1、第七章 核酸的生物化学,Chapter 7 Biochemistry of Nucleic Acid,第一节 核酸的结构与功能,Section 1 Structure and Function of Nucleic Acid,Whats nucleic acid?,核酸的发现：1869年瑞士米歇尔 核酸的定义： 生物体内一类含有磷酸基团的重要生物大分子（酸性物质），是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体，在蛋白质的生物合成中起重要的作用。,核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)RNA主要参与遗传信息的表达; 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)D
2、NA是遗传信息的载体;,核酸的分类：,RNA和DNA都是以单核苷酸(nucleotide)为基本单位所组成的多核苷酸长链。,1.1 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,1.1 核酸的化学组成及一级结构,核酸的水解产物：,1. 嘧啶碱(pyrimidine)：,一、核苷酸中的碱基组成,2. 嘌呤碱(purine)：,二、戊糖与核苷,1戊糖(pentose)：,2核苷(nucleoside)：,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱
3、N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。,碱基和核糖的缩合物，以N-糖苷键相连； 成苷位置：核糖C-1与嘧啶N-1；核糖C-1与嘌呤N-9。 核苷：腺苷A，鸟苷G，胞苷C，尿苷U； 脱氧核苷：脱氧腺苷dA,脱氧鸟苷dG,脱氧胞苷dC,脱氧胸苷dT；,2核苷(nucleoside)：,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,三、核苷酸的结构与命名,核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括: 核糖核苷酸: 5-AMP,5-GMP,5-CMP,5-UMP 脱氧核糖核苷酸: 5-dAMP,5-dGMP,5-dCMP,5-dTMP 与磷酸基缩合的位置：2
4、-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。 最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）,5 -核苷酸的分子结构,5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。,环核苷酸的分子结构,环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷,核苷酸的命名及缩写符号,细胞内游离核苷酸及其衍生物,1、含高能磷酸键的ATP类化合物； ATP是能量的直接供体； （脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料；ATP、GTP、CTP、TTP、UTP；ADP、GDP、CDP、TDP、UDP； 参加合成代谢；UTP-糖类合成、GTP-蛋白质合成、CTP-脂类合成 2、环状核苷酸（cAMP、cGMP） 第二
5、信使，影响多种酶的活性,四、核苷酸的性质,一般物理性质 ； 互变异构现象； 紫外吸收，260nm ； 核苷酸的两性解离和等电点 ；,互变异构现象,uracil 酮式,uracil 烯醇式,碱基的紫外吸收,最大吸收峰在260nm附近,胞嘧啶核苷酸的解离,核苷酸的两性解离和等电点,4种核苷酸的解离曲线,可在pH2.05.0之间分离各种核苷酸,pH3.5时各核苷酸所带电荷,（四）细胞内游离核苷酸及其衍生物,1、含高能磷酸键的ATP类化合物； ATP是能量的直接供体； （脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料； ATP、GTP、CTP、TTP、UTP； ADP、GDP、CDP、TDP、UDP； 参
6、加合成代谢； UTP-糖类合成、GTP-蛋白质合成、CTP-脂类合成 2、环状核苷酸（cAMP、cGMP）,五、核酸的一级结构,一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。,3,5-磷酸二酯键的形成,多核苷酸链,核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 核酸是的方向性：多核苷酸链的两端，一端称为5-端，另一端称为3-端。,多核苷酸链简写方法,书写方向规定为：5-端3-端。,DNA分子： 由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸
7、的排列顺序及连接方式(3,5-磷酸二酯键)。 RNA分子： 由AMP，GMP，CMP，UMP组成。RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。,核酸的一级结构,DNA的一级结构：5-AGTCCATG-3 AGTCCATG3-TCAGGTAC-5RNA的一级结构： 5-AGUCCAUG-3 AGUCCAUG,核酸一级结构的表示方法,水解方式：酶法、碱法和酸法 （1）碱水解RNA2-核苷酸 + 3-核苷酸DNA DNA变性但不被水解 （2）酸水解DNA 无嘌呤的DNA分子 （pH4）DNA（RNA）碱基+戊糖+磷酸（强酸高温）,核酸的水解作用,（3）核酸酶的水解作用 核酸酶-
8、水解核酸磷酸二酯键的酶 种类 根据底物不同分三类：脱氧核糖核酸酶（DNase）核糖核酸酶（RNase）核酸酶（Nuclease） 根据核酸酶对底物作用特点分核酸内切酶、核酸外切酶,核酸的水解作用,1.2 DNA的空间结构与功能,1.2 Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。,James Watson (L) and Francis Crick (R), and the
9、model they built of the structure of DNA,（一）对DNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家,1. Oswald Avery (1877-1955) Microbiologist Avery led the team that showed that DNA is the unit of inheritance. One Nobel laureate has called the discovery “the historical platform of modern DNA research“, and his work inspired Watson an
10、d Crick to seek DNAs structure. Nature, 2003,2. Erwin Chargaff (1905-2002) Chargaff discovered the pairing rules of DNA letters, noticing that A matches to T and C to G. He later criticized molecular biology, the discipline he helped invent, as “the practice of biochemistry without a licence“, and o
11、nce described Francis Crick as looking like “a faded racing tout“. Nature, 2003,Chargaff 研究小组的贡献,19501953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了分析研究，发现： DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大； 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变； DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。,3. Linus Pauling (1901-1994) The
12、 titan of twentieth-century chemistry. Pauling led the way in working out the structure of big biological molecules, and Watson and Crick saw him as their main competitor. In early 1953, working without the benefit of X-ray pictures, he published a paper suggesting that DNA was a triple helix. Natur
13、e, 2003,4. Rosalind Franklin (1920-1958) Franklin, trained as a chemist, was expert in deducing the structure of molecules by firing X-rays through them. Her images of DNA - disclosed without her knowledge - put Watson and Crick on the track towards the right structure. She went on to do pioneering
14、work on the structures of viruses. Nature, 2003,5. Maurice Wilkins (1916- ) Like Crick, New Zealand-born Wilkins trained as a physicist, and was involved with the Manhattan project to build the nuclear bomb. Wilkins worked on X-ray crystallography of DNA with Franklin at Kings College London, althou
15、gh their relationship was strained. He helped to verify Watson and Cricks model, and shared the 1962 Nobel with them. Nature, 2003,1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。,Fig. 51,6. James Watson (1928- ) Watson went to university in Chicago aged 15, and teamed up wit
16、h Crick in Cambridge in late 1951. After solving the double helix, he went on to work on viruses and RNA, another genetic information carrier. He also helped launch the human genome project, and is president of Cold Spring Harbor Laboratory in New York. Nature, 2003,7. Francis Crick (1916-2004 ) Cri
17、ck trained and worked as a physicist, but switched to biology after the Second World War. After co-discovering the structure of DNA, he went on to crack the genetic code that translates DNA into protein. He now studies consciousness at Californias Salk Institute. Nature, 2003,典型的双链DNA 二级结构,DNA右手双螺旋结
18、构模式的设计者：Watson与Crick，1953年。 设计主要依据：（1）对DNA分子X射线衍射图分 （2）碱基摩尔含量的比率关系（3）四种碱基的理化数据分析,（二）DNA双螺旋结构模型的要点：,目前已知DNA双螺旋结构可分为： A、B、C、D（右手双螺旋） Z型（左手双螺旋）,B型DNA双螺旋结构模式图,（二）DNA双螺旋结构模型(B型)的要点：,(1) 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴形成右旋的双螺旋结构。 (2) 碱基位于双螺旋的内侧，平面垂直于中心轴；磷酸和核糖在外侧，糖平面平行于中心轴； (3) 碱基配对原则： A=T(2)，G=C(3)； (4) 螺旋参数：每螺旋10对,螺
19、距3.4nm；螺旋直径2.0nm; (5) 小沟，大沟；,碱基配对及氢键形成,B型双螺旋DNA的结构特征,（二）DNA双螺旋结构模型(B型)的要点：,(6) 螺旋的稳定因素： 氢键 碱基堆积力 碱基对平面垂直于中心轴,层叠于双螺旋的内侧.疏水性碱基堆积在一起相互吸引形成碱基堆积力。 离子键 DNA分子的大小：碱基对（bp）、分子量,二、DNA的三级超螺旋结构及在染色质中组装,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。 负超螺旋(negative superc
20、oil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。,（一）原核生物DNA的高级结构：,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装：,在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体(nucleosome)。核小体结构属于DNA的高级结构。,核小体的结构,核小体、染色质与染色体,三、DNA的功能,DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。,DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。 一个生物体的全部DNA序列称为
21、基因组（genome）。 基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1103bp，大肠杆菌为5.7106bp，人为3.2109bp。,1.3 RNA的结构与功能,1.3 Structure and Function of RNA,RNA在蛋白质生物合成过程中起着重要的作用 RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。 RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。 主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。,一、RNA的种类、分布与功能,一、RNA的种类、分布与功能,（1）细胞质中的RNA 核糖体R
22、NA（ribosomal RNA, rRNA） 转运RNA（transfer RNA ,tRNA） 信使RNA（message RNA, mRNA） 小胞浆RNA（scRNA, small cytosol RNA） 线粒体RNA 叶绿体RNA （2）细胞核中的RNA hnRNA(heterogeneous nuclear RNA)不均一RNA snRNA(small nuclear RNA),小核RNA； chRNA(chromosome RNA),染色体RNA； （3）病毒RNA,RNA的种类、分布与功能,mRNA、 rRNA 、 tRNA的功能,mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质
23、的合成提供模板(templet)。mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden)。 rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。 tRNA在蛋白质的生物合成过程中转运氨基酸。,二、tRNA的结构,tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 tRNA是保守性最强的RNA。 tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。,（一）tRNA的二级结构：,tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，
24、故称为“三叶草”结构。 tRNA的“三叶草”形结构包括：氨基酸臂、DHU臂、反密码臂、可变臂和TC臂五部分。 靠氢键维持稳定性。,携带氨基酸,辨认并结合氨基酰tRNA合成酶,识别mRNA上的密码,识别并结合核蛋白体,氨基酸臂,DHU臂,反密码臂,可变臂,TC臂,（二）tRNA的三级结构（倒L型）：,氨基酸接受臂与反密码子环分别位于两端；分子上有两个双螺旋区；构象靠非螺旋区的碱基之间的氢键维持。,例题：1 双链DNA分子量为3107， 计算：a DNA的长度b 含多少圈螺旋c 分子的长度 （每对核苷酸残基平均分子量为618） 解：a L= 3107/618 0.34b n= 3107/618 1
25、0c V=3.14 1.02 3107/618 0.34,例题2: 已知某DNA溶液,碱基A占16%, 求其余碱基所含的比例。解：因为，A=T，G=C所以，T=A=16%G=C=50%-16%=34% 例题3：已知DNA分子的一条链碱基顺序为：3GCTACGA, 写出其互补链的碱基顺序。,第二节 核酸的理化性质、变性和复性 及其应用,Section 2 The Physical and Chemical Characters, Denaturation and Renaturation of Nucleic Acid, as well as their Applications,一、核酸的一般
26、理化性质,两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂线性大分子（粘度高, 抗剪切力差）可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚 绿色D2脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色,二、核酸的紫外吸收特性,1、紫外吸收性质max=260nm 2、应用 以A260/A280进行定性、定量及纯度测定：纯DNA: A260/A2801.8纯RNA : A260/A2802.0,二、核酸的紫外吸收特性,1、紫外吸收性质max=260nm 2、应用 以A260/A280进行定性、定量及纯度测定：纯DNA: A260/A
27、2801.8纯RNA : A260/A2802.0 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光,二、核酸的紫外吸收特性,1、紫外吸收性质max=260nm 2、应用 以A260/A280进行定性、定量及纯度测定：纯DNA: A260/A2801.8纯RNA : A260/A2802.0 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光 减色效应,三、DNA的变性,天然核酸在理化因素作用下，其双螺旋的氢键断裂，碱基堆积力不再存在，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为无规则线团状的单链DNA单链现象称为DNA的变性(denaturation)。 引起DNA变性的因素：高
28、温，强酸强碱，有机溶剂等。, 增色效应(hyperchromic effect)：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象； 旋光性下降； 粘度降低； 生物学功能丧失或改变。,DNA变性后的性质改变：,加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是DNA的变性温度（融解温度，melting temperature, Tm）。,DNA的变性温度,Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。,四、DNA的复性与分子杂交,将热变性后的DNA溶液缓慢冷却，在低于变性温度约2530的条件下保温一段时间（退火annealing
29、），则变性的两条单链DNA可以重新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性质。 将变性DNA经退火处理，使其重新形成双螺旋结构的过程，称为DNA的复性。,DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度Tm25复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度,DNA的复性,两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交(hybr
30、idization)。,核酸的分子杂交(hybridization),核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。 不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为同源顺序(homologous sequence)。,DNA-DNA杂交示意图,DNA-RNA杂交示意图,利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。 常用的核酸分子杂交技术有：原位杂交、斑点杂交、Southern杂交及Northern杂交等。,五、核酸的含量与纯度测定 （一）核酸含量的测定 1、定磷法 2、定糖法 （二）DNA纯度的鉴定 1、紫外吸收 2、凝胶电泳,六、核酸的分离、
31、纯化,（一）核酸的工业化生产 （二）活性核酸的制备 注意一般原则： 低温(0-4)，避免强酸、强碱和剧烈搅拌； 抑制核酸酶的作用； 用有机溶剂抽提以去除蛋白； 乙醇沉淀；,抑制DNase：,可加柠檬酸钠、EDTA等金属螯合剂；或加去污剂 十二烷基硫酸钠（SDS）；或加蛋白变性剂。,抑制RNase：,（1）实验器皿高温，或高压灭菌，不能高压灭菌的用 具用0.1%二乙基焦碳酸盐（diethyl pyrocarbonate, DEPC）处理。,（2）加强的蛋白变性剂如硫氰酸胍、异硫氰酸胍等。,（3）加核糖核酸酶阻抑蛋白（RNasin）等RNase的抑制剂。,3DNA-蛋白质（DNP）的提取,真核细胞
32、DNA与蛋白质结合成核蛋白（DNP），RNA与蛋白质结合成RNP，而且DNP和RNP常常混在一起。利用DNP和RNP在不同浓度NaCl中溶解度的不同来分离DNP和RNP。,可用1mol/LNaCl溶液提取DNP。,相 对 溶 解 度,NaCl（mol/L）,DNP在NaCl中的溶解度,大分子DNA的提取,1材料的选择,2细胞破碎,4去蛋白质,（1）SDS,（2）苯酚法,（3）氯仿法,（4）酚:氯仿:异戊醇25:24:1,5沉淀DNA,6去杂质,（1）去RNA,（2）去多糖,7进一步纯化,生物材料,DNP（RNP）,DNP,纤维状DNA,较纯DNA,纯DNA,*原核生物的DNA是裸露的，与蛋白质
33、结合不多，分离纯化要简单些。,破细胞,1.0mol/L NaCl*,去蛋白质,酒精沉淀,去RNA,柱层析，电泳,密度梯度离心,去多糖,第三节 核苷酸代谢,Section 3 Metabolism of nucleotides,核苷酸(nucleotide)是构成核酸(nucleic acid)的基本单位，人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的。 食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体所利用。 在核酸类物质的水解产物中，只有磷酸和戊糖可被吸收利用。,食物中核酸的消化,3.1 嘌呤核苷酸的代谢,3.1 Metabolism of Purine Nucleotides,一、嘌呤核苷酸的合成代谢,通
34、过利用一些简单的前体物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径(de novo synthesis)。 这一途径主要见于肝，其次为小肠和胸腺。 所有合成反应在胞液中进行。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成：,嘌呤碱合成的元素来源,嘌呤核苷酸合成途径：,1、5-磷酸核糖活化为5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）2、IMP的合成3、由IMP转变成AMP，GMP, 次黄苷酸的合成： 首先在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，消耗ATP，由5-磷酸核糖合成PRPP(1-焦磷酸-5-磷酸核糖)。 PRPP再经过大约10步反应，合成第一个嘌呤核苷酸次黄苷酸（IMP）。,1
35、从头合成途径：,次黄苷酸（IMP）的合成,合成过程, 腺苷酸及鸟苷酸的合成： IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸（AMP-S），然后裂解产生腺苷酸（AMP）。 IMP也可在IMP脱氢酶的催化下，以NAD+为受氢体，脱氢氧化为黄苷酸（XMP），后者再在鸟苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸（GMP）。,腺苷酸（AMP）与鸟苷酸（GMP）的合成, 三磷酸嘌呤核苷的合成：,核糖核苷酸还原酶的作用机制,又称再利用合成途径(salvage pathway)。指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。 这一途径可在大多数组织细胞中进行。,（二）嘌
36、呤核苷酸的补救合成：,嘌呤核苷酸的补救合成过程,二、嘌呤核苷酸的分解代谢,嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱，最后在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸(uric acid)，再经尿液排出体外。,嘌呤核苷酸的分解,尿酸,尿酸是嘌呤核苷酸在人体内分解代谢的终产物。但在鸟类，尿酸则可继续分解产生尿囊素。 正常人血浆中尿酸含量约为0.120.36mmol/L (26mg%)。 尿酸水溶性较差，当血浆中尿酸含量超过8mg%时，即可形成尿酸盐晶体。,痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、
37、软组织及肾，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。 临床上常用别嘌呤醇（allopurinol）治疗痛风症。,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,别嘌呤醇,痛风症的治疗机制,别嘌呤醇的分子结构与次黄嘌呤类似，可竞争性抑制黄嘌呤氧化酶的活性，从而减少体内尿酸的生成。 同时，别嘌呤与PRPP反应生成的别嘌呤核苷酸，可反馈抑制嘌呤核苷酸从头合成途径的关键酶。,3.2 嘧啶核苷酸的代谢,3.2 Metabolism of Pyrimidine Nucleotides,一、嘧啶核苷酸的合成代谢,嘧啶核苷酸从头合成途径（de novo synthesis)是指利用氨基酸、CO2等简单前体物逐步合成嘧啶核苷酸的过程。
38、该合成过程主要在肝细胞的胞液中进行。,（一）嘧啶核苷酸的从头合成：,嘧啶合成的元素来源, 尿苷酸的合成： 在氨基甲酰磷酸合成酶的催化下，以Gln，CO2，ATP为原料合成氨基甲酰磷酸。,1. 从头合成途径的反应过程：,两种氨基甲酰磷酸合成酶的比较,氨基甲酰磷酸在天冬氨酸转氨甲酰酶的催化下，转移一分子天冬氨酸，从而合成氨甲酰天冬氨酸，然后再经脱氢、脱羧、环化等反应，合成第一个嘧啶核苷酸，即UMP。,UMP的合成过程, 胞苷酸的合成：, 脱氧嘧啶核苷酸的合成：,由分解代谢产生的嘧啶/嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成途径 (salvage pathway)。以嘧啶核苷的补救合成途径较重要。
39、,（二）嘧啶核苷酸的补救合成：,二、嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下，除去磷酸和核糖，产生的嘧啶碱可在体内进一步分解代谢。,嘧啶碱的降解过程主要在肝细胞中进行。 不同类型的嘧啶碱，其分解代谢的途径和终产物不同。,（一）胞嘧啶和尿嘧啶的降解,（二）胸腺嘧啶的降解,基因信息的传递,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。 生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的
40、中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,DNA dependent DNA polymeraseDDDP DNA dependent RNA polymeraseDDRP RNA dependent RNA polymeraseRDRP RNA dependent DNA polymeraseRDDP,DNA,复制（DDDP）,转录（DDRP）,翻译,RNA,复制（RDRP）,反转录（R
41、DDP）,Section 4 DNA Biosynthesis， Replication,第四节 DNA的生物合成(复制）,4.1 复制的基本规律,4.1 Basic Rules of DNA 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，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,一、半保留复制,DNA半保留复制示意图,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。 该实验首先将大肠
42、杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，将具有不同密度的DNA分离开。,DNA半保留复制的实验证明,DNA半保留复制研究实验结果示意图,按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA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。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,半保留复制的意义,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核
43、生物中则为多个。,二、有一定的复制起始点,细菌和酵母菌中DNA复制起始点的碱基序列,习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的DNA片段定为一个复制子(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。,复制起始点与复制子示意图,复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的
44、碱基顺序相配对。,三、需要引物,DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。 但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。,四、双向复制,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(termination, ter),DNA的双向复制示意图,DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。 由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同
45、的。,五、半不连续复制,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),DNA的半不连续复制,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，这一条链被称为领头链(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(lagging strand)。 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。,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称
46、为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,2.2 Factors for DNA Replication,2.2 DNA复制的条件,以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,一、底物(substrate),DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,二、模板(template),引物酶(primeras
47、e)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。,三、引发体和RNA引物,在E. coli中，含有解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域的复合结构被称为引发体(primosome) 。,含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,引发体的组装形成,引物酶催化合成短链RNA引物分子,引物,引物酶,四、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚
48、合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP ) 简称：DNA-pol 活性：1. 53 的聚合酶活性2. 核酸外切酶活性,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。,DNA聚合酶的核酸外切酶活性,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。 参与DNA复制的主要是pol 和pol 。,（一）种类和生理功能：,pol 为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白
49、酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即53聚合酶和35外切酶活性，通常被称为Klenow fragment。,Klenow片段的分子结构,pol 由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶的活性，与DNA复制的校正功能有关。,原核生物中的三种DNA聚合酶,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种:,真核生物的DNA聚合酶,为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：1遵守严格的碱基配对规律；2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；3对复制过程中出现的错误及时进行校正。,
