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1、第9章 核酸代谢和蛋白质的生物合成,导言,俗语说“种瓜得瓜，种豆得豆”，其中蕴含着在生物界中普遍存在的遗传规律；而“世界上没有完全相同的两片叶子”却又预示了遗传现象的复杂性和可变性。对于生物体而言，贮存遗传信息的物质就是核酸，它是记载生物体的演变、种属特征及一切生命活动规律的图书馆。本章书除了阐述核苷酸的基本代谢外，还将从复制、转录及翻译等几个方面分别阐述与遗传信息传递有关的重要理论知识。,第1节 核酸代谢,一、核苷酸的合成代谢途径：从头合成、补救合成。,1.从头合成途径：是指细胞利用一碳单位、磷酸核糖和氨基酸等基本原料，经过一系列复杂的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程。2.补救合成途径：
2、是指细胞利用已有的嘌呤碱或嘧啶碱以及它们的核苷形式，经过简单的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程。,（一）嘌呤核苷酸的合成1.嘌呤核苷酸的从头合成,嘌呤环的元素来源,IMP,IMP分别转变为AMP和GMP,2.嘌呤核苷酸的补救合成,（二）嘧啶核苷酸的合成1.嘧啶核苷酸的从头合成,嘧啶环的元素来源,UMP分别转变为CTP和TMP,2.嘧啶核苷酸的补救合成,（三）脱氧核苷酸的合成嘌呤和嘧啶脱氧核苷酸合成是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上进行的，反应式如下：,核糖核苷酸还原酶,NDP,dNDP,NADPH,NADP+H2O,（四）核苷酸抗代谢物及应用核苷酸抗代谢物是指与核苷酸合成过程的中间产物结构相
3、似的一些类似物。如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸等。通过竞争性抑制或以假乱真的方式，干扰和阻断核苷酸的合成。,嘌呤核苷酸抗代谢物,嘧啶核苷酸抗代谢物,二、核苷酸的分解代谢（一）嘌呤核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸在体内代谢的终产物是尿酸。（二）嘧啶核苷酸的分解代谢1.胞嘧啶尿嘧啶 丙氨酸、NH3和CO22.胸腺嘧啶 氨基异丁酸、NH3和CO2,遗传信息传递中心法则,三、DNA的生物合成DNA的生物合成包括DNA复制、逆转录及DNA的损伤与修复。（一）DNA复制DNA复制是指以亲代单链DNA为模板，合成子代DNA的过程。,DNA复制的方式：半保留复制,子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的。
4、,1.复制的模板：亲代单链DNA为模板 方向：为352.复制的原料：dNTP（N为A、G、C、T）。,3.参与复制的酶和蛋白质因子（1）DNA聚合酶作用：以单链DNA为模板，以dNTP作为原料，按碱基配对原则，催化DNA新链的合成。,原核生物三种DNA聚合酶及其作用,真核生物DNA聚合酶：有、和等五种。,参与DNA复制的其它酶及作用,单链DNA结合蛋白：单链DNA结合蛋白（SSB）能结合在DNA单链上，具有保护和稳定DNA模板单链的作用。,一方面：解开的单链DNA会被水解；另一方面：解开的单链DNA很容易再次聚合形成双螺旋形式。,前导链与随从链,逆转录1.概念：以RNA为模板，合成DNA链的过
5、程。2.逆转录酶：为多功能酶，作用如下：,DNA的损伤与修复 1.概念：DNA损伤又称突变，是DNA分子结构改变从而导致遗传信息的改变。2.类型：错配、缺失、插入、重排、框移等。3.修复机制（1）光修复：光修复酶使嘧啶二聚体分解（2）重组修复：由DNApol、DNA连接及多种蛋白因子共同参与，切除DNA分子中损伤的片段，再以另一条完整链作为模板进行修复。,重组修复基本过程,四、RNA的生物合成（一）概念：以单链DNA为模板，合成RNA的过程。（二）原料：NTP（N代表A、G、C、U四种碱基）。（三）特点：不对称转录。,不对称转录：*只以DNA单链的某一区段作为模板进行转录。*模板链不是永远都在
6、同一条DNA单链上。,5,3,3,5,模板链,编码链,编码链,模板链,模板链,编码链,DNA,RNA聚合酶 原核生物RNA聚合酶：2（全酶）2（核心酶）：在RNA合成过程中起催化作用。：辨认识别转录起始点。,真核生物RNA聚合酶 RNA聚合酶：催化转录生成45SrRNA。RNA聚合酶：催化转录生成hnRNA（不均一核RNA，是mRNA的前体）。RNA聚合酶：催化转录生成5SrRNA、tRNA和snRNA（小核RNA）。下面以原核生物转录过程进行说明。,转录起始 RNA聚合酶亚基识别和辩认模板DNA链上的特异序列。启动子：RNA聚合酶辨认结合的DNA序列称为。RNA转录不需合成引物，是转录与复制
7、的重要区别之一。RNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。（通常加入的第一个核苷酸为GTP，并保留三磷酸形式。）,转录起始,*启动子：RNA聚合酶辨认结合的DNA序列。*RNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。*通常加入的第一个核苷酸为GTP，并保留三磷酸形式。,转录延长 亚基即脱落，核心酶（2）催化RNA链的延长。模板链的方向：35 合成的RNA链方向：53。碱基配对关系：AT、AU、G C,转录过程中的“转录泡”,转录终止 1.依赖（Rho）因子 的转录终止因子能结合在RNA上的特异终止序列上，并具有ATP酶活性和解螺旋酶作用。2.非依赖（Rho）因子 的转录终止RNA链形成茎环结构，终止转录。
8、,转录终止形成的茎环结构,DNA复制与RNA转录的区别,转录后的加工 真核生物转录的RNA初级产物需要经过加工才具有生物活性，加工过程主要在细胞核中进行。,1.mRNA的加工（1）加“帽”：5端形成m7GpppN。（2）加“尾”：3端形成polyA。（3）剪接：切除mRNA上的非编码序列（内含子）和拼接编码序列（外显子）。,2.tRNA的加工（1）切除3端和5端部分核苷酸。（2）3端加上CCA序列（3）对部分碱基进行特殊修饰。,3.rRNA的加工rRNA的初级转录产物经剪接后，在核仁上与核糖体蛋白一起组装核糖体的大小亚基。,第2节 蛋白质的生物合成,翻译：以mRNA为模板，合成蛋白质的过程。合
9、成体系（1）场所：核糖体（2）基本原料：20种编码氨基酸（3）三种RNA共同参与（4）其它：蛋白质因子（起始因子、延长因子、终止因子）、GTP、ATP、Mg2+、K+等。,RNA在蛋白质合成中的作用（一）mRNA：mRNA是蛋白质生物合成的直接模板 模板方向：53 蛋白质合成方向：NC方式：密码子氨基酸,遗传密码 1、概念：mRNA链上沿53方向，每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸，这3个相邻核苷酸即称为一个遗传密码或密码子。mRNA链上的4种核苷酸共有64个密码子，其中：（1）61个密码子编码20种氨基酸（AUG为起始密码）（2）UAA、UAG和UGA 为终止密码，不代表任何氨基酸,遗
10、传密码表,遗传密码的特点1.方向性：密码子只能沿mRNA的53方向进行阅读。2.简并性：除蛋氨酸和色氨酸只对应1个密码子外，其余氨基酸都具有两个或两个以上的密码子。3.摆动性：反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基之间不严格遵守碱基配对规律的现象。4.连续性：密码子从mRNA上起始的AUG开始，以53方向进行阅读，每个碱基读一次，没有间隔。5.通用性：除动物的线粒体和植物的叶绿体外，几乎所有的生物都使用同一套遗传密码。,3,mRNA上的遗传密码指导合成蛋白质多肽链,（二）tRNA：转运氨基酸的工具,（三）rRNA：参与形成核糖体，是蛋白质生物合成的场所,原核生物核糖体结构模式,原核生物多肽链
11、的合成过程1.起始阶段在起始因子的参与下，核糖体大小亚基先分开，模板mRNA与小亚基辨认结合，与起始密码子对应的蛋氨酰由tRNA携带到达核糖体P位。翻译起始复合物：核糖体大小亚基、模板mRNA、fMettRNAfMet。,核糖体大小亚基分离，模板mRNA与小亚基结合,tRNA携带起始密码对应的蛋氨酰进入P位,形成翻译起始复合物,2.延长阶段（1）进位：又称注册，是按照mRNA上的密码子信息，相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位。,翻译延长：注册,（2）成肽：核糖体P位上fMettRNAfMet（或肽酰tRNA）的甲硫氨酸（或肽酰基）移至A位，与结合在A位上氨基酰tRNA的氨基形成肽键。,翻译
12、延长：成肽,（3）转位：成肽完成后，核糖体向mRNA的3端移动一个密码子的距离，下一个密码子即进入A位。,翻译延长：转位,3.终止阶段核糖体A位上出现mRNA的终止密码子时，由释放因子识别并结合于终止密码子。,多肽链,A位出现终止密码,释放因子RF识别结合,起始因子IF,翻译终止过程,核糖体循环1.广义的概念：是指翻译起始、延长、终止三个循环过程。2.狭义的概念：是指翻译延长阶段的注册、成肽、转位三个循环过程。*翻译模板mRNA方向：53*蛋白质多肽链合成方向：N C,三、蛋白质生物合成与医学的关系1.遗传性疾病：DNA损伤、结构异常蛋白质结构和功能异常。2.药物：利用蛋白质生物合成机理，发挥
13、抑制或杀菌作用。,（一）分子病例：镰刀状细胞性贫血,正常成人血红蛋白链及其基因,镰刀状红细胞性贫血病人,（二）抗生素例：1.内酰胺类：如青霉素，抑制转肽酶活性。2.头饱菌素类：与内酰胺类的抗菌机制相似。3.氨基糖苷类：如链霉素，抑制翻译起始复合物的形成。4.四环素素：如四环素，与氨基糖苷类相似。5.酰胺醇类：如氯霉素，抑制多肽链的延长。,（三）干扰素机制：1.影响病毒蛋白质生物合成时蛋白质因子的活性，抑制翻译过程。2.降解病毒蛋白质生物合成时的模板mRNA。,小结,嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的合成代谢有从头合成和补救合成两种途径。脱氧核苷酸的合成是在NDP水平进行的。嘌呤核苷酸代谢的终产物是尿酸，嘧啶核苷酸代谢的终产物是丙氨酸和氨基异丁酸。遗传信息传递的中心法则包括DNA复制、RNA复制、转录、逆转录、翻译等内容，阐明了遗传信息传递的方式和规律。,DNA复制是以DNA为模板合成DNA的过程，复制的特点有半保留复制、双向复制和半不连续复制等。逆转录是以RNA为模板合成DNA的过程，是对中心法则的补充。RNA转录是以DNA为模板合成RNA的过程，RNA转录的特点主要表现为不对称转录。翻译是以mRNA为模板合成蛋白质的过程，模板mRNA从53方向上的密码子可以指导多肽链上氨基酸的排列。,
