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1、第八章核酸代谢和蛋白质的生物合成,第一节 核 苷 酸 代 谢,Metabolism of Nucleotides,一、核酸的化学组成,1.元素组成：C、H、O、N、P（910%）,戊 糖,（构成RNA）,（构成DNA）,嘌呤（purine）,腺嘌呤,鸟嘌呤,嘧啶（pyrimidine）,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,其中中主要是、；,中主要是、；以及少量的稀有碱基。,核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：AdR,GdR,TdR,CdR,二、核酸的组成方式,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,C,核苷酸的生物功用,作为核酸合成的原料体内能量的利用
2、形式参与代谢和生理调节组成辅酶活化中间代谢物,二、核苷酸的消化与吸收,嘌呤核苷酸的分解代谢,Metabolism of Purine Nucleotides,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,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,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
3、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,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2+NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,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,二、嘌呤核苷酸的合成代谢,从头合成途径(de novo synthesis pathway)补救合成途径(salvage synthesis pathway),嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、氨
4、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。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,定义,合成部位,嘌呤碱合成的元素来源,CO2,天冬氨酸,甲酰基（一碳单位）,甘氨酸,甲酰基（一碳单位）,谷氨酰胺（酰胺基）,过程,1.IMP的合成,2.AMP和GMP的生成,R-5-P（5-磷酸核糖）,PRPP（5-磷酸核糖1-焦磷酸）,在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP（次黄嘌呤核苷酸）,H2N-1-R-5-P（5-磷酸核糖胺）,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷
5、，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。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,定义,3.合成过程,APRT为腺嘌呤磷酸核糖转移酶，HGPRT为次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,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。,嘧啶核苷酸的代谢,Metabolism of Pyrimidine Nucleotides,嘧啶核苷酸的结构,从头合成途径补救合成途径,一、嘧啶核苷酸的合成代谢,（二）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
6、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,嘧啶合成的元素来源,合成过程,1.尿嘧啶核苷酸的合成,2.胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,脱氧核糖核苷酸的生成,（三）DNA的生物合成复制,基因概念：是指DNA分子上携带着遗传信息的碱基序列片段，是遗传的功能单位。特征：1、携带遗传信息 2、基因能被复制 3、基因能突变,中心法则,反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。,转录,RNA,翻译,蛋白质,DNA,RNA（病毒）,复制,复制,翻译,蛋白质（病毒）,反转录,复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原则，在一
7、系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。,一、DNA的复制,复制的方式,DNA的半保留复制,(一)DNA的半保留复制,1.定义：,以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代DNA，这样新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。,原料：DNA复制的原料是四种dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)复制所需的酶类：,1.解链酶(又称解螺旋酶或螺旋酶,helicase),作用：断裂互补碱基间的氢键,使DNA双链分离形成单链（复制叉）。并有单链蛋白附着于单链，防止单链重新结合成双链,2.引物酶(Primase),它是
8、一种依赖DNA的RNA聚合酶，此酶以DNA为模板，催化四种核糖核苷酸合成短片RNA作为DNA合成的引物,3.DNA聚合酶（DNA polymerase,DNA pol）即依赖于DNA的DNA聚合酶（DDDP）：以DNA为模板链，合成子代DNA，模板可以是双链，也可以是单链DNA，催化四种脱氧核苷三磷酸在RNA引物的3 OH聚合形成DNA片段合成方向：5 3,4.DNA连接酶(DNA Ligase),作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段通过3,5-磷酸二酯键连接在一起形成更大的DNA片段,DNA的复制过程 复制的起始 链的延长 复制的终止,复制的起始,1.在拓扑异构酶、解链酶及单链DN
9、A 结合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。2.RNA引物的生成 在引物酶的作用下，以单链的DNA为模板，按碱基互补的规律（A-U,T-A,C-G）合成一个短链，并以此合成DNA的引物,3.DNA片段的生成 在DNA聚合酶的作用下，以四种脱氧核苷酸为原料，以DNA每一条链为模板，按碱基互补规律，在引物酶的3-OH末端合成沿5 3延伸的DNA片段,链的延长,引物合成后，在引物3-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。领头链:链的延长方向(5 3)与解链方向(复制叉移动方向)相同,为连续合成。随从链:链的延长方向(53)与解链方向(复制叉移动方向)相反，
10、为不连续合成。分段合成的DNA片段,最初被命名为冈崎片段,或领头链,III,三、DNA复制的半不连续性,前导链,滞后链,冈崎片段,前导链：以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链。,滞后链：以5 3方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。,复制的终止,1.水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由DNA聚合酶水解去除RNA引物。2.完整双链DNA分子的形成在DNA连接酶的作用下，各冈崎片段连接起来形成完整的双链DNA分子。,DNA的半保留复制的生物学意义：,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施。,二、逆转录
11、(reverse transcription),概念 以RNA为模板，按碱基配对规律合成DNA的过程。反转录酶,又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA polymerase,RDDP),DNA,RNA,RNA(病毒),病毒RNA,RNA-DNA 杂化分子,cDNA,前病毒(双链DNA),酶催化反应示意图,RNA的生物合成,转录以 DNA为模板合成RNA，将DNA的遗传信息传递到RAN分子中的过程实质：按碱基配对规律(T-A,A-U,G-C)合成一条与模板链互补的RNA链的过程。,转录的模板转录的模板是DNA的分子双链中的一条单链。作为转录模板的DNA称为模板链或有意
12、义链，与其互补的另一条称编码链或反意义链。,编码链,模板链,转录的原料为四种核苷酸，即ATP、GTP、CTP、UTP。转录酶 RNA聚合酶,转录的过程,转录时，在DNA双链转录的部位先解开一段螺旋，暴露出DNA模板链，然后在RNA 聚合酶作用下，按碱基互补规律合成RNA。RNA链的合成的方向是5 3。转录完毕，RNA从DNA上水解下来，DNA模板链与编码链又重新形成双链,RNA的复制,以RNA为模板合成RNA 的过程称为RNA 的复制。主要见于某些病毒和吞噬体，他们的遗传信息不是由DNA携带而是由RNA携带。,第三节蛋白质的生物合成,RNA,蛋白质,蛋白质,RNA,DNA,复制,复制,反转录,
13、转录,翻译,翻译,遗传信息传递的中心法则,蛋白质是体现生命现象的最重要物质。生物体内蛋白质的合成需要准确无误的按照遗传信息来进行。DNA的遗传信息经过转录传给mRNA,再按mRNA上的遗传信息转化成具有氨基酸序列的蛋白质。这种以mRNA为模板，按照其核苷酸的顺序组成的密码指导蛋白质合成的过程称为翻译,一、mRNA（messenger RNA）蛋白质生物合成的直接模板,DNA,mRNA,蛋白质,一、mRNA,mRNA分子中每三个相邻碱基组成一个 密码子或遗传密码,mRNA上的四种碱基可组成64(43)个密码子，其中61个代表不同的氨基酸，其余三个 代表终止信号。,通用 遗传密码 子,起始密码子与
14、终止密码子：,起始密码子：AUG 蛋氨酸,终止密码子：UAA，UGA，UAG。,氨基酸臂,反密码子环,二、tRNA（transfer RNA）蛋白质生物合成的“高级搬运工”,tRNA的功能：,2.活化氨基酸，跨越能障，使肽键的 形成变得容易。,1.tRNA搬运特定的氨基酸，保证了遗传信息传递的准确性。,3.将密码子信息转换为对应氨基酸的符号,4.即tRNA能与专一的氨基酸结合并识别 mRNA分子上的密码子.,氨基酸的活化与转运,氨基酸+tRNA,氨基酰tRNA合成酶,氨基酰-tRNA+ppi,ATP AMP,一种tRNA仅转运一种氨基酸，而一种氨基酸可由几种tRNA转运。,Et,Ep,P,A,
15、mRNA,mRNA 结合位点,细胞 内膜 系统,三、核糖体 蛋白质生物合成的场所,T,A：受位,氨基酰位；,P：给位,肽位；,Et：tRNA出口,Ep:多肽链出口;,T：转肽酶。,蛋白质生物合成过程,一、氨基酸的活化与转运,二、多肽链的形成核糖体循环,三、翻译后加工,一、氨基酸的活化与转运,氨基酸+tRNA,氨基酰tRNA合成酶,氨基酰-tRNA+ppi,ATP AMP,二、核糖体循环（ribosome cycle）,活化氨基酸既氨基酰t-RNA在核糖体上缩合形成多肽链的过程,1.起始,2.肽链延长,3.终止,肽酰位(P)：结合肽酰-tRNA,氨酰位(A)：结合氨酰-tRNA,催化肽键生成，兼
16、有酯酶活性,空载tRNA排除位（真核无E位）,(一)起始阶段 起始氨基酰-tRNA 与 mRNA 结合到核糖体上,形成起始复合物的过程,二、肽链的延长,1、进位：氨基酰-tRNA在延长因子1、GTP及Mg2+参与下，以其反密码识别起始复合物氨酰位上mRNA的密码，并与之结合，于是进入氨酰位。,2.转肽,Mg2+，K+,转肽酶,3.移位,EFG，GTP,53,进位,转肽,移位,转肽,NC延长,通过进位-转肽-移位不断重复，肽链自NC端不断延长,OH,EFG，GTP,每生成1个肽键，要消耗2分子GTP(进位和移位),而氨基酸活化需消耗2个高能磷酸键，每增加1个氨基酸残基实际消耗4个高能磷酸键,三、
17、终止阶段,RF-1：UAA，UAG,RF-2：UAA，UGA,当mRNA的任一终止信号进入A位时，没有任何tRNA能与之识别，只有释放因子(RF)识别这种信号,进入终止阶段.,核糖体循环：,1.起始,2.肽链延长,3.终止,四、翻译后加工,（一）切割,（二）修饰,（三）新生肽链的折叠,1.去除N末端蛋氨酸残基,2.信号肽及其他肽段的切除,1.二硫键的形成,2.辅助因子的连接和亚基聚合,3.多肽链中个别氨基酸的修饰,胰蛋白酶原的激活过程,胰岛素的前体,胰岛素,切去 C肽段,C肽段,A肽段,B肽段,（二）修饰,1.二硫键的形成,Cys,SH,Cys,SH,-2H,二硫键 异构酶等,2.辅助因子的连
18、接和亚基聚合,蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等 辅助因子结合形成糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、血红蛋白等结合蛋白质。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间 的聚合。如血红蛋白4个亚基的聚合。,蛋白质生物合成与医学的关系,疾病总是与蛋白质有直接或间接 的联系。,以蛋白质生物合成为靶点可用于 治疗某些疾病。,一、某些抗生素对蛋白质生物合成的抑制作用,抗生素 机理 靶点,四环素族 阻碍氨基酰tRNA与小亚基结合 小亚基,链霉素 抑制翻译起始；使读码错误 小亚基 卡那霉素,氯霉素 抑制转肽酶活性，阻止肽键形成 大亚基,嘌呤霉素 代替氨基酰tRNA进入受位，大亚基 使肽链合成过早终止。,放线菌素 特异抑制真核生物转肽酶活性 大亚基,二、分子病,由于基因的异常引起蛋白质中氨基酸序列的异常，导致蛋白质结构与功能异常，由此造成的疾病称为分子病。,病例：镰刀形红细胞性贫血,发病的分子机制：链第6位氨基酸被替换,DNA：,CTT,CAT,mRNA：,GAA,GUA,蛋白质：,Glu 谷氨酸,Val 缬氨酸,谷氨酸被缬氨酸替换后，使血红蛋白易形成 纤维沉淀，使红细胞易聚集且易溶血。,
