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竞赛辅导-细胞代谢



细胞代谢


细胞呼吸
光合作用



细胞呼吸
是生物获取能的方式 呼吸商(R. Q):VCO2和VO2的比 不同的呼吸底物有不同的值。葡萄糖 为1,一般脂肪酸为0.71,蛋白质为 0.80。 值越小,所含的化学能就越多, 脂肪作为细胞或生物体贮存的营养物 就最为适宜。
<

br /> 一.细胞有氧呼吸的全过程 可以分为四个部分:
1. 糖酵解 2.乙酰CoA的形成(丙酮酸氧化 脱羧) 3. 三羧酸循环(柠檬酸循环) 4. 电子传递链

1、糖酵解
?是指在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮 酸的过程,此过程中伴有少量ATP的生 成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸, 有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生 成乙酰CoA进入三羧酸循环,生成CO2 和H2O。
总反应为: 葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+ ——> 2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H++2H2O

(1)葡萄糖的活化

关键酶

以上为第一阶段,1个葡萄糖转化为2个 PGAL。消耗2个ATP

糖酵解第一阶段有两个关键酶: 1.已糖激酶:
主要分布在肝,肾以外组织中;专一性不强; 葡萄糖激酶则分布在肝中,专一性强.

调节:

葡萄糖,ATP是激活剂;6-磷酸葡 萄糖和ADP是变构抑制.

2.磷酸果糖激酶(PFK) 调节: 低能状态(AMP),果糖2,6-二磷酸
是激活剂;高能状态(ATP),柠檬 酸是变构抑制.

氧化

底物水平磷酸化

关键酶 以上是糖酵解的第二阶段,共生成4个 ATP,2个(NADH+H+)

小结:糖酵解
1,6-二磷 3-磷酸 葡萄糖 酸果糖 甘油醛 2ATP 2ADP 2NAD+ 活化 磷酸二 羟丙酮 4ADP 4ATP 丙酮酸

2NADH+H+

糖酵解三个关键酶:

已糖激酶,6-磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶
调节:底物促进;产物抑制 3种产物:ATP,NADH,丙酮酸. ①ATP的去向?

②NADH的去向?
③丙酮酸的去向?

丙酮酸的去路
葡萄糖 厌氧 厌氧

酒精
酒精发酵: 酵母菌

丙酮酸
有氧 三羧酸循环

乳酸
乳酸发酵 剧烈运动的 肌肉,红细胞

动植物,很多微生物细胞

2、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA
? 在线粒体的基质中发生,总共释放出2分子 CO2,生成二分子NADH+H+

丙酮酸脱氢酶复合体=3个酶+5个辅助因子 ①E1:丙酮酸脱氢酶,焦磷酸硫胺素(TPP); ②E2:二氢硫酰转乙酰基酶,硫辛酸,CoA-SH ③E3:二氢硫辛酸脱氢酶,NAD+,FAD

调节: 激活:AMP,CoA,NAD+,Ca2+ 抑制:ATP,乙酰CoA,NADH,脂肪酸

3、三羧酸循环(柠檬酸循环)
?反应过程的酶,除了琥珀酸脱氢酶是定位于 线粒体内膜外,其余均位于线粒体基质中。 ?主要事件顺序为: (1)乙酰CoA 与 草酰乙酸 结合,生 成六碳的柠檬酸,放出 CoA (2)柠檬酸 失去一个H2O而成顺乌头 酸,再结合一个H2O转化为 异柠檬酸 (3)异柠檬酸 发生脱氢、脱羧反应, 生成5碳的 ?-酮戊二酸,放出一个CO2,生成 一个NADH+H+

(4) ?-酮戊二酸 发生脱氢、脱羧反应,并 和CoA结合,生成含高能硫键的4碳 琥珀酰 CoA,放出一个CO2,生成一个NADH+H+ (5)碳琥珀酰CoA 脱去CoA和高能硫键, 放出的能通过GTP转入ATP (6)琥珀酸 脱氢生成 延胡索酸,生成 1分子FADH2, (7)延胡索酸 和水化合而 成苹果酸 (8)苹果酸 氧化脱氢,生成草酸乙酸, 生成1分子NADH+H+

三羧酸循环






TCA小结:
一次循环,消耗一个2碳的乙酰CoA,共释 放2分子CO2,8个H (其中四个来自乙酰 CoA,另四个来自H2O),8个H分布在 3个 NADH+H+,1FADH2。此外,还生成一 分子ATP。

特点: (1)各种生物的细胞呼吸中都存在, 是生物在代谢上的一个共性,生物进化 的一个证据 (2)高效性

三羧酸循环的限速酶: 1.柠檬酸聚合酶;
调节: 激活:ADP;抑制:ATP,NADH,琥珀 酰CoA,柠檬酸

2.异柠酸脱氢酶;
调节: 激活:ADP,Ca2+;抑制:ATP

3.α-酮戊二酸脱氢酶系.
调节:
激活:ADP,Ca2+;抑制:琥珀酰 CoA,NADH

4、电子传递系统和氧化磷酸化
?定义 代谢物脱下的成对氢原子(2H)通 过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步 传递,最终与氧结合生成水,这一系列 酶和辅酶称为呼吸链又称电子传递链。 ?组成 递氢体和电子传递体

(一).呼吸链的组成
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
胞液侧
e-Cytc

e-

e

Q eⅢ

e-

线粒体内膜 基质侧


NADH+H+


延胡索酸


1/2O2+2H+ H2O

NAD+

琥珀酸

NADH+H+

FMN

还原型Fe-S

Q

NAD+

FMNH2

氧化型Fe-S

QH2

复合体Ⅰ:NADH脱氢酶

? 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (CoQ)

2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸脱氢酶

? 功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

3. 复合体Ⅲ:细胞色素b、C1

? 功能:将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c

4. 复合体Ⅳ: 细胞色素氧化酶

? 功能:将电子从还原型细胞色素c传递给氧

(二)呼吸链成分的排列顺序 1. NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体 Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合 体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

两条电子传递途径

ATP形成部位

* 定义 氧化磷酸化 :是指在呼吸链电子传 递过程中偶联ADP磷酸化,生成ATP, 是电子传递水平磷酸化。 底物水平磷酸化 : 底物因脱氢、 脱水等而使能量在分子内部重新分布, 形成高能磷酸化合物,然后将高能磷酸 基团转移到ADP形成ATP的过程。

(三).氧化磷酸化的偶联机理 化学渗透假说:

电子经呼吸链传递时,可将质子
(H+ )从线粒体内膜的基质侧泵到内 膜胞浆侧,产生膜内外质子电化学梯 度储存能量。当质子顺浓度梯度回流 时驱动ADP与Pi生成ATP。

化学渗透假说详细示意图
胞液侧
+
H+ H+

Cyt c
+

H+

+ + + + +

+ +
F

+

Q

-





NAD+

NADH+H+

延胡索酸 琥珀酸

-





0

- - -

- F1

-

H2O 1/2O2+2H+

基质侧
ADP+Pi ATP
H+

2. ATP合酶

由 亲 水 部 分 F1 ( α3β3γδε 亚 基 ) 和 疏 水 部 分 F0 (a1b2c9 ~ 12 亚基) 组成。

ATP合酶结构模式图

(四)、影响氧化磷酸化的因素
1.抑制剂 ①. 呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递。
②. 解偶联剂

使氧化与磷酸化偶联过程脱离。
如:解偶联蛋白

③. 氧化磷酸化抑制剂
对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如:寡霉素

各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 二巯基丙醇
×

CO、CN-、 N3-及H2S
×

×

鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥

解偶联蛋白作用机制(棕色脂肪组织线 粒体) 热能
H+ 胞液侧
Cyt c

解偶联 蛋白
F

Q
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

0

基质侧

F1

ADP+Pi ATP

H+

寡霉素: 可阻止质子从F0质子通道回

流,抑制ATP生成

寡霉素

ATP合酶结构模式图

2.ADP的调节作用

呼吸控制率
3.甲状腺激素 Na+,K+–ATP酶 和 解 偶 联蛋 白 基 因 表达均增加。 4.线粒体DNA突变

与线粒体DNA病及衰老有关。

(五)胞浆中NADH的氧化

?胞浆中NADH必须经一定转运机制进入 线粒体,再经呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有:
α-磷酸甘油穿梭 苹果酸-天冬氨酸穿梭

1. α-磷酸甘油穿梭机制
C H 2O H C H 2O H C=O C H 2O - P i

呼吸链

NADH+H+

C=O C H 2O - P i

α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮 脱氢酶
C H 2O H C H 2O H CHOH C H 2O - P i

FADH2 FAD

NAD+

CHOH C H 2O - P i

α-磷酸甘油

线粒体 外膜

膜间隙

线粒体 内膜

线粒体 基质

2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制
+

H N
3 -

O O C -C H -C -C O O
2

+ 谷氨酸H N 3 天冬氨酸 O O C -C H -C -C O O 2 转运体

O - OOC-CH 2 -C-COO -

H
+

H
H N
3 +

天冬氨 呼吸链 酸 O
2 -C-COO -

草酰乙酸 NADH +H+ 苹果酸 脱氢酶 NAD+

H N
3 -

- OOC-CH

O O C -C H -C H -C -C O O
2 2

O O C -C H -C H -C -C O O

H

O - OOC-CH 2 -CH 2 -C-COO -

线 粒 体 内 膜

谷氨酸

2

2

H

谷草转 氨酶
O - OOC-CH 2 -CH 2 -C-COO -

NADH +H+ NAD+
OH 2 -C-COO H -

OH - OOC-CH 2 -C-COO H -

α-酮戊 二酸
- OOC-CH

苹果酸

胞液

苹果酸-α-酮 戊二酸转运体

基质

能量结算
1个葡萄糖分子彻底氧化合成ATP的计算 1葡萄糖 ①3-磷酸甘油酸穿梭
NADH:8X3=24 FADH2:4X2=8 ATP:4

2丙酮酸 2乙酰CoA

合计:36ATP
②苹果酸-天冬氨酸穿梭 NADH:10X3=30 FADH2:2X2=4 ATP:4

2x2CO2

合计:38ATP

二、无氧途径
无氧呼吸或无氧途径: 一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧 条件下获取能量的过程。 (1)酒精发酵 (2)乳酸发酵

三、其它营养物质的氧化
(1)氨基酸的氧化 氨基酸——有机酸——呼吸代谢过程 eg:丙氨酸—丙酮酸、谷氨酸—?-酮戊二 酸、天冬氨酸—草酰乙酸

(2)脂肪酸的氧化 脂肪酸在细胞质中活化,进入线粒体基质 继续氧化,产生乙酰CoA进入TCA;甘油 可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程。

?三羧酸循环是 三大物质代谢的中心

光合作用

640 ~ 660nm

430 ~ 450nm

注 chlb在蓝紫光区的吸收带比chla宽、吸 收峰高,更利于吸收短波蓝紫光。故阴生植 物比阳生植物chlb含量高。

(一)、原初反应

包括光能的吸收、传递和转换。 1. 原初反应的步骤: ⑴ 聚光色素吸收光能激发并传递。 ⑵ 反应中心色素吸收光能被激发(Chl*)。 ⑶ P*将一个电子传递给原初电子受体 A,A获得一个电子而P缺少一个电子。 ⑷ P+从原初电子供体 D 获得一个电子, P+ 恢复原状,D失去一个电子被氧化。

高等植物最终电子供体是水; 最终电子受体是NADP+

2、原初反应的特点
⑴ 反应速度快,产物极微量,寿命 短 ⑵ 能量传递效率高 ⑶ 与温度无关

(二)、电子传递和光合磷酸化
?红降——在大于680nm的单一红光(远红 光区)下,光合作用的量子效率下降的现象。 ?双光增益效应——在波长大于680nm的远 红光条件下,再补加波长约650 nm的红光, 光合效率大于两种光单独照射的总和 PSI :小颗粒,中心色素P700,D是PC(质体 蓝素),A是Ao(特化的叶绿素a分子) PSⅡ: 大颗粒,中心色素P680,D是Tyr(酪 氨酸), A是Pheo(脱镁叶绿素)

1.光合链组成
传递电子和质子的4个复合体
(1) PSⅡ:氧化水释放 (2)Cty b6-f 复合体: (3)PSⅠ核心复合体: (4)ATP 合酶复合体(偶联因子) (5)PQ:质体醌,可移动的电子载体, 传递电子和质子(PQ穿梭) (6)PC:质体蓝素,类囊体腔中 质子、O2、电子

2.光合电子传递类型
(1)非循环式电子传递:水光解放出的电子经 PSП 和PSΙ最终传递给NADP+。Z链 ? 途径:H2O → PSП →PQ →Cyt b6f →PC → PSΙ →Fd →NADP+ ? 结果:产物有O2、ATP、NADPH ? 特点:电子传递路径是开放的,电子传递中偶 联磷酸化的两个光系统串联, PQ、PC、Fd 可移动最初电子供体H2O,最终电子受体 NADP+

光合链的特点
? 需光能来推动(P680---P680*,P700--P700*) ? 每吸收4个光子,能传递4个电子,分 解2分子H2O,释放4个H+ 和1个O2, 还原2个NADP+。 PQ在电子传递过程中转运4个H+ 进入 膜内,而2个NADP+还原时从膜外吸收 2个H+

(2)循环式电子传递:
? 定义:PSΙ产生的电子传给Fd,再到 Cytb6f复合体,然后经PC返回PSΙ的电 子传递。 ? 途径: PSΙ →Fd → Cytb6f →PC → PSΙ
? 特点:电子传递路径是闭路;只涉及 PSⅠ;产物无O2和NADPH ,只有ATP

示循环及非循环电子传递图

小结:光合磷酸化
1 定义:叶绿体在光下将ADP和Pi转化为ATP 过程 2 类型: ? 非循环式光合磷酸化:基粒片层进行,主要 2ADP+2Pi+2NADP++2H2O 光 2ATP+2NADPH+2H++O2
? 循环式光合磷酸化:在基质片层进行,补充 ATP不足 光 ADP + Pi ATP

⑴羧化阶段: 底物:1,5-二磷酸核酮糖(RuBP); 1)羧化酶:RuBP羧化酶 (RuBPCase or Rubisco) 2)最初产物:含3个C的3-磷酸甘油酸 (故称C3途径) 3)反应: RuBP+CO2+H2O→2 PGA

(2)还原(贮能完成) 由PGA到DPGA(1,3-二磷酸甘油酸),再 到PGAld(3-磷酸甘油醛)。 (3)再生阶段 由PGAld经一系列转变重新合成CO2受 体RUBP的过程。 由5个 PGAld经一系列反应,消耗3个 ATP,合成3个RUBP的过程。

卡尔文循环的总体情况:
循环3次,固定3个CO2分子, 生成六个PGAld,其中一个PGAld 用来合成糖类(净收入),其余5 个PGAld则是用来产生3个分子的 RuBP保证再循环的。 生产一个可用于细胞代谢和合 成的PGAld,需要9个ATP分子和6 个NADPH分子参与。

总结
? CO2最初受体是RuBP,固定CO2最初产 物PGA,最初形成糖是PGAld ? 物质转化:要中间产物收支平衡,净得 一个3C糖,需羧化三次,即3RuBP固定 3CO2 ? 能量转化:同化1CO2,需3ATP和 2NADPH,同化力消耗主要在还原阶段 ? 总反应式: 3CO2 + 9ATP + 6(NADPH + H+) → PGAld + 6NADP+ + 9ADP + 9Pi

?C4植物叶片解剖及生理学特点 C4植物
微管束 1.鞘细胞大、多.2. 鞘细胞 具较大叶绿体、多 无基粒 3.能产生淀 粉粒.
1.叶绿体小、少,有 基粒2.有“花环”结 构. 3.与鞘细胞间有 大量胞间连丝4.不形 成淀粉粒

C3植物
1.小, 较少.2. 无(或不发达). 3.不能 1.具正常叶绿体2. 无“花环”结构、 排列松3.少量.4. 形成淀粉粒.

叶肉细 胞

厚壁细胞
叶 绿 体

维 管 束 鞘

玉米

叶肉细胞

水稻

C4植物与C3植物叶片解剖结构的差异

?反应历程:四个阶段
1 羧化:叶肉细胞中,在磷酸烯醇式丙酮 酸(PEP)固定CO2为草酰乙酸OAA ,后形 成四碳二羧酸(苹果酸或天冬氨酸) 2 转移:C4酸通过胞间连丝转运到维管束鞘细 胞内. 3 脱羧与还原:鞘细胞中,C4酸脱羧放出CO2 形成C3酸,CO2进入C3途径还原为光合产物。 4 再生:脱羧形成的C3酸转运回叶肉细胞,再 生成CO2的受体PEP。

C4途径特点
1 、CO2最初受体是PEP 2、最初产物四碳二羧酸OAA 3、在两种细胞中完成:叶肉细胞、 鞘细胞 4、起“CO2”泵作用,不能将CO2 转变为糖

1、CAM植物解剖学、生理学特点 (1)解剖学特点:景天、仙人掌,菠 萝,落地生根 (2)生理学特点: *气孔夜间开放,吸收CO2,白天关闭 *绿色细胞有机酸含量夜间上升,白天 下降 *细胞淀粉含量夜间下降,白天上升

2.CAM途径与C4途径比较
相同点: ? 都有羧化和脱羧两个过程 ? 都只能暂时固定CO2 ,不能将CO2还原 为糖 ? CO2最初受体是PEP,最初产物是OAA ?不同点: ?C4途径羧化和脱羧在空间上分开 羧化——叶肉细胞、脱羧——鞘细胞 ?CAM途径羧化和脱羧在时间上分开 羧化——夜晚、脱羧——白天

*高光呼吸植物—具有明显的光呼吸。 如小 麦、大豆、烟草等C3植物。 *低光呼吸植物—光呼吸很微弱,几乎 检测不出来。如高粱、玉米、甘蔗、 狗尾 草、马齿苋、羊草等C4植物。

光呼吸的生化历程 (乙醇酸代谢途径,C2途径)
关键酶:1,5-二磷酸核酮糖 羧化酶(双功能)
CO2 2 3-磷酸甘油酸
光合作用

RUBP
O2 3-磷酸甘油酸 + 2-磷酸乙醇酸
乙醇酸 磷酸

光呼吸

ADP ATP 甘油酸 甘油酸 NAD+

RuBP PGA

O2 叶绿体

磷酸乙醇酸 H2O Pi 乙醇酸

过氧化物酶体 乙醇酸 O2 H2O2→H2O+1/2O2 NADH 羟基丙酮酸 乙醛酸 Glu KGT 丝氨酸 甘氨酸 丝氨酸 H2O + Gly 线粒体 H4-叶酸盐 甘氨酸 NAD+ NADH NH3+ CO2

亚甲H4-叶酸盐

总结 乙醇酸在叶绿体中生成(需O2) 过氧化物体中氧化,生成乙醛 酸(需O2) 线粒体中脱羧(放CO2)

光呼吸和暗呼吸比较
对光和O2的要求不同 ? 底物不同:乙醇酸 ? 进行部位不同 ? 进行细胞器不同 ? 代谢途径不同 ? 中间产物、能量需求不同

问题: C4植物光合效率为什么高于C3植物(在 高光强、高温、干燥时更明显)? ? PEPCase活性及对CO2亲和力比 RuBPCase高 ? C4植物有“CO2”泵,RuBPCase向羧 化方向进行 ? C4植物的光呼吸低: 局限在维管束鞘细胞,光呼吸放出 的CO2被“花环”结构叶肉细胞利用, 不易“漏出”。

(二)、外界条件对光合作用的影响
1 光照
(1)光质:橙红光>蓝紫光>绿光

(2)光强
?光饱和点——指增加光照强度而光合 作用不再 增加时的光照强度。阳生> 阴生,C4 >C3 ?光补偿点———光合作用吸收CO2量与呼吸作 用释放CO2量相等时的光照强度。

阳生植物 > 阴生植物

光抑制

当光合机构接受的光能超过 它所能利用的量时,光会引起光 合效率的降低,这个现象叫光合 作用的光抑制。光抑制主要发生 在PS11。

2 、 CO2
CO2补偿点:光合速率与呼吸速率 相等时的外界环境中的CO2浓度。

CO2饱和点:当光合速率开始达到 最大值时的外界CO2浓度。

光合作用的日变化

光合作用“午 休”现象原因 ? 水不足,气孔部分关闭,影响CO2进入; ? 缺水使叶片淀粉水解加强,糖类堆积,光 合产物输出慢,光合速率下降; ? 光合作用的光抑制。

光合初产物的转化
? 1.可以转化为淀粉 场所:叶绿体 ? 2.可以转化为蔗糖 场所:胞质溶胶 ? 3.可以转化为其他的糖类物质或其他 物质 ? 4.光照下,光合作用有利于蔗糖合成; 光合速率减慢或黑暗时,蔗糖合成量就 减少.

DNA的复制

第一节 DNA的复制 一、DNA复制的机制 (一). DNA半保留复制
1. DNA半保留复制的概念
亲代

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

子代 新合成

(二). DNA半不连续复制
子代DNA中的一条链的合成是连续的 ,另一条链的合成是不连续的,DNA的 这种复制方式称为半不连续复制。 5’ 1968年,冈崎的著名实验观察到DNA 复制过程中,有一些不连续片段,称为 冈崎片段。 原核生物中冈崎片段约含1000—2000 个核苷酸,真核生物约为400个核苷酸, 新DNA的一条链是按5,—3,方向(与 复制叉移动的方向一致)连续合成,称 为“前导链”;另一条链的合成是不连 续的,即先按5,—3,方向(与复制叉移 动的方向相反)合成冈崎片段,再连接 3’ 5’ 成一条完整的链,称为后随链。

3’

解链方向

3’ 5’

复制叉(replication fork):
原核生物DNA的复制从单一起点开始, 双螺旋结构被打开,分开的两股单链 分别作为新DNA合成的模板,DNA合成 从起点开始向两个方向进行,与单一 起点相连的局部结构形状呈“Y”型, 称复制叉结构。

二. DNA复制的有关物质
(一).DNA聚合酶(DDDP) 1. DNA聚合酶的性质:

模板: ssDNA 引物: RNA 底物: 四种dNTP 辅助因子:Mg2+ 合成方向:5’-3’方向延伸

2. 原核生物DNA聚合酶
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Ⅰ(pol Ⅰ),DNA聚合 酶Ⅱ(pol Ⅱ),DNA聚合酶Ⅲ(pol Ⅲ),这 三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。pol Ⅰ为单一肽链的大分子蛋白质,具有5'→3'聚合 酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活 性;其功能主要是去除引物、填补缺口以及修 复损伤。pol Ⅱ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外 切酶活性,其功能 不明。pol Ⅲ是由十种亚基组 成的不对称二聚体,具有5'→3'聚合酶活性和 3'→5'外切酶活性,与DNA复制功能有关。

3.真核生物DNA聚合酶
在真核生物中,目前发现的DNA聚合酶 有五种。其中,参与染色体DNA复制的 是pol α(延长后随链)和pol δ(延长前 导链),参与线粒体DNA复制的是pol γ, polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口 有关,pol β只在其他聚合酶无活性时才 发挥作用。

(二).DNA连接酶
1. DNA连接酶的种类
?动物细胞和某些噬菌体连接酶--T4连接酶(以

ATP为能量) ?大肠杆菌DNA连接酶(以NAD+为能量)

2. DNA连接酶的特性
?该酶可将DNA中单链缺口上相邻的两个核苷酸, 以磷酸二酯键连接起来。 ?需要能量 ?需要镁离子 3.作用方式 3’ 5’ HO P 5’ Ligase 3’ 5’ 3’ ATP AMP+PPi
NAD NAD+AMP

5’ 3’

(三).解螺旋酶
? 解链酶(或称解螺旋酶): 此酶通过水 解ATP以获得能量去松开双股DNA,每解 开一对核苷酸需水解2分子ATP。 ? 复制时大部他DNA解链酶可以沿着滞后 链模板的5,—3,方向随着复制叉的前进而 移动,以解开双链。

(四).拓扑异构酶
? 拓朴异构酶Ⅰ(Topo Ⅰ ):其作用是使双链 DNA中的一股切断,使链的末端沿着螺旋轴按 双螺旋反方向旋转,超螺旋消除后再将切口封 闭。 DNA变为松弛态。催化反应不需ATP。 ? 拓朴异构酶Ⅱ(TopoⅡ ):又称DNA旋转酶。 作用方式: (1)是在水解ATP的同时能迅速使DAN双链 断开又接上,而使松弛态的DNA转变为超螺旋 状态,引入负超螺旋。 (2)在没有ATP时,它又可使负超螺旋DNA 变为松弛态。

(五).单链结合蛋白

?单链DNA结合蛋白(SSB) 它与 单链DNA结合。 ?防止两条单链DNA重新形成双螺 旋。 ?保护单链DNA不被核酸酶水解。

(六).引物酶与RNA引物(primase 与primer)
RNA引物和引物酶: 多数情况下是以RNA片 段为引物,由引物酶催化合成。引物酶是一种 不同于催化转录过程的RNA聚合酶。引物酶通 常需要和几种蛋白质因子结合形成引发体才能 发挥作用。例如大肠杆菌的dna蛋白能协助引 物酶识别起始位点,并与起始部位结合。 RNA引物的长度是不同的,在动物细胞中引物 长度约10个核苷酸,第一个核苷酸常用ATP。细 菌的引物为50—100个核苷酸,但也有仅2—4个 核苷酸的。 真核生物引物为10个核苷酸左右。

三、DNA的复制过程
Topo酶解螺旋 高级结构的解除 解螺旋酶解双螺旋 SSB结合单链DNA

辨识起始点

1.合成的起始阶段

RNA引物的合成 复制叉的移动

2.合成的延伸阶段

DNAPol延模板滑动

催化3’5’-P二酯键形成 RNA引物的切除

3.合成的终止阶段

RNA引物的切除后填补

缺口连接

第二节、反转录作用(RNA指 导下的DNA合成) 一. 反转录酶
1.反转录酶的概念 以RNA为模板,以dNTP为底物 催化合成DNA作用的酶称为 转录酶。即:催化反转录反应的 酶称为反转录酶或称为依赖 RNA的DNA聚合酶(RDDP)。

2.反转录酶的特点
(1).引物为tRNA (2).模板为单链RNA (3). 底物为dNTP (4).核糖核酸酶H(RNase H)的活性: 专一切除RNA- DNA分子中的RNA, 全部或部分去除RNA

二. 逆转录作用
1.反转录作用的概念 以RNA为模板,以dNTP为底物在反 转录酶的作用下合成 DNA的作用称为反转录作用。以 RNA为模板,在反转录酶的作用下合 成的DNA称为cDNA.

2.反转录作用的过程

(或RDDP) (称为cDNA)

(原病毒整合到宿主细胞)

第三节、 DNA的损伤与修复
一.DNA的损伤与突变

1. 突变:指一种遗传状态,可以通过复制而遗传 的DNA结构的任何永久性改变。携带突变基因 的生物称为突变体,未突变的称为野生型。 2.损伤原因: ? 物理(紫外(见下页)、高能射线、电离辐射) ? 化学(烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物) ? 生物因素(碱基对置换、碱基的插入/ 缺失造 成移码)

二. DNA损伤修复
紫外线照射可引起DNA链上相邻的两个嘧 啶碱基形成二聚体 CC(10%),CT(40%),TT(50%)。

1.光复活(photoreactivation)
可见光-最有效波400nm, 激活生物界广泛分布(高等 哺乳动物除外)的光复活酶, 该酶分解嘧啶二聚体。是一 种高度专一的修复形式,只 分解由于UV照射而形成的嘧 啶二聚体。 激活 复盖 解除
光复活酶

2. 切除修复(excision repair)
(1).切开
(2).复制 (3).切除
连接+ATP

(4).连接

RNA的生物合成
?RNA转录的机制 ?RNA聚合酶 ?RNA转录的过程 ?RNA转录后加工修饰

在生物界,RNA合成有两种方式:一是 DNA指导的RNA合成,生物体内的主要合成方 式。另一种是RNA指导的RNA合成,此种方 式常见于病毒。转录产生的初级转录本是 RNA(RNAprecursor),需经加工过程 (processing)方具有生物学活性。

第一节. DNA指导的RNA合成 一. 转录的概念

DNA携带的遗传信息(基因)传递给 RNA分子的过程称转录(transcription )。

二. RNA转录的机制 1.不对称转录
不对称转录:转录时,双链DNA中只有 一条链作为转录的模板,这种转录方式称 作不对称转录。

模板链(template strand)及反意义链 (antisense strand): 指导RNA合成的DNA链为模板链, 又称反意义链。

编码链(coding strand)及有意义链(sense strand): 不作为转录的另一条DNA链为编码链, 又称有意义链。 由于基因分布于不同的DNA单链中,即某 条DNA单链对某个基因是模板链,而对另 一个基因则是编码链。

2.部分转录
RNA在转时每次只转录DNA上的一部分 信息这种转录方式称作部分转录。

三. RNA聚合酶(转录酶-DDRP)
(一).RNA聚合酶的性质
模板: 单链DNA模板 底物: 四种NTP 辅因子: Mg2+/Mn2+ 合成方向: RNA 5'→3' 作用: 连接方式-- 3‘,5'磷酸二酯键
RNA起始核苷酸: 5?—末端的常为GTP或ATP (DNA分子中第一个被转录的碱基为C或T)

(二). 原核生物(大肠杆菌)的 RNA聚合酶
原核生物中的RNA聚合酶全酶由五 个亚基构成,即α2ββ'ζ。ζ亚基与转 录起始点的识别有关,而在转录合成 开始后被释放,余下的部分(α2ββ') 被称为核心酶,与RNA链的聚合有 关。
全酶( α2ββ’ζ) =核心酶( α2ββ’)+ 起 始因子(ζ)

(三). 真核生物的RNA聚合酶
真核生物中的RNA聚合酶分为三种: RNA polⅠ存在于核仁,对α-鹅膏蕈碱不 敏感,用于合成rRNA前体;RNA polⅡ 存在于核基质,对α-鹅膏蕈碱极敏感, 用于合成HnRNA;RNA polⅢ存在于核 基质,对α-鹅膏蕈碱敏感,用于合成 tRNA前体、snRNA及5S rRNA。

四.启动子
(一).启动子(Promoter) 1.启动子的结构
5’ 3’ TTGACA AACTGT TATAAT ATATTA 3’ 5’

-35序列 Sextama 框

-10序列

+1

转录起始点 Pribnow框

2.真/原核生物启动子的结构特点
原核生物 真核生物

位置

特点

位置

特点

识别 -35序列 Sextama 框 -70序列 CAAN 部位 序列 -25序 Hognes 结合-10序列 Pribnow框 列 部位 s框 起始 +1 +1 T/C T/C 部位

五. RNA转录的过程 (一).RNA转录的起始 1.核心酶在ζ亚基参与下,辩别启动 子的识别部位 2.全酶与识别部位结合,滑向结合部 位与模板紧密结合,解链 3.滑向起始点,转录从起始点开始,合 成第一个三磷酸核苷. (二).RNA转录的延伸

1.ζ亚基从全酶中解离 2.核心酶的构象发生变化,与模板DNA 的结合变得较为松弛, 以一定速度沿3,—5,方向滑动 3.NTP为底物,在RNA链3,—OH末端 上生成磷酸二酯键
(三).RNA转录的终止 1.RNA聚合酶滑动到模板的终止部位时 ,酶的作用受阻 2.RNA聚合酶核心酶模板上脱落 3. RNA链释放

第二节、RNA转录后加工修饰
一. 真核mRNA前体的加工 1. 5’-末端加上帽子结构
在mRNA的5'-端加上 m7GTP的结构。此过程发生 在细胞核内,即对HnRNA 进行加帽。加工过程首先是 在磷酸酶的作用下,将5'-端 的磷酸基水解,然后再加上 鸟苷三磷酸,形成GpppN的 结构,再对G进行甲基化。

2. 3’-末端加上polyA结构 真核生物加上: 150-200A 原核生物加上: 50-100A

3. 拼接去除内含子,连接外显子

1.剪切作用: 需核酸酶参与,基因间的间隔顺序。 2.甲基化修饰:修饰在碱基上。
1.原核生物rRNA前体加工 2.真核生物rRNA前体加工
16s P17.5 tRNA 23s RNaseIII P25 RNaseM P7 5s

二. rRNA前体的转录后加工

16s

tRNA

23s

5s

三. tRNA前体的加工
1. 3’-末端, 5’-末端及间隔区切除 2. 3’-末端加上CCA 3. 碱基的修饰:甲基化、脱氨和还原作用

蛋白质的生物合成
?中心法则 ?核糖体的组成及其成分 ?tRNA的功能 ?遗传密码子的特点 ?蛋白质生物合成的机制

第一节、遗传信息的表达方式

一.中心法则

二、核糖体
1.核糖体的基本功能 核糖体——蛋白质 合成“工厂”
基本功能: 结合mRNA,在 mRNA上选择适当的 区域开始翻译 密码子(mRNA)和 反密码子(tRNA)的 正确配对 肽键的形成

存在形式: 核糖体可游离 存在,真核中,也 可同内质网结合, 形成粗糙的内质网。 原核中,与mRNA形 成串状——多核糖 体

2.核糖体的组成及其成分
原核生物中的核蛋白体大小为70S,可分为30S 小亚基和50S大亚基。真核生物中的核蛋白体大 小为80S,也分为40S小亚基和60S大亚基。

核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能:
⑴小亚基:可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 ⑵大亚基:①具有两个不同的tRNA结合点。A 位—— 受位或氨酰基位,可与新进入的氨基酰 tRNA结合;P位——给位或肽酰基位,可与延 伸中的肽酰基tRNA结合。②具有转肽酶活性。

三. tRNA 1. tRNA的功能 结合携带氨基酸 反密码子 核糖体的识别位点 氨基酰-tRNA 合成酶 的识别位点

2.摆动性假说
反密码子与mRNA的第1,2个核 苷酸配对时,严格遵从碱基配对 原则,但反密码子与mRNA的第 三个核苷酸配对时,不严格遵从 碱基配对原则,出现U-G,I-U.C.A 配对现象,表现出一定的灵活性, 摆动性.

四. mRNA
携带着DNA的遗传信息, 是多肽链的合成模板 在原核细胞内,存在时 间短,在转录的同时翻译, 在真核细胞内,较稳定 蛋白质合成时,mRNA结 合于核糖体小亚基上,大 亚 基结合带氨基酸的tRNA, tRNA的反密码子与mRNA 密码子配对,ATP供能,合 成蛋白质。

第二节、遗传密码
一.密码子的概念

mRNA分子中为一个氨基酸编码进 入蛋白质多肽链特定线性位置的三个 核苷酸单位称为密码子(Coden)或 三联体密码或遗传密码。

二. 遗传密码子的特点
1.方向性: 从 mRNA5’—3’方向阅读。 2.不重叠: 密码子是不重叠的,每个三联体中的三个核苷 酸;只编码一个氨基酸 3.连续性: mRNA上无不编码的核苷酸 4.简并性: 几种密码子对应于相同一种氨基酸。 这些密码子为同义密码子 5.通用性: 绝大多数密码子对各种生物都适用,某些线粒 体中遗传密码有例外 6.起始密码与终止密码: 起始密码:AUG -真核/原核,真核中起始为Met 、原核中 起始为fMet,翻译 中间为Met. GUG -原核 起始为fMet,翻译中间为Val. 终止密码: UAG、UAA、UGA

第三节、蛋白质生物合成的机制
一.氨基酸的活化
tRNA在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下,能够识 别相应的氨基酸,并通过tRNA氨基酸臂的 3‘-OH 与 氨基酸的羧基形成活化(酯)氨基酰-tRNA。 氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程: 第一步是氨基酸与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核 苷酸; 第二步是氨基酰基转移到tRNA的3‘-OH端上,形成氨 基酰-tRNA。
氨基酸 + tRNA
氨基酰-tRNA 合成酶

氨基酰-tRNA

ATP H2O

AMP PPi

氨基酸活化过程
氨基酰-tRNA 合成酶

氨基酰-tRNA 合成酶

+ AMP

tRNA --CCA-OH 3’

二.原核生物多肽链的合成 (一).多肽链合成的起始
1. 核糖体的活化 2. 30s起始复合物的形成 核糖体小亚基上的16S rRNA和mRNA的SD序 列(位于起始位点上游4 -13个核苷酸)结合,辨 认出mRNA链上的起始 点(AUG)。 3. 70s起始复合物的形成

(二).

肽链的延长

1. 进位 (氨酰tRNA进入 A位点) 2. 转肽---肽 链的形成肽 酰基从P位 点转移到A 位点,形成 新的肽链

进位

转肽

肽链的形成

3. 移位(translocase)
在移位因子(移位酶)EF-G的作用下,核 糖体沿mRNA(5’-3’)作相对移动,使原来 在A位点的肽酰-tRNA回到P位点 核糖体移位
P位点

A位点

核糖体移动 方向

肽链的延伸过程

(三).肽链合成的终止与释放
1.识别mRNA的终止密码 子,水解 所合成肽链与 tRNA间的酯键,释放肽 链
2.RF1-UAA、UAG RF2UAA、UGA RF3影响肽链的释放速度

3.RF3帮助P位点的tRNA 残基脱落,而后核糖体脱 落

第三节、肽链合成后的折叠与加工
1.N端改造 fMet/Met的切除
2.信号肽(能透膜,进行蛋白质的锚定) 的切除 3.氨基酸的修饰/改造 肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰 化、甲基化氨基酸残基的修饰(ProOH/Cys-OH)

4.糖基化 (Asp、Ser、Thr、Asn) 5. 某些多肽要经特殊的酶切一段肽 链后才有生物活性(如:胰岛素) 6. 高级结构的形成 在分子伴侣的 协助下形成正确的结构 7.锚定(定位)

再见



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