第10章

核酸代謝和蛋白質(zhì)

的生物合成導言俗語說“種瓜得瓜，種豆得豆”，其中蘊含著在生物界中普遍存在的遺傳規(guī)律；而“世界上沒有完全相同的兩片葉子”卻又預示了遺傳現(xiàn)象的復雜性和可變性。對于生物體而言，貯存遺傳信息的物質(zhì)就是核酸，它是記載生物體的演變、種屬特征及一切生命活動規(guī)律的圖書館。本章書除了闡述核苷酸的基本代謝外，還將從復制、轉(zhuǎn)錄及翻譯等幾個方面分別闡述與遺傳信息傳遞有關(guān)的重要理論知識。第1節(jié)

核酸代謝從頭合成途徑：是指細胞利用一碳單位、磷酸核糖和氨基酸等基本原料，經(jīng)過一系列復雜的酶促反應(yīng)，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的過程。核苷酸的合成代謝補救合成途徑：是指細胞利用已有的嘌呤堿或嘧啶堿以及它們的核苷形式，經(jīng)過簡單的酶促反應(yīng)，合成嘌呤或嘧啶核苷酸的過程一、核苷酸的合成代謝（一）嘌呤核苷酸的合成1.嘌呤核苷酸的從頭合成部位肝(主要),小腸黏膜和胸腺（次要）合成原料甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、一碳單位、二氧化碳和5-磷酸核糖5—磷酸核糖+ATP5—磷酸核糖—1—焦磷酸……IMP

PRPP合成酶腺苷酸代琥珀酸AMP腺苷酸代琥珀酸合成酶天冬氨酸Mg2+GTP裂解酶延胡索酸IMP黃嘌呤（XMP）GMPIMP脫氫酶NAD+

H2OGMP合成酶NADH+H+谷氨酰胺Mg2+

ATP谷氨酸IMPIMP的生成：AMP和GMP的生成：呤核苷酸從頭合成過程：2.嘌呤核苷酸的補救合成APRT：腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶HGPRT：次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶腺嘌呤+PRPPAPRTAMP+PPi次黃嘌呤+PRPP

HGPRTIMP+PPi鳥嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi腺嘌呤核苷+ATP激酶AMP+ADP案例10—1患兒，男，4歲，經(jīng)常用指甲和器械劃傷自己的臉部，用牙咬破自己的口唇和手指，智力低下，并有痛風癥表現(xiàn)。實驗室檢查：患兒血尿酸增高。診斷為Lesch-Nyhan綜合征，也稱自毀容貌征。問題：是什么原因?qū)е禄純喊l(fā)生自毀容貌征？（二）嘧啶核苷酸的合成1.嘧啶核苷酸的從頭合成部位主要是在肝細胞中進行。合成原料谷氨酰胺、CO2、天冬氨酸、5-磷酸核糖。胸腺嘧啶核苷酸的合成還需要一碳單位。

UMP的合成：由谷氨酰胺與CO2生成氨基甲酰磷酸，以此為起點逐步形成嘧啶環(huán)，再由PRPP提供磷酸核糖，合成鳥苷酸（UMP）。UTP、CTP的生成：UMP在激酶催化下生成UTP。UTP可氨基化生成CTP。嘧啶核苷酸的從頭合成過程2.嘧啶核苷酸的補救合成嘧啶堿+PRPP嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶磷酸嘧啶核苷+PPi尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶UMP+ADP胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶TMP+ADP（三）脫氧核苷酸的合成嘌呤和嘧啶脫氧核苷酸合成是在二磷酸核苷酸（NDP）水平進行，供氫體是NADPH+H+。N代表A、G、C、U四種堿基。核糖核苷酸還原酶NDPdNDPNADPHNADP++H2O脫氧胸甘酸（dTMP）的合成是由脫氧尿甘酸（dUMP）甲基化生成。dTMP的生成（四）核苷酸抗代謝物及應(yīng)用核苷酸抗代謝物是指與核苷酸合成過程的中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似的一些類似物。如：嘌呤、嘧啶、氨基酸、葉酸等。通過競爭性抑制方式，干擾和阻斷核苷酸的合成。應(yīng)用：

臨床上常用6-巰基嘌呤（6-MP）及5-氟尿嘧啶（5-FU）對腫瘤進行化學治療。

嘌呤核苷酸抗代謝物抗代謝物相似物作用6－巰基嘌呤次黃嘌呤抑制IMP轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP氮雜絲氨酸谷氨酰胺抑制嘌呤核酸的合成氨蝶呤甲氨蝶呤葉酸阻斷二氫葉酸及四氫葉酸的生成→影響一碳單位的代謝嘧啶核苷酸抗代謝物抗代謝物相似物作用5－氟尿嘧啶胸腺嘧啶阻斷嘧啶核苷酸的合成氮雜絲氨酸谷氨酰胺抑制CTP的合成氨蝶呤甲氨蝶呤葉酸干擾一碳單位的代謝，影響嘧啶核苷酸合成二、核苷酸的分解代謝（一）嘌呤核苷酸的分解代謝嘌呤堿代謝的終產(chǎn)物是尿酸，隨尿排出。痛風癥：過多尿酸以鈉鹽形式沉積于關(guān)節(jié)、軟組織和軟骨等處，發(fā)生尿酸鹽結(jié)石及炎癥反應(yīng)。治療：別嘌呤醇（二）嘧啶核苷酸的分解代謝胞嘧啶→尿嘧啶→β－丙氨酸、NH3和CO2胸腺嘧啶→β－氨基異丁酸、NH3和CO2案例10—2

患者,男，52歲,某日飲酒后于夜間發(fā)生踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等多處關(guān)節(jié)紅腫，疼痛劇烈。入院后經(jīng)實驗室檢查為高尿酸血癥，診斷為痛風。入院期間給予秋水仙堿等進行抗炎、止痛治療，給予別嘌呤醇抑制尿酸合成。問題：用別嘌呤醇治療痛風的機理是什么？三、DNA的生物合成——復制遺傳信息傳遞的中心法則：概念：DNA復制是指以親代DNA為模板，在酶的催化下，合成子代DNA的過程。

DNA復制的方式：半保留復制親代DNA子代DNA復制來自親代DNA新合成鏈（一）DNA復制模板親代DNA兩條單鏈為模板方向：5′→3′dNTP（N為A、G、C、T）原料：A與T配對，G與C配對

堿基互補配對酶和蛋白質(zhì)因子解鏈酶、拓撲異構(gòu)酶、單鏈DNA結(jié)合蛋白、引物酶、DNA聚合酶、DNA連接酶

復制特點酶作用拓撲異構(gòu)酶松解、理順DNA超螺旋。解鏈酶

解開DNA雙鏈之間的氫鍵，形成單鏈DNA模板。引物酶

以單鏈DNA為模板，合成RNA引物，以提供3′－OH。DNA連接酶

DNA復制終止階段，催化DNA分子上的片段缺口之間形成磷酸二酯鍵。DNA聚合酶以單鏈DNA為模板，以dNTP作為原料，按堿基配對原則，催化DNA新鏈的合成。單鏈DNA結(jié)合蛋白能結(jié)合在DNA單鏈上，具有保護和穩(wěn)定DNA模板單鏈的作用參與復制的酶和蛋白質(zhì)因子起始階段延長階段終止階段在拓撲異構(gòu)酶、解鏈酶及單鏈DNA結(jié)合蛋白和蛋白因子的參與下，DNA雙螺旋解開形成單鏈。引物酶利用模板DNA單鏈，合成一段RNA引物。DNA聚合酶利用4種dNTP原料，在RNA引物的3′－OH端按照堿基互補配對逐步加入脫氧核苷酸，通過磷酸二酯鍵連接形成新鏈，新鏈沿5′→3′不斷延長合成一條前導鏈和一條隨從鏈。DNA復制末，RNA酶將新合成鏈上的引物水解，出現(xiàn)的空隙由DNA聚合酶加入相應(yīng)的脫氧核苷酸。前導鏈和隨從鏈上的缺口由DNA連接酶催化進行連接，最終形成完整的DNA鏈復制的過程AGCTTAGCAAGCCATCGGA3′5′5′3′CGGTAGCCT5′RNA引物TCGAA領(lǐng)頭鏈5′3′3′隨從鏈解鏈方向DNA復制過程（二）逆轉(zhuǎn)錄RNA逆轉(zhuǎn)錄dNTPcDNA水解RNA催化合成DNA互補鏈dNTP雙鏈DNA概念：以RNA為模板，合成DNA鏈的過程。逆轉(zhuǎn)錄酶：為多功能酶。逆轉(zhuǎn)錄過程：DNA損傷：又稱點突變，是DNA分子結(jié)構(gòu)改變從而導致遺傳信息的改變。

DNA的修復：在一定條件下，DNA的損傷可通過相應(yīng)的修復機制進行修補。如：切除修復、重組修復（三）、DNA的損傷與修復三、RNA的生物合成（一）概念：以DNA為模板，合成RNA的過程。（二）原料：NTP（N代表A、G、C、U四種堿基）。（三）模板：DNA雙鏈在轉(zhuǎn)錄中只有一條鏈起模板作用，稱為模板鏈（或有意義鏈），與其互補的另一條鏈稱為編碼鏈（或反意義鏈）不對稱轉(zhuǎn)錄5′3′3′5′模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈編碼鏈DNA不對稱轉(zhuǎn)錄：只以DNA單鏈的某一區(qū)段作為模板進行轉(zhuǎn)錄。模板鏈不是永遠都在同一條DNA單鏈上。原核生物RNA聚合酶是由四種亞基α2、β、β′和σ組成的五聚體，其中σ亞基能辨認轉(zhuǎn)錄的起始位點，脫離了σ亞基后的四聚體（α2ββ′）稱為核心酶，能催化RNA鏈的延長。σ：辨認識別轉(zhuǎn)錄起始點。ααβ

β

′ααβ

β

′σ核心酶全酶（四）RNA聚合酶起始階段（五）轉(zhuǎn)錄的過程延長階段終止階段RNA聚合酶的σ亞基識別模板鏈上的啟動子，以全酶的形式與之結(jié)合，該部位DNA螺旋解開，形成局部單鏈。按照堿基互補配對原則對應(yīng)上相應(yīng)的原料，原料之間通過磷酸二酯鍵，當?shù)谝粋€磷酸二酯鍵形成成后，σ亞基從全酶上脫落下來，完成轉(zhuǎn)錄的起始。σ亞基脫落后，核心酶沿著DNA模板鏈3′→5′方向移動，使DNA雙鏈解鏈，同時催化4種NTP按模板鏈互補（T與A、A與U和G與C)的核苷酸序列逐個連接，使RNA按5′→3′方向不對延伸，合成RNA鏈。當核心酶沿著DNA模板鏈3′→5′方向移動到終止信號時，轉(zhuǎn)錄結(jié)束。新合成的RNA鏈及RNA聚合酶便從模板鏈上脫落下來。

轉(zhuǎn)錄過程示意圖轉(zhuǎn)錄特點3、酶：RNA聚合酶2、原料：NTP（N為A、G、C、U）1、模板：DNA一條單鏈為模板，方向：5′→3′4、堿基互補配對：A與U配對，T與A配對，G與C配對DNA復制與RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別復制轉(zhuǎn)錄模板單鏈DNA模板單鏈DNA模板原料dNTP（N：A、G、C、T）NTP（N：A、G、C、U）聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要合成一段RNA引物不需要引物堿基配對A與T、G與CA與U、A與T、G與C產(chǎn)物DNA分子三種RNA特征半保留復制不對稱轉(zhuǎn)錄第2節(jié)

蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)合成體系場所：核糖體基本原料：20種編碼氨基酸其它：蛋白質(zhì)因子（起始因子、延長因子、終止因子）、GTP、ATP、Mg2+、K+等合成體系三種RNA共同參與方向：沿模板5′→3′進行蛋白質(zhì)合成方向：N端→C端mRNAtRNArRNA一、RNA在蛋白質(zhì)合成中的作用是運載氨基酸的工具與蛋白質(zhì)裝配形成核糖體，是蛋白質(zhì)合成的場所是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板，以mRNA上的遺傳密碼來指導蛋白質(zhì)的生物合成。遺傳密碼：mRNA鏈上沿5′→3′方向，每3個相鄰的核苷酸為一組，這3個相鄰核苷酸稱為一個遺傳密碼或密碼子，代表一種氨基酸。mRNA鏈上的4種核苷酸共有64個密碼子，其中61個密碼子編碼20種氨基酸（AUG為起始密碼，又代表蛋氨酸）;UAA、UAG和UGA為終止密碼，不代表任何氨基酸（一）：mRNA遺傳密碼表5′端第一位核苷酸第二位核苷酸3′端第三位核苷酸UCAGU苯丙氨酸UUU絲氨酸UCU酪氨酸UAU半胱氨酸UGUU苯丙氨酸UUC絲氨酸UCC酪氨酸UAC半胱氨酸UGCC亮氨酸UUA絲氨酸UCA終止密碼UAA終止密碼UGAA亮氨酸UUG絲氨酸UCG終止密碼UAG色氨酸UGGGC亮氨酸CUU脯氨酸CCU組氨酸CAU精氨酸CGUU亮氨酸CUC脯氨酸CCC組氨酸CAC精氨酸CGCC亮氨酸CUA脯氨酸CCA谷氨酸CAA精氨酸CGAA亮氨酸CUG脯氨酸CCG谷氨酸CAG精氨酸CGGGA異亮氨酸AUU蘇氨酸ACU天冬氨酸AAU絲氨酸AGUU異亮氨酸AUC蘇氨酸ACC天冬酰胺AAC絲氨酸AGCC異亮氨酸AUA蘇氨酸ACA賴氨酸AAA精氨酸AGAA甲硫氨酸AUG蘇氨酸ACG賴氨酸AAG精氨酸AGGGG纈氨酸GUU丙氨酸GCU天冬氨酸GAU甘氨酸GGUU纈氨酸GUC丙氨酸GCC天冬氨酸GAC甘氨酸GGCC纈氨酸GUA丙氨酸GCA谷氨酸GAA甘氨酸GGAA纈氨酸GUG丙氨酸GCG谷氨酸GAG甘氨酸GGGG文本簡并性擺動性通用性遺傳密碼的特點方向性連續(xù)性模板mRNA5′AUGCCAUCUGGCAUC-----------CUCUAAMetProSerGlyIle----------Leu終止密碼NC蛋白質(zhì)多肽鏈密碼子閱讀方向

肽鏈合成方向mRNA上的遺傳密碼指導合成蛋白質(zhì)多肽鏈

UCA5′

3′

mRNA

AGUCCA3′

5′

123321反密碼子與密碼子之間的配對（二）tRNA絲氨酸大亞基

小亞基有轉(zhuǎn)肽酶活性和兩個tRNA結(jié)合部位給位（P位）受位（A位）有mRNA

結(jié)合部位由大小兩個亞基組成（三）rRNA二、蛋白質(zhì)生物合成過程氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運核糖體循環(huán)肽鏈合成的起始肽鏈合成的延長肽鏈合成的終止轉(zhuǎn)肽移位進位合成過程（一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運氨基酸與相應(yīng)的tRNA結(jié)合生成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶核糖體循環(huán)是指活化的氨基酸由tRNA轉(zhuǎn)運至核糖體上，以mRNA為模板合成多肽鏈的過程。（二）核糖體循環(huán)AUGAUGAUGIF-2起始因子mRNA小亞基大亞基PAfMetIF-2GTP蛋氨酰－tRNAPAGTPfMet（1）肽鏈合成的起始形成起始復合物（2）肽鏈合成的延長進位轉(zhuǎn)肽移位在延長因子、GTP、Mg2+參與下，氨基?！猼RNA上的反密碼子識別處于A位上mRNA的密碼子，并與之結(jié)合，進入A位。核糖體P位上蛋氨酰－tRNA（或肽酰－tRNA）的蛋氨酸（或肽?；┮浦罙位，與結(jié)合在A位上氨基酰－tRNA的氨基形成肽鍵。轉(zhuǎn)肽完成后，核糖體向mRNA的3′端移動一個密碼子的距離，下一個密碼子即進入A位AUGPAfMetEAATuGTPTuGDPAUGPAfMetE

AA氨基酰－tRNA進位AUGPAfMetEAAAUGPAEAAfMet肽鍵甲酰化蛋氨酸氨基酸轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)肽PAEAAfMetAUGPAEAAfMetAUGA位空出待下一個氨基酰－tRNA進入模板mRNA鏈上下一個密碼子進入A位轉(zhuǎn)位酶GTPGDP移位多肽鏈A位出現(xiàn)終止密碼釋放因子RF識別結(jié)合起始因子IFUAAPAEtRNA小亞基大亞基mRNA3.肽鏈合成的終止三、蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學的關(guān)系（一）分子病例：鐮刀形紅細胞性貧血癥N纈1

組2

亮2

蘇4

脯5

谷6

谷7

賴8

絲9

丙10....................天冬100..................C

3′……..CTC………………......................5′5′….....GAG………………......................3′轉(zhuǎn)錄翻譯DNARNAPr正常成人血紅蛋白β鏈及其基因N纈1

組2

亮2

蘇4

脯5

纈6

谷7

賴8

絲9

丙10....................天冬100..................C

3′……..CAC………………......................5′5′……