第第9 9章章 核酸代谢和蛋白质的核酸代谢和蛋白质的生物合成生物合成导言 俗语说“种瓜得瓜，种豆得豆”，其中蕴含着在生物界中普遍存在的遗传规律；而“世界上没有完全相同的两片叶子”却又预示了遗传现象的复杂性和可变性对于生物体而言，贮存遗传信息的物质就是核酸，它是记载生物体的演变、种属特征及一切生命活动规律的图书馆本章书除了阐述核苷酸的基本代谢外，还将从复制、转录及翻译等几个方面分别阐述与遗传信息传递有关的重要理论知识第1节 核酸代谢一、核苷酸的合成代谢途径：从头合成、补救合成1.从头合成途径：是指细胞利用一碳单位、磷酸核糖和氨基酸等基本原料，经过一系列复杂的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程2.补救合成途径：是指细胞利用已有的嘌呤碱或嘧啶碱以及它们的核苷形式，经过简单的酶促反应，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的过程 （一）嘌呤核苷酸的合成1.嘌呤核苷酸的从头合成嘌呤环的元素来源Asp Mg2+ GTP NAD+ H2ONADH+ Gln Mg2+ ATP Glu IMP分别转变为AMP和GMP2.嘌呤核苷酸的补救合成腺嘌呤+PRPP AMP+PPi 次黄嘌呤+PRPP IMP+PPi 鸟嘌呤+PRPP GMP+PPi 腺嘌呤核苷+ATP AMP+ADP （二）嘧啶核苷酸的合成1.嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶环的元素来源嘧啶环的元素来源UMP分别转变为CTP和TMP N5，N10CH2FH4 FH2 Gln2.嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶碱 +PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi（三）脱氧核苷酸的合成嘌呤和嘧啶脱氧核苷酸合成是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上进行的，反应式如下： NADPHNADP+H2O（四）核苷酸抗代谢物及应用核苷酸抗代谢物是指与核苷酸合成过程的中间产物结构相似的一些类似物。
如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸等通过竞争性抑制或以假乱真的方式，干扰和阻断核苷酸的合成抗代谢物抗代谢物抗代谢物抗代谢物相似物相似物相似物相似物作用作用作用作用6 6巯基嘌呤巯基嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤抑制抑制IMPIMP转变转变为为AMPAMP和和GMPGMP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺抑制嘌抑制嘌呤核酸的合成呤核酸的合成氨蝶呤氨蝶呤甲氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸叶酸阻断二氢叶酸及四氢阻断二氢叶酸及四氢叶酸的生成叶酸的生成影响一影响一碳单位的代谢碳单位的代谢嘌呤核苷酸抗代谢物抗代谢物抗代谢物抗代谢物抗代谢物相似物相似物相似物相似物作用作用作用作用5 5氟尿嘧啶氟尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶阻断嘧啶核苷酸阻断嘧啶核苷酸的合成的合成氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺抑制抑制CTPCTP的合成的合成氨蝶呤氨蝶呤甲氨蝶呤甲氨蝶呤叶酸叶酸干扰一碳单位的代谢，干扰一碳单位的代谢，影响嘧啶核苷酸合成影响嘧啶核苷酸合成嘧啶核苷酸抗代谢物二、核苷酸的分解代谢（一）嘌呤核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸在体内代谢的终产物是尿酸二）嘧啶核苷酸的分解代谢1.胞嘧啶尿嘧啶 丙氨酸、NH3和CO22.胸腺嘧啶 氨基异丁酸、NH3和CO2遗传信息传递中心法则遗传信息传递中心法则三、DNA的生物合成DNA的生物合成包括DNA复制、逆转录及DNA的损伤与修复。
一）DNA复制DNA复制是指以亲代单链DNA为模板，合成子代DNA的过程 DNA复制的方式：半保留复制子代子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的亲代亲代DNA子代子代DNA复制复制来自亲代来自亲代DNA新合成链新合成链1.复制的模板：亲代单链DNA为模板 方向：为352.复制的原料：dNTP（N为A、G、C、T） 3.参与复制的酶和蛋白质因子（1）DNA聚合酶作用：以单链DNA为模板，以dNTP作为原料，按碱基配对原则，催化DNA新链的合成原核生物三种DNA聚合酶及其作用DNADNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶DNADNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶DNADNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶5 5 5 5 3333 聚合作用聚合作用聚合作用聚合作用有有有有有有有有有有有有3 3 3 3 5555 核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性有有有有有有有有有有有有5 5 5 5 3333 核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性有有有有无无无无无无无无功能功能功能功能校读校读校读校读损伤后修复损伤后修复损伤后修复损伤后修复目前尚不完目前尚不完目前尚不完目前尚不完全清楚全清楚全清楚全清楚复制过程中的复制过程中的复制过程中的复制过程中的主要催化酶主要催化酶主要催化酶主要催化酶真核生物DNA聚合酶 ：有、和等五种。
酶酶酶酶作用作用作用作用拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶松解、理顺松解、理顺松解、理顺松解、理顺DNADNADNADNA超螺旋解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶 解开解开解开解开DNADNADNADNA双链之间的氢键，形成单链双链之间的氢键，形成单链双链之间的氢键，形成单链双链之间的氢键，形成单链DNADNADNADNA模板引物酶引物酶引物酶引物酶 以单链以单链以单链以单链DNADNADNADNA为模板，合成为模板，合成为模板，合成为模板，合成RNARNARNARNA引物，以引物，以引物，以引物，以提供提供提供提供3 3 3 3 OHOHOHOHDNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶 DNADNA复制终止阶段，催化复制终止阶段，催化复制终止阶段，催化复制终止阶段，催化DNADNA分子上分子上分子上分子上的片段缺口之间形成磷酸二酯键的片段缺口之间形成磷酸二酯键的片段缺口之间形成磷酸二酯键的片段缺口之间形成磷酸二酯键参与DNA复制的其它酶及作用单链DNA结合蛋白：单链DNA结合蛋白（SSB）能结合在DNA单链上，具有保护和稳定DNA模板单链的作用 一方面：解开的单链DNA会被水解；另一方面：解开的单链DNA很容易再次聚合形成双螺旋形式。
DNA复制过程复制过程起始阶段起始阶段延长阶段延长阶段终止阶段终止阶段起始阶段起始阶段 拓扑异构酶参与拓扑异构酶参与松解松解DNA超螺旋，超螺旋，在复制的整个过在复制的整个过程中都发挥作用程中都发挥作用解螺旋酶解螺旋酶：解开：解开DNA双双链间的氢键，形成单链链间的氢键，形成单链DNA模板SSB：维持、保护单：维持、保护单链链DNA模板引物酶引物酶：催化：催化合成合成RNA引物延长阶段延长阶段模板方向：模板方向：模板方向：模板方向：3535合成的方向：合成的方向：合成的方向：合成的方向：5353碱基配对：碱基配对：碱基配对：碱基配对：A AT T、G G C C前导链与随从链 A G C T T A G C A A G C C A T C G G A C G G T A G C C T T C G A A 冈崎片段：冈崎片段：在随从链的合成之前，先合成的一在随从链的合成之前，先合成的一些不连续的些不连续的DNA短片段DNA复制的特点：复制的特点：半保留复制、半不连续复制半保留复制、半不连续复制终止阶段终止阶段逆转录1.概念：以RNA为模板，合成DNA链的过程2.逆转录酶：为多功能酶，作用如下：DNA的损伤与修复 1.概念：DNA损伤又称突变，是DNA分子结构改变从而导致遗传信息的改变。
2.类型：错配、缺失、插入、重排、框移等3.修复机制（1）光修复：光修复酶使嘧啶二聚体分解（2）重组修复：由DNApol、DNA连接及多种蛋白因子共同参与，切除DNA分子中损伤的片段，再以另一条完整链作为模板进行修复蛋白质因子辨认、结蛋白质因子辨认、结合及切除损伤区段合及切除损伤区段DNApol以以dNTP为为原料，填补空隙原料，填补空隙重组修复基本过程重组修复基本过程四、RNA的生物合成（一）概念：以单链DNA为模板，合成RNA的过程二）原料：NTP（N代表A、G、C、U四种碱基）三）特点：不对称转录不对称转录：*只以DNA单链的某一区段作为模板进行转录模板链不是永远都在同一条DNA单链上5 3 3 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链模板链模板链编码链编码链DNARNA聚合酶 原核生物RNA聚合酶：2 （全酶） 2 2（核心酶）：在（核心酶）：在RNARNA合成过程中起催化作用合成过程中起催化作用 ：辨认识别转录起始点辨认识别转录起始点 核心酶核心酶全酶全酶真核生物RNA聚合酶 RNA聚合酶：催化转录生成45SrRNARNA聚合酶：催化转录生成hnRNA（不均一核RNA，是mRNA的前体）。
RNA聚合酶：催化转录生成5SrRNA、tRNA和snRNA（小核RNA） 下面以原核生物转录过程进行说明 转录起始转录起始 RNARNA聚合酶聚合酶 亚基识别和辩认模板亚基识别和辩认模板DNADNA链上链上的特异序列的特异序列启动子启动子 ：RNARNA聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的DNADNA序列称为序列称为RNARNA转录不需合成引物，是转录与复制的重要区别之一转录不需合成引物，是转录与复制的重要区别之一RNARNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键通常加入的第一聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键通常加入的第一个核苷酸为个核苷酸为GTPGTP，并保留三磷酸形式并保留三磷酸形式转录起始转录起始* *启动子启动子启动子启动子 ：RNARNA聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的聚合酶辨认结合的DNADNA序列 *RNARNA聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键聚合酶催化形成第一个磷酸二酯键 *通常加入的第一个核苷酸为通常加入的第一个核苷酸为通常加入的第一个核苷酸为通常加入的第一个核苷酸为GTPGTP，并保留三，并保留三，并保留三，并保留三磷酸形式。
磷酸形式磷酸形式磷酸形式3 5 TTGACATATAAT 35 10 +1转录延长 亚基即脱落，核心酶（2）催化RNA链的延长模板链的方向：模板链的方向：35 35 合成的合成的RNARNA链方向：链方向：5353碱基配对关系：碱基配对关系：A AT T、A AU U、G G C C转录过程中的“转录泡”转录终止 1.依赖（Rho）因子 的转录终止因子能结合在RNA上的特异终止序列上，并具有ATP酶活性和解螺旋酶作用2.非依赖（Rho）因子 的转录终止RNA链形成茎环结构，终止转录转录终止形成的茎环结构DNA复制与RNA转录的区别复制复制转录转录模板模板单链单链DNADNA模板模板单链单链DNADNA模板模板原料原料dNTPdNTP（N N：A A、G G、C C、T T）NTPNTP（N N：A A、G G、C C、U U）聚合酶聚合酶DNADNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶引物引物需要合成一段需要合成一段RNARNA引物引物不需要引物不需要引物碱基配对碱基配对A A与与T T、G G与与C CA A与与U U、A A与与T T、G G与与C C产物产物DNADNA分子分子三种三种RNARNA特征特征半保留复制半保留复制不对称转录不对称转录转录后的加工 真核生物转录的RNA初级产物需要经过加工才具有生物活性，加工过程主要在细胞核中进行。
1.mRNA的加工（1）加“帽”：5端形成m7GpppN2）加“尾”：3端形成polyA3）剪接：切除mRNA上的非编码序列（内含子）和拼接编码序列（外显子）2.tRNA的加工（1）切除3端和5端部分核苷酸2）3端加上CCA序列（3）对部分碱基进行特殊修饰 3.rRNA的加工rRNA的初级转录产物经剪接后，在核仁上与核糖体蛋白一起组装核糖体的大小亚基 第2节 蛋白质的生物合成翻译：以mRNA为模板，合成蛋白质的过程合成体系（1）场所：核糖体（2）基本原料：20种编码氨基酸（3）三种RNA共同参与（4）其。