第十三章 核酸代谢
主要内容
?核酸的合成代谢
— 核苷酸的生物合成，核酸的生物合成
?核酸的分解代谢
— 核酸的分解，核苷酸的降解代谢
?遗传工程
— DNA的限制酶图谱，基因载体,DNA重组技术
第一节 核酸的合成代谢
?核苷酸的生物合成
?核酸的生物合成
一、核苷酸的生物合成
(一 ) 嘌呤核苷酸的生物合成
(二 ) 嘧啶核苷酸的生物合成
(三 ) 脱氧核糖核苷酸的合成
(一 ) 嘌呤核苷酸的生物合成
1、反应式
2、嘌呤中原子的来源
+ 2 甲 酸2 N H 3 + C O 2 + 甘 氨 酸 + 天 冬 氨 酸 + 核 糖 - 5 - 磷 酸 I M P + 延 胡 索 酸 + 9 H 2 O
N
H C
N
C
C
H
C
N
N
C H
来 自 C O
2
来 自 甘 氨 酸
来 自 甲 酸
来 自 天 冬 氨 酸
来 自 甲 酸
来 自 谷 氨 酰 胺 的 酰 胺 氮
1
2
3
4
5
6
7
8
9
图 1 3 - 1 嘌 呤 分 子 中 各 原 子 的 来 源
3、嘌呤核苷酸合成过程 (AMP,GMP)
H N
N
N
N
O
M g
+
N
N
N
N
N H
2
( I M P )
( A M P )
N A D
+
+ H
2
O
N A D H + H
+
H N
N
H
N
N
O
O
H N
N
N
N
O
H
2
N
M g
+
( X M P )
R - 5 '- P
天 冬 氨 酸 延 胡 索 酸
G T P G D P + P i
次 黄 嘌 呤 核 苷 酸 5 ' - 腺 嘌 呤 核 苷 酸
G l n A T P G l u A M P,P P i
黄 嘌 呤 核 苷 酸
鸟 嘌 呤 核 苷 酸
( G M P )
R - 5 '- P
R - 5 '- P
R - 5 '- P
(二 ) 嘧啶核苷酸的生物合成
1、嘧啶环的各个原子的来源
N H 3
C O 2
N
C
N
C
C
C
氨 甲 酰 磷 酸
来 自
来 自
来 自 天 冬 氨 酸
1
3
2
4
5
6
2、嘧啶核苷酸的合成途径 (UMP)
C
N H
2
O
O P O
3
H
2
C H
C H
2
C O O H
C
N H
2
O
N
H
C H
C H
2
H O O C
H
2
N
H O O C
N A D
+ N A D H + H
+
H N
N
H
O
C O O H
O
H
2
O
H N
N
H
O
C O O H
O
P R P P P P i
H N
N
O
C O O H
O
H N
N
O
O
C O
2
+
P i
R - 5 '- P
天 冬 氨 酸 氨 甲 酰 天 冬 氨 酸 二 氢 乳 清 酸
乳 清 酸 乳 清 苷 酸 尿 嘧 啶 核 苷 酸
氨 甲 酰 磷 酸
C O O H
图 1 3 - 3 尿 苷 酸 的 生 物 合 成 途 径
R - 5 '- P
(三 ) 脱氧核糖核苷酸的合成
A T P
A M P
H
2
O
P P i
X M P
I M P A M P A D P A T P
H C O
3
-
+ 2 A T P +
P P i
C O
2
U M PU D PC M P C D P C T P U T P
+ 核 糖 - 5 - 磷 酸
谷 氨 酰 胺,
谷 氨 酸,
5 - 磷 酸 核 糖 胺
腺 嘌 呤
腺 嘌 呤 核 苷
次 黄 嘌 呤
黄 嘌 呤
鸟 嘌 呤
胞 嘧 啶
脱 氧 胞 嘧 啶 核 苷
脱 氧 胸 腺 嘧 啶 核 苷
谷 氨 酰 胺
谷 氨 酸
氨 甲 酰 磷 酸
天 冬 氨 酸
氨 甲 酰 天 冬 氨 酸
乳 清 酸
5 - 磷 酸 核 糖 焦 磷 酸
乳 清 苷 酸
尿 嘧 啶
尿 嘧 啶 核 苷
d A M P d A D P d A T P
G M P G D P d G T P
d G M P d G D P
d G T P
d T M P d T D P d T T P
,2 A D P,P i
d C T P d C D P d C M P d U M P d U D P d U T P
5 - 磷 酸 核 糖 焦 磷 酸
图 1 3 - 4 各 种 核 苷 酸 合 成 的 相 互 关 系
二、核酸的生物合成
?中心法则
复 制 复 制D N A
R N A
转 录
逆 转 录
翻 译
蛋 白 质
(一 ) DNA的生物合成
1,DNA复制
? 基本概念
半保留复制
复制叉
冈崎片段
?DNA合成酶系
复
制
叉
?DAN合成过程
2,DNA的逆向转录
R N A R N A - D N A D N AD N A单 链 病 毒 聚 合 酶 双 链（ 前 病 毒 ）逆 转 录 酶 杂 交 分 子
(二 ) RNA的生物合成
1、转录
2,RNA的复制
? 有些生物中，核糖核酸
还可以是遗传信息的基
本携带者，如某些 RNA
病毒侵入寄主细胞后，
能以 RNA作模板，在有
四种核苷三磷酸和镁离
子存在时合成出与模板
性质相同的 RNA。
第二节 核酸的分解代谢
?核酸的分解
?核苷酸的降解代谢
一、核酸的分解
? 分解核酸的酶
1、核酸外切酶：核酸外切酶作用于核酸链的末端，逐个水解
下核苷酸。
2、核酸内切酶：核酸内切酶催化水解多核苷酸链内部的磷酸
二酯键。
二、核苷酸的降解代谢
1、核苷酸的降解
+ H 2 O
核 苷 酸
核 苷 酸 酶
戊 糖 + 碱 基 核 苷 P i+ 碱 基 + 戊 糖 - 1 - 磷 酸
核 苷 酶 核 苷 磷 酸 化 酶
+ H 2 O
2、嘌呤的降解
3、嘧啶的降解
尿素和乙醛酸 尿囊酸
尿囊素和 CO2 尿酸 黄嘌呤 嘌呤
NH3,CO2和 β-丙氨酸 β-脲基丙酸
二氢胸腺嘧啶
二氢尿嘧啶
胞嘧啶
尿嘧啶
胸腺嘧啶 β-脲基异丁酸 NH3,CO2和 β-氨基异丁酸
第三节 遗传工程
?基本概念
?DNA的限制酶图谱
?基因载体
?DNA重组技术
一、基本概念
?遗传工程：也叫基因工程，是指将不同的 DNA片段
(如基因等 )按人们的设计方案定向地连接起来，并在
特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达，使受
体细胞获得新的遗传特性。
?基因工程的用途
1,利用 DNA重组技术大量生产一些在正常细胞代谢中产量
很低的物质，如酶类；
2,定向地改造生物基因组结构，使其某些具有经济价值的功
能得以显著提高；
3,将 DNA重组技术应用于基础研究。
二,DNA的限制酶图谱
1、限制性内切酶
? 限制性内切酶主要在细菌中产生，具有极高的专一性，识
别双链 DNA上特定的位点，将两条链都切断，形成粘性
末端或平末端。
? 其生物功能在于降解外面侵入的 DNA，但不降解自身细
胞中的 DNA，因为在自身 DNA的酶切位点上经甲基化修
饰而受到保护。
限制性内切酶
2,DNA的限制酶图谱
? 将用分子克隆法从单一克隆中扩增而制备的纯化 DNA，用
不同的限制酶切割，进行凝胶电泳分析。对环形 DNA则找
出一个对该 DNA只有一个切位点的酶，以此点作为参考点，
根据测量凝胶电泳图上各酶切片段的长度，就可以决定各
切点的位置。将各限制酶的切点位置标在 DNA分子图的相
应位置上，即制成 DNA的限制图谱。
三、基因载体
?载体 将外源 DNA片段带入受体细胞并在其中一起
进行复制与表达的运载工具称为载体。
?常用载体 细菌和酵母的质粒，噬菌体 (如 λ-噬菌体，
M13)和病毒。
四,DNA重组技术
?DNA重组技术包括三个步骤,
1,把所需要的 DNA片断 (基因 )和基因载体取出，使之进行
基因的体外重组；
2,通过转化或感染将重组 DNA引入受体细胞；
3,筛选出含重组体的活细胞，使目的基因成为细胞遗传物
质的一部分，并使之有效地表达和稳定地遗传。
主要内容
?核酸的合成代谢
— 核苷酸的生物合成，核酸的生物合成
?核酸的分解代谢
— 核酸的分解，核苷酸的降解代谢
?遗传工程
— DNA的限制酶图谱，基因载体,DNA重组技术
第一节 核酸的合成代谢
?核苷酸的生物合成
?核酸的生物合成
一、核苷酸的生物合成
(一 ) 嘌呤核苷酸的生物合成
(二 ) 嘧啶核苷酸的生物合成
(三 ) 脱氧核糖核苷酸的合成
(一 ) 嘌呤核苷酸的生物合成
1、反应式
2、嘌呤中原子的来源
+ 2 甲 酸2 N H 3 + C O 2 + 甘 氨 酸 + 天 冬 氨 酸 + 核 糖 - 5 - 磷 酸 I M P + 延 胡 索 酸 + 9 H 2 O
N
H C
N
C
C
H
C
N
N
C H
来 自 C O
2
来 自 甘 氨 酸
来 自 甲 酸
来 自 天 冬 氨 酸
来 自 甲 酸
来 自 谷 氨 酰 胺 的 酰 胺 氮
1
2
3
4
5
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7
8
9
图 1 3 - 1 嘌 呤 分 子 中 各 原 子 的 来 源
3、嘌呤核苷酸合成过程 (AMP,GMP)
H N
N
N
N
O
M g
+
N
N
N
N
N H
2
( I M P )
( A M P )
N A D
+
+ H
2
O
N A D H + H
+
H N
N
H
N
N
O
O
H N
N
N
N
O
H
2
N
M g
+
( X M P )
R - 5 '- P
天 冬 氨 酸 延 胡 索 酸
G T P G D P + P i
次 黄 嘌 呤 核 苷 酸 5 ' - 腺 嘌 呤 核 苷 酸
G l n A T P G l u A M P,P P i
黄 嘌 呤 核 苷 酸
鸟 嘌 呤 核 苷 酸
( G M P )
R - 5 '- P
R - 5 '- P
R - 5 '- P
(二 ) 嘧啶核苷酸的生物合成
1、嘧啶环的各个原子的来源
N H 3
C O 2
N
C
N
C
C
C
氨 甲 酰 磷 酸
来 自
来 自
来 自 天 冬 氨 酸
1
3
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5
6
2、嘧啶核苷酸的合成途径 (UMP)
C
N H
2
O
O P O
3
H
2
C H
C H
2
C O O H
C
N H
2
O
N
H
C H
C H
2
H O O C
H
2
N
H O O C
N A D
+ N A D H + H
+
H N
N
H
O
C O O H
O
H
2
O
H N
N
H
O
C O O H
O
P R P P P P i
H N
N
O
C O O H
O
H N
N
O
O
C O
2
+
P i
R - 5 '- P
天 冬 氨 酸 氨 甲 酰 天 冬 氨 酸 二 氢 乳 清 酸
乳 清 酸 乳 清 苷 酸 尿 嘧 啶 核 苷 酸
氨 甲 酰 磷 酸
C O O H
图 1 3 - 3 尿 苷 酸 的 生 物 合 成 途 径
R - 5 '- P
(三 ) 脱氧核糖核苷酸的合成
A T P
A M P
H
2
O
P P i
X M P
I M P A M P A D P A T P
H C O
3
-
+ 2 A T P +
P P i
C O
2
U M PU D PC M P C D P C T P U T P
+ 核 糖 - 5 - 磷 酸
谷 氨 酰 胺,
谷 氨 酸,
5 - 磷 酸 核 糖 胺
腺 嘌 呤
腺 嘌 呤 核 苷
次 黄 嘌 呤
黄 嘌 呤
鸟 嘌 呤
胞 嘧 啶
脱 氧 胞 嘧 啶 核 苷
脱 氧 胸 腺 嘧 啶 核 苷
谷 氨 酰 胺
谷 氨 酸
氨 甲 酰 磷 酸
天 冬 氨 酸
氨 甲 酰 天 冬 氨 酸
乳 清 酸
5 - 磷 酸 核 糖 焦 磷 酸
乳 清 苷 酸
尿 嘧 啶
尿 嘧 啶 核 苷
d A M P d A D P d A T P
G M P G D P d G T P
d G M P d G D P
d G T P
d T M P d T D P d T T P
,2 A D P,P i
d C T P d C D P d C M P d U M P d U D P d U T P
5 - 磷 酸 核 糖 焦 磷 酸
图 1 3 - 4 各 种 核 苷 酸 合 成 的 相 互 关 系
二、核酸的生物合成
?中心法则
复 制 复 制D N A
R N A
转 录
逆 转 录
翻 译
蛋 白 质
(一 ) DNA的生物合成
1,DNA复制
? 基本概念
半保留复制
复制叉
冈崎片段
?DNA合成酶系
复
制
叉
?DAN合成过程
2,DNA的逆向转录
R N A R N A - D N A D N AD N A单 链 病 毒 聚 合 酶 双 链（ 前 病 毒 ）逆 转 录 酶 杂 交 分 子
(二 ) RNA的生物合成
1、转录
2,RNA的复制
? 有些生物中，核糖核酸
还可以是遗传信息的基
本携带者，如某些 RNA
病毒侵入寄主细胞后，
能以 RNA作模板，在有
四种核苷三磷酸和镁离
子存在时合成出与模板
性质相同的 RNA。
第二节 核酸的分解代谢
?核酸的分解
?核苷酸的降解代谢
一、核酸的分解
? 分解核酸的酶
1、核酸外切酶：核酸外切酶作用于核酸链的末端，逐个水解
下核苷酸。
2、核酸内切酶：核酸内切酶催化水解多核苷酸链内部的磷酸
二酯键。
二、核苷酸的降解代谢
1、核苷酸的降解
+ H 2 O
核 苷 酸
核 苷 酸 酶
戊 糖 + 碱 基 核 苷 P i+ 碱 基 + 戊 糖 - 1 - 磷 酸
核 苷 酶 核 苷 磷 酸 化 酶
+ H 2 O
2、嘌呤的降解
3、嘧啶的降解
尿素和乙醛酸 尿囊酸
尿囊素和 CO2 尿酸 黄嘌呤 嘌呤
NH3,CO2和 β-丙氨酸 β-脲基丙酸
二氢胸腺嘧啶
二氢尿嘧啶
胞嘧啶
尿嘧啶
胸腺嘧啶 β-脲基异丁酸 NH3,CO2和 β-氨基异丁酸
第三节 遗传工程
?基本概念
?DNA的限制酶图谱
?基因载体
?DNA重组技术
一、基本概念
?遗传工程：也叫基因工程，是指将不同的 DNA片段
(如基因等 )按人们的设计方案定向地连接起来，并在
特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达，使受
体细胞获得新的遗传特性。
?基因工程的用途
1,利用 DNA重组技术大量生产一些在正常细胞代谢中产量
很低的物质，如酶类；
2,定向地改造生物基因组结构，使其某些具有经济价值的功
能得以显著提高；
3,将 DNA重组技术应用于基础研究。
二,DNA的限制酶图谱
1、限制性内切酶
? 限制性内切酶主要在细菌中产生，具有极高的专一性，识
别双链 DNA上特定的位点，将两条链都切断，形成粘性
末端或平末端。
? 其生物功能在于降解外面侵入的 DNA，但不降解自身细
胞中的 DNA，因为在自身 DNA的酶切位点上经甲基化修
饰而受到保护。
限制性内切酶
2,DNA的限制酶图谱
? 将用分子克隆法从单一克隆中扩增而制备的纯化 DNA，用
不同的限制酶切割，进行凝胶电泳分析。对环形 DNA则找
出一个对该 DNA只有一个切位点的酶，以此点作为参考点，
根据测量凝胶电泳图上各酶切片段的长度，就可以决定各
切点的位置。将各限制酶的切点位置标在 DNA分子图的相
应位置上，即制成 DNA的限制图谱。
三、基因载体
?载体 将外源 DNA片段带入受体细胞并在其中一起
进行复制与表达的运载工具称为载体。
?常用载体 细菌和酵母的质粒，噬菌体 (如 λ-噬菌体，
M13)和病毒。
四,DNA重组技术
?DNA重组技术包括三个步骤,
1,把所需要的 DNA片断 (基因 )和基因载体取出，使之进行
基因的体外重组；
2,通过转化或感染将重组 DNA引入受体细胞；
3,筛选出含重组体的活细胞，使目的基因成为细胞遗传物
质的一部分，并使之有效地表达和稳定地遗传。
