《核酸的生物合成》课件

核酸的生物合成分子生物学核心主题遗传信息传递的化学基础理解生命本质的关键什么是核酸定义DNA RNA携带遗传信息的大分子双链螺旋结构多为单链结构由核苷酸构成的聚合物含脱氧核糖含核糖遗传物质储存参与蛋白质合成核酸的基本功能遗传信息传递基因表达调控存储基因信息调控蛋白质合成时间DNA转录传递信息控制合成数量RNA实现代际遗传延续影响表型形成生物催化某些具酶活性RNA参与代谢过程调节细胞活动核酸结构总览单链结构双链结构常见形式典型形态RNA DNA灵活构象碱基互补配对三级结构四级结构空间折叠构象与蛋白质复合体功能实现基础染色质组织方式核苷酸的组成磷酸基团提供能量五碳糖核糖或脱氧核糖含氮碱基嘌呤或嘧啶常见碱基种类碱基配对规则A-TU，G-C通过氢键连接与的基本差异DNA RNA特征DNA RNA糖类脱氧核糖核糖碱基、、、、、、A GC TA GC U链数通常双链通常单链稳定性较高较低主要功能遗传信息储存信息传递与翻译核苷酸的前体合成原料摄入食物中氨基酸和糖类碳源转化葡萄糖代谢产物氮源处理氨基酸代谢核苷酸前体和碳酰磷酸PRPP嘌呤核苷酸合成概述起始底物原料供应作为基础骨架谷氨酰胺、甘氨酸等PRPP核苷酸生成环构建4转化为和嘌呤环逐步形成IMP AMP GMP嘌呤环的逐步组装1核糖转化R5P转化为PRPP5氮原子来源氨基酸提供氮原子9碳原子来源甘氨酸、甲酰四氢叶酸10完整环形成IMP作为第一个产物嘧啶核苷酸合成概述核糖连接嘧啶环形成与结合PRPP碳酰磷酸合成天冬氨酸参与形成UMP碳酰磷酸合成酶催化二氢尿嘧啶产生和谷氨酰胺提供碳氮CO₂嘌呤与嘧啶合成的主要差异合成顺序差异关键催化酶代谢路径嘌呤先连糖再构环嘌呤合成需多种转移酶嘌呤经分叉IMP嘧啶先构环再连糖嘧啶依赖碳酰磷酸合成嘧啶经分叉UMP酶（磷酸核糖焦磷酸）PRPP5--1-分子结构合成方式核心作用核糖骨架合酶催化核苷酸合成共同前体PRPP焦磷酸高能基团提供能量提供核糖和能量ATP核苷酸生物合成途径对比新生合成途径从简单前体开始补救合成途径利用已有碱基或核苷途径平衡二者协同维持核苷酸平衡嘌呤新生合成的步概述10第步1-3转变为磷酰核糖胺PRPP第步4-6嘌呤环第一环形成第步7-9嘌呤环第二环构建第步10最终形成IMP向与的转化IMP AMPGMP嘧啶合成第一步氨基转移反应特点底物产物氮原子转移二氧化碳碳酰磷酸驱动反应谷氨酰胺谷氨酸ATP专一性催化CPS IIATP ADP+Pi嘧啶环的组装与化学逻辑碳酰磷酸形成提供碳原子和氮原子天冬氨酸加入提供嘧啶环骨架氨基甲酰天冬氨酸形成关键中间体环化脱水嘧啶环最终形成的生成与转化UMP二氢尿嘧啶合成嘧啶环形成核糖连接与反应PRPP形成UMP嘧啶核苷酸基础与生成CTP TMP氨基化和甲基化修饰与的生成rNTP dNTP和合成底物DNA RNA1用于，用于dNTP DNArNTP RNA核糖核苷酸还原反应2核糖转变为脱氧核糖核糖核苷酸还原酶催化还原反应的关键酶核苷酸补救途径生理意义回收物质节约能量核酸降解产物回收利用碱基游离碱基2维持核苷酸平衡核苷效率优势关键酶反应步骤少腺嘌呤磷酸核糖转移酶能量消耗低次黄嘌呤鸟嘌呤转移酶-迅速响应需求胸腺嘧啶激酶催化核酸合成的酶类聚合酶聚合酶特殊聚合酶DNA RNA延伸从模板转录端粒酶5→3DNA RNA具有校对功能多亚基复合物逆转录酶原核生物与真核生物的差异特征原核生物真核生物聚合酶种类少，简单种类多，复杂DNA合成位置细胞质主要在细胞核调控方式简单，主要在转录水复杂，多层次调控平酶，单一功能，多功能域CPS CPSI CPS II底物供应与物质调配三磷酸核苷酸储备跨膜运输高能磷酸键储存核苷转运蛋白合成反应能量来源选择性透过性浓度精确调控浓度梯度维持细胞器分隔合成区室化线粒体与细胞质协同空间上的物质调配生物体内核酸合成的调控反馈抑制转录调控酶活性调控终产物抑制起始酶调控基因表达翻译后修饰浓度依赖调节影响酶的合成量变构调节底物水平调控原料可用性能量状态感知嘌呤合成调控机制终产物反馈酶合成调控抑制各自合成途径通过普林调节蛋白控制转录AMP/GMP2嘌呤互换调控PRPP与合成互相调节合成控制整体速率AMPGMPPRPP嘧啶生物合成的调节反馈抑制UTP抑制活性CPSII激活作用PRPP促进酶活性增强基因表达调控3影响关键酶浓度双向调控机制核酸平衡环境与发育调控细胞周期依赖性期核苷酸合成上调S基因表达时序性组织特异性肝脏代谢活跃骨髓分裂旺盛环境应激营养不足下调合成热应激时保护机制发育阶段胚胎发育合成旺盛老化过程合成减弱核酸代谢与能量消耗6ATP消耗合成1分子AMP5ATP消耗合成1分子GMP4ATP消耗合成1分子UMP7ATP消耗合成1分子CTP核酸代谢紊乱与疾病痛风乳酸血症嘌呤救助综合征嘌呤代谢失衡嘧啶代谢缺陷补救途径酶缺陷尿酸盐结晶沉积有机酸积累神经系统症状免疫系统中的核酸合成免疫识别1淋巴细胞受体多样性形成细胞活化2核酸合成迅速上调克隆扩增3复制大量增加DNA效应功能4转录蛋白合成RNA癌症细胞中的异常核酸合成失控增殖代谢重编程靶向治疗新生合成途径过度激活能量分配改变抗代谢药物合成需求增加优先供应核酸合成核苷酸合成抑制剂DNA抗代谢药物作用机制结构类似物竞争性抑制临床应用癌症、自身免疫疾病治疗核酸合成实验方法概述同位素示踪技术核苷酸测定方法放射性标记前体高效液相色谱（）HPLC代谢流动态监测质谱分析合成途径确认酶学分析法活体成像技术荧光标记核苷酸实时监测合成过程细胞内分布可视化核酸生物合成的体外合成模型体外合成体系优化高保真合成DNA温度、控制pH反应基础PCR校对型聚合酶离子环境优化模拟复制过程DNA降低错误率指数级扩增特定片段细胞内核苷酸浓度的检测现代生物技术与核酸合成人工合成DNA磷酰胺法合成寡核苷酸基因组学研究全基因组测序与分析合成生物学人工设计合成基因组药物开发核酸药物与核苷酸类似物基因工程中的基因合成自动化合成基因拼接序列优化基因合成仪寡核苷酸拼接密码子优化高通量生产组装表达效率提高PCR技术与核酸修饰CRISPR识别靶序列切割DNA向导精确引导酶催化切断RNA Cas9结果验证基因编辑测序确认修改修复过程引入改变合成生物学人工核苷酸技术应用潜力XNA人工糖基骨架新型生物材料扩展遗传字母表药物开发数据存储非天然碱基对增加信息编码容量人类基因组计划中的核酸合成基因组测序解读人类全基因组信息数据库建立基因数据资源合成验证3人工合成关键片段临床应用个体化医疗基础微生物中的特殊核酸合成途径古菌特殊机制耐极端环境调整独特的核苷酸修饰病毒核酸合成宿主资源利用逆转录独特机制细菌防御系统限制性修饰系统CRISPR代谢多样性次生代谢产物抗生素合成机制进化视角下的核酸合成原始核酸起源世界假说RNA演化DNA2从演化而来RNA生物多样性核酸合成途径分化核酸生物合成的研究发展史热点问题与未解之谜调控网络复杂性疾病机制研究人工核酸研发多层次调控机制解析核酸代谢异常与疾病扩展遗传密码系统生物学应用精准医疗靶点发现新功能核酸创造合成生命探索人工基因组构建最小基因组研究小组讨论题思考题/疾病关联分析药物设计思路痛风与嘌呤代谢核苷酸类似物设计原则遗传性核酸代谢病例分析靶向特定合成酶策略癌症治疗策略设计副作用机制预测生物技术应用基因编辑系统比较合成生物学伦理问题基因治疗可行性分析参考文献与拓展阅读权威教材前沿期刊在线资源《生物化学》第版系列代谢通路数据库X Science/Nature KEGG《分子生物学》权威版本系列专业期刊核酸序列库Cell NCBI核心概念回顾合成途径调控机制新生合成反馈抑制补救合成转录调控核酸结构应用前景关键中间体细胞周期调控核苷酸组成疾病治疗嘌呤与嘧啶生物技术与差异合成生物学DNA RNA1课程总结与展望未来展望基因编辑医学应用前沿研究人工核酸与合成生物学基础知识核酸结构与合成途径核酸生物合成是理解生命本质的关键，深入研究有助于疾病治疗和生物技术发展鼓励同学们在分子生物学领域进一步探索，参与前沿研究。