第9章--核酸代谢和蛋白质的生物合成

艾旭光制作生物化学基础人民卫生出版社第九章核酸代谢和蛋白质的生物合成张文利制作第九章核酸代谢和蛋白质的生物合成核苷酸代谢第一节核酸的生物合成第二节蛋白质的生物合成第三节基因表达第四节基因组学与后基因组学第五节学习目标3．了解基因表达的概念及特征；基因表达的方式；人类基因组学、后基因组学的研究。2．熟悉核苷酸合成代谢的原料、分解代谢的产物；转录的概念；蛋白质生物合成的基本过程。1．掌握DNA复制的方式及概念；三种RNA在蛋白质合成中的作用；遗传密码子的概念及起始、终止密码子。第一节核苷酸代谢二、核苷酸的分解代谢一、核苷酸的合成代谢内容提要（一）嘌呤核苷酸的合成从头合成途径补救合成途径一、核苷酸的合成代谢第一节核苷酸代谢第一节核苷酸代谢1.嘌呤核苷酸的从头合成途径概念：从头合成途径是指利用5-磷酸核糖、一碳单位、CO2及氨基酸等简单物质为原料，经过一系列酶促反应合成核苷酸的过程。基本原料：5-磷酸核糖、谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、一碳单位和CO2主要器官：肝脏，其次为小肠粘膜和胸腺CO2天冬氨酸一碳单位（甲酰基）甘氨酸一碳单位（甲酰基）谷氨酰胺（酰胺基）R–5–P嘌呤碱的元素来源第一节核苷酸代谢第一节核苷酸代谢反应过程分两个阶段：首先在5-磷酸核糖的基础上逐步合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），IMP再转化为AMP和GMP。AMP和GMP经过磷酸化反应分别生成GTP和ATP，GTP和ATP是合成RNA的原料。AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶（次黄苷酸）AMPGMPIMP（鸟苷酸）（腺苷酸）第一节核苷酸代谢2.嘌呤核苷酸的补救合成途径概念：补救合成途径是细胞利用现有的嘌呤碱或嘌呤核苷与5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)反应形成嘌呤核苷酸的过程。腺嘌呤+PRPPAMP+PPiAPRT次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鸟嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP从头合成途径补救合成途径（二）嘧啶核苷酸的合成第一节核苷酸代谢第一节核苷酸代谢1.嘧啶核苷酸的从头合成途径基本原料：5-磷酸核糖、谷氨酰胺、天冬氨酸和CO2嘧啶碱的元素来源天冬氨酸谷氨酰胺CO2第一节核苷酸代谢2.嘧啶核苷酸的补救合成途径嘧啶核苷酸+PPi嘧啶（除胞嘧啶外）+PRPP嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷酸+ADP尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶dTMP+ADP脱氧胸苷+ATP胸苷激酶第一节核苷酸代谢（三）脱氧核糖核苷酸的合成ADPGDPCDPUDP+NADPH+H+dADPdGDPdCDPdUDP+NADP++H2O还原酶CDPdCDPdCMPUDPdUDPdUMPdTMP甲基化脱氨基dTTPdTDPdTTP的生物合成(一)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-磷酸核糖二、核苷酸的分解代谢第一节核苷酸代谢嘌呤碱的最终代谢产物AMPGMPH（次黄嘌呤）GX（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶尿酸（过多可导致痛风症）第一节核苷酸代谢（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（二）嘧啶核苷酸的分解第一节核苷酸代谢嘧啶碱的分解（肝）胞嘧啶、尿嘧啶NH3、CO2及β-丙氨酸胸腺嘧啶NH3、CO2及β-氨基异丁酸监测放射性损伤和临床治疗第一节核苷酸代谢二、RNA的生物合成一、DNA的生物合成内容提要第二节核酸的生物合成遗传信息传递的中心法则逆转录复制蛋白质翻译转录复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。以亲代DNA为模板合成子代DNA，将遗传信息准确传到子代DNA分子的过程，称为复制。生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。第二节核酸的生物合成第二节核酸的生物合成一、DNA的生物合成（一）DNA复制复制方式复制亲代DNA子代DNA概念：复制时，亲代DNA双链解开成两股单链，以每条单链为模板，按照碱基互补规律合成与其互补的子链。从而由一个亲代DNA复制出两个与亲代DNA完全相同的子代DNA。在新合成的每一个子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。-----半保留复制复制的原料dATPdGTPdCTPdTTPDNAdAＭPdGＭPdCＭPdTＭP原料组成单位第二节核酸的生物合成（1）引物酶（2）DNA聚合酶(3）DNA连接酶解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶和引发体DNA聚合酶ISSB3´3´5´3´5´5´RNA引物*参与ＤＮＡ复制的酶类拓扑异构酶、解螺旋酶单链DNA结合蛋白引物酶—复制起始时催化生成RNA引物1.以ＤＮＡ为模板2.以ATP,GTP,CTP,UTP为原料３.以53方向合成RＮＡ片段DNA依赖的DNA聚合酶活性：1.以ＤＮＡ为模板2.以dATP,dGTP,dCTP,dTTP为原料３以一段ＲＮＡ作为引物４.以53方向合成ＤＮＡ片段DNA连接酶：连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段连接相邻的DNA链，使其成为一条完整的链•拓扑异构酶既能水解、又能连接磷酸二酯键•解螺旋酶——作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链•单链DNA结合蛋白（SSB）——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整（1）起始阶段DNA解链形成复制叉、引发体及引物的过程。原核生物的DNA复制过程（3）终止阶段（2）延伸阶段随从链：不连续复制、冈崎片段前导链：连续复制3535引物DNA拓扑异构酶SSB含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。5335解链方向领头链随从链复制过程简图第二节核酸的生物合成第二节核酸的生物合成复制基本过程复制的起始DNA链的合成与延长DNA链合成的终止复制叉的移动方向解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引发体DNA聚合酶I3´3´5´前导链随后链3´5´5´RNA引物3´3´DNA连接酶第二节核酸的生物合成（二）反转录自然界中，高等生物的遗传物质大多数是双链DNA，但有些病毒的遗传物质却是RNA，这些病毒通过逆转录方式合成DNA。逆转录是指以RNA为模板，在逆转录酶的催化下，合成DNA的过程，也称为反转录。第二节核酸的生物合成二、RNA的生物合成转录是指以DNA为模板合成RNA的过程。在转录过程中，首先以一段解开的DNA单链作为模板链（另一条与模板链互补的DNA单链称为编码链），4种NTP为原料，按照碱基互补配对的规律，在依赖DNA的RNA聚合酶的催化下合成相应的RNA，从而将DNA携带的遗传信息传递给RNA。（转录是RNA生物合成的主要方式）二、蛋白质的生物合成过程一、三种RNA在蛋白质合成中的作用内容提要第三节蛋白质的生物合成（翻译）第三节蛋白质的生物合成（翻译）一、三种RNA在蛋白质合成中的作用（一）mRNA----蛋白质生物合成的直接模板遗传密码：在翻译过程中，按照mRNA分子5′→3′的方向，每三个相邻的核苷酸组成一个三联体，每个三联体代表一种氨基酸或其他信息，此三联体称为遗传密码或密码子。始密码子：AUG终止密码子：UAA.UAG、UGA第三节蛋白质的生物合成（翻译）UCAUGAUUAmRNA（模板）密码子密码子密码子第三节蛋白质的生物合成（翻译）第一核苷酸（5′端）第二核苷酸第三核苷酸（3′端）UCAGU苯丙氨酸UUU丝氨酸UCU酪氨酸UAU半胱氨酸UGUU苯丙氨酸UUC丝氨酸UCC酪氨酸UAC半胱氨酸UGCC亮氨酸UUA丝氨酸UCA终止密码子UAA终止密码子UGAA亮氨酸UUG丝氨酸UCG终止密码子UAG色氨酸UGGGC亮氨酸CUU脯氨酸CCU组氨酸CAU精氨酸CGUU亮氨酸CUC脯氨酸CCC组氨酸CAC精氨酸CGCC亮氨酸CUA脯氨酸CCA谷氨酰胺CAA精氨酸CGAA亮氨酸CUG脯氨酸CCG谷氨酰胺CAG精氨酸CGGGA异亮氨酸AUU苏氨酸ACU天冬酰胺AAU丝氨酸AGUU异亮氨酸AUC苏氨酸ACC天冬酰胺AAC丝氨酸AGCC异亮氨酸AUA苏氨酸ACA赖氨酸AAA精氨酸AGAA蛋氨酸AUG苏氨酸ACG赖氨酸AAG精氨酸AGGGG缬氨酸GUU丙氨酸GCU天冬氨酸GAU甘氨酸GGUU缬氨酸GUC丙氨酸GCC天冬氨酸GAC甘氨酸GGCC缬氨酸GUA丙氨酸GCA谷氨酸GAA甘氨酸GGAA缬氨酸GUG丙氨酸GCG谷氨酸GAG甘氨酸GGGG遗传密码表第三节蛋白质的生物合成（翻译）（二）tRNA（三）rRNA转运氨基酸的工具；识别mRNA分子上的密码子与多种蛋白质共同构成核糖体（或称核蛋白体），核糖体（或称核蛋白体），是蛋白质生物合成的场所核蛋白体反密码环氨基酸臂CAC组氨酸CAU异亮氨酸tRNA的一端运载着氨基酸反密码子第三节蛋白质的生物合成（翻译）二、蛋白质的生物合成过程（一）氨基酸的活化（二）肽链的合成——核糖体循环1.起始阶段2.延伸阶段3.终止阶段氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATPAMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶移位成肽进位1．起始阶段在三种起始因子、GTP和Mg2+的参与下，模板mRNA.蛋氨酰-tRNA分别与核糖体结合形成起始复合物。此时，蛋氨酰-tRNA处于大亚基的肽酰位，而对应于mRNA第二个密码位置的氨基酰位处于准备接受下一个氨基酰-tRNA的状态。第三节蛋白质的生物合成（翻译）细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）起始阶段：细胞质中的mRNA与核蛋白体结合ACGUCAUUA核蛋白体蛋氨酸UAC细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）延伸阶段：进位成肽移位ACGUCAUUA蛋氨酸UAC起始阶段：细胞质中的mRNA与核蛋白体结合进位细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）延伸阶段：进位成肽移位ACGUCAUUA蛋氨酸UAC进位成肽细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）延伸阶段：进位成肽移位蛋氨酸进位移位成肽UACACGUCAUUAUAC细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）延伸阶段：进位成肽移位蛋氨酸进位移位成肽ACGUCAUUA异亮氨酸UAGUAGUAAUAU细胞质中第三节蛋白质的生物合成（翻译）终止阶段:蛋氨酸异亮氨酸亮氨酸天冬氨酸UAGUAAUAUACGUCAUUA终止因子肽链从肽酰-tRNA中释出，tRNA和延长因子从复合物中脱落，核糖体与mRNA分离，大、小亚基解聚，肽链的合成结束。第三节蛋白质的生物合成（翻译）许多新合成的多肽链无生物活性，需经加工修饰，才能成为具有一定生物活性的完整的蛋白质分子。(三）多肽链合成后的加工修饰第四节基因表达三、原核生物基因表达的调控二、基因表达的方式一、基因表达的概念及特征内容提要四、真核生物基因表达的调控第四节基因表达一、基因表达的概念及特征（一）基因表达的概念（二）基因表达的基本特征基因表达是指DNA结构基因中遗传信息通过基因激活、转录和翻译合成具有特定功能的蛋白质分子的整个过程，即基因信息由DNA-RNA-蛋白质的传递过程。1．时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。2．空间特异性即在个体特定生长发育阶段，同一基因在不同组织器官表达不同。第四节基因表达二、基因表达的方式1.组成性表达。某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称管家基因。如三羧酸循环的酶编码基因。2．诱导和阻遏表达。与管家基因不同，另有一些基因表达极易受环境变化影响。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的，这种基因表达方式称为诱导。该基因是可诱导基因。即可诱导基因在特定的环境中表达增强的过程称为诱导。如果基因对环境信号应答时