分子生物學基礎知識

第一章分子生物學基礎知識第1頁，共59頁。一、核酸分子的基本組成(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸核苷酸核苷堿基磷酸戊糖核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶第2頁，共59頁。(一)堿基1、特性：

②共軛性分子結構，共軛雙鍵，260nm處有最大吸收嘌呤(purine)①弱堿性，低PH值時可接受質子嘧啶(pyrimidine)③堿基間存在疏水堆積力第3頁，共59頁。2、種類和結構：

①嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第4頁，共59頁。②嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第5頁，共59頁。(二)戊糖（構成DNA）2、脫氧核糖(deoxyribose)（構成RNA）1′2′3′4′5′1、核糖(ribose)2－OH親水極性集團易水解易受攻擊RNA不穩(wěn)定性無2－OH，DNA相對穩(wěn)定第6頁，共59頁。(三)核苷戊糖C1嘌呤N9嘧啶N1糖苷鍵/糖甙鍵核糖核苷脫氧核糖核苷1′1＋第7頁，共59頁。(四)核苷酸1、核苷酸＝核苷+磷酸磷酸酯鍵

戊糖+堿基+磷酸第8頁，共59頁。2、游離核苷酸ADPATPAMP第9頁，共59頁。(五)核酸的一級結構1、定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA2、核苷酸鏈的方向性：PO4OH5′端3′端第10頁，共59頁。3、一級結構的表示方法

——結構式/線條式/字母式AGP5PTPGPCPTPOH35

pApCpTpGpCpT-OH3

5

ACTGCT

35′端3′端CGA磷酸基團3’5’磷酸二酯鍵羥基第11頁，共59頁。DNA一級結構的基本特點4種dNTP以3’、5’磷酸二酯鍵相連構成一個沒有分枝的線性大分子。它們的兩個末端分別稱5’末端（游離磷酸基）和3’末端（游離羥基）。第12頁，共59頁。(六)DNA與RNA在組成上的區(qū)別DNARNA堿基AGCTAGCU戊糖脫氧核糖

核糖結構雙鏈大多單鏈，局部雙鏈配對A＝TA＝UGCGC第13頁，共59頁。二、DNA的空間結構(一)DNA的二級結構——雙螺旋結構第14頁，共59頁。1、特征①反向平行的雙螺旋反向平行配對規(guī)律疏水堿基平面處于內側，親水戊糖與磷酸骨架處于外測第15頁，共59頁。第16頁，共59頁。②右手螺旋右手螺旋每周10個堿基，每對堿基36°，堿基平面距離0.34nm存在大溝、小溝(大溝和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的較大溝槽和較小溝槽。

)③穩(wěn)定因素橫向：氫鍵縱向：堿基疏水堆積力第17頁，共59頁。2、雙螺旋結構的多樣性ABZ第18頁，共59頁。(二)DNA的三級結構——超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反

第19頁，共59頁。第20頁，共59頁。多級螺旋模型壓縮倍數76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝第21頁，共59頁。三、DNA的功能(一)DNA的基本功能:以基因的形式荷載遺傳信息，作為基因復制的模板，是生命遺傳的物質基礎。是轉錄的模板，是個體生命活動的信息基礎。(二)基本概念:基因(gene)：攜帶遺傳信息的一段特定的核苷酸序列，可自我復制并指導轉錄?；蚪M(genomic)：一個生物體所包含的全部遺傳信息的總和，即全部DNA序列。遺傳密碼(geneticcode)：DNA堿基序列與蛋白質的氨基酸序列之間存在的對應關系。起始密碼(ATG)AUG終止密碼：UAAUAGUGA第22頁，共59頁。四、RNA的結構(一)RNA的結構特征:組成：核糖堿基——AUCG單鏈，局部形成雙鏈。含稀有堿基較多——DHU(二氫尿嘧啶)，Tф（假尿嘧啶），甲基化，甲羥化，乙?；鹊?3頁，共59頁。(二)RNA的種類:1、參與基因表達的RNA信使RNA（mRNA）：遺傳信息的傳遞，翻譯模板轉運RNA（tRNA）：氨基酸載體核糖體RNA（rRNA）：提供蛋白質合成的場所2、核不均一RNA（hnRNA）:mRNA的前體3、核內小RNA（snRNA）：參與hnRNA的剪接、轉運4、核仁小RNA（snoRNA）：參與rRNA的加工修飾5、胞質小RNA（hnRNA）:運輸新合成的Pr到高爾基體加工6、小片段干擾RNA（siRNA）：誘發(fā)外源mRNA的降解第24頁，共59頁。五、核酸的理化性質及應用(一)一般理化性質1、粘度DNA>RNA2、沉降系數DNA>>RNA3、酸堿性質

DNApI4~4.5，pH4.0~11.0穩(wěn)定，提取pH8.0RNApI2~2.5提取pH4.5左右，混有很少DNA污染第25頁，共59頁。(二)紫外吸收特征1、堿基的行為表現——共軛雙鍵在260nm有最大吸收第26頁，共59頁。2、應用①測定濃度OD260=1.0相當于雙鏈DNA50μg/mL單鏈DNA（或RNA）40μg/mL寡核苷酸20μg/mL②判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0③測定是否變性（增色效應）

DNA完全變性增加25～40％

RNA變性增加1.1％左右第27頁，共59頁。增色效應(hyperchromiceffect)

由于DNA變性引起的光吸收增加稱增色效應,也就是變性后DNA溶液的紫外吸收作用增強的效應。DNA分子中堿基間電子的相互作用是紫外吸收的結構基礎，

但雙螺旋結構有序堆積的堿基又“束縛”了這種作用。變性DNA的雙鏈解開，堿基中電子的相互作用更有利于紫外吸收，故而產生增色效應。第28頁，共59頁。4、復性：變性的DNA在適當的溫度、一定離子強度條件下，給以足夠的時間重新締合形成雙螺旋的過程，稱為復性。5、影響復性的因素：

①T：Tm－20～26℃

②離子強度：降低帶同種電荷單鏈間的排斥

③DNA濃度④DNA復雜程度6、分子雜交：不同來源的具有互補序列的兩條核酸單鏈，在一定條件下可以按堿基互補原則形成雙鏈的過程。第29頁，共59頁。六、遺傳中心法則轉錄翻譯DNARNA蛋白質逆轉錄基因表型控制第30頁，共59頁?；蚪涍^轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程?；虮磉_(geneexpression)translationDNAmRNAproteintranscriptionDNARNAtranscriptionDNA無組織特異性基因表達有組織特異性第31頁，共59頁。核酸生物合成的一般規(guī)律1按照堿基互補配對原則，以DNA為模板，逆轉錄以RNA為模板25’→3’方向，通過磷酸二酯鍵連接3特異的聚合酶催化4聚合酶的底物核苷酸要求是5’核糖或脫氧核糖5RNA聚合酶進行聚合反應時，可從頭合成RNADNA聚合酶進行聚合反應時，要有3’-OH末端第32頁，共59頁。(一)DNA的復制復制(replication)是指遺傳物質的傳代，以親代DNA為模板，以dNTP為原料，按照堿基互補原則合成子鏈DNA的過程。第33頁，共59頁。15N鏈14N鏈重氮環(huán)境15N輕氮環(huán)境14N第34頁，共59頁。3535解鏈方向3′5′3′3′5′領頭鏈(leadingstrand)隨從鏈(laggingstrand)第35頁，共59頁。1、復制的方式：母鏈雙螺旋解鏈，以母鏈的兩條單鏈為模板，半保留復制以四種dNTP為原料堿基互補配對規(guī)律子代DNA雙鏈與母鏈堿基序列一致5’→3’方向，通過磷酸二酯鍵連接第36頁，共59頁。2、復制的條件：substrate:

dATP,dGTP,dCTP,dTTPtemplate:解開成單鏈的DNA母鏈模板primer:提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合enzyme：

a、DNA聚合酶

b、DNA連接酶

c、引物酶

d、解螺旋酶和拓撲異構酶第37頁，共59頁。(三)轉錄轉錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。mRNA把遺傳信息從染色體內貯存的狀態(tài)轉送至胞質，作為蛋白質合成的直接模板。轉錄RNADNA

第38頁，共59頁。七、氨基酸蛋白質是生物功能的主要載體，而氨基酸是蛋白質的構件分子。自然界存在的成千上萬種蛋白質，在結構和功能上的驚人的多樣性主要由氨基酸的內在性質造成的。第39頁，共59頁。(一)氨基酸的分類:生物體中發(fā)現的氨基酸180多種，大多數是不參加蛋白質組成，這些稱為非蛋白質氨基酸。蛋白質組成的常見氨基酸或稱基本氨基酸只有20種，稱為蛋白質氨基酸。存在某些蛋白質的不常見氨基酸都是肽鏈上由常見氨基酸修飾轉化而來。第40頁，共59頁。常見的蛋白質氨基酸蘇氨酸ThreonineThrT半胱氨酸CystineCysC蛋氨酸MethionineMetM天冬酰胺AsparagineAsnN谷氨酰胺GlutarnineGlnQ天冬氨酸AsparticacidAspD谷氨酸GlutamicacidGluE賴氨酸LysineLysK精氨酸ArginineArgR組氨酸HistidineHisH中文名稱英文名稱三字母縮寫單字母符號甘氨酸GlycineGlyG丙氨酸AlanineAlaA纈氨酸ValineValV亮氨酸LeucineLeuL異亮氨酸IsoleucineIleI脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸PhenylalaninePheF酪氨酸TyrosineTyrY色氨酸TryptophanTrpW絲氨酸SerineSerS中文名稱英文名稱三字母縮寫單字母符號第41頁，共59頁。按R基的化學結構分類

1.脂肪族aa

（1）中性aa

甘氨酸丙氨酸纈氨酸亮氨酸異亮氨酸第42頁，共59頁。含羥基或硫aa絲氨酸半胱氨酸蘇氨酸甲硫氨酸第43頁，共59頁。胱氨酸由兩個半胱氨酸通過側鏈上的-SH基氧化成共價的二硫鍵連接而成第44頁，共59頁。（３）酸性aa及其酰胺

天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺第45頁，共59頁。（４）堿性aa賴氨酸精氨酸第46頁，共59頁。２、芳香族aa苯丙氨酸絡氨酸色氨酸第47頁，共59頁。３、雜環(huán)aa

組氨酸脯氨酸第48頁，共59頁。(三)氨基酸的酸堿性質:如果AA在晶體或水中主要以兼性離子（偶極離子)形式存在，不帶電荷的中性分子為數極少，就很好解釋這個問題了。靜電吸引＞范德華力兼性離子形式的AA是強極性分子第49頁，共59頁。(四)AA的光學活性和光譜性質1.AA的光學活性和立體化學

a-氨基酸的a-碳是一個不對稱原子（除了甘氨酸），因此具有旋光性。也分為兩種構型D型和L型第50頁，共59頁。第51頁，共59頁。

蘇氨酸，異亮氨酸，羥脯氨酸和羥賴氨酸除了a-碳原子外，還有第二個不對稱碳原子。因此有四種光學異構體。它們分別稱為L-，D-，L-別-，D-別-氨基酸。

L-蘇氨酸D-蘇氨酸L-別-蘇氨酸D-別-蘇氨酸第52頁，共59頁。

氨基酸的旋光性

氨基酸的旋光符號和大小取決于它的R基性質，并且與測定的溶液pH有關，這是因為在不同的pH條件下氨基和羧基的解離狀況不同。

pH對L-亮氨酸（藍）和L-組氨酸（紅）的[a]D25值的影響

比旋是a-氨基酸的物理常數之一，是鑒別氨基酸的一種根據第53頁，共59頁。2.氨基酸的光譜性質紫外吸收光譜可見光區(qū)：無吸收遠紫外和紅外區(qū)：都吸收近紫外區(qū)（200—400nm）：芳香族氨基酸Tyr/Trp/Phe才有吸收原因：含有苯環(huán)共軛p鍵系統-C=C-C=C-C=C-C=C-第54頁，共59頁。蛋白質最大吸收在280nm

蛋白質含量測定Trp280nmTyr275nmPhe257nm第55頁，共59頁。分光光度法定量原理e:摩爾吸收系數，c:濃度；l:吸收杯的內徑或光程厚度；I0：入射光強度；I：透射光強度第56頁，共59頁。核磁共振波譜第57頁，共59頁。核磁共振應用最初,核磁共振技術主要用于核物理研究方面,用它測量各種原子核的磁矩,誤差僅是0.003%～0.005%;迄今,