核酸（二）

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✦ 核酸（二）化学核酸（二）遗传信息

DNA复制转录翻译中心法则基因表达

核酸（二）

看清DNA复制、转录、翻译的每个分子细节与关键酶角色

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DNA复制转录翻译中心法则基因表达

核酸（二）

看清DNA复制、转录、翻译的每个分子细节与关键酶角色

1第 1 页 · 核酸（二）

遗传信息

核酸之所以被称为「生命的蓝图」，不是因为它的化学骨架，而是因为它携带的信息。上一节我们认识了 DNA 与 RNA 的结构，这一节看它们到底「写了什么」。

定义

存储在核酸序列中的编码信息，决定生物的性状、结构与功能

物质载体

DNA 是主要载体；部分病毒以 RNA 作为遗传物质（如 HIV）

编码方式

4 种碱基按序列排列，三个一组构成密码子，对应一种氨基酸

信息流向

遵循中心法则 DNA→RNA→蛋白质；存在反转录与 RNA 复制等边界情况

典型应用

基因检测、亲子鉴定、转基因、CRISPR 基因编辑等

建筑施工图对应 →DNA 上的遗传信息

图纸符号（碱基）对应图例（密码表），按规则组合表达设计意图（蛋白质），是施工（翻译）的依据

2第 2 页 · 遗传信息

ATP（腺苷三磷酸）

上一页谈了遗传信息存在 DNA 里,但要把信息'读出来'造蛋白质,细胞得花能量。这份能量谁来付?答案就是 ATP——细胞通用的能量'通货'。

三个组成部分

腺嘌呤 + 核糖 + 三个磷酸基团依次相连

高能磷酸键

磷酸基团之间的键储存较高化学能,水解释放

细胞能量通货

驱动几乎所有耗能的生化反应

水解与再合成

ATP → ADP + Pi,再由呼吸或光合重新合成,形成循环

可充电电池对应 →ATP

放电供能、耗尽后通过代谢'充电'再循环使用

\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_i + \text{Energy}

3第 3 页 · ATP（腺苷三磷酸）

ADP（腺苷二磷酸）

ATP 是细胞的「满电电池」，用掉一格后就降级成 ADP。这一格是怎么释放、怎么回充的？

结构：腺苷 + 两枚磷酸

由腺嘌呤、核糖与两个磷酸基团串联而成，比 ATP 少一个末端磷酸

诞生：ATP 水解的产物

断裂末端高能磷酸键（约 30.5 kJ/mol），生成 ADP + Pi

命运：可被回充为 ATP

在细胞呼吸时重新接上磷酸基团，能量物质被循环利用

角色：能量与磷酸的中转站

把磷酸基团转交给其他分子使其被「激活」，完成能量传递

用掉一格的充电电池对应 →ADP

满电=ATP，掉一格=ADP，能再充回去；区别于彻底报废的一次性电池

\text{ATP} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_i + \text{能量}

4第 4 页 · ADP（腺苷二磷酸）

AMP（腺苷酸）

ADP 再脱去一个磷酸，ATP 那条能量链就到底了——剩下 AMP。它看似是'能量残骸'，却藏着另一层重要身份。

结构组成

由腺嘌呤、核糖和一个磷酸基团组成，是最小的腺苷酸单元

能量链终点

ATP → ADP → AMP，水解两个高能磷酸键后释放能量

RNA 的基本单位

四种核糖核苷酸之一，直接参与 RNA 链的合成

cAMP 第二信使

AMP 环化后形成环磷酸腺苷，在激素信号通路中扮演关键角色

用完的一次性干电池对应 →AMP

磷酸键水解释能后的'残骸'，但电池壳（核糖+碱基）本身是 RNA 原料

5第 5 页 · AMP（腺苷酸）

磷酸酯键

上次说到ATP有三个磷酸、ADP有两个、AMP只有一个。这些磷酸是怎么挂到核糖上的？相邻磷酸之间又靠什么相连？答案就是——磷酸酯键，以及它的「兄弟」磷酸酐键。

化学本质

磷酸的一个-OH与糖的一个-OH脱水缩合形成的共价键，结构上写作 P—O—C

两种磷酸键

磷酸↔糖是磷酸酯键（接在核糖5'-OH）；磷酸↔磷酸是磷酸酐键（P—O—P），后者水解释能更多

磷酸二酯键

DNA/RNA中相邻核苷酸的3'-OH与5'-OH通过同一磷酸连接，整体称磷酸二酯键，构成主链

能量对比

磷酸酐键水解约30.5 kJ/mol，是ATP储能的根本；磷酸酯键稳定不易水解，是骨架的结构基础

项链的两类扣对应 →磷酸酯键 vs 磷酸酐键

珠与珠之间的扣（酐键）拉紧储力、易断释能；珠与坠之间的扣（酯键）锁死结构、稳固难拆

\text{R-OH}+\text{HO-PO(OH)}_2 \xrightarrow{-\text{H}_2\text{O}} \text{R-O-PO(OH)}_2

6第 6 页 · 磷酸酯键

磷酸酐键（高能磷酸键）

上一页讲的磷酸酯键，是磷酸和核糖之间的桥。但 ATP 内部还有另一类桥——磷酸和磷酸之间的桥，正是它让 ATP 成为细胞的「能量货币」。

定义

两个磷酸基团之间脱水缩合形成的化学键

位置

ATP 中 α–β、β–γ 磷酸之间各有一个磷酸酐键

水解放能

末端酐键水解 ΔG°′ ≈ −30.5 kJ/mol，远高于普通酯键

常见误区

「高能」不在键本身，而在水解产物更稳定（共振动、排斥解除、水合充分）

悬崖边的巨石对应 →磷酸酐键

石头静止时看似安稳，一推就释放势能；「高能」指水解产物更稳定，并非键内能高。

ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i \quad \Delta G^{\circ\prime} \approx -30.5 \text{ kJ/mol}

7第 7 页 · 磷酸酐键（高能磷酸键）

ATP-ADP循环

上一页我们认识了 ATP、ADP 和高能磷酸键，但它们不会凭空出现也不会凭空消失——在每个活细胞里，ATP 和 ADP 一直在互相转化，这就是支撑一切生命活动的能量循环。

ATP水解放能

ATP 末端磷酸酐键断裂，水解为 ADP + Pi 并释放能量

驱动细胞做功

释放的能量用于肌肉收缩、主动运输、生物合成等

ADP重新合成ATP

ADP + Pi + 能量（来自呼吸作用等）→ ATP

循环往复

细胞内 ATP 总量很少，靠不停地水解与再合成维持供应

可充电电池对应 →ATP-ADP循环

ATP 像满电电池，ADP 像用完电的，细胞不停充放电

ATP + H_2O \rightleftharpoons ADP + P_i + \text{能量}

8第 8 页 · ATP-ADP循环

RNA的单链结构

上一页我们看到AMP是腺嘌呤+核糖+一个磷酸。把成千上万个这样的核糖核苷酸串成一条长链，就是RNA——遗传信息的'信使'。

单链而非双链

由一条多核苷酸链组成，没有与之互补的第二条链

核糖核苷酸为单元

每个单元含核糖、磷酸和A/U/G/C四种碱基之一

U替代T

RNA含尿嘧啶(U)而非胸腺嘧啶(T)；U比T少一个甲基

可局部折叠

单链可回折，链内A-U、G-C配对形成发夹、茎环等局部双螺旋

5'→3'方向性

链有方向：5'端是磷酸端，3'端是羟基端

一根能自己打结的长绳对应 →RNA的单链结构

绳子能折回自身缠绕打结——RNA链也能折回，链内A-U、G-C局部配对形成发夹结构

9第 9 页 · RNA的单链结构

RNA的碱基组成

上页说RNA是一条单链——这条链由一个个核苷酸串起来，每个核苷酸里都挂着一个碱基。碱基是RNA承载遗传信息的字母，今天就来看这四种字母长什么样、和DNA的字母有何不同。

四种碱基

腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、尿嘧啶U，组成RNA的全部字母表

U取代T

RNA用尿嘧啶U取代DNA中的胸腺嘧啶T，这是RNA最显眼的化学指纹

嘌呤与嘧啶

A、G属嘌呤（双环，较大）；C、U属嘧啶（单环，较小）

互补配对

RNA折叠时A配U（2氢键）、G配C（3氢键），形成局部双螺旋

英文字母表对应 →RNA的四种碱基

26个字母拼出无穷英文词；4种碱基的不同排列，决定每条RNA的身份与功能

A\!-\!U\,（2氢键），\quad G\!\equiv\!C\,（3氢键）

10第 10 页 · RNA的碱基组成

DNA的碱基组成

RNA有A、U、G、C四种碱基。DNA几乎一样，只把U换成了T。1950年代Chargaff发现：DNA里A的量总等于T、G总等于C——这不是巧合，而是双螺旋碱基配对的必然结果。

碱基种类

DNA含A、T、G、C四种碱基，与RNA相比U替换为T

T与U的区别

T比U多一个甲基，使DNA化学稳定性更高，适合长期存储信息

碱基互补配对

A与T配对（2个氢键），G与C配对（3个氢键），方向相反

Chargaff规则

双链DNA中A=T、G=C（摩尔数相等），这是碱基配对的化学证据

物种特异性

不同物种(A+T)/(G+C)比值不同，但同种个体间基本恒定

拼图的两半对应 →碱基互补配对

A只能与T拼合、G只能与C拼合，拼错了就扣不上——这就是碱基配对特异性

[A]=[T],\quad [G]=[C],\quad \dfrac{[A]+[T]}{[G]+[C]}=\text{物种特征}

11第 11 页 · DNA的碱基组成

聚合酶链反应（PCR）

上一页我们看到，DNA 双链靠 A-T、G-C 互补配对维持。这条配对规则，催生了一项改变分子生物学的技术——只要知道一小段序列，就能把整段 DNA 复制出几百万份。它就是 PCR。

PCR 的定义

在试管内对特定 DNA 片段进行指数级放大的分子生物学技术

五大核心组分

模板 DNA、上下游引物、耐热聚合酶（如 Taq）、dNTPs、含 Mg²⁺ 的缓冲液

三步热循环

变性 95℃ 拆链 → 退火 55℃ 引物结合 → 延伸 72℃ 合成新链

指数级扩增

n 轮后片段数 ≈ 初始 × 2ⁿ；30 轮约放大 10 亿倍

典型应用

法医鉴定、传染病核酸检测（如新冠）、基因克隆、亲子鉴定

书签定位 + 复印机对应 →引物 + DNA 聚合酶

引物如书签标记起点；聚合酶如复印机沿起点逐个加核苷酸；每轮份数翻倍

N = N_0 \cdot 2^n

12第 12 页 · 聚合酶链反应（PCR）

核酸的组成

上一页我们知道了DNA和RNA各自用什么碱基，但碱基不会单独飘在细胞里——它必须和糖、磷酸绑在一起，才能组成核酸长链。这个最小的『砖块』到底是什么？

五种元素

由C、H、O、N、P组成，其中磷（P）是核酸区别于蛋白质、糖类的特征元素

核苷酸是基本单位

核酸的单体是核苷酸，核酸 = 许多核苷酸通过磷酸二酯键串联而成的多聚体

核苷酸三组分

每个核苷酸 = 1个磷酸 + 1个五碳糖 + 1个含氮碱基，三者缺一不可

DNA与RNA核苷酸差异

DNA含脱氧核糖+T；RNA含核糖+U；磷酸基团相同，差异集中在糖和一种碱基

乐高积木对应 →核苷酸

每块积木 = 磷酸（连接件）+五碳糖（主体）+碱基（识别件）；碱基不同，决定遗传信息差异

13第 13 页 · 核酸的组成

核酸是遗传物质

核酸是遗传物质：定义、要点与典型应用

核酸是遗传物质

核酸是遗传物质：定义、要点与典型应用

14第 14 页 · 核酸是遗传物质

蛋白质合成控制性状

上节讲核酸是遗传物质，DNA是生命的'源代码'。但代码本身不会自己显形——它必须被转录、翻译成蛋白质，才能变成你能看到的头发颜色、酶活性甚至疾病。这一页说信息如何从'字面'变成'实物'。

中心法则流程

DNA先转录出mRNA，mRNA再翻译成蛋白质

蛋白质即执行者

结构蛋白、酶、受体等直接决定生物的外观与功能

基因型与表型

基因型指DNA序列；表型是肉眼可见的性状表现

表达受多级调控

同一基因组，不同细胞选择性表达，呈现不同性状

性状基因非一一对应

可能一基因影响多性状，也可能多基因决定一个性状

菜谱与端上桌的菜对应 →DNA与蛋白质

菜谱记做法，真正入口的是菜；DNA存信息，真正起作用的是蛋白质

15第 15 页 · 蛋白质合成控制性状

核酸水解

实验室里想分析一个样品里到底有哪些碱基，第一步往往就是'拆'——把核酸长链彻底拆成最小零件。这一'拆'，就是核酸水解。

水解本质

在磷酸酯键处插入水分子，把糖-磷酸骨架打断

完全水解产物

磷酸、五碳糖、含氮碱基三类最小构件

部分水解产物

拆到一半可停在核苷酸甚至核苷酸水平

RNA更易水解

2'-OH是'内鬼'，可攻击磷酸酯，DNA无此羟基更稳定

拆一长串可拆卸链扣对应 →核酸水解

每节扣=一个核苷酸；掰开扣=水解磷酸酯键；酸/碱/酶=不同的拆扣工具

16第 16 页 · 核酸水解

本节要点

✓高能键储能量，普通键搭骨架
✓ATP放能≠消耗ATP，是真循环
✓DNA稳定（去2'-OH、用T），RNA灵活（留2'-OH、用U）
✓遗传信息本质是碱基的排列顺序
✓PCR本质是体外模拟DNA复制

延伸主题：DNA半保留复制的细节中心法则的例外情形密码子与遗传密码表

17第 17 页 · 本节要点

课后思考

三个开放性问题检验理解程度

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三个开放性问题检验理解程度

18第 18 页 · 课后思考