分子生物学第2章生物大分子

分子生物学贵州大学林学院2017-2018年（下）2016级本科生林学专业选修课任课教师：王姝第2章生物大分子2.1生物大分子的形成2.2蛋白质2.3核酸2.4染色体（DNA+蛋白质）2.5核糖体（RNA+蛋白质）2.1生物大分子的形成1.生命元素：6种（C,H,O,N,P,S）2.元素—单体—寡聚体—大分子3.分子中电荷的分布：电负性、亲水性、疏水性、两亲性4.分子内外的相互作用：结构单元的连接（强）：离子键、共价键（极性、非极性，偶极）大分子的三维构象（弱）：范德华力（偶极）、静电力、氢键、疏水键（非极性分子）2.1生物大分子的形成分子内强相互作用：离子键：NaCl共价键:O-H,N-H,C-H,C-C分子内、间弱相互作用：范德华力:瞬时偶极距静电力:正负电基团之间氢键:N—H—O疏水键:非极性分子2.2蛋白质氨基酸：20种，L-(α)氨基酸（右手螺旋，Cα）肽链：肽键的形成蛋白质：一级结构、二级结构、三级结构人体必需氨基酸9种，指人体不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必须由食物蛋白供给。“甲携来一本亮色书”赖氨酸（Lysine）、色氨酸（Tryptophan）、苯丙氨酸（Phenylalanine）、甲硫氨酸（Methionine）、苏氨酸（Threonine）、异亮氨酸（Isoleucine）、亮氨酸（Leucine）、缬氨酸（Valine），组氨酸（Hlstidine）。氨基酸的化学式——兼性离子RH2NCHCOOHCCOO-NH3+RH肽键CCOOHNH3RHCCOOHNH3RHH2OCNHO肽链CNH3R1HCNOHCR2HCONCR3HCOHCOOH氨基羧基肽链CNH3R1HCNOHCR2HCONCR3HCOHCOOH氨基羧基脂肪族：中性、羟基、碱性、酸性芳香族、杂环族氨基酸的解离——酸的作用CCOO-NH3+RHCCOO-NH2RHH+氨基酸的解离——碱的作用CCOO-NH3+RHCCOOHNH3+RHH+常见的组成蛋白质的氨基酸氨基酸的分类按R基的化学结构脂肪族：中性：甘、丙、缬、亮、异亮含羟基（或硫）：丝、苏、半胱、甲硫酸性及其酰胺：天冬、谷碱性：赖、精芳香族：苯丙、酪、色杂环族：组、脯氨基酸种类的决定基团——R基中性含羟基酸性碱性氨基酸种类的决定基团——R基芳香环杂环氨基酸的分类按R基的极性分类1.非极性：脂肪族、芳香族等2.不带电荷的极性：羟基、氨基等形成3.带正电：碱性例如：NH2→NH3+4.带负电：酸性例如：COO-→COOH蛋白质的结构蛋白质的结构一级结构↓二级结构↓超二级结构↓结构域↓三级结构↓四级结构蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的结构一级结构：氨基酸的连接和排列二级结构：多肽链的折叠超二级结构：二级结构的组合体结构域：三级结构的单位三级结构：结构域的组合→球蛋白四级结构：球蛋白的聚集体蛋白质的一级结构——肽链蛋白质的二级结构1.α螺旋2.β折叠3.β转角和β凸起4.无规则卷曲（略）蛋白质的二级结构1.α螺旋蛋白质的二级结构1.α螺旋：每个螺旋3.6个残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm每个残基绕轴100度，延轴上升0.15nm蛋白质的二级结构氢键是维持α螺旋的主要作用力蛋白质的二级结构α螺旋的氢键蛋白质的二级结构1.α螺旋α螺旋的手性：几乎都是右手螺旋——逆时针α螺旋的稳定性：取决于肽链侧基大小和所带电荷甘氨酸、异亮氨酸、脯氨酸蛋白质的二级结构1.α螺旋每个螺旋3.6个残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm每个残基绕轴100度，延轴上升0.15nm氢键是维持α-螺旋的主要作用力α螺旋的手性：几乎都是右手螺旋——逆时针α螺旋的稳定性：取决于肽链侧基大小和所带电荷蛋白质的二级结构2.β折叠蛋白质的二级结构β折叠的平行式和反平行式蛋白质的二级结构β折叠的反平行式蛋白质的二级结构3.β转角：允许肽链方向倒转β凸起：非重复性蛋白质的二级结构蛋白质的超二级结构A.αα：两个右手螺旋相互缠绕形成的左手卷曲螺旋（A）B.βαβ：两段β折叠和一段α螺旋组成（B，C）C.ββ：反平行β叠片，发夹（D-F）D.其他蛋白质的超二级结构蛋白质的二级结构和超二级结构蛋白质的结构域结构域：由二级结构或超二级结构形成的可以独立折叠的致密结构单位。结构域等同于较小的球蛋白或亚基，较大的球蛋白或亚基由两个或多个结构域缔结而成。结构域的类型A.反平行α螺旋结构域（全α结构）B.平行或混合性β折叠片（α，β-结构）C.反平行β折叠片（全β结构）D.富含金属或二硫键（不规则小蛋白结构）蛋白质的结构域蛋白质的三级结构A.反平行α螺旋结构域（全α结构）B.平行或混合性β折叠片（α，β-结构）C.反平行β折叠片（全β结构）D.富含金属或二硫键（不规则小蛋白结构）蛋白质的三级结构蛋白质三级结构（球状蛋白质）的特征1.含多种二级结构元件2.具有明显的折叠层次3.是紧密的球状或椭球状实体4.疏水侧链在分子内部，亲水测在分子表面——维持结构的稳定，形成三级结构的主要动力5.分子表面有一个空穴（裂沟、凹槽或口袋）——结合底物、效应物等配体且有生物活性的部位蛋白质的四级结构1.蛋白质的四级结构：独立折叠的球状蛋白质的聚集体每个球蛋白是一个亚基（单体），一般是一条多肽链二聚体蛋白、四聚体蛋白（寡聚体蛋白、多聚体蛋白或多亚基蛋白）同多聚蛋白、杂多聚蛋白（血红蛋白）2.四级缔合的驱动力：与三级结构相同3.亚基相互作用的方式：极性相互作用和疏水作用4.四级结构具有对称性蛋白质四级结构的优越性1.增强结构稳定性2.提高遗传经济性和效率3.使催化基团汇集在一起4.具有协同性和别构效应蛋白质的结构蛋白质的多样性蛋白质的性质蛋白质分子的大小：相对分子质量0.6-100蛋白质分子的形状：圆球形，不对称的（椭圆、纺锤体）蛋白质的酸碱性：与氨基酸相同蛋白质的胶体性质：不易聚集成大颗粒而沉淀、亲水与蛋白质相关的分子生物学技术蛋白质分离、纯化和检测技术质谱与蛋白质组学技术蛋白质与RNA相互作用技术其他分子生物学技术2.3核酸核酸：核糖核酸（RNA）、脱氧核糖核酸（DNA）DNA是主要遗传物质，RNA有参与蛋白质的合成等其他功能核酸的结构核酸的性质核酸的结构核酸的基本结构单位是核苷酸核苷酸的组成：核苷（戊糖、含氮碱基）和磷酸核苷酸核酸磷酸核苷戊糖碱基核酸的结构核酸的结构核酸中的戊糖有两类：核糖与脱氧核糖核酸的结构核糖与脱氧核糖分别形成核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸核酸的结构1.核苷酸的形成戊糖和碱基（嘧啶、嘌呤）缩合↓核苷↓核苷中的戊糖与磷酸缩合↓核苷酸核酸的结构核苷中的戊糖与磷酸反应形成核苷酸OHH核酸和脱氧核酸的四种核苷酸核苷酸的结构磷酸核苷酸戊糖：脱氧核糖、核糖核苷碱基：嘌呤：腺嘌呤(A)/鸟嘌呤(G)嘧啶：胞嘧啶(C)/胸腺嘧啶(T)—DNA胞嘧啶(C)/尿嘧啶(U)—RNADNA和RNA的一级结构DNA的一级结构：四种脱氧核糖核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的直线或环形多聚体RNA的一级结构：线形多聚核糖核苷酸DNA的二级结构1.两条相互平行的脱氧核糖核苷酸长链相互缠绕2.外侧脱氧核糖和磷酸交替连接，嘌呤与嘧啶位于内侧3.两条核苷酸链依靠碱基之间形成的氢键相联系4.碱基在任一条链上的顺序不受限制5.碱基配对的基本原则：A=TG=CA+G=C+TDNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲盘绕形成更复杂的空间结构，包括超螺旋、线性双链中的扭结、多重螺旋等RNA的高级结构1.RNA通常的单链线型分子2.可自身折叠形成局部双螺旋3.进一步折叠成复杂三级结构RNA的种类：mRNA、tRNA、rRNA、snRNA等tRNA的高级结构rRNA的高级结构其他RNA的高级结构tRNA的二级结构tRNA的二级结构是三叶草形，包括：1.氨基酸接收臂2.尿嘧啶环（D臂）3.TψC环4.反密码子环5.额外环tRNA的L形三级结构尿嘧啶环（D臂）与TψC环、额外环形成额外的碱基对，是维持tRNA三级结构的重要因素rRNA的高级结构rRNA是核糖体的骨架，由大小两个亚基组成核酸的性质核酸的水解：酸、碱、酶酸碱性：紫外线吸收，变性、复性及杂交与核酸有关的分子生物学技术核酸基本操作技术核酸的分离、提纯和检测聚合酶链反应（PCR）基因克隆技术核酸分子杂交基因功能研究技术基因表达及分析基因敲除与基因沉默蛋白质与RNA相互作用技术基因芯片技术2.4染色体染色体包括蛋白质与DNA两部分，位于真核细胞核的核仁、原核细胞的类核体。真核细胞染色体是二倍体（生殖细胞单倍体）染色体特点：1.分子结构相对稳定；2.能自我复制；3.指导蛋白质合成；4.能产生可遗传的变异染色体上的蛋白质染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白组蛋白特性：1.进化上的极端保守性（稳定染色体结构）；2.无组织特异性；3.肽链上氨基酸分布的不对称性；4.组蛋白有修饰作用（甲基化、乙酰化等）；5.富含赖氨酸的组蛋白H5非组蛋白：HMG蛋白、DNA结合蛋白、A24非组蛋白等染色体上的DNA真核生物基因组DNA：1.不重复序列：蛋清蛋白、血红蛋白等的基因2.中度重复序列：核糖体、结构基因（组蛋白基因）3.高度重复序列：卫星DNA，异染色质，功能不明染色体的结构DNA和组蛋白（八聚体）↓核小体↓染色质细丝（核小体的念珠状结构）↓螺线管↓超螺旋↓染色体核小体的结构核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和DNA组成，1个H1在外面八聚体在中间，DNA盘绕在外染色质丝是核小体形成的念珠状结构染色质丝进一步盘绕成螺线管染色体的结构染色体的构成真核生物基因组结构特点庞大大量的重复序列大部分为非编码序列（与原核生物、病毒的主要区别）转录产物为单顺反子（只编码一个蛋白质的mRNA）断裂基因，有内含子存在大量的顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子等）大量的DNA多态性（DNA序列变异导致）有端粒结构（线性基因组DNA末端的特殊结构，由一段DNA序列和蛋白质形成；保护线性DNA的完整复制、决定细胞寿命等）原核生物基因组大多只有一条染色体，DNA含量少结构简练（绝大部分编码蛋白质）存在转录单元：功能相关的RNA和蛋白质形成，转录多顺反子（编码多个蛋白的mRNA）有重叠基因（一段DNA序列负责多种蛋白）2.5核糖体指导蛋白质合成的大分子，沿着mRNA移动的工厂由几十种蛋白质和几种核糖体RNA（rRNA）组成的亚细胞颗粒核糖体的结构包含两个亚基原核：50S+30S=70S真核：60S+40S=80S每个亚基包含一个主要的rRNA成分和多种蛋白质多个活性中心，每个活性中心有一组特殊的核糖体蛋白——核糖体是一个许多酶的集合体核糖体的结构核糖体RNA的蛋白结合位点核糖体有3个tRNA结合位点：A位点、P位点和E位点，位于大、小亚基的交界面。A位点：新到来的AA-tRNAP位点：肽酰-tRNAE位点：释放tRNAtRNA移动顺序：A→P→E核糖体RNA的蛋白结合位点核糖体的功能多个活性中心：mRNA结合部位、结合或接受AA-tRNA、肽酰-tRNA的部位、肽基转移部位、形成肽键的部位、延伸因子的结合位点小亚基识别mRNA，大亚基识别tRNA核糖体在蛋白质合成中的作用核糖体在蛋白质合成中的作用Theendofthischapter