分子生物學基礎-課件

1、第二章 生物信息學的生物學基礎主講人：孫 嘯制作人：劉志華東南大學 吳健雄實驗室普通生物學細胞 遺傳 進化分子生物學 研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結構、功能和相互關系 研究生物大分子在生命活動中的重要性、規(guī)律性，從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘 關于生物大分子構成的三條基本原則：（1）構成生物體各類有機大分子的單體在不同的生物中都相同；（2）生物體內(nèi)一切有機大分子的構成都遵循共同的規(guī)則；（3）某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。第一節(jié) 細胞 生命活動的基本單位 是生命存在的最基本形式，是一切生命 活動的基礎。（1）一切生物都離不開細胞這一生命的基本形態(tài)結構 （2）細胞是生

2、命活動賴以進行的基礎代謝、生長、分裂、凋亡生命活動建立在細胞活動的基礎上1、大腸桿菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火絲菌6、眼蟲7、分生組織細胞8、柵欄組織薄壁細胞9、驢蹄草葉表皮細胞和保衛(wèi)細胞10、大鼠肝細胞11、腎近曲小管上皮細胞12、成纖維細胞13、人紅細胞14、人精子15、哺乳動物的橫紋肌細胞16、平滑肌細胞17、神經(jīng)細胞體兩類細胞原核細胞：細菌、藍細菌、原綠藻真核細胞：如真菌 細胞的主要構成部分：細胞膜細胞壁細胞核細胞質(zhì)細胞膜細胞壁細胞質(zhì)細胞液細胞骨架細胞器 線粒體 （功能：能量轉換，細胞復制，生存） 葉綠體 （功能：光合作用） 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（功能：細胞復制，生存） 高爾基體 溶酶體

3、細胞骨架 核糖體細胞核真核細胞中的細胞控制中心包含遺傳信息（染色質(zhì)）與細胞質(zhì)中的其它細胞器通訊 動物細胞模式圖植物細胞模式圖細 胞 分 裂 有絲分裂 單細胞生物繁殖 多細胞生物生長 減數(shù)分裂形成單倍體有性繁殖 有絲分裂細胞的有絲分裂減 數(shù) 分 裂第一階段（1）第一階段（2）遺傳物質(zhì)交換細胞的減數(shù)分裂原 核 生 物主要特點：1.遺傳物質(zhì)僅一個環(huán)狀DNA2.無核膜3.無細胞器,無細胞骨架4.以無絲分裂或出芽繁殖代表生物:支原體,細菌,蘭藻,螺旋藻(人類未來的蛋白質(zhì)食物新來源)三大結構體系：真 核 生 物膜系統(tǒng): 質(zhì)膜,內(nèi)膜系統(tǒng),細胞器細胞核系統(tǒng): 遺傳信息表達系統(tǒng)骨架系統(tǒng): 細胞質(zhì), 細胞核等的骨

4、架系統(tǒng)第二節(jié) 蛋白質(zhì)的結構和功能1、蛋白質(zhì)的功能酶的催化作用 物質(zhì)運載和貯存作用營養(yǎng)存貯作用 運動協(xié)調(diào)作用 機械支持作用免疫保護作用信號接受與傳導作用 生長和分化控制作用2、蛋白質(zhì)的分子組成組成蛋白質(zhì)的主要元素有：碳（50%-55%）氫（6%-8%）氧（19%-24%）氮（13%-19%）和硫某些蛋白質(zhì)還含有少量磷、鐵、銅、碘、鋅等氨基酸氨基酸（amino acid）是蛋白質(zhì)的基本結構單位 NH2 H C COOH R 氨基酸通式氨基酸名稱英文縮寫簡 寫氨基酸名稱英文縮寫簡 寫甘氨酸GlyG絲氨酸SerS丙氨酸AlaA蘇氨酸ThrT纈氨酸ValV天冬酰胺AsnN異亮氨酸IleI谷酰胺GlnQ亮

5、氨酸LeuL酪氨酸TyrY苯丙氨酸PheF組氨酸HisH脯氨酸ProP天冬氨酸AspD甲硫氨酸MetM谷氨酸GluE色氨酸TrpW賴氨酸LysK半胱氨酸CysC精氨酸ArgR20種標準氨基酸的英文簡寫對于20種標準的氨基酸，按照側鏈化學性質(zhì)的不同，可以分為以下三組：極性氨基酸（容易與水分子形成氫鍵 ）Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp 帶電氨基酸Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-）疏水性的氨基酸Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met甘氨酸（Gly）的側鏈只有一個氫原子，是最簡單的氨基酸，具有獨特的性質(zhì)，可以單作為第四類，也可以歸于第一類。含有芳

6、香性側鏈Phe、Tyr、Trp、His側鏈為醇或酚的氨基酸有Ser、Thr、Tyr可以形成氫鍵Arg、Lys、Asp、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及Trp 3、蛋白質(zhì)的結構層次（1）蛋白質(zhì)的一級結構 （primary structure）蛋白質(zhì)的一級結構是指多肽鏈中氨基酸的序列 肽鍵的形成 H H O H H O NCC NCC CH2 CH2 SH S 半胱氨酸 SH S CH2 CH2 NCC NCC H H O H H O二硫鍵的形成（2）蛋白質(zhì)的二級結構 （secondary structure） 二級結構主要有以下幾種形式：（i）螺旋（ii）折疊 平行折疊

7、反平行折疊（iii）轉角 連接作用（iv）無規(guī)卷曲-沒有確定規(guī)律性的肽鏈構象，但仍然是緊密有序的穩(wěn)定結構 （v）無序結構蛋白質(zhì)的螺旋結構蛋白質(zhì)的折疊結構平行-折疊反平行-折疊（3）蛋白質(zhì)的超二級結構 （i）環(huán)花樣 （ii）發(fā)夾花樣（環(huán)花樣） （iii）希臘圖案花樣由四條反平行片組成 （iv）花樣-環(huán)- -環(huán)- （4）蛋白質(zhì)的三級結構蛋白質(zhì)的三級結構三級結構（tertiary structure） 在二級結構基礎上的肽鏈再折疊形成的構象。結構域（structure domain）- 結構域也是功能單位- 不同的結構域是與不同的功能相關聯(lián)的 -結構域是由不同的二級結構和超二級結構組合蛋白質(zhì)三級結構

8、分類 型主要是由螺旋所構成 型主要由反平行的折疊所構成，折疊片之間以轉角連接 /型由螺旋包裹的以平行鏈為主的花樣所構成(5) 蛋白質(zhì)的四級結構 （quaternary structure） 組成蛋白質(zhì)的多條肽鏈在天然構象空間上的排列方式，多以弱鍵互相連接。疏水力、氫鍵、鹽鍵 每條肽鏈本身具有一定的三級結構，就是蛋白質(zhì)分子的亞基。蛋白質(zhì)的各級結構氨基酸一級結構二級結構三級結構四級結構血紅蛋白蛋白質(zhì)的空間作用力氫鍵鹽鍵(離子鍵)疏水鍵范德華力 二硫鍵脂鍵鹽鍵(離子鍵）氫鍵二硫鍵疏水鍵氫鍵氫鍵疏水鍵維系和穩(wěn)定蛋白質(zhì)結構的作用力 4、蛋白質(zhì)結構與功能的關系（1）蛋白質(zhì)一級結構與功能的關系序列分析（2）

9、蛋白質(zhì)空間構象與功能的關系結構分析一級結構即氨基酸順序 高級結構 生物學功能 第三節(jié) 遺傳信息載體DNA1、核苷酸（1）堿基（2）核苷（3）核苷酸 堿基+戊糖 核苷 + 磷酸 核苷酸 聚合 核酸 (核苷酸之間通過3.5磷酸二脂鍵連接)核酸的化學結構堿基戊糖磷酸堿 基腺嘌呤A尿嘧啶U胞嘧啶C鳥嘌呤G胸腺嘧啶TDNARNA堿基腺嘌呤(adennine,A)鳥嘌呤(guanine,G)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶尿嘧啶(Uracil,U) 戊糖脫氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸核苷酸的化學組成符 號含 義說 明GGGuanine AAAdenine TTThy

10、mine CCCytosineRG or APurine YT or CPyrimidine MA or CAmino KG or TKeto SG or CStrong interaction (3 H bonds) WA or TWeak interaction (2 H bonds) HA or C or TNot-GBG or T or Cnot-AVG or C or Anot-T(not-U) DG or A or Tnot-C NG or A or T or CAny 擴展的遺傳學字母表或IUPAC編碼2、DNA 的一級結構（1）DNA的堿基組成 （i） A=T , G=C （i

11、i） A+G=C+T （2）DNA的一級結構 由A、T、C、G四種脫氧核苷酸通過3、5-磷酸二酯鍵連接而成的長鏈高分子多聚體為DNA分子的一級結構 堿 基 配 對3、DNA的空間結構DNA分子雙螺旋結構模型4、RNA和核糖體RNA是單鏈分子,RNA主要有三種 :信使RNA（mRNA）- 轉錄遺傳信息 核糖體RNA（rRNA）- 蛋白質(zhì)合成轉移RNA（tRNA）- 運載氨基酸 核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所，核糖體主要由蛋白質(zhì)分子和rRNA組成 rRNA mRNA tRNA 反密碼子氨基酸新生肽鏈核糖體mRNA第四節(jié) 基因組結構1、染色體遺傳物質(zhì)組成：DNA和蛋白質(zhì) 特征：（1）分子結構相對穩(wěn)定；（2

12、）能夠自我復制；（3）能夠指導蛋白質(zhì)合成；（4）能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。 染 色 體短臂著絲粒長臂DNA染色單體真核細胞染色體上的蛋白質(zhì)主要包括組蛋白和非組蛋白。組蛋白是一類較小而帶有正電荷的核蛋白，與DNA有很高的親和力。組蛋白是染色體的結構蛋白，它與DNA組成核小體。非組蛋白的種類較多，包括酶類，如RNA聚合酶、包裝蛋白、加工蛋白、與細胞分裂有關的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復合物蛋白以及與基因表達有關的蛋白等。在DNA方面，真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質(zhì)的非功能DNA序列隔開。染色質(zhì)的基本結構單位多級螺線管模型螺線管核小體2、基因 基因具有

13、幾個重要的特征：基因是一種相對獨立的遺傳信息單位，這些信息單位可以通過各種方式在生物個體之間進行重新組合，并向后代傳遞；基因是一段DNA分子，遺傳信息貯存在DNA序列之中；基因的信息內(nèi)容通過相應的形式表現(xiàn)出來，即指導合成蛋白質(zhì)或RNA，進而產(chǎn)生生理功能，或影響其他基因的表達。 基因組 是一種生物所有遺傳信息的總和，或載有遺傳信息的全體核酸。 基因組控制著生物體結構的建造，控制著生命活動。 要想認識生物的本質(zhì)，就必須首先將生物基因組的全部遺傳信息破譯出來，即分析出全部DNA的堿基序列。 3、原核生物基因組 特點：（1）原核生物的基因組比較小，DNA量低；（2）原核DNA分子的絕大部分是用來編碼蛋

14、白質(zhì)的，只有非常小的一部分不轉錄； （3）原核生物DNA序列中與功能相關的RNA和蛋白質(zhì)基因往往聚集在基因組的一個或幾個特定部位，形成一功能單位或轉錄單元，它們可以被一起轉錄為含多個mRNA的分子，形成多順反子mRNA。 操縱子（operator）學說 i p o Z Y A操縱子模型結構基因調(diào)節(jié)基因操縱位點操縱子4、真核生物基因組（1）真核細胞的基因結構外顯子 內(nèi)含子完整的基因結構（2）單拷貝基因和基因家族（3）重復序列TATA盒 翻譯起始植物C/GAANNATGG動物A/GNNATGG 各內(nèi)含子加poly(A)信號植物 G/AATAA1-3動物 AATAAA 終止密碼子 各個外顯子 AGG

15、A或 CAAT盒 加帽位點 5m7GpppNp 5端 真核基因的一般結構 一個完整的基因，不但包括編碼區(qū)域（coding region），還包括5端和3端長度不等的特異性序列，雖然它們不編碼氨基酸，卻在基因表達的過程中起著重要的作用。 嚴格的“基因”分子生物學定義是：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。啟動子 TATA盒（box）：T82A97T93A85A63增強子 沉默子 RNA polymerase II (pol II)：約10個不同蛋白質(zhì)組成的復合物。Transcription Factor IID (TFIID) 也是一種蛋白復合物。Enhancers 可以在基因的上

16、游或者下游，甚至在內(nèi)含子中。一種可能的作用方式：增強子結合蛋白還與轉錄因子結合。蛋白質(zhì)與DNA 的結合5、遺傳和進化遺傳是生物的一個普遍特征，正因為有了遺傳，物種才能穩(wěn)定下來，才能得以延續(xù)。生物界又普遍存在著變異，每一代都有變異，沒有兩個生物個體是完全相同的?？蛇z傳的變異基因突變基因重組染色體畸變6、人類基因組人類基因組組成： 一半以上是重復序列； 1% - 1.5% 是編碼序列； 其他部分與調(diào)控有關第五節(jié) 中心法則 復制 DNA 轉錄 逆轉錄 復制 RNA 蛋白質(zhì) 翻譯 調(diào)控1、DNA的復制 以原有DNA分子為模板按照堿基配對原則合成出相同分子的過程 2、轉錄 以DNA分子為模板，合成出與其

17、核苷酸順序相對應的RNA的過程 3、翻譯 以mRNA為模板的蛋白質(zhì)合成過程 4、mRNA的反轉錄與cDNA 反轉錄酶可以將mRNA反轉錄為DNA，即互補DNA，或cDNA。 5、對遺傳信息流的再認識DNA的復制為蛋白質(zhì)編碼的基因基因轉錄與翻譯轉 錄翻 譯第一個核苷酸（5端） 第二個核苷酸 第三個核苷酸（3端） UCAGU UUU 苯丙UUC 苯丙UUA 亮UUG 亮 UCU 絲UCC 絲UCA 絲UCG 絲 UAU 酪UAC 酪UAA 終止UAG 終止UGU 半胱UGC 半胱UGA 終止UGG 色UCAGCCUU 亮CUC 亮CUA 亮CUG 亮 CCU 脯CCC 脯CCA 脯CCG 脯 CA

18、U 組CAC 組CAA 谷酰CAG 谷酰CGU 精CGC 精CGA 精CGG 精UCAGA AUU 異亮AUC 異亮AUA 異亮AUG 甲硫 ACU 蘇ACC 蘇ACA 蘇ACG 蘇AAU 天酰AAC 天酰AAA 賴AAG 賴AGU 絲AGC 絲AGA 精AGG 精 UCAGG GUU 纈GUC 纈GUA 纈GUG 纈 GCU 丙GCC 丙GCA 丙GCG 丙 GAU 天冬GAC 天冬GAA 谷GAG 谷 GGU 甘GGC 甘GGA 甘GGG 甘UCAG遺傳密碼表遺傳密碼的基本特征 密碼無標點符號 密碼的簡并性（degeneracy） 線性、不重疊 特殊密碼子 密碼的通用性 第六節(jié) 基因表達調(diào)控1、基因表達調(diào)控的層次染色質(zhì)水平上的調(diào)控 轉錄水平上的表達調(diào)控 轉錄后調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控蛋白質(zhì)合成后加工2、原核基因調(diào)控 轉錄和翻譯在同一時間和空間