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1、.,核酸与蛋白质的生物合成,九江市卫生学校 邹 弯,第八章,.,学 习 内 容,.,核酸与蛋白质 生命的物质基础,核酸 遗传的物质基础，指导蛋白质的生物合成,蛋白质 遗传信息的表达者和生命特征的体现者,.,第一节 核酸的分子组成、结构与理化性质,.,是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，起携带和传递遗传信息的作用。,概 念,核酸是从细胞核中分离得到一种含磷的酸性化合物，1968年瑞士青年医生Fridrich Miescher 在脓细胞中首次分离发现，后来被证实核酸是遗传的物质基础。,分 类,脱氧核糖核酸 DNA 细胞核,核糖核酸 RNA 细胞质,储存遗传信息,参与遗传信息的传递和表达,.,RN
2、A按生物学功能可分为：,信使RNA( messenger RNA, mRNA)转运RNA ( transfer RNA, tRNA)核蛋白体RNA ( ribosomal RNA, rRNA),.,一，核酸的分子组成,（一）核酸的元素组成,（二）组成核酸的基本成分,C、H、O、N、P（910%）,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,嘌呤碱,嘧啶碱,核糖,脱氧核糖,(H3PO4),.,（二）组成核酸的基本成分,1，磷酸H3PO4,2，戊糖,P,OH,HO,OH,O,.,3，含氮碱基,（二）组成核酸的基本成分,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U
3、）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,DNA:A G C TRNA:A G C U,.,嘌 呤,3，含氮碱基,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),.,嘧啶,3，含氮碱基,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,胞嘧啶（C）,.,一，核 酸 的 分 子 组 成,（三）组成核酸的基本单位核苷酸,(A、G、C、U),碱基,核糖,磷酸,核苷键,磷酸酯键,核苷,核苷酸（RNA）,(A、G、C、T),碱基,脱氧核糖,核苷键,脱氧核苷,脱氧核苷酸（DNA）,磷酸,磷酸酯键,.,1，核 苷,由戊糖与碱基通过糖苷键连接而形成的化合物。,糖苷键戊糖的第1位C与嘌呤碱的第9位N或嘧啶碱的第1位N之间脱水缩合而成。,.,2，核
4、苷 酸,由核苷中戊糖的羟基（-OH）与磷酸以磷酸酯键连接而形成的化合物。,磷酸酯键 核糖或脱氧核糖第5位C上的羟基（-OH）被磷酸酯化。,.,P28,.,.,两类核酸的基本成分和基本单位,.,二，核 酸 的 分 子 结 构,(一) 核苷酸的连接方式,3，5-磷酸二酯键 一个核苷酸C-3上的羟基与另一个核苷酸C-5上的磷酸脱水缩合形成的酯键。,.,多核苷酸链,RNA链: AMP、GMP、CMP、UMP,DNA链: dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,方向：5 3,主链骨架：磷酸和戊糖交替,二，核 酸 的 分 子 结 构,.,二，核 酸 的 分 子 结 构,(二) 核酸的一级结构,多核苷酸链中
5、核苷酸的排列顺序。 由于各种核苷酸之间的差别只是碱基的不同，因此，核苷酸的排列顺序也称为碱基的排列顺序。,.,二，核 酸 的 分 子 结 构,(三) 核酸的空间结构,.,1, DNA的空间结构,（1）DNA的二级结构双螺旋结构,.,DNA双螺旋结构模型要点：,DNA由两条多核苷酸链组成，这二条链互相平行、方向相反，（一条为5 3走向，另一条为3 5走向）共同围绕同一中心轴以右手螺旋方式盘旋。,.,DNA双螺旋结构模型要点：,两条链上相对应的碱基按照碱基互补规律，通过氢键形成碱基配对。,A-T G-C,互补碱基：每一碱基对中的两个碱基。,互补链：DNA分子中的两条链。,.,DNA双螺旋结构模型要
6、点：,双螺旋的直径为2nm，碱基平面与中心轴垂直。 碱基对之间距离为0.34nm，每一螺旋内含10个碱基对，故螺距为3.4nm。,.,DNA双螺旋结构模型要点：,DNA分子中互补碱基之间的氢键（横向）和相邻碱基平面之间的碱基堆积力（纵向）是维持DNA双螺旋结构稳定的主要作用力。,.,（2）DNA的三级结构超螺旋结构,1, DNA的空间结构,DNA在二级结构的基础上，双螺旋结构进一步盘曲形成更加复杂的结构。,DNA的双螺旋可成开链或闭链环状，经进一步折叠成麻花状的超螺旋结构。,.,.,2, RNA的空间结构,（1）RNA的二级结构发夹状结构,RNA二级结构特点：,1，RNA为单链结构（DNA为双
7、链结构）2，RNA链中可在某些节段回旋折叠形成局部双链结构，也可进行碱基配对。A-U G-C3，RNA链中在没有碱基配对的节段形成突环。,.,（2）tRNA的二级结构三叶草结构,2, RNA的空间结构,四个螺旋区三个环 DHU环 反密码环 TC环一个附加叉,氨基酸臂,反密码环,TC环,DHU环,附加叉,.,（3）tRNA的三级结构倒L型结构,2, RNA的空间结构,在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型,.,（一）核酸的一般性质 酸性 紫外线最大吸收峰：260nm（二）核酸的变性与复性 1，变性 增色效应 减色效应 2，复性 退火（三）核酸的分子杂交 杂交,三，核 酸 的 理 化 性 质,.
8、,第二节 核 苷 酸 代 谢,.,合成代谢嘌呤核苷酸（AMP、GMP）嘧啶核苷酸（UMP、CTP）脱氧核苷酸（dNDP）多磷酸核苷酸（NDP、NTP） 分解代谢嘌呤核苷酸（A、G）嘧啶核苷酸（C、U、T）,核 苷 酸 代 谢 概 况,1,.,核 苷 酸 的 来 源,外源性食物中核酸的消化吸收,内源性机体细胞的自身合成 主要,核苷酸不属于营养必需物质,.,一，核苷酸的合成代谢,合成途径：,从头合成途径：利用氨基酸、一碳单位、CO2和磷酸核糖等小分子物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途径。这是主要合成途径，主要在肝脏进行。补救合成途径：以游离的碱基或核苷为原料，经过简单的反应过程，合成核
9、苷酸的途径。脑、骨髓等只能进行此途径。,.,（一） 嘌呤核苷酸的合成 从头合成途径,（2）合成原料 谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、 5-磷酸核糖、一碳单位、CO2,肝、小肠和胸腺的胞液。,（1）合成部位,并不是所有细胞都具有从头合成嘌呤核苷酸的能力。,.,甘氨当中站, 谷氮坐两边,左上天冬氨, 头顶CO2还有俩一碳,嘌呤碱合成的元素来源,.,（3）合成过程,（一） 嘌呤核苷酸的合成,2. IMP（次黄嘌呤核苷酸）的合成,3. AMP和GMP的生成,1. PRPP(磷酸核糖焦磷酸)的生成,.,R-5-P（5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸） PRPP,在甘氨酸、一碳单位、谷氨酰胺
10、、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,经9步反应,IMP,H2N-1-R-5-P（5-磷酸核糖胺，PRA）,（次黄嘌呤核苷酸）,（腺嘌呤核苷酸）,（鸟嘌呤核苷酸）,.,（一） 嘌呤核苷酸的合成 补救合成途径,合成部位: 胞液(脑、骨髓为主)合成特点: 过程简单，耗能少。利用现成的碱基或核苷合成核苷酸。合成过程：,.,生理意义： （1）可直接利用细胞或饮食中的嘌呤或嘌呤核苷，能节省能量与氨基酸消耗； （2）某些器官如脑、骨髓等，缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶体系，只能进行补救合成。,（一） 嘌呤核苷酸的合成 补救合成途径,.,（二） 嘧啶核苷酸的合成 从头合成途径,主要是肝细胞胞液,（1）合成部位：,先
11、合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连先合成UMP，再转变成CTP和dTMP,（3）特点：,（2）合成原料： 谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2 、 5-磷酸核糖,.,嘧啶碱合成的元素来源,氨基甲酰磷酸,.,（二） 嘧啶核苷酸的合成 从头合成途径,（4）合成过程,先合成嘧啶环，再与PRPP连接。,先合成UMP，再转变为其它嘧啶核苷酸。,.,（三） 脱氧核苷酸的合成,在二磷酸核苷（NDP，N代表A、G、C、U）水平上直接还原生成二磷酸脱氧核苷（dNDP）。,反应过程：,.,（三） 脱氧核苷酸的合成,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP） 由dUMP甲基化生成,反应过程：,dUMP,dTMP,.,（四） 多磷酸核苷酸的合成
12、,反应过程：,N代表不同的碱基,.,二，核苷酸的分解代谢,碱基,磷酸,核苷酸,核苷,嘌呤碱（A、G）,嘧啶碱,磷酸核糖,H2O,磷酸,核苷酸酶,核苷磷酸化酶,尿酸,C、U,T,-丙氨酸,-氨基异丁酸,.,（一） 嘌呤核苷酸的分解,分解部位：,肝脏、小肠及肾脏中,IMP,反应过程：,人体内嘌呤碱的最终代谢产物,.,尿酸特点：水溶性差； 正常人血浆内尿酸含量低，约为0.12-0.36mmol/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、尿路结石及肾疾病,嘌呤核苷酸代谢酶缺陷体内核酸大量分解进食高嘌呤饮食肾功能障碍时,血中尿酸 ,0.48mmol/L,痛风症,.,痛风症,.,（二）
13、 嘧啶核苷酸的分解,补救合成或进一步分解,.,CO2 + NH3,-丙氨酸,-氨基异丁酸,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,.,第三节 核 酸 的 生 物 合 成,.,核 酸 的 生 物 合 成,.,生 物 学 的 中 心 法 则,逆转录,（亲代 子代）,.,复制：以亲代DNA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的过程。转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则合成RNA，即将DNA所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的RNA的过程。翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码
14、解读成蛋白质的氨基酸顺序的过程。反转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成DNA的过程。,中心法则几个基本概念,.,一，DNA的生物合成,.,DNA遗传信息的载体,特点：准确的进行自我复制，使DNA 成倍增加。,细胞分裂的物质基础,（一）DNA的复制,.,DNA的复制方式半保留复制,DNA复制时，首先是DNA 的双螺旋结构松解，两条链之间的氢键断裂，然后DNA分子中的每一条链为模板，通过碱基配对，合成两个新的DNA分子。这种复制方式称为半保留复制。,亲代DNA,.,.,1，DNA 的 复 制 体 系,模板：亲代DNA (双链)原料：dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物：
15、提供3-OH末端的寡核苷酸 引物（RNA)。参与复制的主要酶类（重点） 参与复制的其他蛋白质因子： 单链DNA结合蛋白（SSBP）,.,参与复制的主要酶类,.,参与复制的主要酶类,聚合作用：催化dNTP通过3-5磷酸二酯键 聚合成DNA多核苷酸链。引物： 3-OH末端的RNA引物方向： 5 3核酸外切酶活性3 5外切酶活性:识别并切除不配对核苷酸5 3外切酶活性:去除RNA引物和突变基因,.,参与复制的主要酶类,是RNA聚合酶，合成短片段的RNA引物，为DNA复制提供3OH末端，,由ATP供能，打开DNA双链间的氢键,解开双螺旋。,.,参与复制的主要酶类,作用：使DNA解旋变成松弛状态，以解决
16、DNA复制过程中造成DNA分子打结、缠绕及连环的现象。,.,参与复制的主要酶类,若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。,.,1,DNA 的 复 制 过 程,., DNA复制的起点 原核生物从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行的，称为双向复制,单击画面继续,复制,（1） 复制的起始,.,复制叉的形成 复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构。,单击画面继续,.,起始的过程,打开DNA超螺旋,打开双螺旋,防止复螺旋,单链结合蛋白,解链酶,引物复合体,引物酶,拓扑异构酶,合成,.
17、,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA双链,（1） 复制起始的过程,.,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,拓扑异构酶与DNA双链结合，解开超螺旋。,（1） 复制起始的过程,.,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,解链酶解开DNA双螺旋,（1） 复制起始的过程,.,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,单链结合蛋白防止复螺旋,（1） 复制起始的过程,.,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,
18、引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,引物酶合成引物,（1） 复制起始的过程,.,1. DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加到引物的3-OH上，开始新生链的合成过程。,引物,（2） 复制的延长,.,组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来,3,5-磷酸二酯键,引物,.,引物,.,引物,.,引物,.,引物,.,引物,.,引物,.,引物,.,DNA模板链,DNA新链,引物,.,领头链,随从链,冈崎片段,5,3 ,领头链：合成方向与解链方向相同，5 3，可连续合成的新链。,随从链：合成方向与解链方向相反，不能连续合成，而是按5 3，方向合成一段较短的DNA片段后，需待模板解链到足够长度再合成另
19、一段的链。,冈崎片段：随从链上不连续的DNA片段。,.,复制有终止信号5 3外切酶活性水解引物DNA聚合活性填补空隙DNA连接酶连接缺口。,（3） 复制的终止,.,（二）反转录,定义：以RNA为模板合成DNA，遗传信息从RNA传递到DNA分子中的过程称为反转录。,模板：RNA酶：反转录酶（存在于所有致癌RNA病毒中）原料：dNTP方向：5 3,.,二，RNA的生物合成,.,（一）RNA 的 转 录 体 系,1，模板：DNA双链 模板链（有意义链） 编码链（反意义链）2，原料：4种NTP（ATP、 GTP、 CTP、 UTP）3，参与转录的酶：RNA聚合酶（特点）4，参与转录的其他物质：转录因子
20、、终止因子等,.,3，RNA聚合酶的特点,以DNA为模板 以4种NTP为原料 遵循碱基配对原则： A-U T-A G-C延长方向：5 3 需要Mn2+或Mg2+ 不需要引物 缺乏3 5外切酶活性，所以没有校正功能,DNA,RNA,转录,.,（二）RNA 转 录 过 程,RNA转录由起始、延长、终止三个阶段组成。起始：RNA聚合酶在亚基的引导下结合于启动子；DNA双链局部解开；在模板链上通过碱基配对合成最初RNA链延长：核心酶沿着DNA链由3 5的方向移动，转录区间的DNA双链解螺旋，而转录完的区间DNA又恢复双螺旋结构终止：核心酶到达终止子，RNA与核心酶从DNA上脱落,.,模板链,编码链,正
21、超螺旋,负超螺旋,（二）RNA 转 录 过 程,.,第 四 节 蛋白质的生物合成（翻译）,.,蛋白质生物合成体系,n 氨基酸 蛋白质,mRNA、tRNA、rRNA,酶、蛋白质因子、ATP、GTP,蛋白质的生物合成（翻译）： 根据mRNA分子中的遗传信息合成多肽链的过程，使多核苷酸链中核苷酸的排列顺序转换为多肽链中氨基酸的排列顺序。,.,蛋白质生物合成体系,原料：20种氨基酸 三种RNA的作用 mRNA：模板 rRNA：合成场所 tRNA：氨基酸的“搬运工具” 蛋白质因子：启动、延长、终止因子 酶:氨基酰-tRNA合成酶 、转肽酶 能量：ATP、GTP 无机离子 ：Mg2+ K+,.,一，三种R
22、NA的作用,.,mRNA,rRNA,tRNA,.,（一）mRNA的作用,mRNA带有DNA分子的遗传信息，是蛋白质生物合成的直接模板。,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个相邻核苷酸组成三联体，代表着氨基酸的信息或蛋白质合成的起始、终止信号。,.,UAAUAGUGA,64种密码子,61种: 代表20种不同的氨基酸；,位于mRNA分子中部时，代表蛋氨酸密码子位于mRNA分子5端时，代表起始密码子,AUG,代表终止密码子，位于mRNA分子3端。,数量：64（43）,.,.,1，方向性,2，摆动性,mRNA分子中三联体密码是按53方向排列的； 起始密码 5末端，终止密码 3 末端，中间为
23、信息区。,tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。,.,U,摆动配对,.,3，充足性,4，专一性,64-3=61个代表20种氨基酸，除蛋氨酸和色氨酸外，一个氨基酸一般都有2-4个密码，多的有6个密码。,一个密码只代表一种氨基酸,.,5，连续性,6，通用性,从正确起点开始至终止信号，密码子的排列是连续的，既不存在间隔（无标点），也无重叠。在mRNA分子上插入或删去一个碱基，会使该点以后的读码发生错误，称为移码，由这种情况引起的突变称为移码突变。,生物界在蛋白质的生物合成中都共用一套遗传密码。,缬-丙-酪-甘,
24、缬-丙-丝-精,缬-脯-苏-天,.,（二）tRNA的作用,氨基酸受臂,反密码环,1，转运氨基酸形式：氨基酰tRNA2，辨认密码：tRNA分子上的反密码,.,mRNA,rRNA,tRNA,.,（三）rRNA的作用,rRNA + 蛋白质 核蛋白体（大亚基、小亚基）,蛋白质合成的场所,A位：结合氨基酰tRNA的氨 基酰位,P位：结合肽酰tRNA的肽酰位,E位：空载tRNA的排出位,转肽酶：可催化肽链从P位 转移到A位,转肽酶,.,二，蛋白质的生物合成过程,mRNA中碱基的排列顺序,蛋白质中的氨基酸的排列顺序,翻译,.,（一）氨基酰的活化与转运,氨基酸 + ATP+ tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,
25、氨基酰-tRNA + AMP +PPi,.,（二）核蛋白体循环中心环节,.,1，起始阶段,起始复合体,大亚基,mRNA,蛋氨酰-tRNA,小亚基,IF-1，2，3GTP,.,115,核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,.,116,核蛋白体大小亚基分离,.,117,mRNA在小亚基定位结合,S-D,.,118,起始氨基酰tRNA结合到小亚基,S-D,.,119,核蛋白体大亚基结合形成起始复合物,IF-2,GDP,PPi,IF-3,IF-1,.,2，延长阶段,使多肽链从N端向C端延长,.,2，延长阶段进位,Tu,Ts,GTP,是指根据mRNA下一组遗传密码指导，使氨基酰tRNA进入核蛋白体A
26、位。,.,fMet,GTP,Tu,GDP,Ts,GTP,fMet,2，延长阶段进位,.,2，延长阶段转肽,E位,fMet,是转肽酶催化的肽键形成的过程,.,E位,fMet,在转位酶的作用下，消耗GTP，促进核蛋白体向mRNA的3移动，使肽酰tRNA和mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA进入E位,2，延长阶段移位,.,E位,fMet,AA3,Tu,GTP,2，延长阶段移位,.,进位,转肽,移位,消耗GTP,多肽链按mRNA上密码顺序不断从N端向C端延长,.,RF,核蛋白体移位后，当mRNA在受位上出现终止密码（UAA、UAG、UGC）时，终止因子能识别密码而进入受位与之结合，从而阻止了氨基酰-tRNA的进位，多肽链合成终止。,3，终止阶段,.,二，蛋白质的生物合成,蛋白质的生物合成是一个耗能的过程，多肽链中每增加一个氨基酸单位要消耗4个高能磷酸键。,蛋白质合成需要大量能量。婴幼儿、恢复期病人体内蛋白质合成旺盛，应供给大量的能量，以利于体内蛋白质的合成。,.,在一条mRNA链上可以同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率。,.,（三）翻译后的加工修饰,.,Thank you !,.,（四）蛋白质生物合成在医学中的应用,1，分子病镰刀形红细胞性贫血,.,.,二，蛋白质的生物合成,
