核酸與蛋白質的生物合成第八章核酸的化學核苷酸代謝核酸的生物合成蛋白質的生物合成學習內容核酸與蛋白質

——生命的物質基礎核酸——遺傳的物質基礎，指導蛋白質的生物合成蛋白質——遺傳信息的表達者和生命特征的體現者第一節

核酸的分子組成、結構與理化性質核酸是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，起攜帶和傳遞遺傳信息的作用。概念核酸是從細胞核中分離得到一種含磷的酸性化合物，1968年瑞士青年醫生FridrichMiescher

在膿細胞中首次分離發現，后來被證實核酸是遺傳的物質基礎。分類脫氧核糖核酸DNA細胞核核糖核酸RNA細胞質儲存遺傳信息參與遺傳信息的傳遞和表達RNA按生物學功能可分為：信使RNA(messengerRNA,mRNA)轉運RNA(transferRNA,tRNA)核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)一，核酸的分子組成（一）核酸的元素組成（二）組成核酸的基本成分C、H、O、N、P（9~10%）堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸嘌呤堿嘧啶堿核糖脫氧核糖(H3PO4)（二）組成核酸的基本成分1，磷酸——H3PO42，戊糖P—OHHO—︱OHO‖（RNA）1′2′3′4′5′核糖（DNA）脫氧核糖H3，含氮堿基（二）組成核酸的基本成分嘌呤

嘧啶

堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有DNA:AGCT※RNA:AGCU嘌呤3，含氮堿基腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)嘧啶3，含氮堿基胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）一，核酸的分子組成（三）組成核酸的基本單位——核苷酸(A、G、C、U)堿基核糖磷酸核苷鍵磷酸酯鍵核苷核苷酸（RNA）(A、G、C、T)堿基脫氧核糖核苷鍵脫氧核苷脫氧核苷酸（DNA）磷酸磷酸酯鍵1，核苷由戊糖與堿基通過糖苷鍵連接而形成的化合物。糖苷鍵——戊糖的第1位C與嘌呤堿的第9位N或嘧啶堿的第1位N之間脫水縮合而成。2，核苷酸由核苷中戊糖的羥基（-OH）與磷酸以磷酸酯鍵連接而形成的化合物。磷酸酯鍵

——核糖或脫氧核糖第5位C上的羥基（-OH）被磷酸酯化。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵P28兩類核酸的基本成分和基本單位基本成分基本單位磷酸戊糖堿基核苷酸RNA磷酸核糖腺嘌呤（A）（AMP）一磷酸腺苷鳥嘌呤（G）（GMP）一磷酸鳥苷胞嘧啶（C）（CMP）一磷酸胞苷尿嘧啶（U）（UMP）一磷酸尿苷DNA磷酸脫氧核糖腺嘌呤（A）（dAMP）一磷酸脫氧腺苷鳥嘌呤（G）（dGMP）一磷酸脫氧鳥苷胞嘧啶（C）（dCMP）一磷酸脫氧胞苷胸腺嘧啶（T）（dTMP）一磷酸脫氧胸苷二，核酸的分子結構(一)核苷酸的連接方式3’，5’-磷酸二酯鍵

一個核苷酸C-3’上的羥基與另一個核苷酸C-5’上的磷酸脫水縮合形成的酯鍵。5′端3′端CGA多核苷酸鏈RNA鏈:AMP、GMP、CMP、UMPDNA鏈:dAMP、dGMP、dCMP、dTMP方向：5’→3’主鏈骨架：磷酸和戊糖交替二，核酸的分子結構二，核酸的分子結構(二)核酸的一級結構5′端3′端CGA多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。由于各種核苷酸之間的差別只是堿基的不同，因此，核苷酸的排列順序也稱為堿基的排列順序。二，核酸的分子結構(三)核酸的空間結構1，DNA的空間結構DNA的二級結構DNA的三級結構2，RNA的空間結構RNA的二級結構RNA的三級結構1,DNA的空間結構（1）DNA的二級結構——雙螺旋結構DNA雙螺旋結構模型要點：①DNA由兩條多核苷酸鏈組成，這二條鏈互相平行、方向相反，（一條為5’→3’走向，另一條為3’→5’走向）共同圍繞同一中心軸以右手螺旋方式盤旋。DNA雙螺旋結構模型要點：②兩條鏈上相對應的堿基按照堿基互補規律，通過氫鍵形成堿基配對。A-TG-C

互補堿基：每一堿基對中的兩個堿基。互補鏈：DNA分子中的兩條鏈。DNA雙螺旋結構模型要點：③雙螺旋的直徑為2nm，堿基平面與中心軸垂直。

堿基對之間距離為0.34nm，每一螺旋內含10個堿基對，故螺距為3.4nm。DNA雙螺旋結構模型要點：④DNA分子中互補堿基之間的氫鍵（橫向）和相鄰堿基平面之間的堿基堆積力（縱向）是維持DNA雙螺旋結構穩定的主要作用力。（2）DNA的三級結構——超螺旋結構1,DNA的空間結構DNA在二級結構的基礎上，雙螺旋結構進一步盤曲形成更加復雜的結構。DNA的雙螺旋可成開鏈或閉鏈環狀，經進一步折疊成麻花狀的超螺旋結構。2,RNA的空間結構（1）RNA的二級結構——發夾狀結構RNA二級結構特點：1，RNA為單鏈結構（DNA為雙鏈結構）2，RNA鏈中可在某些節段回旋折疊形成局部雙鏈結構，也可進行堿基配對。A-UG-C3，RNA鏈中在沒有堿基配對的節段形成突環。（2）tRNA的二級結構——三葉草結構2,RNA的空間結構四個螺旋區三個環DHU環反密碼環TψC環一個附加叉氨基酸臂反密碼環TψC環DHU環附加叉（3）tRNA的三級結構——倒L型結構2,RNA的空間結構在二級結構基礎上進一步折疊扭曲形成倒L型（一）核酸的一般性質

酸性

紫外線最大吸收峰：260nm（二）核酸的變性與復性1，變性

增色效應減色效應2，復性退火（三）核酸的分子雜交

雜交

三，核酸的理化性質第二節

核苷酸代謝

合成代謝嘌呤核苷酸（AMP、GMP）嘧啶核苷酸（UMP、CTP）脫氧核苷酸（dNDP）多磷酸核苷酸（NDP、NTP）

分解代謝嘌呤核苷酸（A、G）

嘧啶核苷酸（C、U、T）核苷酸代謝概況21核苷酸的來源外源性——食物中核酸的消化吸收內源性——機體細胞的自身合成

主要核苷酸不屬于營養必需物質一，核苷酸的合成代謝合成途徑：從頭合成途徑：利用氨基酸、一碳單位、CO2和磷酸核糖等小分子物質為原料，經過一系列酶促反應，合成核苷酸的途徑。這是主要合成途徑，主要在肝臟進行。補救合成途徑：以游離的堿基或核苷為原料，經過簡單的反應過程，合成核苷酸的途徑。腦、骨髓等只能進行此途徑。（一）

嘌呤核苷酸的合成——從頭合成途徑（2）合成原料谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、5-磷酸核糖、一碳單位、CO2

肝、小腸和胸腺的胞液。（1）合成部位并不是所有細胞都具有從頭合成嘌呤核苷酸的能力。天冬氨酸谷氨酰胺一碳單位一碳單位

CO2甘氨當中站,谷氮坐兩邊,左上天冬氨,頭頂CO2還有倆一碳嘌呤堿合成的元素來源甘氨酸（3）合成過程（一）

嘌呤核苷酸的合成2.IMP（次黃嘌呤核苷酸）的合成3.AMP和GMP的生成1.PRPP(磷酸核糖焦磷酸)的生成R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶

PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）

PRPP在甘氨酸、一碳單位、谷氨酰胺、二氧化碳及天冬氨酸的逐步參與下,經9步反應IMPAMPGMPH2N-1-R-5′-P（5′-磷酸核糖胺，PRA）谷氨酰胺谷氨酸酰胺轉移酶（次黃嘌呤核苷酸）（腺嘌呤核苷酸）（鳥嘌呤核苷酸）（一）

嘌呤核苷酸的合成——補救合成途徑合成部位:胞液(腦、骨髓為主)合成特點:過程簡單，耗能少。利用現成的堿基或核苷合成核苷酸。合成過程：腺嘌呤＋PRPPAMP＋PPiAPRT次黃嘌呤＋PRPPIMP＋PPiHGPRT鳥嘌呤＋PRPPGMP＋PPiHGPRT生理意義：（1）可直接利用細胞或飲食中的嘌呤或嘌呤核苷，能節省能量與氨基酸消耗；（2）某些器官如腦、骨髓等，缺乏從頭合成嘌呤核苷酸的酶體系，只能進行補救合成。（一）

嘌呤核苷酸的合成——補救合成途徑（二）

嘧啶核苷酸的合成——從頭合成途徑主要是肝細胞胞液（1）合成部位：先合成嘧啶環，再與磷酸核糖相連先合成UMP，再轉變成CTP和dTMP（3）特點：（2）合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2

、5-磷酸核糖嘧啶堿合成的元素來源氨基甲酰磷酸（二）

嘧啶核苷酸的合成——從頭合成途徑（4）合成過程先合成嘧啶環，再與PRPP連接。先合成UMP，再轉變為其它嘧啶核苷酸。原料

UMPUDPdTMPCTP（三）

脫氧核苷酸的合成在二磷酸核苷（NDP，N代表A、G、C、U）水平上直接還原生成二磷酸脫氧核苷（dNDP）。反應過程：NDPNADPH+H+dNDP核苷酸還原酶dNTP磷酸激酶NADP+（三）

脫氧核苷酸的合成脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）——由dUMP甲基化生成反應過程：dUMPTMP合酶N5,N10-甲烯FH4FH2FH2還原酶FH4NADP+NADPH+H+dTMP（四）

多磷酸核苷酸的合成一磷酸核苷（NMP）二磷酸核苷（NDP）三磷酸核苷（NTP）反應過程：NMPNDPNTPADPATP激酶ADPATP激酶N代表不同的堿基二，核苷酸的分解代謝堿基磷酸核苷酸核苷嘌呤堿（A、G）嘧啶堿磷酸核糖H2O磷酸核苷酸酶核苷磷酸化酶尿酸C、UTβ-丙氨酸β-氨基異丁酸（一）

嘌呤核苷酸的分解分解部位：肝臟、小腸及腎臟中GMP鳥嘌呤AMP次黃嘌呤黃嘌呤黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶IMP反應過程：人體內嘌呤堿的最終代謝產物尿酸特點：水溶性差；正常人血漿內尿酸含量低，約為。尿酸鹽晶體沉積于關節、軟組織、軟骨及腎等處，導致關節炎、尿路結石及腎疾病嘌呤核苷酸代謝異常嘌呤核苷酸代謝酶缺陷體內核酸大量分解進食高嘌呤飲食腎功能障礙時血中尿酸↑>0.48mmol/L痛風癥痛風癥（二）

嘧啶核苷酸的分解嘧啶堿1-磷酸核糖嘧啶核苷酸核苷

核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶補救合成或進一步分解胞嘧啶NH3尿嘧啶二氫尿嘧啶H2OCO2+NH3β-丙氨酸β-氨基異丁酸胸腺嘧啶β-脲基異丁酸H2O丙二酸單酰CoA乙酰CoATAC肝尿素甲基丙二酸單酰CoA琥珀酰CoATAC糖異生第三節

核酸的生物合成DNA的生物合成復制

DNA→DNA反轉錄

RNA→DNARNA的生物合成轉錄

DNA→RNA核酸的生物合成生物學的中心法則復制蛋白質轉錄

翻譯DNARNA

逆轉錄（親代→子代）復制：以親代DNA為模板，根據堿基配對的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA的過程。轉錄：以DNA為模板，按照堿基配對原則合成RNA，即將DNA所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補的RNA的過程。翻譯：亦叫轉譯，以mRNA為模板，將mRNA的密碼解讀成蛋白質的氨基酸順序的過程。反轉錄：以RNA為模板，在逆轉錄酶的作用下，生成DNA的過程。中心法則幾個基本概念一，DNA的生物合成（一）DNA的復制DNA指導下的DNA合成（二）反轉錄RNA指導下的DNA的合成DNA——遺傳信息的載體特點：準確的進行自我復制，使DNA

成倍增加。細胞分裂的物質基礎（一）DNA的復制DNA的復制方式——半保留復制DNA復制時，首先是DNA的雙螺旋結構松解，兩條鏈之間的氫鍵斷裂，然后DNA分子中的每一條鏈為模板，通過堿基配對，合成兩個新的DNA分子。這種復制方式稱為半保留復制。親代DNA1，DNA的復制體系模板：親代DNA(雙鏈)原料：dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物：提供3’-OH末端的寡核苷酸

引物（RNA)。參與復制的主要酶類（重點）參與復制的其他蛋白質因子：

單鏈DNA結合蛋白（SSBP）

DNA聚合酶引物酶解鏈酶拓撲異構酶DNA連接酶⑶參與復制的主要酶類⑶參與復制的主要酶類聚合作用：催化dNTP通過3’-5’磷酸二酯鍵

聚合成DNA多核苷酸鏈。引物：3’-OH末端的RNA引物方向：5′→3′核酸外切酶活性3′→5′外切酶活性:識別并切除不配對核苷酸5′→3′外切酶活性:去除RNA引物和突變基因

①DNA聚合酶⑶參與復制的主要酶類②引物酶是RNA聚合酶，合成短片段的RNA引物，為DNA復制提供3’—OH末端，③解鏈酶由ATP供能，打開DNA雙鏈間的氫鍵,解開雙螺旋。⑶參與復制的主要酶類④拓撲異構酶作用：使DNA解旋變成松弛狀態，以解決DNA復制過程中造成DNA分子打結、纏繞及連環的現象。⑶參與復制的主要酶類⑤DNA連接酶若雙鏈DNA中一條鏈有切口，一端是3’-OH，另一端是5’-磷酸基，連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。1,DNA的復制過程（1）復制起始（2）復制延長（3）復制終止

①DNA復制的起點

原核生物從一個固定的起始點開始，同時向兩個方向進行的，稱為雙向復制單擊畫面繼續θ復制（1）復制的起始

②復制叉的形成復制開始后由于DNA雙鏈解開，在兩股單鏈上進行復制，形成在顯微鏡下可看到的叉狀結構。單擊畫面繼續③起始的過程打開DNA超螺旋打開雙螺旋防止復螺旋單鏈結合蛋白解鏈酶引物復合體引物酶拓撲異構酶合成拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白DNA聚合酶引物酶及引發體DNA連接酶引物DNA雙鏈′5′3′5′3（1）復制起始的過程拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白DNA聚合酶引物酶及引發體DNA連接酶引物拓撲異構酶與DNA雙鏈結合，解開超螺旋。′5′3′5′3（1）復制起始的過程拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白DNA聚合酶引物酶及引發體DNA連接酶引物解鏈酶解開DNA雙螺旋′5′3′5′3（1）復制起始的過程拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白DNA聚合酶引物酶及引發體DNA連接酶引物單鏈結合蛋白防止復螺旋′5′3′5′3（1）復制起始的過程拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白DNA聚合酶引物酶及引發體DNA連接酶引物引物酶合成引物′5′3′5′3（1）復制起始的過程1.DNA聚合酶把新生鏈的第一個脫氧核苷酸加到引物的3′-OH上，開始新生鏈的合成過程。AG

T

AC

TA

A

T

DNA聚合酶ACGACGTT引物（2）復制的延長AG

T

AC

TA

A

T

AGCGACGGTTTT

組成

DNA的脫氧核糖核苷酸一個個連接起來3′,5′-磷酸二酯鍵引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGTTTTA引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGTTGTTA引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGTGTTAA引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGTTAAT引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGACGGTTAATA引物AG

T

AC

TA

A

T

GCGCGGTTAATAT引物AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGTTAATATC引物AG

T

AC

TA

A

T

GGCGGTTAATATCDNA模板鏈DNA新鏈引物領頭鏈隨從鏈岡崎片段5′3′′5′3領頭鏈：合成方向與解鏈方向相同，5’→3’，可連續合成的新鏈。隨從鏈：合成方向與解鏈方向相反，不能連續合成，而是按5’→3’，方向合成一段較短的DNA片段后，需待模板解鏈到足夠長度再合成另一段的鏈。岡崎片段：隨從鏈上不連續的DNA片段。復制有終止信號5′→3′外切酶活性水解引物DNA聚合活性填補空隙DNA連接酶連接缺口。（3）復制的終止（二）反轉錄定義：以RNA為模板合成DNA，遺傳信息從RNA傳遞到DNA分子中的過程稱為反轉錄。模板：RNA酶：反轉錄酶（存在于所有致癌RNA病毒中）原料：dNTP方向：5’→3’依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶二，RNA的生物合成RNA的生物合成轉錄RNA的復制（一）RNA的轉錄體系1，模板：DNA雙鏈模板鏈（有意義鏈）編碼鏈（反意義鏈）2，原料：4種NTP（ATP、GTP、CTP、UTP）3，參與轉錄的酶：RNA聚合酶（特點）4，參與轉錄的其他物質：轉錄因子、終止因子等3，RNA聚合酶的特點以DNA為模板以4種NTP為原料遵循堿基配對原則：

A-UT-AG-C延長方向：5’→3’需要Mn2+或Mg2+不需要引物缺乏3’→5’外切酶活性，所以沒有校正功能TGGCAATACCGUUADNARNA轉錄（二）RNA轉錄過程RNA轉錄由起始、延長、終止三個階段組成。起始：RNA聚合酶在σ亞基的引導下結合于啟動子；DNA雙鏈局部解開；在模板鏈上通過堿基配對合成最初RNA鏈延長：核心酶沿著DNA鏈由3’→5’的方向移動，轉錄區間的DNA雙鏈解螺旋，而轉錄完的區間DNA又恢復雙螺旋結構終止：核心酶到達終止子，RNA與核心酶從DNA上脫落模板鏈編碼鏈正超螺旋負超螺旋（二）RNA轉錄過程第四節

蛋白質的生物合成（翻譯）蛋白質生物合成體系n氨基酸蛋白質mRNA、tRNA、rRNA酶、蛋白質因子、ATP、GTP蛋白質的生物合成（翻譯）：

根據mRNA分子中的遺傳信息合成多肽鏈的過程，使多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序轉換為多肽鏈中氨基酸的排列順序。蛋白質生物合成體系原料：20種氨基酸三種RNA的作用mRNA：模板rRNA：合成場所tRNA：氨基酸的“搬運工具”

蛋白質因子：啟動、延長、終止因子酶:氨基酰-tRNA合成酶、轉肽酶

能量：ATP、GTP

無機離子：Mg2+K+一，三種RNA的作用（一）mRNA（信使核糖核酸）蛋白質生物合成的模板（二）tRNA（轉運核糖核酸）轉運氨基酸和辨認密碼（三）rRNA（核蛋白體核糖核酸）蛋白質合成的場所mRNArRNAtRNA（一）mRNA的作用mRNA帶有DNA分子的遺傳信息，是蛋白質生物合成的直接模板。遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個相鄰核苷酸組成三聯體，代表著氨基酸的信息或蛋白質合成的起始、終止信號。UAAUAGUGA64種密碼子61種:代表20種不同的氨基酸；位于mRNA分子中部時，代表蛋氨酸密碼子位于mRNA分子5ˊ端時，代表起始密碼子AUG代表終止密碼子，位于mRNA分子3ˊ端。遺傳密碼的種類數量：64（43）第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號遺傳密碼的特征1，方向性2，擺動性mRNA分子中三聯體密碼是按5’→3’方向排列的；起始密碼→5’–末端，終止密碼→3’–末端，中間為信息區。tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規律，稱為擺動配對。U擺動配對tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U,C,AA,GU,CUG遺傳密碼的特征3，充足性4，專一性64-3=61個代表20種氨基酸，除蛋氨酸和色氨酸外，一個氨基酸一般都有2--4個密碼，多的有6個密碼。一個密碼只代表一種氨基酸5，連續性6，通用性從正確起點開始至終止信號，密碼子的排列是連續的，既不存在間隔（無標點），也無重疊。在mRNA分子上插入或刪去一個堿基，會使該點以后的讀碼發生錯誤，稱為移碼，由這種情況引起的突變稱為移碼突變。生物界在蛋白質的生物合成中都共用一套遺傳密碼。纈-丙-酪-甘纈-丙-絲-精纈-脯-蘇-天（二）tRNA的作用

氨基酸受臂反密碼環1，轉運氨基酸形式：氨基酰—tRNA2，辨認密碼：tRNA分子上的反密碼mRNArRNAtRNA（三）rRNA的作用rRNA+蛋白質→核蛋白體（大亞基、小亞基）蛋白質合成的場所A位：結合氨基酰tRNA的氨

基酰位P位：結合肽酰t