分子生物学.pdf

第二讲分子生物学速览分子生物学速览第二讲第二讲分子生物学速览分子生物学速览分子生物学速览分子生物学速览2.32.3生命的分子组成生命的分子组成生命的分子组成生命的分子组成2.3.1 2.3.1 生命的分子骨架生命的分子骨架生命的分子骨架生命的分子骨架生命本质的一致性生命本质的一致性生命本质的一致性生命本质的一致性生命形态千差万别生命形态千差万别生命组成及生物大分子的构筑：以非生命界的材料和化学规律为基础生命组成及生物大分子的构筑：以非生命界的材料和化学规律为基础生物大分子化学结构：高度有序化、个性化生物大分子化学结构：高度有序化、个性化在元素周期表所列的一百多种元素中，约在元素周期表所列的一百多种元素中，约60种元素参与生命的组成种元素参与生命的组成构成生命的化学元素构成生命的化学元素构成生命的化学元素构成生命的化学元素最重要的元素最重要的元素最重要的元素最重要的元素(占体重占体重占体重占体重96%96%以上以上以上以上)：C、H、O、N 常量元素常量元素常量元素常量元素(占体重占体重占体重占体重99.35%)99.35%)：C、H、O、N、Ca、P、K、S、Na、Cl、Mg等等微量元素微量元素微量元素微量元素(含量低于含量低于含量低于含量低于0.01%)0.01%)：Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、V、Cr、Ni、Sn、Si、Se、F、I等等Ni、Cr、Cu、Co、F、I、Fe、Mn、Mo、Se、Si、Sn、V、Zn微量元素微量元素(=3葡萄糖（葡萄糖（glucose）：）：(CH2O)6双糖双糖双糖双糖(disaccharides)(disaccharides)由由2个单糖缩合而成个单糖缩合而成麦芽糖（麦芽糖（maltose）：淀粉的基本结构单位，）：淀粉的基本结构单位，C12H24O12 多糖多糖多糖多糖(polysaccharides)(polysaccharides)由很多单糖分子缩合脱水而成的长链大分子由很多单糖分子缩合脱水而成的长链大分子淀粉淀粉(starch)：植物细胞中以贮藏状态存在，：植物细胞中以贮藏状态存在，(C6H10O5)n糖原糖原(glycogen)：动物细胞中贮存的糖：动物细胞中贮存的糖纤维素纤维素(cellulose)：高等植物细胞壁的主要成分：高等植物细胞壁的主要成分脂类的生物功能脂类的生物功能脂类的生物功能脂类的生物功能构成生物膜的骨架构成生物膜的骨架储存能量（效率是糖的储存能量（效率是糖的2倍左右）倍左右）构成生物表面的保护层、保温层构成生物表面的保护层、保温层重要的生物学活性物质碳水化合物，含重要的生物学活性物质碳水化合物，含C、H、O三种元素，三种元素，H:O远大于远大于2，某些脂类含有，某些脂类含有P、N；不溶于水，但溶于非极性溶剂；中性脂肪、磷脂、类固醇、萜类；不溶于水，但溶于非极性溶剂；中性脂肪、磷脂、类固醇、萜类2.2.脂类（脂类（脂类（脂类（lipidslipids）中性脂肪中性脂肪中性脂肪中性脂肪(fat)(fat)、油油油油(oil)(oil)甘油和脂肪酸结合生成的三酰甘油酯，高度疏水甘油和脂肪酸结合生成的三酰甘油酯，高度疏水植物脂肪含大量不饱和脂肪酸，液态，称为油植物脂肪含大量不饱和脂肪酸，液态，称为油动物脂肪富含饱和脂肪酸，可呈固态动物脂肪富含饱和脂肪酸，可呈固态蜡蜡蜡蜡(wax)(wax)长链醇和长链脂肪酸结合生成的酯，比三酰甘油酯更疏水长链醇和长链脂肪酸结合生成的酯，比三酰甘油酯更疏水蜂蜡的重要成分蜂蜡的重要成分植物果实、叶片的天然覆盖层植物果实、叶片的天然覆盖层动物表皮、羽毛的覆盖层动物表皮、羽毛的覆盖层磷脂磷脂磷脂磷脂(phospholipids)(phospholipids)主要存在于细胞膜系统中；主要存在于细胞膜系统中；卵磷脂、脑磷脂是构成生物膜磷脂双分子层的主要成分卵磷脂、脑磷脂是构成生物膜磷脂双分子层的主要成分类固醇类固醇类固醇类固醇(steroids)(steroids)芳香族结构，理化性质与脂类相近，不溶于水，溶于有机溶剂芳香族结构，理化性质与脂类相近，不溶于水，溶于有机溶剂胆固醇胆固醇(cholesterol)：动物细胞膜和神经髓鞘的重要成分，与膜的透性有关。：动物细胞膜和神经髓鞘的重要成分，与膜的透性有关。重要的生物活性物质：性激素、维生素重要的生物活性物质：性激素、维生素D、肾上腺皮质激素、肾上腺皮质激素蛋白质的生物功能蛋白质的生物功能蛋白质的生物功能蛋白质的生物功能是遗传信息转化成生物结构和功能的表达者；是遗传信息转化成生物结构和功能的表达者；参与基因表达的调节，以及细胞中氧化还原反应、电子传递、神经传递、学习记忆等重要生命过程；参与基因表达的调节，以及细胞中氧化还原反应、电子传递、神经传递、学习记忆等重要生命过程；酶（一类重要的蛋白质）在细胞和生物体内各种生化反应中起催化作用；酶（一类重要的蛋白质）在细胞和生物体内各种生化反应中起催化作用；某些蛋白质为生物生长提供营养；某些蛋白质为生物生长提供营养；某些蛋白质是动物的攻防武器（蛇毒、蜂毒）。蛋白质是细胞的重要组成成分。除含有某些蛋白质是动物的攻防武器（蛇毒、蜂毒）。蛋白质是细胞的重要组成成分。除含有C、H、O、N外，还有外，还有S。蛋白质的基本结构单位为氨基酸（。蛋白质的基本结构单位为氨基酸（amino acid）。蛋白质种类繁多，估计有）。蛋白质种类繁多，估计有10101012种。种。3.3.蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质(protein)(protein)和氨基酸和氨基酸和氨基酸和氨基酸(amino acid)(amino acid)氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸(amino acid)(amino acid)是蛋白质的结构单体；是蛋白质的结构单体；天然存在于蛋白质中的氨基酸只有天然存在于蛋白质中的氨基酸只有20种；种；结构特点：在与羧基结构特点：在与羧基-COOH相连的相连的-碳原子上都连着氨基，侧链碳原子上都连着氨基，侧链R的不同决定了氨基酸的特性。的不同决定了氨基酸的特性。氨基酸通式氨基酸通式氨基酸标准符号氨基酸标准符号氨基酸标准符号氨基酸标准符号酪氨酸酪氨酸Y(Tyr)赖氨酸赖氨酸K(Lys)谷氨酸谷氨酸/谷氨酰胺谷氨酰胺Z亮氨酸亮氨酸L(Leu)甲硫氨酸甲硫氨酸M(Met)色氨酸色氨酸W(Trp)异亮氨酸异亮氨酸I(Ile)缬氨酸缬氨酸V(Val)组氨酸组氨酸H(His)硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸U甘氨酸甘氨酸G(Gly)苏氨酸苏氨酸T(Thr)本丙氨酸本丙氨酸F(Phe)丝氨酸丝氨酸S(Ser)谷氨酸谷氨酸E(Glu)精氨酸精氨酸R(Arg)天冬氨酸天冬氨酸D(Asp)谷氨酰胺谷氨酰胺Q(Gln)半胱氨酸半胱氨酸C(Cys)脯氨酸脯氨酸P(Pro)天冬氨酸天冬氨酸/天冬酰胺天冬酰胺B天冬酰胺天冬酰胺N(Asn)丙氨酸丙氨酸A(Ala)意义意义符号符号意义意义符号符号以上以上5个氨基酸除甘氨酸外都有疏水的侧链，所以称为疏水氨基酸。个氨基酸除甘氨酸外都有疏水的侧链，所以称为疏水氨基酸。以上四个氨基酸都带有环状侧链，基本上也都是疏水氨基酸。以上四个氨基酸都带有环状侧链，基本上也都是疏水氨基酸。氨基酸氨基酸Cys、Met是含硫氨基酸。以上三个氨基酸（是含硫氨基酸。以上三个氨基酸（Lys,Arg,His）是碱性氨基酸，又是亲水氨基酸）是碱性氨基酸，又是亲水氨基酸氨基酸（氨基酸（Ser,Thr）是含羟基的氨基酸）是含羟基的氨基酸,也是亲水氨基酸也是亲水氨基酸天冬氨酸和谷氨酸是两个酸性氨基酸，天冬酰胺和谷氨酰胺则为中性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸是两个酸性氨基酸，天冬酰胺和谷氨酰胺则为中性氨基酸肽键肽键肽键肽键(peptide bond)(peptide bond)、多肽多肽多肽多肽(polypeptide)(polypeptide)2个氨基酸分子的相邻氨基和羧基脱水缩合，形成肽键；个氨基酸分子的相邻氨基和羧基脱水缩合，形成肽键；多个氨基酸分子以肽键顺序相连得到的链状分子，就是多肽，多肽是蛋白质分子的亚单位；多个氨基酸分子以肽键顺序相连得到的链状分子，就是多肽，多肽是蛋白质分子的亚单位；1个蛋白质分子由个蛋白质分子由1条或多条多肽链组成；条或多条多肽链组成；蛋白质是有方向的一维链，氨基端记为蛋白质是有方向的一维链，氨基端记为N端端(N)，羧基端记为，羧基端记为C端端(C)。蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构一级结构一级结构(primary structure)多肽链中氨基酸数目、种类和线性排列顺序多肽链中氨基酸数目、种类和线性排列顺序二级结构二级结构(secondary structure)氢键形成氢键形成-螺旋螺旋(-helix)链间形成链间形成-折叠折叠(-sheet)三级结构三级结构(tertiary structure)肽链进一步沿多方向盘绕成紧密的近似球状结构肽链进一步沿多方向盘绕成紧密的近似球状结构四级结构四级结构(quaternary structure)具有特定构象的肽链进一步结合，并在空间相互作用具有特定构象的肽链进一步结合，并在空间相互作用蛋白质的空间结构层次蛋白质的空间结构层次蛋白质的空间结构层次蛋白质的空间结构层次蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质的生物学功能是蛋白质分子的天然构象所具有的性质，功能与结构密切相关。只有当蛋白质以特定的适当空间构象存在时才具有生物活性。不同的蛋白质，由于结构不同而具有不同的生物学功能。基本假设蛋白质的生物学功能是蛋白质分子的天然构象所具有的性质，功能与结构密切相关。只有当蛋白质以特定的适当空间构象存在时才具有生物活性。不同的蛋白质，由于结构不同而具有不同的生物学功能。基本假设(Anfinsen，1961)：序列决定构象，即折叠所需信息完全包含在氨基酸排列的一维序列中：序列决定构象，即折叠所需信息完全包含在氨基酸排列的一维序列中一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构与蛋白质功能有相适应性和统一性：（蛋白质的一级结构与蛋白质功能有相适应性和统一性：（1）一级结构的变异与分子病（）一级结构的变异与分子病（2）一级结构与生物进化（）一级结构与生物进化（3）蛋白质的激活作用蛋白质空间结构与功能的关系）蛋白质的激活作用蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质的空间结构与功能之间有密切相关性，其特定的空间结构是行使生物功能的基础：（蛋白质的空间结构与功能之间有密切相关性，其特定的空间结构是行使生物功能的基础：（1）核糖核酸酶的变性与复性及其功能的丧失与恢复（）核糖核酸酶的变性与复性及其功能的丧失与恢复（2）血红蛋白的变构现象）血红蛋白的变构现象重要的生物信息学问题重要的生物信息学问题从氨基酸序列预测蛋白质的结构与功能从氨基酸序列预测蛋白质的结构与功能蛋白质蛋白质Fold的分类与预测结构域（的分类与预测结构域（domain）分析与预测）分析与预测Motif分析与预测（如信号肽）分析与预测（如信号肽）二级结构预测二级结构预测氢键形成氢键形成-螺旋螺旋(-helix)、-折叠折叠(-sheet)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA(DNA，deoxyribonucleic acid)deoxyribonucleic acid)存在于细胞核内的染色质中，以及线粒体和叶绿体中存在于细胞核内的染色质中，以及线粒体和叶绿体中DNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者核酸是最重要的一类生物大分子。核酸是最重要的一类生物大分子。1870年，年，F.Miescher从脓细胞的核中分离，由于呈酸性，故命名为核酸。从脓细胞的核中分离，由于呈酸性，故命名为核酸。核糖核酸核糖核酸核糖核酸核糖核酸(RNA(RNA，ribonucleic acid)ribonucleic acid)在细胞核内产生，再进入细胞质中在细胞核内产生，再进入细胞质中RNA在蛋白质合成中起重要作用在蛋白质合成中起重要作用核酸核酸核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid)4.4.核酸核酸核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid)及核苷酸及核苷酸及核苷酸及核苷酸(nucleotides)(nucleotides)核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸(nucleotides)(nucleotides)是是DNA和和RNA的结构单体，核苷酸排列组成的结构单体，核苷酸排列组成DNA和和RNA大分子；大分子；每一核苷酸分子含有一个核糖每一核苷酸分子含有一个核糖(或脱氧核糖或脱氧核糖)分子、一个磷酸分子、一个含氮的碱基分子、一个磷酸分子、一个含氮的碱基(base)；碱基分为两类：碱基分为两类：嘌呤嘌呤(purine)：双环分子，包括腺嘌呤：双环分子，包括腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤、鸟嘌呤(guanine,G)两种；嘧啶两种；嘧啶(pyrimidine)：单环分子，包括胸腺嘧啶：单环分子，包括胸腺嘧啶(thymine,T)、胞嘧啶、胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶、尿嘧啶(uracil,U)三种。三种。DNADNA和和和和RNA RNA 多个核苷酸通过两个核苷酸之间的唯一连键多个核苷酸通过两个核苷酸之间的唯一连键3，5即磷酸二酯键顺序相连而成长链的多核苷酸分子，即成核酸的基本结构；即磷酸二酯键顺序相连而成长链的多核苷酸分子，即成核酸的基本结构；DNA：含脱氧核糖，分为：含脱氧核糖，分为A、C、G、T四种四种DNA分子是双链结构，由两条脱氧核糖核苷酸长链以碱基配对分子是双链结构，由两条脱氧核糖核苷酸长链以碱基配对(AT，GC)相连形成螺旋状双链大分子相连形成螺旋状双链大分子RNA：含核糖，分为：含核糖，分为A、C、G、U四种四种RNA分子一般为单链，一般比分子一般为单链，一般比DNA分子小所有生物细胞都含有这两类核酸。但病毒不同，分子小所有生物细胞都含有这两类核酸。但病毒不同，DNA病毒只含有病毒只含有DNA，RNA病毒只含病毒只含RNA。生物信息数据库中的核苷酸代码生物信息数据库中的核苷酸代码生物信息数据库中的核苷酸代码生物信息数据库中的核苷酸代码NA或或C或或G或或T（U）V非非TSG或或CH非非GMA或或CD非非CRA或或GB非非AWA或或T（U）TT（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）KG或或T（U）GG（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）YC或或T（U）CC（胞嘧啶）（胞嘧啶）UU（尿嘧啶）（尿嘧啶）AA（腺嘌呤）代码核苷酸代码核苷酸（腺嘌呤）代码核苷酸代码核苷酸DNADNA的双螺旋结构与碱基配对的双螺旋结构与碱基配对的双螺旋结构与碱基配对的双螺旋结构与碱基配对3355RNARNA的单链可形成局部的碱基配对的单链可形成局部的碱基配对的单链可形成局部的碱基配对的单链可形成局部的碱基配对1.DNA中的一些三链螺旋结构存在于基因调控区，具有重要的生物学意义。中的一些三链螺旋结构存在于基因调控区，具有重要的生物学意义。2.不同类型的不同类型的RNA分子可自身回折形成发卡、局部双螺旋区，形成二级结构，并折叠产生三级结构。分子可自身回折形成发卡、局部双螺旋区，形成二级结构，并折叠产生三级结构。RNA二级结构和三级结构在二级结构和三级结构在RNA分子的功能实现中具有重要作用。分子的功能实现中具有重要作用。核酸的生物学意义核酸的生物学意义核酸的生物学意义核酸的生物学意义核酸的特殊意义：存储大量被压缩的生物信息核酸的特殊意义：存储大量被压缩的生物信息核苷酸可以作为化学能量的携带者核苷酸可以作为化学能量的携带者ATP（腺苷三磷酸）在细胞反应中参与能量的转移（腺苷三磷酸）在细胞反应中参与能量的转移核苷酸链及其方向核苷酸链及其方向核苷酸链及其方向核苷酸链及其方向1个核苷酸的个核苷酸的3位位-OH与相邻的核苷酸与相邻的核苷酸5位磷酸基形成磷酸二酯键，实现位磷酸基形成磷酸二酯键，实现2个核苷酸连接。个核苷酸连接。若干个核苷酸通过磷酸二酯键连接成的多聚核苷酸链，形成若干个核苷酸通过磷酸二酯键连接成的多聚核苷酸链，形成53的方向的方向“原始汤（原始汤（primordial soup）”理论小分子有机化合物（氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等）汇集在原始海洋中，怎样形成复杂的大分子？复杂的有机物质：蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。人造生命离我们还有多远？推荐读物理论小分子有机化合物（氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等）汇集在原始海洋中，怎样形成复杂的大分子？复杂的有机物质：蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。人造生命离我们还有多远？推荐读物：第五项奇迹：第五项奇迹生命起源之探索生命起源之探索(The fifth miracle)P.Davis，译林出版社译林出版社，2004年年小分子、大分子怎样组成原始生命？小分子、大分子怎样组成原始生命？小分子、大分子怎样组成原始生命？小分子、大分子怎样组成原始生命？God did it?God did it?2.42.4遗传的分子基础遗传的分子基础遗传的分子基础遗传的分子基础2.4.1 What is gene?2.4.1 What is gene?MendelMendel的的的的“遗传因子遗传因子遗传因子遗传因子”遗传学之父遗传学之父G.MendelGregorGregor Mendel Mendel(1822-1884)奥地利植物学家。奥地利植物学家。18511854年在年在Vienna大学学习物理、数学和自然科学。此后连续大学学习物理、数学和自然科学。此后连续8年年(18571865)以豌豆为实验材料进行单因子杂交和双因子杂交实验，以豌豆为实验材料进行单因子杂交和双因子杂交实验，1865年提出遗传学的两个基本定律：分离定律和自由组合定律。并开始提出年提出遗传学的两个基本定律：分离定律和自由组合定律。并开始提出“遗传因子遗传因子”的概念。的概念。35年后，其研究成果开始引起科学界重视。年后，其研究成果开始引起科学界重视。“遗传因子遗传因子遗传因子遗传因子”生物的每一个性状，从亲代到子代，是由颗粒性的生物的每一个性状，从亲代到子代，是由颗粒性的“遗传因子遗传因子”决定的，并由颗粒性的决定的，并由颗粒性的“遗传因子遗传因子”负责传递遗传信息；负责传递遗传信息；体细胞中的体细胞中的“遗传因子遗传因子”成双存在，配子中只含有其中之一；成双存在，配子中只含有其中之一；亲代杂交时，亲代杂交时，“遗传因子遗传因子”保持独立性，互不融合，在形成子代时，配子的结合是随机的。保持独立性，互不融合，在形成子代时，配子的结合是随机的。“基因基因基因基因(gene)(gene)”1909年，丹麦遗传学家年，丹麦遗传学家Johansen提出提出“gene”一词代替一词代替“遗传因子遗传因子”。从从Mendel直到直到20世纪初，世纪初，“遗传因子遗传因子”或或“基因基因”还只是逻辑推理的概念，是作为一种遗传性状的符号，无任何物质的内容。还只是逻辑推理的概念，是作为一种遗传性状的符号，无任何物质的内容。MorganMorgan的的的的“基因学说基因学说基因学说基因学说”Thomas Morgan(1866-1945)American geneticist whose maternal great grandfather was Francis Scott Key,author of the words to the American national anthem,The Star-Spangled Banner.Morgan pioneered the entire field of genetics with his study of Drosophila,the fruit fly.He collaborated at Caltech with Bridges and Sturtevant.In 1915,Morgan collaborated with Sturtevant,Hermann Muller and Bridges in writing the landmark textbook The Mechanism of Mendelian Heredity.In 1933,Morgan was awarded the Nobel Prize for the discovery of the chromosomal mechanism by which traits are passed to offspring through interaction of genes.“染色体假说染色体假说染色体假说染色体假说”1902年，德国年，德国Bover和美国和美国Sutton同时提出：细胞核的染色体是基因的物质载体。同时提出：细胞核的染色体是基因的物质载体。MorganMorgan的果蝇伴性遗传实验的果蝇伴性遗传实验的果蝇伴性遗传实验的果蝇伴性遗传实验验证假说：控制果蝇白眼性状的基因位于验证假说：控制果蝇白眼性状的基因位于X染色体上；染色体上；科学意义：首次把科学意义：首次把1个特定的基因与个特定的基因与1个特定的染色体联系起来，建立了遗传的染色体学说。个特定的染色体联系起来，建立了遗传的染色体学说。果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验1928年，英国年，英国Griffith；1944年，美国年，美国Avery等等DNA是遗传物质基础的第一个和最重要的证据，明确了是遗传物质基础的第一个和最重要的证据，明确了DNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体噬菌体感染实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验1952年，美国年，美国Hershey和和Chase进一步为证明进一步为证明DNA是遗传物质提供了更直接的证据是遗传物质提供了更直接的证据烟草烟草烟草烟草TMVTMV的重建实验的重建实验的重建实验的重建实验1956年，德国年，德国Fraenkel-Conrot证明在不具有证明在不具有DNA的病毒中，的病毒中，RNA是遗传物质是遗传物质基因的本质：基因的本质：基因的本质：基因的本质：DNA/RNADNA/RNA3.4nm3.4nm2nm1953年，年，Watson和和Crick为合理解释遗传物质的各种功能、解释生物的遗传和变异、揭示自然界色彩纷纭的生命现象奠定了理论基础；为合理解释遗传物质的各种功能、解释生物的遗传和变异、揭示自然界色彩纷纭的生命现象奠定了理论基础；揭示了生命世界多样性和生命本质的一致性的辨正统一；揭示了生命世界多样性和生命本质的一致性的辨正统一；现代生命科学的里程碑。现代生命科学的里程碑。DNADNA双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构现代分子生物学的定义现代分子生物学的定义现代分子生物学的定义现代分子生物学的定义基因是携有遗传信息的基因是携有遗传信息的DNA序列，它能够表达一个完整的遗传信息。它是遗传物质的最小单位。一个基因是编码一条多肽链或功能序列，它能够表达一个完整的遗传信息。它是遗传物质的最小单位。一个基因是编码一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。基因：所必需的全部核苷酸序列。基因：DNA分子链上的特定区域。分子链上的特定区域。基因的定义基因的定义基因的定义基因的定义2.4.2 DNA2.4.2 DNA的的的的复制复制复制复制DNADNA复制复制复制复制生物遗传信息的横向传递生物遗传信息的横向传递生物遗传信息的横向传递生物遗传信息的横向传递DNA在细胞分裂之前以自身为模板进行自我复制，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链，每条双链都与原来的双链一样，分配到两个子细胞中。在细胞分裂之前以自身为模板进行自我复制，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链，每条双链都与原来的双链一样，分配到两个子细胞中。DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构复制的结构基础复制的结构基础复制的结构基础复制的结构基础维持遗传物质的稳定性；保证遗传信息复制的准确性；维持遗传物质的稳定性；保证遗传信息复制的准确性；DNADNA复制过程复制过程复制过程复制过程涉及涉及30多种蛋白质（包括酶）的协同参与；不同的生物中存在多种复制方式。多种蛋白质（包括酶）的协同参与；不同的生物中存在多种复制方式。DNADNA复制的特点复制的特点复制的特点复制的特点复制精确、遗传信息稳定、具有连续性；速度快、效率高。复制精确、遗传信息稳定、具有连续性；速度快、效率高。DNADNA分子双链的碱基互补分子双链的碱基互补分子双链的碱基互补分子双链的碱基互补导致一条链上核苷酸排列顺序决定了其互补链上的核苷酸排列顺序。所以，每一链都含有合成其互补链所需的全部信息。导致一条链上核苷酸排列顺序决定了其互补链上的核苷酸排列顺序。所以，每一链都含有合成其互补链所需的全部信息。SemiSemi-conservative Replicationconservative Replication猜测猜测猜测猜测(Watson&Crick)(Watson&Crick)DNA复制过程中，碱基的氢键首先断裂，双螺旋解旋分开，每条链分别作模板合成新链，每个子代复制过程中，碱基的氢键首先断裂，双螺旋解旋分开，每条链分别作模板合成新链，每个子代DNA都有一条链来自亲代，另一条为新合成。都有一条链来自亲代，另一条为新合成。DNADNA的半保留复制的半保留复制的半保留复制的半保留复制(Semi-conservative Replication)机制机制MeselsonMeselson&Stahl(1958)Stahl(1958)的实验对半保的实验对半保的实验对半保的实验对半保留复制机制的留复制机制的留复制机制的留复制机制的验证验证验证验证DNADNA复制的起点复制的起点复制的起点复制的起点双链解旋，复制起点呈叉子状，被称为复制叉双链解旋，复制起点呈叉子状，被称为复制叉(replication forks)复制起点是固定的，一个复制起点是固定的，一个DNA分子可以有多个复制起点。分子可以有多个复制起点。DNADNA复制的方向复制的方向复制的方向复制的方向沿着复制叉移动方向，以沿着复制叉移动方向，以35走向的链走向的链(前导链前导链，leading strand)为模板，可向前以为模板，可向前以5 3方向连续合成互补链；沿着与复制叉移动方向相反的方向，以方向连续合成互补链；沿着与复制叉移动方向相反的方向，以53走向的链走向的链(后随链，后随链，lagging strand)为模板，也以为模板，也以5 3方向合成互补链，但先合成许多不连续的短片方向合成互补链，但先合成许多不连续的短片冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragments)，最后再连成一条完整的，最后再连成一条完整的DNA链。链。DNADNA复制的速度复制的速度复制的速度复制的速度复制从固定的起始点以双向等速方式进行，复制叉以复制从固定的起始点以双向等速方式进行，复制叉以DNA分子上某一特定位置为起始点，向两个方向等速生长前进。分子上某一特定位置为起始点，向两个方向等速生长前进。DNADNA复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度复制起点、复制叉、复制方向复制起点、复制叉、复制方向复制起点、复制叉、复制方向复制起点、复制叉、复制方向复制叉复制叉3333333355555555冈崎片段冈崎片段冈崎片段冈崎片段DNADNA复制示意图复制示意图复制示意图复制示意图起始阶段起始阶段起始阶段起始阶段解旋酶使解旋酶使DNA分子的双螺旋结构展开，引物酶辨认起始位点，以解开的一段分子的双螺旋结构展开，引物酶辨认起始位点，以解开的一段DNA为模板，按照为模板，按照5到到3方向合成方向合成RNA短链。形成短链。形成RNA引物。引物。DNADNA片段的合成片段的合成片段的合成片段的合成DNA的两条链同时进行复制过程，由于复制过程只能由的两条链同时进行复制过程，由于复制过程只能由5-3方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段（冈崎片段）合成。方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段（冈崎片段）合成。RNARNA引物的水解引物的水解引物的水解引物的水解当当DNA合成一定长度后，合成一定长度后，DNA聚合酶水解聚合酶水解RNA引物，补填缺口。引物，补填缺口。RNA连接酶将连接酶将DNA片段连接起来，形成完整的片段连接起来，形成完整的DNA分子。分子。旋转酶形成新的双螺旋结构旋转酶形成新的双螺旋结构旋转酶形成新的双螺旋结构旋转酶形成新的双螺旋结构最后最后DNA新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。DNADNA复制的基本过程复制的基本过程复制的基本过程复制的基本过程DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶(DNA polymerase)(DNA polymerase)使核苷酸准确与模板上的互补碱基结合，并连接成链；不能起始新的使核苷酸准确与模板上的互补碱基结合，并连接成链；不能起始新的DNA链，只能使原有链延长；合成方向只能是链，只能使原有链延长；合成方向只能是5到到3。引物酶引物酶引物酶引物酶(primaseprimase)一种依赖一种依赖DNA的的RNA聚合酶，专门合成聚合酶，专门合成RNA引物引物(RNA primer)。DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶(DNA(DNA ligaseligase)一种连接一种连接DNA缺口的酶，对缺口的酶，对DNA的复制、修复和重组具有重要作用。的复制、修复和重组具有重要作用。DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA(DNA topoisomerasetopoisomerase)催化拓扑异构体互相转变的酶，具有多种生物学功能。催化拓扑异构体互相转变的酶，具有多种生物学功能。DNADNA螺旋酶螺旋酶螺旋酶螺旋酶(DNA(DNA helicasehelicase)结合在复制叉上，通过水解结合在复制叉上，通过水解ATP获得能量，把获得能量，把DNA双链解开成单链的酶双链解开成单链的酶单链单链单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白(singlesingle-stranded DNA binding proteinstranded DNA binding protein)(SSB protein)：保证解螺旋解开的单链在复制完成前能保持单链结构。：保证解螺旋解开的单链在复制完成前能保持单链结构。参与参与参与参与DNADNA复制的关键酶复制的关键酶复制的关键酶复制的关键酶2.4.3 2.4.3 从从从从DNADNA到到到到蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质Reverse transcriptionReverse transcription(Crick,1957)(Crick,1957)m中心法则中心法则中心法则中心法则(central dogma)(central dogma)蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程DNA的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序，但的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序，但DNA中遗传信息的表达须依赖中介，即通过转录合成中遗传信息的表达须依赖中介，即通过转录合成mRNA。转录转录转录转录是在是在RNA聚合酶的催化下，以聚合酶的催化下，以DNA为模板，按照碱基互补原则（为模板，按照碱基互补原则（G-C，A-U）沿）沿53方向合成方向合成RNA的过程。的过程。转录过程需多种蛋白（酶）参与转录过程需多种蛋白（酶）参与转录过程需多种蛋白（酶）参与转录过程需多种蛋白（酶）参与RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase)：从：从DNA合成合成RNA转录因子转录因子(Transcription factor)全全全全保留式转录保留式转录保留式转录保留式转录转录的结果是一条单链转录的结果是一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。仍保留原来的双链结构。DNADNA到到到到mRNAmRNA的转录的转录的转录的转录(transcription)(transcription)转录的主要过程转录的主要过程转录的主要过程转录的主要过程RNARNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子聚合酶与启动子聚合酶与启动子(promotorpromotor)结合并解开结合并解开结合并解开结合并解开DNADNA双链双链双链双链启动子：启动子：DNA链上包含转录起点的特定序列链上包含转录起点的特定序列RNA聚合酶必须通过转录因子识别启动子聚合酶必须通过转录因子识别启动子进行转录进行转录进行转录进行转录RNA聚合酶沿模板聚合酶沿模板DNA的的3到到5移动，一边打开双链，一边连接互补的移动，一边打开双链，一边连接互补的RNA。注意，打开的双链中只有。注意，打开的双链中只有3到到5方向的链可作模板！方向的链可作模板！转录终止转录终止转录终止转录终止RNA聚合酶移到转录终止位点，转录结束。转录的结果是一条单链聚合酶移到转录终止位点，转录结束。转录的结果是一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。仍保留原来的双链结构。RNA链完全脱离模板链完全脱离模板DNA，得到，得到mRNA的前体的前体(pre mRNA)。RNARNA的加工的加工的加工的加工Pre mRNA经过加工（切除内含子，拼接外显子，头尾加工经过加工（切除内含子，拼接外显子，头尾加工,），得到），得到mRNA。转录产生的主要功能转录产生的主要功能转录产生的主要功能转录产生的主要功能RNARNA（非编码非编码非编码非编码RNARNA）核糖体核糖体核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)RNA(ribosomal RNA,rRNA)组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所转运转运转运转运RNA(transfer RNA,RNA(transfer RNA,tRNAtRNA)将氨基酸激活，并转运至核糖体，并保证将这些氨基酸按照将氨基酸激活，并转运至核糖体，并保证将这些氨基酸按照mRNA规定的顺序连接成肽链。规定的顺序连接成肽链。核小核小核小核小RNA(small nuclear RNA,RNA(small nuclear RNA,snRNAsnRNA)在真核生物中参与在真核生物中参与pre mRNA分子加工分子加工(内含子剪接内含子剪接)过程。过程。真核生物与原核生物真核生物与原核生物真核生物与原核生物真核生物与原核生物DNADNA到到到到mRNAmRNA转录过程的比较转录过程的比较转录过程的比较转录过程的比较翻译（翻译（翻译（翻译（translationtranslation）是由是由tRNA把相应的氨基酸带到核糖体把相应的氨基酸带到核糖体mRNA复合物上，按复合物上，按mRNA上的遗传信息装配成特定肽链的过程。上的遗传信息装配成特定肽链的过程。mRNAmRNA翻译为蛋白质翻译为蛋白质翻译为蛋白质翻译为蛋白质翻译的主要过程翻译的主要过程翻译的主要过程翻译的主要过程(以以以以E.coliE.coli为例为例为例为例)翻译的起始翻译的起始翻译的起始翻译的起始形成翻译起始复合物