生物化學基礎中職PPT完整全套教學課件

緒論

緒論核酸的結構與功能DNA和RNA的生物合成核苷酸的代謝蛋白質的結構與功能蛋白質的生物合成氨基酸的代謝酶和維生素生物氧化糖類代謝脂質代謝肝膽生物化學水、電解質代謝與酸堿平衡全套可編輯PPT課件1熟悉生物化學的概念和研究內容。2了解生物化學的發(fā)展史。

生物化學即“生命的化學”，簡稱生化。生物化學是生命科學領域重要的學科之一。根據研究對象的不同，生物化學可分為植物生化、動物生化、微生物生化和人體生化。醫(yī)學生物化學屬于人體生化的范疇，以人體為主要研究對象，同時也充分利用動物生化、微生物生化等領域的研究成果，從分子水平上揭示人體生命現象的本質、疾病發(fā)生的機制及發(fā)展規(guī)律，是一門重要的醫(yī)學基礎學科。學習目標01生物化學概述一、生物化學的概念及研究對象生物化學是研究生物體的化學組成、構成生物體分子的結構和功能、生物體內的物質代謝與調節(jié)及其在生命活動中的各種作用，即運用化學的原理及方法探討生命本質的一門學科。隨著技術的進步和科學的快速發(fā)展，人們將生物大分子結構、功能及其代謝調控的研究稱為分子生物學。從廣義上理解，分子生物學是生物化學的重要組成部分，更是當今生命科學領域的前沿學科。二、生物化學研究的主要內容

生物體由多種元素組成，其中碳、氫、氧、氮4種元素的含量最高，占活細胞元素總量的99%以上。這些元素構成了生物體的基本組成物質，包括蛋白質、核酸、糖類、脂質、水、無機鹽，以及含量較少但對生命活動過程極為重要的激素、維生素、微量元素、信號物質等。這些物質種類繁多、結構復雜、功能各異，是生命現象的物質基礎。對這些物質的化學組成、分子結構、理化性質、生理功能的研究是生物化學的基礎內容。在對這部分內容進行研究時，往往是從相對靜止的角度把這些物質孤立起來進行觀察，較少涉及它們的變化及相互關系，故又被稱為靜態(tài)生物化學。01生物化學研究的根本目的是揭示生命的奧秘，在分子水平上闡明生命現象的本質。其研究內容如下。

構成生物有機體的物質基礎二、生物化學研究的主要內容

組成生物體的基本物質在生命活動的過程中不斷地進行相互聯系又相互制約、復雜多樣又具有規(guī)律的化學變化，并與周圍環(huán)境不斷進行物質交換，從而為生命活動提供能量，同時完成體內基本物質的化學組成的更新?；疚镔|在體內進行的這種運動變化稱為新陳代謝，是生物區(qū)別于非生物最重要的特征，一旦這些代謝反應停止，生命即告結束。體內的代謝途徑既要適應環(huán)境的變化，又要相互協調，這樣復雜的過程要通過多種精確的調節(jié)才能完成。生物體在漫長的進化過程中，形成了精密、細致、完善的代謝調控機制，使得生物體的物質代謝和能量代謝能有序地進行，保證了生物體內環(huán)境的穩(wěn)定和各組織器官功能的正常發(fā)揮。研究體內的物質代謝及其調節(jié)規(guī)律的動態(tài)過程是生物化學的中心內容，又被稱為動態(tài)生物化學。02物質在生物體內的運動規(guī)律二、生物化學研究的主要內容

遺傳是生物的又一重要特征。遺傳的基本物質是脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA），遺傳信息以基因（gene）為單位儲存在DNA分子中，DNA通過復制產生和親代相同的子代DNA，從而完成遺傳信息的傳遞。DNA可轉錄生成核糖核酸（ribonucleicacid，RNA），以信使RNA（messengerRNA，mRNA）為模板可指導蛋白質的生物合成，從而完成遺傳信息的表達。反轉錄現象的發(fā)現對遺傳信息的傳遞方向與過程進行了補充和完善。生物體內基因的復制和表達存在著一整套嚴密的調控機制，保證了基因表達完成、表達量、表達時間和部位能夠滿足細胞結構與功能的需求并適應內、外環(huán)境的變化。遺傳信息的傳遞、表達和調控是現代生物化學研究的重要內容，又被稱為信息生物化學。03遺傳信息的傳遞、表達和調控二、生物化學研究的主要內容

生物體尤其是人體具有各種各樣的生理功能，如肌肉收縮、神經傳導、腺體分泌、生物合成、視覺和聽覺等。這些生理功能的正常發(fā)揮都是以正常的物質結構和物質代謝為基礎的，失去這一基礎，就會出現代謝紊亂、器官功能異常。研究物質結構、物質代謝與生理功能的關系是了解生命現象本質的重要環(huán)節(jié)，又被稱為功能生物化學。04物質結構、物質代謝與生理功能的關系02生物化學發(fā)展簡史生物化學的研究始于18世紀，但直到20世紀初才成為一門獨立的學科而得到蓬勃發(fā)展。尤其是進入20世紀下半葉，生物化學發(fā)展迅猛，研究碩果累累，已成為生命科學領域的前沿學科之一。一、現代生物化學的研究歷程

18世紀中葉至19世紀末是生物化學研究的初級階段，主要研究的是生物體的化學組成，因此稱為靜態(tài)生物化學時期。該時期的重要貢獻：對糖類、脂質及氨基酸的性質進行了較為系統(tǒng)的研究；發(fā)現了核酸；從血液中分離出了血紅蛋白；發(fā)現了酵母的發(fā)酵過程中存在“可溶性催化劑”，奠定了酶學的基礎等。01動態(tài)生物化學時期02

20世紀前葉，生物化學進入蓬勃發(fā)展的階段，故又稱為動態(tài)生物化學時期。該時期的重要貢獻：發(fā)現了必需氨基酸、必需脂肪酸、維生素和激素等物質，并能夠將其分離與合成；認識了酶的化學本質是蛋白質，并成功制備了酶晶體；由于化學分析及同位素示蹤技術的發(fā)展與應用，生物體內主要物質的代謝途徑已基本確定，如糖代謝、脂肪酸的β-氧化、尿素的合成途徑及三羧酸循環(huán)等。靜態(tài)生物化學時期一、現代生物化學的研究歷程

20世紀中葉以來，生物化學發(fā)展的顯著特征是進入了嶄新的分子生物學時期。在該時期，細胞內的兩類重要生物大分子—蛋白質與核酸已成為生物化學研究的熱點內容。20世紀50年代初期發(fā)現了蛋白質的α-螺旋二級結構；完成了胰島素的氨基酸全序列的分析；尤其是1953年，J.D.Watson和F.H.Crick提出的DNA雙螺旋結構模型，為揭示遺傳信息傳遞的規(guī)律奠定了分子基礎，是生物化學進入分子生物學時期的重要標志，此后，對DNA的復制機制、轉錄及蛋白質生物合成進行了深入的研究；1958年，F.H.Crick提出了遺傳信息傳遞的中心法則；1966年，破譯了mRNA分子中的遺傳密碼，由此人們找到了破解生命之謎的鑰匙；1973年，S.Cohen等首次獲得體外重組DNA的分子克隆；1985年，K.Mullis發(fā)明了PCR（聚合酶鏈式反應）技術等，促進了對基因表達調控機制的研究，使人們主動改造生物體成為可能，極大地促進了分子生物學技術的發(fā)展和應用；1982年，T.R.Cech等人發(fā)現了化學本質為核酸的核酶，拓展了人們對生物催化劑的認識；20世紀90年代初開始的人類基因組計劃（humangenomeproject，HGP）是人類生命科學領域有史以來最龐大的全球性研究計劃，2000年宣布人類基因組“工作框架圖”完成，隨后科學家繪制完成了人類基因組序列圖，以及人類全部基因的一級結構。03分子生物學時期一、現代生物化學的研究歷程

進入2l世紀，隨著HGP的完成，生物化學進入了后基因組研究時期，相繼HGP實施的功能基因組計劃將深入研究各種基因的功能與調節(jié)，該領域的研究成果必將進一步加深人們對生命的認識，同時也為人類的健康和疾病的研究帶來根本性的變革，也勢必會大大推動醫(yī)學的發(fā)展。二、我國對生物化學發(fā)展的貢獻

早在生物化學作為一門學科誕生之前，我國人民就已將許多生物化學的知識應用于生活、生產實踐。例如，公元前21世紀，我國勞動人民已能用曲造酒，即以“曲”為“媒”（酶）催化谷物淀粉發(fā)酵；公元前12世紀，人們利用豆、谷、麥等為原料，制造醬、飴（麥芽糖）、醋等食品；《黃帝內經·素問》中記載“五谷為養(yǎng)，五果為助，五畜為益，五菜為充”，將食物分為四類，并分別說明了其各自的營養(yǎng)價值，成為當時較理想的營養(yǎng)食譜；漢代淮南王劉安利用蛋白質沉淀的方法，提取豆類蛋白質制作豆腐；唐代醫(yī)學家孫思邈用富含維生素A的豬肝治療雀目（夜盲）等。我國近代生物化學的發(fā)展雖然起步較晚（20世紀20年代），但老一輩的生物化學家也為其做出了重大的貢獻。生物化學家吳憲在血液化學分析方面創(chuàng)立了血濾液的制備和血糖測定法；在蛋白質的研究中，他提出了蛋白質變性學說。1965年，我國首次人工合成了具有生物活性的蛋白質—結晶牛胰島素。1981年，我國又首次人工合成酵母丙氨酸轉移核糖核酸。近年來，我國在基因工程、蛋白質工程、基因組計劃等方面均取得了重要的成果，正逐步邁進國際先進水平的行列。03生物化學與醫(yī)學

現代醫(yī)學包括基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學?；A醫(yī)學是臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學的基礎，其所涵蓋的學科主要有生物化學、生理學、微生物學、免疫學、遺傳學、藥理學和病理學等?；A醫(yī)學的各個學科主要是從組織器官、細胞和分子水平上揭示人體正常的結構和功能，以及異常的結構和功能。臨床醫(yī)學的各個學科則研究疾病的發(fā)生、發(fā)展以及診斷和治療。生物化學在分子水平上為醫(yī)學研究正?；蚣膊顟B(tài)時的人體結構與功能、疾病的診斷、治療和預防提供了理論與技術基礎。生物化學不僅是一門重要的醫(yī)學基礎學科，而且是一門重要的橋梁學科，它的理論和技術已滲透到基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學中，與眾多學科都有著廣泛的聯系和交叉，產生了很多新興的交叉學科，如分子生物學、分子遺傳學、分子免疫學、分子微生物學、分子腫瘤學、分子病理學和分子藥理學等。因此，生物化學現已逐漸成為生命科學和醫(yī)學各個學科之間相互聯系的共同語言。

生物化學在推動其他學科飛速發(fā)展的同時，其自身也吸取了眾多學科的長處，使其發(fā)展更具有生命力。隨著生物化學與分子生物學的飛速發(fā)展，臨床醫(yī)學各個學科均已進入了分子醫(yī)學時代。近年來，在分子水平上，人類對于一些重大疾病的研究，如惡性腫瘤、心腦血管疾病、遺傳性疾病、神經系統(tǒng)疾病、免疫性疾病等，取得了豐碩的成果?；蚬こ痰陌l(fā)展，如基因芯片、蛋白質芯片、PCR技術和DNA重組技術等，更深層次地揭示了疾病的發(fā)病機制，基因水平的診斷達到了前所未有的高度—高特異性、高靈敏度和高效性?；蚬こ桃呙绲纳a為解決免疫學難題提供了新的手段。因此，基因診斷和基因治療的應用必將為臨床醫(yī)學的診斷與治療帶來全新的理念。因此，學習生物化學課程，一方面是從分子水平上認識生命現象的本質和人體正常的生理功能，另一方面是為其他醫(yī)學課程的學習打基礎、做鋪墊。同時，學會運用生物化學的理論和技術來分析與解決實際問題，對于后續(xù)課程的學習及今后的臨床工作具有重要的意義。何謂生物化學？01生物化學研究的主要內容有哪些？02思考與練習謝謝聆聽

第一章核酸的結構與功能

1掌握核酸的基本組成和結構特點。2熟悉核酸的結構與功能的關系。

核酸分為脫氧核糖核酸和核糖核酸。DNA存在于細胞核和線粒體內，是遺傳信息的載體；RNA存在于細胞核和細胞質內，參與細胞內遺傳信息的表達。病毒的RNA也可以作為遺傳信息的載體。學習目標3

了解核酸的一般理化性質；DNA和RNA化學組成的異同點。01核酸的化學組成一、核酸的基本組成單位—核苷酸核酸水解可得到核苷酸，徹底水解后的產物為磷酸、戊糖和堿基（圖1-1）。因此，核酸的基本組成單位是核苷酸，基本組成成分為磷酸、戊糖和堿基。DNA和RNA都是由很多核苷酸頭尾相連而成的。RNA為單鏈結構，平均長度為2000個核苷酸；而DNA為雙鏈結構，人類單倍基因組序列由3.2×109個堿基對組成，即同等數量的核苷酸。一、核酸的基本組成單位—核苷酸

核糖中的戊糖有2種，均為β-D-型。組成DNA分子的戊糖是β-D-2-脫氧核糖，組成RNA分子的戊糖是β-D-核糖，兩種戊糖的化學結構如圖1-2所示。01戊糖一、核酸的基本組成單位—核苷酸

核糖中的堿基分為嘌呤堿和嘧啶堿，均為含氮雜環(huán)化合物。嘌呤堿主要包括腺嘌呤（adenine，A）和鳥嘌呤（guanine，G）；嘧啶堿主要包括胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA各含有4種堿基，包括2種嘌呤堿基和2種嘧啶堿基，其中A、G、C為DNA和RNA所共享，而U只存在于RNA中，T只存在于DNA中，如表1-1所示。02堿基

除了上述5種基本的堿基外，核酸分子中還發(fā)現含有幾十種經過甲基化、羥甲基化等修飾后的堿基，因其在核酸分子中出現的頻率低、含量少，故稱為稀有堿基。一、核酸的基本組成單位—核苷酸

核苷是由堿基和戊糖通過糖苷鍵形成的化合物。嘌呤核苷中嘌呤環(huán)第9位氮原子（N-9）與戊糖第1位碳原子（C-1′）形成糖苷鍵（N-C）。嘧啶核苷中嘧啶第1位氮原子（N-1）與戊糖第1位碳原子（C-1′）形成糖苷鍵（N-C）。嘌呤和嘧啶在相同部位與脫氧戊糖相連接，形成各種脫氧核苷。核苷酸是在核苷（脫氧核苷）的基礎上通過磷酸酯鍵與磷酸相連，主要連接在C-5′位上。生物體內游離核苷酸多是5′-核苷酸，帶有1個磷酸基的核苷酸（或脫氧核苷酸）稱為核苷（或脫氧核苷）一磷酸或簡稱核苷酸（或脫氧核苷酸），如圖1-3所示。03核苷與核苷酸一、核酸的基本組成單位—核苷酸

核苷酸包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸，分別是RNA和DNA的基本組成單位（表1-2）。二、體內某些重要的核苷酸

在核苷一磷酸的基礎上，磷酸基還能與磷酸結合生成核苷二磷酸和核苷三磷酸。如1分子5′-腺苷一磷酸（AMP）結合1分子磷酸生成腺苷二磷酸（adenosinediphosphate，ADP），后者再結合1分子磷酸生成腺苷三磷酸（adenosinetriphosphate，ATP）（圖1-4）。01多磷酸核苷酸二、體內某些重要的核苷酸

人體內還存在環(huán)化核苷酸。重要的環(huán)化核苷酸有3′，5′-環(huán)腺苷酸（cyclicadenosinemonophosphate，cAMP）（圖1-5）和3′，5′-環(huán)鳥苷（cyclicguanosinemonophosphate，cGMP）。環(huán)化核苷酸是細胞內重要的信息分子，在激素發(fā)揮生理作用中起第二信使的作用。02環(huán)化核苷酸二、體內某些重要的核苷酸

一些核苷酸及其衍生物還是多種重要輔酶或輔基的組成成分，參與生物氧化和物質代謝的調節(jié)，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，NAD+）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，NADP+）、黃素單核苷酸（flavinmononucleotide，FMN）等。03輔酶類核苷酸02DNA的結構與功能一、DNA的一級結構

核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。組成DNA的脫氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、dCMP和dTMP，組成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸的一級結構是核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱堿基序列。對核酸一級結構的描述為將5′-磷酸末端書于左側，中間部分為核苷酸殘基，3′-羥基末端書于右側（圖1-6）。二、DNA的二級結構

（1）DNA分子是由兩條平行但走向相反（一條鏈為5′→3′，另一條鏈為3′→5′）的多聚脫氧核苷酸鏈圍繞同一中心軸，以右手螺旋方式形成的雙螺旋結構，結構的表面有一個大溝和一個小溝，如圖1-7所示。二、DNA的二級結構

（2）雙螺旋結構的外側是由磷酸與脫氧核糖組成的親水性骨架，內側是疏水的堿基，堿基平面與中心軸垂直。兩條鏈同一平面上的堿基形成氫鍵，使兩條鏈連接在一起。A與T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。A-T、G-C配對的規(guī)律稱為堿基互補配對原則，兩條鏈則互為互補鏈。（3）雙螺旋結構的直徑為2.4nm，螺距為3.54nm，每一個螺旋有10.5個堿基對，每兩個相鄰的堿基對平面之間的垂直距離為0.34nm。（4）DNA雙螺旋結構的橫向穩(wěn)定性靠兩條鏈間的氫鍵維系，縱向穩(wěn)定性則靠堿基平面間的疏水性堿基堆積力維系。三、DNA的高級結構

生物界的DNA是長度十分可觀的大分子，因此，DNA在形成雙螺旋結構的基礎上，還要進一步盤繞和壓縮，形成致密的超級結構。原核生物、線粒體、葉綠體中的DNA是共價封閉的雙螺旋環(huán)狀結構，這種環(huán)狀結構還需再螺旋化形成超螺旋，如圖1-8所示。當螺旋方向與DNA雙螺旋方向相同時，形成正超螺旋；反之，則形成負超螺旋。自然界以負超螺旋為主。三、DNA的高級結構真核生物的DNA以高度有序的形式存在于細胞核內，在細胞周期的大部分時間里以松散的染色質形式出現，在細胞分裂期形成高度致密的染色體。核小體是染色質的基本組成單位，由DNA和5種組蛋白共同構成。先由組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成八聚體的核心組蛋白，長度約150bp的DNA雙鏈在八聚體上盤繞1.75圈，形成尺寸約為11nm×6nm的盤狀核心顆粒，核心顆粒之間再由DNA（約60bp）和組蛋白H連接起來，形成串珠樣的染色質細絲，染色質細絲進一步盤曲成外徑為30nm、內徑為10nm的中空螺旋管，這種中空螺旋管進一步卷曲折疊形成直徑為400nm的超螺旋管，之后進一步壓縮成染色單體，在核內組裝成染色體。在分裂期形成染色體的過程中，DNA被壓縮了8000～10000倍，如圖1-9所示。四、DNA的功能

DNA的基本功能是作為生物遺傳信息的攜帶者，是基因復制和轉錄的模板，并通過DNA的堿基序列決定蛋白質的氨基酸順序。DNA是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。遺傳信息是以基因的形式存在的，基因就是DNA分子中的特定區(qū)段。一個生物體的全部DNA序列稱為基因組，有些病毒的基因組是RNA。各種生物基因組的大小、結構，基因的種類和數量都是不同的。高等動物的基因組可高達3×109個堿基對。研究生物基因組的組成，組內各基因的精確結構、相互關系，以及表達調控的科學稱為基因組學。03RNA的結構與功能

RNA通常以一條核苷酸鏈的形式存在，但可以通過鏈內堿基配對形成局部雙螺旋，從而形成莖環(huán)狀的二級結構和特定的三級結構。RNA分子比DNA分子小得多，從數十個到數千個核苷酸長度不等，但它的種類、大小、結構多種多樣，其功能也各不相同。一、mRNA的結構與功能

1960年F.Jacob和J.Monod等人用放射性核素示蹤實驗證實，一類大小不一的RNA才是蛋白質在細胞內合成的模板，后來這類RNA又被確認是在核內以DNA為模板合成的，然后再轉移至細胞質內。這類RNA被命名為信使RNA。mRNA的結構特點如下。一、mRNA的結構與功能

真核生物mRNA的5′-末端有特殊帽子結構，大部分真核細胞mRNA的5′-末端都以7-甲基鳥苷三磷酸（m7Gppp）為起始結構，這種結構稱為帽子結構，如圖1-10所示。mRNA的帽子結構對于mRNA從細胞核向細胞質轉運、與核糖體結合、與翻譯起始因子結合以及維持mRNA的穩(wěn)定性等均起到重要作用。01帽子結構一、mRNA的結構與功能

在真核生物mRNA的3′-末端，有數十至數百個腺苷酸連接而成的多聚腺苷酸結構，稱為多聚腺苷酸尾或多A尾。目前認為3′-多A尾結構和5′-帽子結構共同負責mRNA從核內向細胞質的轉移、維系mRNA的穩(wěn)定性，以及翻譯起始的調控。02多A尾03遺傳密碼子

mRNA的功能是把核內DNA的堿基順序按照堿基互補配對原則，抄錄并轉移到細胞質，再依照自身的堿基順序指導蛋白質合成過程中的氨基酸順序，也就是為蛋白質的生物合成提供直接模板，即每3個相鄰的核苷酸組成堿基三聯體，代表一種氨基酸，這種堿基三聯體稱為遺傳密碼子。二、tRNA的結構與功能

已完成了一級結構測定的100多種轉運RNA（transferRNA，tRNA）都是由74～95個核苷酸組成的，約占細胞總RNA的15%。tRNA具有較好的穩(wěn)定性，所有tRNA均具有以下結構特點。二、tRNA的結構與功能

tRNA含有多種稀有堿基，占所有堿基的10%～20%，包括二氫尿嘧啶（dihydrouracil，DHU）、假尿苷（pseudouridine，ψ）、次黃嘌呤（hypoxanthine，I）和甲基化的嘌呤（如mG，mA）等，它們均是轉錄后修飾而成的，如圖1-11所示。01稀有堿基二、tRNA的結構與功能

tRNA的核苷酸存在著一些能互補配對的區(qū)域，可以形成局部的雙螺旋，呈莖狀，中間不能配對的部分則膨出形成環(huán)狀結構，這些莖環(huán)結構也稱發(fā)夾結構。發(fā)夾結構的存在使得tRNA的二級結構形似三葉草，如圖1-12所示。位于三葉草結構兩側的發(fā)夾結構以含有稀有堿基為特征，分別稱為DHU環(huán)和TψC環(huán)；位于三葉草結構上下的則分別稱為氨基酸臂和反密碼環(huán)。02環(huán)狀結構二、tRNA的結構與功能

tRNA具有共同的倒“L”形三級結構，一端為氨基酸臂，另一端為反密碼環(huán)?！癓”形結構的拐角處是DHU環(huán)和TψC環(huán)，如圖1-13所示。03“L”形結構二、tRNA的結構與功能

所有tRNA3′-末端都是以CCA結束的，氨基酸可以通過酯鍵連接在最后一個核苷酸的核糖的2′-OH或3′-OH上。不同的tRNA可以結合不同的氨基酸，有的氨基酸只有一種tRNA作為載體，有的則有數種tRNA作為載體，這是由密碼子的簡并性所致的。反密碼環(huán)由7～9個核苷酸組成，居中的3個核苷酸構成了一個反密碼子，反密碼子依靠堿基互補的方式辨認mRNA的密碼子，將其所攜帶的氨基酸準確地運送到核糖體上合成肽鏈。04tRNA的功能—作為各種氨基酸的載體三、rRNA的結構與功能

核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）是細胞內含量最多的RNA，占細胞總RNA的80%以上。（1）原核生物含有3種rRNA，它們分別與不同的核糖體蛋白結合形成了核糖體的大亞基和小亞基，其中23SrRNA與5SrRNA存在于大亞基中，16SrRNA存在于小亞基中。真核生物的4種rRNA也利用同樣的方式構成了核糖體的大亞基和小亞基，其中28SrRNA、5.8SrRNA和5SrRNA存在于大亞基中，小亞基中只含有18SrRNA。（2）核糖體是蛋白質合成的場所，起裝配機的作用。在此裝配過程中，無論是何種mRNA或tRNA，都必須與核糖體進行結合，氨基酸才能有序地魚貫而入，肽鏈合成才能啟動和延伸。三、rRNA的結構與功能（3）不同來源rRNA的堿基組成差別很大，各種rRNA的核苷酸序列已經測定，并據此推測出了它們的二級結構和空間結構，如真核生物的18SrRNA的二級結構呈花狀，如圖1-14所示，眾多的莖環(huán)結構為核糖體蛋白的結合和組裝提供了結構基礎。原核生物的16SrRNA的二級結構與真核生物的18SrRNA的二級結構極為相似。04核酸的理化性質與應用一、核酸的一般性質

核酸是生物大分子，其大小常用堿基數b（單鏈）、堿基對數bp（雙鏈）表示。核酸為線性大分子，有非常大的黏度，因為RNA分子比DNA分子小，所以RNA分子的黏度也比DNA小很多。01分子的大小、黏度02溶解性

DNA和RNA均屬于極性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑。一、核酸的一般性質

核酸是兩性電解質，含有酸性的磷酸基和堿性的堿基。因磷酸基的酸性較強，核酸分子通常表現為較強的酸性。在生理條件下，分子中磷酸基團解離呈多價陰離子狀態(tài)。03酸堿性質04紫外吸收

嘌呤和嘧啶都含有共軛雙鍵，因此，核苷、核苷酸、核酸都具有紫外吸收的特性。在中性條件下，其最大吸收峰在260nm附近。二、DNA的變性與復性

DNA的變性是指在某些理化因素的作用下，DNA雙鏈互補堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，使雙鏈DNA解鏈為單鏈的過程。引起DNA變性的因素有加熱、有機溶劑、酸、堿、尿素和酰胺等。DNA的變性可使其理化性質發(fā)生一系列改變，如黏度下降和紫外線吸收值增加等。在實驗室內最常用的DNA變性方法之一是加熱。加熱使DNA在解鏈的過程中暴露更多的共軛雙鍵，使DNA在260nm處的吸光度增高，稱為增色效應，它是監(jiān)測DNA是否發(fā)生變性最常用的指標。01DNA的變性二、DNA的變性與復性

當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一過程稱為DNA的復性。熱變性的DNA經緩慢冷卻后可以復性，這一過程稱為退火。但是，熱變性的DNA迅速冷卻至4℃以下，復性不能進行，這一特性可用來維持DNA的單鏈狀態(tài)。利用核酸的復性，不同來源的DNA單鏈之間或DNA與RNA單鏈之間，只要存在著一定程度的堿基配對關系，它們就有可能形成雜化雙鏈，這一過程稱為核酸分子雜交。02DNA的復性知識鏈接DNA親子鑒定

一個人有23對染色體，同一對染色體同一位置上的一對基因稱為等位基因，一般一個等位基因來自父親，一個等位基因來自母親。如果檢測到某個DNA位點的等位基因一個與母親相同，另一個就應與父親相同。利用DNA進行親子鑒定，只需做十幾個至幾十個DNA位點的檢測。如果全部相同，即可確定親子關系；如果有一兩個位點不同，則應考慮基因突變的可能，應加做一些位點的檢測進行辨別；如果有3個以上的位點不同，則可排除親子關系。DNA親子鑒定否定親子關系的準確率幾近100%；肯定親子關系的準確率可達到99.99%。

試比較DNA與RNA的分子組成及分子結構的異同點。0102思考與練習簡述真核生物mRNA的結構特點。謝謝聆聽

第二章DNA和RNA的生物合成

1

掌握DNA的復制特點與體系；RNA轉錄的特點與體系；反轉錄的概念。2

熟悉DNA的復制過程；RNA轉錄的終止方式。學習目標3

了解RNA的轉錄過程；反轉錄酶及反轉錄的意義。從遺傳學的中心法則我們已知，生物遺傳信息以特定的核苷酸序列形式編碼在DNA分子上，通過復制、轉錄，再翻譯成蛋白質，以發(fā)揮各種生命功能，使后代表現出與親代相似的遺傳性狀。這些過程都是通過生物體內DNA和RNA的生物合成實現的。01DNA的生物合成DNA生物合成的方式主要包括DNA的復制和反轉錄。DNA復制是體內合成DNA的主要方式。一些RNA病毒可以RNA為模板，通過反轉錄合成DNA。一、DNA復制

以親代DNA為模板，按照堿基互補配對原則合成子代DNA的過程稱為DNA復制。01DNA復制的特點

1）DNA的半保留復制復制時，親代DNA雙鏈解開形成兩股單鏈，以每條單鏈為模板，按照堿基互補配對原則合成與其互補的子鏈，從而由一個親代DNA復制出兩個與親代DNA完全相同的子代DNA。在新合成的每一個子代DNA分子中，一條鏈來自親代，另一條鏈是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制，如圖2-1所示。2）DNA的半不連續(xù)復制DNA復制時，一條鏈是連續(xù)合成的，而另一條鏈是不連續(xù)合成的，這種復制方式稱為半不連續(xù)復制。知識鏈接基因認識的發(fā)展

基因是具有遺傳效應的DNA片段。人們對于基因的認識是不斷發(fā)展的，19世紀60年代，遺傳學家孟德爾通過豌豆實驗提出了生物的性狀是由“遺傳因子”控制的。20世紀初期，遺傳學家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗，認識到基因存在于染色體上，得出了染色體是基因載體的結論。20世紀50年代以后，隨著分子遺傳學的發(fā)展，尤其是沃森和克里克提出DNA雙螺旋結構后，人們才認識到基因的本質，即基因是具有遺傳效應的DNA片段。一、DNA復制02DNA復制的體系

DNA復制是復雜的脫氧核糖核苷酸聚合的酶促反應過程，在這一過程中，需要模板、原料、酶和蛋白質因子、RNA引物等多種物質的參與，并由ATP、GTP提供能量。1）模板DNA復制的模板是親代DNA分子，親代DNA的兩條鏈均可作為模板指導DNA合成。2）原料四種脫氧核苷三磷酸（deoxyribonucleosidetriphosphate，dNTP）為底物（原料），即dATP、dGTP、dCTP、dTTP。3）能量DNA復制主要依靠ATP供能，其次原料本身也可提供能量。4）引物由RNA引物酶催化合成的小片段RNA，其3′-OH末端為脫氧核苷三磷酸加入位點。一、DNA復制

5）催化酶催化酶主要包括解旋酶、引物酶、DNA聚合酶及DNA連接酶等，另外還有拓撲異構酶等。（1）解旋酶。解旋酶可利用ATP提供的能量，使DNA雙鏈間的氫鍵斷開，形成兩條單鏈作為模板鏈。（2）引物酶。引物酶是一種特殊的RNA聚合酶，催化合成小分子RNA引物，為DNA合成提供加入位點。（3）DNA聚合酶。DNA聚合酶是復制中最重要的酶，它能催化4種dNTP與模板鏈的堿基互補配對，聚合成新的DNA互補鏈。（4）DNA連接酶。DNA連接酶可催化相鄰的DNA片段連接成完整的DNA鏈。一、DNA復制03DNA的復制過程

DNA的復制過程分為三個階段：起始、延長、終止（圖2-2）。一、DNA復制

1）復制的起始DNA復制從特定的起始部位開始。原核生物的環(huán)狀DNA一般只有一個復制點，真核生物細胞的線狀DNA有多個起始點。DNA拓撲異構酶和解旋酶在DNA復制起始部位解開DNA超螺旋結構，使DNA雙鏈形成局部的DNA單鏈，然后單鏈DNA結合蛋白參與進來，起到保護和穩(wěn)定DNA單鏈的作用，各復制點所形成的Y字形結構稱為復制叉。當兩股DNA單鏈暴露出足夠數量的堿基時，引物酶識別起始部位，并以解開的一段DNA鏈為模板，按堿基配對規(guī)律，從5′→3′方向合成引物RNA片段。引物的長短約為十余個至數十個核苷酸，引物的合成為DNA的復制提供了3′-OH末端，它將作為DNA鏈合成的起始部位。引物的生成標志著復制的正式開始。一、DNA復制

2）復制的延長DNA復制的延長是在DNA聚合酶的催化下，以4種dNTP為原料進行的聚合反應。DNA的兩條鏈都可以作為模板，同時合成出兩條新的互補鏈。由于DNA分子的兩條鏈是反向平行的，一條鏈走向為5′→3′，另一條鏈走向為3′→5′，而所有DNA聚合酶的合成方向都是5′→3′，這就使得3′→5′走向的模板鏈，其上合成的DNA子代鏈延長的方向與復制叉前進的方向相同，可以順利地按5′→3′方向連續(xù)合成，這條鏈稱為前導鏈；而另一條5′→3′走向的模板鏈，其上合成DNA子代鏈延長的方向與復制叉前進的方向相反，故不能連續(xù)進行，形成許多不連續(xù)片段，這條鏈稱為隨從鏈。隨從鏈上不連續(xù)合成的DNA片段是1968年由日本科學家岡崎發(fā)現的，故被稱為岡崎片段。一、DNA復制

3）復制的終止DNA復制的終止是指由DNA聚合酶Ⅰ切除引物并填補空隙，DNA連接酶連接缺口生成子代DNA的階段。當復制延長到具有特定堿基序列的復制終止區(qū)時，在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，切除前導鏈和隨從鏈的RNA引物，并以5′→3′方向延長DNA以填補引物水解留下的空隙。在隨從鏈上，岡崎片段之間的缺口由DNA連接酶催化，以磷酸二酯鍵連接生成完整的DNA子鏈。子代DNA鏈與對應的模板鏈纏繞成DNA雙螺旋結構。二、反轉錄01反轉錄的概念與反轉錄酶

大多數生物體的遺傳信息儲存在DNA分子中，而某些病毒如RNA病毒，其遺傳信息則儲存在RNA分子中，RNA病毒能以RNA為模板合成DNA，這個過程稱為反轉錄或逆轉錄。催化反轉錄反應的酶是反轉錄酶，又稱依賴RNA的DNA聚合酶。1970年，Termin在Rous肉癌病毒中發(fā)現了反轉錄酶，之后發(fā)現在所有RNA腫瘤病毒中都含有反轉錄酶。反轉錄酶的作用是以dNTP為底物，以RNA為模板，tRNA為引物，在tRNA3′-OH端，按5′→3′方向，合成一條與RNA模板互補的DNA單鏈，這條DNA單鏈稱為互補DNA（cDNA），它與RNA模板形成RNA/DNA雜交體。隨后在核糖核酸酶H的作用下水解掉RNA鏈，以cDNA為模板合成第二條DNA鏈，完成由RNA指導的DNA合成過程。RNA病毒在進入細胞后，在細胞液中脫去外殼，接著反轉錄酶以病毒RNA為模板進行反轉錄，形成的DNA帶有病毒的全部遺傳信息，它可在細胞內獨立復制，也可以整合到宿主細胞染色體的DNA中，隨宿主基因一起復制表達，而使宿主細胞發(fā)生癌變。二、反轉錄02反轉錄的意義

反轉錄與反轉錄酶的發(fā)現具有重要意義，它補充和發(fā)展了中心法則，使人們認識到RNA也兼有遺傳信息的傳代功能。對反轉錄病毒的研究拓寬了病毒致癌理論。在基因工程中，可利用反轉錄酶將mRNA反轉錄成cDNA，以獲得目的基因。知識鏈接人類免疫缺陷病毒

人類免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）是一種反轉錄病毒。HIV-1的反轉錄酶分子有兩個亞基（5l000和66000），其中p66亞基有兩個關鍵性結構域，分別具有DNA聚合活性和RNA降解活性，該酶能以RNA為模板合成DNA，并能降解RNA，合成的DNA單鏈能以自身為模板合成另外一條單鏈，形成完整的雙鏈DNA，并能插入人類細胞的基因組中，隨細胞分裂而分裂。02RNA的生物合成生物體內DNA分子攜帶的基因信息最終要表達為各種蛋白質，參與機體的各種生命活動過程，這個過程需要RNA的參與才能實現。因此，RNA在基因信息的傳遞和表達過程中起著重要的作用。一、RNA的轉錄體系

以DNA為模板合成RNA，遺傳信息從DNA傳遞到RNA，這一過程稱為轉錄。在基因表達的過程中，轉錄是第一步，也是最關鍵的一步，經轉錄后生成的初級轉錄產物通常還需要經過一系列加工、修飾過程才能成為成熟的RNA分子。01轉錄的概念一、RNA的轉錄體系

1）模板因RNA是單鏈，故轉錄時只以DNA的一條鏈為模板，依據堿基互補配對原則，指導合成與其互補的RNA分子，而各個基因的模板鏈不都在同一條鏈上，這種現象稱為不對稱轉錄，如圖2-3所示。在轉錄時起模板作用的鏈稱為模板鏈，與其互補的鏈稱為編碼鏈。編碼鏈的序列與轉錄形成的RNA鏈的序列基本相同，只是轉錄體上的U取代編碼鏈上的T。02轉錄的體系一、RNA的轉錄體系

2）RNA聚合酶RNA聚合酶又稱為DNA指導的RNA聚合酶（DNA-directedRNApolymerase，DDRP）。該酶以DNA為模板，以NTP為底物，遵從堿基互補配對原則，并按5′→3′方向催化RNA鏈的合成。（1）原核生物的RNA聚合酶。目前在原核生物中只發(fā)現一種RNA聚合酶，兼有合成各種RNA的功能。（2）真核生物的RNA聚合酶。真核生物的RNA聚合酶比原核生物的RNA聚合酶更復雜，現已發(fā)現有3種類型，分別稱為RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅲ。二、RNA的轉錄過程DNA復制是一個連續(xù)的過程，為了便于認識，人們將轉錄過程分為起始、延長和終止3個階段。下面以原核生物為例進行介紹。01轉錄的體系

轉錄是從DNA特定部位開始的，這個部位是RNA聚合酶全酶結合的部位，稱為啟動子。RNA聚合酶的σ因子首先辨認DNA的啟動子部位，并帶動RNA聚合酶全酶與啟動子結合，同時使DNA分子的構象改變，結構松弛，DNA的雙螺旋結構局部解開，暴露出DNA模板。第一個NTP加入，按堿基互補配對原則，以氫鍵結合于DNA模板上，第二個NTP按照相同的方式繼續(xù)加入，并與第一個NTP的3′-OH脫水縮合形成第一個磷酸二酯鍵，從而形成轉錄起始復合物。轉錄起始復合物中游離的3′-OH為RNA鏈的延長做好了準備。與DNA聚合酶不同，RNA聚合酶可以從頭合成新的RNA鏈，因此轉錄的起始不需要引物。二、RNA的轉錄過程02轉錄的延長

轉錄起始復合物形成后，σ因子脫落，RNA聚合酶核心酶在模板上滑動。在模板鏈的指導下，核心酶催化相應的核苷酸，按堿基互補配對原則，沿5′→3′方向合成與模板鏈互補的RNA鏈。新合成的RNA鏈暫時與模板DNA形成一小段RNA-DNA雜合雙鏈，這樣由酶-RNA-DNA形成的復合物被形象地稱為轉錄泡，如圖2-4所示。二、RNA的轉錄過程03轉錄的終止

當RNA聚合酶沿DNA模板鏈滑行至終止信號區(qū)域時，RNA聚合酶和新合成的RNA鏈從DNA模板上脫落下來，轉錄過程終止。三、轉錄后的加工與修飾

轉錄生成的初級轉錄產物是RNA的前體，沒有活性，需要經一系列的加工、修飾才能形成各種具有生物活性的RNA分子，這一過程稱為RNA的成熟過程。01mRNA的轉錄后加工

原核mRNA的初級轉錄產物一般可直接用于翻譯，真核mRNA的前體是核內分子量較大而不均一的RNA，稱為核內不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），需經過加工才能成為成熟的mRNA。mRNA前體的加工步驟如下。三、轉錄后的加工與修飾

1）5′-端加帽真核生物mRNA的5′-端有一個特殊的結構，即7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸（m7Gppp），稱為帽子結構（圖2-5）。加帽過程是由加帽酶和甲基轉移酶催化完成的，甲基由S-腺苷甲硫氨酸提供。帽子結構的功能主要有以下3點。

（1）穩(wěn)定mRNA結構，使mRNA免遭核酸外切酶的降解。（2）有助于mRNA轉移至細胞質中。（3）參與mRNA與特異性蛋白質的結合，作為翻譯起始所必需的一種因子。三、轉錄后的加工與修飾

2）3′-端加多A尾真核轉錄產物的3′-端通常有一段多A尾（polyA）結構，平均長度為50～200個核苷酸（圖2-5）。polyA是由多聚A聚合酶催化加上去的，有的轉錄產物的3′-端有多余順序，則需切除后再加上尾巴。polyA的功能可能是維持mRNA作為翻譯模板的活性，并維持mRNA的穩(wěn)定性。三、轉錄后的加工與修飾

3）剪接結構基因中具有表達活性的編碼序列稱為外顯子，無表達活性、不能編碼相應氨基酸的序列稱為內含子。在轉錄過程中，外顯子和內含子均被轉錄到hnRNA中。在hnRNA的加工過程中，將hnRNA上的內含子序列切除，再將被隔開的外顯子連接起來，這一過程稱為剪接，如圖2-6所示。剪接過程是由細胞核小分子RNA參與完成的，被切除的居間順序形成套索形。三、轉錄后的加工與修飾

4）堿基修飾mRNA分子內的某些部位常存在于N6-甲基腺苷，它是在轉錄后加工，由甲基化酶催化產生的。

tRNA前體轉錄后加工的主要步驟如下。（1）對tRNA分子上的部分核苷酸進行修飾（包括甲基化、?；?、硫代和重排等）。（2）切除5′-端和3′-端的多余核苷酸。（3）3′-端加上CCA序列。（4）含有居間順序的真核tRNA前體，加工時需除去居間順序。02tRNA前體的轉錄后加工三、轉錄后的加工與修飾

真核細胞在轉錄過程中首先生成的是45SrRNA前體，然后通過核酸酶的作用，加工成28SrRNA、5.8SrRNA及18SrRNA。這些rRNA與多種蛋白質結合形成核糖體。rRNA的成熟過程中也包括堿基的修飾。

在轉錄水平上，某些基因轉錄產生的mRNA上的一些序列經過編輯、加工發(fā)生了改變，如插入或刪除了某個核苷酸引起編碼改變，這個過程稱為RNA編輯。某些小分子RNA可以參與轉錄后加工，從而影響基因表達，如某些小干擾RNA（smallinterferingRNA，siRNA）能引起與之互補的目標RNA的沉默，阻斷翻譯過程，稱為RNA沉默。RNA沉默在調控生物的生長發(fā)育、維持基因穩(wěn)定性等方面具有重要作用。04RNA編輯與RNA沉默03rRNA前體的轉錄后加工

什么是轉錄？轉錄與復制的異同點有哪些？0102思考與練習簡述DNA復制的條件。謝謝聆聽

第三章核苷酸的代謝

1

掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的合成原料；嘌呤核苷酸的分解代謝終產物及臨床意義。2

熟悉核苷酸的生理功能及核苷酸抗代謝物在臨床中的應用。學習目標3

了解核苷酸的代謝途徑。核酸的消化主要在小腸中進行。在胰液和腸液內各種水解酶的作用下，核酸被逐步水解，生成的各種單核苷酸及其水解產物均可被腸黏膜細胞吸收，它們絕大部分在腸黏膜細胞內被進一步水解，其分解產物磷酸和戊糖可以被機體利用，參與體內代謝。01嘌呤核苷酸的代謝DNA生物合成的方式主要包括DNA的復制和反轉錄。DNA復制是體內合成DNA的主要方式。一些RNA病毒可以RNA為模板，通過反轉錄合成DNA。一、嘌呤核苷酸的合成代謝

體內嘌呤核苷酸的合成代謝有兩種形式：從頭合成途徑和補救合成途徑。從頭合成途徑是指以磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及CO2等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應合成核苷酸的過程；補救合成途徑是指利用體內游離的堿基或核苷，經過簡單的反應合成核苷酸的過程。兩者的重要性因組織不同而異，一般情況下，從頭合成途徑是體內大多數組織核苷酸合成的主要途徑。一、嘌呤核苷酸的合成代謝01嘌呤核苷酸的從頭合成

1）原料嘌呤核苷酸從頭合成途徑的基本原料包括核糖-5-磷酸、谷氨酰胺、甘氨酸、天冬氨酸、一碳單位和CO2。經同位素示蹤實驗證明的嘌呤環(huán)C、N的來源如圖3-1所示。

2）合成過程除某些細菌外，幾乎所有生物體都能合成嘌呤堿。嘌呤核苷酸的從頭合成在細胞質中進行，反應步驟比較復雜，可分為兩個階段：首先合成次肌苷一磷酸（inosinemonophosphate，IMP），然后IMP再轉化成AMP與GMP。一、嘌呤核苷酸的合成代謝（1）IMP的生成。IMP是嘌呤核苷酸合成的重要中間產物，其合成需經過11步反應完成。首先，核糖-5-磷酸在磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPP合成酶）的催化下被活化生成磷酸核糖基焦磷酸（phosphoribosylpyrophosphate，PRPP），PRPP是核糖-5-磷酸參與體內各種核苷酸合成的活化形式；然后，在PRPP酰胺轉移酶的催化下，PRPP上的焦磷酸被谷氨酰胺的酰氨基取代生成核糖-5-磷酸胺（PRA）。以上兩個步驟是IMP合成的關鍵步驟，催化它們的酶—PRPP合成酶和PRPP酰胺轉移酶是IMP合成的關鍵酶。在PRA的基礎上，再經過8步連續(xù)的酶促反應，依次將甘氨酸、N5，N10-甲炔四氫葉酸、谷氨酰胺的酰胺氮、CO2、天冬氨酸、N10-甲酰四氫葉酸等基團連接上去，最終生成IMP。肌苷一磷酸的合成過程如圖3-2所示。一、嘌呤核苷酸的合成代謝嘌呤核苷酸從頭合成的酶在細胞質中多以酶復合體的形式存在，PRPP合成酶和PRPP酰胺轉移酶的活性可受反饋機制調節(jié)，如IMP、AMP及GMP等合成產物可反饋抑制其活性，而PRPP可促進PRPP酰胺轉移酶的活性。在嘌呤核苷酸從頭合成的調節(jié)中，PRPP合成酶可能比PRPP酰胺轉移酶起的作用更大。一、嘌呤核苷酸的合成代謝（2）AMP和GMP的生成。①由GTP供能，天冬氨酸提供氨基，使IMP生成腺苷酸代琥珀酸，后者在裂解酶的催化下裂解為延胡索酸和AMP。②IMP脫氫氧化生成黃苷一磷酸（xanthosinemonophosphate，XMP），然后由ATP供能，谷氨酰胺提供氨基，XMP被氨基化成GMP，如圖3-3所示。一、嘌呤核苷酸的合成代謝由圖3-3可見，AMP的生成需要GTP的參與，而GMP的生成需要ATP的參與，所以GTP可以促進AMP的生成，而ATP也可以促進GMP的生成，這種交叉調節(jié)作用對于維持AMP和GMP濃度的平衡具有重要意義。生成的AMP和GMP在激酶的連續(xù)作用下，分別生成ATP和GTP。

肝臟是體內嘌呤核苷酸從頭合成的主要器官，其次為小腸黏膜和胸腺。從上述反應過程可以清楚地看到，最先生成的核苷酸是IMP，由IMP再轉化成AMP和GMP。同時，細胞是在核糖-5-磷酸的基礎上逐漸合成嘌呤環(huán)的，而不是先合成嘌呤環(huán)再與磷酸核糖結合，這點與嘧啶核苷酸的合成過程明顯不同，是嘌呤核苷酸合成的一個重要特點。一、嘌呤核苷酸的合成代謝02嘌呤核苷酸的補救合成

機體的某些組織并不能從頭合成核苷酸，如腦和骨髓，它們只能通過補救合成途徑來合成核苷酸。補救合成過程比較簡單，消耗能量也少。體內嘌呤核苷酸的補救合成有兩種方式：一是利用體內游離的嘌呤堿進行的補救合成，此過程需要腺嘌呤磷酸核糖轉移酶（adeninephosphoribosyltransferase，APRT）和次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖基轉移酶（hypoxanthineguaninephosphoribosyltransferase，HGPRT）的參與，它們在PRPP提供磷酸核糖的基礎上，分別催化AMP、GMP和IMP的補救合成；二是利用體內游離的嘌呤核苷進行的補救合成，主要是腺嘌呤核苷在腺苷激酶的催化下被磷酸化成腺苷酸。一、嘌呤核苷酸的合成代謝

APRT受AMP的反饋抑制，HGPRT受IMP和GMP的反饋抑制。嘌呤核苷酸補救合成的生理意義包括兩方面：一方面節(jié)省了從頭合成的能量和一些氨基酸的消耗；另一方面，補救合成對體內某些組織來說有重要意義，如腦和骨髓等，由于缺乏從頭合成的酶系，只能進行嘌呤核苷酸的補救合成，因此，對這些組織器官來說，補救合成途徑就顯得尤為重要。知識鏈接自毀性綜合征

自毀性綜合征是一種X染色體隱性連鎖遺傳缺陷，多見于男性?；颊弑憩F為尿酸增高及神經異常，如腦發(fā)育不全、智力低下、具有攻擊和破壞性行為。1歲后可出現手足抽動，繼而發(fā)展為肌肉強迫性痙攣、四肢麻木，發(fā)生自殘行為，常咬傷自己的嘴唇、手和足趾。該病的發(fā)病機制是由于HGPRT缺乏，使得分解產生的PRPP不能被利用而堆積，PRPP促進嘌呤的從頭合成，從而使嘌呤的分解產物——尿酸增高；而神經系統(tǒng)癥狀的發(fā)生機制尚不清楚。一、嘌呤核苷酸的合成代謝03脫氧核苷酸的合成

1）脫氧核苷二磷酸的合成現已證明，除dTMP外，體內的脫氧核糖核苷酸均是由相應的核糖核苷酸直接還原而來的，這種還原作用是在核苷二磷酸的水平上進行的，催化反應進行的酶是核糖核苷酸還原酶，其總反應式如下：一、嘌呤核苷酸的合成代謝

核糖核苷酸的還原是一個復雜的過程，需硫氧化還原蛋白、NADPH和硫氧化還原蛋白還原酶等共同參與，如圖3-4所示。

上述生成的脫氧核苷二磷酸（dNDP）經激酶的作用再被磷酸化成脫氧核苷三磷酸（dNTP），參與DNA的生物合成。一、嘌呤核苷酸的合成代謝

2）脫氧胸腺嘧啶核苷酸的生成dTMP由dUMP經甲基化而生成（圖3-5）。該反應由胸腺嘧啶核苷酸合酶催化，N5，N10-甲烯四氫葉酸提供甲基。dUMP可由dUDP水解生成，也可由dCMP脫氨生成，以后者為主。

N5，N10-甲烯四氫葉酸提供甲基后生成二氫葉酸，生成的二氫葉酸又可在二氫葉酸還原酶的作用下，重新生成四氫葉酸。二、嘌呤核苷酸的分解代謝

嘌呤核苷酸的分解代謝主要是在肝臟、小腸等器官中進行。其過程與食物中核苷酸的消化過程類似。細胞中的嘌呤核苷酸在核苷酸酶的作用下水解為嘌呤核苷，嘌呤核苷經核苷磷酸化酶的作用，分解為游離的嘌呤堿和1-磷酸核糖。1-磷酸核糖在磷酸核糖變位酶的催化下轉化為核糖-5-磷酸，核糖-5-磷酸既可以參與磷酸戊糖途徑，也可以作為核苷酸合成原料繼續(xù)參與新核苷酸的合成；嘌呤堿則最終被分解為尿酸，并隨尿排出體外，所以尿酸是人體嘌呤分解代謝的終產物（圖3-6）。二、嘌呤核苷酸的分解代謝

AMP分解產生次黃嘌呤，后者在黃嘌呤氧化酶的作用下氧化成黃嘌呤，最終生成尿酸；GMP分解產生鳥嘌呤后，鳥嘌呤在鳥嘌呤脫氨酶的催化下轉化成黃嘌呤，后者在黃嘌呤氧化酶的催化下生成尿酸。黃嘌呤氧化酶是尿酸生成的關鍵酶，遺傳缺陷或嚴重的肝臟損傷可導致該酶的缺乏。臨床上，黃嘌呤氧化酶缺乏的患者可表現為黃嘌呤尿、黃嘌呤腎結石、低尿酸血癥等癥狀。二、嘌呤核苷酸的分解代謝

正常人血漿中的尿酸含量為0.12～0.36mmol/L（2～6mg/dl），男性略高于女性。尿酸的水溶性較差，臨床上痛風患者血中的尿酸含量升高，當超過0.48mmol/L（8mg/dl）時，尿酸鹽結晶沉積于關節(jié)、軟組織、軟骨和腎臟等處，最終導致痛風性關節(jié)炎、尿路結石及腎臟疾病。由尿酸鹽結晶沉積引起的疼痛癥狀臨床上稱為痛風。目前已知有兩種酶活性異?？蓪е峦达L。繼發(fā)于其他疾病導致血中尿酸升高而產生的痛風則屬于繼發(fā)性痛風，如腎功能障礙引起尿酸排出減少、進食高嘌呤飲食、體內核酸大量分解（如白血病、惡性腫瘤等）等。臨床上常用于治療痛風的別嘌呤醇是一種抑制尿酸生成的藥物，其結構與次黃嘌呤類似，它可競爭性抑制黃嘌呤氧化酶的活性，從而抑制尿酸的生成由于尿酸在體內生成。由于尿酸在體內生成后主要經腎臟排泄，因此，在臨床生物化學檢驗中通常也通過體內尿酸含量的高低來評價腎臟功能。02嘧啶核苷酸的代謝一、嘧啶核苷酸的合成

1）原料嘧啶核苷酸的從頭合成所需的原料較少，主要包括谷氨酰胺、CO2、天冬氨酸和核糖-5-磷酸。經同位素示蹤實驗證明合成嘧啶核苷酸的元素來源如圖3-7所示。01嘧啶核苷酸的從頭合成

與嘌呤核苷酸的合成一樣，嘧啶核苷酸的合成代謝也有從頭合成和補救合成兩條途徑。

2）過程嘧啶核苷酸的從頭合成比嘌呤核苷酸的從頭合成簡單。嘧啶核苷酸的從頭合成與嘌呤核苷酸的從頭合成最主要的區(qū)別點：嘧啶核苷酸的從頭合成先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖相連；首先生成的核苷酸是尿苷一磷酸（uridinemonophosphate，UMP），之后尿苷酸在核苷三磷酸的水平上被甲基化成胞苷酸。具體過程如下。一、嘧啶核苷酸的合成

（1）UMP的合成。嘧啶環(huán)的合成開始于氨基甲酰磷酸的生成。首先，谷氨酰胺、CO2和ATP在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下生成氨基甲酰磷酸；氨基甲酰磷酸與天冬氨酸在天冬氨酸氨基甲酰轉移酶的催化下，合成氨甲酰天冬氨酸；后者在二氫乳清酸酶的催化下脫水生成二氫乳清酸，至此嘧啶環(huán)形成；二氫乳清酸脫氫生成乳清酸，后者在乳清酸磷酸核糖轉移酶的催化下與PRPP結合，生成乳清苷酸；乳清苷酸脫羧生成UMP。此過程有6步反應，如圖3-8所示。一、嘧啶核苷酸的合成

需要區(qū)分的是，哺乳類動物中嘧啶和尿素的合成都以氨基甲酰磷酸的生成為起點，但兩個過程中的氨基甲酰磷酸的來源不同：嘧啶合成中的氨基甲酰磷酸是在細胞質中以谷氨酰胺為氮源，在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下完成的；而尿素合成所需的氨基甲酰磷酸是在肝臟的線粒體中以氨為氮源，在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ的催化下完成的，這兩種合成酶的性質是不同的。氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ是嘧啶核苷酸從頭合成的主要調節(jié)酶，受UMP的反饋抑制。此外，在真核細胞中，嘧啶核苷酸合成的前三個酶，即氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ、天冬氨酸氨基甲酰轉移酶和二氫乳清酸酶，位于同一多肽鏈上，是多功能酶；后兩個酶也是位于同一多肽鏈上的多功能酶，這樣更有利于它們以均勻的速度參與嘧啶核苷酸的合成。（2）CTP的合成。UMP在激酶的連續(xù)作用下生成UTP，UTP在CTP合成酶的催化下，由谷氨酰胺提供氨基，消耗1分子ATP，UTP被氨基化成CTP。一、嘧啶核苷酸的合成

嘧啶核苷酸的補救合成與嘌呤核苷酸的補救合成類似，嘧啶磷酸核糖轉移酶是其補救合成的主要酶，它能以尿嘧啶、胸腺嘧啶及乳清酸作為底物，催化生成相應的嘧啶核苷酸，但對胞嘧啶不起作用，實際上，該酶和乳清酸磷酸核糖轉移酶是同一種酶。尿苷激酶可催化尿苷生成尿苷酸。脫氧胸苷可通過胸苷激酶催化生成dTMP，該酶在正常肝臟中活性很低，但在惡性腫瘤中活性明顯升高。02嘧啶核苷酸的補救合成二、嘧啶核苷酸的分解代謝

嘧啶核苷酸的分解代謝主要在肝臟中進行。首先通過核苷酸酶及核苷磷酸化酶的作用，脫去磷酸和核糖，產生嘧啶堿，再進一步分解；胞嘧啶脫氨轉化為尿嘧啶，后者再還原成二氫尿嘧啶，并水解開環(huán)，最終生成NH3、CO2和β-丙氨酸；β-丙氨酸可轉化成乙酰CoA，然后進入三羧酸循環(huán)被徹底氧化分解。胸腺嘧啶降解生成NH3、CO2和β-氨基異丁酸；β-氨基異丁酸可轉化成琥珀酰CoA，同樣進入三羧酸循環(huán)被徹底氧化分解。NH3和CO2可合成尿素，排出體外（圖3-9）。二、嘧啶核苷酸的分解代謝

此外，一部分β-氨基異丁酸還可直接隨尿排出，其排泄量可反映細胞及其DNA的破壞程度。白血病患者及經放療或化療的癌癥患者，由于DNA破壞過多，往往會出現尿中β-氨基異丁酸的排泄增加；食用含DNA豐富的食物也可使尿中β-氨基異丁酸的排出量增多。

比較嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸從頭合成的異同點。思考與練習謝謝聆聽

第四章蛋白質的結構與功能

1

掌握蛋白質的特征元素；蛋白質的系數及應用；氨基酸的分類；蛋白質的等電點、變性、紫外吸收和呈色反應及應用。2

熟悉蛋白質的一級結構；蛋白質的分類；蛋白質的結構與功能的關系。學習目標3

了解氨基酸的性質；蛋白質的空間結構。蛋白質由氨基酸組成，屬于生物大分子，是生命的物質基礎。蛋白質占人體重量的16%～20%。體內蛋白質的種類很多，其性質和功能各異。酶是最常見的一類蛋白質，可催化生物化學反應，對于生物體的代謝至關重要。01蛋白質的化學組成一、蛋白質的元素組成

組成蛋白質的元素主要有碳（50%～55%）、氫（6%～7%）、氧（19%～24%）、氮（13%～19%），大部分蛋白質還含少量硫（0～4%），有的還含有少量磷、鐵、錳、碘和鋅等元素。大多數蛋白質的含氮量比較接近而且恒定，平均為16%，因此，測定生物樣品的含氮量就可按下式推算出蛋白質的大致含量。樣品中的蛋白質含量（g）=樣本中的氮含量（g）×6.25知識鏈接三聚氰胺與奶粉

蛋白質的平均含氮量為16%，三聚氰胺的含氮量為66.7%左右。凱氏定氮法是通過測定含氮量來估算蛋白質的含量。作為粗蛋白含量測定的經典方法之一，其所測的“氮”同時也包括蛋白氮和非蛋白氮。添加三聚氰胺會使凱氏定氮法所測樣品的含氮量升高，推算出的蛋白質含量也偏高，造成測量結果的正偏差，這就是在蛋白質含量不合格的奶粉中添加三聚氰胺的原因。彌補檢測缺陷的方法是先用三氯乙酸處理樣品，使蛋白質沉淀后再行凱氏定氮法，這是檢測奶粉氮含量的國際標準規(guī)定的。二、蛋白質的基本組成單位—氨基酸01氨基酸的結構特點

自然界中的氨基酸有300余種，生物體內的蛋白質常由20種氨基酸組成，各種氨基酸的結構各不相同，均屬于L-α-氨基酸，其中脯氨酸屬于L-α-亞氨基酸，而甘氨酸則屬于α-氨基酸。氨基酸的化學結構通式如下：

蛋白質是高分子有機化合物，結構復雜，種類繁多，但其水解的終產物都是氨基酸，因此，氨基酸是組成蛋白質的基本單位。二、蛋白質的基本組成單位—氨基酸02氨基酸的分類

氨基酸的分類方法多種多樣，目前常以R側鏈的結構和性質作為氨基酸分類的基礎，根據R側鏈在中性溶液中解離狀態(tài)不同，可將20種基本氨基酸分為4類：非極性氨基酸、非電離的極性氨基酸、堿性氨基酸和酸性氨基酸，如表4-1所示。二、蛋白質的基本組成單位—氨基酸三、蛋白質的分類01按組成分類

1）單純蛋白質單純蛋白質的水解產物全部為氨基酸，沒有其他成分。根據其來源及理化性質，特別是溶解度、熱凝固、鹽析等性質的差別，又可分為清蛋白、球蛋白、谷蛋白、谷醇溶蛋白、精蛋白、組蛋白和硬蛋白7類。2）結合蛋白質結合蛋白質的水解產物除氨基酸外，還有非氨基酸成分，其中非氨基酸（非蛋白）部分稱為輔基。根據輔基的不同又可將結合蛋白質分為核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白、磷蛋白、金屬蛋白6類，它們的輔基分別是核酸、糖類、脂質、色素、磷酸、金屬離子。

蛋白質的種類繁多，化學結構復雜，而且大多不清楚，故尚無很適當的分類方法，目前多根據其組成或分子形狀分類。三、蛋白質的分類02按分子形狀分類

1）球狀蛋白質蛋白質分子盤曲成球形或橢圓形，較易溶于水，多屬于功能蛋白質，有特異的生物活性，如血紅蛋白、酶、免疫球蛋白等。2）纖維狀蛋白質蛋白質分子呈纖維狀，多屬于結構蛋白質。有的可溶，如肌肉的結構蛋白、血清蛋白質等；大多數都不溶，如膠原蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等。02蛋白質的分子結構

蛋白質分子是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的結構復雜的生物大分子。蛋白質復雜的分子結構可分為一級、二級、三級和四級。一級結構是蛋白質的基本結構，二級結構、三級結構、四級結構稱為空間結構。蛋白質的生物學功能和性質是由其結構決定的。一、蛋白質的一級結構

蛋白質的一級結構是指多肽鏈中氨基酸從N-端至C-端的排列順序，維持蛋白質一級結構穩(wěn)定的主要化學鍵是肽鍵。此外，有些蛋白質還含有二硫鍵，即由兩個半胱氨酸的巰基（—SH）脫氫氧化而成。例如，世界上第一個被確定為一級結構的蛋白質—牛胰島素，它的一級結構是由51個氨基酸殘基組成的A、B兩條多肽鏈，A鏈由21個氨基酸殘基構成，B鏈由30個氨基酸殘基構成。A鏈與B鏈通過A7和B7、A20和B19之間的兩個二硫鍵連接起來，A鏈中的A6和A11還形成了一個鏈內二硫鍵（圖4-1）。蛋白質的一級結構是維持其空間結構和生物學活性的基礎，蛋白質的多樣性就是由蛋白質分子中的氨基酸數量、組成及排列順序決定的。蛋白質一級結構的闡明，對揭示某些疾病的發(fā)病機制、指導疾病治療有十分重要的意義。一、蛋白質的一級結構二、蛋白質的空間結構

蛋白質的二級結構是指多肽主鏈原子間局部的空間排布，不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。蛋白質的二級結構是在其一級結構的基礎上，其多肽鏈主鏈原子局部在空間進行折疊和盤曲而形成的構象。01蛋白質的二級結構

1）蛋白質二級結構的結構基礎—肽單元蛋白質二級結構的形成是以肽單元（肽鍵平面）為基礎的。肽單元是由參與肽鍵組成的C、O、N、H4個原子和與它們相鄰的兩個α-碳原子（Cα1、Cα2）共同構成的剛性平面，如圖4-2所示。肽單元可隨α-碳原子兩側單鍵的旋轉而進行折疊、盤曲，進而形成不同的結構形式。二、蛋白質的空間結構

2）蛋白質二級結構的結構形式肽單元通過折疊、盤曲可形成4種二級結構的結構類型，分別是α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規(guī)則卷曲，其中α-螺旋和β-折疊是蛋白質二級結構的主要形式。（1）α-螺旋：是指多肽鏈中的肽單元以α-碳原子為轉折點，按順時針方向圍繞中心軸盤曲而成的右手螺旋，如圖4-3所示。相鄰螺旋之間，每個肽鍵的亞氨基氫（N-H）與第四個肽鍵的羰基氧（C=O）形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋中心軸大致平行，使α-螺旋非常穩(wěn)固。二、蛋白質的空間結構

（2）β-折疊：又稱為β-片層，為一種比較伸展、呈鋸齒狀的結構。多肽鏈中相鄰肽單元之間的夾角為110°，氨基酸殘基的R基團分別交替位于鋸齒狀結構的上下方。β-折疊結構平行排布，它們之間靠相鄰肽鏈間肽鍵的羰基氧與亞氨基氫形成氫鍵來維持穩(wěn)定，氫鍵的方向與折疊的長軸垂直，如圖4-4所示。二、蛋白質的空間結構

（3）β-轉角：指球狀蛋白質分子中，肽鏈主鏈出現的180°回折的結構。（4）無規(guī)則卷曲：指沒有確定規(guī)律的肽鏈結構。一種蛋白質分子中可存在多種二級結構形式，只是不同蛋白質所含上述幾種結構形式的多少不同。例如，α-螺旋是球狀蛋白質構象中最常見的存在形式；肌紅蛋白和血紅蛋白分子中有許多肽段呈α-螺旋結構；角蛋白、肌球蛋白及纖維蛋白的多肽鏈全長幾乎都可卷曲成α-螺旋；蠶絲蛋白中幾乎都是β-折疊結構。二、蛋白質的空間結構

蛋白質的三級結構是指多肽鏈中所有原子的三維空間排布，既包括主鏈構象，又包括側鏈構象。蛋白質的三級結構是在二級結構的基礎上，由于各氨基酸殘基R基團的相互作用而形成的。蛋白質三級結構的形成和穩(wěn)定主要靠多肽鏈R基團之間相互作用而形成的次級鍵維持，如疏水鍵、離子鍵、氫鍵和范德瓦耳斯力、二硫鍵等，如圖4-5所示。其中，疏水鍵是維持蛋白質三級結構穩(wěn)定的最主要作用力。02蛋白質的三級結構

分子量較大的蛋白質在形成三級結構時，肽鏈中某些局部的二級結構匯集在一起，形成能發(fā)揮生物學功能的特定區(qū)域，稱為結構域，如酶的活性中心、受體分子的配體結合部位等功能活性部位。一般每個結構域由100～300個氨基酸殘基組成，它們各具有獨特的空間構象，并能執(zhí)行特定的生物學功能。由一條多肽鏈構成的蛋白質，只要形成了三級結構，便具有生物學活性。二、蛋白質的空間結構

生物體內的許多蛋白質分子都是由兩條或兩條以上具有獨立三級結構的多肽鏈組成的，其中每一條具有完整三級結構的多肽鏈稱為亞基。蛋白質的四級結構是指各亞基之間特定的三維空間排布和相互作用。維持其結構穩(wěn)定的化學鍵主要是亞基之間的非共價鍵，如氫鍵和離子鍵等。具有四級結構的蛋白質分子，其亞基雖然也具有獨立的三級結構，但它單獨存在時沒有生物學活性，只有各亞基聚合成完整的四級結構，蛋白質才具有生物學活性。例如，血紅蛋白是由4個亞基組成的四聚體，每個亞基均能結合一分子的氧，但任何一個亞基單獨存在，雖能結合氧，但難以釋放氧，從而使血紅蛋白失去原有的運氧作用。03蛋白質的四級結構三、蛋白質的結構與功能的關系01蛋白質的一級結構與功能的關系

1）一級結構相似，功能也相似如促腎上腺皮質激素和促黑激素有一段相同的氨基酸序列，故促腎上腺皮質激素也可促使皮下黑色素生成，但作用較弱。催產素和加壓素均為9肽，其中