1、化学与化学工程学院化学与化学工程学院第第9 9章章 核酸代谢核酸代谢化学与化学工程学院化学与化学工程学院 作为合成核酸的原料：如作为合成核酸的原料：如ATPATP，GTPGTP，CTPCTP，UTPUTP用于合用于合成成RNARNA，dATPdATP，dGTPdGTP，dCTPdCTP，dTTPdTTP用于合成用于合成DNADNA。 作为能量的利用形式：除作为能量的利用形式：除ATPATP之外，还有之外，还有GTPGTP，UTPUTP，CTPCTP等。等。核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用化学与化学工程学院化学与化学工程学院 参与代谢或生理活动调节参与
2、代谢或生理活动调节:cAMP:cAMP和和cGMPcGMP作为激素的第作为激素的第二信使。二信使。 参与构成酶的辅酶或辅基：如在参与构成酶的辅酶或辅基：如在NAD+NAD+，NADP+NADP+，FADFAD，FMNFMN，CoACoA中均含有核苷酸的成分。中均含有核苷酸的成分。 作为代谢中间物的载体：如用作为代谢中间物的载体：如用UDPGUDPG作为葡萄糖的供体，作为葡萄糖的供体，用用CDPCDP携带胆碱等。携带胆碱等。 核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用化学与化学工程学院化学与化学工程学院核核酸酸的的消消化化与与吸吸收收核蛋白核蛋白蛋白质蛋白质核酸
3、核酸 (RNA及及DNA)胃酸胃酸单核苷酸单核苷酸核酸酶核酸酶核苷核苷磷酸磷酸核酸酶核酸酶碱基碱基核糖核糖-5-磷酸磷酸水解或磷酸解水解或磷酸解核苷酸酶核苷酸酶+碱基碱基核糖核糖-5-磷酸磷酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解核苷酸酶：核苷酸酶： 3 3- -核苷酸酶：核苷酸酶：只能水解只能水解3 3- -核苷酸核苷酸 5 5- -核苷酸酶：核苷酸酶：只能水解只能水解5 5- -核苷酸核苷酸核苷酶：核苷酶：催化核苷分解为戊糖和碱基催化核苷分解为戊糖和碱基 嘌呤核苷酶嘌呤核苷酶 & & 嘧啶核苷酶嘧啶核苷酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 核苷磷酸化酶：核
4、苷磷酸化酶：催化核苷分解生成含氮碱基和戊糖催化核苷分解生成含氮碱基和戊糖的磷酸酯，的磷酸酯，对两种核苷都起作用对两种核苷都起作用p 核苷水解酶：核苷水解酶：催化核苷分解生成含氮基和戊糖，催化核苷分解生成含氮基和戊糖，对脱对脱氧核糖核苷不起作用氧核糖核苷不起作用 一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解化学与化学工程学院化学与化学工程学院核苷核苷 + + 磷酸磷酸核苷核苷 + H+ H2 2O O核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶嘌呤嘌呤（或嘧啶）（或嘧啶）+1-+1-磷酸磷酸- -戊糖戊糖核苷水解酶核苷水解酶嘌呤嘌呤（或嘧啶）（或嘧啶）+ + 戊糖戊糖一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解化学与化学工程学院化学与化学
5、工程学院二、嘌呤的降解二、嘌呤的降解灵长类、鸟类、某些爬行类和昆虫：尿酸灵长类、鸟类、某些爬行类和昆虫：尿酸人类及灵长类以外的哺乳动物、腹足类：尿囊素人类及灵长类以外的哺乳动物、腹足类：尿囊素硬骨鱼硬骨鱼: :尿囊酸尿囊酸大多数鱼类、两栖类：尿素和乙醛酸大多数鱼类、两栖类：尿素和乙醛酸甲壳类、海洋无脊椎动物体：氨和二氧化碳甲壳类、海洋无脊椎动物体：氨和二氧化碳不同生物嘌呤分解的代谢最终产物不同生物嘌呤分解的代谢最终产物化学与化学工程学院化学与化学工程学院尿囊酸尿囊酸尿素和乙醛酸尿素和乙醛酸尿囊酸酶尿囊酸酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院腺苷酸腺苷酸次黄苷酸次黄苷酸黄苷酸黄苷酸鸟苷酸鸟苷酸腺
6、苷腺苷次黄苷次黄苷黄苷黄苷鸟苷鸟苷腺嘌呤腺嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤黄嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿尿 酸酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解嘧啶分解代谢特点嘧啶分解代谢特点: :1 1、还原降解，环被打破、还原降解，环被打破2 2、终产物：、终产物： NHNH3 3 、COCO2 2 、-丙氨酸、丙氨酸、-氨基异丁酸氨基异丁酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院嘧啶分解时，有氨基的首先水解脱氨基。嘧啶分解时，有氨基的首先水解脱氨基。胞嘧啶胞嘧啶脱氨基即转化为脱氨基即转化为尿嘧啶尿嘧啶，尿嘧啶和胸腺嘧啶经还，尿嘧啶和胸腺嘧啶经还原打破环内双键后，水解原打破环内双键后，水解开环
7、开环成链状化合物，继续水解成链状化合物，继续水解成成二氧化碳二氧化碳、氨氨、- -丙氨酸丙氨酸和和- -氨基异丁酸氨基异丁酸，后者脱，后者脱氨基后进入有机酸代谢或直接排出体外。氨基后进入有机酸代谢或直接排出体外。三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院一、核苷酸的生物合成一、核苷酸的生物合成p从头合成途径从头合成途径不以现成的碱基为原料，而是利用磷酸核糖、氨基酸、一不以现成的碱基为原料，而是利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及碳单位及COCO2 2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途
8、径。（肝细胞及多数细胞）成核苷酸的途径。（肝细胞及多数细胞）p补救合成途径补救合成途径利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成核苷酸的途径。（脑组织和骨髓）核苷酸的途径。（脑组织和骨髓）化学与化学工程学院化学与化学工程学院（1 1）“从头合成从头合成”途径途径 嘌呤碱的合成嘌呤碱的合成 主要以二氧化碳、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨主要以二氧化碳、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺为原料合成嘌呤环。酰胺为原料合成嘌呤环。化学与化学工程学院化学与化学工程学院嘌呤碱各原子的来源嘌呤碱各原子的来源CO2天冬氨酸天冬氨酸甲酸甲酸（一碳单位）（
9、一碳单位）甘氨酸甘氨酸甲酸甲酸（一碳单位）（一碳单位）谷氨酰胺的酰胺氮谷氨酰胺的酰胺氮化学与化学工程学院化学与化学工程学院嘌呤最初不是以游离碱基的形式合成，而是从嘌呤最初不是以游离碱基的形式合成，而是从5-5-磷酸核磷酸核糖焦磷酸糖焦磷酸(PRPP)(PRPP) 开始，经一系列酶促反应，先生成开始，经一系列酶促反应，先生成次黄次黄嘌呤核苷酸（肌苷酸嘌呤核苷酸（肌苷酸, IMP, IMP），），然后再转变为然后再转变为AMPAMP和和GMPGMP。合成部位：肝脏胞液合成部位：肝脏胞液化学与化学工程学院化学与化学工程学院HNNNNOR- 5-PPRPP(PRA)( IMP )R-5-PATP AM
10、PPRPP合成酶Gln Glu酰胺转移酶5-磷酸核糖胺9 步反应次黄嘌呤核苷酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院HHOOOHHHOHCH2OPPOPHHCH2OOOHHHOHOHPAMPATPMg2+PPiOOHHHOHHNH2HCH2OPGln酰胺转移酶5-磷酸核糖1-焦磷酸 （PRPP）5-磷酸核糖(R-5-P)PRPP合成酶5-磷酸核糖胺Glu磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院HOH2NCCCNCHNOR-5-PH2NCHCNCHNR-5-PCH2CNHCHHNR-5-PHNOCH2CNHCHHNR-5-POOCO2H2OATPOOHHHOHHHN HCH2
11、OCOH2CNH2POHCOH2CNH2FH4ATPOOHHHOHHNH2HCH2OPATPGlnGlu5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸（CAIR）5-氨基咪唑核苷酸（AIR）甲酰甘氨咪核苷酸（FGAM）甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）羧化酶甘氨酰胺核苷酸（GAR）Gly转甲酰基酶ADP+PiGAR合成酶PRAN10-CHO FH4FGAM合成酶AIR合成酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院HNHCNCCCNCHNOR-5-PH2NHCNHCCCNCHNOR-5-POH2NH2NCCCNCHNOR-5-PH2OFH4NHH2NCCCNCHNOR-5-PHCCH2COOHCOOHHOH2NCCCNC
12、HNOR-5-PH2OATPIMP 5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺 核苷酸（FAICAR）5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸 （AICAR）环水解酶转甲酰基酶N10-CHO FH45-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)甲酰胺核苷酸 (SAICAR)延胡索酸裂解酶5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸（CAIR）Asp合成酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院l IMPIMP在在腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸合成酶的催化下，由的催化下，由天冬氨酸天冬氨酸提供氨提供氨基合成基合成腺苷酸琥珀酸腺苷酸琥珀酸，然后裂解产生，然后裂解产生腺苷酸和延胡索酸腺苷酸和延胡索酸。l IMPIMP也可在也可在IMPIMP脱氢酶脱氢酶的催
13、化下，以的催化下，以NADNAD+ +为受氢体，脱氢为受氢体，脱氢氧化为氧化为黄苷酸黄苷酸（XMPXMP），后者再在），后者再在鸟苷酸合成酶鸟苷酸合成酶催化下，催化下，由由谷氨酰胺谷氨酰胺提供氨基合成提供氨基合成鸟苷酸鸟苷酸。化学与化学工程学院化学与化学工程学院H2O + NAD+XMPIMP脱氢酶脱氢酶NADH + H+Asp + GTPIMPAMP-S腺苷酸琥腺苷酸琥珀酸合成酶珀酸合成酶GDP + PiGln + ATPGMP鸟苷酸合成酶鸟苷酸合成酶Glu + AMP + PPiAMP腺苷酸琥腺苷酸琥珀酸裂解酶珀酸裂解酶延胡索酸延胡索酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 嘌呤核苷酸是在
14、嘌呤核苷酸是在磷酸核糖磷酸核糖分子上逐步合成的。分子上逐步合成的。p 先合成先合成IMPIMP，再转变成，再转变成AMPAMP或或GMPGMP。p PRPPPRPP是是5-5-磷酸核糖的活性供体。磷酸核糖的活性供体。化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 腺嘌呤磷酸核糖转移酶（腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRTAPRT）p 次黄嘌呤次黄嘌呤- -鸟嘌呤磷酸核糖转移酶鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT)(HGPRT)p 腺苷激酶腺苷激酶参与补救合成的酶参与补救合成的酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷AMPATPADP腺腺苷苷激激酶酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院 补救合成
15、节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。 弥补体内某些组织器官，如脑、骨髓等不能进行从头弥补体内某些组织器官，如脑、骨髓等不能进行从头合成核苷酸的不足。合成核苷酸的不足。化学与化学工程学院化学与化学工程学院PRPPPRPP合成酶合成酶谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶AMPAMP化学与化学工程学院化学与化学工程学院+_IMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATP_+GTPR-5-PATPPRPP合成酶合成酶PRPPPRAIMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸AMP ADPATPXMPGMPGDP
16、 GTP酰胺转移酶酰胺转移酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。等的类似物。 主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。化学与化学工程学院化学与化学工程学院 抗代谢物即代谢抑制物（剂），都是与代谢物在结抗代谢物即代谢抑制物（剂），都是与代谢物在结构上的类似物。它们在代谢反应中跟正常的代谢物构上的类似物。它们在代谢反应中跟正常的代谢物相拮抗，以减少正常代谢物参加反
17、应的机会，从而相拮抗，以减少正常代谢物参加反应的机会，从而影响正常代谢。影响正常代谢。化学与化学工程学院化学与化学工程学院次黄嘌呤次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)嘌呤类似物：主要有嘌呤类似物：主要有6-巯基嘌呤（巯基嘌呤（6-MP）化学与化学工程学院化学与化学工程学院6-MP6-MP核苷酸核苷酸从头合成途径从头合成途径补救合成途径补救合成途径HGPRTPRPP酰胺转移酶酰胺转移酶IMPAMP 和和 GMP- - - - - -化学与化学工程学院化学与化学工程学院（1 1）“从头合成从头合成”途径途径 嘧啶碱的合成嘧啶碱的合成 利用氨基酸、利用氨基酸、NHNH3 3和和COCO2
18、2等简单前体物逐步合成嘧啶核苷酸等简单前体物逐步合成嘧啶核苷酸化学与化学工程学院化学与化学工程学院氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸NCNCCC123456AspCO2GlnNH3化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 特点：特点：先利用小分子化合物形成嘧啶环，再与磷酸核先利用小分子化合物形成嘧啶环，再与磷酸核糖（糖（PRPPPRPP提供）结合成乳清酸，然后生成尿苷酸提供）结合成乳清酸，然后生成尿苷酸(UMP)(UMP)。其他嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而成。其他嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而成。p 合成部位：合成部位：主要是肝细胞的胞液主要是肝细胞的胞液化学与化学工程学院化学与化学工程学院COCO2 2+ +谷氨
19、酰胺谷氨酰胺ATPATP氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸转氨甲酰酶转氨甲酰酶PiPi氨甲酰磷氨甲酰磷酸合成酶酸合成酶 乳清苷酸乳清苷酸 二氢乳清酸二氢乳清酸二氢乳清酸酶二氢乳清酸酶H H2 2O O脱氢酶脱氢酶乳清酸磷酸乳清酸磷酸核糖转移酶核糖转移酶乳清酸苷乳清酸苷脱羧酶脱羧酶COCO2 2OMPOMPPRPPPRPP化学与化学工程学院化学与化学工程学院尿苷酸尿苷酸（UMPUMP）尿苷二磷酸尿苷二磷酸（UDPUDP）ATPADPATPADP尿苷三磷酸尿苷三磷酸（UTPUTP）谷氨酰胺谷氨酰胺 谷氨酸谷氨酸 CTP CTP ATP + H2OADP
20、 + PPi尿苷酸激酶尿苷酸激酶核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶CTP合成酶合成酶b.UTPb.UTP和和CTPCTP的生物合成的生物合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院尿嘧啶尿嘧啶PRPPPRPP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸PPiPPi尿嘧啶核糖磷酸转移酶尿嘧啶核糖磷酸转移酶 尿嘧啶尿嘧啶1-1-磷酸核糖磷酸核糖尿苷磷酸化酶尿苷磷酸化酶尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷PiPi尿苷激酶尿苷激酶ATPADPUMP胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷ATPATP尿苷激酶尿苷激酶CMP + ADPCMP + ADP（2 2）“补救补救”途径途径化学与化学工程学院化学与化学工程学院- - -ATP + CO2+ + 谷氨酰胺谷氨酰胺
21、 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸UMP 氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸天冬氨酸- -嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸ATP + 5-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸PRPP-（3 3）嘧啶核苷酸合成的调节）嘧啶核苷酸合成的调节化学与化学工程学院化学与化学工程学院二、脱氧核糖核苷酸的生物合成二、脱氧核糖核苷酸的生物合成 DNADNA合成需要脱氧核苷三磷酸为原料，生物体中的脱氧核合成需要脱氧核苷三磷酸为原料，生物体中的脱氧核苷酸是苷酸是由核糖核苷酸还原由核糖核苷酸还原生成的，即在生成的，即在核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶（RRRR）作用下，）作用下，核糖核苷二磷酸核糖核苷二磷酸（NDPNDP）核
22、糖部分的核糖部分的2 2- -羟基羟基被氢原子取代被氢原子取代，转变成脱氧核糖核苷二磷酸，转变成脱氧核糖核苷二磷酸（dNDPdNDP）。）。1 1、二磷酸脱氧核糖核苷的生成、二磷酸脱氧核糖核苷的生成化学与化学工程学院化学与化学工程学院氧化型硫氧氧化型硫氧还蛋白还蛋白SS核苷二磷酸还原酶核苷二磷酸还原酶SHSH还原型硫氧还原型硫氧还蛋白还蛋白NDP dNDP + H2O硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶(FAD)NADPH + H+NADP+二、脱氧核糖核苷酸的生物合成二、脱氧核糖核苷酸的生物合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院 胸苷合成酶胸苷合成酶NADPH + H+ + SerNADP+
23、+ Gly N5,N10 CH2-FH4 FH2二氢叶酸二氢叶酸还原酶还原酶SerSer羟甲基羟甲基转移酶转移酶ONHNOdR-PCH3ONHN OdR-PdUMPdTMP2 2、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸苷酸由脱氧尿苷酸甲基化生成胸苷酸由脱氧尿苷酸甲基化生成化学与化学工程学院化学与化学工程学院3 3、脱氧核苷酸的抗代谢物、脱氧核苷酸的抗代谢物 5-5-氟尿嘧啶及阿糖胞苷、环胞苷等，氟尿嘧啶及阿糖胞苷、环胞苷等，在体内转化为相应在体内转化为相应的核苷一磷酸及核苷三磷酸，能与的核苷一磷酸及核苷三磷酸，能与胸苷酸合成酶胸苷酸合成酶结合成不结合成不解离的复合物，从而抑制解
24、离的复合物，从而抑制dTMPdTMP的合成，可以阻断的合成，可以阻断TMPTMP合成。合成。氨蝶呤及甲氨蝶呤是叶酸的衍生物，氨蝶呤及甲氨蝶呤是叶酸的衍生物，能竞争抑制二氢叶能竞争抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸。酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸。化学与化学工程学院化学与化学工程学院胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶HNNHOOFHNNHOOCH3thymine5-FU5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU) 是胸腺嘧啶的类似物。是胸腺嘧啶的类似物。3 3、脱氧核苷酸的抗代谢物、脱氧核苷酸的抗代谢物化学与化学工程学院化学与化学工程学院4 4、核苷三磷酸的生物合成、核苷
25、三磷酸的生物合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院嘌呤核苷酸合成小结嘌呤核苷酸合成小结dATPdGTPAMPGMPADPGDPdADPdGDPIMPATPGTP化学与化学工程学院化学与化学工程学院CTP嘧啶核苷酸合成小结嘧啶核苷酸合成小结UDPUTPCDPdUDPdCDPdUMPdCMPdTMPUMPdTDPdTTPdCTP化学与化学工程学院化学与化学工程学院复制：复制：是亲代双链是亲代双链DNADNA按碱基配对原则，准确形成按碱基配对原则，准确形成两个相同核苷酸序列的子代两个相同核苷酸序列的子代DNADNA分子的过程。两条分子的过程。两条DNADNA链都可作为复制的模板。链都可作为复制的模
26、板。 复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA三、三、DNADNA的生物合成的生物合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院1 1、DNADNA的半保留复制的半保留复制DNADNA在复制时，两条链分开，在在复制时，两条链分开，在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下按的催化下按碱基配对方式碱基配对方式按照单链按照单链DNADNA的核苷酸顺序合成新链，的核苷酸顺序合成新链，以组成新的以组成新的DNADNA分子。分子。这样新形成的两个子代这样新形成的两个子代DNADNA分子碱基序列与亲代分子完全分子碱基序列与亲代分子完全一样。一条链来自亲代的一样。一条链来自亲代的DNADNA链，另一条链是新合成的，链，另一条
27、链是新合成的，这种复制方式称为这种复制方式称为半保留复制。半保留复制。化学与化学工程学院化学与化学工程学院A TG CC GT A亲代DNATCGAA G C TA G C TTCGA子代DNA化学与化学工程学院化学与化学工程学院DNA半保留复制实验半保留复制实验 含含N15-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果化学与化学工程学院化学与化学工程学院 15N DNA14N- 15N DNA14N DNA14N- 15N DNA亲亲代代第第一一代代第第二二代代实验证据实验证据: : 19571
28、957年年MeselsonMeselson和和StahlStahl用同位用同位素素1515N N标记大肠标记大肠杆菌杆菌DNADNA，首先，首先证明了证明了DNADNA的半的半保留复制。保留复制。化学与化学工程学院化学与化学工程学院p按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNADNA与亲代与亲代DNADNA的的碱基序列碱基序列一致一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的的相对稳定性相对稳定性。p遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是不是绝对的绝对的。半保留复制的意义半保留复制的意义化学与化
29、学工程学院化学与化学工程学院（1 1）大肠杆菌）大肠杆菌DNADNA聚合酶：聚合酶：将脱氧核苷酸连接成将脱氧核苷酸连接成DNADNA2、DNA复制酶复制酶u DNA DNA聚合酶聚合酶I I催化催化DNADNA新链合成时需要：新链合成时需要：u 4 4种种dNTPdNTP底物底物：(dATP(dATP、dGTPdGTP、dCTPdCTP、dTTP) dTTP) 、MgMg2+2+u DNA DNA模板模板: : 解开成单链的解开成单链的DNADNA母链母链u 引物：引物：与模板与模板DNADNA互补的一小段多核苷酸互补的一小段多核苷酸, ,其上带有其上带有能与核苷酸相结合的游离能与核苷酸相结合
30、的游离3-OH3-OHu 合成的方向合成的方向：5353化学与化学工程学院化学与化学工程学院复制的基本化学反应是核苷酸之间生成：复制的基本化学反应是核苷酸之间生成：3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 化学与化学工程学院化学与化学工程学院nDNADNA聚合酶聚合酶I I的性质的性质 分子量：分子量：103000103000，单链，球形，活性部位含，单链，球形，活性部位含ZnZn2+2+，电镜下，电镜下可以看到可以看到二聚体二聚体，每个细胞有，每个细胞有400400个酶分子。个酶分子。l 19551955年年KornbergKornbe
31、rg等首先从大肠杆菌中发现等首先从大肠杆菌中发现DNADNA聚合酶聚合酶（polpol），其后在广泛不同的生物中找到有这种酶。），其后在广泛不同的生物中找到有这种酶。化学与化学工程学院化学与化学工程学院 53 53聚合酶活性；聚合酶活性； 3535外切酶活性；外切酶活性； 5353外切酶活性；外切酶活性； 主要功能是对主要功能是对DNADNA损伤的修复损伤的修复以及以及在在DNADNA复制时，复制时，RNARNA引物切除后，填补其留下的空隙。引物切除后，填补其留下的空隙。DNADNA聚合酶聚合酶I I功能功能化学与化学工程学院化学与化学工程学院5 A G C T T C A G G A T 3
32、 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能能切除引物和突变的切除引物和突变的 DNA片段片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 5353的聚合酶活性的聚合酶活性p 3535外切酶活性外切酶活性 只是在无只是在无polpol及及polpol的情况下暂时起作用。的情况下暂时起作用。 对模板的特异性不高对模板的特异性不高, , 可
33、能在可能在DNADNA损伤修复损伤修复中起作用中起作用 pol II pol II化学与化学工程学院化学与化学工程学院l 是复制延长中真正起催化作用的酶。是复制延长中真正起催化作用的酶。l 由由1010种亚基组成种亚基组成不对称的二聚体不对称的二聚体，每个单体都具有催，每个单体都具有催化活性，一个作用于化活性，一个作用于前导链前导链，一个作用于，一个作用于随从链随从链。l 使使DNADNA两股链在同一位置同一时间进行合成。两股链在同一位置同一时间进行合成。 pol pol 化学与化学工程学院化学与化学工程学院包括包括DNADNA聚合酶聚合酶、p DNA DNA聚合酶聚合酶和和：复制染色体：复制
34、染色体DNADNA。p DNADNA聚合酶聚合酶负责随从链负责随从链的合成。的合成。p DNADNA聚合酶聚合酶催化领头链催化领头链的合成，还具有的合成，还具有3 355外外切酶活性切酶活性。（2 2）真核细胞的）真核细胞的DNADNA聚合酶聚合酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院催化催化DNADNA聚合聚合参与参与DNADNA损伤损伤的应急状态修的应急状态修复复校对、修复合校对、修复合成、切除引物成、切除引物填补空隙填补空隙功能功能2040400分子数分子数/细胞细胞1011亚基数亚基数+5 外切酶活性外切酶活性+ 5 外切酶活性外切酶活性+5 聚合酶活性聚合酶活性pol IIIpol I
35、Ipol IE. Coli中的中的DNA聚合聚合酶酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院（3 3）DNADNA连接酶连接酶催化双链催化双链DNADNA中的切口处的相邻中的切口处的相邻5 5- -磷酸基与磷酸基与3 3- -羟基羟基之之间形成磷酸酯键，从而把两段相邻的间形成磷酸酯键，从而把两段相邻的DNADNA链连接成一条链连接成一条完整的链。完整的链。不能将两条游离的不能将两条游离的DNADNA单链连接起来单链连接起来。化学与化学工程学院化学与化学工程学院POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATP（NAD+）AMP5353DNADNA连接酶：连接酶：若双链若双链DNADN
36、A中一条链有切口中一条链有切口, , 一端是一端是3-OH, 3-OH, 另一端是另一端是5-5-磷酸基磷酸基, ,连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 在复制中起接合在复制中起接合双链中单链缺口双链中单链缺口的作用。的作用。p 在在DNA复制、修复、重组中均起重要作用。复制、修复、重组中均起重要作用。p 是基因工程的重要工具酶之一。是基因工程的重要工具酶之一。DNADNA连接酶的功能连接酶的功能化学与化学工程学院化学与化学工程学院（4 4）拓扑异构酶）拓扑异构酶n DNA DNA复制时双链复制时
37、双链DNADNA解开为单链，解开为单链，DNADNA分子绕双螺旋分子绕双螺旋轴反向旋转。轴反向旋转。n 复制速度快，旋转的速度也很快，将达复制速度快，旋转的速度也很快，将达100100次次/ /秒，秒，造成造成DNADNA分子的打结、缠绕现象发生。分子的打结、缠绕现象发生。n 需要需要DNADNA拓扑异构酶的作用，来理顺拓扑异构酶的作用，来理顺DNADNA双链，以配双链，以配合复制过程。合复制过程。化学与化学工程学院化学与化学工程学院解链过程中，解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。连环等现象。（4 4）拓扑异构酶）拓扑异构酶化学与化学工程学院化
38、学与化学工程学院 拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中的打结、缠绕现象克服解链过程中的打结、缠绕现象 拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶 分分 类类（4 4）拓扑异构酶）拓扑异构酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过切链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。口旋转使
39、超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分分子进入负超螺旋状态。（主要）子进入负超螺旋状态。（主要）作用机制作用机制 化学与化学工程学院化学与化学工程学院拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用化学与化学工程学院化学与化学工程学院拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用化学与化学工程学院化学与化学工程学院（5 5）解螺旋酶）解螺旋酶 解螺旋酶解螺旋酶又称解链酶或又称解链酶或reprep蛋白蛋白 利用利用ATPATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNADNA双链双链解开成为两条解开成为两条单链单链。 每解开一对碱基，需消耗每解开一对碱基，需消耗2 2分子分子ATPATP。化学
40、与化学工程学院化学与化学工程学院3 3、DNADNA的复制过程的复制过程（1）复制的起始）复制的起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：a. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。b. 合成引物，提供合成引物，提供3 -OH末端；形成引发体。末端；形成引发体。化学与化学工程学院化学与化学工程学院复制的起始点复制的起始点 p DNA DNA复制开始于染色体上的特定部位，称为复制开始于染色体上的特定部位，称为起始点起始点，用，用oricCoricC表示。表示。p 在在DNADNA的复制原点，双股螺旋解开，成单链状态，分别作为的复制原点，双股螺旋解开，成单链状态，分别作为模板，各自合成其
41、互补链。模板，各自合成其互补链。p 在起点处形成一个在起点处形成一个“眼眼”状结构，在的两端出现两个叉子状结构，在的两端出现两个叉子状的生长点，称为状的生长点，称为复制叉复制叉。p 在复制叉上结合各种与复制有关的酶和辅助因子，并在在复制叉上结合各种与复制有关的酶和辅助因子，并在DNADNA链上构成与核糖体相似大小的复合体称为链上构成与核糖体相似大小的复合体称为复制体复制体。化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院化学与化学工程学院 复制的方向复制的方向 复制的方向有三种不同的机制：复制的方向有三种不同的机制：p 从两个起始点开始，各以相反的单一方向生长出一条新从两个起始点开始，各
42、以相反的单一方向生长出一条新链，形成两个复制叉；链，形成两个复制叉；p 从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个个复制叉复制叉；p 从一个起始点开始，沿两个相反的方向各生长出两条链，从一个起始点开始，沿两个相反的方向各生长出两条链，形成两个复制叉形成两个复制叉双向复制双向复制。化学与化学工程学院化学与化学工程学院 复制的方向复制的方向 化学与化学工程学院化学与化学工程学院复制起始点、复制子与复制叉复制起始点、复制子与复制叉化学与化学工程学院化学与化学工程学院 RNA RNA引物的合成引物的合成p DNA DNA聚合酶都需要一个具有聚合酶
43、都需要一个具有3 3-OH-OH的引物的引物才能将才能将合成原料合成原料dNTPdNTP一个一个接上去，一个一个接上去，RNARNA引物酶引物酶（引（引物合成酶，引发酶）可物合成酶，引发酶）可以以DNADNA为模板合成一段为模板合成一段RNARNA，做为合成做为合成DNADNA的引物。的引物。化学与化学工程学院化学与化学工程学院3 5 3 5 3 5 3 5 解链方向解链方向领头链领头链随从链随从链3 5 （2 2）复制的延长：）复制的延长：复制的半不连续性复制的半不连续性化学与化学工程学院化学与化学工程学院p 1968 1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影年日本生化学者冈崎用电镜及放
44、射自显影技术，观察到技术，观察到DNADNA复制中出现一些复制中出现一些不连续的片段不连续的片段，将这些不连续的片段称为将这些不连续的片段称为冈崎片段冈崎片段。p 原核生物原核生物: : 1000100020002000个核苷酸。个核苷酸。 p 真核生物真核生物: : 100100200200个核苷酸。个核苷酸。冈崎片段冈崎片段化学与化学工程学院化学与化学工程学院复复制制过过程程简简图图化学与化学工程学院化学与化学工程学院n 顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的这股链称顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的这股链称为为领头链或前导链领头链或前导链。n 另一股链因为复制的方向与解链方向相反
45、，不能顺着解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链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链或后随随从链或后随连连。n 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不半不连续性连续性。化学与化学工程学院化学与化学工程学院领头链的合成领头链的合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院随从链的合成随从链的合成化学与化学工程学院化学与化学工程学院半不连续复制动画半不连续复制动画化学与化学工程学院化学与化学工程学院（3 3）复制的终止）复制的终止 在在DNADNA延长阶段结束后，原核生物的延长阶段结束后，原核
46、生物的RNARNA引物被引物被DNADNA聚聚合酶合酶切除，切除，留下的空隙由留下的空隙由DNADNA聚合酶聚合酶进行补满进行补满，即从，即从另一冈崎片段的另一冈崎片段的3 3-OH-OH按按5 533根据碱基配对原则，将一个根据碱基配对原则，将一个个的个的dNTPdNTP补上去，最后的缺口再由补上去，最后的缺口再由DNADNA连接酶将相邻的两连接酶将相邻的两个核苷酸借磷酸二酯键连起来个核苷酸借磷酸二酯键连起来，即成完整的一条新链。，即成完整的一条新链。化学与化学工程学院化学与化学工程学院4 4、RNARNA指导的指导的DNADNA合成合成 以以RNARNA为模板为模板，按照，按照RNARNA
47、中的核苷酸顺序中的核苷酸顺序合成合成DNADNA，与通常，与通常转录过程中遗传信息从转录过程中遗传信息从DNADNA到到RNARNA的方向相反，称为的方向相反，称为逆转录逆转录。 逆转录酶逆转录酶(RNA(RNA依赖的依赖的DNADNA聚合酶聚合酶) )以以RNARNA为模板在四种为模板在四种dNTPdNTP存在及合适条件下，按照碱基互补配对的原则合成存在及合适条件下，按照碱基互补配对的原则合成互补互补DNADNA（cDNAcDNA）。）。 逆转录逆转录酶酶化学与化学工程学院化学与化学工程学院逆转录酶逆转录酶 从从RNA病毒中发现，能催化以病毒中发现，能催化以RNA为模板合成双链为模板合成双链
48、DNA的酶，全称为的酶，全称为依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶。 活性：活性：RNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性 RNase H活性活性 DNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性化学与化学工程学院化学与化学工程学院四、四、DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 突变突变：DNADNA的核苷酸序列永久的改变称为突变，的核苷酸序列永久的改变称为突变，从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNADNA分子上碱基的改变。分子上碱基的改变。 进化进化：突变有利于生物的生存则保留下来。：突变有利于生物的生存则保留下来。 淘汰淘汰：突变不适应于自然选择。：突变不适应于自然选择。化学与化学工
49、程学院化学与化学工程学院 1 1、DNADNA损伤的类型损伤的类型 DNADNA损伤：损伤：泛指一切泛指一切DNADNA结构和功能的变化。包括各种结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和突变类型、碱基的损伤和DNADNA链的断裂。链的断裂。 突变：突变：是由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改是由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改变。从分子水平来看，突变就是变。从分子水平来看，突变就是DNADNA分子上碱基的改变。分子上碱基的改变。化学与化学工程学院化学与化学工程学院（1 1）点突变：）点突变： DNADNA分子上分子上一个碱基一个碱基的变异，常见的是的变异，常见的是碱基对的置换碱基
50、对的置换。 转换：转换：发生在发生在同型碱基同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。啶代替另一嘧啶。 颠换：颠换：发生在发生在异型碱基异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。 1 1、DNADNA损伤的类型损伤的类型化学与化学工程学院化学与化学工程学院镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链C
