生化通便-代谢BY R9-303

考拉在此祝大家考试顺利啊，题目渊源真的不明！但这是人家辛苦的结果嘛，名字依然保留！DNA代谢1RNA代谢4氨基酸，核苷酸及相关分子的生物合成8蛋白质代谢14DNA代谢一、DNA复制 DNA复制受控于一套基本规则1DNA半保留复制： 当细胞分裂 DNA进行复制时，双螺旋结构解开而成为单链，按碱基互补配对原则合成新的互补链。子代细胞中的DNA双链，其中一条单链完全重新合成，另一条单链是亲代链的完整保留。2复制从一个起点开始，通常向两个方向进行。3复制是一个高度协调的过程，母链的解旋和复制同时进行。 细菌DNA环的一端或两端都是活动点，被称作复制叉，那里的亲代DNA解链，两条链同时进行复制。 细菌染色体的复制是双方向的，环的两端都具有活动的复制叉。 复制环总是开始于一个固定的位点，称为起始点。复制开始于起始点并双向同时进行。4DNA合成的5-3方向性及半不连续性 DNA新链的合成沿5-3方向进行，即DNA链只在末端的游离3羟基上增长，模版DNA链是35的。 以复制叉移动方向为准，前导链沿53方向连续合成，后随链也从5-3方向合成，但与复制叉方向相反。 后随链由合成的许多小片段先后连接而成的，该片段称为冈崎片段。 DNA复制过程DNA复制所需的酶：核酸酶，DNA聚合酶，连接酶 核酸酶降解DNA 核酸酶：降解DNA，只专门作用于DNA。主要分为两类：外切核酸酶和内切核酸酶。 外切核酸酶从分子末端降解核酸。许多外切核酸酶只能将双链核酸一条链上的核苷酸从5端或3端切下来。 内切核酸酶可以从核酸链或分子的任意点开始降解。 限制性内切酶只在特定的核苷酸序列处切开。 DNA聚合酶合成DNA 基本的反应是通过增长的DNA链的3末端核苷酸的3-OH对即将引入的5-脱氧核苷三磷酸的5-磷酸进行亲核攻击而实现的，合成方向是5-3，反应中会生成无机焦磷酸盐。 DNA聚合的过程需要有两个必要条件：所有聚合酶都需要模版。DNA聚合反应需要有引物。引物的3末端带有能与核苷酸相结合的游离3羟基，引物通常是寡聚RNA。 大肠杆菌至少含有5种聚合酶 DNA聚合酶I DNA聚合酶II：与DNA修复有关 DNA聚合酶III：复制过程中最重要的酶 DNA聚合酶IV和DNA聚合酶 V：与一种不常见的DNA修复方式有关 DNA聚合酶I 在复制中不是最主要的酶，而是通过它的53外切酶活性在复制、重组以及修复过程中起清除作用。 Klenow片段是将53外切酶结构域取出后的片段，保留了合成与校对功能。 完整的DNA聚合酶I上的53外切酶可通过切口平移过程替换与模板链配对的一段DNA或RNA。 酶的这些活性对复制过程中的DNA修复和RNA引物的去除均有作用。 DNA复制酶系统（DNA的复制过程需要的酶和蛋白质因子）1 解旋酶：使母链解开螺旋；2 拓扑异构酶：减弱螺旋状DNA结构解旋后的拓扑应力；3 DNA结合蛋白：稳定DNA单链；4 引物酶：促使与模版结合的引物RNA片段的合成；5 DNA聚合酶；6 DNA连接酶：RNA引物被切除，并被DNA替代后，将DNA骨架上的断口接上并形成两条连续的新链。 DNA分子合成可分为三步：合成起始 大肠杆菌复制起点oriC，包含一个由13个碱基对组成的3次重复片段和一个由9个碱基组成的4次重复片段。 合成起始的关键部分是DnaA蛋白：20个DnaA蛋白质分子结合到9个碱基对组成的4次重复片段，再识别由13个碱基对组成的3次重复区域（富含A=T），并使此处DNA相继发生变性。在DnaC蛋白的协助下，DnaB蛋白的两个六聚体分别附在DNA两条链上，从两个方向对DNA进行解旋并形成2个潜在的复制叉。 起始阶段是DNA复制中唯一一个可以受调节的阶段，由于受到调节而使得在一个细胞周期中只发生一次复制。 Dam甲基化酶可以使oriC DNA甲基化，DNA的甲基化以及与细菌质膜的相互作用可以影响复制的起始时间。DNA片段的合成及延伸 母代DNA被DnaB解旋酶解旋，前导链的合成前导链的合成较直接，由DnaG引物酶在复制起点处合成一个短链RNA引物。脱氧核苷酸由DNA聚合酶III加到引物上，合成与复制叉处DNA解旋同步。后随链的合成后随链的合成是以冈崎片段的形式进行。首先DnaB解旋酶和DnaG引物酶合成一个RNA引物，DNA聚合酶III与RNA引物结合，催化加上脱氧核苷酸。DNA聚合酶III离开与新的引物结合， RNA引物被DNA聚合酶I的53外切酶活性除去，并通过同样的酶催化合成DNA取而代之，留下的切口由DNA连接酶封闭。 前导链和后随链合成之间的协调两条链都是由一个不对称的DNA聚合酶III二聚体合成。这要通过将后随链所在的DNA弯曲，使两个发生聚合反应的位点靠拢在一起才得以实现的。合成终止 Ter序列结Tus蛋白质，Tus-Ter复合体能抑制单方向前进的复制叉，该复合体只能对一个复制叉起作用。 一个复制叉遇到Tus-Ter复合体时，复制停止；另一个复制叉遇到已停止的复制叉后也停止复制。 DNA复制过程非常精确，依赖于：碱基互补配对：错误的核苷酸可以与模版的碱基形成氢键，但通常无法进入酶的活性中心。校对：聚合酶加上了错的核苷酸则无法继续，35外切酶的活性除去不匹配的核苷酸之后，聚合酶重新工作。错配修复。 真核生物的复制 真核生物的DNA复制的重要性质与原核生物相同。 所有真核生物DNA复制的起始都需要一个多亚基的蛋白质，即起点识别复合体（ORC）。 真核细胞中有多个复制起始点，多点复制可能是真核生物的独特性质。 DNA聚合酶不具备校正35外切核酸梅的活性，仅能合成后随链上冈崎片段的短引物。 DNA聚合酶具有35外切核酸酶的校对功能，在复合物中与细菌的DNA聚会酶III相似。二、DNA修复 突变 突变：DNA核苷酸序列的永久性改变（替代突变，插入或缺失突变）；多数突变是有害的。 沉默突变：对DNA没有本质影响，或对一个基因功能的影响可以忽略不计的突变。 在哺乳动物中，突变的积累与癌症之间有密切关系。 所有细胞都有多重的DNA修复系统 修复系统的数量和多样性既反映DNA修复对细胞存活的重要性，又反映了DNA损伤的多样性。 DNA修复是可能的，因为DNA分子由两条互补链构成，DNA损伤在一条链中可被切除，并没有损伤的互补链作为模版复制新链而得以准确修复。 错配修复 细胞是通过甲基标记的DNA模板去区别旧链和新合成的链。 链的识别是基于Dam甲基化酶的作用，即DNA的甲基化总是在(5)GATC序列在腺嘌呤N6位上。 在新合成的链中，瞬间未被甲基化的GATC序列与模版可以区分开来，再依据已甲基化的模版的信息去修复。 间隔较远的GATC序列引导的错配修复，则由MutL蛋白和MutS（识别错配）蛋白形成复合物，再结合所有的错配碱基对，遇到MutH蛋白（识别(5)GATC）后，MutH蛋白在GTAC序列靠5端的G处切断非甲基化链。 错配在切点5端，非甲基化链沿着35方向从切点向错配点降解，需要DNA解旋酶II、SSB和外切核酸酶或以及DNA聚合酶III、DNA连接酶； 错配在切点3端，非甲基化链沿着53方向从切点向错配点降解，需要DNA解旋酶II、SSB外切核酸酶或RecJ核酸酶以及DNA聚合酶III、DNA连接酶。 碱基切除修复 所有细胞都有一类DNA糖基化酶，能够识别一些特别普通的DNA损伤，并通过断裂N糖苷键来切除受影响的碱基。这种切除会在DNA产生脱嘌呤或脱嘧啶位点，一般称为脱碱基位点或AP位点。 AP位点是由DNA中的N糖苷键的慢速自发水解产生的。 AP位点形成后，损伤的脱氧核糖5-磷酸被AP内切核酸酶切除，切除的DNA片段由DNA聚合酶催化合成的新链取代，留下的DNA缺口由DNA连接酶连接。 核苷酸切除修复 DNA损伤会造成DNA螺旋状结构的扭曲，它可以通过核苷酸切除来修复。 在大肠杆菌中，关键的酶复合物是ABC核苷酸切除酶，它可以在DNA上产生两个切割点。 在核苷酸切除修复中，核苷酸切除酶在损伤庞大的损伤部位与DNA结合，多亚基酶水解损伤中的任意一侧DNA链的磷酸二酯键，DNA片段在解旋酶帮助下去除，缺口在大肠杆菌中由DNA聚合酶填补，在人体内由DNA聚合酶填补，切口由DNA连接酶封闭。 直接修复 最典型的例子是环丁嘧啶二聚体的直接光反应，该反应由DNA光解酶引发。 嘧啶二聚体由光诱导反应产生，光解酶利用吸收的光能使损伤修复。 当双链断裂、双链交联或损伤发生在单链DNA时，互补链自身损伤或缺失：重组DNA修复：同源遗传的重组需要的信息来自独立、同源的染色体；易错修复/SOS应答：DNA损伤高频发生时细胞对大规模DNA损伤所产生的应激反应；SOS蛋白产生特异性的DNA聚合酶，可以跳过那些阻碍复制的损伤基因来进行复制。三、DNA重组 遗传重组可分为三种类型：同源遗传重组、位点特异性重组、DNA转座 同源遗传重组 涉及到具有几乎相同序列的延伸区域的任意两个DNA分子之间或者同一个分子的片段之间的遗传交换。 在细菌中，同源遗传重组通常用于对DNA损伤部位受阻的复制叉的重建，也出现在细胞接合作用等过程。 在真核细胞中，同源遗传重组一般与细胞分裂及DNA修复相关，重组高频发生于减数分裂过程。 通过同源遗传重组，遗传信息在紧密结合的染色单体间进行交换，同源基因重组包括DNA的分离和重组。 同源遗传重组具有多种功能它可以修复几种类型的DNA损伤在真核细胞中第一次细胞减数分裂过程中，同源重组为促进染色体的有序分离提供了一个暂时的物理连接。他增加了遗传群体的遗传多样性。 位点特异性重组 重组只限于特定的DNA序列中。 每一特定位点的重组系统涉及到一种称为重组酶的酶和一段短的（20200个碱基）而且独特的DNA序列，在此处重组酶起作用。 位点特异性重组的结果取决于重组位点在双链DNA分子中的位置和方向。 DNA转座 它通常含有一个短的可以从染色体的一处移到另一处的DNA片段。 在所有的细胞中都可以找到DNA片段从一个染色体的一处移动或跳跃到同一个或不同的染色体的另一处。 DNA序列同源通常无需这一称为转座作用的移动，新位点的选择通常带有或多或少的随机性。 细菌有两类转座子 简单转座子仅包括转座作用所需的序列和促进转座进行的转座酶基因。 复杂转座子除了包含与转座作用相关的基因，还包含一个或多个其他的基因。这些额外的基因可以使细胞对某些抗生素产生抗性，从而增加宿主细胞的存活几率。RNA代谢 RNA与DNA的区别戊糖2位上的羟基以尿嘧啶取代了胸腺嘧啶RNA主要是单链RNA除了作为遗传信息载体外还能作催化剂 三种主要的RNA 信使RNA（m RNA）：编码一个或一组基因指定的一个或多个多肽上的氨基酸序列。 转移RNA （tRNA）：读取mRNA中的编码信息，并在蛋白质合成时运输合适的氨基酸至增长的多肽链。 核糖体RNA（rRNA）：是核糖体的组成部分，核糖体是一个复杂的细胞器，在此蛋白质被合成。转录：依赖于DNA的RNA合成 转录分为起始、延伸、终止3个阶段；转录不需要引物，并且通常只涉及DNA分子受限的部分片段。 由RNA聚合酶合成RNA 原料：DNA模版链，依赖DNA的RNA聚合酶，4种核苷5-三磷酸，Mg2+。 转录所需的RNA聚合酶的特性：1 RNA聚合酶需要DNA激活并在与双链DNA结合时最具活力，两条DNA链中只有一条能充当模版；2 模板DNA链由35方向进行复制，合成RNA按53方向，在链的3-端添加核苷酸；3 转录遵从碱基互补配对原则；模版链、非模版链（编码链）；4 RNA聚合酶不需要引物起始RNA合成，当RNA聚合酶结合在被称作启动子的DNA序列时，RNA合成开始；5 大肠杆菌RNA聚合酶通常保持17个碱基对解链，8个碱基对组成DNA-RNA双螺旋；6 RNA聚合酶缺少35外切酶的校对活性，出错率为10-4 10-5。 RNA合成起始于启动子 RNA聚合酶结合到DNA中称为启动子的特定序列上，启动子是用来指导DNA基因中邻近片段转录的。 在大肠杆菌中，启动子位于-70到+30区域。 有几个富含AT的短序列在不同启动子中很相似，在功能上起很重要的作用：-35区的序列与起始位点的辨认有关，称为辨认结合位点。-10区的序列称为Pribnow盒开链位点。-40到-60为UP（上游启动子）元件 RNA聚合酶结合与转录起始的效率很大程度决定于这些序列、序列之间的间隔及它们与转录起始位点的距离。 转录的调控 调控可以发生在转录的任何步骤，包括伸长和终止，很多调控是发生在聚合酶结合与转录起始的步骤，启动子序列的不同是几个水平调控的一种。 结合在启动子附近或启动子远处序列的蛋白质也能影响基因的表达水平。蛋白质结合可以通过促进RNA聚合酶在起始阶段的结合或移动而激活转录，也可以通过阻遏聚合酶的活性来抑制转录。 RNA合成终止的特定序列信号 RNA合成是持续的，DNA序列会引起RNA合成的中止。 大肠杆菌有两种转录终止信号：蛋白因子：蛋白在特定结合位点与RNA结合在一起，并按5-3方向移动，与停在终止位点的转录复合物相遇，则释放RNA产物。不依赖于的蛋白因子，有两个显著特征：存在一个区域，使转录的RNA在其末端前有一个由1520个核苷酸组成的能形成发夹结构的自我互补序列，破坏RNA与RNA聚合酶的作用；在模板链上有一小段鸟苷酸，经转录后在RNA的3末端形成一段尿苷酸，能够停止聚合酶。 转录与复制的相似之处：基础的化学原理；极性（合成方向）；使用模版。 转录与复制的不同之处转录不需要引物；只涉及DNA分子受限的部分片段；在转录的片段中只有一条DNA链作为模板。 复制与转录的异同点（特点）复制转录模板两股链均复制模板链被复制原料dNTPNTP酶DNA-pol RNA-pol特点半保留复制不对称转录产物子代双链DNAmRNA tRNA rRNA配对A-T C-GA-U C-G T-A引物需要不需要合成链方向5353 真核细胞中有三种核RNA聚合酶 RNA聚合酶(Pol)存在于核仁中，只与前rRNA合成有关，它包含了18S、5.8S和28S的rRNA。 RNA聚合酶(Pol)存在于核质中，主要功能是合成mRNA和某些特定的RNA。这种酶能识别成千上万中启动子。例如在碱基对-30附近有TATA盒，是RNA聚合酶的前起始复合物蛋白质的主要装配位点；RNA起始位点+1附近有起始位点Inr序列。 RNA聚合酶(Pol)存在于核质中，合成tRNA，5SrRNA以及一些特殊的小RNA。 RNA聚合酶需要许多蛋白质因子激活 RNA聚合酶是具有12个亚基的很庞大的一种酶，它需要一系列称为转录因子的蛋白质组成具有活性的转录复合体。 RNA聚合酶启动子需要的基本转录因子（TF）在真核细胞具有保守性。 RNA聚合酶催化的转录过程包括组装、起始、延长、终止几个阶段。RNA聚合酶的组装TBP结合到TATA盒上，再依次结合TFB、TFF-RNA聚合酶、TFE和TFH；RNA链的启示和启动子出空TFH使NA聚合酶最大亚基的C末端区域磷酸化，改变复合体构象而启动转录；接着释放TFE和TFH；延长、终止和释放TFF在整个延长阶段始终与RNA聚合酶结合； 依赖DNA的RNA聚合酶可以被选择性抑制 抗生素放线菌素D可以抑制真核细胞和细菌中由RNA聚合酶催化的RNA链的延长；其特别的环状结构可插入到相邻的G-C碱基对之间，从而使DNA变形,阻塞转录的延伸。吖啶也以类似的方式抑制RNA的合成。 利福平通过与细菌中的RNA聚合酶的亚基结合来抑制RNA合成，阻止转录中的启动子出空步骤。因此利福平常用作抗生素。由于利福霉素不抑制真核生物的RNA聚合酶，所以一个合成的利福霉素衍生物利福平已用作为临床的抗结核菌药。 RNA的加工过程 RNA代谢后期发生的分子变化，很多是由称作核酶的RNA催化剂催化的。 新合成的RNA分子称为初始转录本，真核生物的mRNA和细菌及真核tRNA的初始转录本都要进一步的加工改造。 转录本中的非编码区称为做内含子，编码片段称为外显子。 剪接：内含子从初始转录本中除去，外显子连接起来形成编码具有特定功能的多肽的连续序列的过程 修饰残基加到5端，称为5帽，3端形成多聚腺苷酸尾巴。 转录到RNA中的内含子经剪接除去 真核生物中编码多肽的基因经常被非编码序列（内含子）分割开，基因不是连续的。 脊椎动物的大部分基因都含有内含子，除组蛋白基因等少数情况例外；其他真核生物中内含子的出现有差别；在少数细菌和远古细菌基因中也发现了内含子。 包括人类在内的较高等真核生物基因的特点是作为内含子的DNA部分远多于作为外显子的DNA部分。 基因中的内含子与基因的其余部分一起被RNA聚合酶转录出来，然后切去初始RNA转录本中的内含子，外显子连接为成熟的功能性RNA。 RNA催化剪接 共有四种类型的内含子。 I型和II型内含子表现一些共有的关键性质，如都不需要高能辅因子（ATP），但在剪接机制中的细节有所不同。 I 型内含子发现于细胞核、线粒体和叶绿体中一些编码rRNA，mRNA和tRNA的基因中。 II型内含子通常位于真菌、藻类和植物线粒体或叶绿体的mRNA的初始转录本中。 重要特点：I型和II型内含子是自我剪接的，没有蛋白性的酶参与反应。 I型内含子的剪接机制 I型内含子的剪接需要一个鸟苷或其他核苷辅因子。鸟苷的3OH作为亲核体攻击5剪接位点的磷酸形成一个3,5磷酸二酯键；被替换出来的5外显子的3OH变成亲核体攻击3末端剪接位点，完成反应。 II型内含子的剪接机制内含子一个特异的腺苷上的2OH作为亲核体攻击5剪接位点，形成分支套索结构；被替换出来的5外显子的3OH变成亲核体攻击3末端剪接位点，完成反应。 第三类且是最大的一类内含子是在核内mRNA初始转录本中发现的。它们如II型内含子一样以形成套索的方法进行剪接，但需要被称为小核糖核蛋白（snRNP）的RNA-蛋白质复合物参与。snRNP是含有一类100-200个核苷酸的真核RNA，称为小核RNA。 第四类内含子存在于tRNA中，剪接过程需要ATP和内切酶核酸。剪接中内切核酸酶切断内含子两端的磷酸二酯键，两端的外显子通过类似于DNA连接酶作用的机制被连接起来。 真核RNA需经历额外的加工过程 5帽：7-甲基鸟苷通过特殊的5,5三磷酸与mRNA的5端残基相连；5帽和专一蛋白结合，可参与mRNA同核糖体结合后的初始翻译。 多聚腺苷酸尾：真核mRNA的3端由80-250个腺苷酸残基构成的尾部结构；可作为一种专一蛋白的结合部位。 5帽和多聚腺苷酸尾与其专一性蛋白的结合可能可以防止mRNA的酶促降解。 加帽步骤：通过1分子GTP与转录本5端的三磷酸缩合形成，随后鸟嘌呤在N7处甲基化，另外的甲基化首先发生在2OH，其次也发生在与帽相邻的核苷酸处。甲基由S-腺苷蛋氨酸提供。 加尾过程：转录在加入多聚腺苷酸尾的位置进一步延伸，然后一个大的酶复合物的内切核酸酶组分在poly(A)添加位点上切割，使mRNA产生3-OH，多聚腺苷酸聚合酶立即催化腺苷酸残基加入此处；加尾信号：(5)AAUAAA(3)序列；多聚腺苷酸聚合酶不需要模板，但要有切割的mRNA作为引物。 通过不同的RNA加工过程，一个基因可表达产生多种产物 一些mRNA能经多种方式加工而产生不同的mRNA，以合成不同的多肽链。 真核生物中复杂转录本选择性加工的两种机制：选择性断裂和多聚腺苷酸化方式；不同的剪接方式。 rRNA 和tRNA也经历加工过程 转录后的加工不只限于mRNA，原核生物和真核生物的rRNA是由前rRNA所产生的。 rRNA的转录后加工： 真核细胞的rRNA基因(rDNA)属于称为丰富基因族的DNA序列，也称为高度重复序列。 真核生物rRNA基因家族，转录生成的45S-rRNA, 剪接成为5.8S-、18S-、28S三种rRNA，与核蛋白体蛋白质一起形成核蛋白体。 tRNA的转录后加工 切除部分序列: 5-端 - 一段前导序列 反密码子环 - 一段插入序列 3-端CCA-OH的生成-tRNA核苷酸基转移酶 某些碱基的化学修饰: 甲基化 还原反应 DHU 脱氨反应 RNA酶催化RNA代谢中的一些实例 核酶：催化RNA或核酶自身的一部分；催化转酯反应和磷酸二酯键的水解反应。 了解得最清楚的核酶有：具有自身剪接功能的I型内含子、RNase P、锤头状核酶、发夹状核酶。 不同的核酶其大小有很大差别。自我剪接的I型内含子可能含有400个以上的核苷酸。锤头状核酶由两条RNA链组成，总共只有41个核苷酸。 与蛋白酶一样，核酶的三级结构对其功能非常重要。 细胞内的mRNA以不同的速度降解，降解通常以53方向进行。依赖RNA的RNA合成和DNA合成中心法则的扩展，增加了依赖RNA的RNA合成和DNA合成的内容。 反转录酶催化由病毒RNA产生DNA 依赖RNA的DNA聚合酶称为反转录酶，含有反转录酶的RNA病毒称为反转录病毒。 反转录酶催化合成与病毒RNA互补的DNA链，再降解RNA-DNA杂合分子中的RNA链并以DNA链取代它。 反转录酶需要一个引物来启动DNA合成，这个引物是病毒颗粒中带有的在前一次感染中获得的宿主细胞tRNA。 反转录酶象RNA聚合酶一样，没有35外切酶校正作用，它们在加入20000个核苷的时候就有一个出错。 反转录病毒有三个基因：gag：其编码的蛋白质组成病毒颗粒的内核。pol：编码能酶解长多肽的蛋白酶、催化病毒DNA插入宿主染色体的整合酶和反转录酶。env：编码病毒的外壳蛋白。 反转录酶催化三种不同的反应：RNA依赖的DNA合成；RNA降解；DNA依赖的DNA合成。 互补DNA：用于DNA克隆，通常由反转录酶产生，催化以mRNA为模板来合成互补链DNA的反应。 病毒反转录酶引起癌症和爱滋病 大部分病毒反转录酶不能杀伤宿主细胞，但能整合于细胞内DNA，刺激细胞分裂。有些反转录病毒属于RNA肿瘤病毒，含有能引起细胞异常生长的致癌基因。 人类免疫缺陷病毒HIV会引起获得性免疫缺陷综合症（AIDS）。HIV是反转录病毒，它会杀伤许多受感染细胞而引起肿瘤形成，这样逐渐导致宿主机体免疫系统的抑制。HIV反转录酶的错误率比其他已知的反转录酶更高，致使该病毒有高突变率。 部分病毒RNA由依赖RNA的RNA聚合酶复制 一些大肠杆菌噬菌体含有RNA基因组，这些病毒的单链RNA染色体在病毒蛋白质合成中起类似mRNA的作用，在宿主细胞中由一种依赖RNA的RNA聚合酶复制。 RNA复制酶需要RNA作为模板，对DNA不起作用；RNA复制酶缺少起校对作用的内切核酸酶活力，并且与RNA聚合酶相似，存在较高的错误率；RNA复制酶只对自身病毒RNA起作用。氨基酸，核苷酸及相关分子的生物合成 PART 1. 氨基酸及相关生物分子的合成 氨代谢概述 氮气通过固氮作用变成氨 20种氨基酸的生物合成 其他由氨基酸衍生的生物分子的合成氮循环 氮可通过固氮酶复合物来固定 固氮作用：在固氮生物中将氮气转化为氨 Cyanobacteria (蓝绿藻, photosynthetic) rhizobia (根瘤菌, symbiont 共生生物 ) 硝化作用：进入土壤的氨被氧化成为硝酸盐而获得能量的过程。 反硝化作用：细菌通过在厌氧条件下将硝酸盐转化为氮气来实现固定的氮和大气中的氮的平衡的过程。 固氮复合酶的关键成分是二固氮酶还原酶和二固氮酶。固氮是通过一个具有高度还原状态的二固氮酶催化及摄取8个电子而实现的，其中6个电子用于还原氮气，2个电子用于产生1分子的氢气。且要求还原酶水解ATP用于还原二固氮酶。固氮过程中ATP起着催化作用而不是发挥热动力学效应。 氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中谷氨酸通过转氨作用为其他大多数氨基酸提供氨基，谷氨酰胺中的酰胺氮也是大多数生物合成中氨基的来源。 将氨根离子吸收进谷氨酸的最重要的两个途径： 首先是谷氨酸和氨离子在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase）催化下合成谷氨酰胺的反应。 在细菌和植物中，由谷氨酰胺经谷氨酸合酶（glutamate synthase）催化反应得到。 谷氨酰胺合成酶是氨代谢中一个主要的调控点 这种酶含有12个相同亚基，并且可以通过别构作用（allosterically）和共价修饰（covalent）进行修饰。 谷氨酰胺合成酶的别构调节 这酶受至少八种别构因子的累积性抑制，多数是谷氨酰胺代谢反应的产物。 谷氨酰胺合成酶的共价修饰 细菌中谷氨酰胺合成酶的Tyr残基能可逆的被腺苷酰化，这种共价修饰提高了别构抑制剂的敏感度。 腺苷酰化酶对变构抑制剂更敏感。 谷氨酰胺合成酶的AMP基团的添加和去除是被腺苷酰基转移酶（adenylyltransferase，AT）催化的。 腺苷酰转移酶的活性可通过结合到一种称为PII 的调节蛋白质上而进行调节。 共价修饰的机制： PII 是一种调节蛋白，它的活性是被PII 的一个Tyr残基的尿苷酰化共价修饰所调节的。腺苷酰转移酶复合物（AT）与尿苷酰化的PII 结合可引起谷氨酰胺合成酶去腺苷化，激活谷氨酰胺合成酶活性，而AT与脱尿苷酰化的PII结合则可以引起谷氨酰胺合成酶的腺苷酰化，抑制谷氨酰胺合成酶活性。 PII 的尿苷酰化和脱尿苷酰化都是由尿苷酰转移酶(uridylyltransferase)催化的 。 氨基酸的合成 几种反应在氨基酸和核苷酸的生物合成中担当重要角色，值得注意： 含有辅因子吡哆醛磷酸的酶催化的转氨反应和重排反应 利用四氢叶酸或S腺苷甲硫氨酸为辅因子的一碳单位转移反应 谷氨酰胺中的酰胺氮的转氨基作用： 转移谷氨酰胺的氨基的反应是由谷氨酰胺转酰胺酶催化的。 这种酶有两个结构域，其中一个结合谷氨酰胺，另一个结合作为氨基受体的第二个底物。 谷氨酰胺结合结构域中一个保守的半胱氨酸是公认的亲核基团，能够裂解谷氨酰胺的酰 胺键并形成一个共价的谷氨酰酶中间体。 在该反应中产生的氨停留在活性中心中，并与第二个底物反应产生氨基化产物。 所有的氨基酸都来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。 氨是通过戊糖和谷氨酰氨进入这些途径 将这些生物合成途径根据代谢前体分为六类，有：酮戊二酸，3磷酸甘油酸，草酰乙酸，丙酮酸，磷酸烯醇丙酮酸和4磷酸赤藓糖，5磷酸核糖 10种非必需氨基酸有：丙，半胱，甘，脯，丝，络，天冬氨酸，天冬酰胺，谷氨酸，谷氨酰胺 10种必需氨基酸：精，组，异亮，亮，甲硫，赖，缬，苯丙，色，苏 氨基酸生物合成受别构调节 协同抑制：一种酶受到两种或以上调节物的抑制，这些调节物的总体效应不是简单加和。 连锁调节：酶的多样性避免由于了一种终产物关闭代谢途径的关键步骤而导致同一途径中某个必需的中间产物不能合成。 由氨基酸衍生的生物分子 氨基酸是很多特殊的生物分子的前体。 甘氨酸是卟啉的前体 哺乳动物中的血红素中的卟啉环由8个甘氨酸和8个琥珀酰辅酶A合成。 卟啉生物合成的遗传缺陷导致卟啉中间物积累而引起的多种疾病统称为卟啉症。 血红素降解生成胆色素 从死亡的脾脏红细胞中释放出来的血红蛋白的铁卟啉降解可得到铁离子和一种开环的四吡咯衍生物胆红素。 肝功能损伤或胆汁分泌受阻会引起胆红素渗进血液中导致皮肤和眼球发黄，这种病症称为黄疸。 肌酸和谷胱甘肽的合成需要氨基酸 肌酸(creatine) 肌酸和磷酸肌酸是能量储存、利用的重要化合物，“能量缓冲器”肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，S-腺苷甲硫氨酸供甲基而合成肝是合成肌酸的主要器官在肌酸激酶（CPK）催化下，肌酸转变成磷酸肌酸肌酸和磷酸肌酸代谢终产物是肌酸酐。 谷胱甘肽（GSH）通常以高浓度存在于植物，动物和一些细菌中，可被认为是一种氧化还原缓冲剂。这个三肽是在特殊的酶（不是核糖体）的催化下合成的谷胱甘肽可能有助于维持蛋白质的巯基处于还原态和血红素处于亚铁状态。反应由谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）催化，该酶含有一个酶活性 必需的与硒原子共价连接的硒代半胱氨酸（selenocysteine） D型氨基酸主要存在于细菌中 D型氨基酸在细菌细胞壁和肽类抗生素结构中具有特殊功能。 D型氨基酸是在以吡哆醛磷酸为辅酶的氨基酸消旋酶（racemases）作用下由L型氨基酸异构化生成的。 氨基酸的消旋作用（racemization）对细菌代谢尤为重要，因此象丙氨酸消旋酶之类的酶分子是药物分子的重要靶点。 氨基酸经脱羧生成生物胺 一些重要的神经递质，如5羟色胺， 羟基丁酸（GABA），去甲肾上腺素，肾上腺素等，都是由氨基酸的脱羧反应得到的。 脱羧反应 在氨基酸脱羧酶的催化，体内部分氨基酸可进行脱羧基作用生成相应的胺。 催化酶：氨基酶脱羧酶（辅酶为磷酸吡哆醛，PLP） 意义：生成的胺类物质常具有重要的生理功用或药理作用*胺氧化酶能将胺类物质氧化成醛类或酸类物质，从而避免胺类在体内蓄积。 重要的神经递质 -氨基丁酸(-aminobutyric acid,GABA)：抑制性神经递质，临床上可用Vit B6治疗妊娠呕吐和小儿搐搦 组胺（Histamine）：是一种很有效的血管舒张剂，也可刺激胃酸分泌。 5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT) ：脑内抑制性神经递质，外周组织收缩血管 牛磺酸 (taurine)：胆汁酸的组成成分 用于DNA组装的多胺来源于甲硫氨酸和鸟氨酸。通过抑制鸟氨酸脱羧酶可抑制非洲睡 眠症。 精氨酸是CO的前体。 小结1 大气中的氮气在某些特定组织中被还原成氨。2 氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中3 谷氨酰胺转酰胺酶催化转移酰胺基到许多受体分子中。4 氨基酸大部分来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。5 很多其他的生物分子（包括血红素，肌酸，谷胱苷肽，植物生长激素，神经传递素，多胺和一氧化氮等）都来自于氨基酸。PART 2. 核苷酸的生物合成和降解1. 嘌呤核苷酸的从头合成2. 嘧啶核苷酸的从头合成3. 核苷单磷酸转变为核苷三磷酸4. 核糖核苷酸是脱氧核糖核苷酸的前体5. 嘌呤和嘧啶的降解6. 嘌呤和嘧啶的补救合成7许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶作为靶标 总观 体内合成核苷酸有两种途径：从头合成途径（De novo synthesis）：从头合成途径的核苷酸合成起始于其代谢前体氨基酸，核糖5磷酸，二氧化碳和氨。补救途径（Salvage pathways）：再次循环利用核酸分解释放的游离碱基和核苷。 游离碱基如鸟嘌呤，腺嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶和尿嘧啶等不是合成的中间物，即并不是如想象中的那样在碱基合成后再与核糖作用。 嘌呤环的结构都是在与核糖体（PRPP）结合的条件下每步渗入一个或少数几个原子形成的。 嘧啶环的结构是先合成乳清酸（orotate），与核糖磷酸结合后再转化为常见的嘧啶核苷酸，进而合成核酸。 脱氧核苷酸是通过还原核苷酸来合成的。 嘌呤核苷酸从头合成途径起始于PRPP。 PRPP是由PRPP合成酶催化核糖5磷酸的反应合成。 核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的从头合成 嘌呤环环原子的来源嘌呤环的原子来自甲酸，二氧化碳，甘氨酸，天冬氨酸和谷氨酰胺。 在真核细胞中，第1，3，5步反应由一种多功能蛋白催化。在细菌中，这些功能分别由不同的蛋白质执行，在其细胞中也可能存在庞大的非共价复合物。 IMP是合成嘌呤核苷酸的第一个中间产物。 催化合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）的酶在细胞中是以大的多酶复合物的形式存在的。 IMP转化成AMP需要从一个来自天冬氨酸的氨基和GTP，转化为GMP需要从一个来自谷氨酰胺的氨基和ATP。 嘌呤核苷酸的生物合成受反馈抑制调节三个主要的反馈抑制协同调节着整个嘌呤核苷酸合成的从头合成途径： 第一个反馈抑制调节发生在嘌呤合成途径中所独有的第一步转移氨基到PRPP形成5磷酸核糖胺。此酶受到终产物IMP,AMP,和GMP的反馈调节。 第二个反馈抑制发生在较晚的阶段，GMP在细胞中的积累会抑制由IMP合成XMP的IMP脱氢酶，而不影响AMP的形成。同样，AMP的累积会抑制合成腺苷琥珀酸的腺苷琥珀酸合酶，而不影响GMP的合成。 第三个机制是在IMP转化成AMP是需要 GTP的参与，而ATP也是从 IMP向 GMP转化所必需的，这种相互调节使二者的合成达到平衡。 嘧啶核苷酸来源于天冬氨酸，PRPP和氨甲酰磷酸嘧啶环是先形成六元嘧啶环再与核糖5磷酸结合。嘧啶环的原子来自天冬氨酸，谷氨酰胺和碳酸氢根。 嘧啶环（pyrimidine nucleotide）的从头合成 UTP 从谷氨酰胺或者氨离子那获得氨基并受CTP合成酶催化生成CTP 在真核生物中，合成路线的前三中酶胺甲酰磷酸合成酶II，天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢乳氢酸酶位于同一个三功能蛋白上，这个蛋白别名CAD。 嘧啶核苷酸生物合成受反馈抑制调节 天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）受嘧啶核苷酸合成途径的终产物CTP的反馈抑制。 天冬氨酸转氨甲酰酶由6个催化亚基和6个调节亚基组成。催化亚基结合底物分子，别构亚基结合别构抑制剂CTP。 当CTP没结合在调节亚基时，酶具有最大活性，当CTP逐渐积累并结合于调节亚基时，该酶便发生构象变化。 ATP可阻止CTP诱导产生的酶构象变化。 核苷一磷酸转化为核苷三磷酸 在核苷一磷酸激酶作用下ATP引发合成其他核苷二磷酸，核苷一磷酸激酶对碱基而言是专一性的，但对糖基如核糖或脱氧核糖来说是非特异性的。 在核苷二磷酸激酶的作用下，核苷二磷酸转化为核苷三磷酸。这种酶对碱基或者糖基而言不是特异的。 核苷酸是脱氧核苷酸的前体 脱氧核苷酸是由相应的核苷酸通过直接还原D型核糖2位碳原子而形成的。 这个反应由核糖核苷酸还原酶催化 核苷二磷酸的D核糖部分还原为2脱氧D核糖时需要提供一对氢原子，由硫氧还蛋白的NADPH提供，也可由谷氧还蛋白提供。 胸苷酸从dCDP和dUMP衍生得到。 dUTP在dUTP酶的催化下转化为dUMP，这个反应必须高校进行以防dUTP的积累，防止尿苷酸进入DNA的合成中。 dUMP向dTMP的转化由胸苷酸合酶来催化。氧化态的一碳单位从N5, N10-亚甲基四氢叶酸转移到dUMP，接着被还原为甲基，四氢叶酸被氧化为二氢叶酸。 由核苷酸还原酶和胸苷酸合酶催化的反应可能是转移RNA到DNA储存遗传信息位点的关键。 嘌呤和嘧啶的降解 嘌呤降解成尿酸在许多脊椎动物中尿酸在尿酸氧化酶的作用下进一步降解成尿囊素（allantoin）。 嘧啶降解产生尿素（urea） 胸腺嘧啶降解产生琥珀酰辅酶A 鸟嘧啶和胞嘧啶的降解产生脂肪酸生物合成前体的丙二酰辅酶A 在某种程度上，嘧啶的分解代谢对细胞的能量代谢有贡献。 嘌呤和嘧啶碱基通过补救途径循环利用 腺苷磷酸核糖转移酶（Adenine phosphoribosyltransferase）催化由腺苷和PRPP合成AMP的反应。腺苷脱胺酶缺陷会引起严重的免疫缺陷，T淋巴细胞和B淋巴细胞不能正常发育。 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase）催化合成GMP和IMP的反应。缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶会引发自毁容貌症。 高浓度的尿酸会引起痛风（gout）痛风症的主要缓解药物是别嘌呤醇（Allopurinol） 许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶为靶标 第一类例子中包括抑制谷氨酰胺转移酶的抑制剂，它们受谷氨酰胺的类似物重氮丝氨酸（azaserine）和阿西维辛（acivicin）的有效抑制。 另一种比较有效的化疗试剂氨甲蝶呤（Methotrexate），它是二氢叶酸还原酶的抑制剂。 其他有效的化疗药物的靶标是胸苷酸合酶和二氢叶酸还原酶，它们是细胞内合成胸苷酸所必需的酶。胸苷酸合酶的抑制剂5氟尿嘧啶（Fluorouracil）是一种重要的化疗药物。 小结1 嘌呤核苷酸是由PRPP，谷氨酰胺，谷氨酸，N10-甲酰四氢叶酸，HCO3- 通过从头合成途径合成的。2 嘧啶核苷酸是由天冬氨酸，谷氨酰胺和碳酸氢根，PRPP合成的3 从头合成途径受反馈抑制调节4 脱氧核苷酸是在NDP水平上从核苷得到的。5 dTMP是由dUMP在腺苷酸转移酶催化下由N5, N10-压甲基四氢叶酸提供一个甲基而成的。6 嘌呤降解成尿酸，嘧啶降解成TCA中间物/脂肪酸合成前体7 嘌呤和嘧啶碱基可通过补救途径循环利用8 许多化疗药物利用核酸合成途径中的酶作为靶标。蛋白质代谢 翻译以mRNA为直接模板，tRNA为氨基酸运载体，核蛋白体为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。也就是把mRNA的碱基排列顺序转译成多肽链中氨基酸的排列顺序。 三大进展使蛋白质合成的主要过程得到认识蛋白质合成的部位核糖体；氨基酸被氨酰tRNA激活；遗传密码子。1遗传密码 密码子是指编码一个特定氨基酸的三联体核苷酸。 编码连续氨基酸的密码子中没有标点。 起始密码子：AUG 终止密码子：UAA，UAG，UGA 阅读框和可读框阅读框就是一个在DNA或RNA中的相邻但不重叠的三联体结构。序列中的第一个特定的密码子决定阅读框。在一条单链中有3中可能的阅读框。在50或更多的密码子中没有终止密码子的阅读框，称为可读框。 遗传密码的特性连续性；读码不重叠性；通用性；简并性；摆动性。 简并性：每一个氨基酸可能有一个以上的密码子；（甲硫氨酸和色氨酸只有一个密码子） 摆动性：大多数密码子的第三个碱基与其反密码子的相应配对比较松，使一些tRNA能识别多个密码子意义：密码子和反密码子相互作用平衡了准确性和速度的需要。 密码子的特性无标点符号；读码不重复；一定的防突变功能。 碱基丢失后续氨基酸全改变 一个碱基突变一个氨基酸改变 密码子第三个碱基改变氨基酸可能不变（简并性，摆动性） 阅读框移动和RNA编辑 一些mRNA在翻译前就被编辑。 在一些病毒DNA中发现不同阅读框中的重复基因2.蛋白质合成 蛋白质合成发生在核糖体中 核糖体是一个复杂的超分子机器。 细菌的核糖体含有65的rRNA和35蛋白质，两个亚基分别为30S和50S，形成的完整核糖体为70S。 细菌核糖体中的蛋白质既可以作为酶，也可以作为结构的组成部分。 tRNA在将核酸转化为蛋白质的过程中起翻译者的作用 tRNA具有特殊的结构特征，分子相对较小，它的单链可以折叠形成精确的三级结构 细胞中对应于每一个氨基酸的tRNA至少有一种；至少需要32种tRNA去识别所有的氨基酸密码子，但是有些细胞会需要32种以上的tRNA去识别所有的密码子。 tRNA在5端有一个鸟苷酸残基，所有tRNA的3端都具有CCA序列。在二级结构中，所有的tRNA都是通过氢键结合而形成具有4个臂的三叶草形结构；长一些的tRNA分子会形成一个额外环。在三级结构中，tRNA分子形成倒L型的空间构象。 tRNA中氨基酸臂能携带特定的氨基酸，反密码子臂包含反密码子。蛋白质合成过程第一步：氨基酸活化 多肽合成需要满足两个基本要求：1 氨基酸的每一个羧基必须活化以促进肽键的形成2 每一个新的氨基酸必须与mRNA上编码它的信息联系起来。 氨酰-tRNA合成酶使正确的氨基酸与tRNA连接，形成氨酰tRNA，反应消耗ATP，氨酰-tRNA合成酶需要Mg2激活。 每种氨基酸只由一个专一的氨酰-tRNA合成酶催化；形成氨酰AMP中间体。 氨酰-tRNA合成酶的校对作用 tRNA的氨酰化作用包括：1 活化氨基酸以形成肽键2 将氨基酸接在合适的tRNA上以保证氨基酸能被准确的放置于一个增长肽链末端。结合到tRNA上的氨基酸的身份在核糖体不被检查，所以两者的正确连接对于蛋白质的合成的精确性十分关键。 氨酰-tRNA合成酶的校对作用：1. 过滤氨基酸与酶的初始接合以及它被活化为氨酰-AMP；2. 过滤不正确的氨酰-AMP产物与酶的另一个活化部位结合;3. 水解氨酰-AMP上的氨基酸与tRNA形成的错误的酯键。 第二遗传密码 一种氨酰-tRNA不仅必须对一种氨基酸具有专一性，而且必须同时对某些tRNA具有专一性。氨酰-tRNA与tRNA的相互作用称为第二遗传密码。第二步:起始 mRNA与核糖体小亚基及起始氨酰-tRNA结合，然后结合大亚基，起始氨酰-tRNA与密码子AUG配对，需要起始因子催化和ATP供能。 问题一：甲硫氨酸如何识别起始密码AUG和中间密码AUG? 甲硫氨酸的载体是两种不同的tRNA。 在原核生物中起始的是甲基化的甲硫氨酸，tRNAfMet识别起始密码，起始氨基酸残基为N-甲酰甲硫氨酸（fMet），与tRNA形成fMet-tRNAfMet；tRNAMet识别中间的甲硫氨酸。 在真核细胞中，由胞浆核糖体合成的所有多肽都始于一个甲硫氨酸残基，但又有一个与mRNA内部AUG密码子的tRNAMet不同的专一起始tRNA. 由线粒体和叶绿体合成的多肽均始于fMet。 甲硫氨酸与tRNA结合，然后转甲酰酶转移一个甲基到蛋氨酸残基的氨端。 问题二：AUG密码子如何识别作为起始的N甲酰甲硫氨酸和内部的甲硫氨酸残基？ 起始的AUG由mRNA上的SD序列引导至起始5AUG的正确位置。 细菌核糖体有3个结合氨酰-tRNA的部位：氨酰位（A），肽位（P）和退出位（E）。 fMet-tRNAfMet是唯一的第一个结合到P位上的氨酰tRNA。第三步：延伸 新生多肽链通过氨基酸相继共价连接而延伸。氨基酸由tRNA携带到核糖体并准确定位。需要延伸因子和GTP。肽键的形成在延伸阶段。1. 新进的氨酰TRNA与A位点连接；2. 肽键形成；3. 移位，反密码子转移位点到P。 核糖体上的校正检测在延长的第一阶段密码子与反密码子是否准确地配对。第四步：终止和释放： 多肽链合成的完成由mRNA上的终止密码子提供信号。随后新合成的多肽链依靠释放因子的从核糖体上释放。 多肽链合成的终止需要一个特殊的信号（终止密码子和释放因子RF）。 步骤：1. 氨酰-tRNA的末端键水解；2. 从P位释放游离的多肽和最后的tRNA；3. 70S核糖体分解成30S和50S亚基，准备开始新的合成循环。 多聚核糖体的快速同步合成单一的遗传信息。 在细菌中，转录和翻译是紧密偶联的。 在真核细胞中，新转录的mRNA在被翻译之前必须先转移出核第五步：折叠和翻译后加工： 新合成的多肽链必须折叠成其正确的三维构象，经历翻译后加工使之具有活性。氨基末端和羧基末端的修饰，例如，从末端移除甲酰基、氨基末端甲硫氨酸残基等；信号序列的切除；对单个氨基酸的修饰：加上酰基，磷酸化，甲基化，羧化，或添加其它基团。糖基化修饰：共价连接糖蛋白的糖基侧链；异戊二烯集团的添加，如Ras蛋白，G蛋白；添加辅基，如在细胞色素C上添加亚铁血红素；蛋白酶的加工，使之有活性；二硫键的形成。 蛋白质合成的阻遏剂： 四环素：阻断A位点、抑制氨酰tRNA的结合。 氯酶素：阻断细菌核糖体中肽基的转位。 链霉素：低浓度造成遗传密码的错读，高浓度抑制起始。3.蛋白质定向运送与降解（非重点） 蛋白质在细胞内的去向或称定位。糖基化起了重要作用。 蛋白质中的细胞内目的地线粒体，叶绿体或细胞核。 溶酶体蛋白，膜蛋白，或者分泌蛋白的运输 胞浆蛋白质的运输 许多真核细胞蛋白质的翻译后修饰开始于内质网溶酶体蛋白，膜蛋白，或者分泌蛋