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1、第十三章 核酸代谢,Chapter 13 Metabolism of Nucleotides,本章内容,131 核酸分解132 核苷酸的生物合成133 DNA的复制134 RNA的生物合成与加工,第一节 核酸的降解与核酸酶类,一、核酸的降解,1、核酸酶的定义及分类核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸外切酶：53或35核酸外切酶。核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。,二、核 酸 酶（Nuclease）,
2、蛇毒磷酸二酯酶（或牛脾磷酸二酯酶）是专一性较低的磷酸二酯酶，属核酸外切酶。,限制性核酸内切酶限制性酶主要分为三种类型：型限制酶为复合功能酶，具有限制-修饰两种功能，但在 DNA链上没有固定的切割位点，一般在离切割位点1kb到几kb的地方随机切割，不产生特异性片段。型酶与型酶基本相似，不同的是型酶有特异性的切割位点，但这两类酶对 DNA酶切分析的意义不大，通常所说的限制性内切酶是指型酶，它能够识别与切割DNA链上的特定的核苷酸顺序，产生特异性的DNA片段。,限制酶的切口不都是一长一短的,一长一短的叫黏性末端,一样长的叫平末端.,当一种限制性内切酶在一个特异性的碱基序列处切断DNA时，就可在切口处
3、留下几个未配对的核苷酸片段，即5突出。这些片断可以通过重叠的5末端形成的氢键相连，或者通过分子内反应环化。因此称这些片段具有粘性，叫做粘性末端。用途？,参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程。负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸。在消化液中降解食物中的核酸以利吸收。体外重组DNA技术中的重要工具酶。,生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解,2、核酸酶的功能,Degradation of Nucleotides,磷酸戊糖途径P244,碱基是嘧啶和嘌呤这两个母体化合物的衍生物。,Pyrimidines are six-memb
4、ered heterocyclic杂环 aromatic rings containingtwo nitrogen atoms,The purine ring structure is representedby the combination of a pyrimidine ring with a five-membered imidazole ring咪唑to yield a fused ring system,嘧啶,嘌呤,二 碱基的分解代谢,腺嘌呤A 鸟嘌呤G,I,40+男性多发（95%），女性一般在绝经后常见，因为雌激素对尿酸的形成有抑制作用；但是在更年期后会增加发作比率。,（高尿酸血
5、症）,多发人体最低部位的关节剧烈疼痛，痛不欲生的”痛“，很快1-7天痛像”风“一样吹过去了，所以叫”痛风“。,痛风的病因：,动物类内脏如脑、肝、肾、心、肚。和颜色深的肉类、西式浓肉汤、牛素、鸡精等。海产类。硬壳果如花生腰果之类、全麦制品、乳酸饮品、酵母菌、酒(过量)。植物幼芽部分一般含中度成份，不可多食，菜花类，豆苗，笋类，豆类。,痛风的治疗,乙酰-COA，琥珀酰-COA,合成尿素,图13-6,第二节 核苷酸的生物合成,核苷酸的生理功用核酸合成的原料细胞内能量的利用形式：如ATP生物合成中的活化载体：UDPG、CDP-二酰甘油辅酶的构成成分：FAD、NAD+、NADP生理调节介质：cAMP、c
6、GMP酶的变构调节剂：ATP、ADP、AMP等,核苷酸代谢的动态核苷酸来源：,单核苷酸库,氨基酸 葡萄糖 磷酸,核苷酸的从头合成,核酸的降解,补救合成：碱基和核苷,核苷酸的降解,核酸的合成,食物,自身合成,有些,核苷酸合成的两条途径,从头合成,核苷,碱基,脱氧核苷,核糖、氨基酸、CO2、NH3,核糖核苷酸,脱氧核苷酸,DNA,辅酶,RNA,补救途径,嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,一、嘌呤核苷酸的生物合成,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
7、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,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）,合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基团、CO2、磷酸核糖。合成特点：嘌呤碱与核苷酸同时合成磷酸核糖为起始物，逐步加原料合成嘌呤环，形成重要中间产物IMP（次黄嘌呤核苷酸或肌苷酸），再由它转变为AMP和GMP。,过程,1）.IMP的合成,2）.AMP和GMP的生成,5-磷酸核糖,5磷酸核糖1焦磷酸(PRPP),1）.IMP的合成,磷酸核糖焦磷酸激酶,5磷酸核糖焦磷酸,5磷酸核糖胺（PRA）,磷酸核糖酰胺转移酶
8、,谷氨酰胺,谷氨酸,限速反应,5磷酸核糖胺（PRA）,甘氨酰胺核苷酸,GAR合成酶,磷酸核糖,甘氨酸,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,转甲酰基酶,四氢叶酸,甲酰-四氢叶酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪唑核苷酸,FGAM合成酶,谷氨酰胺,谷氨酸,甲酰甘氨咪唑核苷酸,5氨基咪唑核苷酸,AIR合成酶,5氨基咪唑核苷酸,5亚氨基咪唑4羧酸核苷酸,羧化酶,5亚氨基咪唑4羧酸核苷酸,5氨基咪唑4羧酸核苷酸,合成酶,5氨基咪唑4羧酸核苷酸,5氨基咪唑4琥珀酸甲酰胺核苷酸,合成酶,天冬氨酸,5氨基咪唑4琥珀酸甲酰胺核苷酸,5氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,裂解酶,5氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,5甲酰氨基咪唑4甲酰胺
9、核苷酸,转甲酰基酶,5甲酰氨基咪唑4甲酰胺核苷酸,次黄嘌呤核苷酸,11,环化水解酶,IMP合成的总反应2Gln+2HCOOH+CO2+Gly+Asp+R-5-P IMP+2Glu+延胡索酸,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,2）AMP和GMP的生成,黄苷酸,嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。p346,总结:嘌呤核苷酸从头合成特点,利用体内游离的嘌呤碱或嘌呤核苷，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。,2、嘌呤核苷酸的补救合成途径,定义,合成过程,Pi,核苷磷酸化酶,重要补救途径,
10、另一种,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,5磷酸核糖1焦磷酸(PRPP),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。,IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。,Gln+Gly+Asp,腺嘌呤磷酸核糖转移酶(APRT)次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT)腺苷激酶,参与补救合成的酶,Lesch-Nyhan综合症（Lesch-Nyhan syndrome）：也称为自毁容貌症，是由于次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的遗传缺陷引起的。缺乏该酶使得次黄嘌呤和鸟嘌呤不能转换为IMP和GMP，而是降解为尿酸，过量尿酸将导致Lesch-Nyh
11、an综合症。,此种疾病是一种X染色体隐形连锁遗传缺陷。患者表现为尿酸增高及神经异常。如脑发育不全、智力低下、攻击和破坏性行为。1岁后可出现手足徐动，继而发展为肌肉强迫性痉挛，四肢麻木，发生自残行为，常咬伤自己的嘴唇、手和足趾，故亦称自毁容貌症。,3、嘌呤核苷酸合成的调节,嘌呤核苷酸受其终产物腺苷酸和鸟苷酸的反馈抑制，除此外，一些嘌呤、氨基酸或叶酸等类似物也影响其合成。,结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用,抑制了四氢叶酸的生成，干扰了一碳单位代谢，从而抑制了嘌呤核苷酸的合成,肿瘤细胞DNA的合成，而抑制肿瘤细胞的生长与繁殖。临床上用作抗叶酸类抗肿瘤药。,次黄嘌呤,6-巯基
12、嘌呤(6-MP),6-巯基嘌呤的结构,可通过抑制嘌呤代谢而干扰核酸合成的一种具有免疫抑制作用的抗代谢药物。常用于抗肿瘤和移植排斥反应。,嘧啶核苷酸的结构,二、嘧啶核苷酸的合成,从头合成途径补救合成途径,嘧啶核苷酸的合成,1、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、二氧化碳及氨等简单物质为原料，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,嘧啶碱合成的元素来源,NH3,CO2,合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2、磷酸核糖。合成特点：用原料先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸。CMP先合成UMP dTMP,合成过程,1）尿嘧
13、啶核苷酸的合成,CPS-限速,反应在线粒体中进行,限速，不可逆,来源,尿素里第一个氮的来源,限速,2）胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,CDP,CMP,2、嘧啶核苷酸的补救合成,5磷酸核糖1焦磷酸(PRPP),胞嘧啶,CMP,PRPP,PPi,3、嘧啶核苷酸生物合成的调节,嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),5-氟尿嘧啶（5-FU）在体内可转变为F-dUMP，其结构与dUMP相似，可竞争性抑制胸腺苷酸合成酶的活性，从而抑制胸腺苷酸的合成。,受UMP的反馈抑制,三、脱氧核糖核苷酸的生成,1、一般脱氧核苷酸的生成,以核糖核苷酸为原料，通过核糖核苷酸还原酶将核糖分子还原为脱氧核糖
14、。核糖核苷酸必须先行转化为二磷酸核苷酸(NDP)水平，再还原为脱氧核苷二磷酸(dNDP).除需还原酶外，还需氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白。进一步在激酶的作用下形成相应的dNTP。,除需还原酶外，还需氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白。进一步在激酶的作用下形成相应的dNTP。,核糖核苷酸还原酶,脱氧核苷酸的生成,NDP,dNDP,dNTP：满足DNA合成的需要（dUTP除外）,dNTP的生成,2、脱氧胸苷酸（dTMP）的生物合成,存在二种不同途径：全程合成途径和补救途径。全程合成途径：以dUMP为起始物，N5,N10-亚甲基 THFA为甲基供体，由dTMP 合酶催化生成。（图补救途径：,dUMP,脱氧胸苷
15、一磷酸dTMP,dUDP,dCDP,dUMP,dUTP,胸腺嘧啶+脱氧核糖-1-P 胸苷 dT kinase 胸苷+ATPdTMP+ADP,胸苷酸磷酸化酶,本节结束,第四节 核酸代谢调节,核苷酸生物合成需要多种酶的参与，受各种酶的调控；DNA聚合酶和RNA聚合酶受结构基因、操纵基因、调节基因的控制。mRNA合成受DNA的限制。在反转录情况下，DNA受mRNA的约束。,作业：,1、写出IMP从头合成的方程式，所需的ATP数？2、写出嘌呤环和嘧啶环上氮原子和碳原子的来源（不必写详细合成过程）。3、DNA复制所需的酶有哪些，各起什么作用？4。名词解释：转录、启动子、终止子、冈崎片段,第三节,DNA
16、Replication and DNA Repair,逆转录,转录,一,中心法则的意义,概念与意义,型复制,最常见,书上主要3种,lagging strand,leading strand,复制方式,DNA复制的基本过程,起始阶段 人为分三个阶段 延长阶段 终止阶段,复制的基本条件,ndNTP DNA+nPPi,DNA聚合酶模板引物其他酶及蛋白质因子Mg2+,线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋环状DNA形成的结、超螺旋和连环,类型,线状DNA,环状DNA,细菌环状DNA,拓扑异构酶是针对什么情况出现的？,防止单链DNA 被核酸酶降解,以DNA为模板，依赖DNA的DNA聚合酶,原核生物,DN
17、A聚合酶,ori,E.coli,82,(2),DNA复制过程（3）,真核Pol德尔塔,端粒,衣服缩水,真核,生命的时钟,组织培养的细胞证明，端粒在决定动植物细胞的寿命中起着重要作用，经过多代培养的老化细胞端粒变短，染色体也变得不稳定。细胞分裂次数越多，其端粒磨损越多，寿命越短。运动量过量，饮酒过量，过度操劳。,端粒 寿命 肿瘤,人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识。,端粒酶的催化延长作用,爬行模型,端粒酶(telomerase),端粒酶 RNA(huma
18、n telomerase RNA,hTR)模板 端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT),总结：复制的忠实性,DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制5109碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:,DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则，但错配率为7 10-6）,DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）,二,常用的烷化剂有烯烃、卤烷、硫酸烷酯等。化疗,溴化乙锭是一种高
19、度灵敏的荧光染色剂，用于观察琼脂糖和聚丙烯酰胺凝胶中的DNA。溴化乙锭可以嵌入碱基分子中,导致错配。,修复(repairing)是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,光修复(light repairing)切除修复(excision repairing)重组修复(recombination repairing)SOS修复,修复的主要类型,光修复,光修复酶(photolyase),UV,DNA紫外线损伤的光裂合酶修复（哺乳动物除外）,1、形成嘧啶二聚体,2、光复合酶结合于损伤部位,3、酶被可见光激活,4、修复后酶被释放,DNA的损伤和切除修复,碱基丢失,碱基缺陷或错配,结构缺
20、陷,切开,核酸内切酶,核酸外切酶,切除,DNA聚合酶,DNA连接酶,AP核酸内切酶（切无嘌呤，无嘧啶）,核酸外切酶,切开,切除,修复,连接,糖苷酶,大肠杆菌,一种由于DNA修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病。表现为皮肤光敏和早发性肉瘤。,由核酸内切酶缺陷造成DNA修复功能异常所致。本病的主要生化缺陷是由于皮肤部位细胞缺乏核酸内切酶，而使日光损伤的DNA不能正常修复。初起在暴露部如面、唇、结膜、颈部及小腿等处出现雀斑和皮肤发干，类似日光性皮炎，开始皮肤发红，以后出现持久性网状毛细血管扩张。对典型病例根据临床即可确诊外涂避光软膏，如25%二氧化钛霜等，内服维生素A及烟酰胺或硫酸锌治疗。,诱导修复,第四
21、节RNA的生物合成（RNA复制和DNA转录）,转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。,转录,一、转录 的一般规律,(一)不对称转录(asymmetric transcription)1.结构基因(structural gene):DNA分子上转录出 RNA的区段。2.模板链(template strand):DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，也称作反 义链或Watson链。3.编码链(coding strand):DNA双链中与模板链相对的单链，不进行转录，也称为有意义链或Crick 链。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t
22、 g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,（二）RNA聚合酶RNA聚合酶催化的反应，原料，方向,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,RNA聚合酶,（1）原核生物的RNA聚合酶,全酶(holoenzyme),核心酶(core enzyme),W,W,利福平抗结核？,RNA 聚合酶错配率高？,（2）,西格马,顺式作用元件(cis-actingelement)存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、沉默子和终止子等，它们的
23、作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。,编码链 5-3,位于5方向的区域称为上游,用”-”表示,沉默子:负性调控元件,有时在上游,有时在下游,肉,反式作用元件,RNA转录过程,起始,双链DNA局部解开,磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),二,三,原核生物的转录后加工,原核生物核糖体,原核细胞中含3种rRNA，分为5s,23s,16s。,半衰期短,原核生物：mRNA的转录和翻译二个过程同时发生。,多顺反子polycistron：是指
24、携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA,真核生物的转录后加工,真核生物核糖体,真核细胞中含4种rRNA，按其含氨基酸残基数目的多少，分为18S,5.8S,28S,5S。,真核生物mRNA的加工,1 加帽2 加尾3 剪切并拼接4 甲基化修饰,核,1,缓冲,2,3,4.甲基化作用,习题,有哪些因素可以导致DNA的损伤，机体通过什么机制对其进行修复？,简述原核生物的转录终止机制,比较复制（DNA）与转录的异同.真核细胞mRNA怎么加工？,复习,端粒(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,生命的时钟,哪些修复方式？,光修复(light repairing)切除修复(excisi
25、on repairing)重组修复(recombination repairing)SOS修复,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链（有义链）,模板链（反义链）,mRNA,蛋白质,转录,翻译,原核生物RNA聚合酶有一启动因子：,（sigma西格马）,go xn jin-鹅膏蕈碱amanitin 一种毒菌类鬼笔鹅膏（Amanita phalloides）所生成的具有双环结构的八肽毒素。对动物的致死作用是：在真核细胞核内抑制催化合成mRNA，该物与RNA聚合酶（或B）进行特异性结合，从而抑制磷酸二酯键的形成（RNA链合成的起始和延长）。在真核细胞RNA聚合酶的识别或RNA聚合酶的定量等方面是有用的。,
