细胞的化学组成-PPT.ppt

核酸的结构和功能v核核 酸：是以单核苷酸为基本组酸：是以单核苷酸为基本组成单位的生物大分子，功能是携成单位的生物大分子，功能是携带和传递遗传信息。带和传递遗传信息。二、核酸的一级结构定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为碱基序列。以也称为碱基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNAvDNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点vDNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装vDNA的功能的功能一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=T,G=C.A+G=T+C.种不同种不同DNA组成不同组成不同.同一个体的不同细胞同一个体的不同细胞DNA相同相同.碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键以氢键配对较合理配对较合理DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNADNA分分子子由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以-脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸-为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。螺螺旋旋直直径径为为2 2nm，形形成成大大沟沟(major groove)及及小小沟沟(minor groove)相间。相间。目目 录录u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 TAGCu氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基堆堆积积力力维维持双链纵向稳定性。持双链纵向稳定性。目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录DNA的的三级三级结构结构（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过程具有关键作用。转录过程具有关键作用。三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能：复制和转录的模板的基本功能：复制和转录的模板是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的的信信息息基础。基础。基因：基因：DNA的功能区段。的功能区段。基因组：全部基因序列基因组：全部基因序列RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能一一、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子(exon)目目 录录*mRNA结构特点结构特点1.帽帽：大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C2也是甲基化，形成帽子结构：也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.尾：大多数真核尾：大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺末端有一个多聚腺苷酸苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。3.编码区：核苷酸残基编码区：核苷酸残基帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能*mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则，抄抄录录并并传传送送至至核核糖糖体体，用用以以决决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 tRNA的一级结构特点的一级结构特点分子量小，稀有碱基多分子量小，稀有碱基多 含含 1020%稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3末端为末端为 CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C 二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形四臂三环四臂三环:氨基酸臂氨基酸臂 DHU(臂臂)环环 反密码反密码(臂臂)环环 额外环额外环(可变臂可变臂)TC(臂臂)环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白质的翻译。白质的翻译。*rRNA的含量多的含量多rRNA的结构的结构核蛋白体核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*rRNA的功能的功能参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，作作为为蛋蛋白白质质生生物物合成的场所。合成的场所。*rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%一、什么是蛋白质一、什么是蛋白质?蛋蛋白白质质(protein)是是由由许许多多氨氨基基酸酸(amino acids)通通过过肽肽键键(peptide bond)相相连形成的高分子含氮化合物。连形成的高分子含氮化合物。二、蛋白质的生物学重要性二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分分分布布广广：所所有有器器官官、组组织织都都含含有有蛋蛋白白质质；细细胞胞的各个部分都含有蛋白质。的各个部分都含有蛋白质。含含量量高高：蛋蛋白白质质是是细细胞胞内内最最丰丰富富的的有有机机分分子子，占占人人体体干干重重的的45，某某些些组组织织含含量量更更高高，例例如如脾脾、肺及横纹肌等高达肺及横纹肌等高达80。种类多种类多:1 1）作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）2 2）代谢调节作用）代谢调节作用3 3）免疫保护作用）免疫保护作用4 4）物质的转运和存储）物质的转运和存储5 5）运动与支持作用）运动与支持作用6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能氧化供能蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括 一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)高级高级结构结构u定义定义蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。顺序。一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构主要的化学键主要的化学键肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。功能的基础。目目 录录蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础蛋白质一级结构研究的重要意义蛋白质一级结构研究的重要意义:开辟了蛋白开辟了蛋白质结构与功能研究的新领域质结构与功能研究的新领域,使遗传病的研究使遗传病的研究进入分子水平进入分子水平.1956年，剑桥大学，年，剑桥大学，Ingram，镰刀状红，镰刀状红 细胞细胞性贫血，血红蛋白，谷氨酸性贫血，血红蛋白，谷氨酸缬氨酸缬氨酸 开辟了从分子水平研究生物进化的新途径开辟了从分子水平研究生物进化的新途径 为蛋白质的人工合成提供了蓝图为蛋白质的人工合成提供了蓝图二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构蛋蛋白白质质分分子子中中某某一一段段肽肽链链的的局局部部空空间间结结构构，即即该该段段肽肽链链主主链链骨骨架架原原子子的的相相对对空空间间位位置置，并并不不涉涉及及氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链的的构构象象。u定义定义 主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 u 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)无规卷曲无规卷曲 (random coil)（二）（二）-螺旋螺旋v结构要点：结构要点：多肽链主链围绕中心轴螺旋上升，每多肽链主链围绕中心轴螺旋上升，每3.63.6个氨基酸残基上升一圈，螺距个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm0.54nm多为稳定的右手螺旋多为稳定的右手螺旋相邻螺旋圈之间可形成氢键，与螺旋长相邻螺旋圈之间可形成氢键，与螺旋长轴基本平行轴基本平行侧链基团位于螺旋外侧侧链基团位于螺旋外侧目目 录录（三）（三）-折叠折叠结构特征：结构特征：多肽链中每个肽单元折叠成锯齿状；多肽链中每个肽单元折叠成锯齿状；所有肽键的所有肽键的C=OC=O和和N=HN=H形成链间氢键，形成链间氢键，与主链垂直与主链垂直 氨基酸残基位于锯齿状结构的上、下氨基酸残基位于锯齿状结构的上、下方方 两条或两条以上肽段的锯齿状结构方两条或两条以上肽段的锯齿状结构方向可相同也可相反向可相同也可相反俯俯 视视 图图侧侧 视视 图图 -折折叠叠（-pleated sheet)-pleated sheet)-pleated sheet)-pleated sheet)模型图模型图（四）（四）-转角和无规卷曲转角和无规卷曲-转角转角 多肽链中出现的多肽链中出现的180o回折的肽段，回折的肽段，又称发夹结构或又称发夹结构或U型回折，通常由型回折，通常由4个氨基酸残基组成。个氨基酸残基组成。三、蛋白质的三级结构三、蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。力等。主要的化学键主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。（一）（一）定义定义 目目 录录 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)N 端端 C端端核糖核酸酶核糖核酸酶A的三级结构的三级结构纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （二）结构域（二）结构域大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域行使其功能，称为结构域(domain)。溶菌酶的结构域溶菌酶的结构域亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。是氢键和离子键。四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结构结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基质的亚基 (subunit)。亚基特点：亚基特点：1、独立存在的亚基无活性。、独立存在的亚基无活性。2、亚基间呈特定的三维空间排布，、亚基间呈特定的三维空间排布，依赖次级键维持其结构稳定依赖次级键维持其结构稳定 3、蛋白质分子中亚基可相同，也、蛋白质分子中亚基可相同，也可不相同。可不相同。血血红红蛋蛋白白的的四四级级结结构构 酶酶 酶：酶：由生物细胞合成的以蛋白质为由生物细胞合成的以蛋白质为主要成分，对底物起高效催化作用主要成分，对底物起高效催化作用的生物催化剂。的生物催化剂。还有一类具有催化作用的核酸还有一类具有催化作用的核酸-核酶核酶（ribozymeribozyme）一、一、一般催化剂的特点一般催化剂的特点v催化效率高催化效率高v反应前后质量不变反应前后质量不变v催化热力学允许的反应催化热力学允许的反应v加速可逆反应的进程不改变反应的平衡点加速可逆反应的进程不改变反应的平衡点二、酶促反应的特点二、酶促反应的特点：v酶的高度催化效率（本质）酶的高度催化效率（本质）v酶的催化具有高度特异性酶的催化具有高度特异性v酶促反应的条件温和酶促反应的条件温和v酶促反应无副反应酶促反应无副反应v酶的催化受调控酶的催化受调控 核核 酶酶u催化性催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。u催化性催化性RNA(ribozyme)作为序列特异性的核作为序列特异性的核酸内切酶降解酸内切酶降解mRNA。二、酶的分类二、酶的分类1、氧化还原酶（、氧化还原酶（oxidoreductase）2、转移酶（、转移酶（transferase）3、水解酶（、水解酶（hydrolase）4、裂解酶（或裂合酶、裂解酶（或裂合酶lyase）5、异构酶（、异构酶（isomerase）6、合成酶（、合成酶（synthease）或连接酶（）或连接酶（ligase）