第十章核酸代谢与蛋白质生物合成课件.ppt

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1、第十章核酸代谢和蛋白质的生物合成,核酸是生物遗传的物质基础,蛋白质是生命活动的体现者.,DNA 子代DNA 信使RNA 蛋白质,复制 转录 翻译,密码,蛋白质生物合成依赖核酸正常功能,核酸生物合成及基因表达的调节需要蛋白质参与.,核酸的消化,膳 食 核 蛋 白,蛋白质 蛋白代谢,核酸DNA、RNA,胃 酸,单核苷酸,磷酸 核苷,嘧啶核苷 嘌呤核苷,核糖或脱 氧核糖,嘧啶碱,核糖或脱 氧核糖,嘌呤碱,胰核酸酶,胰、肠核苷酸酶,嘌呤核苷酶,嘧啶核苷酶,第一节 核酸代谢,一、核苷酸的代谢二、DNA的生物合成 复制三、RNA的生物合成 转录,(一)核苷酸的生物合成,1.部位:肝脏为主,小肠和胸腺其次.

2、2.原料:天冬氨酸(Asp)、甘氨酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、CO2、一碳基团、5-磷酸核糖3.过程:,嘌呤核糖核苷酸的合成,R-5-P,1-焦磷酸-5-磷酸核糖（PRPP）,AMP,ATP 酶,次黄嘌呤核苷酸（IMP）,AMP、GMP,图9-2 次黄嘌呤碱合成的原料来源,甘氨酸,R-5-P,6-磷酸葡萄糖,天冬氨酸，Mg2+，GTP,腺苷酸代琥珀酸 合成酶,延胡索酸,腺苷酸代琥珀 酸裂解酶,腺苷酸代琥珀酸,AMP,IMP,IMP脱氢酶,NAD+,H2O,NADH+H+,XMP,GMP合成酶,谷氨酰氨,Mg2+,ATP,谷氨酸,GMP,由IMP合成AMP及GMP,NMP NDP NTP,

3、ATP ADP ATP ADP,激酶 激酶,（N：嘌呤或嘧啶碱基）,AMP,腺苷酸代 琥珀酸,IMP,XMP,GMP,腺苷酸脱氨酶,鸟苷酸还原酶,NH3,NADPH,NH3,NADP+,AMP，GMP，IMP的相互转变,嘧啶核苷酸的合成,1.部位：肝,2.原料：天冬氨酸（Asp）、氨基甲酰磷酸（NH3+CO2）、5-磷酸核糖（R-5-P）,3.过程：,氨基甲酰磷酸,天冬氨酸,嘧啶碱（UMP）合成的元素来源,=o,=o,dR-5-P,UMP UDP、UTP,ATP,CTP,（氨基化 GLn）,由UTP生成CTP的反应发生在三磷酸核苷的水平上。,脱氧核糖核苷酸的合成,体内脱氧核糖核苷酸由核糖核苷酸

4、还原而成,1.在NDP（核苷二磷酸）水平上：,ADP dADP dATPGDP dGDP dGTPCDP dCDP dCTP,H2 H2O,ATP ADP,酶1,酶2,酶1：核糖核苷酸还原酶 酶2：激酶,2，dTTP的生成,UDP dUDP,dUMP dTMP,dTDP,dTTP,dCMP,H2H2O,Pi,甲基化,脱氨基,（主要）,N5，N10-甲烯四氢叶酸,（二）核苷酸的分解代谢,1.嘌呤核苷酸分解代谢,嘌呤核苷酸 嘌呤核苷,核苷酸酶,Pi,嘌呤碱+磷酸核糖,核苷磷 酸化酶,尿酸(终产物),AMP,GMP,核苷酸酶,H2O,Pi,腺苷,腺苷脱氨酶,H2O,NH3,次黄苷,H2O,NH3,脱

5、氨酶,核苷酸酶,H2O,Pi,还原酶,NADPH+H+,NADP+,NH3,IMP,鸟苷,H2O,Pi,核苷磷酸化酶,Pi,1-磷酸核糖,(接下页),嘌呤核苷酸的分解代谢-1,（接上页）,核苷磷酸化酶,Pi,磷酸核糖,鸟嘌呤,次黄嘌呤,黄嘌呤,黄嘌呤氧化酶,H2OO2,H2O2,鸟嘌呤酶,H2O,NH3,黄嘌呤氧化酶,H2O，O2,H2O2,尿酸,嘌呤核苷酸的分解代谢-2,嘌呤核苷酸分解代谢特点:,1、环打不破;2、最终产物:尿酸;3、嘌呤代谢障碍:痛风症,血尿酸正常含量:149-416umol/L,溶解度低.嘌呤代谢障碍时,血尿酸浓度升高,尿酸盐结晶沉积于软组织、软骨及关节等处,而导致关节炎

6、、尿路结石及肾脏疾病.,2、嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸 嘧啶碱+磷酸核糖,胞嘧啶尿嘧啶,终产物,NH3、CO2、-丙氨酸,胸腺嘧啶 NH3、CO2、-氨基丁酸,终产物,胞嘧啶,胸腺嘧啶,NH2,NADPH+H+,NADP+,尿嘧啶,二氢胸腺嘧啶,(接下页),嘧啶硷的分解代谢-1,(接上页),NADPH+H+,NADP+,H2O,二氢尿嘧啶,-脲基异丁酸,H2O,-脲基丙酸,H2N-CH2-CH2-COOH,-丙氨酸,CO2+NH3,H2N-CH2-CH-COOH CH2,-氨基异丁酸,H2O,H2O,嘧啶硷的分解代谢-2,嘧啶核苷酸分解代谢特点:,1、环被打破;2、终产物:NH3、CO2

7、.,二、DNA的生物合成 复制,复制:以亲代DNA为模板,将亲代DNA上 的遗传信息复制到子代DNA分子 上的过程.,亲代DNA,子代DNA,复制,转录: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分子中 的过程.,DNA,RNA,转录,翻译:以RNA中mRNA为模板,按照 其核苷酸顺序所组成的密码指 导蛋白质的合成的过程.,mRNA,蛋白质,翻译,各种信息 各种蛋白质,中心法则,遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).,转录 翻译 DNA RNA 蛋白质 mRNA tRNA 反转录 rRNA 转录、翻译 RNA（病毒）蛋白质（病毒）,复制,复制,(一)

8、DNA的复制,1、复制方式:半保留复制,定义:以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(子代DNA),每个新 DNA分子的两条链中，其中一 条链来自亲代DNA,另一条链是 新合成的。,DNA的半保留复制,ATCG,ATCG,TAGC,TAGC,ATCG,TAGC,ATCG,TAGC,2、DNA的复制过程(四步),基本条件:,A、模板DNA(母链);B、原料:三磷酸脱氧核苷 dATP、dGTP、dCTP、dTTP;C、参与DNA复制的酶:DNA指导的DNA聚合酶、引物酶、连接酶、解链酶等.,(1)DNA复制的起始及RNA引物的生成,解旋酶、旋转酶 DNA结合蛋白,

9、DNA双链,复制叉 起始位点,引物酶,NTP,RNA引物(5 3-OH),(5-100个核苷酸),合成,辨认,DNA复制过程模式图,DNA旋转酶,ATP,ADP+Pi,DNA结合蛋白,引物RNA,引物酶,DNA聚合酶,DNA聚合酶,DNA连 接 酶,RNA引物,解旋酶,DNA聚合酶,复制叉移动方向,5，3，,3，5，,3，5，,(2)DNA片段的生成,DNA双链,5,3,5,3,DNA聚合酶(5 3),连续合成 不连续合成,冈崎片段,完整,DNA双链,连 接,DNA复制过程模式图,DNA旋转酶,ATP,ADP+Pi,DNA结合蛋白,引物RNA,引物酶,DNA聚合酶,DNA聚合酶,DNA连 接

10、酶,RNA引物,解旋酶,DNA聚合酶,复制叉移动方向,5，3，,3，5，,3，5，,(3)RNA引物的水解,RNA引物 DNA,核酸酶,DNA,DNA聚合酶,延长,(4)完整DNA分子的形成,DNA连接酶,DNA,DNA,DNA,DNA复制过程模式图,DNA旋转酶,ATP,ADP+Pi,DNA结合蛋白,引物RNA,引物酶,DNA聚合酶,DNA聚合酶,DNA连 接 酶,RNA引物,解旋酶,DNA聚合酶,复制叉移动方向,5，3，,3，5，,3，5，,某些病毒以RNA为模板,合成DNA的过程,称为逆转录.,催化上述反应的酶称为逆转录酶,又称RNA指导的DNA聚合酶.该酶存在于所有致瘤RNA病毒中,其

11、功能可能与被病毒感染的细胞的恶性转化有关.,(二)逆转录过程,RNA RNA-DNA 双链DNA,逆转录酶 逆转录酶,复制或表达 插入宿主细胞DNA中 病毒蛋白 mRNA,转录,（病毒）（杂交体）,翻译,(DNA破坏),(细胞癌变),三、RNA的生物合成 转录,定义: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分子中 的过程.,DNA,RNA,转录,原料:四种NTP(ATP GTP CTP UTP),遗传信息:即DNA片段中的核苷酸排列顺序.,RNA的生物合成 转录,分类:mRNA tRNA rRNA,特点:以DNA双链中的一条 链的某个片段为模板.,有

12、意义链:有指导转录作用的一条DNA链.,反意义链:无转录功能的一条DNA链.,RNA的转录过程(三步),1.起始,DNA特殊位点,启动子,RNA聚合酶,结合,DNA解旋,形成第一个磷酸二酯键,T C G A G T A C,A G C T C A T G,C G A G U A C,G C A U,RNA聚合酶,反意义链,有意义链,RNA,PPi,5,5,5,3,3,GTP,UTP,CTP,ATP,UTP,RNA在DNA模板上的生物合成,3,2.延长,催化酶:RNA聚合酶,酶移动方向:沿DNA模板 5 3方向,RNA合成方向:3 5,原则:在有意义链上 碱基互补配对,T C G A G T A

13、 C,A G C T C A T G,C G A G U A C,G C A U,RNA聚合酶,反意义链,有意义链,RNA,PPi,5,5,5,3,3,GTP,UTP,CTP,ATP,UTP,RNA在DNA模板上的生物合成,3,3.终止,DNA终止转录,信号,RNA聚合酶,识别,转录终止,RNA聚合酶及新RNA链脱落,转录完成,T C G A G T A C,A G C T C A T G,C G A G U A C,G C A U,RNA聚合酶,反意义链,有意义链,RNA,PPi,5,5,5,3,3,GTP,UTP,CTP,ATP,UTP,RNA在DNA模板上的生物合成,3,起,终,哺乳动物

14、细胞中,RNA聚合酶和DNA主要分布在细胞核内,因而RNA主要在细胞核内合成.转录合成的RNA是rRNA、tRNA、mRNA的前体,还需经过加工修饰后才具有生物学功能.,翻译:以RNA中mRNA为模板,按照其 核苷酸顺序所组成的密码指 导蛋白质的合成的过程.,mRNA,蛋白质,翻译,各种信息 各种蛋白质,（核苷酸排列顺序）（氨基酸排列顺序）,第二节 蛋白质的生物合成,原料：20种氨基酸,条件：mRNA、tRNA、rRNA ATP、GTP等供能物质 无机离子、有关的酶、蛋白因子等。,RNA在蛋白质的生物合成中的作用,(一)mRNA,是带有DNA遗传信息指导蛋白质合成的直接模板.以mRNA为模板,

15、合成一定结构的多肽链的过程(翻译),就是将mRNA分子中的核苷酸排列顺序转变成蛋白质分子中的氨基酸排列顺序.,如何转变,氨基酸密码,mRNA分子中,每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表某种氨基酸或其它信息,称为密码子或三联密码.,四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子.其中:,1.一个起始密码:AUG 位于mRNA的5末端,并兼作 蛋氨酸的密码.,2.三个终止密码:UAA UGA UAG 位于mRNA的3末端,3.多数氨基酸拥有2-4个密码.,遗传密码的特点:,1.连续性2.简并性3.摆动性4.通用性,(二)tRNA,tRNA是氨基酸的转运工具,能携带活化的氨基酸到核蛋白体.,tRNA有

16、特异性,至少有20种以上.每种tRNA的反密码环顶端均有由三个核苷酸组成的反密码,能与mRNA上相应的密码互补结合(碱基互补配对).,酪,5,5,3,AUG,GUU UAC ACA,酪氨酰-tRNA,反密码,mRNA,密码与反密码的碱基配对,(三)rRNA,rRNA与蛋白质组成核蛋白体,是蛋白质合成的场所.由大小两个亚基组成:,小亚基:沿mRNA结合,沿5 3 方向移动.,大亚基:受位(A位):,结合氨基酰-tRNA,给位(P位):成肽,AUG ACA,5,蛋,苏,UGU,GUU,3,受 位(A位),给 位(P位),大亚基,小亚基,蛋白质生物合成过程,1、准备阶段：氨基酸的活化与转运。,2、中

17、心环节：核蛋白体循环-活化氨基酸 在核蛋白体上的缩合组装。,氨基酸的活化与转运,1、反应式：,AA+tRNA+ATP,氨基酰-tRNA合成酶,氨基酰-tRNA+AMP+PPi,2、AA结合位置：,AA的-羧基与tRNA活末端腺苷酸中核糖2 或3羟基以酯键相结合。tRNA-CCA-OH（R-3-OH）,核蛋白体循环（三阶段）,1、起始阶段2、延伸阶段3、终止阶段,肽链合成的起始阶段,1.mRNA与小亚基结合2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合3.大小亚基结合,AUG ACA,5,3,AUG ACA,5,3,UAC,UAC,AUG ACA,5,3,小亚基,mRNA,蛋氨酰tRNA GTP,大亚基,GD

18、P+Pi,受位,给位,蛋,蛋,肽链合成的起始阶段,肽链合成的延伸阶段,1.进位:氨基酰-tRNA进入受位;2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位与受位结合;3.移位:核蛋白体向3端移动一个 密码子的位置,空出受位,不断地进位、转肽、移位,使肽链延长.,AUG ACA,5,3,UAC,蛋,苏,UGU,AUG ACA,5,UAC,蛋,苏,UGU,GUU,AUG ACA,5,UAC,蛋,苏,UGU,GUU,AUG ACA,5,蛋,苏,UGU,GUU,3,3,3,GTP GDP+Pi,GDP+Pi,GTP,起始复合体,进位,转肽,移位,Mg+K+,肽链合成的终止阶段,1.出现终止密码并与终止因子结合

19、;2.肽键水解,多肽释放;3.tRNA,mRNA,大小亚基解离.,AUG UAA,5,UAC,AUG UAA,5,UAC,3,3,终,终,AUG UAA,5,UAC,3,终,5,3,UAC,终,肽链,多核蛋白体循环,多个核蛋白体在一条mRNA链上,间隔一定距离,从5端向3端移动,同时合成多条肽链.合成后的多肽链必须经加工、修饰才能成为具有特定生物学活性的蛋白质.,三、蛋白质合成的调节,（一）转录水平的调节（二）翻译水平的调节,基因操纵子调节系统示意图,调节基因 启动基因 操纵基因 结构基因 DNA 转录（-）RNA聚合酶（+）转录 翻译 mRNA 翻译 阻遏蛋白 蛋白质 诱导剂,控制区 信息区

20、,操纵子,血红素对起始因子-2的调节作用,血红素 cAMP+R2C2 2C 2R-cAMP(+)elF-2激酶 elF-2激酶 p（无活性）ATP ADP（有活性）elF-2(+)elF-2 p 有活性 无活性 ATP ADPcAMP:环磷腺苷；R2C2:无活性蛋白激酶（R：调节亚基 C：催化亚基）；2C：活性蛋白激酶；elF-2：起始因子,干扰素对蛋白质合成的影响,干扰素+双股RNA 蛋白激酶 蛋白激酶（无活性）（有活性）P ATP ADP elF-2 elF-2（有活性）（无活性）P ATP ADP,四、蛋白质生物合成与医学的关系,（一）分子病,由于DNA分子上基因的遗传性缺陷，引起mRN

21、A分子的异常和蛋白质合成障碍，导致体内某些结构和功能异常，由此造成的疾病即分子病。如：,镰刀形红细胞性贫血,镰刀形红细胞性贫血病Hb-S中遗传信息的异常,DNA.TGT GGG CTT CTT TTT.正 常 mRNA ACA CCC GAA GAA AAA.HbA氨基端.苏 脯 谷 谷 赖 DNA.TGT GGG CTT CTT TTT.异 常 mRNA ACA CCC GUA GAA AAA.HbS氨基端.苏 脯 缬 谷 赖,（二）抗生素对蛋白质生物合成的影响,抗生素可作用于从DNA复制到蛋白质合成的各个环节，通过阻抑细菌或肿瘤细胞的蛋白质合成，而发挥药理作用。,1.通过影响转录来抑制细菌

22、蛋白合成,如:争光霉素及放线菌素可抑制 DNA模板活性;利福霉素能抑制细菌的RNA聚合酶.,2.通过影响翻译来抑制细菌蛋白合成,如：四环素能与细菌核蛋白体小亚 基结合,使之变构而抑制进位;链霉素抑制细菌蛋白合成起始 阶段,干扰蛋白合成.氯霉素与细菌核蛋白体大亚基 结合,抑制转肽酶活性而阻止肽链形成.,DNA复制过程模式图,DNA旋转酶,ATP,ADP+Pi,DNA结合蛋白,引物RNA,引物酶,DNA聚合酶,DNA聚合酶,DNA连 接 酶,RNA引物,解旋酶,DNA聚合酶,复制叉移动方向,5，3，,3，5，,3，5，,RNA链的延长,催化酶:RNA聚合酶,酶移动方向:沿DNA模板 3 5方向,RNA合成方向:5 3,原则:在有意义链上 碱基互补配对,T C G A G T A C,A G C T C A T G,C G A G U A C,G C A U,RNA聚合酶,反意义链,有意义链,RNA,PPi,5,5,5,3,3,GTP,UTP,CTP,ATP,UTP,RNA在DNA模板上的生物合成,3,起,终,