第9章 核酸代谢和蛋白质的 生物合成导言俗语说“种瓜得瓜，种豆得豆”，其中蕴含着在生物界中普遍存在的遗传规律；而“世界上没有完全 相同的两片叶子”却又预示了遗传现象的复杂性和可 变性。对于生物体而言，贮存遗传信息的物质就是核 酸，它是记载生物体的演变、种属特征及一切生命活 动规律的图书馆。本章书除了阐述核苷酸的基本代谢 外，还将从复制、转录及翻译等几个方面分别阐述与 遗传信息传递有关的重要理论知识。第1节 核酸代谢一、核苷酸的合成代谢一、核苷酸的合成代谢 途径：从头合成、补救合成。途径：从头合成、补救合成。1.1.从头合成途径：是指细胞利用一碳单位、从头合成途径：是指细胞利用一碳单位、 磷酸核糖和氨基酸等基本原料，经过一系磷酸核糖和氨基酸等基本原料，经过一系 列复杂的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷列复杂的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷 酸的过程。酸的过程。2.2.补救合成途径：是指细胞利用已有的嘌呤补救合成途径：是指细胞利用已有的嘌呤 碱或嘧啶碱以及它们的核苷形式，经过简碱或嘧啶碱以及它们的核苷形式，经过简 单的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的单的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的 过程。过程。 （一）嘌呤核苷酸的合成（一）嘌呤核苷酸的合成 1.1.嘌呤核苷酸的从头合成嘌呤核苷酸的从头合成嘌呤环的元素来源Asp Mg2+ GTP NAD+ H2ONADH+ Gln Mg2+ ATP Glu IMP分别转变为AMP和GMP2.2.嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成腺嘌呤+PRPP AMP+PPi 次黄嘌呤+PRPP IMP+PPi 鸟嘌呤+PRPP GMP+PPi 腺嘌呤核苷+ATP AMP+ADP （二）嘧啶核苷酸的合成（二）嘧啶核苷酸的合成 1.1.嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶环的元素来源UMP分别转变为CTP和TMPN5，N10CH2FH4 FH2 Gln2.2.嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶碱 +PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi（三）脱氧核苷酸的合成（三）脱氧核苷酸的合成 嘌呤和嘧啶脱氧核苷酸合成是在二磷酸核苷嘌呤和嘧啶脱氧核苷酸合成是在二磷酸核苷 酸（酸（NDPNDP）水平上进行的，反应式如下：）水平上进行的，反应式如下： NADPH NADP+H2O（四）核苷酸抗代谢物及应用（四）核苷酸抗代谢物及应用 核苷酸抗代谢物是指与核苷酸合成过程的中核苷酸抗代谢物是指与核苷酸合成过程的中 间产物结构相似的一些类似物。间产物结构相似的一些类似物。如：如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸等。等。通过通过竞争性抑制或以假乱真的方式竞争性抑制或以假乱真的方式，干扰和，干扰和 阻断核苷酸的合成。阻断核苷酸的合成。抗代抗代谢谢谢谢物物相似物相似物作用作用6 6巯巯基基嘌嘌呤呤次黄次黄嘌嘌呤呤抑制抑制IMPIMP转变转变 为为AMPAMP和和GMPGMP氮氮杂丝杂丝 氨酸氨酸谷氨谷氨酰酰胺胺抑制抑制嘌嘌 呤核酸的合成呤核酸的合成氨蝶呤氨蝶呤 甲氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸叶酸阻断二阻断二氢氢叶酸及四叶酸及四 氢氢叶酸的生成叶酸的生成影响影响 一碳一碳单单位的代位的代谢谢嘌呤核苷酸抗代谢物嘌呤核苷酸抗代谢物抗代抗代谢谢谢谢物物相似物相似物作用作用5 5氟尿氟尿嘧啶嘧啶胸腺胸腺嘧啶嘧啶阻断阻断嘧啶嘧啶 核苷酸核苷酸 的合成的合成氮氮杂丝杂丝 氨酸氨酸谷氨谷氨酰酰胺胺抑制抑制CTPCTP的合成的合成氨蝶呤氨蝶呤 甲氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸叶酸干干扰扰一碳一碳单单位的代位的代 谢谢，影响，影响嘧啶嘧啶 核苷核苷 酸合成酸合成嘧啶核苷酸抗代谢物嘧啶核苷酸抗代谢物二、核苷酸的分解代谢二、核苷酸的分解代谢 （一）嘌呤核苷酸的分解代谢（一）嘌呤核苷酸的分解代谢 嘌呤核苷酸在体内代谢的终产物是嘌呤核苷酸在体内代谢的终产物是尿酸尿酸。 （二）嘧啶核苷酸的分解代谢（二）嘧啶核苷酸的分解代谢 1.1.胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶 丙氨酸、丙氨酸、NHNH3 3和和COCO2 22.2.胸腺嘧啶胸腺嘧啶 氨基异丁酸、氨基异丁酸、NH3NH3和和COCO2 2遗传信息传递中心法则三、三、DNADNA的生物合成的生物合成 DNADNA的生物合成包括的生物合成包括DNADNA复制、逆转录及复制、逆转录及 DNADNA的损伤与修复。的损伤与修复。 （一）（一）DNADNA复制复制 DNADNA复制是指以亲代单链复制是指以亲代单链DNADNA为模板，合成为模板，合成 子代子代DNADNA的过程。的过程。 DNADNA复制的方式：复制的方式：半保留复制半保留复制子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的。亲代DNA子代DNA复制来自亲代DNA 新合成链1.1.复制的模板：亲代单链复制的模板：亲代单链DNADNA为模板为模板方向：为方向：为3355 2.2.复制的原料：复制的原料：dNTPdNTP（N N为为A A、G G、C C、T T）。）。 3.3.参与复制的酶和蛋白质因子参与复制的酶和蛋白质因子 （1 1）DNADNA聚合酶聚合酶 作用：以单链作用：以单链DNADNA为模板，以为模板，以dNTPdNTP作为原作为原 料，按碱基配对原则，催化料，按碱基配对原则，催化DNADNA新链的合成新链的合成 。原核生物三种DNA聚合酶及其作用DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶53 聚合作用有有有35 核酸外切酶活性有有有53 核酸外切酶活性有无无功能校读读 损伤损伤 后修复目前尚不完 全清楚复制过过程中的 主要催化酶真核生物真核生物DNADNA聚合酶聚合酶 ： 有有 、 、 、 和和 等五种。等五种。 酶酶作用拓扑异构酶松解、理顺顺DNA超螺旋。解螺旋酶 解开DNA双链链之间间的氢键氢键 ，形成单链单链 DNA模板。引物酶 以单链单链 DNA为为模板，合成RNA引物，以 提供3OH。DNA连连接酶 DNA复制终终止阶阶段，催化DNA分子 上的片段缺口之间间形成磷酸二酯键酯键 。参与DNA复制的其它酶及作用单链单链DNADNA结合蛋白：结合蛋白： 单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）能结合在）能结合在DNADNA单单 链上，具有保护和稳定链上，具有保护和稳定DNADNA模板单链的作用。模板单链的作用。 一方面：解开的单链DNA会被水解；另一方面：解开的单链DNA很容易再次聚合形成双螺旋形式。DNA复制过程起始阶段延长阶段终止阶段起始阶段拓扑异构酶参与 松解DNA超螺旋 ，在复制的整个 过程中都发挥作 用。解螺旋酶：解开DNA双 链间的氢键，形成单链 DNA模板。SSB：维持、保护单 链DNA模板。引物酶：催化 合成RNA引物 。延长阶段模板方向：模板方向：3535合成的方向：合成的方向：5353碱基配对：碱基配对：A AT T、G G C C前导链与随从链前导链与随从链 A G C T T A G C A A G C C A T C G G AC G G T A G C C TT C G A A 冈崎片段： 在随从链的合成之前，先合成的一 些不连续的DNA短片段。DNA复制的特点： 半保留复制、半不连续复制。终止阶段逆转录逆转录 1.1.概念：以概念：以RNARNA为模板，合成为模板，合成DNADNA链的过程。链的过程。 2.2.逆转录酶：为多功能酶，作用如下：逆转录酶：为多功能酶，作用如下：DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 1.1.概念：概念：DNADNA损伤又称突变，是损伤又称突变，是DNADNA分子结构分子结构 改变从而导致遗传信息的改变。改变从而导致遗传信息的改变。 2.2.类型：错配、缺失、插入、重排、框移等类型：错配、缺失、插入、重排、框移等 。 3.3.修复机制修复机制 （1 1）光修复：光修复酶使嘧啶二聚体分解）光修复：光修复酶使嘧啶二聚体分解 （2 2）重组修复：由）重组修复：由DNADNApolpol、DNADNA连接及连接及 多种蛋白因子共同参与，切除多种蛋白因子共同参与，切除DNADNA分子中损分子中损 伤的片段，再以另一条完整链作为模板进伤的片段，再以另一条完整链作为模板进 行修复。行修复。蛋白质因子辨认、结 合及切除损伤区段。DNApol以dNTP 为原料，填补空隙。重组修复基本过程四、四、RNARNA的生物合成的生物合成 （一）概念：以单链（一）概念：以单链DNADNA为模板，合成为模板，合成RNARNA 的过程。的过程。 （二）原料：（二）原料：NTPNTP（N N代表代表A A、G G、C C、U U四种四种 碱基）。碱基）。 （三）特点：不对称转录。（三）特点：不对称转录。不对称转录：不对称转录： * *只以只以DNADNA单链的某一区段作为模板进行转录单链的某一区段作为模板进行转录 。 * *模板链不是永远都在同一条模板链不是永远都在同一条DNADNA单链上。单链上。5 3 3 5 模板链编码链编码链模板链模板链编码链DNARNARNA聚合酶聚合酶 原核生物原核生物RNARNA聚合酶：聚合酶： 2 2 （全酶）（全酶） 2 2（核心酶）：在（核心酶）：在RNARNA合成过程中起催化作用。合成过程中起催化作用。 ：辨认识别转录起始点。：辨认识别转录起始点。 核心酶全酶真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶：催化转录生成：催化转录生成45S45SrRNArRNA。 RNARNA聚合酶聚合酶：催化转录生成：催化转录生成hnRNAhnRNA（不均（不均 一核一核RNARNA，是，是mRNAmRNA的前体）。的前体）。 RNARNA聚合酶聚合酶：催化转录生成：催化转录生成5S5SrRNArRNA、 tRNAtRNA和和snRNAsnRNA（小核（小核RNARNA）。）。 下面以原核生物转录过程进行说明。下面以原核生物转录过程进行说明。 转录起始转录起始 RNARNA聚合酶聚合酶 亚基识别和辩认模板亚基识别和辩认模板DNADNA链上链上 的特异序列。的特异序列。启动子启动子 ：RNARNA聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的DNADNA序列称为。序列称为。RNARNA转录不需合成引物，是转录与复制的重要区别之一。转录不需合成引物，是转录与复制的重要区别之一。RNARNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。（通常加入的第一聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。（通常加入的第一 个核苷酸为个核苷酸为GTPGTP，并保留三磷酸形式。），并保留三磷酸形式。）转录起始* *启动子启动子 ：RNARNA聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的DNADNA序列序列 。* *RNARNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键。* *通常加入的第一个核苷酸为通常加入的第一个核苷酸为GTPGTP，并保留三，并保留三 磷酸形式。磷酸形式。3 5 TTGACA TATAAT35 10 +1转录延长转录延长 亚基即脱落，核心酶（亚基即脱落，核心酶（ 2 2）催化）催化 RNARNA链的延长。链的延长。模板链的方向：模板链的方向：335 5 合成的合成的RNARNA链方向：链方向：5533。碱基配对关系：碱基配对关系：A AT T、A AU U、G G C C转录过程中的转录过程中的“ “转录泡转录泡” ”转录终止转录终止 1.1.依赖依赖 （RhoRho）因子）因子 的转录终止的转录终止 因子能结合在因子能结合在RNARNA上的特异终止序列上，上的特异终止序列上， 并具有并具有AT