第13章核酸和核苷酸代谢.ppt

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1、第第13章章 核酸和核苷酸代谢核酸和核苷酸代谢教学目的：教学目的：1.了解核苷酸分解过程的概况。了解核苷酸分解过程的概况。2.掌握嘌呤核苷酸生物合成的特点。掌握嘌呤核苷酸生物合成的特点。3.熟悉遗传密码的基本特性。熟悉遗传密码的基本特性。4.掌握掌握DNA聚合酶的反应特点。聚合酶的反应特点。5.熟悉熟悉DNA半保留式复制的意义。半保留式复制的意义。教学重点：教学重点：1.核苷酸生物合成的特点核苷酸生物合成的特点 2.DNA聚合酶的反应特点。聚合酶的反应特点。核酸的基本单位是核苷酸。遗传信息的复制、转核酸的基本单位是核苷酸。遗传信息的复制、转录和翻译都与核酸代谢有关，核酸代谢与核苷酸代谢录和翻译

2、都与核酸代谢有关，核酸代谢与核苷酸代谢密切关联。核苷酸几乎参与细胞中的所有生化过程。密切关联。核苷酸几乎参与细胞中的所有生化过程。核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成核苷酸的作用：三磷酸核苷酸是核酸生物合成的前体。的前体。ATP是生物能量代谢中的通用载体，是生物能量代谢中的通用载体，GTP是推动重要生物过程的能量供体。核苷酸衍生物是是推动重要生物过程的能量供体。核苷酸衍生物是许多生物合成反应的活性中间物。腺苷酸是三种重许多生物合成反应的活性中间物。腺苷酸是三种重要辅酶要辅酶(烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A)的组分。的组分。cAMP和和cGMP

3、作为细胞内第二信使，调作为细胞内第二信使，调节细胞功能和基因表达。节细胞功能和基因表达。动物和异养型微生物可分泌消化酶类来分解食物动物和异养型微生物可分泌消化酶类来分解食物或体外的核蛋白或核酸类物质，以获得各种核苷酸。或体外的核蛋白或核酸类物质，以获得各种核苷酸。核酸核酸核苷酸核苷酸核酸酶核酸酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶核苷酸核苷酸核苷酸酶核苷酸酶核苷核苷+磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基+1-P-戊糖戊糖碱基碱基+戊糖戊糖核苷酶核苷酶核苷核苷 核酸是由许多核苷酸以核酸是由许多核苷酸以3,5 磷酸二酯键连接而磷酸二酯键连接而成的大分子化合物。核酸分解代谢的第一步是水解连成的大分子化合物。核酸

4、分解代谢的第一步是水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核苷酸。磷酸二酯酶核苷酸。磷酸二酯酶(核酸酶核酸酶)可催化这一解聚作用。可催化这一解聚作用。水解水解RNA的酶称核糖核酸酶，水解的酶称核糖核酸酶，水解DNA的酶称脱氧的酶称脱氧核糖核酸酶。能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶称核核糖核酸酶。能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶称核酸内切酶，从核酸链的一端逐步水解下核苷酸的酶称酸内切酶，从核酸链的一端逐步水解下核苷酸的酶称外切酶。细胞内的核酸都不是恒定不变的，细胞内的外切酶。细胞内的核酸都不是恒定不变的，细胞内的各种核酸酶参与了核酸的代谢。各种

5、核酸酶参与了核酸的代谢。1 核酸的解聚作用核酸的解聚作用2 核苷酸的降解核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在核苷酸水解下磷酸成为核苷。生物体内广泛存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化这一反应。非特异性的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷的磷酸单酯酶对所有核苷酸都能作用，特异性强的磷酸单酯酶只能水解酸单酯酶只能水解3 核苷酸或核苷酸或5 核苷酸。核苷酸。核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。核苷经核苷酶催化分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。碱基碱

6、基+戊糖戊糖核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷+H2O核苷核苷+磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基+戊糖戊糖-1-磷酸磷酸3 嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解 不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相不同生物分解嘌呤的能力不同，代谢产物也不相同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非同。灵长类和鸟类动物的嘌呤降解终产物是尿酸；非灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类灵长类的哺乳动物和腹足类动物是尿囊素；硬骨鱼类将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿将尿囊素分解为尿囊酸；两栖类则将尿囊酸分解为尿素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为素和乙醛酸；甲壳类动物将嘌呤分解为CO2和和NH3。腺

7、嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨腺嘌呤和鸟嘌呤在相应的脱氨酶作用下水解脱氨基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤基，分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为在黄嘌呤氧化酶催化下转变为尿酸。尿酸最终降解为CO2和和NH3。4 嘧啶碱的分解嘧啶碱的分解 胞嘧啶先脱氨转变为尿嘧啶，尿嘧啶经还胞嘧啶先脱氨转变为尿嘧啶，尿嘧啶经还原、开环水解，最后生成原、开环水解，最后生成NH3、CO2和和-丙氨酸。丙氨酸。-丙氨酸经转氨作用脱去氨基后参加有机酸代丙氨酸经转氨作用脱去氨基后参加有机酸代谢。谢。胸腺嘧啶经还原、开环水解生成胸腺嘧啶经还原、开环

8、水解生成NH3、CO2和和-氨基异丁酸，后者脱去氨基后参加有机酸氨基异丁酸，后者脱去氨基后参加有机酸代谢。代谢。1 嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成 生物利用生物利用CO2、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸等简单前体物质作为合成嘌呤环的前体。甘氨酸等简单前体物质作为合成嘌呤环的前体。CNCNCCCNN123456789CO2天冬氨酸天冬氨酸N10-甲酰甲酰四氢叶酸四氢叶酸谷氨酰胺谷氨酰胺(酰胺氮酰胺氮)甘氨酸甘氨酸N10-甲酰甲酰四氢叶酸四氢叶酸嘌呤环的元素来源嘌呤环的元素来源 合成过程是在合成过程是在5-磷酸核糖基础上进行的。磷酸核糖基础上进行的。组成

9、嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的组成嘌呤环的各元素是逐个垒加到核糖的C1上去的，先合成咪唑环，再合成骈嘧啶环。上去的，先合成咪唑环，再合成骈嘧啶环。随着嘌呤环的生成，随着嘌呤环的生成，5-核苷酸应运而生。第核苷酸应运而生。第一个被合成的核苷酸是一个被合成的核苷酸是IMP。AMP、GMP是由是由IMP转化生成的。转化生成的。嘌呤核苷酸生物合成的特点：嘌呤核苷酸生物合成的特点：生物利用现有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的生物利用现有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的过程称为半合成途径。过程称为半合成途径。嘌呤碱嘌呤碱+1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤核苷嘌呤核苷+Pi嘌呤碱嘌呤碱+PRPP嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸核苷磷

10、酸化酶核苷磷酸化酶ATPADP核苷磷酸激酶核苷磷酸激酶核苷酸焦磷酸化酶核苷酸焦磷酸化酶PPiCNNCCC123456嘧啶环各元素来源嘧啶环各元素来源来来 自自 天天 冬冬 氨氨 酸酸来来 自自 氨氨 甲甲 酰酰 磷磷 酸酸2 嘧啶核糖核苷酸的合成嘧啶核糖核苷酸的合成 嘧啶环是以天冬氨酸、谷酰胺、嘧啶环是以天冬氨酸、谷酰胺、CO2为前体物为前体物质合成的。质合成的。3 脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核苷酸的合成不是从脱氧核糖起始的，而脱氧核苷酸的合成不是从脱氧核糖起始的，而是先合成相应的核苷酸后，再通过还原作用使其中是先合成相应的核苷酸后，再通过还原作用使其中的核糖脱氧转变成为脱

11、氧核苷酸。催化此还原反应的核糖脱氧转变成为脱氧核苷酸。催化此还原反应的酶体系包括核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫的酶体系包括核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶及氧还蛋白还原酶及FAD、NADP等因子。等因子。NADPNADPH+FADATP,Mg2+硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白硫氧还蛋白-(SH)2(还原型还原型)硫氧还蛋白硫氧还蛋白-S2(氧化型氧化型)核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶(B1和和B2)核糖核苷核糖核苷二磷酸二磷酸脱氧核糖核脱氧核糖核苷二磷酸苷二磷酸+H2O脱氧核糖核苷酸的形成脱氧核糖核苷酸的形成1 DNA是遗传信息的携带分子是遗传信息的携带分子2 R

12、NA使遗传信息得以表达使遗传信息得以表达3 遗传密码的破译遗传密码的破译 mRNA是指导蛋白质合成的直接模板，是由四种是指导蛋白质合成的直接模板，是由四种核苷酸组成的。如果由两个碱基决定一个氨基酸在肽核苷酸组成的。如果由两个碱基决定一个氨基酸在肽链中的位置，则只有链中的位置，则只有16组二联体，不能满足组二联体，不能满足20种氨基种氨基酸编码的需要；如果每三个碱基编码一个氨基酸，可酸编码的需要；如果每三个碱基编码一个氨基酸，可组合成组合成64组三联体，能满足组三联体，能满足20种氨基酸编码的需求。种氨基酸编码的需求。应用生物化学和遗传学实验证明：三个碱基编码一个应用生物化学和遗传学实验证明：三

13、个碱基编码一个氨基酸，称为氨基酸，称为三联体密码三联体密码或密码子。或密码子。从从1961年开始，用年开始，用64个已知密码，找出了与之对个已知密码，找出了与之对应的氨基酸。应的氨基酸。1966-1967年，破译全部遗传密码。年，破译全部遗传密码。第一位碱基第一位碱基(5 端端)第第 二二 位位 碱碱 基（中基（中 间）间）第三位碱基第三位碱基(3 端端)UCAGU苯丙苯丙苯丙苯丙丝丝丝丝丝丝丝丝酪酪酪酪半胱半胱半胱半胱UCAG亮亮亮亮终止终止终止终止终止终止色色C亮亮亮亮亮亮亮亮脯脯脯脯脯脯脯脯组组组组精精精精精精精精UCAG谷酰胺谷酰胺谷酰胺谷酰胺A异亮异亮异亮异亮异亮异亮苏苏苏苏苏苏苏苏

14、天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺丝丝丝丝UCAG赖赖赖赖精精精精甲硫甲硫(起始起始)G缬缬缬缬缬缬缬缬丙丙丙丙丙丙丙丙天冬天冬天冬天冬甘甘甘甘甘甘甘甘UCAG谷谷谷谷遗遗 传传 密密 码码 字字 典典4 遗传密码的基本特性遗传密码的基本特性1 DNA的半保留复制的半保留复制 DNA复制时复制时,两条链碱基对之间氢键破裂，双两条链碱基对之间氢键破裂，双螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。螺旋解开，以每条链作模板分别合成新的互补链。于是亲代于是亲代DNA分子变为核苷酸排列序列完全相同的分子变为核苷酸排列序列完全相同的两个子代两个子代DNA分子。每个子代分子。每个子代DNA分子的一条链分子的

15、一条链来自亲代来自亲代DNA，另一条则是新合成的，这样的复制，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为合成方式称为半保留复制半保留复制。1958年，年，MeselsonStahl利用氮的同位素利用氮的同位素15N标记实验首先证实了标记实验首先证实了DNA半保留复制。半保留复制。DNA半保留复制的实验证明半保留复制的实验证明2 DNA的复制起点和复制方式的复制起点和复制方式 DNA复制是一个受到严格控制的过程，复制是复制是一个受到严格控制的过程，复制是从从DNA上定点起始的。大肠杆菌染色体上定点起始的。大肠杆菌染色体DNA复制起复制起始区为含回纹序列始区为含回纹序列GATC多达多达11次的一段

16、约次的一段约245bp的的特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字特殊序列。复制起始时，此序列可形成复杂的十字结构，为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色结构，为复制酶识别和结合的信号。原核生物染色体体DNA较小，一般只有一个复制起点。较小，一般只有一个复制起点。真核真核DNA的复制起点没有顺序特异性，是从复的复制起点没有顺序特异性，是从复制酶与制酶与DNA容易接触的部位起始的，即两核小体之容易接触的部位起始的，即两核小体之间的连接部位。真核间的连接部位。真核DNA有多个复制起始点。有多个复制起始点。DNA复制时，从复制点开始，两条链解开，复制时，从复制点开始，两条链解开，已解开的两条链与未解开的双链间形成叉子样的已解开的两条链与未解开的双链间形成叉子样的结构，称为结构，称为复制叉复制叉。DNA复制在复制叉中进行。复制在复制叉中进行。若从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反若从起点开始形成两个复制叉，新链同时向相反两个方向延伸，称为两个方向延伸，称为双向复制双向复制。若从起点开始形。若从起点开始形成一个复制叉，新链向一个方向延伸，则称为成一个复制叉，新链向一个方向延伸，则称为单单