生物大分子的结构和功能课件

1、第二章 生物大分子结构和功能 生物大分子的概念 核酸 蛋白质第一节 生物大分子（biopolymer、 biomacromolecule)的概念一、生物大分子概念 是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚 化合物。包括核酸、蛋白质和多糖。 基本结构单位的排列顺序构成生物大分子的一级结构，生物大分 子在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构。 自然界典型的生物大分子的分子量在10103之间。二、生物大分子的化学结构核酸蛋白质多糖三、高级结构与非共价键氢键疏水作用离子键范德华力第二节 核酸负责遗传信息的表达参与合成蛋白质遗传的主要物质基础RNA核蛋白体RNA信 使 RNA转 运 RN

2、A脱氧核糖核酸 DNA核 糖 核 酸 RNArRNA, 合成蛋白质的场所mRNA,蛋白质合成的模板tRNA , 合成蛋白质时的氨基酸携带者现在把近三十年来因从事核酸的研究而获得诺贝尔奖金的科学家列表如下：科学家年份种类成果A. R. Tood(英）1957化学确定核苷酸结构，合成二核苷酸等G.W. Beadle（美）E.L. Tatum（美）19581958生理学、医学生理学、医学化学试剂对基因的控制和影响J. Lederberg（美）1958生理学、医学提出新的遗传论点S. Ochoa（美）1959生理学、医学酶促合成核糖多核苷酸A. Kornberg（美）1959生理学、医学酸促合成DNA

3、J. D. Watson（美） 1962 生理学、医学 DNA的双螺旋结构F. H. C. Crick（英） 1962 生理学、医学M. H. F. Wilkins（英）1962生理学、医学DNA的X射线衍射研究F. Jacob（法）A. M. Lwoff（法）J. L. Monod（法）196519651965生理学、医学生理学、医学生理学、医学基因对酶和病毒合成的控制R. W. Holley（美）1968生理学、医学酵母t RNA Ala一级结构测定H. G. Khorana（美）1968生理学、医学合成遗传密码M. W. Nirenberg（美）1968 生理学、医学 发现遗传密码碱基、

4、核苷、核苷酸的概念和关系Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePurihesAdenineGuanineAGPyrimidinesCytosineThymineUracil一、DNA的结构与功能（一）DNA的一级结构与功能 1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息 DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在DNA分子中。 这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNA分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。 DNA的一级结构就是指核苷酸在

5、DNA分子中的排列顺序。因此测定DNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。核苷酸=磷酸+核苷 DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。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。 DNA序列测定 即核酸DNA分子一级结构的测定，是现代分子生物学一项重要技术。序列分析的目的有二：1）确证性测序 通过测序对突变进行定位和鉴定，应用时测定野生型基因上同源区和突变体的相应序列，直接在一张胶片上比较二者序列差异（已知基因序列）。2）从头测序 目的是提供一段DNA准确的核苷酸序列（未

6、知基因序列）。DNA的甲基化 DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化(mythylation of DNA)。1）原核生物（细菌）有限制一修饰系统对自身DNA产生保护作用。抵御外源DNA（噬菌体）的入侵。2）真核生物中的DNA甲基化在基因表达调控中有重要作用3）核磁共振对DNA甲基化影响（二）DNA的二级结构1.双螺旋的基本特征 1）主链 脱氧核糖和磷酸基相互隔连接构成DNA的主链。 从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。 二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。 两条链形成右手螺旋，有共同的

7、螺旋轴，螺旋的直径是20A。 2）碱基对 由于几何形状的限制，只能由嘧啶和嘌呤配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。 若两个嘧啶配对则几何形状太小，两个嘌呤配对则几何形状又太大，为双螺旋所容纳不下。只有A-T碱基和G-C碱基对的几何形状正适合双螺旋的大小。DNA的双螺旋结构5353磷酸核糖T-A碱基对5353碱基C-G碱基对DNA的双螺旋模型特点 a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。 b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律） c. 螺旋直径2nm，相邻碱基平面

8、垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（base pair, bp）重复一次，间隔为3.4nmG-CA-TDNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNAABZMiMaMaMiMiMa三种DNA双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型 粗短 适中 细长螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm碱基夹角 32.70 34.60 60.00每圈碱基数 11 10.4 12轴心与碱基对关系2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基倾角 190 10 90糖苷键构象 反式 反式 C、T反

9、式，G顺式大沟 很窄很深 很宽较深 平坦小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深（三）DNA的三级结构 DNA的高级结构 是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变：负超螺旋 松弛DNA 正超螺旋螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋环状双链DNA的电子显微镜图像构象由非超螺旋（左）变成紧密超螺旋（右）DNA超螺旋结构形成的意义使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA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开导致局部变性，利于复制和转录。二、RNA的结构与功能 核酸是

10、生物体的主要高分子互化合物，它储存着生物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。除DNA外，在生物体中还存在着另一类核酸RNA。RNA有许多种，它们具有不同的生物学功能。（一）mRNAmRNA占细胞RNA总量的1%5%，分子量范围几百2万个核苷酸，变化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的结构不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA编码区多顺反子（几个功能相关蛋白质）单顺反子*（1种蛋白质）2.5端帽子结构无帽子结构，（有SD序列，RBS位于AUG上游813核苷酸处，与翻译起始有关）。有帽子结构（0.1.2三种类型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关（CBP）

11、.3.3端poly(A)尾无有，20200核苷酸4.5.3端mRNA非偏码区有有 *顺反子（cistron） 一段可供偏码的结构基因,是能够编码合成多肽的DNA的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析决定。由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。 单顺反子（monocistron） 真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。 多顺反子（polycistron）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。 * 帽子结构中的核苷酸大多数为7甲基鸟苷（m7G）.在其后面第2和第3个核苷酸的核糖第2位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见3

12、种类型：帽子0型 m7G（5）PPP（5）NP.帽子1型 m7G（5）PPP（5）NmpNP.帽子2型 m7G（5）PPP（5）NmPNmPNP.1、原核生物mRNA的特征A、半衰期短B、多顺反子的形式存在C、5无帽子结构，3没有或只有较短的poly（A）结构2、真核生物mRNA的特征A、 5端存在帽子结构B、 3具有poly（A）尾巴AAAAAAA-OH5 “帽子”PolyA 3 顺反子m7G-5ppp-N-3 p鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰（二）tRNA tRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有7393个核苷酸，t

13、RNA均有三叶草型的二级结构和L状的三级结构。一端是CCA结合氨基酸部位，另一端为反密码子环。tRNA通晓mRNA的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（AARS），是蛋白质翻译的译员。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型酵母tRNAAla的二级结构DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TC环CCAAla35反密码臂左臂右臂tRNA的三级结构氨基酸受体臂D臂反密码子臂臂（三）rRNA rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。核糖体的组成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亚

14、基rRNA蛋白质16S(有mRNA识别结合位点)18S(有mRNA识别结合位点)21种33种大亚基rRNA23S、5S（识别、结合tRNA）28S、5S、5.8S(识别、结合tRNA)蛋白质34种49种 一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其mRNA要靠宿主细胞的核糖体来翻译。 核糖体蛋白如何识别rRNA上的结合位点，如何和rRNA结合，不同核糖体蛋白彼此如何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所处的相对位置，联结的细节不明。四、核酸的变复性和杂交 变性（denaturation）：氢键断裂，互补链分开。 Tm值：DNA热变性达到一半时的温度，和G-C含量成正比。 退火（annealing）：合适条件下重新形成双螺旋。 杂交（hybri