1、第一章 分子生物学基础知识,一、核酸分子的基本组成,核苷酸,核苷,碱基,磷酸,戊糖,核糖,脱氧核糖,嘌呤,嘧啶,(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,2、种类和结构：,嘌呤,腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶,胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),(二) 戊 糖,（构成DNA）,2、脱氧核糖(deoxyribose),（构成RNA）,1、核糖(ribose),
2、2OH 亲水极性集团易水解易受攻击,RNA不稳定性,无2OH，DNA相对稳定,(三) 核 苷,(四) 核苷酸,1、核苷酸 核苷+磷酸 磷酸酯键 戊糖+碱基+磷酸,2、游离核苷酸,ADP,ATP,AMP,(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。,2、核苷酸链的方向性：,PO4,OH,5端,3端,3、一级结构的表示方法结构式/线条式/字母式,磷酸基团,35磷酸二酯键,羟基,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）。,
3、(六) DNA与RNA在组成上的区别,二、DNA的空间结构,(一) DNA的二级结构 双螺旋结构,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,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,2、双螺旋结构的多样性,A,B,Z,(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 supe
4、rcoil) 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,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,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
5、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,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,(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（hnRN
6、A）: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,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pH8.0RNA pI 22.5 提取pH4.5左右，混有很少DNA污染,(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,2、应用
7、 测定浓度OD260 = 1.0 相当于双链DNA 50g/mL单链DNA（或RNA） 40g/mL寡核苷酸 20g/mL 判断核酸样品的纯度DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0 测定是否变性 （增色效应）DNA完全变性 增加 2540RNA变性 增加 1.1左右,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
8、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。,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 2026 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。,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,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,DN
9、A,mRNA,protein,transcription,DNA,RNA,transcription,DNA无组织特异性 基因表达有组织特异性,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RNADNA聚合酶进行聚合反应时，要有3-OH末端,(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。,15N链,14N链
10、,重氮环境15N,轻氮环境14N,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,2、复制的条件：,substrate: dATP, 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,(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
11、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。,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。,(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。,常见的蛋白质氨基酸,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,含羟基或硫aa丝氨酸 半胱氨酸
12、苏氨酸 甲硫氨酸,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,（）酸性aa及其酰胺天冬氨酸 谷氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺,（）碱性aa赖氨酸 精氨酸,、芳香族aa苯丙氨酸 络氨酸 色氨酸,、杂环aa组氨酸 脯氨酸,(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,(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,苏氨酸，异亮氨酸，羟脯氨酸
13、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,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,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
14、p键系统-C=C-C=C-C=C-C=C-,蛋白质最大吸收 在280nm,蛋白质含量测定,Trp 280nm Tyr 275nm Phe 257nm,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,核磁共振波谱,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。,
