生物大分子的结构和功能.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,*,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,*,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,*,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,*,第一节 生物大分子（,biopolymer,、,biomacromolecule),的概念,一、生物大分子概念,是,指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多,聚,化合物,。包括核酸、蛋白质和多糖。,基本,结构单位的排列顺序构成生物大分子的一级结构，生物大,分,子,在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构。,自然界,典型的生物大分子的分子量在,10,10,3,之间。,二、生物大分子的化学结构,核酸,蛋白质,多糖,三、高级结构与非共价键,氢键,疏水作用,离子键,范德华力,第二节 核酸,负责遗传信息的表达,参与合成蛋白质,遗传的主要物质基础,RNA,核蛋白体,RNA,信 使,RNA,转 运,RNA,脱氧核糖核酸,DNA,核 糖 核 酸,RNA,rRNA,合成蛋白质的场所,mRNA,蛋白质合成的模板,tRNA,合成蛋白质时的,氨基酸携带者,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系,Nitrogenous base,Pentose sugar,HOCH,2,H,OH,Doxyribose(in DNA),HOCH,2,HO,OH,Ribose(in RNA),Phosphate,Purihes,Adenine,Guanine,A,G,Pyrimidines,Cytosine,Thymine,Uracil,一、,DNA,的结构与功能,（一）,DNA,的一级结构与功能,1.DNA,一级结构中贮存的生物遗传信息,DNA,是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在,DNA,分子中。,这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在,DNA,分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。,DNA,的一级结构就是指核苷酸在,DNA,分子中的排列顺序。因此测定,DNA,的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。,核苷,=,戊糖,+,碱基,核苷酸,=,磷酸,+,核苷,DNA,分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（,3-5,磷酸二酯键,）和排列顺序叫做,DNA,的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为,53,。不同的,DNA,分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。,DNA,序列测定,即核酸,DNA,分子一级结构的测定，是现代分子生物学一项重要技术。序列分析的目的有二：,1,）确证性测序,通过测序对突变进行定位和鉴定，应用时测定野生型基因上同源区和突变体的相应序列，直接在一张胶片上比较二者序列差异（已知基因序列）。,2,）从头测序,目的是提供一段,DNA,准确的核苷酸序列（未知基因序列）。,测序在生物医学领域应用,2,个方面：,1,）对已知基因序列检查,特别是有遗传倾向的病例，检测相关基因有无突变，有助于阐明疾病发病机理及建立相应诊疗方案。,2,）对已经克隆的未知基因序列进行测定,从而阐明该基因的一级结构，如人类基因组计划中大量的工作是要阐明克隆片段的核苷酸排列顺序。,DNA,的甲基化,DNA,的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为,DNA,的甲基化,(mythylation of DNA),。,1,）原核生物（细菌）有限制一修饰系统,对自身,DNA,产生保护作用。,抵御外源,DNA,（噬菌体）的入侵。,2,）真核生物中的,DNA,甲基化在基因表达调控中有重要作用,3,）核磁共振对,DNA,甲基化影响,（二）,DNA,的二级结构,1.,双螺旋的基本特征,1,）主链,脱氧核糖和磷酸基相互隔连接构成,DNA,的主链。,从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。,二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖,和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。,两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是,20A,。,2,）碱基对,由于几何形状的限制，只能由嘧啶和嘌呤配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。,若两个嘧啶配对则几何形状太小，两个嘌呤配对则几何形,状又太大，为双螺旋所容纳不下。只有,A-T,碱基和,G-C,碱基对,的几何形状正适合双螺旋的大小。,这两种碱基对（,A/T,G/C,）有一个重要的特征，就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转,180,O,并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。,碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下间隔,3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是,34A,。一条链中每个相邻的碱基方向相差,36,.,碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。,DNA,的双螺旋结构,5,3,5,3,磷酸,核糖,T-A,碱基对,5,3,5,3,碱基,C-G,碱基对,DNA,的双螺旋模型特点,a.,两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。,b.,磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按,AT,，,GC,配对（,碱基配对原则,，,Chargaff,定律,）,c.,螺旋直径,2nm,，相邻碱基平面垂直距离,0.34nm,螺旋结构每隔,10,个碱基对（,base pair,bp,）重复一次，间隔为,3.4nm,G-C,A-T,DNA,双螺旋构象的类型,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,A,B,Z,Mi,Ma,Ma,Mi,Mi,Ma,三种,DNA,双螺旋构象比较,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,A B,Z,外型 粗短 适中 细长,螺旋方向 右手 右手 左手,螺旋直径,2.55nm 2.37nm 1.84nm,碱基直升,0.23nm 0.34nm 0.38nm,碱基夹角,32.7,0,34.6,0,60.0,0,每圈碱基数,11 10.4 12,轴心与碱基对关系,2.46nm 3.32nm 4.56nm,碱基倾角,19,0,1,0,9,0,糖苷键构象 反式 反式,C,、,T,反式，,G,顺式,大沟 很窄很深 很宽较深 平坦,小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深,3,）大沟和小沟,沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空间。,由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，,一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。,双螺旋表面的沟对,DNA,和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言,。,（三）,DNA,的三级结构,DNA,的高级结构,是指,DNA,双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是,DNA,高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变：,负超螺旋 松弛,DNA,正超螺旋,螺旋和超螺旋电话线,螺,旋,超,螺,旋,L=25,T=25,W=0,松弛环形,1,15,20,10,5,23,L=23,T=23,W=0,解链环形,1,5,10,15,20,23,1,5,10,15,20,25,L=23,T=25,W=,2,负超螺旋,1,21,4,8,23,16,13,1,5,10,15,20,23,右手旋转拧松两匝后的线形,DNA,DNA,超螺旋的形成,超螺旋的拓扑学公式：,L=T+W,环状双链,DNA,的电子显微镜图像,构象由非超螺旋（左）变成紧密超螺旋（右）,DNA,超螺旋结构形成的意义,使,DNA,形成高度致密状态从而得以装入核中；,推动,DNA,结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。,二、,RNA,的结构与功能,核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储存着生物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。除,DNA,外，在生物体中还存在着另一类核酸,RNA,。,RNA,有许多种，它们具有不同的生物学功能。,（一）,mRNA,mRNA,占细胞,RNA,总量的,1%,5%,，分子量范围几百,2,万个核苷酸，变化大（,RT/PCR,）。原核和真核生物,mRNA,的结构不同。,原核生物,mRNA,真核生物,mRNA,1.mRNA,编码区,多顺反子（几个功能相关蛋白质）,单顺反子,*,（,1,种蛋白质）,2.5,端帽子结构,无帽子结构，（,有,SD,序列,，,RBS,位于,AUG,上游,8,13,核苷酸处，与翻译起始有关）。,有帽子结构,（,0.1.2,三种类型）*,使,mRNA,免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关（,CBP,）,.,3.3,端,poly(A),尾,无,有，,20,200,核苷酸,4.5,.3,端,mRNA,非偏码区,有,有,*,顺反子（,cistron,）,一段可供偏码的结构基因,是能够编码合成多肽的,DNA,的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析决定。由结构基因转录生成的,RNA,序列亦称为顺反子。,单顺反子（,monocistron,）真核的结构基因（及,mRNA,）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。,多顺反子（,polycistron,）原核的结构基因（,mRNA,）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。,*帽子结构中的核苷酸大多数为,7,甲基鸟苷（,m,7,G,）,.,在其后面第,2,和第,3,个核苷酸的核糖第,2,位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见,3,种类型：,帽子,0,型,m,7,G,（,5,）,PPP,（,5,）,NP.,帽子,1,型,m,7,G,（,5,）,PPP,（,5,）,NmpNP.,帽子,2,型,m,7,G,（,5,）,PPP,（,5,）,NmPNmPNP.,1,、原核生物,mRNA,的特征,A,、半衰期短,B,、多顺反子的形式存在,C,、,5,无帽子结构，,3,没有或只有较短的,poly,（,A,）结构,2,、真核生物,mRNA,的特征,A,、,5,端存在帽子结构,B,、,3,具有,poly,（,A,）尾巴,AAAAAAA-OH,5,“,帽子,”,PolyA 3,顺反子,m,7,G-5,ppp-N-3,p,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA,剪接,成熟的,mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,（二）,tRNA,tRNA,的结构相当保守，各种物种的,tRNA,均含有,73,93,个核苷酸，,tRNA,均有三叶草型的二级结构和,L,状的三级结构。,一端是,CCA,结合氨基酸部位，另一端为反密码子环。,tRNA,通晓,mRNA,的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（,AARS,），是蛋白质翻译的译员。,二级结构,特征,：,单链,三叶草叶形,四臂四环,三级结构,特征：,在二级结构基础上,进一步折叠扭曲形成倒,L,型,酵母,tRNA,Ala,的二级结构,DHU,环,I,G,C,反密码子,反密码环,氨基酸臂,可变环,T,C,环,C,C,A,Ala,3,5,反密码臂,左臂,右臂,tRNA,的三级结构,氨基酸受体臂,D,臂,反密码子臂,臂,（三）,rRNA,rRNA,与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。,核糖体的组成,原核生物（,70S,，小,30s,大,50S,）,真核生物（,80S,小,40s,大,60s,）,小,亚,基,rRNA,蛋白质,16S(,有,mRNA,识别结合位点,),18S(,有,mRNA,识别结合位点,),21,种,33,种,大,亚,基,rRNA,23S,、,5S,（识别、结合,tRNA,）,28S,、,5S,、,5.8S(,识别、结合,tRNA),蛋白质,34,种,49,种,一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其,mRNA,要靠宿主细胞的核糖体来翻译。,核糖体蛋白如何识别,rRNA,上的结合位点，如何和,rRNA,结合，不同核糖体蛋白彼此如何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所处的相对位置，联结的细节不明。,四、核酸的变复性和杂交,变性（,denaturation,）：氢键断裂，互补链分开。,Tm,值：,DNA,热变性达到一半时的温度，和,G-C,含量成正比。,退火（,annealing,）：合适条件下重新形成双螺旋。,杂交（,hybridization,）：不同来源互补序列单链分子的结合。,一、蛋白质的结构,1.,一级结构,2.,高级结构,二、蛋白质结构与功能的关系,1.,一级结构与功能的关系,2.,空间构象与功能活性的关系,第三节 蛋白质,一级结构：氨基酸的排列顺序,高级结构：蛋白质不同层次的折叠,1,）不涉及氨基酸残基侧链的折叠：,螺旋、,折叠、,转角、无规卷曲,2,）侧链参与的进一步折叠,3,）多亚基的排列及相互作用,一级结构与功能的关系,1,）基础,2,）关键氨基酸变化可导致功能的变化,空间结构与功能的关系：,结构决定功能！,