核苷酸代谢及DNA的生物合成.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,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,*,第一节 核酸的分解代谢,核酸分解简图,核酸,核苷酸,核酸酶（磷酸二酯酶）,核苷酸酶（磷酸单酯酶）,核苷,磷酸,核苷酶,戊糖,碱基,碱基,磷酸戊糖,核苷磷酸化酶,磷酸酶,戊糖,磷酸,一、核酸酶,(nuclease),根据底物类型分类,DNA,酶（,Dnase,）：水解,DNA,RNA,酶（,RNase,）：水解,RNA,根据作用位点分类,核酸内切酶：,水解核酸分子内部的磷酸二酯键,核酸外切酶：,从核酸链的一端逐个水解核苷酸,5,p,p,p,OH,B,p,p,p,p,3,B,B,B,B,B,B,B,牛脾磷酸二酯酶,蛇毒磷酸二酯酶,p,2.,核酸外切酶,非特异性的磷酸二酯酶。,核苷磷酸化酶,核苷,+H,3,PO,4,嘌呤（或嘧啶）,+1-P-,戊糖,（广泛存在）,二,.,核苷酸的分解过程,核苷酸酶,核苷酸,+H,2,O,核苷,+Pi,核苷水解酶,核苷,+H,2,O,嘌呤（或嘧啶）,+,戊糖,(,植物及微生物中,),切断核苷酸,5,或,3,末端的磷酸基,1.,嘌呤的分解（氧化脱氨）,灵长类,、,鸟类,、,爬行类,和,昆虫,体内嘌呤降解的终产物是,尿酸,。,人体内腺嘌呤的分解腺嘌呤核苷经,脱氨酶,及,核苷磷酸化酶,作用分解成,次黄嘌呤,;,次黄嘌呤,再经,黄嘌呤氧化酶,的作用转变成,尿酸,。,人体内,代谢产物,动物,尿酸,灵长类、鸟类、爬行类、昆虫,尿囊素,除灵长类外其它哺乳类动物,尿囊酸,某些硬骨鱼类,尿素、乙醛酸,大多数鱼类、两栖类动物,氨、二氧化碳,甲壳类动物、软体动物,小知识,2.,嘧啶的分解,(,还原降解,),胞嘧啶首先脱氨转变成尿嘧啶。尿嘧啶经还原、开环水解，最后生成,氨,、,CO2,和,-,丙氨酸,，,-,丙氨酸经转氨作用脱去氨基后可参加有机酸代谢。,U,C,T,乙酰,CoA,琥珀酰,CoA,一,.,嘌呤核苷酸的合成代谢,I.,从头合成途径,磷酸核糖,aa,一碳单位,CO,2,嘌呤核苷酸,（肝）,酶,第二节 核苷酸的生物合成,II,补救合成途径,游离的嘌呤,PRPP,(,5-,磷酸核糖,-1-,焦磷酸,),嘌呤核苷酸,(,脑、骨髓,),N1-Asp,C2,、,C8-N,10,-,甲酰,FH,4,N3,、,N9-Gln,C6-,-,CO,2,C4,5,7-Gly,嘌呤核苷酸的从头合成途径,(1),原料,:,来源,磷酸戊糖途径,核酸降解,ATP AMP,*5-,磷酸核糖,5-,磷酸核糖,-1-,磷酸,磷酸核糖焦磷酸激酶,(PRPP,合成酶,),(2),磷酸戊糖,-,活性形式,:PRPP,(3),过程,:,胞浆,在,PRPP,的基础上,逐步加上简单原料而形成嘌呤核苷酸,(11,步反应,),IMP,是,重要的中间产物，,AMP,、,GMP,的前体,第一阶段,:IMP,的合成,，在,PRPP,的基础上，逐步加上嘌呤环合成所需的原料，合成,IMP,（次黄嘌呤）,定向步骤,重要酶,第一阶段,:,IMP,生成,第二阶段,:AMP,、,GMP,生成,重要的中间产物,AMP,、,GMP,的前体,*,核苷三磷酸,-,核酸合成的底物,激酶,激酶,AMP,ADP,ATP,ATP ADP ATP ADP,激酶,激酶,GMP,GDP,GTP,ATP ADP ATP ADP,脑、骨髓内缺乏有关合成酶，因此只能采用补救合成。,补救合成（,salvage pathway,）,*,APRT,腺嘌呤,+PRPP AMP+PP,I,*,HGPRT,次黄嘌呤,+PRPP IMP+PP,I,HGPRT,鸟嘌呤,+PRPP GMP+PP,I,HGPRT,缺乏,-,自毁容貌症（,lesch Nyhan,综合症）,嘧啶核苷酸的从头合成途径,二,.,嘧啶核苷酸的合成代谢,1.,元素来源,2.,过程：肝细胞,*特点：,（,1,）合成嘧啶环的基础上，再加上,PRPP,（,2,）,UMP,是,CTP,与,dTMP,的共同前体,*第一步：,UMP,的合成,*第二步：,UTP,、,CTP,的合成,UMP,GIn,GIu,教学目标,掌握：,半保留复制、半不连续复制、冈崎片段、前导链、随从链等基本概念；突变的分类,熟悉：,复制的基本过程；参与,DNA,复制过程的各种酶的特点及作用；损伤修复的类型；突变的后果。,了解：,DNA,损伤修复的过程、单核苷酸多态性,第十四章,DNA,的复制与修复,第一节,DNA,复制,DNA,的半保留复制,DNA,复制的半不连续性,原核生物的,DNA,复制,(E.coli),真核生物的,DNA,复制,复制（,replication,）：,以亲代,DNA,或,RNA,为模板，根据碱基配对的原则，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,复制子（,Replicon,）：,含有一定复制起点和复制终点的复制单位。,基本概念,DNA,复制在细胞周期的,S,期,一、,DNA,的复制特点,（一）半保留复制,(semi-conservative replication),DNA,在复制时，以亲代,DNA,的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代,DNA,，每个子代,DNA,中都含有一股亲代,DNA,链。,1958 Meselson-stahl,设计的,N,15,标记结合,CsCl,密度梯度离心试验证实了,DNA,复制的这一特性,细胞生长在,15,N,标记培养基中,转入正常,N,源培养基中,分离各代,DNA,分析各代,DNA,的浮力密度,15,N,标记,DNA,未标记,DNA,DNA,类型,浮力密度,N15,DNA 1.742g/ml,N15,N14,DNA 1717g/ml,N14,DNA 1.710g/ml,15,N,标记实验,DNA,的半保留复制的生物学意义,DNA,的半保留复制表明,DNA,在代谢上的稳定性，是,保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代的必要措施。,（二）、复制原点、方向和方式,1,、复制原点、复制子,DNA,的复制有特定的起始位点，称为,复制原点,，常用,ori,表示。,从复制原点到复制终点，组成一个复制单位，称为,复制子,。,原核生物：单复制起点，即整个,染色体只有,一个复制单位,真核生物（,Eukaryote,）,:,多复制起点，,即一个,genome,中有,多个复制单位,复制起点是以一条链为模板起始,DNA,合成的一段序列两条链的复制起点不一定在同一点上，如,不对称复制,。,多数生物的复制起点，都是,DNA,呼吸作用,（,配对碱基之间的氢键持续断裂和再生的过程,）强烈的区段，即经常开放的区段，,富含,AT,。,在一个完整的细胞周期中，每一个复制起点,只使用一次,，完成一次复制过程。,复制叉（,Replication fork,）：,染色体中参与复制的,活性区域，即复制正在发生的位点,复制眼（,replication eye,）：,电子显微镜下观察正,在复制的,DNA,，复制的区域形如一只眼睛,2,、复制方向,真核生物的多复制子 多个复制眼,单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉,单向复制,双向复制,3,、原核生物,DNA,复制方式,大多数以对称方式进行,即两条链同时复制，也有一定时期内,DNA,只复制一条链的情况,（,1,）从头起始,a.,复制（,E.coli,phage,，某些病毒）,双链环状,DNA,的复制眼可以形成一种,结,构，形状像希腊字母,b.D,环复制,不对称复,制，线粒体,和叶绿体,DNA,的复制。,（,2,）共价延伸方式,（滚环式复制）,由于复制时产生,的滚环结构形状,象,，又称,复,制,M13,T2 phage,等病毒、细菌因子,（三）半不连续复制,由于,DNA,聚合酶只能以,53,方向聚合,子代,DNA,链,，即,模板,DNA,链,的方向必须为,35,。因此，分别以两条亲代DNA,链作为模板聚合子代,DNA,链时的方式是不同的。,以,35,方向的亲代,DNA,链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为,53,，这一条链被称为前导链,(leading strand),。,以,53,方向的亲代,DNA,链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是,53,，这条链被称为随从链或滞后链,(lagging strand),。,冈崎片段（,Okazaki fragment,）：,DNA,复制时，一条以,53,方向的母链作为模板，指导新合成的链沿,53,合成不连续的小片段。岗崎片段由,DNA,连接酶连成一条完整的新链。,冈崎片段的大小,:,在原核生物中约为,1000,2000,个核苷酸，而在真核生物中约为,100,个核苷酸。,5,3,前导链,随从链,岗崎片段,5,3,3,3,3,3,5,5,5,5,二、参与,DNA,复制的酶和蛋白因子,名称,功能,DnaA,蛋白,辩认起始点,解螺旋酶,(DnaB,蛋白,rep,蛋白）,解开,DNA,双链,DnaC,蛋白,协助解螺旋酶,引物酶,(DnaG,蛋白,),催化,RNA,引物合成,SSB,（单链结合蛋白）,稳定解开的单链,拓扑异构酶,理顺,DNA,链,DNA,聚合酶,复制、填补缺口、校正错误,DNA,连接酶,连接冈崎片段,1.DNA,聚合酶,原料：,四种,dNTPs,（,dATP,、,dGTP,、,dCTP,、,dTTP),模板：,以,DNA,为模板链，合成子代,DNA,，模板可以,是双链，也可以是单链,DNA,。合成产物与模,板互补。,引物：,一小段,RNA(,或,DNA,）为引物，在大肠杆菌,中，,DNA,的合成需要一段,RNA,链作为引物，,引物含,3-OH.,合成方向：,5,3,53,聚合酶,活性（但持续合成,DNA,的能力差）；,35,外切酶,活性；,53,外切酶,活性（双链,DNA,或,DNA:RNA,杂交体）,（,1,）,E.coli,DNA,聚合酶,(a)DNA,聚合酶,（单体多功能酶）,该酶主要是对,DNA,损伤的修复，以及在,DNA,复制时,RNA,引物切除及其缺口的填补。,(b)DNA,聚合酶,(,多亚基酶,),具有,35,外切酶,活性,聚合活力比,DNA,聚合酶,高,(,持续合成,DNA,的能力差,),可能在修复紫外光引起的,DNA,损伤中起作用。,(c)DNA,聚合酶,多亚基酶（,10,种亚基）,（,）称为核心酶，,2,称为夹子，（,2,）组成,复合物，其主要功能是帮助,亚基夹住,DNA,，故称为夹子装配器,;,该酶,DNA,合成的持续能力强，主要与该结构有关,;,该酶是,DNA,的真正复制酶。,在真核生物中，目前发现的,DNA,聚合酶有五种，分别命名为聚合酶,（,pol,），聚合酶,（,pol,），聚合酶,（,pol,），聚合酶,（,pol,），聚合酶,（,pol,）。,其中，参与染色体,DNA,复制的是,pol,（延长随从链）和,pol,（延长前导链）,，参与线粒体,DNA,复制的是,pol,，,pol,与,DNA,损伤修复、校读和填补缺口有关，,pol,只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。,(2),真核细胞,DNA,聚合酶,3 55 3,2.DNA,连接酶,(DNA ligase),若,双链,DNA,中一条链有切口，切口一端是,3,-OH,，另一端是,5,-Pi,，,DNA,连接酶可催化二者之间形成磷酸二酯键，从而使切口连接起来。,不能连接两条,游离的,DNA,单链,OH Pi,需要消耗能量，在原核生物中由,NAD+,供能，在真核生物中由,ATP,供能。,在,DNA,复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用。,T4,噬菌体,DNA,连接酶,不仅能连接接口，还能连接,平头双链,DNA,。,3.,拓扑异构酶,拓扑异构酶,I,：,使,DNA,一条链发生断裂和再连接，以解开负超螺旋，同转录有关。,拓扑异构酶,II,：,使,DNA,两条链发生断裂和再连接，可以引入负超螺旋，同复制有关。,4.,解螺旋酶（解链酶）,通过水解,ATP,将,DNA,两条链打开。,E.coli,中的,rep,蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶,I,、,II,、,III,。每解开一对碱基需要水解,2,个,ATP,分子。,稳定,DNA,解开的单链，防止复性和保护单链部,分不被核酸酶水解。,5.,单链结合蛋白,思考题：为什么使用,RNA,作引物？,6.,引物合成酶与引发前体,引物合成酶（引发酶）：,此酶以,DNA,为模板合成一段,RNA,，这一段,RNA,作为合成,DNA,的引物。实质是以,DNA,为模板的,RNA,聚合酶。,引发前体,:,它由多种蛋白质,dnaA,、,dnaB,、,dnaC,、,n,、,n,、,n,和,i,组成。引发前体再与引发酶结合组装成引发体。,三、,DNA,的复制过程,（一）复制的起始,1.,预引发,（,1,）解旋解链，形成复制叉：,由拓扑异构酶和解链酶作用，使,DNA,的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA,。单链,DNA,结合蛋白（,SSB,）结合在两条单链,DNA,上，形成复制叉。,（,2,）引发体组装：,由蛋白因子（如,dnaB,等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。,2.,引发,在引物酶的催化下，以,DNA,为模板，合成一段短的,RNA,片段，从而获得,3,端自由羟基。,2,、复制的延长,（,1,）聚合子代,DNA,：,由,DNA,聚合酶催化，以,35,方向的亲代,DNA,链为模板，从,53,方向聚合子代,DNA,链。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,(,延长随从链,),和,（延长前导链）,2,）引发体移动：,引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成,RNA,引物，继续进行链的延长。,（三）复制的终止,1.,去除引物，填补缺口：,在原核生物中，由,DNA,聚合酶,来水解去除,RNA,引物，并由该酶催化延长引物缺口处的,DNA,，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，,RNA,引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由,DNA,聚合酶来延长。,2.,连接冈崎片段：,在,DNA,连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的,DNA,长链。,第二节,DNA,的损伤、修复与突变,一、损伤与修复,DNA,的损伤,指生物体生命过程中,DNA,双螺旋结构,发生的任何改变。可以分为两类：,单个碱基改变,和,结构扭曲,。,引起,DNA,损伤的原因：,DNA,在复制时产生错配，病毒基因整合，某些物化因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等。,DNA,的损伤修复：,四种修复途径,:,直接修复、错配修复、切除（碱基或核苷酸）修复、重组修复。,直接修复：,当紫外线引起,DNA,嘧啶二聚体时，光复活酶的活性被可见光激活，将嘧啶二聚体分解。,错配修复：,错配修复系统可以识别新旧链，一旦发现错配碱基，即将未甲基化的新链切除，并以甲基化的链为模板进行修复合成。,丢失碱基和去碱基部位的修复：,由,C,脱氨基为,U,，,A,变为I,时，,DNA,糖苷酶可以切除不正确的碱基，由,Pol,和连接酶修复。,切除修复：,核酸内切酶切除损伤部位,，产生的缺口以另一条链为模板被补平,。,重组修复：,发生在复制后，复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由同源母链上相应的核苷酸序列片段弥补，然后再合成的序列补上母链的空缺。原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释,。,二、突变,突变（,mutation,）：基因组,DNA,分子在结构上发,生碱基对组成或排列顺序的改变（通常它只涉及,基因中部分序列的变化），并引起个体表型的改,变,而使生物体发生遗传性变异。,在自然界中生物体由于受到某种突变剂的作用，偶然会由于基因复制的错误而发生突变，这种突变称为,自发突变（,spontaneous mutation,）,。,自发突变的频率较低，基因的每个核苷酸突变率平均为,10,-9,10,-10,。相反如果在人为条件下，使用某种突变剂处理生物体而产生的突变称为,诱发突变（,induced mutation,）,。,按突变的形式分类,点突变（,point mutation,）,缺失（,deletion,）,插入（,insertion,）,重排（,rearrangement,）,基因突变的表型（后果）分类,体细胞突变和性细胞突变,形态突变,(morphological mutations),矮小突变，白眼突变,生化突变,(biochemical mutations),营养缺陷型,致死突变,(lethal mutations),导致生物体死亡的突变,条件致死突变,失去功能的突变,(loss-of-function mutation),Null mutation,完全丧失功能的突变,Leaky mutation,渗漏突变，部分功能的丧失,获得功能的突变,(gain-of-function mutation),突变导致新功能的获得,自然界基因突变广泛存在,白化,果蝇眼色变异,猫的眼色变异,四条腿的鸡,蜜蜂绿眼变异,三、,DNA,多态性,定义,在人类进化过程中，其,DNA,序列会发生变异，而且能不断积累这类变异，在人群中其,DNA,序列某特定位点变异频率高于,1%,就叫,DNA,分子多态性。,类型,限制性核酸内切酶片断长度多态性（,RFLP,）,;,数目可变的串联重复多态性（,VNTR,）；,串联重复序列多态性（,STR,）；,单核苷酸多态性（,SNP,）。,定义,在某一人群中的正常个体间的基因组,DNA,的,某些位点,存在,单个碱基对,的差异，称为单核苷酸多态性。,基因组中单个核苷酸的,缺失,、,插入,或,重复,都不属于,SNP,。,单核苷酸多态性（,SNP,）,特点,是最主要的多态性（占,90%,），是一种在进化早期发生的突变，能够稳定遗传。种类少，等位基因数量少，,SNP,数量多，密度高，呈现高度的多态性，可以提供高信息度，可自动化，大规模筛查。,end,