第四講 DNA、RNA和蛋白質代謝
DNA是貯藏遺傳信息的最重要的生物大分子。DNA分子中的核苷酸排列順序不但決定了胞內所有RNA及蛋白質的基本結構，還通過蛋白質（酶）的功能間接控制了細胞內全部有效成份的生產、運轉和功能發揮。貯藏在任何基因中的生物信息都必須首先被轉錄生成RNA，才能夠得到表達。DNA和RNA雖然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它們的生物學活性卻很不同。
RNA主要以單鏈形式存在于生物體內，其高級結構很復雜；RNA既擔負著貯藏及轉移遺傳信息的功能，又能作為核酶直接在細胞內發揮代謝功能。
蛋白質是生物信息通路上的終產物，一個活細胞在任何發育階段都需要數千種不同的蛋白質。因此，活細胞內時刻進行著各種蛋白質的合成、修飾、運轉和降解反應。
一、核苷酸的合成與代謝
核苷酸是DNA和RNA的前體是細胞內化學能流通領域中的載體（ATP， GTP）,是NAD、FAD、S-adenosylmethionine及 Coenzyme A等的重要成份。在糖代謝中也有重要作用，如生成UDPG和 CDP-diacylglycerol等。cAMP, cGMP還是第二信使。
1、De Novo嘌呤核苷酸的生物合成始于PRPP （Phosphoribosyl 1-pyrophosphate）
這一途徑的第一步是由谷氨酰胺捐獻一個氨基到PRPP的C-1位上，生成5-phosphoribosylamine。
其次，把甘氨酸中的三個基團加到PRA上。
第三，由N10-甲基四氫葉酸提供一個甲基。
第四，谷氨酰胺提供另一個N。
第五，脫水環化形成咪唑環。
第六，羧基化
第七，通過分子重排將羧基從咪唑第4碳的環外氨基上轉移到第5位碳原子上。
第八-九，由天門冬酰胺把另一個氨基加到第5位碳原子上。
第十，再由N10-甲基四氫葉酸提供一個甲基。
第十一，脫水環化，形成嘌呤IMP。
參與合成AMP的是①腺苷琥珀酸合成酶和②腺苷琥珀酸裂解酶。
參與合成GMP的是③IMP脫氫酶和④XMP-谷氨酰胺酰胺轉移酶 。
2. 嘌呤核苷酸合成中的反饋調節
3．嘧啶核苷酸是由天門冬酰胺、 PRPP和氨基甲酰磷酸等共同形成的
嘧啶從頭合成途徑不同于嘌呤的合成，6-原子嘧啶環首先被合成，然后才與核糖-5-磷酸相連。這個反應需要氨基甲酰磷酸（Carbamoyl phosphate）。
4．核苷單磷酸轉化為核苷三磷酸
反應生成的ADP可通過糖酵解酶或氧化磷酸化途徑被進一步磷酸化。
ATP能夠把磷酸基團加到其它所有核苷單磷酸上生成核苷三磷酸。
核苷二磷酸可通過一個公用的核苷二磷酸激酶被進一步磷酸化生成核苷三磷酸。
5．核糖核苷酸（ribonucleotides）是脫氧核糖核苷酸（Deoxyribonucleotides）的前體。所有 dNTP都直接來自于NTP（其實是NDP）。這個反應很特殊，因為核糖上的還原反應發生于一個沒有活化的碳原子上。催化該反應的酶是核糖核苷酸還原酶。
大腸桿菌核苷酸還原酶有兩大特征，它的生物學活性和底物特異性同時受效應子（effector molecules）的影響。每個R1亞基上都有兩個調節位點，當影響整體酶活性的那個位點與ATP相結合時，酶活性增加；而當它與dATP結合時，酶活性消失。
第二個調節位點控制了底物特異性。當dATP與該位點相結合時，UDP和CDP的還原反應優先進行。當dTTP與該位點相結合時，GDP的還原反應優先進行。
核糖核苷酸還原反應的主要過程
1. 還原酶R2亞基處于氧化態-X˙，向核糖3'位碳原子上的H發起攻擊，生成3'位自由基。
2. R1亞基上的-SH基團為2'-OH提供一個H原子，使之生成-OH2基團。
3. 脫水后，3'位自由基幫助維持2'位O+基團。
4. R1亞基上的另一個-SH基團為2'-CH+提供一個H原子
5. 2'上的C˙-OH向R2亞基上的X-H發起攻擊。
6.
2'上的C-OH失去氧原子，生成dNDP。其中，dTMP（thymidylate）來自于dCDP和dUMP，其直接前體是dUMP，由胸苷酸合酶（thymidylate
synthase）將dUMP轉化為dTMP；反應中的甲基來自于N5，N10-Methylene-tetrahydrofolate。
7、嘌呤和嘧啶降解后分別生成Uric Acid和Urea。
嘌呤核苷酸降解
第一步是在5'-核苷酸酶（5'-nucleotidase）的作用下消去磷酸基團，由Adenosine-monophosphate變成Adenosine，或從GMP變成Guanosine。
二、在Adenosine deaminase的作用下生成Inosine；
三、在nucleosidase的作用下生成Hypoxanthine或由Guanosine生成Guanine；
四、在Xanthine oxidase或Guanine deaminase作用下生成Xanthine；
五、在Xanthine oxidase的作用下生成Uric acid。
嘌呤代謝突變會引起重要疾病。
如人體內缺失adenosine
deaminase，會引發嚴重的免疫缺失性疾病，因為此時T-淋巴和B-淋巴細胞不能正常發育。AD缺失后，細胞內dATP的含量將高達正常細胞中的100倍，而過量的dATP則抑制了其余dNTP在T-淋巴細胞中的合成。許多化療（chemotherapy）藥劑都針對核苷酸合成途徑。如Azaserine和Acivicin都是Glutamine類似物，被用于阻斷核苷酸的生物合成。
胸苷合成中的主要抑制劑有fluorouracil（氟脲）、methotrexate（氨甲基葉酸）和aminopterin（氨喋呤）。氟脲本身不是thymidylate synthase 抑制劑，但它在細胞中被轉化為FdUMP以后，就能直接與TS相結合并使之失活。氨甲基葉酸和氨喋呤都是dihydrofolate reductase的抑制劑，氨甲基葉酸與該酶的親和力比底物dihydrofolate高100倍。
二、氨基酸代謝
按所占的質量比例計算，N在生物體內的重要性排在CHO之后，列第4位。大量N元素都是有機氮，被結合于氨基酸或核苷酸分子中。
地球上的動植物共含氮約1.5×1010t，而每年通過硝化細菌以氣態氮的形式釋放到大氣中的氮就有2×108—5×108t。全世界氮肥廠每年生產的化肥僅含氮約108t，所以，如果沒有生物固氮，生命很快就不復存在了。
1. 銨通過谷氨酸→谷氨酰胺被結合到有機物質中。
主要有兩步反應：
⑴Glutamate+ATP→γ-glutamylphosphate+ADP
⑵γ-Glutamyl phosphate+NH4+→glutamine+Pi+H+
總結：
Glutamyl+NH4++ATP→glutamine+ ADP+Pi+H+
因此，谷氨酰胺合成酶是氮代謝中的主要調控位點。
在大腸桿菌中，GS由12個相同的亞基（50kDa）聚合而成，其活性既通過構象變化，也能通過共價修飾的方式得到調節。Alanine，Glycine和其它至少6種gln代謝產物都是GS活性的變構抑制劑，每個抑制劑都只有部分抑制作用。除變構抑制之外，GS活性還受共價修飾調節。當第397位酪氨酸被腺苷化后（加上AMP），該酶更容易受變構抑制劑的反饋調節。
2.氨基酸的生物合成
高等動物不能合成大約一半氨基酸，只能從食物中直接獲取這些必需氨基酸（Essential）。
表18-1 人體必需氨基酸(*.哺乳期至幼兒期必需)
表22-1 氨基酸合成的六條主要途徑
3.氨基酸脫羧基化后生成有機胺。許多重要的神經遞質都是胺或其次生代謝產物。Tyrosine降解產物有dopamine（多巴胺），epinephrine（腎上腺素），norepinephrine，統稱為Catecholamines（兒茶酚胺）。
4.精氨酸降解產生NO˙(Nitric Oxide)。
本世紀80年代，科學家發現NO是人體內重要的信號分子，它參與神經傳遞、凝血和血壓調控等一系列生理反應。雖然它是氣體，極易擴散，但由于它十分活躍，其擴散半徑一般只有1mm。
三、氨基酸及功能蛋白質合成后的修飾
1.蛋白質剛剛被合成時，都以fMet（原核）或Met（真核）開始，多肽合成后，N端的formyl group、Met殘基，有時還包括N揣多個殘基或C端的殘基都會被切除。50%的真核蛋白中，N-端殘基的氨基酸會被N-乙基化。
2.切除信號肽。許多蛋白質都帶有15-30個殘基的signal peptides，負責指導蛋白質在細胞中的精確定位。
3.特定氨基酸的修飾。
4.氨基酸的糖苷化
5.氨基酸的異戊烯化（Addition of Isoprenyl Groups）
6.有些蛋白質還要與輔基(prosthetic groups)相結合；
Cytochrome C只有與血紅素（heme）相結合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化酶常與Biotin分子相結合。有些蛋白質必須經蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白質只有在形成二硫鍵之后才有功能。
四、蛋白質的運輸和降解
1、絕大部分被運入ER內腔的蛋白質都帶有一個Signal
peptide。該序列常常位于蛋白質的氨基末端，長度一般在13-36個殘基之間，有三個特點： （1）一般帶有10-15個疏水氨基酸；
（2）常常在靠近該序列N-端疏水氨基酸區上游帶有1個或數個帶正電荷的氨基酸；
（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點處常常帶有數個極性氨基酸，離切割位點最近的那個氨基酸往往帶有很短的側鏈（Ala或Gly）。
研究發現，信號肽把Ribosome牽引到ER上。蛋白質合成之初，一旦信號肽序列的N端暴露在核糖體外，該序列（包括核糖體）就迅速與SRP（signal
recognition particle）相結合，誘發SRP與GTP相結合，停止新生肽的進一步延伸（此時新生肽一般長約70個殘基左右）。
受位于ER外膜上的SRP-receptor及ribosome-receptor的牽引，這個復合物（GTP-SRP-ribosome-mRNA-新生肽）立即向ER外膜靠攏，并通過peptide transport complex進入ER內腔。
5.Rough ER上的蛋白質常常通過運轉載體將經過修飾的蛋白質送入高爾基體，再分別送到各個亞細胞位點。
6.蛋白質中的核定位序列一般不被切除。
蛋白質的核定位是通過多個蛋白的共同作用來實現的。Importin (α,β亞基)的作用有點像SRP受體。NLS蛋白-Importin復合物停留在核孔上，并在Ran-GTPase的作用下通過核孔。
細菌細胞內也存在類似的蛋白質運轉系統。
7、蛋白質降解是一個有序的過程。
在大腸桿菌中，許多蛋白質的降解是通過一個依賴于ATP的蛋白酶（稱為Lon）來實現的。當細胞中存在有錯誤或半衰期很短的蛋白質時，該蛋白酶就被激活。每切除一個肽鍵要消耗兩分子ATP。
在真核生物中，蛋白質的降解需要Ubiquitin，一個有76個氨基酸殘基組成極為保守的蛋白參與。與Ubiquitin相連的蛋白將被送到一個依賴于ATP的蛋白質降解系統（Proteasome，Mr. 1×106）。
成熟多肽N-端第一個殘基對蛋白質的穩定性有重要影響 。
五、DNA代謝
無論是只含有一對染色體的原核細胞還是帶有多對染色體的真核細胞，只有整個基因組得到了完整準確的復制，細胞分裂才能順利發生。所以說，DNA復制的起始，標志了細胞進入一個新的周期。
㈠、DNA復制
根據反應階段和所需的不同酶類，DNA的復制可被分為三個階段，即復制起始、延伸和終止。每個DNA復制的獨立單元被稱為復制子（replicon），主要包括復制起始位點（Origine
of replication）和終止位點（terminus）。原核生物的整個染色體上一般只有一個復制起始位點。
大腸桿菌DNA的復制需要有20種左右的酶和蛋白質因子參與，整個DNA復制機器被稱之為DNA replicase system或replisome。
Helicase，任何DNA在被復制前都必須解開雙鏈，這個過程是由helicase來完成的，它可在ATP的作用下將DNA母鏈不斷解開形成單鏈。
Topoisomerase，主要功能是消除DNA解鏈過程中所產生的扭曲力。
DNA結合蛋白，使新解鏈的DNA保持穩定結構。
Primases，為DNA復制提供RNA引物。
DNA polymerases，合成新生DNA鏈，切除RNA引物。
DNA Ligases，使新生DNA鏈上的缺口（3'-OH, 5'-p）生成磷酸二酯鍵。