1、第九篇 核酸代谢第33章 核酸的降解和核苷酸代谢核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用：核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用： 作为合成核酸的原料：如作为合成核酸的原料：如ATP，GTP，CTP，UTP用于合成用于合成RNA，dATP，dGTP，dCTP，dTTP用于合成用于合成DNA。 作为能量的贮存和供应形式：除作为能量的贮存和供应形式：除ATP之外，还有之外，还有GTP，UTP，CTP等。等。 参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸cAMP和和cGMP作为激作为激素的第二信使。素的第二信使。 参与构成酶的辅酶或辅基：如在参与构成酶的辅酶或辅基：如在NA
2、D+，NADP+，FAD，FMN，CoA中均含有核苷酸的成分。中均含有核苷酸的成分。 作为代谢中间物的载体：如用作为代谢中间物的载体：如用UDP携带糖基，用携带糖基，用CDP携带胆碱，携带胆碱，乙醇胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（形成乙醇胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（形成SAM）等。）等。嘌呤核苷酸的分解黄嘌呤黄嘌呤氧化酶氧化酶尿酸尿酸核苷酸酶核苷酸酶AMP腺苷腺苷H2OPi核苷酸酶核苷酸酶GMP鸟苷鸟苷H2OPi脱氨酶脱氨酶次黄苷次黄苷H2ONH3鸟嘌呤酶鸟嘌呤酶黄嘌呤黄嘌呤H2ONH3核苷酶核苷酶次黄嘌呤次黄嘌呤PiR-1-P核苷酶核苷酶鸟嘌呤鸟嘌呤PiR-1-P胞嘧啶和尿嘧啶的降解二氢
3、嘧啶酶二氢嘧啶酶H2O -脲基丙酸脲基丙酸胞嘧啶脱氨酶胞嘧啶脱氨酶H2O NH3胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶脱氢酶二氢尿嘧啶脱氢酶NADPH+H+ NADP+二氢二氢尿嘧啶尿嘧啶 -脲基丙酸酶脲基丙酸酶NH3 + CO2H2O -丙氨酸丙氨酸 丙二酸单酰丙二酸单酰CoA乙酰乙酰CoATAC尿素尿素嘌呤碱合成的元素来源CO2甲酰基甲酰基（N5,N10-CH=FH4）甲酰基甲酰基（N10-CHO FH4）天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺（酰胺基）（酰胺基）甘氨酸甘氨酸次黄苷酸的合成：腺苷酸（AMP）与鸟苷酸（GMP）的合成H2O + NAD+XMPIMP脱氢酶脱氢酶NADH + H+Asp
4、+ GTPIMPAMP-S腺苷酸代琥腺苷酸代琥珀酸合成酶珀酸合成酶GDP + PiGln + ATPGMP鸟苷酸合成酶鸟苷酸合成酶Glu + AMP + PPiAMP腺苷酸代琥腺苷酸代琥珀酸裂解酶珀酸裂解酶延胡索酸延胡索酸嘧啶合成的元素来源氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸GlnCO2AspC5C4N3C2C6N1| 尿苷酸的合成：CTPGln+ATPGlu+ADP+PiCTP合成酶合成酶UMPUDPATPADP核苷单磷核苷单磷酸激酶酸激酶UTPATPADP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶合成合成RNA胞苷酸的合成：脱氧嘧啶核苷酸的合成：磷酸酶磷酸酶CTPCDPH2O Pi核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶d
5、CDPNADPH+H+ NADP+H2ON5,N10-CH2-FH4FH2dTMP胸苷酸合酶胸苷酸合酶dUMPH2ONH3脱氨酶脱氨酶dCMPH2OPi磷酸酶磷酸酶核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶dCTPATP ADPUDPdUDP磷酸酶磷酸酶核糖核苷核糖核苷酸还原酶酸还原酶核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶dTDPdTTP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶合成合成DNA第34章 DNA的复制和修复DNA复制（复制（DDDP）转录（转录（DDRP）RNA蛋白质蛋白质翻译翻译RNA复制（复制（RDRP）反转录（反转录（RDDP）半保留复制半保留复制nDNA在复制时，以亲代在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合
6、成完全相同的的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代两个双链子代DNA，每个子代，每个子代DNA中都含有一股亲代中都含有一股亲代DNA链，链，这种现象称为这种现象称为DNA的半保留复制的半保留复制(semi-conservative replication)。 复制亲代DNA子代DNADNA半保留复制的实验证明DNA半保留复制研究实验结果示意图复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）滚环复制的过程3 5 5 5 3 3 3 53 -OH5 -P5 5 3 3 5 D环复制(D-loop replication)dNTPDNA-pol DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应原核生物DNA聚合酶
7、种类和生理功能：n在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。n参与DNA复制的主要是pol 和pol 。npol 为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即53聚合酶和35外切酶活性，通常被 称 为 K l e n o w fragment。 Klenow片段的分子结构片段的分子结构npol 由十种亚基组成不由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，对称异源二聚体结构，其中其中 亚基具有亚基具有53聚聚合合D
8、NA的酶活性，具有的酶活性，具有复制复制DNA的功能；而的功能；而 亚亚基具有基具有35外切酶的活外切酶的活性，与性，与DNA复制的校正复制的校正功能有关。功能有关。 原核生物中的三种DNA聚合酶DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合酶活性掺入正确配对的底物。酶活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。不表现外切酶活性。DNA连接酶的连接作用DNA连接酶连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN+AMP）HO5POO-O-O353POO-O-O3553
9、DNA的半不连续复制3 5 3 5 3 5 3 5 解链方向解链方向前导链前导链(leading strand)滞后链滞后链(lagging strand)3 5 冈崎片段冈崎片段DNA拓扑异构酶人类拓扑异构酶人类拓扑异构酶的分子结构的分子结构能够松解能够松解DNA超螺旋结构的酶。超螺旋结构的酶。DNA拓扑异构酶的作用机制拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中一股链，使双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应不需反应不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子两股链，断端通过分子两股链，断端通过切
10、口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。解螺旋酶解螺旋酶n解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。n每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。单链DNA结合蛋白n单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。DNA复制过程简图复制的起始nDNA复制的起始阶段，由下列两步构成。复制的起始阶段，由下列两步构成。1解旋解链，形成复制叉：解旋解链，形成
11、复制叉：由拓扑异构酶和由拓扑异构酶和解螺旋酶解螺旋酶作用，使作用，使DNA的超螺旋及双螺旋的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链条单链DNA。单链单链DNA结合蛋白（结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链）四聚体结合在两条单链DNA上，上，形成复制叉。形成复制叉。2引发体组装和引物合成：引发体组装和引物合成： 由解螺旋酶由解螺旋酶(DnaB蛋白蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶蛋白、引物酶(DnaG蛋白蛋白)和和DNA复制起始区域形成引发体；复制起始区域形成引发体； 在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的为模板，合成一段短
12、的RNA片片段，从而获得段，从而获得3端自由羟基（端自由羟基（3-OH）。）。复制的延长n复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成。 n在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中是DNA聚合酶。前导链的合成过程滞后链的合成过程复制的终止（一）去除引物，填补缺口：（一）去除引物，填补缺口：n在复制过程中形成的在复制过程中形成的RNA引物，需由引物，需由RNA酶来水解去除；酶来水解去除；nRNA引物水解后遗留的缺口，由引物水解后遗留的缺口，
13、由DNA聚合酶聚合酶（原核生物）或（原核生物）或DNA聚合酶聚合酶 （真核生物）催化延长缺口处的（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。后一个磷酸酯键的缺口。（二）连接冈崎片段：（二）连接冈崎片段：n在在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的连接起来，形成完整的DNA长链。长链。 DNADNA损伤的修复损伤的修复DNA损伤修复损伤修复(repair) ：是对已发生分子改变的补偿措是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。施，使其尽可能回复为原有的天然状
14、态。光修复光修复(light repair)切除修复切除修复(excision repair)重组修复重组修复(recombination repair)SOS修复修复 修复的主要类型：修复的主要类型：无差错修复无差错修复有差错倾向修复有差错倾向修复光修复（光修复（light repairlight repair）：）：n其修复过程为：1.光修复酶(photolyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物。2.在300600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开。3.光修复酶从DNA上解离。 切除修复切除修复(excision repair)(excision repair)：
15、n这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种DNA损伤的修复。n切除修复机制的基本过程是将受损的DNA片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。原核生物DNA切除修复的机制 ( (二二) )切除修复切除修复 (excission repairing) 切除修复切除修复 (excission repairing)DNA重组修复示意图 重组修复重组修复(recombination repairing) SOS修复（SOS Repair）：当当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。一系列复杂的反应。在在E. coli中，各种与修复
16、有关的基因，组成一个称中，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子为调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。期的突变。第36章 RNA的生物合成和加工复制和转录的区别复制和转录的区别 n能够转录能够转录RNA的那条的那条DNA链称为模板链链称为模板链(template strand) ，也称作有意义链或，也称作有意义链或
17、Watson链。链。 n与模板链互补的另一条与模板链互补的另一条DNA链称为编码链链称为编码链(coding strand)，也称为反义链或，也称为反义链或Crick链。链。 模板链模板链编码链编码链553355模板链、编码链与转录及翻译的关系5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编码链编码链模板链模板链mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录NAla Val His Val C蛋白质蛋白质翻译翻译转录空泡(transcription bubble)的形成原核生物原核生物RNARNA聚合酶的核心酶和全酶聚合酶的核心酶和全酶核心酶核心酶 (co
18、re enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) n位于基因上游，与位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些关的一些DNA调控序列被称为启动子（调控序列被称为启动子（promoter）。）。n启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成n被被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的区的TTGACA序列。序列。nRNA聚合酶与该区结合后，即滑动至聚合酶与该区结合后，即滑动至-10区的区的TATAAT序序列（列（Pribnow盒），并启动转录。盒），并启动转录。原核生
19、物启动子的保守序列开始转录开始转录(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 T T G A C AA A C T G T-35 区区RNA-pol辨认位点辨认位点(recognition site) 5 5 RNA聚合酶保护区聚合酶保护区结构基因结构基因3 3 RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合转录的起始过程： DNA局部双链解开。局部双链解开。 RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合。与模板结合。 在在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起
20、始复合物。形成转录起始复合物。RNApol ( 2) - DNA - pppGpN- OH 3 转录起始复合物转录起始复合物:5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi转录延长n 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。 1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；2. 在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链不断链不断延长
21、。延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPiRNARNA转录的延长转录的延长原核生物转录过程中的羽毛状现象转录终止RNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种：非依赖非依赖RhoRho的转录终止：的转录终止：模板模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和和AT的区域，使的区域，使RNA转录产物形成寡聚转录产物形成寡聚U及发夹形的二及发夹形的二级结构，引起级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。转录的终止。依赖依赖RhoRho因子的转录终止：因子的转录终止：由终止因子（由终
22、止因子（ 因子）识别特异的终止信号，并促使因子）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。的释放。非依赖Rho的转录终止茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUUU. 5UUGCAGCCUGACAA
23、AUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。依赖 Rho因子的转录终止ATPtRNAtRNA前体的切断和剪接加工前体的切断和剪接加工tRNA3-tRNA3-末端末端-CCA-CCA序列的添加序列的添加tRNAtRNA的碱基修饰的碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲
24、基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）rRNA的转录后加工rRNA前体的转录和剪接加工类型I内含子的拼接四膜虫前rRNA的自身剪接过程第39章 细胞代谢与基因表达调控糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分解过糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经程中可产生丙酮酸，丙酮酸经TCATCA循环产生循环产生酮戊二酸酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和的氨基酸。另外
25、，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。蛋白质的合成之用。 蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。糖糖 -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸
26、或乙酰CoA脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）糖代谢与脂类代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA琥珀酸琥珀酸糖糖 (植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生TCA糖糖乙酰乙酰CoA，NADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸甘油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoACoA、NAD+NAD+，NADP+NADP+，cAMPcAMP，cGMPcGMP）。）。 核酸是细胞内重要的遗
27、传物质，控制着蛋白质的合核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型成，影响细胞的成分和代谢类型 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。而且需要酶和多种蛋白质因子。 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如，如ATPATP是能量的是能量的“通货通货”，此外，此外UTPUTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTPCTP参与磷脂合成，参与磷脂合成，GTPGTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。节首糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系
