生物化学课件(2)上课讲义

1、生物化学课件(2)l 1953 Watson和和Crick建立了建立了DNA结构的结构的 双螺旋模型，说明了基因的结构、双螺旋模型，说明了基因的结构、 信息和功能三者间的关系，推动了信息和功能三者间的关系，推动了 分子生物学的迅猛发展。分子生物学的迅猛发展。l 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。提出遗传信息传递的中心法则。 l 60年代年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，研究取得大发展（操纵子学说， 遗传密码，逆转录酶）。遗传密码，逆转录酶）。 返回返回 70年代年代 建立建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，重组技术，改变了分子生物学的面貌， 并导致生物技术的兴起。并

2、导致生物技术的兴起。 80年代年代 RNA研究出现第二次高潮：研究出现第二次高潮：ribozyme、反义、反义RNA、 “RNA世界世界”假说等等。假说等等。 90年代后年代后 实施人类基因组计划（实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学开辟了生命科学 新纪元。生命科学进入后基因时代：新纪元。生命科学进入后基因时代： 蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics） 结构基因组学（结构基因组学（structural genomics） RNA组学（组学（Rnomics）或核糖核酸组学）或核糖核酸组学 （ribonomics） 返回返回 一、核酸的种类与分布 脱氧核糖核酸（deoxyribo

3、nucleic acid DNA）核酸 mRNA 核糖核酸（RNA） tRNA ribonucleic acid rRNADNA主要存在于细胞核，线粒体、叶绿体也有。RNA主要存在于细胞质中，细胞核内也有。原核生物和真核生物都含有DNA和RNA。病毒只含有DNA或RNA 核 酸（RNA、DNA）核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）A、G、C、U （RNA）A、G、C、T （DNA） （一）戊糖（戊糖（pentosepentose） OHOH2CHOHHOHOHHHOHOH2CHOHHHOHHH-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖OHOH2CHOHHOCH3OHHH-D-2

4、-O-D-2-O-甲基核糖甲基核糖1. 1. 嘧啶碱（嘧啶碱（pyrimidine, Pypyrimidine, Py） 返回返回尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶（2 2）嘌呤碱（）嘌呤碱（purine, Pupurine, Pu） 其它嘌呤（核酸的代谢产物）：其它嘌呤（核酸的代谢产物）：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等 返回返回腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2如果是存在于DNA中的脱氧核苷则2位则是H而不是OH。核苷核苷 核

5、糖核苷（核苷）：A、G、C、U 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT 命名，简写符号命名，简写符号 修饰核苷包括三种情况修饰核苷包括三种情况: : 由修饰碱基和糖组成的核苷由修饰碱基和糖组成的核苷 由非修饰碱基和由非修饰碱基和2-O-2-O-甲基核糖组成的核苷甲基核糖组成的核苷 由碱基与糖连接方式特殊的核苷由碱基与糖连接方式特殊的核苷 返回返回NNNNNHCH3dRN6-M ethyl-dAHNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(D or hU)OCH2HHOHHOCH3HHO2-O-甲基腺苷Ade(Am)NNCH3NH25-Methyl

6、-dCOdROCH2HHOHHOHHHO (p s e u d o u rid in e )HNNHOO51 假 尿 嘧 啶 核 苷() 返回返回+ 戊糖 + 碱基=（四）核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2OAMPADPATP核苷酸的重要衍生物 ATP类的高能磷酸化合物 环状核苷酸 作为核酸的单体作为核酸的单体 细胞中的携能物质（如细胞中的携能物质（如ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、GTPGTP） 酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NADNAD） 细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMPcAMP、cGMPcGMP） (

7、1)DNA是主要遗传物质 (2)RNA的功能多样性III SIII S型细胞型细胞 （有毒）（有毒）II RII R型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAaseDNAase降解降解 后的后的DNADNAII RII R型细胞接受型细胞接受III SIII S型型DNADNA只有只有II RII R型型大多数仍大多数仍为为II RII R型型少数少数II RII R型细胞被转化产型细胞被转化产生生III SIII S型荚膜型荚膜S（光滑）（光滑）SRRR（粗糙）（粗糙）+DNA 一、核酸的种类与分布 DNA；RNA 二、核酸的化学组成 碱基；戊糖；磷酸；核苷；核苷酸 三、核酸的生物学

8、功能 一、DNA的分子结构（一）一级结构（二）二级结构（三）三级结构（四）DNA与蛋白质复合物的结构核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯磷酸二酯键键连接形成多核苷酸链，连接形成多核苷酸链，即核酸即核酸。2、DNA的一级结构的一级结构（一）DNA的一级结构5 3 结构式结构式5 3 p p p pOH3 ACTG1 线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式字母式 返回返回（1）x-光衍射分析光衍射分析 1952年年M.Wilkins （2 2）DNADNA碱基组成的定量分析碱基组成的定量分析 2020世纪世纪4040年代年代chargaffchargaff规则规则 DNA碱基组成有种

9、的特异性，但没有组织、器碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性官特异性。 A=T；G=C；A+G=T+C （double-helical structure） 1953年年Watson和和Crick提出了提出了DNA双螺旋结构。双螺旋结构。 返回返回 特征：特征：两条脱氧核苷酸链以反向平两条脱氧核苷酸链以反向平行的方式围绕同一中心轴向行的方式围绕同一中心轴向右盘绕右盘绕主链处于螺旋的外侧（核糖主链处于螺旋的外侧（核糖+ +磷酸）核糖平面与螺旋轴磷酸）核糖平面与螺旋轴平行；平行； 碱基处于螺旋的内碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直。侧，与中轴垂直。螺距：螺距：10bp3.4nm36010bp3

10、.4nm3600 0 =2nm=2nm大沟与小沟：大沟与小沟： 蛋白质识别蛋白质识别DNADNA的特定遗的特定遗传信息的关键点传信息的关键点 碱基互补配对碱基互补配对稳定DNA双螺旋结构的作用力 （1 1）互补碱基对之间的氢键）互补碱基对之间的氢键 （2 2）碱基堆积力（）碱基堆积力（base-stacking forcesbase-stacking forces） （3 3）磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间）磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键形成的离子键 返回返回 该模型揭示了该模型揭示了DNADNA作为遗传物质的稳定性作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原

11、则，特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是是这是是DNADNA复制、转录和反转录的分子基础，复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。生命科学飞速发展的基石。DNADNA分子内的分子内的三链结构三链结构 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNADNA三链间的三链间的碱基配对碱基配对T-A-TC-G-C 返回返回DNA DNA 双链线状双链线状 双链环状双链

12、环状 单链线状：动物病毒单链线状：动物病毒MVM MVM 单链环状：噬菌体单链环状：噬菌体X174 X174 真核细胞染色体真核细胞染色体DNA DNA 噬菌体噬菌体T T2 2，T T5 5，T T7 7，P P2222 E-ColiE-Coli染色体染色体DNA DNA 线粒体线粒体DNA DNA 叶绿体叶绿体DNA DNA 多瘤病毒多瘤病毒DNADNA，病毒，病毒SVSV4040DNA DNA 噬菌体噬菌体和和X174X174的复制型的复制型 （三）（三）DNA的三级结构的三级结构 定义：定义：双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。如扭拮、超螺旋等。

13、间结构。如扭拮、超螺旋等。螺旋螺旋超螺旋超螺旋 （covalently closed circular DNA, cccDNAcovalently closed circular DNA, cccDNA） 的的超螺旋超螺旋结构（结构（superhelical structuresuperhelical structure） 形成超螺旋的基础形成超螺旋的基础: DNA双螺旋的扭曲形双螺旋的扭曲形成超螺旋成超螺旋（superhelix）L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025L=23,T=25,

14、W=2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNA超螺旋的拓超螺旋的拓扑学公式：扑学公式：L=T+W或或 = + 公式公式1 1：L=T+WL=T+W L L连环数（连环数（linking numberlinking number），）， DNADNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 TDNATDNA分子中的螺旋数（分子中的螺旋数（twisting numbertwisting number） WW超螺旋数或缠绕数（超螺旋数或缠绕数（writhing numberwrithi

15、ng number）公式公式2 2：=（L-LL-L0 0）/L/L0 0 超螺旋度超螺旋度 （degree of supercoilingdegree of supercoiling） L L0 0松驰态松驰态DNADNA连环数连环数L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=25,W=2负超负超螺旋螺旋12148231613 使使DNADNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中；l 推动推动DNADNA结构的转化以满足功能上的需要。结构的转化以满足功能上的需要。 如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分如负超螺旋分子所受张力会引起互

16、补链分 开导致局部变性，利于复制和转录。开导致局部变性，利于复制和转录。 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（合物，以核蛋白（nucleoproteinnucleoprotein）的形式存在。）的形式存在。DNADNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。空间中。、病毒、病毒、细菌类核、细菌类核、真核染色体、真核染色体头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒

17、病毒粒 返回返回RNA-RNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNADNA结合结合碱性蛋白质组成碱性蛋白质组成平均一个突环含平均一个突环含有约有约 40kb DNA40kb DNA 返回返回组组蛋蛋白白与与DNA的的结结合合核小体核小体 返回返回 返回返回 返回返回DNA(2nm)核小体链核小体链(11nm(11nm，每个核小体，每个核小体200bp)200bp)纤丝纤丝(30nm(30nm，每圈，每圈6 6个核小体个核小体) )突环突环(150nm(150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp)75000bp)玫瑰花结玫瑰花结(300nm (300nm ，6 6个突环个突环

18、) )螺旋圈螺旋圈(700nm(700nm，每圈，每圈3030个玫瑰花个玫瑰花) )染色体染色体(1400nm,(1400nm,每个染色体每个染色体含含1010个玫瑰花个玫瑰花200bp)200bp) 返回返回（四）（四）RNARNA的三级结构的三级结构 （三）（三）RNARNA的二级结构的二级结构 （二）（二）RNARNA的一级结构的一级结构 （一）（一）RNARNA的类别的类别 1. 信使信使RNA (messenger RNA，mRNA)： 在蛋白质合成中起模板作用；在蛋白质合成中起模板作用；2. 核糖体核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA)： 与蛋白质结合构成核糖体与蛋

19、白质结合构成核糖体(ribosome), 核糖体是蛋白质合成的场所；核糖体是蛋白质合成的场所；3. 转移转移RNA (transfor RNA，tRNA)： 在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。4 4其它类别的其它类别的RNARNA （1）病毒）病毒RNA（Viral RNA, rRNA） （2）核内）核内RNA（nuclear RNA, nRNA） 不均一核不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA,HnRNA） 小分子核小分子核RNA（small nuclear RNA, sn RNA） 小分子核仁小分子核仁RNA（sma

20、ll nucleolar RNA, sno RNA） 染色体染色体RNA（chromosomal RNA, ch RNA） （3）线粒体）线粒体RNA（mitochondrial RNA, mit RNA） （4）叶绿体）叶绿体RNA（chloroplast RNA, chlRNA或或ctRNA） 1RNARNA分子中各核苷之间的连接分子中各核苷之间的连接 方式（方式（3 3 -5-5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和）和 排列顺序叫做排列顺序叫做RNARNA的一级结构的一级结构 RNA RNA 与与 DNA DNA 的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AG

21、CU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基 返回返回2 2几类几类RNARNA的一级结构特点的一级结构特点 分子量较小（分子量较小（25，000），沉降常数），沉降常数4S。 各种各种tRNA的链长很接近，一般在的链长很接近，一般在7393个核个核苷酸之间。苷酸之间。 tRNA分子中约分子中约20多个位置上的核苷酸是保守多个位置上的核苷酸是保守的（不变和半不变的）的（不变和半不变的） 各种各种tRNA的的3一端为一端为CCA；5一端大多数一端大多数 为为pG，少数为，少数为pC。 tRNA分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。 返回返回原核生物核糖体原核生物核糖体 70

22、S50S30S5S rRNA， 23S rRNA34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质真核生物核糖体真核生物核糖体 80S60S40S5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA49种蛋白质种蛋白质18SrRNA33种蛋白质种蛋白质 返回返回原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序先导区先导区+翻译区（翻译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列真核生物真核生物mRNAmRNA特征：特征：单顺反子单顺反子55端端“帽子帽子”（m m7 7G-5G-5 ppp5

23、ppp5 -N-3-N-3 p p）33端端“尾巴尾巴”（Poly APoly A） 返回返回AAAAAAA-OH5 “帽子帽子” PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p 返回返回5 -cap：m7G(5 )pppNmp 5 -cap cap0: m7G(5 )pppNp cap1: m7G(5 )pppNmpNp cap2: m7G(5 )pppNmpNmpNp 返回返回 返回返回5 -cap的功能的功能 (1) 防止防止mRNA被核酸酶降解。被核酸酶降解。 (2) 为为mRNA翻译活性所必需。翻译活性所必需。 (3) 与蛋白质合成的正确起始有关。与蛋白质合成的正确起始有

24、关。polyA的功能的功能: 3 -polyA : polyA的残基数的残基数20200个，或更多。个，或更多。 (1) 保护保护mRNA，免受核酸外切酶的作用。，免受核酸外切酶的作用。 (2) 与翻译有关，没有与翻译有关，没有polyA翻译活性降低。翻译活性降低。(3) 与与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。从细胞核转移到细胞质有关。RNA前体前体 成熟成熟RNA（有功能的（有功能的RNA） 断裂、修剪、修饰断裂、修剪、修饰 大多数天然RNA是一条单链，通过自身回折形成部分螺旋区，部分非螺旋区。 少数病毒RNA如水稻矮缩病毒、呼肠孤病毒、伤瘤病毒等RNA是双链螺旋，类似于DNA的双螺旋结构。

25、 RNA中双螺旋结构稳定的因素主要是碱基堆积力，其次是氢键。中双螺旋结构稳定的因素主要是碱基堆积力，其次是氢键。 （1）aa接受臂接受臂（amino acid arm） （2）二氢尿嘧啶环）二氢尿嘧啶环 （dihydrouridine loop, DHU loop） （3）反密码环）反密码环（anticodon loop （4）额外环（）额外环（extra loop） （5）TC环（环（TC loop） ） 返回返回DHU环环IGC反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla3 5 反密码子反密码子 1980年牛心线粒体年牛心线粒体tRNAser只有只有63个核苷酸，沉降常

26、数个核苷酸，沉降常数3S，缺少，缺少D环环和和D臂，呈二叶草型。臂，呈二叶草型。 近年来发现近年来发现2种线虫线粒体种线虫线粒体tRNA也不是标准的三叶草结构。也不是标准的三叶草结构。 返回返回特征：特征： 单链，螺旋单链，螺旋化程度较化程度较tRNAtRNA低低 与蛋白质组与蛋白质组成核糖体后方成核糖体后方能发挥其功能能发挥其功能特征特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA5sRNA的二级结构的二级结构 返回返回 返回返回tRNA的三级结构的三级结构 一、一般性质一、一般性质 二、粘度二、

27、粘度 三、两性解离三、两性解离 四、紫外吸收四、紫外吸收 五、沉降特性五、沉降特性 六、核酸的变性、复性和杂交六、核酸的变性、复性和杂交 返回返回分子大小：分子大小：DNA Mr 1061010或更大或更大性状：性状：DNA为白色纤维状固体，而为白色纤维状固体，而RNA为白色粉末。为白色粉末。 溶解度：溶解度：DNA和和RNA均不溶于一般的有机溶剂，均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，微溶于水， 但它们的钠盐在水中溶解度较大。但它们的钠盐在水中溶解度较大。 RNA Mr 104106或更大或更大 二二、粘度粘度 三三、两性解离两性解离 由于核酸中碱基的共轭双键，所以对紫外由于核酸中碱基的共轭双键

28、，所以对紫外有强烈吸收，最大吸收峰在有强烈吸收，最大吸收峰在260nm260nm附近，附近，利用这一特性可进行核酸的定量测定。利用这一特性可进行核酸的定量测定。 返回返回首先根据首先根据A260/A280的比值判断核酸样品的纯度的比值判断核酸样品的纯度纯纯DNA：A260/A280=1.8 纯纯RNA：A260/A280=2.0（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低）比值明显降低）纯的核酸样品可根据纯的核酸样品可根据260nm的光吸收值算出其含量的光吸收值算出其含量若若260nm光吸收值为光吸收值为1相当于相当于50g/ml双螺旋双螺旋DNA

29、或相当于或相当于40g/ml单链单链DNA或或RNA或相当于或相当于20g/ml寡核苷酸寡核苷酸1核酸浮力密度的测定核酸浮力密度的测定 浮力密度：经密度梯度沉降平衡法测出的密度浮力密度：经密度梯度沉降平衡法测出的密度 氯化绝（氯化绝（CsCl）密度梯度沉降平衡）密度梯度沉降平衡 返回返回 返回返回用用12个已知浮力密度的标准个已知浮力密度的标准DNA样品作参考样品作参考 102022010)rr (2 . 4 式中式中 ：未知：未知DNA的密度的密度 0：标准：标准DNA的密度的密度 ：角速度（弧度：角速度（弧度/秒）秒） r： 未知未知DNA与转轴之间的距离与转轴之间的距离 r0：已知：已知

30、DNA与转轴之间的距离与转轴之间的距离 返回返回转头转头转头腔转头腔沉降样品沉降样品驱动马达驱动马达真空真空冷冻冷冻 返回返回 生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。到达极限速度所需要的时间。数学定义式为：数学定义式为： 沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于于1 11010-13-13到到2002001010-13-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用系数的一个单位，用SvedbergSvedberg单位，用即单位，用即S S表示。表示。沉降系数（沉降系数（s s）与相对分子量（）与相对分子量（MrMr）的关系）的关系: :Mr =RTsD(1-)Svedberg方程方程:d /dt 2 s =s = 返回返回2DNA中中G-C含量的测定含量的测定 G-C对的含量与浮力密度之间呈正比关系对的含量与浮力密度之间呈正比关系 Rolfe-Meselson导出了如下公