食品生物化学第10章 核酸及蛋白质的生物合成

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二 RNA的生物合成
转录 在RNA聚合酶催化下，以DNA的一条链为模板，按照 碱基配对原则，合成一条与DNA的一定区段互补RNA 链。这个过程称为转录。 不对称转录 转录通常只在DNA的任一条链上进行的，所以又称为不 对称转录。这条链称为有意义链，另一条链称为反意 义链。


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③ 蛋白质合成具有相当高的速率
尽管蛋白质的合成具有巨大的复杂性，但还是 具有相当高的速率。 在一个大肠杆菌细胞中，合成一个完整的含 100个氨基酸残基的多肽在37℃约只需5S。 每个细胞中成千上百种蛋白质合成的调节是相 当严格的，在给定的代谢环境下，只有所需数 量的分子被合成。 为保持细胞中蛋白质合适的比例和浓度，定位 和降解过程必须与蛋白质的合成同步。
在真核细胞中蛋白质的合成需要： 20个或更多的酶来激活氨基酸前体。 70种以上的核糖体蛋白的参与，还需要40个以 上转移RNA和核糖体RNA。 12个或更多的辅酶和其它专一性的蛋白质因子 来进行肽链合成的起始、延伸和终止。 大概另外有100多种酶参与各类蛋白的最后修 饰。 上述几乎有300多种不同的生物大分子，它们 必须协同工作。
第二位 U Phe Phe Leu Leu C Ser Ser Ser Ser Pro Pro A Tyr Tyr 终止 终止 His His G Cys Cys 终止 Trp Arg Arg
第三位 （3’ 端） U C A G U C
C
Leu Leu
Leu
Leu A Ile Ile
Pro
Pro Thr Thr
有4个的：Val、Pro、Thr、Ala、Gly（5种）；
有6个的：Leu、Ser、Arg（3种）。
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c）不重叠无间隔

各个密码一个接一个不互相重叠，也没 有间隔。故在相同的碱基顺序上，从不 同的碱基开始，可解读出不同的密码。
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如...AUGCAUGCAUGC... ,按不重叠读码 有三种方式： ...AUG CAU GCA UGC...

逆转录（反转录）是指在某些情况下 RNA也可以是遗传信息的基本携带者， 由RNA分子合成出与其核苷酸顺序相对 应的DNA的过程。
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核酸的基本化学组成
核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或 脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核 苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核 苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。 碱基 核苷 核酸 核苷酸 磷酸 元素组成： C H O N P
O
U
C
T
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三、核苷（nucleoside）
•核苷 戊糖+碱基 •糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷 键
5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 4’
5’ 1’ 3’ 2’
(OH)
(OH)
13
NH2 N N HOCH2 H H O H H OH OH 腺嘌呤核苷 N N N
OH N N
NH2 N
OH
H2N N N HO N HO N HOCH2 HOCH2 HOCH2 O O O H H H H H H H H H H H H OH OH OH OH OH OH 鸟嘌呤核苷 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷

...A UGC AUG CAU GC... ...AU GCA UGC AUG C...

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若按重叠读码就变成： ...AUG UGC GCA CAU AUG...
已证明绝大多数生物中读码规则是不重 叠的，但在少数大肠杆菌噬菌体的RNA 基因组中的密码子有重叠。

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⒉ 蛋白质合成体系的组成
① mRNA ② tRNA ③ rRNA及核糖体 ④ 辅助因子

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① mRNA
a. 模板作用 信使RNA由DNA转录而来,携带着DNA 的遗传信息。 信使RNA作为蛋白质合成的模板，经翻 译而合成相应的蛋白质。 信使RNA（mRNA）在另两种 RNA （tRNA和rRNA）的共同作用下，才能 完成蛋白质的合成。
ADP ATP
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一 DNA的合成
2.0 nm
① 半保留复制 ② 半保留复制常见形式

小 沟
大 沟
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① 半保留复制
a. DNA分子 DNA由两条螺旋的多核苷酸组成，两条链的碱 基通过腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G) 与胞嘧啶(C)之间的氢键连接在一起，所以这两 条链是互补的。 由此可见，一条链上的核苷酸排列顺序决定了 另一条链上的核苷酸顺序，而DNA分子的每一 条链都含有合成它的互补链所必需的全部遗传 信息。
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b. 密码子
mRNA链中含有4种不同的碱基U、C、A、G 。 mRNA链的相邻三个碱基作为一组称为密码子 或三联体密码。 每种密码子起着编码一个氨基酸的作用。 4种不同碱基组成64个密码子。其中61个是作 为氨基酸的密码子，其余3个为终止密码子。

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第一位 （5’端） U
第十章 核酸及蛋白质的生物合成

一 DNA的生物合成 二 RNA的生物合成 三 蛋白质的生物合成
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核酸

核酸是一类重 要的生物大分 子，担负着生 命信息的储存 与传递。
包括脱氧核糖 核 酸 (DNA) 和 核 糖 核 酸 (RNA)

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蛋白质(Protein)
蛋白质存在于所 有的生物细胞中， 是构成生物体最 基本的结构物质 和功能物质。 蛋白质是生命活 动的物质基础， 它参与了几乎所 有的生命活动过 程。

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三 蛋白质的生物合成
⒈ 蛋白质生物合成的特点 ⒉ 蛋白质合成体系的组成 ⒊ 蛋白质的合成过程 ⒋ 蛋白质合成后的修饰和定向输送
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⒈ 蛋白质生物合成的特点
① 蛋白质是不断变换更新的 ② 蛋白质合成机制是最复杂的生物合成 机制 ③ 蛋白质合成具有相当高的速率

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① 蛋白质是不断变换更新的
A=U代替A=T 在转录过程中，除在RNA中以尿嘧啶代替DNA中的胸 腺嘧啶而与腺嘌呤配对，即A=U代替A=T外，其余互 补碱基不变。 25
A=U代替A=T 在转录过程中，除在RNA中以尿嘧啶代替 DNA中的胸腺嘧啶而与腺嘌呤配对，即 A=U代替A=T外，其余互补碱基不变。 反应物为三磷酸核糖核苷 转录用ATP、GTP、CTP、UTP四种三磷 酸核糖核苷作为反应物，生成核糖核酸。
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中心法则
蛋白质的合成是以RNA为模板的，而RNA分 子中的碱基排列顺序又是由DNA决定的。 这个由DNA决定RNA分子的碱基顺序，又由 RNA决定蛋白质分子的氨基酸顺序的理论， 称为“中心法则”。

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现代生物学已充分证明，DNA是生物遗 传的主要物质基础。
生物机体的遗传信息以密码的形式编码在 DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列 顺序，并通过DNA的复制由亲代传给子 代。 在后代的生长发育过程中，遗传信息自 DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋 白质。
6 1 2 3
1. 嘌呤（Purine）
腺嘌呤Adenine
NH2 N
鸟嘌呤guanine
O
N
N NH
N H
N
N H
N
NH2
11
A
G
2. 嘧啶（Pyrimidine）
5
6
4
3
2
1
尿嘧啶 uracil
O
胞嘧啶 NH cytosine
2
胸腺嘧啶 thymine
O NH N H O
NH
N H
ห้องสมุดไป่ตู้
N
O
N H
一个普通的细胞在任何时候都需要成百 上千种不同的蛋白。 这些蛋白必须在需要的时候合成，并运 输（定位）到适当的细胞位置。 当细胞不需要它们时又要被降解。

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② 蛋白质合成机制是最复杂的生 物合成机制
a.众多生物大分子参与蛋白质合成 b. 合成机制的复杂性

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a.众多生物大分子参与蛋白质合成
Gln
Gln Asn Asn
Arg
Arg Ser Ser
A
G U C
Ile
Met G Val Val Val Val
Thr
Thr Ala Ala Ala Ala
Lys
Lys Asp Asp Glu Glu
Arg
Arg Gly Gly Gly Gly
A
G U C A G 38
c 遗传密码的特点


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b. 合成机制的复杂性
上述的许多大分子被组织进复杂的具三维结构 的核糖体。核糖体在mRNA上一步步的移位进 行多肽链的合成过程。 蛋白质合成在每一细胞中起到中心的作用。蛋 白质的合成约占了一个细胞全部生物合成所需 化学能的90%。 每个细胞中蛋白质和RNA分子都有成千上百个 拷贝。 一个典型细胞（细菌，约100nm3的体积）含 有20,000个核糖体，100,000个相关蛋白质因 子和酶，200,000个tRNA, 约占细胞干重的 35%以上。
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复制、转录、翻译、反转录

复制是指以原来DNA（RNA）分子为模 板合成出相同分子的过程。
转录是指在DNA分子上合成出与其核苷 酸顺序相对应的RNA的过程。

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翻译则是指在RNA的指导下，根据核酸 链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三 联体密码规则，合成出具有特定氨基酸 顺序的蛋白质肽链的过程。
Adenosine
Guanosine
Cytidine
Uridine
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四、核苷酸（nucleotide）
核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸
H H
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AMP ADP ATP
NH2 N O O
-
N N N H H
O O
-
O O
-
P O
-
P O
-
P O
-
OCH2 H H
O
OH OH 三磷酸腺苷 (AT P ) AMP
a)普遍性和方向性 b) 简并性 c）不重叠无间隔 d) 密码子AUG的特殊功能
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a)普遍性和方向性


各种高等和低等生物即所有生物都通用 这套密码，仅有个别例外情况。 密码子的阅读方向和它们在mRNA上从 起始信号到终止信号的排列方向均为 5’-3’。与mRNA生物合成时链延伸方 向一致
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b) 简并性
3
Ser H H3N
+
O C N H
Val H C CH
O C N H
T yr H C CH2
O C N H
Asp H C CH2
O C N H
Gln H C COO
-
C CH2 OH
N- 端
CH2 C- 端 CH2 CONH2
CH3 CH3 肽键 OH
CO2H
• 在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排 列顺序称为氨基酸顺序。 • 通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨 基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为 羧基端或C-端。 • 氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨 基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln
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戊糖
一、戊糖
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 βD-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 H H OH O H H OH H OH H OH HOCH2 H O H H OH
D- 核 糖
D-2- 脱 氧 核 糖
Ribose
Deoxyribose
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二、碱基
8
7 9
5 4

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② 半保留复制常见形式
a. 双向进行 DNA的半保留复制是从一个起点双向进 行的。DNA合成相对于模板链总是按5’ →3’方向进行。

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b. 复制叉 复制叉是由一条领头链（5’ →3’）和一 条随后链（ 3’ → 5’）组成的。 领头链中DNA合成可连续进行。 随后链先合成一些不连续的短的岗崎片 段。在DNA合成酶作用下，将各段DNA 连接成长链。
简并性是指一个氨基酸有多个密码，这 种简并性多只涉及第3位碱基。 确定同一氨基酸的不同密码子称同义密 码子。

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在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基 酸是Trp（UGG）和Met（AUG）。
其它氨基酸都有2-6个密码子，如：

有2个的：Phe、Tyr、Cys、His、Gln、Glu、 Asn、Asp、Lys （9种）； 有3个的：Ile、终止密码子（2种）；

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b.DNA的复制 呈双股螺旋结构的亲代DNA的双螺旋先 行解旋，然后以每条链为模板，按照碱 基配对原则，即A-T和G-C之间形成氢 键，在这两条链上各形成一条互补链， 这称为DNA的复制。
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c. 半保留复制 经过复制，从亲代DNA的一个双螺旋便 形成两个双股螺旋链。 在每一个新形成的双螺旋中，一条链是 从亲代DNA来的，另一条则是新形成的。 DNA的这种复制方式称为半保留复制。 也就是说，亲代DNA双股链有一半（一 条）保留在子代DNA的双股链中。