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1、第一节 核苷酸代谢,一、核酸的消化与吸收二、核苷酸的合成代谢1、从头合成途径2、补救途径三、核苷酸的分解代谢,一、核酸的消化与吸收,二、核苷酸的合成代谢,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。,1、嘌呤核苷酸的从头合成,定义,合成部位,2、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
2、,利用体内游离的嘌呤(嘧啶)或嘌呤（嘧啶）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。,3、嘌呤（嘧啶）核苷酸的补救合成途径,定义,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。,三、核苷酸的分解代谢,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,核苷酸,核苷,核苷酸酶,Pi,核苷磷酸化酶,碱基,1-磷酸核糖,嘌呤核苷酸的分解代谢,
3、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,第二节 DNA的生物合成,DNA是遗传信息的储存者和携带者。遗传信息在DNA中以密码（碱基排列顺序）的形式储存，表现为特定的核苷酸排列顺序。自我复制：即DNA可以以自身为模板来合成新的DNA分子，把遗传信息一代代传递下去，从而保证子代和亲代在遗传上的一致性。,第二节 DNA的生物合成,一、复制二、端粒DNA的合成三、DNA的逆转录四
4、、DNA突变（DNA损伤）和基因多态性,一、复制,复制：遗传信息以碱基排列顺序的方式储存在DNA分子中，以亲代DNA为模板合成子代DNA时，即将遗传信息准确地复制到子代DNA分子上，这一过程称为复制。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞，从而保证子代与亲代在遗传上的一致性。DNA复制方法：半保留复制（是DNA特有的生物合成方法）,（一）DNA的半保留复制,复制依据：DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链，这样便形成了两个新的子代DNA分子。半保留复制：DNA在复制时首先两条
5、链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。发生部位：细胞核、线粒体、叶绿体。参与DNA复制的酶：DNA聚合酶、引物酶、DNA连接酶。,DNA的半保留复制,DNA的半连续复制,（二）DNA的复制过程,复制的过程1.复制的起始 2.RNA引物的合成3.DNA链的合成 4.复制的终止,1.复制起始,复制起始点：DNA的复制都是从某一特定位置开始的，这一位置叫复制起始点。该区域一般富含A、T两种碱基。复制眼：由能识别起始点的单链结合蛋白与复制起始点相结合，然后DNA双链被
6、解开所形成的“眼”状结构。复制叉：在复制眼的两端出现的两个叉状生长点。双向复制：即原核生物从一个固定的起始点上开始，向两个相反方向进行复制。区别：原核生物复制起始点只有一个，真核生物复制起始点有多个。,复制起始,2.RNA引物的合成,引物：在每一个复制起始点，DNA的合成必须要一段RNA作为引物，即以亲代DNA的单链为模板，在引物酶（RNA聚合酶）的催化下，合成一段含有50100个核苷酸的RNA短链，方向为53，与亲代DNA单链成逆向平行。,3.DNA链的合成,连续复制:不连续复制:冈崎片段：在以53链为模板时，在DNA聚合酶催化下所合成的不连续的DNA小片段(长度约1000-2000个核苷酸
7、)，这些片段根据发现者命名为冈崎片段。前导链：在以35链为模板时，新生的DNA以53方向连续合成，这条新生DNA链称为前导链。后随链：在以53链为模板时，新生的DNA以35方向不连续合成，这条新生DNA链称为后随链（滞后链）。,DNA的不连续复制,4.复制终止,DNA链的中断：当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其上的RNA引物在核酸酶的催化下，先后被水解切除掉。DNA链的连接：引物脱落后所留下的缺口，在DNA聚合酶催化下，用脱氧核苷酸配对填补上，再由DNA连接酶催化，把各短片段连接起来，并修复掺入DNA链的错配碱基。这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成了一条新的DNA互补链，构成了两个DNA
8、双螺旋分子，每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。,二、端粒DNA的合成,端粒是短的多重复的非转录序列（TTAGGG）及一些结合蛋白组成特殊结构，除了提供非转录DNA的缓冲物外，它还能保护染色体末端免于融合和退化，在染色体定位、复制、保护和控制细胞生长及寿命方面具有重要作用，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。当细胞分裂一次，每条染色体的端粒就会逐次变短一些，构成端粒的一部分基因约50200个核苷酸会因多次细胞分裂而不能达到完全复制（丢失），以至细胞终止其功能不再分裂。因此，严重缩短的端粒是细胞老化的信号。在某些需要无限复制循环的细胞中，端粒的长度在每次细胞分裂后被能合成端
9、粒的特殊性DNA聚合酶-端粒酶所保留。,五百欧元测寿命“生命长度”起争议,端粒的长度是生物学年龄的一个完美的显示器，对其进行测试可以在一定程度上预知一个人的寿命，但由此也会引发包括伦理学争议在内的一系列问题。,三、逆转录作用,1.逆向转录,2.逆转录酶：催化逆转录反应的酶。,3.病毒逆转录的过程：以病毒RNA为模板，在逆转录酶和tRNA引物的作用下，合成RNA-DNA杂合链，随后以新合成的DNA链为模板形成DNA-DNA双链，同时降解释放出RNA链；新合成的DNA双链转入细胞核内，进入宿主细胞，并随寄主DNA一起复制传递至子代细胞。,四、突变,突变：DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变
10、，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。突变的方式：1.碱基置换突变：由一个错误的碱基对替代一个正确的碱基对的突变叫碱基置换突变。2.插入突变：基因中插入一个或几个碱基对，会使DNA的阅读框架（读码框）发生改变，导致插入之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种异常的多肽链。3.缺失突变：基因中缺失一个或几个碱基对，会使DNA的阅读框架（读码框）发生改变，导致缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种异常的多肽链。,DNA突变的类型,野生型基因,碱基对的置换,移码突变,自发突变：在自然条件下发生的，由生物体内固有的诱变剂引
11、发的突变叫自发突变。诱发突变：由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。诱变剂：凡能提高突变率的任何理化因子都可称为诱变剂。常见的诱变剂：碱基类似物、亚硝酸、羟胺、紫外线、X 射线、射线、热处理等，还有一些来自于其他微生物的 DNA 片段、转座子等生物因子等都可诱发突变。,五、DNA的损伤与修复,DNA分子的损伤：由于复制差错或某些理化因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，引起生物突变和致死的作用，造成DNA分子结构和功能的破坏，称为DNA分子的损伤。紫外线对DNA分子损伤机理：紫外线主要作用在DNA上,因为用波长260nm紫外线照射细菌时,杀菌率和诱变率都有最强,而这个波长正是DN
12、A的吸收峰。紫外线照射后使同一链上的两个邻接嘧啶核苷酸的共价联结,形成胸嘧啶二聚体（TT）、胞嘧啶二聚体腺(CC）以及胞嘧啶和胸嘧啶二聚体（CT）。这些嘧啶二聚体使双螺的两链的键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响照射后DNA的复制和转录。,DNA损伤修复的途径,（1）光修复：在损伤部位就地修复；（2）切除修复：取代损伤部位；（3）重组修复：越过损伤部位而进行修复。,光修复,细菌经紫外线照射后，细胞内的光复合酶与紫外线照射所形成的嘧啶二聚体结合，形成酶和DNA 的复合物，但不能解开二聚体。修复机理：这时用可见光照射，使光复活酶激活，并利用可见光提供的能量，使二聚体解开成为单体，同时酶从复合物中
13、释放出来，使DNA恢复正常。局限性：是一种高度专一的修复形式，只分解由于UV照射而形成的嘧啶二聚体。,切除修复（暗修复）,这是一种比较普遍的修复机制，该修复过程具有更重要的意义，它并不表示修复过程只在黑暗中进行，而只是说，光不起任何作用。切除修复：即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的含 有二聚体的DNA 部分切除掉，然后通过新的核苷酸链的再合成切去的部分，所以又叫做切除修复。切除修复方式：一是先补后切，一是先切后补。,重组修复（复制后修复）,重组修复：受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至
14、子链的缺口处，然后再用DNA聚合酶和连接酶作用修复母链的空缺，此过程即重组修复。,第三节 RNA的生物合成,一、RNA的转录二、转录后加工三、RNA的复制,一、RNA的转录,转录：在生物细胞内以DNA为模板合成与DNA某段核苷酸顺序相对应的RNA分子，将遗传信息传递到RNA分子的过程，称为转录。转录的不对称性：在转录过程中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，这称为转录的不对称性。模板链：在转录过程中，DNA的二条链中用作模板的链称为模板链或反意义链。编码链：模板链互补的另一条链称为编码链或有意义链。转录方向：即RNA延伸方向53转录部位：原核生物在含有DNA的拟核区 真核生物在细胞核
15、（mRNA和tRNA在核质中，rRNA在核仁中),编码链5-CCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTTTGAACAAAA-3 模板链3-GGTCGGGCGGATTACTCGCCCGAAAAAAAACTTGTTTT-5RNA链 5-CCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUUOH3,RNA的转录过程,1.转录的起动2.RNA链的延长3.转录的终止,1.转录的起动,与DNA合成的区别之一：RNA的合成不需要引物。转录起始点的识别：全酶中的亚基会选择正确的起点，RNA聚合酶先与DNA模板上的特殊启动子部位结合，使DNA双链打开。三元起始复合物：第一个核苷三磷酸结合到转
16、录起始位点，便形成了启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。这时亚基被释放脱离核心酶。磷酸二酯键形成：第二个核苷酸进入，连接到第一个核苷酸的3羟基上，形成了第一个35-磷酸二酯键。,2.RNA链的延长,从起始到延伸的转变过程，核心酶与DNA的结合松弛，核心酶可沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向：沿DNA模板链的35方向按碱基配对原则向53方向延长。原料：ATP、GTP、CTP、UTP4种三磷酸核苷酸,3.转录的终止,终止子：在DNA分子上具有使RNA聚合酶停止合成
17、RNA和释放RNA链的特殊碱基顺序称为终止子。这些终止信号有的能被RNA聚合酶自身识别，而有的则需要有因子的帮助。因子：一个分子量很大的四聚体蛋白质，它能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分。它的作用是识别终止信号并阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。,二、转录后加工,转录后加工：在转录中新合成的RNA往往是较大的前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的RNA分子，这一过程称为转录后加工。,rRNA前体的加工,1.剪切作用：需核酸酶参与。2.甲基化修饰：修饰在碱基上。3.自我剪接：一种核酶的作用。,tRNA前体的加工,1.切除多余的核苷
18、酸：RNase 切除5 端和3端多余的核苷酸；2.3末端加-CCA：在核苷酸基转移酶催化下完成3末端添加CCA。3.修饰:修饰包括甲基化,脱氨基,还原反应等。,mRNA前体的加工,原核生物mRNA前体的加工：原核生物转录生成的初级转录本mRNA不需经过复杂的加工就表现有活性。真核生物mRNA前体的加工：要经过较复杂的过程，包括 5末端加帽：在甲基转移酶作用下，由腺苷蛋氨酸(SAM)提供甲基，在鸟嘌呤的N-7上甲基化，然后在连接于鸟苷酸的第一个（或第二个）核苷酸2OH上又进行甲基化，最后成为m7GpppNmp，这就是帽子生成。3端加尾：是先要在mRNA前体的3末端1130核苷酸处有一段AAUAA
19、保守序列，核酸内切酶催化切除多余的核苷酸。随后，在多聚A聚合酶催化下，发生聚合反应形成了3末端多聚A尾。剪接作用：在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，成为成熟的mRNA。核苷酸编辑：即在转录产物中插入、删除或取代一些核苷酸残基，生成具有正确翻译功能的模板，甲基化修饰。,三、RNA的复制,RNA的复制：RNA病毒的遗传信息全部储存在RNA分子中，它能通过复制合成与其自身相同的分子，这种以RNA作为模板复制RNA分子的过程称为RNA的复制。噬菌体RNA的复制：RNA病毒的繁殖方式：一是以病毒RNA直接作为复制的模板；二是以病毒RNA为逆转录为DNA，然后从D
20、NA转录出病毒RNA。,比较转录和复制的异同点,相同点：都以DNA为模板；遵循碱基互补配对原则。不同点：1.模板不同：转录以DNA单链为模版而复制以双链为模板 2.底物不同：复制是dATP、dGTP、dCTP、dTTP转录，ATP、GTP、CTP、UTP 3.引物不同：转录无引物；复制以一段特异的RNA为引物 4.酶体系不同：转录用的是RNA聚合酶，复制用的是DNA聚合酶、引物酶和DNA连接酶。5.碱基配对不完全一样：转录中A对U，而复制中A对T,第四节 蛋白质的生物合成,一、参与蛋白质生物合成的主要物质二、蛋白质的合成过程,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通
21、过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,20种氨基酸作为原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、无机离子,三种RNA mRNA rRNA tRNA,一、参与蛋白质生物合成的主要物质,1、mRNA是指导蛋白质合成的直接模版2、tRNA既是氨基酸的转运工具又是读码器3、核糖体是合成蛋白质的机器,二、蛋白质的合成过程,翻译起始翻译延长翻译终止,一、概述二、真核生物基因表达调控,第五节 基因表达调控,55,一、概 述,1、基因表达：指基因经过转录、翻译等一系列复杂过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA产物的过程。,中心法则
22、,56,在不同时期和不同条件下基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱等，是受到调节的。不论是真核还是原核生物都有基因表达调控机制。指挥基因调控的信号原核生物：营养状况、环境因素。真核生物：激素水平、发育阶段。基因表达调控的时间性和空间性,2、基因表达的调控,57,1）顺式作用元件 与相关基因处于同一DNA分子上，能起调控作用的DNA序列，一般不转录任何产物。如：启动子、增强子、终止子、衰减子等2）反式作用因子 一个基因的产物（如蛋白质或RNA）如对另一个基因的表达具有调控作用，则被称为反式作用因子。,3、基因表达调控的元件和作用方式,58,3）调控方式,顺式调控和反式调控正调控和负调控负
23、调控：调节蛋白是阻遏蛋白无调节蛋白时，基因是表达的，加入调节蛋白，基因活性被关闭。正调控：调节蛋白是激活蛋白无调节蛋白时，基因是关闭的，加入调节蛋白，基因活性被开启。,59,4、原核生物和真核生物的基因表达调控策略,原核生物的基因调控取决于环境因素及细胞对环境条件的适应在DNA、转录和翻译三个水平上进行操纵子原核生物转录调控的主要方式,真核生物的基因调控比原核生物复杂得多（多细胞生物）基因表达调控贯穿于DNA到有功能蛋白质的全过程未发现操纵子的存在,60,二、真核生物的基因表达调控,1、真核生物基因表达调控的特点1）基因激活与转录区染色体结构的变化有关2）转录和翻译分隔进行，具有时空差别3）转
24、录后加工更负责4）既有瞬时调控又有发育调控瞬时调控：通过改变代谢物水平或激素水平、引起细胞内酶活性或功能蛋白数量的改变来实现。5）转录调控以正调控为主,61,2、转录水平的调控,真核基因的转录调控主要是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用来实现的。反式作用因子通过与顺式作用元件（启动子、增强子等）结合，改变DNA的构象影响转录。,62,顺式作用元件,1）启动子(promoter),核心启动子：RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始子（Inr）及其上游-25-30bp处的TATA box。决定转录的方向和转录精确的起始,上游启动子元件（UPE）：主要包括位于-70bp附近
25、的CAAT box和GC box。影响转录起始的效率,63,真核生物启动子的典型结构,64,2）增强子(enhancer)是一种能增强真核细胞某些启动子功能的DNA序列，不能启动基因的转录，但有增强启动子转录的作用。,65,增强子的主要特性,具有远距离调节功能。无方向性。无基因专一性，同源、异源基因都有效。在基因组中的位置不固定。增强效应有严密的组织和细胞特异性。受外部信号的调控。,66,3）沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。,67,反式作用因子,为DNA结合蛋白、核内蛋白，识别启动子、启动子近侧元件和增强子等顺式作用元件中的特异性序列。可激活（正调控）或阻遏（负调控）邻近基因的表达。,
