基因的分子生物学

核酸的化学21基因的分子生物学R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌OswaldAvery（1877-1955）肺炎球菌转化实验什么是转化?一种遗传型细胞的DNA进入另一不同遗传型细胞中,从而引起稳定遗传变异的过程.一.核酸的概念核酸（nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子。核酸核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）DNA存在于细胞核与线粒体内，携带遗传信息，决定着细胞与个体的遗传型。RNA存在于细胞质、细胞核与线粒体内，参与遗传信息的复制与表达。病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。二.核酸的组成成分核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基(核糖或脱氧核糖)(嘌呤或嘧啶)水解水解水解DNA的基本组成单位:脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide或deoxynucleotide)RNA的基本组成单位:核糖核苷酸（ribonucleotide)(一)核糖和脱氧核糖RNA和DNA两类核酸是因所含的戊糖不同而分类的.RNA含D-核糖DNA含D-2-脱氧核糖镜象对映体中的两种构型，一个为D-型，一个为L－型。OH1’OHH2’OH3’OHH4’H5’β-D-核糖O4’3’2’1’HOCH2HHHHOHHβ-D-2-脱氧核糖HOCH25’α－、β－为糖的两种不同旋光率的存在形式。在构型上，仅头部不同，互为异头物。OH(二)嘌呤碱和嘧啶碱碱基（base)嘌呤(purine)嘧啶（pyrimidine)嘧啶嘌呤碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤（adenine,A）鸟嘌呤（guanine,G）胞嘧啶（cytosine,C）尿嘧啶（uracil,U）胸腺嘧啶（thymine,T）RNA中主要含有A、G、C、U这四种碱基；DNA中主要含有A、G、C、T这四种碱基。腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶(U)RNAHNNNNHNNNNNHH2NONNHNNH2腺嘌呤（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）嘌呤123456789NNNHNNH2OHNNHOOHNNHOOCH3嘧啶123456胞嘧啶（2-氧-4-氨基嘧啶）尿嘧啶（2,4-二氧嘧啶）胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）(三)核苷碱基与核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接而成的化合物称为核苷或脱氧核苷。构成核苷酸的戊糖有两种，因此核苷又可分为核糖核苷及脱氧核糖核苷。腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）1’1’9115’2635478456234’3’2’5’4’3’2’糖苷键(四)核苷酸RNA碱基核苷核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）腺苷鸟苷胞苷尿苷腺苷酸（AMP）鸟苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）尿苷酸（UMP）DNA碱基脱氧核苷脱氧核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷胸苷脱氧腺苷酸（dAMP）脱氧鸟苷酸（dGMP）脱氧胞苷酸（dCMP）脱氧胸苷酸（dTMP）参与构成核酸的主要碱基、核苷及相应的核苷酸命名：•根据磷酸基团数目的不同：核苷一磷酸（NMP）核苷二磷酸（NDP）核苷三磷酸（NTP）AMP（腺苷一磷酸）ADP（腺苷二磷酸）ATP（腺苷三磷酸）例：dAMPdGMPdTMPdCMPAMPGMPUMPCMP碱基戊糖DNAAGCT脱氧核糖RNAAGCU核糖两种核酸分子组成的比较ATP与UTP在能量代谢中均为重要的底物或中间产物。（五）核苷酸的连接方式链中每个核苷酸的3‘-羟基和相邻核苷酸的戊糖上的5‘-磷酸相连。因此，核苷酸间的连接键是3’，5‘-磷酸二酯键.由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧链基团。三.DNA的结构（一）DNA的一级结构•四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以磷酸二酯键相连形成的多聚脱氧核苷酸链称为DNA。•多聚核苷酸链则称RNA。垂线表示戊糖的碳链，斜线代表３’，５’磷酸二酯键。两种核酸分子组成的比较碱基戊糖DNAAGCT脱氧核糖RNAAGCU核糖•核酸分子的骨架由核糖（脱氧核糖）和磷酸组成，不参与遗传信息的贮存和表达。•DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠碱基序列的变化来实现的。核酸分子的大小表示：•碱基数目（base,kilobase)•碱基对数目（basepair,bp或kilobasepair,kbp)（二）DNA的双螺旋二级结构DNA的空间结构•1953年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋（doublehelix)结构模型。1、Chargaff’srule：A%＝T%G%＝C%ErwinChargaff（1905－1995）夏格夫法则Chargaff’srules：所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等（A=T），鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔含量相等（G=C），既嘌呤碱总量=嘧啶碱总量（A+G=T+C）。DNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织和器官的特异性。生长和发育阶段`营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成RosalindFranklinDNA分子X射线衍射照片JamesWatson&FrancisCrick2、DNA双螺旋结构要点（二）DNA双螺旋结构要点(Watson和Crick，1953)1.DNA由两条反相平行的脱氧核苷酸链组成，脱氧核糖-磷酸骨架位于双链的外侧，碱基位于内侧，双链的碱基之间以氢键相结合。碱基互补配对形式：AT；GC2.DNA是右手螺旋结构，螺旋直径为2nm，螺距为3.4nm。碱基平面垂直螺旋轴，相邻碱基平面距离为0.34nm，螺旋一圈包含10对碱基。3.氢键维持DNA双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)3.4nm2nmGCAT碱基互补配对原则•DNA右手双螺旋模型的提出为DNA储存和复制的遗传机制提供了最好的解释—半保留复制机制DNA复制的要点是：1）在复制开始阶段，DNA的双螺旋拆分成两条单链。2）以DNA单链为模板，按照碱基互补配对的原则,在DNA聚合酶催化下，合成与模板DNA完全互补的新链，并形成一个新的DNA分子。3)通过DNA复制形成的新DNA分子,与原来的DNA分子完全相同。经过一个复制周期后，子代DNA分子的两条链中，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称为半保留复制。形成类核（nucleoid)结构2、。绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状双螺旋结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双螺旋分子还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环状DNA分子的生物活性形式为超螺旋结构。图环状DNA结构示意图3、核心组蛋白核小体第一层次折叠，体积减少6倍。第二层次折叠，直径30nm纤丝，每周6个核小体，致密度增加40倍。第三层次折叠，30nm纤丝折叠成柱状结构致密度增加约1000倍。在分裂期的染色体中，约1m长的DNA分子约压缩8000-10000倍，容纳于直径只有数微米的细胞核中。四、RNA的结构与功能•RNA的碱基组成不象DNA那样有严格的规律。•大多数天然RNA分子是一条单链，其许多区域自身回折，有能配对的碱基区域构成双螺旋，不能配对的碱基区域则形成环状突起。•所以,RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。图示天然RNA为含不完全螺旋区的单链分子.tRNA几种重要RNA的生物学功能:蛋白质生物合成的运输工具;rRNA蛋白质生物合成的场所;mRNA蛋白质生物合成的模板.(一)tRNA(转运RNA)•转运RNA（transferRNA,tRNA)约占细胞总RNA的15%,由核内形成并迅速加工后进入细胞质;•tRNA的主要功能是将氨基酸转运到核糖体-mRNA复合物的相应位置用于蛋白质合成.tRNA的三叶草型结构转运RNA约占细胞中RNA总量的10%~15%，是分子量最小的一类核酸，由74~95个核苷酸构成。tRNA的功能是转运氨基酸，按照mRNA上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成。DHU环反密码环TC环额外环(可变的)tRNA的二级结构三叶草形反密码子氨基酸臂(二)信使RNA的结构与功能MessengerRNA•DNA决定蛋白质合成的作用是通过一类特殊的RNA实现的，这种作用类似于信使，因此这类RNA被命名为信使RNA（messengerRNA,mRNA).•在细胞内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA分子大得多，这种初级的RNA分子大小不一，被称为核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)•hnRNA在细胞核内存在时间极度短，经过剪接成为成熟的mRNA,并依靠特殊的机制转移到细胞质中。真核细胞的基因结构hnRNA成熟mRNA•成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。•真核生物的mRNA的结构特点是含有特殊的5’末端的帽和3’末端的多聚A尾结构。•mRNA分子从5‘-末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸，称为三联体密码(tripletcode)或密码子（codon)。遗传密码子的特点无标点、不重叠密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象简并几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子摇摆性密码第三位上的碱基发生变化密码的意思常常不变.如UUA和UUG都是甲硫氨酸的密码.通用性绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号和起始信号UAG、UAA、UGA.AUG•核蛋白体是细胞合成蛋白质的场所：核蛋白体中的rRNA和蛋白质共同为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。Reversetranscription中心法则(CentralDogma)Replication复制转录逆转录翻译氨基酸活化的总反应式是：氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。氨基酸的活化2.在核糖体上合成肽链氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。肽链合成的起始起始密码的识别首先辨认出mRNA链上的起始点（AUG），核糖体小亚基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位点上游4－13个核苷酸）结合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始复合物的形成（图示）肽链的延长进位（氨酰tRNA进入A位点）参与因子：延长因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽链的形成肽酰基从P位点转移到A位点，形成新的肽链移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖体沿mRNA（5’-3’）作相对移动，使原来在A位点的肽酰－tRNA回到P位点核糖体移动方向P位点A位点进位核糖体移位肽链的形成延长过程中肽链的生成肽基转移酶肽链的延伸过程肽链合成的终止与释放识别mRNA的终止密码子，水解所合成肽链与tRNA间的酯键，释放肽链R1识别UAA、UAGR2识别UAA、UGAR3影响肽链的释放速度RR帮助P位点的tRNA残基脱落，而后核糖体脱落关于中心法则朊粒(传染性蛋白质颗粒)羊的瘙痒症疯牛病中枢神经系统疾病人的克鲁病(kuru)和克-雅氏症(v-CJD)PrP基因—正常糖蛋白PrPc—构象变化–PrPsc(有感染性)朊粒是正常寄主的PrP基因编码的正常蛋白质PrPc的异构体PrPsc.多核糖体在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋