《核苷酸代谢》PPT课件 (2)

3’
5’
5’
3’
OH P
➢拓扑异构酶(旋转酶)
消除DNA 的超螺旋,根据作用方式不同而分为两种: 旋转酶Ⅰ
旋转酶Ⅱ
✓旋转酶І：使DNA一条链发生断裂(切口反应) 和再连接(封口反应)。作用是松解负超螺旋，
不需要能量。
✓旋转酶Π：使DNA两条链发生断裂和再连 接。可以形成负超螺旋,需要由ATP或GTP提 供能量.
✓ 限制性核酸内切酶：在细菌细胞内存在的一类能 识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于 特异切割DNA,常作为基因工程工具酶。
牛脾磷酸二酯酶 从5’端3-核苷酸
பைடு நூலகம்
蛇毒磷酸二酯酶 从3’端移去5-核苷酸
嘌呤的降解：
腺嘌呤
鸟嘌呤
H2O
H2O
腺嘌呤脱氨酶
NH3
NH3 鸟嘌呤脱氨酶
次黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤
二氢尿嘧啶脱氢酶
胸腺嘧啶
二氢胸腺嘧啶
NAD(P)H+H+ NAD(P)+
H2O
二氢嘧啶酶
NH3+CO2 +β-氨基异丁酸
脲基丙酸酶 β-脲基异丁酸
H2O
第二节 核苷酸的生物合成
嘌呤核苷酸的合成 嘧啶核苷酸的合成
核苷酸的合成有2条途径:
从头合成:利用CO2、NH3、某些氨基酸、磷酸核糖
等简单物质为原料,经过一系列酶促反应
排泄动物 人类、灵长类动物、鸟类、昆虫 除灵长类外其它哺乳类动物 某些硬骨鱼类 大多数鱼类、两栖类动物 甲壳类动物、软体动物
嘧啶的降解：
胞嘧啶
胞嘧啶脱氨酶 尿嘧啶
二氢尿嘧啶脱氢酶
二氢尿嘧啶
H2O NH3
NAD(P)H+H+ NAD(P)+
H2O 二氢嘧
NH3+CO2+ β-丙氨酸
脲基丙酸酶
H2O
啶酶 β-脲基丙酸
三 核苷酸从头合成的抗代谢物 (临床上治癌药物)
✓ 嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）：可抑制AMP、 GMP的生成 ✓ 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制IMP 的合成中有谷胺酰胺参与的反应 ✓ 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）：可抑制 IMP合成中有四氢叶酸参与的反应
第三节 DNA的生物合成
DNA的半保留复制 DNA生物合成中的酶 DNA的合成方式 DNA的复制过程（原核生物） 真核生物DNA的复制特点 逆转录
引物长度为(原)50至100个核苷酸，
(真)较短,约10.
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。
Dna B、 Dna C 3
Dna A 5 3
DNA拓扑异构酶
SSB
5
(三) DNA链的延伸
在DNA聚合酶的催化下,根据模板链3’ →5′ 的核苷酸序列,在RNA引物的3′-OH末端逐个 添加脱氧核苷三磷酸,延伸方向是5′→3′,每 形成一个磷酸二酯键即释放1个焦磷酸,
复制叉
(b)
复制叉
3’
5’
延伸
起点
随后链 领头链
领头链 随后链
起点
DNA的双向复制
复制叉
5’
3’ 延伸
(二) 引发体和引物
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.在引物酶的催化下，以DNA为模板， 合成一段短的RNA片段， 引物酶的底物是核 苷三磷酸，在引物的5’端含3个磷酸残基,3’ 端为游离的羟基。
冈崎片段是由DNA连接酶封闭缺口,把小片段 连接成完整的子代链.
五 真核生物中DNA的复制特点
➢真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子。 ➢冈崎片段长约200bp. ➢真核生物DNA复制速度比原核慢。 ➢真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核 中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。
合成核苷酸.(肝组织)
补救途径:利用体内的游离碱基或核苷合成核苷酸.
(脑和骨髓)
一、嘌呤核苷酸的合成
1 嘌呤核苷酸的从头合成
6 5
1
2
4
3
7 8
9
嘌呤核苷酸合成特点
(1) 5-P-核糖在ATP参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖 焦磷酸)
(2) 从5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)开始先逐步合成 IMP(次黄嘌呤核苷酸)，然后再由IMP合成AMP、 GMP。
二、 嘧啶核苷酸的生物合成
1 嘧啶核苷酸的从头合成途径
✓嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天 冬氨酸合成的。
天冬氨酸
氨甲酰磷酸
嘧啶核苷酸合成特点 (1) (胞液)G L n +2 ATP+CO2 → 2ADP +Pi +氨甲酰磷酸+ G L u (2) 氨甲酰磷酸与天冬氨酸形成乳清酸. (3) 乳清酸再与5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）
核糖-1-磷酸 脱氧核糖-1-磷酸
醛缩酶
核糖-5-磷酸
磷酸戊糖途径
乙醛
3-磷酸甘油醛
核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶。 ✓ 核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3’端
或5’端），逐个水解下核苷酸。
• 脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA
• 核糖核酸外切酶:只作用于RNA
✓ 核酸内切酶：从核酸分子内部切断3’,5’磷酸二酯键。
第十二章 核苷酸代谢
一、核酸的分解代谢 二、核苷酸的生物合成 三、DNA的生物合成 四、DNA的损伤修复 五、RNA的生物合成
第一节 核酸的分解代谢
核酸的酶促降解 嘌呤的降解 嘧啶的降解
核酸的酶促降解
核酸 核酸酶
磷酸单脂酶
单核苷酸
核苷 +磷酸
核苷磷酸化酶
核苷酶
嘧啶（嘌呤）嘧啶（嘌呤） 核糖（脱氧核糖）
真核生物五种DNA聚合酶
α
β
γ
δ
ε
定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核
3’-5’
外切 - -
++
+
酶活性
功能 引物 合成
修复 作用
线粒体 DNA 的复制
核 DNA 的复制
修复 作用
➢DNA连接酶（1967年发 若现双）链DNA中一条链有切口，一端是3’-OH，另一端
是5’-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键， 而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连 接起来。
➢逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作 用下，生成DNA的过程。
一 、DNA的半保留复制
➢定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代 DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制
二、DNA生物合成中的酶 原核生物三种DNA聚合酶
➢ DNA聚合酶Ⅰ
单体酶,多肽链内含一个锌原子, 多功能酶。 (1)具有5 3 聚合酶功能； (2)3’ 5’外切酶活性（对双链无作用，校对功能。但
✓ 复制原点在原点处形成一个眼状结构，叫 复制眼。
✓ DNA复制进行时，在眼的两侧出现两个叉 子状的生长点(growth point)，叫复制叉。
✓(大肠杆菌）由rep 蛋白在复制叉内解开亲代 双螺旋DNA，分开的双链再与SSB结合，防 止链内退火
复制眼的结构：
起点
单向复制
复制叉
(a)
复制叉
双向复制 起点
Reverse transcription
➢复制：亲代DNA在一系列酶的作用下，生 成与亲代相同的子代DNA的过程。
➢转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则 将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与 DNA链互补的RNA的过程。
➢翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将 mRNA的密码解读成蛋白质的AA排列顺序 的过程。
参与DNA复 制的酶与蛋 白因子总览
图
(四)复制准确性的保证
复制必需无误,否则将危及生物的生存.大肠杆菌109-1010pb仅可能发生1个误 差.
DNA聚合酶的聚合作用 DNA聚合酶的3′→5′外切活力
(五) 切除RNA引物，填补缺口连接相 邻的DNA片段
引物:DNA聚合酶Ⅰ的5′→3′外切活力来切除 的. 留下的空隙是由该酶的5′→3′聚合活力填 补.
复制叉
3’
5’
延伸
起点
滞后链 前导链
前导链 滞后链
起点
DNA的双向复制
复制叉
5’
3’ 延伸
DNA复制的半不连续性
前导链 冈崎片段
前导链：以3’ → 5’ 方向 的亲代链为模板连续合成的 子代链。
滞后链
滞后链：以5’ →3’方向的 亲代链为模板的子代链先逆 复制叉移动方向合成冈崎片 段，再连接成滞后链。
尿囊素 H2O 尿囊 （植物） 素酶
尿囊酸
H2O+O2 H2O2
黄嘌 呤氧 尿酸氧化酶 化酶 尿酸
CO2+H2O2 2H2O+O2
H2O+O2 H2O2
尿囊酸酶 尿素 + 乙醛酸
H2O
2H2O 脲酶
4NH3 + 2CO2
各种生物嘌呤碱的代谢产物
嘌呤代谢产物 尿酸
尿囊素 尿囊酸 尿素、乙醛酸 氨、二氧化碳
(3) 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1开始逐渐加上去 的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、CO2 提供N和C ， 合成时先形成右环，再形成左环。四氢叶酸（FH4） 是一碳单位的载体 .
(4) AMP→ADP→ATP GMP→GDP→GTP
2 嘌呤核苷酸合成的补救途径
A+PRPP→AMP+PP i G+PRPP→ GMP+PP i H yP+ PRPP→ IMP+ PP i
结合形成 UMP。 (4) 胞苷酸(CTP)则由尿苷酸(UTP)转变而来。
2 嘧啶核苷酸合成的补救途径
(1) U 尿苷
UMP
R-1-P P i ATP ADP
UMP磷酸核糖转移酶
(2)嘧啶(U T)
嘧啶核苷酸(胞嘧啶除外)
PRPP
PP i
(3) 脱氧胸腺嘧啶核苷酸(d TMP)是由脱 氧尿嘧啶核糖核苷酸经甲基化而生成.
在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链） (3)5’ 3’外切酶活性（双链有效，主要是对DNA损
伤的修复，以及在DNA复制时RNA引物切除及其空隙 的填补）
➢DNA聚合酶Ⅱ
多亚基酶，聚合作用，但聚合活力很低；具有3’ 5’ 外切酶活性。其它生理功能尚不清楚，可能在修复紫 外光引起的DNA损伤中起作用。
√引发酶:催化RNA引物合成的RNA聚合酶.
引发酶需要ATP或GTP提供能量.
三、 DNA的合成方式
➢DNA的复制：以DNA为模板合成 DNA。 ➢逆转录：以RNA为模板合成DNA。 ➢修复合成（DNA聚合酶I、连接酶等）
四、 DNA的复制过程：（以大肠杆菌为例）
➢双链的解开 ➢RNA引物的合成 ➢DNA链的延伸 ➢切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片 段
半不连续复制—在DNA复制时，领头链是 连续合成的,而随后链的合成是不连续的， 这种复制方式称为半不连续复制。
✓冈崎片段
在DNA复制过程中，领头链能连续合成， 而随后链只是多个短片段，这些不连续的小 片段以其发现者的名字命名为冈崎片段。
冈崎片段真核100-200个核苷酸 原核1000-2000个核苷酸。
➢真核生物有多种DNA聚合酶。
六 逆转录
1 、定义:以RNA为模板，以4种d NTP为底物,合成一条与模板RNA 互补的 DNA链称为逆转录，由逆转录酶催化进行。 2 、发现：1970年Temin和Baltimore同时分别从劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病 病毒中分离出逆转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆转录酶。
➢DNA聚合酶Ⅲ
(原)DNA复制的主要聚合酶，由10种亚基，其中、、 形成全酶的核心酶。 (1)具有5’3’DNA聚合酶活性（ 亚基，速率高）； (2)具有3’ 5’外切酶（亚基）的校对功能，提高 DNA复制的保真性； (3)具有5’ 3’外切酶活性。
➢DNA聚合酶IV和V
1999年发现，当DNA严重损伤时，诱导产生。
➢解旋酶 （解链酶）
解开双螺旋,使其成为单链.通过水解ATP将DNA两 条链打开。每解开一对碱基需要水解2个ATP分子。
E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、 II、III。rep蛋白沿3 ’5’移动，而解螺旋酶I、II、 III沿5 ’ 3’移动。
➢其它蛋白因子
✓单链结合蛋白(SSB-single-strand binding protein)(又叫螺旋去稳定蛋白)：稳定已被解开 的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶 降解。
随着复制叉的推进，两条新链的合成方向 是不同的：一条链延伸的方向与复制叉前 进的方向一致，它的合成能连续进行，称 为前导链；
✓另一条链延伸的方向与复制叉前进的方向相 反，不能被连续合成，需要复制叉推进了一定 的长度，有了一段DNA单链后，才能以此为模 板合成一个片段。因此这条新链的合成是不连 续的，所以称为滞后链。
(一) 双链的解开
✓DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原 点。常用ori(或o）表示。 ✓从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫 复制子。 ✓大肠杆菌染色体DNA以及真核生物的细胞器 DNA为双链环状，只有一个复制原点. ✓真核生物染色体DNA是线性双链分子，含有 多个复制原点,因此是多复制子.