第一专题生物大分子的结构与功能

生物大分子的结构与功能第一章核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid目录第一节核酸的种类、分布和化学组成第二节核酸的分子结构第三节核酸的理化性质及其应用第四节核酸的制备、测定及研究技术核酸(nucleicacid)核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型1966年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶;Sanger建立DNA测序方法1981年T.Cech发现了核酶1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)2019年中国获准加入人类基因组计划2019年美、英等国完成人类基因组计划基本框架第一节核酸的种类、分布和化学组成一、核酸的生物学功能二、核酸的种类和分布三、核酸的化学组成一、核酸的生物学功能orand肺炎球菌转化实验蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物学的中心法则二、核酸的种类及分布(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸RNA主要存在于细胞质中，约占90%，少量存在于细胞核。RNA有三种：信使RNA（mRNA），占总RNA5%。核糖体RNA（rRNA），占总RNA80%。转移RNA（tRNA），占总RNA10-15%。真核98%核中（染色体中）核外线粒体（mDNA）叶绿体（ctDNA）原核拟核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒三、核酸的化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONPA、G、C、U（RNA)A、G、C、T(DNA)核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）两类核酸的基本化学组成（一）戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为D-核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖RiboseDeoxyribose(二）碱基1.嘌呤（Purine）123456978NNNHNNH2腺嘌呤AdenineANHNNHNONH2鸟嘌呤guanineG2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilNHNHOOUNNHNH2O胞嘧啶cytosineCNHNHOO胸腺嘧啶thymineTCH3稀有碱基除上述5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，通常称为稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。N,N-二甲基腺嘌呤：m2666A（三）核苷核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2AdenosineGuanosineCytidineUridine核酸中的各种核苷几种稀有核苷假尿嘧啶核苷（）二氢尿嘧啶核苷（DHU）2-O-甲基腺苷(Am)CH3CH3H3CHH5HH′6A）（m2N,N-二甲基腺嘌呤66（四）核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）OHHPPPPPPPP腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）（五）细胞内游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸环化核苷酸辅酶类核苷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)AMPADPATP1.多磷酸核苷酸2.环化核苷酸OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构3.辅酶类核苷酸NADP+NAD+NNCNHNCOOCH3CH3CH3HCOHHCOHHCOHH2CPOOHOOOHOPOCH3OOHOHNNNNNH2VitB2FMNAMPFAD第二节核酸的分子结构一、DNA的分子结构二、RNA的分子结构一、DNA的分子结构（一）DNA一级结构（二）DNA碱基组成的Chargaff规则（三）DNA的二级结构（四）DNA的三级结构（一）DNA一级结构DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核苷酸，dAMP,dGMP,dCMP,dTMP通过3′5′-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多核苷酸链。DNA分子中核苷酸的排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息55333-5磷酸二酯键核酸分子中核苷酸之间的共价键一级结构表示法：结构式，线条式，字母式5´3´结构式5pApTpCpGpCpT-OH3字母式ATP5PCPGPCPTPOH3线条式（二）DNA碱基组成的Chargaff规则Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在１９５０年总结出DNA碱基组成的规律：1.同一生物的不同组织的DNA2.同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、3.几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同［A］=［T］，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同［G］=［C］，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同［A］＋［G］=［C］＋［T］。4.不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同。这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。（三）DNA二级结构——双螺旋结构1.DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C]碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-光衍射图谱分析2.DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）（1）DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。（2）嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆积距离为0.34nm。磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成DNA的骨架。糖环平面与中轴平行。2.DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）（3）双螺旋的直径为2nm，顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸,两个核苷酸之间的夹角为36º，因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。（4）一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配成对，配对的原则是A=T之间形成二个氢键，GC之间形成三个氢键。因此，DNA的一条链为另一条链的互补链。碱基的配对ATCG3.DNA双螺旋结构的稳定因素氢键碱基堆集力带负电荷的磷酸基与带正电荷的阳离子形成离子键4.DNA双螺旋结构的多态性Z-DNAB-DNAA-DNA三种DNA双螺旋构象比较ABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.3nm2.0nm1.8nm螺距2.8nm3.4nm4.5nm碱基夹角33º36º60º每圈碱基数111012碱基对间垂直距离0.255nm0.34nm0.37nm碱基对倾角20º0º7º大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深5.三链DNADNA三链间的碱基配对T-A-TC-G-CDNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子内的三链结构（四）DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲成三级结构。1.DNA的超螺旋结构某些小病毒、细菌的质粒、噬菌体、真核生物线粒体和叶绿体以及某些细菌染色体中的DNA为双链环形，其三级结构为麻花状超螺旋形式。L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两周后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式：L=T+W超螺旋状态的定量描述公式1：L=T+WL——连环数，DNA双螺旋中一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。T——DNA分子中的螺旋数W——超螺旋周数或扭曲数公式2：λ=（L-L0）/L0λ——超螺旋度L0——松驰态DNA连环数如上述超螺旋DNA的L=23L0=25，λ=-0.08L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=25,W=–2负超螺旋12148231613DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。DNA超螺旋结构形成的意义2.DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4各2分子核小体的直径10-11nm，DNA分子在组蛋白核心外面缠绕约1.8圈，有大约160bp。连接核小体的DNA片段约为32-34bp核小体盘绕及染色质示意图二、RNA的分子结构（一）RNA一级结构和类别（二）tRNA的分子结构（三）rRNA的分子结构（四）mRNA的分子结构（一）RNA的类别和一级结构信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。RNA分子中各核苷之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基（二)tRNA的分子结构二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型tRNA的二级结构——三叶草形DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCA3´5´氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环tRNA的三级结构——倒L形*真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNArRNA的种类（根据沉降系数）（三）rRNA的分子结构结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5SRNA的二级结构（四）mRNA的分子结构hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程外显子(exon)*mRNA结构特点：1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。帽子结构帽子结构帽子结构OCH3︳mRNA由核内向胞质的转移mRNA的稳定性翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞其他小分子RNA除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(sm