核酸代谢主题医学知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,核苷酸的生物功用,作为核酸合成的原料,体内能量的利用形式,参与代谢和生理调节,组成辅酶,活化中间代谢物,第一节 核苷酸的代谢,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,从头合成途径,补救合成途径,嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用,磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳,等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。,肝,是体内,从头合成嘌呤,核苷酸的主要器官，其次是,小肠,和,胸腺,，而,脑、骨髓,则无法进行此合成途径。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,定义,合成部位,嘌呤碱合成的元素来源,CO,2,天冬氨酸,甲酰基,（一碳单位）,甘氨酸,甲酰基,（一碳单位）,谷氨酰胺,（酰胺基）,过程,1.,次黄嘌呤核苷酸（,IMP,）的合成,2.,腺嘌呤核苷酸（,AMP,）和鸟嘌呤核苷酸（,GMP,）的生成,3.ATP,和,GTP,的生成,R-5-P,（,5-,磷酸核糖）,ATP,AMP,PRPP,合成酶,PP-1-R-5-P,（,磷酸核糖焦磷酸,）,在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP,AMP,GMP,H,2,N-1-R-5-P,（,5,-,磷酸核糖胺）,谷氨酰胺,谷氨酸,酰胺转移酶,1.IMP,的合成过程,磷酸核糖酰胺转移酶,GAR,合成酶,转甲酰基酶,FGAM,合成酶,AIR,合,成,酶,IMP,生成总反应过程,腺苷酸代琥珀酸合成酶 ,IMP,脱氢酶,腺苷酸代琥珀酸裂解酶 ,GMP,合成酶,2,、,AMP,和,GMP,的生成,AMP,ADP,ATP,ADP,ATP,腺苷激酶,ADP,ATP,激酶,GMP,GDP,GTP,ADP,ATP,鸟苷激酶,ADP,ATP,激酶,3.ATP,和,GTP,的生成,利用体内,游离的嘌呤或嘌呤核苷,，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,定义,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,(,APRT,),次黄嘌呤,-,鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,(,HGPRT),腺苷激酶,参与补救合成的酶,腺嘌呤,+,PRPP,AMP+PPi,APRT,次黄嘌呤,+,PRPP,IMP+PPi,HGPRT,鸟嘌呤,+,PRPP,HGPRT,GMP+PPi,合成过程,腺嘌呤核苷,腺苷激酶,ATP,ADP,AMP,磷酸核糖焦磷酸,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。,体内某些组织器官，如,脑,、,骨髓,等只能进行补救合成。,二、嘌呤核苷酸的分解代谢,核苷酸,核苷,核苷酸酶,Pi,核苷磷酸化酶,碱基,1-,磷酸核糖,嘌呤碱的最终,代谢产物,AMP,GMP,H,（次黄嘌呤）,G,X,（黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,第二节嘧啶核苷酸的代谢,从头合成途径,补救合成途径,一、嘧啶核苷酸的合成代谢,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。,1.,定义,2.,合成部位,嘧啶合成的元素来源,氨基甲,酰磷酸,天冬氨酸,合成过程,1.,尿嘧啶核苷酸（,UMP,）的合成,谷氨酰胺,+,HCO,3,-,氨基甲酰磷酸合成酶,II,2ATP,2ADP+Pi,谷氨酸,+,氨基甲酰磷酸,2.,胞嘧啶核苷酸的合成,ATP,ADP,尿苷酸激酶,UDP,二磷酸核苷激酶,ATP,ADP,UTP,CTP,合成酶,谷氨酰胺,ATP,谷氨酸,ADP+Pi,三磷酸胞苷,3.dTMP,或,TMP,的生成,TMP,合酶,N,5,N,10,-,甲烯,FH,4,FH,2,FH,2,还原酶,FH,4,NADP,+,NADPH+H,+,dUMP,脱氧胸苷一磷酸,dTMP,UDP,脱氧核苷酸还原酶,dUDP,CTP,CDP,dCDP,dCMP,（二）嘧啶核苷酸的补救合成,嘧啶,+,PRPP,磷酸嘧啶核苷,+,PPi,嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶核苷,+,ATP,尿苷激酶,UMP+ADP,胸腺嘧啶核苷,+,ATP,胸苷激酶,TMP+ADP,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶碱,1-,磷酸核糖,嘧啶核苷酸,核苷,核苷酸酶,PPi,核苷磷酸化酶,组成DNA,的各种,脱氧核糖核苷酸,是在各种核苷酸的基础上由,核糖核苷酸还原酶,催化而成，但此反应是在,二磷酸核苷,水平上进行的。,三、脱氧核糖核苷酸的合成,第三节,DNA,的生物合成,一、半保留复制是,DNA,复制的基本特征,DNA,生物合成时，母链,DNA,解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的,DNA,，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的,DNA,都和亲代,DNA,碱基序列一致。这种复制方式称为,半保留复制,。,半保留复制的概念,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,CG,G,T,G,A,C,C,C,C,A,C,T,G,G,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,T,C,C,A,T,G,A,C,T,C,C,A,T,G,A,C,A,G,G,T,A,C,T,G,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,+,母链,DNA,复制过程中形成的复制叉,子代,DNA,子链继承母链遗传信息的几种可能方式,:,全保留式 半保留式 混合式,密度梯度实验,:,实验结果支持,半保留复制,的设想。,含重氮,-DNA,的细菌,培养于普通培养液,第一代,继续培养于普通培养液,第二代,梯度离心结果,按半保留复制方式，子代,DNA,与亲代,DN,A,的,碱基序列一致,，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的,保守性,。,半保留复制的意义,:,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但,不是绝对的,。,原核生物复制时，,DNA,从,起始点,向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为,双向复制,。,二、,DNA,复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制,复制中的放射自显影图像,A.,环状双链,DNA,及复制起始点,B.,复制中的两个复制叉,C.,复制接近终止点,(ter),ori,ter,A B C,原核生物细胞有单个起始点,真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个,复制子,。复制子是独立完成复制的功能单位。,5,3,ori,ori,ori,ori,5,3,5,3,ori,ori,ori,ori,5,3,5,5,3,3,5,5,3,复制,3,真核生物有多个起始点,复制子与复制方向,三、,DNA,一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制,3,5,3,5,解链方向,3,5,3,3,5,领头链,随从链,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为,领头链,。,另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为,随从链,。复制中的不连续片段称为,岡崎片段,。,领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。,（一）参与,DNA,复制的物质,底物,:,四种脱氧核苷三磷酸,（,d,ATP,dGTP,dCTP,dTTP,）,聚合酶,:,依赖,DNA,的,DNA,聚合酶,，简写为,DNA-pol,模板,:,解开成单链的,DNA,母链,引物,:,提供,3,-OH,末端,使,dNTP,可以依次聚合,其他的酶和蛋白质因子,复制的化学反应,(dNMP),n,+,dNTP (dNMP),n+1,+,PPi,dNMP,：代表四种脱氧核苷酸；,dNTP,：代表四种脱氧核苷三磷酸,1,、,DNA,聚合酶,全称：,依赖,DNA,的,DNA,聚合酶,简称：,DNA-pol,活性：,1,.,5,3,的聚合活性,2.,核酸外切酶活性,DNA,聚合酶不能直接将两个游离核苷酸聚合，故需一段,RNA,引物。,5,3,5,3,的聚合活性,5,A G C T T C A G G A T,A,3,|,3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5,3,5,外切酶活性,5,3,外切酶活性,?,能切除突变的,DNA,片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,原核生物的,DNA,聚合酶,功能,：,对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。,DNA-pol ,DNA-pol,DNA-pol II,基因发生突变，细菌依然能存活。,它参与,DNA,损伤的应急状态修复。,功能：,是原核生物复制延长中,真正起催化作用,的酶。,DNA-pol ,真核生物的,DNA,聚合酶,DNA-pol,起始引发，有引物酶活性。,延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。,参与低保真度的复制。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在,线粒体,DNA,复制中起催化作用。,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,2,、,DNA,连接酶,连接,DNA,链,3,-OH,末端,和,相邻,DNA,链,5,-P,末端,，使二者生成,磷酸二酯键,，从而把两段相邻的,DNA,链连接成一条完整的链。,DNA,连接酶作用方式,HO,5,3,3,5,DNA,连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,3.,解螺旋酶、引物酶和单链,DNA,结合蛋白,解螺旋酶：,又称解链酶或,rep,蛋白,利用,ATP,供能，作用于氢键，使,DNA,双链,解开成为两条,单链。,每解开一对碱基，需消耗,2,分子,ATP,。,Dna B,Dna C,解链方向,5,3,3,5,引物酶：,引物酶与,DNA,聚合酶,形成复合体。,引物酶负责合成约,10,个核苷酸的,RNA,引物。,它的底物为核苷三磷酸。,在引物产生基础上后，,DNA,聚合酶,负责聚合,15,30,个核苷酸,，它的底物为脱氧核苷三磷酸。,3,5,5,3,单链,DNA,结合蛋白,(,SSB,),在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。,DNA,拓扑异构酶,10,8,局部解链后,拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性质。,解链过程中，,DNA分子会,出现,过度拧紧,、打结、缠绕、连环等现象。,拓扑异构酶作用特点,既能水解、又能连接磷酸二酯键,克服解链过程中的打结、缠绕现象,拓扑异构酶,拓扑异构酶,分 类,拓扑异构酶,切断,DNA,双链中,一股,链，使,DNA,解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，,DNA,变为松弛状态,。,反应,不需,ATP,。,拓扑异构酶,切断,DNA,分子,两股,链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。,利用,ATP,供能，连接断端，,DNA,分子进入负超螺旋状态。（主要）,作用机制,拓扑异构酶,的作用,拓扑异构酶,的作用,解旋解链酶类的作用,（二）原核生物的,DNA,生物合成,1.,复制的起始,需要解决两个问题：,DNA,解开成单链，提供模板。,合成引物，提供,3,-OH,末端。,E.coli,复制起始点,oriC,GATTNTTTATTT,GATCTNTTNTATT,GATCTCTTATTAG,1 13 17 29 32 44,TGTGGATTA-,-TTATACACA-,-,TTTGGATAA-,-,TTATCCACA,58 66 166 174 201 209 237 245,串联重复序列,反向重复序列,5,3,5,3,DNA,解链,Dna A,Dna B,、,Dna C,DNA,拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,引发体和引物,含有解螺旋酶、,DnaC,蛋白、引物酶和,DNA,复制起始区域的复合结构称为引发体。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链,RNA,分子。,引物,3,HO,5,引物酶,复制的延长指在,DNA-pol,催化下，,dNTP,以,dNMP,的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,2.,复制的延长,5,3,5,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA-pol,领头链的合成,随从链的合成,阶段一,阶段二,阶段三,阶段四,复制过程简图,原核生物基因是环状,DNA,，双向复制的复制片段在复制的终止点,(ter),处汇合。,ori,ter,E.coli,82,32,ori,ter,SV40,50,0,3.,复制的终止,5,5,5,RNA,酶,OH,P,5,DNA-pol,dNTP,5,5,P,ATP,ADP+Pi,5,5,DNA,连接酶,随从链上不连续性片段的连接,哺乳动物的细胞周期,DNA,合成期,G,1,G,2,S,M,细胞能否分裂，决定于进入,S,期及,M,期这两个关键点。,G1S,及,G2M,的调节，与蛋白激酶活性有关。,蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。,（三）真核生物的,DNA,生物合成,真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。,复制有时序性,，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。,复制的起始需要,DNA-pol,（引物酶活性）和,pol,（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子,(RF),。,增殖细胞核抗原,(PCNA),在复制起始和延长中起关键作用。,1.,复制的起始,3,5,5,3,领头链,3,5,3,5,亲代,DNA,随从链,引物,核小体,2.,复制的延长,染色体,DNA,呈线状，复制在末端停止。,复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。,染色体两端,DNA,子链上最后复制的,RNA,引物，去除后留下空隙。,3.,复制的终止,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,线性,DNA,复制的末端,端粒,指真核生物染色体线性,DNA,分子末端的结构。,功能,保护染色体末端,DNA,不被核酸酶降解,避免染色体间的融合,结构特点,由末端单链,DNA,序列和蛋白质构成。,末端,DNA,序列是多次重复的富含,G,、,C,碱基的短序列。,TTTT,GGGG,TTTT,GGGG,端粒酶,端粒酶,RNA(hTR),端粒酶协同蛋白,(hTP1),端粒酶逆转录酶,(hTRT),组成,端粒酶的催化延长作用,爬行模型,二、与复制有关的生化过程,遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为,突变,。,从分子水平来看，突变就是,DNA,分子上碱基的改变。,突变的分子改变类型,点突变,缺失,插入,倒位,框移,DNA,的损伤,一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂能使细胞,DNA,受到损伤而引起生物的突变或致死。,如,紫外线照射,可以使,DNA,链中相邻的嘧啶形成一个环形丁烷，主要产生,胸腺嘧啶二体,。二聚体的形成使,DNA,的复制和转录供能受到阻碍，必须除去。,DNA,损伤的修复,修复,是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,光修复,切除修复,重组修复,SOS,修复,修复的主要类型,光修复,机制：,可见光激活了光复活酶，使之能分解由于,紫外光,照射而产生的嘧啶二体。,光复活酶,专一性较高,（只作用于因紫外线照射而形成的嘧啶二体）,分布很广,，从单细胞生物岛鸟类都有，但高等哺乳动物中不存在,光修复酶,光修复,切除修复,切除修复包括四个步骤：,1.,专一的内切酶在靠近二聚体处切断单链,DNA,2.DNA,聚合酶利用完整的互补链为模板，在断口处进行局部的修复合成,3.5,-,核酸外切酶切去含嘧啶二聚体的寡核苷酸片段,4.,连接酶将新合成的,DNA,链和原来的,DNA,链连在一起,上述顺序进行的修复为,“,先补后切,”,，也可,“,先切后补,”,，即,2,和,3,颠倒。,切除修复,是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由,DNA-pol,和连接酶完成。,UvrA,UvrB,UvrC,OH,P,DNA,聚合酶,OH,P,DNA,连接酶,NAD,+,E.coli,的切除修复机制,切除修复动画,重组修复,SOS,修复,SOS,修复：,DNA,受到,严重损伤，细胞处于危机状态,时所诱导的一种,DNA,修复方式。,因为它是在,无模板,DNA,情况下合成酶的一种诱导修复，所以修复结果只是能维持基因组的完整性，但留下的,错误较多,，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。,（,09,）紫外线照射生物体会引起下列哪种现象？（）,A.,二聚体解聚,B.SOS,反应,C.,基因突变,D.嘧啶二聚体形成,（,09,）下列关于,SOS,反应的描述，哪项是正确的？（）,A.,专用于碱基切除修复,B.,可以完全修复,DNA,的损伤,C.,专用于嘧啶二聚体的修复,D.,是准确性差的修复方式,D,D,三、反转录作用,逆转录酶,逆转录,RNA,DNA,逆转录,酶,逆转录病毒细胞内的逆转录现象,RNA,模板,逆转录酶,DNA-RNA,杂化双链,RNA,酶,单链,DNA,逆转录酶,双链,DNA,四、,PCR,技术与,DNA,扩增,PCR,：,聚合酶链式反应，是一种体外模拟自然,DNA,复制过程的核酸扩增技术，即无细胞分子克隆技术。,PCR,技术以待扩增的两条,DNA,链为模板，由一对人工合成的寡聚核苷酸引物介导，通过,DNA,聚合酶酶促反应，快速体外扩增特异的,DNA,序列。,每轮循环包括,变性、复性和延伸,3,个阶段。约经过,30,轮循环，就可迅速将待扩增的,DNA,扩增数百万倍。,PCR,应用：,基因工程,DNA,测序,人遗传病的分类鉴别和诊断,肿瘤发生、诊断和治疗,法医学,（,07,）在,PCR,反应中不需要以下哪种物质参加？（）,A.DNA B.DNA,C.RNA D.,引物,C,第四节,RNA,的合成,一、参与转录的酶,原核生物的,RNA,聚合酶,真核生物的,RNA,聚合酶,DNA,分子上转录出,RNA,的区段，称为,结构基因,。,DNA,双链中按碱基配对规律能指引转录生成,RNA,的一股单链，称为,模板链,，也称作,有意义链,或,Watson,链,。相对的另一股单链是,编码链,，也称为,反义链,或,Crick,链,。,二、转录过程,转录模板,转录,生物体以,DNA,为模板合成,RNA,的过程。,转录,RNA,DNA,1,、转录起始,（,2,）,DNA,双链解开,（,1,）,RNA,聚合酶全酶,与模板结合,（,3,）在,RNA,聚合酶作用下发生第一次聚合反应，,形成,转录起始复合物,5,-pppG-OH +,NTP,5,-pppGp,N,-OH 3,+ppi,2,、转录延长,（,1,）,亚基脱落，,RNApol,聚合酶核心酶变构，,与模板结合松弛，沿着,DNA,模板前移；,（,2,）在,核心酶,作用下，,NTP,不断聚合，,RNA,链不断延长。,(NMP),n,+,NTP,(NMP),n+1,+,PPi,NMP,：代表四种核糖核苷酸；,NTP,：,代表四种,核糖,核苷三磷酸,3,、转录终止,指,RNA,聚合酶在,DNA,模板上停顿下来不再前进，转录产物,RNA,链从转录复合物上脱落下来。,复制和转录的区别,三、真核细胞内转录后修饰,1,、,mRNA,的转录后加工修饰,首、尾的修饰,5,端形成,帽子结构,(,m7,GpppGp),3,端加上,多聚腺苷酸尾巴,(poly A tail),7-,甲基鸟苷以三磷酸键连接在,mRNA 5,端核苷酸残基上,mRNA,的剪接,在基因转录过程中，内含子与外显子同时被转录，产物为,RNA,前体，然后切除前体中的,内含子,，将余下的外显子拼接。,内部某些序列甲基化,（,06,）真核生物基因常含有内含子，但在成熟的,mRNA,上没有内含子。这是因为（）,A.,转录过程不合成同内含子相应的,RNA,B.,内含子被特殊的蛋白质切除,C.RNA,剪切,D.RNA,重组,C,2,、,tRNA,的转录后加工修饰,3,端加上,CCAOH,以形成氨基酸臂,生成稀有碱基,3,、,rRNA,的转录后加工修饰,剪切后形成大小亚基,附：,RNA,的种类,r RNA,m RNA,t RNA,hn RNA,sn RNA,as RNArRNA,：,即核糖体,RNA,，是最多的一类,RNA,，也是,3,类主要,RNA,（,tRNA,mRNA,rRNA),中相对分子质量最大的一类,RNA,，它与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为,mRNA,的支架，使,mRNA,分子在其上展开，实现蛋白质的合成。,hnRNA,：,遗传信息从,DNA,分子抄录到,RNA,分子中的过程称为转录。在真核生物中，最初转录生成的,RNA,称为,不均一核,RNA,(hnRNA),。,hnRNA,为存在于真核生物细胞核中的不稳定、大小不均的一组高分子,RNA,（分子量约为,105,2107,，沉降系数约为,30100S,）之总称。占细胞全部,RNA,之百分之几，在核内主要存在于核仁的外侧。认为,hnRNA,多属信使,RNA,（,mRNA,）之先驱体，包括各种基因的转录产物及其成为,mRNA,前的各中间阶段的分子，在,5,末端多附有间隙结构，而,3,的末端附有多聚腺苷酸聚合酶分子。这些,hn-RNA,在受到加工之后，移至细胞质，作为,mRNA,而发挥其功能。,snRNA,细胞内有,小核,RNA,(snRNA),。它是真核生物转录后加工过程中,RNA,剪接体的主要成分，参与,mRNA,前体的加工过程。,现在发现有五种,snRNA,，其长度在哺乳动物中约为,100-215,个核苷酸。,snRNA,一直存在于细胞核中，与,40,种左右的核内蛋白质共同组成,RNA,剪接体，在,RNA,转录后加工中起重要作用。另外，还有端粒酶,RNA,，它与染色体末端的复制有关；以及反义,RNA,，它参与基因表达的调控。,asRNA,asRNA,称为反义,RNA,，,1983,年在原核细胞中发现的,asRNA,可以通过特定的互补序列与特定的,mRNA,结合，,抑制,mRNA,的翻译，,随后在真核细胞中，亦发现了,asRNA,，并发现,asRNA,除主要在翻译水平抑制基因表达外，,还可以抑制,DNA,的复制与转录,。,