分子生物学02

第二章生物大分子的基本结构和性质第一节生物大分子的概述第二节DNA的结构和性质第三节RNA第四节蛋白质本章重难点掌握蛋白质、DNA、RNA等大分子结构的特点理解和熟记DNA的基本性质了解DNA的测序方法第一节生物大分子的概述生物大分子的概述大分子的种类主要功能核酸（DNA/RNA）贮存和携带遗传信息蛋白质进行催化化学反应、调节信息的流量亦是许多结构亚基的成分脂蛋白是组成细胞膜的主要成分，它是细胞维持内部环境的重要成分，并负责运输物质进出细胞多糖提供能量和组成植物和许多微生物的细胞壁生物小分子和生物大分子的关系小分子大分子复合大分子单糖多糖糖蛋白氨基酸蛋白质糖脂核苷酸核酸脂蛋白脂类（由小分子到大分子）生物大分子的概述1.蛋白质(Protein)蛋白质是由若干个聚氨基酸(多肽)组成的多聚体，一个氨基酸可以看作是与一个羧基、一个氨基和一个侧链(R)连在一起的单个碳原子(α碳原子)，这些侧链一般是碳链或碳环。氨基酸被连续地连接在一起，形成一条线状多肽链，当肽键数目超过15个时，此多肽链可称为蛋白质一、生物大分子的化学结构生物大分子的概述蛋白质的高级结构蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如α－螺旋和β－折叠。蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。生物大分子的概述2.核酸NucleicAcids核酸是核苷酸的多聚体。每个核甘酸含有以下三种成分：碱基：嘧啶、嘌呤RNA中有四种碱基：A(Adenine)、U(Uracil)、G(Guanine)、C(Cytosine)DNA中的四种碱基：A、G、C、T(Thymine)。环状五碳糖：核糖或脱氧核糖磷酸核糖的5ˊ碳原子上通过磷酸二酯键连结有磷酸基团，核糖连结上碱基叫核苷(nucleoside)，核苷再磷酸化后叫核苷酸(nucleotide)。生物大分子的概述Nucleotide(Nt)basicunitDNA和RNA之间的区别？生物大分子的概述参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸DNA水解液中RNA水解液中腺脱氧核苷酸（dAMP）腺苷酸（AMP）鸟脱氧核苷酸（dGMP）鸟苷酸（GMP）胞脱氧核苷酸（dCMP）胞苷酸（CMP）胸腺脱氧核苷酸（dTMP）尿苷酸（UMP）生物大分子的概述3.多糖Polysaccharides单糖通过糖苷键联成多糖链的高级结构不同高级结构带来不同的生物学性能淀粉形成螺旋状能源贮存纤维素呈长纤维状结构支架生物大分子的概述一条多糖链的两端有不同结构和性质：一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端；另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。生物大分子的概述4.脂类脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子许多脂类由较小的单位组成，它们参与许多大分子的装配油脂：甘油三脂磷脂和鞘脂,固醇生物大分子的概述二、决定蛋白质和核酸三维结构的非共价相互作用大分子的生物学性质主要是由非共价的相互作用来决定的。这些作用的结果使每个分子获得独特的三维结构。1、无规则线团TheRandomcoil2、氢键Hydrogen-Bonding3、疏水相互作用TheHydrophobicInteraction4、离子键IonicBonds5、范德华引力VanderWaalsAttraction生物大分子的概述三、研究生物大分子的基本方法1、速度沉降(VelocitySedimentation)2、区带离心(zonalcentrifugation)3、平衡离心(equilibriumcentrifugation)4、电泳(electrophoresis)5、电镜观察(electronmicroscopy)生物大分子的概述四、生物大分子的分子量测定1、DNA的分子量测定DeterminationofMforDNAMoleculesDNA分子量M5x106U——凝胶电泳法DNA分子量M=5x106～100x106U——电镜法DNA分子量M100x106U)——速度沉降法（S值）2、蛋白质的分子量测定MeasurementoftheMolrvularWeightofProtein对蛋白质的分子量测定最方便的方法是SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)。生物大分子的概述第二节DNA的结构和性质一、DNA的基本结构BasicStructureofDNA二、DNA的基本性质BasicPropertiesofDNADNA的结构和性质一、DNA的基本结构1.双螺旋结构是DNA的基本结构染色体和DNA之间的关系（组成动画图）碱基对双螺旋DNA核小体螺线管染色体DNA是作为主要的遗传物质的优点？DNA的结构和性质（1）DNA双螺旋A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直C、两条链对应碱基呈配对关系A＝TG≡CD、螺旋直径20A，螺距34A，每一螺距中含10bpDNA双螺旋可以看作是DNA的二级结构DNA的三级结构的形成需要蛋白质帮助DNA的结构和性质l碱基顶部基团裸露在DNA大沟内l蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于氨基酸与DNA间的氢键的形成l蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性结合的机率与多样性高于沿小沟的结合l大沟的空间更有利于与蛋白质的结合(2)DNA双螺旋的结构特点DNA的结构和性质RighthandedB-formDNADoublehelixModel•每一单链具有5‘3’极性•两条单链间以氢键连接•两条单链，极性相反，反向平行•以中心为轴，向右盘旋(B-form)•双螺旋中存在大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)DNA的结构和性质（3）DNA双螺旋的分类1、右手螺旋如：B型（常见）、A型2、左手螺旋（少见）如：Z型DNA的结构和性质DNA的分子构型(B,Z,A)比较DNA的结构和性质DNA的结构和性质2.决定DNA结构的因素TheFactorsThatDeterminetheStructureofDNA在同一条链中，DNA的螺旋结构由碱基堆积决定，DNA的双螺旋结构由配对碱基间的氢键决定，以下实验结果可以证明这些结论DNA的结构和性质●DNA分子变性(DNAdenaturation)●D.S.DNAS.S.DNA(加温,极端pH,尿素,酰胺)(1)变性和熔解曲线DenaturationandMeltingCurvesDNA的结构和性质以50μg／mlDNA溶液在A260下测吸收值分别为:双链DNAA260=1．00单链DNAA260=1．37自由碱基A260=1．60DNA的结构和性质DNA的结构和性质1.1851.01.37OD℃Concentration50μg/mlOpeticalDensityD.SDNAA260=1S.SDNAA260=1.37dNTPsA260=1.60=OD增加值的中点温度(一般为85-95℃)Tm(meltingtemperature)=midpointofthetemperaturerangeoverwhichDNAisdenaturedDNA的结构和性质l增色效应的跳跃现象(JumpofHyperchromicity)高分子量的DNA分子在热变性过程中,富含AT区域首先发生变性,然后逐步扩展,表现增色效应的跳跃现象,使变性过程加快.richATrichATDNA的结构和性质(2)DNA中存在氢键的证据EvidenceforHydrogenBondsinDNA从不同生物中分离的DNA其G+C含量很不相同，可以从20％到80％。把这些不同的DNA做变性曲线，发现G+C含量高的，其Tm值也高WHY?Tm=69.3+0.41×GC%DNA的结构和性质(3)DNA中存在疏水相互作用EvidenceforHydrophobicInteractionsinDNADNA的结构和性质(4)碱基堆积Base-Stacking碱基堆积本身也是一种协同作用。在碱基堆积中，处于中间的碱基比处于两边的碱基要稳定，两边的碱基越多，中间的碱基越稳定DNA的结构和性质(5)溶液的离子强度对DNA结构的影响EffectoftheIonicStrengthofaSolutionontheSeructureofDNADNA在双蒸水中室温下可以变性的原因？单链的breathing与甲醛反应的氨基必须是处于自由状态，这说明了碱基之间的氢键是处于断开和重新形成的动态平衡之中DNA的结构和性质制备一条15N14N杂交双链DNA分子，该分子的密度等于14N14N和15N15NDNA分子密度的平均值，把该DNA溶液加热到不同温度，测A260值，得到熔链曲线，每个样品进行CsCl密度梯度离心，发现刚过A260值最大值的样品在CsCl溶液中DNA两条链是分开DNA的结构和性质有许多蛋白质能使DNA解旋，这些蛋白质被称为松旋蛋白(relaxationprotein)、螺旋降稳蛋白(helix-destabilizingprotein)或熔链蛋白(meltingprotein)32蛋白有两个重要特点DNA的结构和性质(6)其它可使DNA可以变性的因素DNA在碱性条件下可以全变性DNA在90℃以上通常全变性，A260值增加37％。DNA的结构和性质3.环状超螺旋DNA负超螺旋(negatvesuperhelix):松旋效应正超螺旋(positivesuperhelix):紧旋效应DNA的结构和性质超螺旋结构DNA绝大多数原核生物的DNA共价闭合环的分子结构真核生物染色体线形分子DNA组蛋白多级螺旋多个类似环型的结构DNA的结构和性质●超螺旋结构DNAleadstoleft-handedsuperhelixB-DNAoverwinding(右旋)positivesupercoiledDNA的结构和性质Leadstoright-handedsuperhelixB-DNAunwinding(左旋)所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelixNegativeSupercoiledDNA的结构和性质超螺旋发生的规律Vinograd.J(1968)VinogradequationL=T+W~(α=β+γ)LLinkingnumber(双链DNA的交叉数)TTwistingnumber(双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数，可为小数)WWrithingnumber(直观上为双螺旋数可为小数)W=负值（negativesuperhelix）W=正值(positivesuperhelix）Non-breakingNon-unwindingNon-overwindingL为定值，整数DNA的结构和性质超螺旋形成示意末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋DNA的结构和性质lB-DNA是力学上稳定的结构（10bp/helix）l虽交叉数减少，但需转换为一种应力，以维持10bp/helix的螺旋数，l应力的重新分配或在B-DNA状态中保留一单链区或螺旋力将维持B-DNA的右旋结构,形成超螺旋420bpL=42T=42W=0无应力松弛状态应力的分配L=36T=36W=0L=36T=42W=-6链松弛后再结成环链未松弛再结成环松开6圈螺旋△L=－6DNA的结构和性质InvitroEBinsertedNeg.→Pos.SuperhelixchangeL(linkingNum.)不变T(TwistingNum.)减少(-26o/helix/0neofEBinserted)L=T+WW=L-T=正值DNA向紧缩方向发展basebase3.4埃EB7.0埃basebasebasebase局部DNA的紧缩DNA的结构和性质360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinsertedNeg.SuperhelixOC,L,DNAPos