：核糖，脱氧核糖——磷酸（phosphate）OHOCH2OHOHDeoxyribose戊糖（构成RNA）（构成DNA）OHOCH2OHOHOHRibose1´2´3´4´5´NNNHNNH2嘌呤（purine）NNNHN123456789Adenine腺嘌呤GuanineNNHNHNNH2O鸟嘌呤NNH132456嘧啶（pyrimidine）NNHNH2OCytosineNHNHOOUracilNHNHOOCH3Thymine尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶其中ＤＮＡ中主要是Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ；ＲＮＡ中主要是Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｕ；以及少量的稀有碱基。核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：AdR,GdR,TdR,CdR二、核酸的组成方式1.核苷（ribonucleoside）的形成碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接形成核苷或脱氧核苷OHOCH2OHOHNNNH2O1´1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP2.核苷酸（ribonucleotide）的形成核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)OHNOCH2ONNH2OPOOHOH3`5`CNOOHNNNNH2CH2OPOOOHNOCH2ONNH2OPOOHOH3`5`5`CANOONNNNH2CH2OPOOOHNOCH2ONNH2OPOOHOHNNHNNNH2OOHOCH2OPOOH3`5`5`3`5`3`AGC5′端3′端3.核酸的形成核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸•核苷酸的生物功用作为核酸合成的原料体内能量的利用形式参与代谢和生理调节组成辅酶活化中间代谢物二、核苷酸的消化与吸收食物核蛋白蛋白质核酸（RNA及DNA）胃酸单核苷酸胰核酸酶核苷磷酸胰、肠核苷酸酶碱基戊糖核苷酶嘌呤核苷酸的分解代谢MetabolismofPurineNucleotides组织细胞中的嘌呤核苷酸首先在核苷酸酶的作用下水解为核苷。核苷经核苷磷酸化酶催化，磷酸解生成1-磷酸核糖和嘌呤碱。1-磷酸核糖转变成为5-磷酸核糖，进入磷酸戊糖途径。而嘌呤碱进一步代谢，最终氧化生成尿酸随尿排出嘌呤核苷酸的分解代谢核苷酸核苷核苷酸酶Pi核苷磷酸化酶碱基1-磷酸核糖人体内的嘌呤的分解主要在肝、小肠及肾脏中进行。正常人血中尿酸较低，约为0.12-0.36mmol/L。当血浆中尿酸高于0.48mmol/L，尿酸盐晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石、肾疾病，称痛风症，进食高嘌呤或恶性肿瘤等均可使尿酸含量升高二、嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶碱1-磷酸核糖嘧啶核苷酸核苷核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶胞嘧啶NH3尿嘧啶二氢尿嘧啶H2OCO2+NH3β-丙氨酸胸腺嘧啶β-脲基异丁酸β-氨基异丁酸H2O丙二酸单酰CoA乙酰CoATAC肝尿素甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰CoATAC糖异生二、嘌呤核苷酸的合成代谢从头合成途径(denovosynthesispathway)补救合成途径(salvagesynthesispathway)嘌呤核苷酸的结构GMPAMP嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成•定义•合成部位•嘌呤碱合成的元素来源CO2天冬氨酸甲酰基（一碳单位）甘氨酸甲酰基（一碳单位）谷氨酰胺（酰胺基）•过程1.IMP的合成2.AMP和GMP的生成R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PRPP（5-磷酸核糖1-焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下IMP（次黄嘌呤核苷酸）AMPGMPH2N-1-R-5´-P（5´-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺转移酶利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径•定义腺嘌呤+PRPPAMP+PPiAPRT腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP鸟嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT3.合成过程APRT为腺嘌呤磷酸核糖转移酶，HGPRT为次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶•补救合成的生理意义补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。嘧啶核苷酸的代谢MetabolismofPyrimidineNucleotides嘧啶核苷酸的结构从头合成途径补救合成途径一、嘧啶核苷酸的合成代谢（二）嘧啶核苷酸的从头合成主要是肝细胞胞液嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。•定义•合成部位•嘧啶合成的元素来源氨基甲酰磷酸天冬氨酸•合成过程1.尿嘧啶核苷酸的合成谷氨酰胺+CO2氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+Pi氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸由PRPP提供磷酸核糖，合成尿甘酸（UMP）2.胞嘧啶核苷酸的合成ATPADP尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶谷氨酰胺ATP谷氨酸ADP+Pi脱氧核糖核苷酸的生成在核苷二磷酸水平上进行（N代表A、G、U、C等碱基）dNDP+ATP激酶dNTP+ADP（三）DNA的生物合成——复制基因概念：是指DNA分子上携带着遗传信息的碱基序列片段，是遗传的功能单位。特征：1、携带遗传信息2、基因能被复制3、基因能突变中心法则反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。转录RNA翻译蛋白质DNARNA（病毒）复制复制翻译蛋白质（病毒）反转录复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原则，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。一、DNA的复制复制的方式DNA的半保留复制(一)DNA的半保留复制1.定义：以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代DNA，这样新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。原料：DNA复制的原料是四种dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)复制所需的酶类：1.解链酶(又称解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解链酶作用：断裂互补碱基间的氢键,使DNA双链分离形成单链（复制叉）。并有单链蛋白附着于单链，防止单链重新结合成双链2.引物酶(Primase)5´3´5´5´5´3´它是一种依赖DNA的RNA聚合酶，此酶以DNA为模板，催化四种核糖核苷酸合成短片RNA作为DNA合成的引物3.DNA聚合酶（DNApolymerase,DNApol）即依赖于DNA的DNA聚合酶（DDDP）：以DNA为模板链，合成子代DNA，模板可以是双链，也可以是单链DNA，催化四种脱氧核苷三磷酸在RNA引物的3’–OH聚合形成DNA片段合成方向：534.DNA连接酶(DNALigase)作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段通过3‘,5’-磷酸二酯键连接在一起形成更大的DNA片段DNA的复制过程复制的起始链的延长复制的终止复制的起始1.在拓扑异构酶、解链酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。2.RNA引物的生成在引物酶的作用下，以单链的DNA为模板，按碱基互补的规律（A-U,T-A,C-G）合成一个短链，并以此合成DNA的引物3.DNA片段的生成在DNA聚合酶的作用下，以四种脱氧核苷酸为原料，以DNA每一条链为模板，按碱基互补规律，在引物酶的3’-OH末端合成沿5’3’延伸的DNA片段链的延长引物合成后，在引物3'-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。领头链:链的延长方向(5'3')与解链方向(复制叉移动方向)相同,为连续合成。随从链:链的延长方向(5'3')与解链方向(复制叉移动方向)相反，为不连续合成。分段合成的DNA片段,最初被命名为冈崎片段三、DNA复制的半不连续性前导链滞后链冈崎片段前导链：以3’→5’方向的亲代链为模板连续合成的子代链。滞后链：以5’→3’方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。或领头链III复制的终止1.水解引物及填补空隙冈崎片段合成后，由DNA聚合酶水解去除RNA引物。2.完整双链DNA分子的形成在DNA连接酶的作用下，各冈崎片段连接起来形成完整的双链DNA分子。DNA的半保留复制的生物学意义：DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施。二、逆转录(reversetranscription)概念以RNA为模板，按碱基配对规律合成DNA的过程。反转录酶,又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependentDNApolymerase,RDDP)DNA转录RNARNA(病毒)....................RDDP引物,4种dNTPRDDPRNaseH4种dNTPRDDP或DDDP病毒RNARNA-DNA杂化分子cDNA前病毒(双链DNA)酶催化反应示意图RNA的生物合成转录以DNA为模板合成RNA，将DNA的遗传信息传递到RAN分子中的过程实质：按碱基配对规律(T-A,A-U,G-C)合成一条与模板链互补的RNA链的过程。转录的模板转录的模板是DNA的分子双链中的一条单链。作为转录模板的DNA称为模板链或有意义链，与其互补的另一条称编码链或反意义链。编码链模板链转录的原料为四种核苷酸，即ATP、GTP、CTP、UTP。转录酶RNA聚合酶转录的过程转录时，在DNA双链转录的部位先解开一段螺旋，暴露出DNA模板链，然后在RNA聚合酶作用下，按碱基互补规律合成RNA。RNA链的合成的方向是5’3’。转录完毕，RNA从DNA上水解下来，DNA模板链与编码链又重新形成双链RNA的复制以RNA为模板合成RNA的过程称为RNA的复制。主要见于某些病毒和吞噬体，他们的遗传信息不是由DNA携带而是由RNA携带。第三节蛋白质的生物合成RNA蛋白质蛋白质RNADNA复制复制反转录转录翻译翻译遗传信息传递的中心法则蛋白质是体现生命现象的最重要物质。生物体内蛋白质的合成需要准确无误的按照遗传信息来进行。DNA的遗传信息经过转录传给mRNA,再按mRNA上的遗传信息转化成具有氨基酸序列的蛋白质。这种以mRNA为模板，按照其核苷酸的顺序组成的密码指导蛋白质合成的过程称为翻译一、mRNA（messengerRNA）——蛋白质生物合成的直接模板DNAmRNA蛋白质一、mRNA*mRNA分子中每三个相邻碱基组成一个密码子或遗传密码*mRNA上的四种碱基可组成64(43)个密码子，其中61个代表不同的氨基酸，其余三个代表终止信号。通用遗传密码子.起始密码子与终止密码子：起始密码子：AUG蛋氨酸终止密码子：UAA，UGA，UAG。氨基酸臂反密码子环二、tRNA（transferRNA）—蛋白质生物合成的“高级搬运工”ltRNA的功能：·2.活化氨基酸，跨越能障，使肽键的形成变得容易。1.tRNA搬运特定的氨基酸，保证了遗传信息传递的准确性。3.将密码子信息转换为对应氨基酸的符号4.即tRNA能与专一的氨基酸结合并识别mRNA分子上的密码子.氨基酸的活化与转运氨基酸+tRNA氨基酰tRNA合成酶氨基酰-tRNA+ppiATPAMP*一种tRNA仅转运一种氨基酸，而一种氨基酸可由几种tRNA转运。E