生物化学第8章 核酸代谢课件

第十一章第十一章 核酸的代谢核酸的代谢n第一节 核酸的消化吸收第十一章 核酸的代谢第一节 核酸的消化吸收1核酸的降解过程核酸的降解过程核酸酶（磷酸二酯酶）核苷酸酶（磷酸单酯酶）核苷磷酸化酶核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶戊糖戊糖-1-1-磷磷酸酸核酸的降解过程核酸酶（磷酸二酯酶）核苷酸酶（磷酸单酯酶）核苷2 核酸酶核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶,按其作用位置分为按其作用位置分为:一一.核酸外切酶核酸外切酶：作用于核酸链的末端（作用于核酸链的末端（33端或端或55端）端），逐个水解下核苷酸。，逐个水解下核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶：只作用于脱氧核糖核酸外切酶：只作用于DNADNA 核糖核酸外切酶核糖核酸外切酶:只作用于只作用于RNARNA二二.核酸内切酶核酸内切酶:从核酸分子内部切断从核酸分子内部切断33，5-5-磷酸二磷酸二酯键。酯键。l限制性内切酶：限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链解外源双链DNADNA的核酸内切酶，可用于特异切割的核酸内切酶，可用于特异切割DNA,DNA,常作常作为工具酶。为工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶,按其作用位置3某些核酸外切酶对某些核酸外切酶对RNARNA、DNADNA均有作用：均有作用：牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶3-核苷酸核苷酸蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶5-核苷酸核苷酸某些核酸外切酶对RNA、DNA均有作用：牛脾磷酸二酯酶蛇毒磷4第二节 核苷酸的分解代谢一、核酸的分解一、核酸的分解 核苷酸+H2O 核苷+Pi 核苷+H2O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖 （核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）核苷+H3PO4 嘌呤（或嘧啶）+1-磷酸戊糖（核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶存在广泛）存在广泛）核苷酸酶核苷水解酶核苷磷酸化酶第二节 核苷酸的分解代谢核苷酸酶核苷水解酶核苷磷酸化酶5 二、嘌呤的降解二、嘌呤的降解：这是一个氧化降解过程，不同生物降解这是一个氧化降解过程，不同生物降解的产物不同。的产物不同。6 腺嘌呤 鸟嘌呤 H2O H2O NH3 NH3 次黄嘌呤次黄嘌呤 黄嘌呤 H2O+O2 H2O2 H2O+O2 H2O2 尿囊素 尿酸 H2O CO2+H2O2 2H2O+O2 尿囊酸 尿素 +乙醛酸 H2O 2H2O 4NH3+2CO2 （人类和灵长类动物、（人类和灵长类动物、爬虫、鸟类）爬虫、鸟类）（灵长类以外的哺乳动物）（灵长类以外的哺乳动物）（植物）（鱼类、两栖类）（鱼类、两栖类）（海洋无脊椎动物）（海洋无脊椎动物）腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶尿酸氧化酶尿囊素酶尿囊酸酶脲酶别别嘌呤醇：嘌呤醇：别黄别黄嘌呤嘌呤底物类似物经酶底物类似物经酶作用后成为酶的作用后成为酶的灭活物，称之为灭活物，称之为自杀作用物。自杀作用物。自杀性底物自杀性底物 腺嘌呤 鸟嘌7三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解：这是一个还原降解过程。n 胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O NH3 NAD(P)H+H+NAD(P)+H2O -丙氨酸 -脲基丙酸 H2O n 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 NAD(P)H+H+NAD(P)+H2O -氨基异丁酸 -脲基异丁酸 H2O 胞嘧啶脱氨酶二氢尿嘧啶脱氢酶二氢嘧啶酶脲基丙酸酶二氢尿嘧啶脱氢酶二氢嘧啶酶脲基丙酸酶NH3+CO2+NH3+CO2+三、嘧啶的降解：这是一个还原降解过程。胞嘧啶脱氨酶二氢尿嘧啶8第三节第三节 核苷酸的合成核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的生物合成一、嘌呤核苷酸的生物合成1 1N:N:来源于天冬氨酸来源于天冬氨酸 2 2、8 8C:C:来源于甲酸来源于甲酸 3、9N:来源于谷氨酰胺来源于谷氨酰胺4、5C和7 7N N:来自甘氨酸来自甘氨酸 6 6C:C:来自来自COCO2 2第三节 核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的生物合成9PRPPPRPPIMPIMPFH4PRPPIMPFH410IMP+Asp延胡索酸+AMP GTP GDP+Pi腺苷酸的合成腺苷酸的合成腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸裂解酶腺苷酸琥珀酸裂解酶羽田杀菌素羽田杀菌素（AspAsp的类似物）的类似物）IMP+Asp延胡索酸+AMP GTP 11鸟苷酸的形成鸟苷酸的形成谷氨酰胺谷氨酸IMP XMP GMPATP AMP+PPi H2ONAD+NADH+H+脱氢酶脱氢酶合成酶合成酶鸟苷酸的形成谷氨酰胺谷氨酸IMP XMP GMPATP 12嘌呤核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的生物合成（从头合成）（从头合成）：n嘌呤核苷酸的合成结果直接形成嘌呤核苷酸的合成结果直接形成IMPIMPnIMPIMP合成从合成从5 5-P-P-核糖开始的，在核糖开始的，在ATPATP参与下先形成参与下先形成PRPPPRPPn嘌呤的各个原子是在嘌呤的各个原子是在PRPPPRPP的的C1C1上逐渐加上去的。由上逐渐加上去的。由AspAsp、GlnGln、GlyGly、甲酸、甲酸、COCO2 2 提供提供N N和和C Cn四氢叶酸（四氢叶酸（FH4FH4）是一碳单位的载体是一碳单位的载体 嘌呤核苷酸的生物合成（从头合成）：嘌呤核苷酸的合成结果直接形13嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸 和天冬氨酸合成的。和天冬氨酸合成的。二、嘧啶核苷酸的生物合成二、嘧啶核苷酸的生物合成氨甲酰磷酸天冬氨酸嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸 二、嘧啶核苷酸的生物合成氨14n尿苷酸的生物合成尿苷酸的生物合成其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPPPRPP）结合形成结合形成UMPUMP，其关键的中产物其关键的中产物是乳清酸。其他嘧啶核苷酸由是乳清酸。其他嘧啶核苷酸由尿苷酸尿苷酸转变而来转变而来尿苷酸的生物合成其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用15 胞苷酸的生物合成胞苷酸的生物合成 UMP UDP UTP ATP ADP ATP ADP UTP+NH3+ATP CTP+ADP+Pi(细细菌体内菌体内)在动物体内在动物体内,由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基 UTP+UTP+谷氨酰胺谷氨酰胺+ATP+HATP+H2 2O CTP+O CTP+谷氨酸谷氨酸+ADP+PiADP+Pi CTP合成酶Mg2+尿嘧啶核苷酸激酶核苷二磷酸激酶CTP合成酶 胞苷酸的生物合成CTP合成酶Mg2+尿嘧啶核苷16三、脱氧核糖核苷酸的生物合成三、脱氧核糖核苷酸的生物合成（大肠杆菌、动物、植物）（大肠杆菌、动物、植物）NMP+ATP NDP+ADP NDP 核糖核苷二磷酸还原酶 dNDP SH S 硫氧还蛋白 硫氧还蛋白 SH S (FAD)硫氧还蛋 白还原酶 NADP+NADPH+H+（dADP、dGDP、dCDP、dUDP)激酶B1 B2dATP dGTPdCTP dUTP激酶激酶三、脱氧核糖核苷酸的生物合成（大肠杆菌、动物、植物）（dAD17其它原核细胞中：其它原核细胞中：nNTP dNTP到目前为止，到目前为止，脱氧核糖核苷酸的生物合成机制仍然不太清楚脱氧核糖核苷酸的生物合成机制仍然不太清楚VB12、二氢硫辛酸还原剂其它原核细胞中：NTP 18n 胸腺嘧啶脱氧核苷酸（胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMPdTMP）的合成的合成 dUDP+H2O dUMP+Pi dCMP+H2O dUMP+Pi 胸腺嘧啶核苷酸合酶 dUMP dTMP N5,10亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸酯酶脱氨酶甲基化甲基化 胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）的合成酯酶脱氨酶甲基化19n辅酶辅酶核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成CoA NADCoA NAD+NADP NADP+FADFAD辅酶核苷酸的生物合成CoA NAD+NADP+20DNA的生物合成DNA的生物合成21 DNADNA是生物遗传的主要物质基础，生物机体的遗传信是生物遗传的主要物质基础，生物机体的遗传信息以密码的形式编码在息以密码的形式编码在DNADNA分子上，表现为特定的核苷酸分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过排列顺序，并通过DNADNA的复制由亲代传递给子代。在后代的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自的生长发育过程中，遗传信息自DNADNA转录给转录给RNA,RNA,然后翻译然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。亲代相似的遗传性状。中中 心心 法法 则则1964-1970 劳氏肉瘤病毒的遗传方式致癌RNA病毒病毒（复制）病毒（复制）复制复制转录DNA RNA 蛋白质翻译逆转录逆转录1958年，遗传信息的单向 DNA是生物遗传的主要物质基础，生物机体的遗传22 复制：复制：亲代DNA或RNA在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。转录：转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的RNA的过程。翻译：翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码解读成蛋白质的AA顺序的过程。逆转录：逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成DNA的过程。Reverse transcription 复制：亲代DNA或RNA在一系列酶的作用下，生成与亲代23一、一、DNADNA的复制方式的复制方式半保留复制半保留复制n定义：定义：由亲代由亲代DNADNA生成子代生成子代DNADNA时，每个新形成时，每个新形成的子代的子代DNADNA中，一条链来自亲代中，一条链来自亲代DNADNA，而另一条而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制半保留复制n半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据:19581958年年MeselsonMeselson和和StahlStahl用同位素用同位素1515N N标记大肠杆菌标记大肠杆菌DNA,DNA,首先证明了首先证明了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。一、DNA的复制方式半保留复制24DNADNA的半保留复制的生物学意义：的半保留复制的生物学意义：nDNADNA的半保留复制表明的半保留复制表明DNADNA在代谢上的稳在代谢上的稳定性，定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。给后代。DNADNA在代谢上的稳定性并非指在代谢上的稳定性并非指DNADNA是一种惰性物是一种惰性物质。质。DNA的半保留复制的生物学意义：DNA的半保留复制表明DNA25二、与二、与DNADNA复制有关的酶和蛋白质复制有关的酶和蛋白质 n 原料原料：四种脱氧核苷三磷酸（四种脱氧核苷三磷酸（dATPdATP、dGTPdGTP、dCTP dCTP、dTTP)dTTP)n 模板模板：以：以DNADNA的两条链为模板链，合成子代的两条链为模板链，合成子代DNADNA。n 引物引物：一小段：一小段RNA(RNA(或或DNADNA）为引物，在大肠杆菌为引物，在大肠杆菌 中，中，DNADNA的合成需要一段的合成需要一段RNARNA链作为链作为引物。引物。二、与DNA复制有关的酶和蛋白质26n催化因子1.1.引物合成酶（引发酶）：引物合成酶（引发酶）：此酶以此酶以DNADNA为模板合成一为模板合成一段段RNA,RNA,这段这段RNARNA作为合成作为合成DNADNA的引物（的引物（Primer)Primer)。实质实质是以是以DNADNA为模板的为模板的RNARNA聚合酶聚合酶。2.2.DNADNA聚合酶聚合酶:以以DNADNA为模板的为模板的DNADNA合成酶，其催化反应的合成酶，其催化反应的特点特点 （1 1）以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物；（）以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物；（2 2）反应需要有模板的指导；（反应需要有模板的指导；（3 3）反应需要有）反应需要有3 3-OHOH存存在；在；（4 4）DNADNA链的合成方向为链的合成方向为5 5 3 3 生物大分子合成：生物大分子合成：底物、酶、能量、模板催化因子 生物大分子合成：27（5 5）DNADNA聚合酶的反应可以利用聚合酶的反应可以利用DNADNA双链双链作为模板和引物，亦可以单链作为模板和引物，亦可以单链DNADNA作为模板作为模板和引物和引物（6 6）DNADNA的体外聚合必须加入少量的的体外聚合必须加入少量的DNADNA才才能进行。能进行。DNADNA在提取过程中易形成切口在提取过程中易形成切口（nicknick）或缺口（或缺口（gapgap）.则加入的则加入的DNADNA一一条链作为模板而另一条链可作为引物。条链作为模板而另一条链可作为引物。（5）DNA聚合酶的反应可以利用DNA双链作为模板和引物，28原核生物中的原核生物中的DNADNA聚合酶聚合酶在大肠杆菌中发现有三种在大肠杆菌中发现有三种DNADNA聚合酶（聚合酶（用突变株研究其功能用突变株研究其功能）：）：DNADNA聚合酶聚合酶:单体酶单体酶,它具有它具有5 5 3 3 聚合酶功能聚合酶功能（对（对脱氧核苷酸的选择）；脱氧核苷酸的选择）；3 3 5 5外切酶活性外切酶活性（对双链无作用，（对双链无作用，校对功能。校对功能。但在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链）但在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链）及及5 5 33外切酶活性外切酶活性（双链有效，主要是对（双链有效，主要是对DNADNA损伤的修复，损伤的修复，以及在以及在DNADNA复制时复制时RNARNA引物切除及其空隙的填补）；在引物切除及其空隙的填补）；在DNADNA链的链的3 3 形成焦磷酸解（生理意义不大）；无机焦磷酸盐与形成焦磷酸解（生理意义不大）；无机焦磷酸盐与dNTPdNTP之间的之间的焦磷酸基交换。焦磷酸基交换。DNADNA聚合酶聚合酶：多亚基酶，多亚基酶，聚合作用，但聚合活力很低；聚合作用，但聚合活力很低；具有具有3 3 5 5外切酶活性。其它生理功能尚不清楚，可能在修外切酶活性。其它生理功能尚不清楚，可能在修复紫外光引起的复紫外光引起的DNADNA损伤中起作用。损伤中起作用。原核生物中的DNA聚合酶在大肠杆菌中发现有三种DNA聚合酶（29 DNADNA聚合酶聚合酶：是原核生物是原核生物DNADNA复制的主要聚合复制的主要聚合酶酶，该酶由，该酶由1010种亚基组成，其中种亚基组成，其中、形成全酶形成全酶的核心酶的核心酶。具有。具有5533DNADNA聚合酶活性（聚合酶活性（亚基，亚基，速率高）；速率高）；具有具有3 3 5 5外切酶（外切酶（亚基）亚基）的的校对功能，提高校对功能，提高DNADNA复制的保真性；还具有复制的保真性；还具有5 5 33外切酶活性（单链有效，其意义未知）。外切酶活性（单链有效，其意义未知）。（4 4）DNADNA聚合酶聚合酶IVIV和和V V：19991999年发现，当年发现，当DNADNA严重严重损伤时，诱导产生。损伤时，诱导产生。生物化学第8章 核酸代谢课件30 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 亚基数目亚基数目 1 1（单体酶）（单体酶）1 1（多亚基酶（多亚基酶 ）1 1（多亚基酶）（多亚基酶）5 35 3聚合活性聚合活性 +中中 +很低很低 +很高很高3 53 5外切活性外切活性 +（保护（保护DNADNA复制的复制的忠实性忠实性fidelityfidelity）5 35 3外切活性外切活性 +-+-主要是对主要是对DNADNA损伤的损伤的修复；以及在修复；以及在DNADNA复复制时切除制时切除RNARNA引物并引物并填补其留下的空隙。填补其留下的空隙。修复紫外光引起修复紫外光引起的的DNADNA损伤损伤DNA DNA 复制的主要复制的主要聚合酶，还具有聚合酶，还具有3-5 3-5 外切酶外切酶的校对功能，提的校对功能，提高高DNADNA复制的保真复制的保真性性 DNA聚合酶 DNA聚合酶 31 在真核细胞内有五种在真核细胞内有五种DNADNA聚合酶聚合酶 （与细菌（与细菌DNADNA聚合聚合酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向）酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向）定位定位 细胞核细胞核 细胞核细胞核 线粒体线粒体 细胞核细胞核 细胞核细胞核3-53-5外切外切 -+-+酶活性酶活性功能功能引物引物 合成合成修复修复作用作用线粒体线粒体DNADNA的复制的复制核核DNADNA的复制的复制修复修复作用作用 在真核细胞内有五种DNA聚合酶（与细菌DNA聚合酶32 3.3.DNADNA连接酶（连接酶（19671967年发现）：年发现）：若双链若双链DNADNA中一条链有切中一条链有切口，一端是口，一端是3-3-OHOH，另一端是另一端是5-5-磷酸基，连接酶可催化这两磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的但是它不能将两条游离的DNADNA单链连接起来。单链连接起来。大肠杆菌和其它细菌的大肠杆菌和其它细菌的DNADNA连接酶要求连接酶要求NADNAD+提供能量，在高等生提供能量，在高等生物和噬菌体中，则要求物和噬菌体中，则要求ATPATP提供能量。提供能量。T4T4噬菌体的噬菌体的DNADNA连接酶连接酶不不仅能在模板链上连接仅能在模板链上连接DNADNA和和DNADNA链之间的切口，而且能连接无单链之间的切口，而且能连接无单链粘性末端的平头双链链粘性末端的平头双链DNADNA。DNADNA连接酶连接酶在在DNADNA复制、损复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用作用伤修复、重组等过程中起重要作用作用3535OHOHP P 3.DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一33拓扑异构酶拓扑异构酶：使使DNADNA一条链发生断裂和再连接一条链发生断裂和再连接。作用是松作用是松解负超螺旋解负超螺旋，反应不需要能量。主要集中在活性转录区，反应不需要能量。主要集中在活性转录区，同转录有关。同转录有关。拓扑异构酶拓扑异构酶：使使DNADNA两条链发生断裂和再连接。两条链发生断裂和再连接。当引当引入负超螺旋入负超螺旋时需要由时需要由ATPATP提供能量，同复制有关。提供能量，同复制有关。二者共同控制二者共同控制DNADNA的拓扑结构。的拓扑结构。5 5、解螺旋酶、解螺旋酶 （解链酶）（解链酶）：通过水解：通过水解ATPATP将将DNADNA两条链打两条链打开。开。E.coliE.coli中的中的reprep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶酶I I、IIII、IIIIII。每解开一对碱基需要水解每解开一对碱基需要水解2 2个个ATPATP分子。分子。4.4.拓扑异构酶：拓扑异构酶：催化催化DNADNA的拓扑连环数发生变化的酶，在的拓扑连环数发生变化的酶，在DNADNA重组修复和其他转变方面起重要作用。重组修复和其他转变方面起重要作用。除连环数不同外其它性质均相同的除连环数不同外其它性质均相同的DNADNA分子称为拓扑异构体，分子称为拓扑异构体，引起拓扑异构体反应的酶称为引起拓扑异构体反应的酶称为拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接。作用是松解负超346.6.其它蛋白因子：其它蛋白因子：单链结合蛋白单链结合蛋白(SSB-single-strand binding SSB-single-strand binding protein)protein)：稳定已被解开的稳定已被解开的DNADNA单链，阻止复性和保护单链不单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。被核酸酶降解。引发前体引发前体:它由多种蛋白质它由多种蛋白质dnaAdnaA、dnaBdnaB、dnaCdnaC、n n、nn、nn 和和i i组成。组成。引发前体再与引发酶结合组装成引发体引发前体再与引发酶结合组装成引发体。引发体可以沿模板链引发体可以沿模板链55 3 3方向移动方向移动,具有识别合成起始具有识别合成起始 位点的功能，移动到一定位置上即可引发位点的功能，移动到一定位置上即可引发RNARNA引物的合成。引物的合成。移动和引发均需要移动和引发均需要ATPATP提供能量，提供能量，nn蛋白具有蛋白具有ATPATP酶的活力。酶的活力。引发体的移动与引发体的移动与复制叉复制叉移动的方向相同，与移动的方向相同，与冈崎片段冈崎片段的合成方的合成方向相反。向相反。6.其它蛋白因子：单链结合蛋白(SSB-single-st35三、三、DNADNA的复制过程的复制过程：（以大肠杆菌为例）（以大肠杆菌为例）n 双链的解开双链的解开n RNARNA引物的合成引物的合成n DNADNA链的延伸链的延伸n 切除切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相邻的DNADNA片片段段三、DNA的复制过程：（以大肠杆菌为例）361 1、双链的解开、双链的解开一些概念：一些概念：v DNADNA的复制有特定的起始位点，叫做的复制有特定的起始位点，叫做复制原点复制原点。常用常用ori(ori(或或o o）表示。许多生物的复制原点都是表示。许多生物的复制原点都是富含富含A A、T T的区段。的区段。v大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体DNADNA以及真核生物的细胞器以及真核生物的细胞器DNADNA为为双链环状，只有一个复制原点，而真核生物染色双链环状，只有一个复制原点，而真核生物染色体体DNADNA是线性双链分子，含有许多复制起点。是线性双链分子，含有许多复制起点。v从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制复制子（基因组独立进行复制的单位）子（基因组独立进行复制的单位）。1、双链的解开一些概念：37v复制原点由复制原点由DnaADnaA蛋白识别，蛋白识别，在原点由在原点由DnaBDnaB蛋白蛋白（解螺旋酶）将双螺旋解开成单链状态，分别作为（解螺旋酶）将双螺旋解开成单链状态，分别作为模板，合成其互补链模板，合成其互补链(DNADNA双链的解开还需双链的解开还需DNADNA拓扑异拓扑异构酶构酶 、SSB)SSB),在原点处形成一个眼状结构，叫复在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。制眼。v DNADNA复制进行时，在眼的两侧出现两个叉子状的复制进行时，在眼的两侧出现两个叉子状的生长点生长点(growth point)growth point)，叫叫复制叉复制叉。在复制叉上分。在复制叉上分布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的复合物称为复合物称为复制体（复制体（replisomereplisome）复制叉复制叉复制叉复制叉复制原点由DnaA蛋白识别，在原点由DnaB蛋白（解螺旋酶38复制叉起点复制叉延伸延伸起点领头链领头链随后链随后链3535DNA的双向复制的双向复制复制叉起点复制叉延伸延伸起点领头链领头链随后链随后链3539（2 2）RNARNA引物的合成引物的合成 引发体在复制叉上移动，沿模板链引发体在复制叉上移动，沿模板链5 35 3的方向移动，与复制叉移动的方向相同，识别合成的方向移动，与复制叉移动的方向相同，识别合成的起始位点，的起始位点，DnaBDnaB蛋白活化引物合成酶。引发蛋白活化引物合成酶。引发RNARNA引物的合成。引物的合成。领头链领头链先引发开始合成，以原来一条先引发开始合成，以原来一条DNADNA单链为模板（单链为模板（3 3 5),5),按按5 5 3 3的方向的方向合成一段合成一段RNARNA引物链。领头链开始合成后，随后链也引物链。领头链开始合成后，随后链也开始合成其引物。引物长度约为几个至开始合成其引物。引物长度约为几个至1010个核苷酸，个核苷酸，在引物的在引物的55端含端含3 3个磷酸残基（个磷酸残基（引物酶的底物是核引物酶的底物是核苷三磷酸苷三磷酸），），33端为游离的羟基。端为游离的羟基。（2）RNA引物的合成 引发体在复制叉上移动，40（3 3）DNADNA链的延伸链的延伸在在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下，的催化下，以四种脱氧核糖核苷以四种脱氧核糖核苷5-5-三磷酸为底物，在三磷酸为底物，在RNARNA引物引物的的33端以磷酸二酯键连接端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放上脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。出焦磷酸。DNADNA链的延伸同链的延伸同时进行领头链和随后链的时进行领头链和随后链的合成。两条链方向相反。合成。两条链方向相反。领头链领头链 随后链随后链 冈崎片段冈崎片段 半不连续复制半不连续复制冈崎模型冈崎模型（3）DNA链的延伸在DNA聚合酶的催化下，以四种脱氧核糖41领头链领头链在在DNADNA复制时，合成方向与复制叉移动的复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。方向一致并连续合成的链。随从链随从链在在DNADNA复制时，合成方向与复制叉移动的复制时，合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的条完整的DNADNA链。链。半不连续复制半不连续复制在在DNADNA复制时，领头链是连续合成复制时，领头链是连续合成的的,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。为半不连续复制。领头链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续42冈崎片段冈崎片段 在在DNADNA复制过程中，领头链能连续合成，而随复制过程中，领头链能连续合成，而随后链只能是断续的合成后链只能是断续的合成5 53 3 的多个短片段，的多个短片段，这些不连续的小片段以其发现者的名字命名为这些不连续的小片段以其发现者的名字命名为冈崎片段。冈崎片段。冈崎片段：冈崎片段：真核生物中真核生物中100-200100-200个核苷酸（核个核苷酸（核小体的小体的DNADNA单位）。原核生物中单位）。原核生物中1000-20001000-2000个核个核苷酸（相当于一个顺反子）。苷酸（相当于一个顺反子）。冈崎片段43（4 4）切除）切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相邻的DNADNA片段片段 （复制终止）（复制终止）当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其3-3-OHOH端遇端遇到上一个冈崎片段时即停止合成。到上一个冈崎片段时即停止合成。复制叉移动到终止区即复制叉移动到终止区即停止复制停止复制（大肠杆菌有一个终止区）（大肠杆菌有一个终止区）。这时会发生一系列这时会发生一系列变化：变化：在在DNADNA聚合酶聚合酶催化下切除催化下切除RNARNA引物引物；留下的空隙由留下的空隙由DNADNA聚合酶聚合酶催化合成一段催化合成一段DNADNA填补上填补上；在在DNADNA连接酶连接酶作用作用下，连接相邻的下，连接相邻的DNADNA链；链；修复掺入修复掺入DNADNA链的错配碱基链的错配碱基；以；以修修复方式填补复方式填补终止区终止区50-10050-100bpbp的空缺。这样以两条亲代的空缺。这样以两条亲代DNADNA链为模板，各自形成一条新的链为模板，各自形成一条新的DNADNA互补链。结果是形成了互补链。结果是形成了两个两个DNADNA双股螺旋分子。双股螺旋分子。（4）切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段 44四、真核生物中四、真核生物中DNADNA的复制特点的复制特点1 1、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子。多复制子。2 2、冈崎片段长约、冈崎片段长约200200bp.bp.3 3、真核生物真核生物DNADNA复制速度比原核慢。复制速度比原核慢。4 4、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。物快速生长时，往往采用更多的复制起点。5 5、真核生物有多种、真核生物有多种DNADNA聚合酶。聚合酶。6 6、真核生物线性染色体两端有、真核生物线性染色体两端有端粒端粒结构，防止染色体间的末结构，防止染色体间的末端连接。由端连接。由端粒酶端粒酶负责新合成链负责新合成链5 5 RNARNA引物切除后的填补，引物切除后的填补，亦保持亦保持端粒端粒的一定长度的一定长度。四、真核生物中DNA的复制特点1、真核生物染色体有多个复制起45v定义定义:以以RNARNA为模板，按照为模板，按照RNARNA中的核苷酸顺中的核苷酸顺序合成序合成DNADNA称为逆转录，由称为逆转录，由逆转录酶逆转录酶催化进催化进行。行。五、逆转录五、逆转录定义:以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA称为46+RNA+RNA+DNA-DNA-RNA+RNA+DNA-DNA-DNA+DNA+v病毒病毒RNARNA的逆转录过程的逆转录过程 （以前病毒形式引起整合到宿主细（以前病毒形式引起整合到宿主细胞胞DNADNA中而使细胞恶性转化）中而使细胞恶性转化）单链病毒单链病毒RNARNA RNA-DNARNA-DNA杂交分子杂交分子 双链双链DNADNA（前病毒）前病毒）逆转录酶逆转录酶逆转录酶逆转录酶v逆转录酶也和逆转录酶也和DNADNA聚合酶一样，沿聚合酶一样，沿5533方向方向合成合成DNADNA，并要求短链并要求短链RNARNA作引物。作引物。+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+逆转录酶逆转录酶逆47六、六、DNADNA的损伤修复的损伤修复nDNADNA的损伤：的损伤：DNADNA在复制时产生错配、病毒基因整合；某些在复制时产生错配、病毒基因整合；某些物化因子如紫外光、电离辐射和化学诱变等，破坏物化因子如紫外光、电离辐射和化学诱变等，破坏DNADNA的双螺的双螺旋结构。从而影响旋结构。从而影响DNADNA的复制，并使的复制，并使DNADNA的转录和翻译也跟着变的转录和翻译也跟着变化，因而表现出异常的特征（生物突变）。化，因而表现出异常的特征（生物突变）。n若若DNADNA的损伤或错配得不到修复，会导致的损伤或错配得不到修复，会导致DNADNA突变。其主要突变。其主要形式：形式：一个或几个碱基被置换一个或几个碱基被置换 插入一个或几个碱基插入一个或几个碱基 一个或多个碱基对缺失一个或多个碱基对缺失u DNADNA的损伤修复的损伤修复 四种修复途径四种修复途径:光复活光复活、切除切除修复、复组修复和诱导修复（亦称暗修复）。修复、复组修复和诱导修复（亦称暗修复）。六、DNA的损伤修复48 u光复活：光复活：400400nmnm左右的光激活光复活酶，专一分解紫外光照左右的光激活光复活酶，专一分解紫外光照射引起的同一条链上射引起的同一条链上TTTT（CC CTCC CT）二聚体。（包括从单细胞生二聚体。（包括从单细胞生物到鸟类，而高等哺乳动物无）物到鸟类，而高等哺乳动物无）u切除修复：切除修复：将将DNADNA分子中的受损伤部分切除，以完整分子中的受损伤部分切除，以完整的那条链为模板再重新合成。特异内切酶、的那条链为模板再重新合成。特异内切酶、DNADNA聚合聚合酶、酶、DNADNA外切酶、外切酶、DNADNA连接酶均参与。（发生在连接酶均参与。（发生在DNADNA复制前）复制前）u重组修复重组修复 （发生在复制后）：复制时，跳过损伤部（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由母链弥补，原损伤部位并没有位，新链产生缺口由母链弥补，原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释。切除但在后代逐渐稀释。u诱导修复：诱导修复：造成造成DNADNA损伤或抑制复制的处理均能引起损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂的诱导效应，称为一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（应急反应（SOS SOS responseresponse）。）。此过程诱导产生切除修复和重组修复此过程诱导产生切除修复和重组修复中的关键蛋白和酶，同时产生无校对功能的中的关键蛋白和酶，同时产生无校对功能的DNADNA聚合聚合酶。所以会有酶。所以会有2 2种结果：修复或种结果：修复或变异（进化）变异（进化）。49DNADNA的合成方式：的合成方式：nDNADNA的复制：以的复制：以DNADNA为模板为模板 合成合成DNADNA。n逆转录：以逆转录：以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA。n修复合成修复合成（DNADNA聚合酶聚合酶I I、连接酶等）连接酶等）DNA的合成方式：50RNARNA的生物合成的生物合成一、概念一、概念n转录：转录：以以DNADNA的一条链为模板在的一条链为模板在RNARNA聚合酶催化下，按聚合酶催化下，按照碱基配对原则，合成一条与照碱基配对原则，合成一条与DNADNA链的一定区段互补链的一定区段互补的的RNARNA链的过程称为转录。链的过程称为转录。n以四种核糖核苷三磷酸酸（以四种核糖核苷三磷酸酸（NTPNTP）为底物，形成为底物，形成3 3、5 5 -磷酸二酯键相连接。磷酸二酯键相连接。n转录的不对称性转录的不对称性：在：在RNARNA的合成中，的合成中，DNADNA的二条链中仅的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。n反义链（无意义链，负链）：在反义链（无意义链，负链）：在RNARNA的转录中，用作的转录中，用作模板的模板的DNADNA链称为反义链。链称为反义链。n有义链（编码链，正链）在有义链（编码链，正链）在RNARNA的转录中，不作为模的转录中，不作为模板的板的DNADNA链称为有义链。链称为有义链。RNA的生物合成一、概念51二、二、RNARNA聚合酶聚合酶：大肠杆菌的大肠杆菌的RNARNA聚合酶聚合酶全酶由全酶由5 5种亚种亚基基2 2 组成组成，因子与其它因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与部分的结合不是十分紧密，它易于与2 2分离，分离，没有没有、亚基的酶称亚基的酶称为核心酶为核心酶只催化链的延长，对起始只催化链的延长，对起始无作用。无作用。五种亚基的功能分别为：五种亚基的功能分别为：亚基：亚基：与启动子结合功能。与启动子结合功能。亚基亚基：含催化部位，起催化作用，催化形：含催化部位，起催化作用，催化形 成磷成磷酸二酯键。酸二酯键。亚基：在全酶中存在，功能不清楚。亚基：在全酶中存在，功能不清楚。亚基亚基：与：与DNADNA模板结合功能。模板结合功能。亚基：亚基：识别起始位点。识别起始位点。二、RNA聚合酶：大肠杆菌的RNA聚合酶全酶由5种亚基252u 真核细胞的真核细胞的RNARNA聚合酶聚合酶酶类分布产物-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱对酶的作用对酶的作用分子量反应条件I核仁核质核质rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNAmRNAtRNA 5SrRNA不抑制低浓度抑制高浓度抑制500 000700 000700 000_低离子强度,要求Mg2+或Mn2+高离子强度高Mn2+浓度 真核细胞的RNA聚合酶酶类分布产物-鹅膏蕈碱分子量反应53RNARNA聚合酶的特点：聚合酶的特点：1 1、反应底物：、反应底物：NTPNTP，DNADNA为模板、为模板、Mg2+Mg2+促进聚合反应。促进聚合反应。RNARNA聚合酶不需要引物，合成方向聚合酶不需要引物，合成方向5 53 3 。2 2、真核生物与原核生物的、真核生物与原核生物的RNARNA聚合酶结构不同（具体聚合酶结构不同（具体 说明）。说明）。3 3、利福平利福平抑制原核生物抑制原核生物RNARNA聚合酶活性；聚合酶活性；-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱 抑制真核生物抑制真核生物RNARNA聚合酶活性。聚合酶活性。RNA聚合酶的特点：1、反应底物：NTP，DNA为模板、Mg54三、三、RNARNA的转录过程的转录过程：（以大肠杆菌为例）（以大肠杆菌为例）n 起始位点的识别起始位点的识别n 转录起始转录起始n 链的延伸链的延伸n 转录终止转录终止生物化学第8章 核酸代谢课件55（1 1）起始位点的识别）起始位点的识别 RNARNA的合成不需要引物的合成不需要引物。体外实验证明，不含。体外实验证明，不含亚基的核亚基的核心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有亚基时就会亚基时就会选择正确的起点。选择正确的起点。亚基起着识别亚基起着识别DNADNA分子上的起始信号（分子上的起始信号（启启动子动子指指RNARNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNADNA序列序列P459P459）的作用。）的作用。启动子的结构至少由三部分组成：启动子的结构至少由三部分组成：-35-35序列提序列提供了供了RNARNA聚合酶全酶识别的信号；聚合酶全酶识别的信号；-10-10序列是酶的紧密结合位点序列是酶的紧密结合位点（富含（富含ATAT碱基，利于双链打开）；第三部分是碱基，利于双链打开）；第三部分是RNARNA合成的起始合成的起始点。点。AACTGTATATTATTGACATATAAT+1转录起始点转录起始点5335 35序列序列 Sextama 框框 10序列序列Pribnow框框（1）起始位点的识别 RNA的合成不需要引物。56（2 2）转录起始）转录起始 RNARNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是GTPGTP或或ATPATP，很少是很少是CTPCTP，不用不用UTPUTP。所形成的所形成的启动子、全酶和核启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，酸一旦掺入到转录起始点，亚基就会被释放脱离核心亚基就会被释放脱离核心酶。酶。因子仅与起始因子仅与起始有关，有关，RNARNA的合的合成一旦开始成一旦开始，便被释放便被释放 E-35-10pppG或pppA55553333模板链模板链（2）转录起始 RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到57（3 3）RNARNA链的延伸链的延伸DNADNA分子和酶分子发生构象的变化，核心酶与分子和酶分子发生构象的变化，核心酶与DNADNA结合比较松弛，可沿结合比较松弛，可沿DNADNA模板移动，并按模板顺序模板移动，并按模板顺序选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNARNA链的链的3-3-OHOH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向从方向从5 5 33（3）RNA链的延伸DNA分子和酶分子发生构象的变化，核心酶58（4 4）转录终止）转录终止 在在DNADNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNADNA序列序列称为终止子（称为终止子（terminators),terminators),它能使它能使RNARNA聚合酶停止合成聚合酶停止合成RNARNA并释放出并释放出RNARNA。需要需要因子（因子（终止因子终止因子，协助，协助RNARNA聚合酶识别终止聚合酶识别终止信号）帮助，信号）帮助，因子能与因子能与RNARNA聚合酶结合但不是聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止酶的组分，它的作用是阻止RNARNA聚合酶向前移动，聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的于是转录终止，并释放出已转录完成的RNARNA链。链。不依赖于不依赖于因子。强终止子序列有两个明显的因子。强终止子序列有两个明显的特征：（特征：（1 1）在终止点之前具有一段富含）在终止点之前具有一段富含G-CG-C的回文区域。（的回文区域。（2 2）富含）富含G-CG-C的区域之后是一连的区域之后是一连串的串的dAdA碱基序列，它们转录的碱基序列，它们转录的RNARNA链的末端为一链的末端为一连串连串U U（连续连续6 6个）个）。弱终止子：弱终止子：缺少回文结构缺少回文结构强终止子强终止子：有回文结构有回文结构（4）转录终止 在DNA分子上（基因末端）提供转59四、四、RNARNA的转录后加工的转录后加工 在细胞内，由在细胞内，由RNARNA聚合酶合成的原初转录物聚合酶合成的原初转录物（primary transcriptprimary transcript）往往需要一系列的变往往需要一系列的变化，包括链的裂解、化，包括链的裂解、5 5 和和3 3 末端的切除和特末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的等过程，才转变为成熟的RNARNA分子。此过程总分子。此过程总称为称为RNARNA的成熟的成熟或称为或称为RNARNA的转录后加工。的转录后加工。四、RNA的转录后加工601 1、mRNAmRNA前体的加工前体的加工：原核生物原核生物的的mRNAmRNA转录后转录后一般一般不需要加工，转录的同时即进行不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反子的翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反子的mRNAmRNA需要核酸酶切成需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。小单位，然后再翻译。真核生物真核生物mRNAmRNA（半寿期较长）原初转录物很大，在加半寿期较长）原初转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为为核内不均一核内不均一RNARNA（heterogeneous nuclear heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)RNA,hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为需要进一步进行加工修饰转化为mRNAmRNA。加工包括：加工包括：（1 1）hnRNAhnRNA被剪接，把内含子被剪接，把内含子（DNADNA上非编码序列）上非编码序列）转录转录序列剪掉，把序列剪掉，把外显子外显子（DNADNA上的编码序列）上的编码序列）转录序列转录序列拼接拼接上上(真核生物一般为不连续基因真核生物一般为不连续基因)。（2 2）33端添加端添加polyA“polyA“尾巴尾巴”；（3 3）55端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m m7 7G G5 5 pppppp5 5 NmpNp-NmpNp-）；）；（4 4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。分子内部的核苷酸甲基化修饰。1、mRNA前体的加工：61 2 2、tRNAtRNA前体的加工：前体的加工：原核与真核生物的原核与真核生物的tRNAtRNA转录后都需要加工。包括：转录后都需要加工。包括：（1 1）由核酸内切酶切除前体上）由核酸内切酶切除前体上3 3 和和5 5 端上多余的核苷端上多余的核苷酸；酸；（2 2）由核酸外切酶逐个在）由核酸外切酶逐个在3 3 切去附加序列，进行修剪。切去附加序列，进行修剪。（3 3）33端添加端添加CCACCAOHOH序列，由核苷酰转移酶催化。序列，由核苷酰转移酶催化。（接受活化（接受活化AAAA）（4 4）核苷的一些特定的碱基和戊糖进行修饰。核苷的一些特定的碱基和戊糖进行修饰。2、tRNA前体的加工：62v 原核与真核生物的原核与真核生物的rRNArRNA转录后也都需要进行加工。转录后也都需要进行加工。原核：刚转录的原核：刚转录的rRNArRNA为为3030S S，先在特定的碱基上进先在特定的碱基上进行甲基化（核糖行甲基化（核糖2 2-羟基）修饰，后逐步裂解（核羟基）修饰，后逐步裂解（核酸酶的切割）。酸酶的切割）。真核：真核：4545S S（哺乳动物）哺乳动物）、3838S S（果蝇）果蝇）、3737S S（酵母）酵母）P16P23P516S23S5S（一般不含甲基化）一般不含甲基化）28S18S5.8S3 3、rRNArRNA前体的加工：前体的加工：4545S S或或3838S S3737S S2626S S17S17S5.8S5.8S真核真核rRNArRNA的甲基化程度比原核高的甲基化程度比原核高（核糖核糖2 2-羟基）羟基）rRNArRNA原初原初转录物转录物研究四膜虫研究四膜虫rRNArRNA前体的拼接时发现前体的拼接时发现ribozymeribozymeP16P23P516S23S5S（一般不含甲基化）28S1863