分子生物学基础知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,分子生物学基础知识,1,一、核酸分子的基本组成,(deoxyribonucleic acid,DNA),(ribonucleic acid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,核苷酸,核苷,碱基,磷酸,戊糖,核糖,脱氧核糖,嘌呤,嘧啶,2,(,一,),碱 基,1,、特性：,共轭性分子结构，共轭双键，,260nm,处有最大吸收,嘌呤,(purine),弱碱性，低,PH,值时可接受质子,嘧啶,(pyrimidine),碱基间存在疏水堆积力,3,2,、种类和结构：,嘌呤,腺嘌呤,(adenine,A),鸟嘌呤,(guanine,G),4,嘧啶,胞嘧啶,(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶,(thymine,T),5,(,二,),戊 糖,（构成,DNA,）,2,、,脱氧核糖,(deoxyribose),（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,1,、,核糖,(ribose),2,OH,亲水极性集团,易水解,易受攻击,RNA,不稳定性,无,2,OH,，,DNA,相对稳定,6,(,三,),核 苷,戊糖,C1,嘌呤,N9,嘧啶,N1,糖苷键,/,糖甙键,核糖核苷,脱氧核糖核苷,1,1,7,(,四,),核苷酸,1,、核苷酸,核苷,+,磷酸,磷酸酯键,戊糖,+,碱基,+,磷酸,8,2,、游离核苷酸,ADP,ATP,AMP,9,(,五,),核酸的一级结构,1,、定义,核酸中核苷酸的排列顺序。,由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为,碱基序列,。,5,端,3,端,C,G,A,2,、核苷酸链的方向性：,PO,4,OH,5,端,3,端,10,3,、一级结构的表示方法,结构式,/,线条式,/,字母式,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,5,p,A,p,C,p,T,p,G,p,C,p,T,-OH 3,5,A C T G C T,3,5,端,3,端,C,G,A,磷酸基团,35,磷酸二酯键,羟基,11,DNA,一级结构的基本特点,4,种,dNTP,以,3,、,5,磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的线性大分子。它们的两个末端分别称,5,末端（游离磷酸基）和,3,末端（游离羟基）。,12,(,六,)DNA,与,RNA,在组成上的区别,DNA,RNA,碱基,A G C,T,A G C,U,戊糖,脱氧核糖,核糖,结构 双链 大多单链，局部双链,配对,A,T A,U,G C G C,13,二、,DNA,的空间结构,(,一,)DNA,的二级结构,双螺旋结构,14,1,、特征,反向平行的双螺旋,反向平行,配对规律,疏水碱基平面处于内侧，亲水戊糖与磷酸骨架处于外测,15,16,右手螺旋,右手螺旋,每周,10,个碱基，每对碱基,36,，碱基平面距离,0.34nm,存在大沟、小沟,(,大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。,),稳定因素,横向：氢键,纵向：碱基疏水堆积力,17,2,、双螺旋结构的多样性,A,B,Z,18,(,二,)DNA,的三级结构,超螺旋结构,超螺旋结构,(superhelix,或,supercoil),DNA,双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋,(positive supercoil),盘绕方向与,DNA,双螺旋方同相同,负超螺旋,(negative supercoil),盘绕方向与,DNA,双螺旋方向相反,19,20,多级螺旋模型,压缩倍数,7 6 40 5,（,8400,）,DNA ,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m,一级包装 二级包装 三级包装 四级包装,21,三、,DNA,的功能,(,一,)DNA,的基本功能,:,以基因的形式荷载遗传信息，作为基因复制的模板，是生命遗传的物质基础。,是转录的模板，是个体生命活动的信息基础。,(,二,),基本概念,:,基因,(gene),：携带遗传信息的,一段特定的核苷酸序列,，可自我复制并指导转录。,基因组,(genomic),：一个生物体所包含的全部遗传信息的总和，即全部,DNA,序列。,遗传密码,(genetic code),：,DNA,碱基序列与蛋白质的氨基酸序列之间存在的对应关系。,起始密码,(ATG),AUG,终止密码：,UAA UAG UGA,22,四、,RNA,的结构,(,一,)RNA,的结构特征,:,组成：核糖 碱基,A,U,C G,单链，局部形成双链。,含稀有碱基较多,DHU(,二氢尿嘧啶,),，,T,（假尿嘧啶），甲基化，甲羟化，乙酰化等,23,(,二,)RNA,的种类,:,1,、参与基因表达的,RNA,信使,RNA,（,mRNA,）：遗传信息的传递，翻译模板,转运,RNA,（,tRNA,）：氨基酸载体,核糖体,RNA,（,rRNA,）：提供蛋白质合成的场所,2,、核不均一,RNA,（,hnRNA,）,:mRNA,的前体,3,、核内小,RNA,（,snRNA,）：参与,hnRNA,的剪接、转运,4,、核仁小,RNA,（,snoRNA,）：参与,rRNA,的加工修饰,5,、胞质小,RNA,（,hnRNA,）,:,运输新合成的,Pr,到高尔基体加工,6,、小片段干扰,RNA,（,siRNA,）：诱发外源,mRNA,的降解,24,五、核酸的理化性质及应用,(,一,),一般理化性质,1,、粘度,DNA RNA,2,、沉降系数,DNA RNA,3,、酸碱性质,DNA pI 44.5,，,pH 4.0 11.0,稳定，,提取,pH8.0,RNA pI 22.5,提取,pH4.5,左右，混有很少,DNA,污染,25,(,二,),紫外吸收特征,1,、碱基的行为表现,共轭双键在,260nm,有最大吸收,26,2,、应用,测定浓度,OD260=1.0,相当于双链,DNA,50,g/m,L,单链,DNA,（或,RNA,）,40,g/m,L,寡核苷酸,20,g/mL,判断核酸样品的纯度,DNA,纯品,:OD260/OD280=1.8,RNA,纯品,:OD260/OD280=2.0,测定是否变性（,增色效应,）,DNA,完全变性 增加,25,40,RNA,变性 增加,1.1,左右,27,增色效应,(hyperchromic effect),由于,DNA,变性引起的光吸收增加称增色效应,也就是变性后,DNA,溶液的紫外吸收作用增强的效应。,DNA,分子中碱基间电子的相互作用是紫外吸收的结构基础，,但双螺旋结构有序堆积的碱基又,“,束缚,”,了这种作用。变性,DNA,的双链解开，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。,28,4,、复性：变性的,DNA,在适当的温度、一定离子强度条件下，给以足够的时间重新缔合形成双螺旋的过程，称为复性。,5,、影响复性的因素：,T,：,Tm,20,26,离子强度：降低带同种电荷单链间的排斥,DNA,浓度,DNA,复杂程度,6,、分子杂交：不同来源的具有互补序列的两条核酸单链，在一定条件下可以按碱基互补原则形成双链的过程。,29,六、遗传中心法则,转录,翻译,DNA,RNA,蛋白质,逆转录,基因,表型,控制,30,基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。,基因表达,(gene expression),translation,DNA,mRNA,protein,transcription,DNA,RNA,transcription,DNA,无组织特异性,基因表达有组织特异性,31,核酸生物合成的一般规律,1,按照碱基互补配对原则，以,DNA,为模板，逆转录以,RNA,为模板,2 5 3,方向，通过磷酸二酯键连接,3,特异的聚合酶催化,4,聚合酶的底物核苷酸要求是,5,核糖或脱氧核糖,5 RNA,聚合酶进行聚合反应时，可从头合成,RNA,DNA,聚合酶进行聚合反应时，要有,3-OH,末端,32,(,一,)DNA,的复制,复制,(replication),是指遗传物质的传代，以亲代,DNA,为模板，以,dNTP,为原料，按照碱基互补原则合成子链,DNA,的过程,。,33,15,N,链,14,N,链,重氮环境,15,N,轻氮环境,14,N,34,3,5,3,5,解链方向,3,5,3,3,5,领头链,(leading strand),随从链,(lagging strand),35,1,、复制的方式：,母链双螺旋解链，以母链的两条单链为模板，,半保留复制,以四种,dNTP,为原料,碱基互补配对规律,子代,DNA,双链与母链碱基序列一致,5,3,方向，通过磷酸二酯键连接,36,2,、复制的条件：,substrate:,d,ATP,dGTP,dCTP,dTTP,template:,解开成单链的,DNA,母链模板,primer:,提供,3,-OH,末端使,dNTP,可以依次聚合,enzyme,：,a,、,DNA,聚合酶,b,、,DNA,连接酶,c,、,引物酶,d,、,解螺旋酶和拓扑异构酶,37,(,三,),转录,转录,(transcription),生物体以,DNA,为模板合成,RNA,的过程。,mRNA,把遗传信息从染色体内贮存的状态转送至胞质，作为蛋白质合成的直接模板。,转录,RNA,DNA,38,七、氨基酸,蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸是蛋白质的构件分子。自然界存在的成千上万种蛋白质，在结构和功能上的惊人的多样性主要由氨基酸的内在性质造成的。,39,(,一,),氨基酸的分类,:,生物体中发现的氨基酸,180,多种，大多数是不参加蛋白质组成，这些称为非蛋白质氨基酸。,蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸只有,20,种,，称为,蛋白质氨基酸,。,存在某些蛋白质的不常见氨基酸都是肽链上由常见氨基酸修饰转化而来。,40,常见的蛋白质氨基酸,苏氨酸,Threonine,Thr,T,半胱氨酸,Cystine,Cys,C,蛋氨酸,Methionine,Met,M,天冬酰胺,Asparagine,Asn,N,谷氨酰胺,Glutarnine,Gln,Q,天冬氨酸,Asparticacid,Asp,D,谷氨酸,Glutamicacid,Glu,E,赖氨酸,Lysine,Lys,K,精氨酸,Arginine,Arg,R,组氨酸,Histidine,His,H,中文名称,英文名称,三字母缩写,单字母符号,甘氨酸,Glycine,Gly,G,丙氨酸,Alanine,Ala,A,缬氨酸,Valine,Val,V,亮氨酸,Leucine,Leu,L,异亮氨酸,Isoleucine,Ile,I,脯氨酸,Proline,Pro,P,苯丙氨酸,Phenylalanine,Phe,F,酪氨酸,Tyrosine,Tyr,Y,色氨酸,Tryptophan,Trp,W,丝氨酸,Serine,Ser,S,中文名称,英文名称,三字母缩写,单字母符号,41,按,R,基的化学结构分类,1.,脂肪族,aa,（,1,）中性,aa,甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸,42,含羟基或硫,aa,丝氨酸 半胱氨酸 苏氨酸 甲硫氨酸,43,胱氨酸由两个半胱氨酸通过侧链上的,-SH,基氧化成共价的二硫键连接而成,44,（）酸性,aa,及其酰胺,天冬氨酸 谷氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺,45,（）碱性,aa,赖氨酸 精氨酸,46,、芳香族,aa,苯丙氨酸 络氨酸 色氨酸,47,、杂环,aa,组氨酸 脯氨酸,48,(,三,),氨基酸的酸碱性质,:,如果,AA,在晶体或水中主要以兼性离子（偶极离子,),形式存在，不带电荷的中性分子为数极少，就很好解释这个问题了。,静电吸引 范德华力,兼性离子形式的,AA,是强极性分子,49,(,四,),AA,的光学活性和光谱性质,1.AA,的光学活性和立体化学,a-,氨基酸的,a-,碳是一个不对称原子（除了甘氨酸），因此具有旋光性。也分为两种构型,D,型和,L,型,50,51,苏氨酸，异亮氨酸，羟脯氨酸和羟赖氨酸除了,a-,碳原子外，还有第二个不对称碳原子。因此有四种光学异构体。它们分别称为,L-,，,D-,，,L-,别,-,，,D-,别,-,氨基酸。,L-,苏氨酸,D-,苏氨酸,L-,别,-,苏氨酸,D-,别,-,苏氨酸,52,氨基酸的旋光性,氨基酸的旋光符号和大小取决于它的,R,基性质，并且与测定的溶液,pH,有关，这是因为在不同的,pH,条件下氨基和羧基的解离状况不同。,pH,对,L-,亮氨酸（蓝）和,L-,组氨酸（红）的,aD25,值的影响,比旋是,a-,氨基酸的物理常数之一，是鉴别氨基酸的一种根据,53,2.,氨基酸的光谱性质,紫外吸收光谱,可见光区：无吸收,远紫外和红外区：都吸收,近紫外区（,200400nm,）：芳香族氨基酸,Tyr/Trp/Phe,才有吸收,原因：含有苯环共轭,p,键系统,-C=C-C=C-C=C-C=C-,54,蛋白质最大吸收 在,280nm,蛋白质含量测定,Trp 280nm,Tyr 275nm,Phe 257nm,55,分光光度法定量原理,e:,摩尔吸收系数，,c,:,浓度；,l,:,吸收杯的内径或光程厚度；,I0,：入射光强度；,I,：透射光强度,56,核磁共振波谱,57,核磁共振应用,最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面,用它测量各种原子核的磁矩,误差仅是,0.003%,0.005%;,迄今,它已广泛应用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域开展研究工作的有力工具,甚至是某些领域,(,如,:,化学、医学诊断、药物学等,),常规分析中不可缺少的手段。,1985,年,维特里希等人公布了第一次利用,NMR,法测定的溶液中蛋白质,蛋白酶抑制剂,IIA(proteinase inhibitor IIA),的结构,(,如图 所示,),。,1990,年用,NMR,测定的蛋白质结构有,23,个,而到,1994,年一年测定的蛋白质结构数上升到,100,个,。,58,