研究生班分子生物学综合.ppt

1、研究生班： 分子生物学综合课件,广西医科大学生物化学与分子生物学教研室 黄勇奇),考试内容：,1、蛋白质化学 2、酶学 3、细胞信号转导 4、糖蛋白和蛋白聚糖 5、核酸化学 6、DNA生物合成与损伤修复 7、RNA的生物合成和加工 8、蛋白质生物合成 9、基因表达调控 10、癌基因与抑癌基因 11、基因工程的基本原理,蛋白质化学,第 一 章,一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位,R,氨基酸的结构通式,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L- 氨基酸（甘氨酸除外）。,1、非极性脂肪族氨基酸（疏水性） 2、极性中性氨基酸（亲水性） 3

2、、芳香族氨基酸 4、酸性氨基酸 5、碱性氨基酸,（一）氨基酸的分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,(1) Nonpolar aliphatic amino acids:,Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine Proline,甘氨酸,丙氨酸,缬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,脯氨酸,（非极性脂肪族）,(1) Nonpolar aliphatic amino acids:,Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine Proline,(2) Polar neutral amino acids:,Seri

3、ne Threonine Cysteine Methionine Asparagine Glutamine,（极性中性）,丝氨酸,苏氨酸,半胱氨酸,蛋氨酸（甲硫氨酸）,天冬酰胺,谷胺酰胺,(3) Nonpolar aromatic amino acids:,Phenylalanine Tyrosine Tryptophan,非极性芳香族氨酸酸,苯丙氨酸,酪氨酸,色氨酸,(3) Nonpolar aromatic amino acids:,Phenylalanine Tyrosine Tryptophan,(4) acidic amino acids（酸性氨基酸） Aspartic acid （

4、天冬氨酸） Glutamic aicd （谷氨酸）,(3) Nonpolar aromatic amino acids:,Phenylalanine Tyrosine Tryptophan,(4) acidic amino acids: Aspartic acid Glutamic aicd,(5) basic amino acid （碱性氨基酸）,Lysine Arginine Histidine,赖氨酸,精氨酸,组氨酸,特殊氨基酸：,脯氨酸 （亚氨基酸）,（二）氨基酸的主要理化性质 1、氨基酸两性解离和等电点： 1）两性解离：,AA,NH2,COOH,AA,NH3,COOH,AA,NH2,

5、COO,-,+,AA,（二）氨基酸的主要理化性质 1、氨基酸两性解离和等电点： 1）两性解离：,AA,NH2,COOH,AA,NH3,COOH,AA,NH2,COO,-,+,H,+,OH,-,pH低时,pH高时,2）等电点：指使氨基酸解离成正、负离子数相等， 净电荷为零时溶液的pH值。用pI表示,AA,NH2,COOH,AA,NH3,COOH,+,AA,NH2,COO,-,AA,COO,NH3,+,-,H,+,OH,-,如此则有：,AA,NH2,COOH,AA,NH3,COOH,+,AA,NH2,COO,-,AA,COO,NH3,+,-,pH,pI,pH,pI,pH=,pI,问题：下列哪个氨基

6、酸在中性溶液中电泳时 向负极移动？ A、精氨酸 B、异亮氨酸 C、谷氨酸 D、天冬氨酸 E、丝氨酸,2. 紫外吸收,是指含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸溶液对紫外光具有吸收特性，其最大吸收峰在 280 nm 附近。,3. 茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此也可作为氨基酸定量分析方法。,蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质的分子结构包括：1952年,一级结构(primary structure) 二级结构(secondar

7、y structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),定义： 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸从N端到C端的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,一级结构的维系键： 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,二、蛋白质的二级结构,维系键： 氢键,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) ：最常见 -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),（五）模体,在许多蛋白质分子中，两个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象并具有特

8、殊功能，称为模体(motif)。本质上属超级二级结构。 模体总有其特征性的氨基酸序列,并发挥特殊的功能。,三、蛋白质的三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,（一） 定义,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个具有较为独立三维结构的球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域(domain) 。 但有些蛋白质各结构域之间接触较多并紧密，从结构上很难划分，因此并非所有蛋白质的结构域都明显可分。,四、蛋白质的四级结构,蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。,有些蛋白质分子

9、含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，这样的一条多肽链就称为蛋白质的亚基 (subunit)。,维系键： 氢键，离子键，疏水键。不能是二硫键。,理解四级结构要注意的几个问题： （1）并非所有的蛋白质都有四级结构。 条件：由两条(以上)的多肽链构成。 且每条多肽链具有独立的三级结构。 多肽链之间不能以共价键相连。 （2）亚基单独存在时不具有生理功能。 （3）蛋白质分子之间的结合或蛋白质与脂类、核酸 等的结合，不属四级结构范畴。,第四节,蛋白质的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Protein,（一）蛋白质的两性电离,蛋白质分

10、子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,* 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,（二）蛋白质的胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,* 蛋白质胶体稳定的因素（蛋白质溶于水的原因） 颗粒表面电荷 水化膜,（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的

11、空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。称为蛋白质变性。,蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素： 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,变性的本质：破坏非共价键和二硫键， 不改变蛋白质的一级结构。,变性的后果：溶解度降低，粘度增加，结晶能力 消失，生物活性丧失，易被蛋白酶水解。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为变性蛋白质的复性(renaturation) 。 但许多蛋白质变性后，因空间结构破坏严重而难以复性，称为不可逆变性。,（四）蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中

12、含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,（五）蛋白质的呈色反应,茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,+,第五节,蛋白质的分离纯化,The Separation and Purification of Protein,1、根据分子大小的纯化方法： （1）透析和超滤 （2）离

13、心 （3）凝胶过滤 2、利用溶解度差别的纯化方法 （1）等电点沉淀 （2）盐析 3、根据电荷不同的纯化方法 （1）电泳 （2）离子交换层析,Enzyme,第 二 章 酶学,一、 酶的分子组成,结合酶 (conjugated enzyme),单纯酶 (simple enzyme),一、 酶的分子组成,蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme),辅助因子 (cofactor),金属离子,小分子有机化合物,全酶 (holoenzyme),结合酶 (conjugated enzyme),单纯酶 (simple enzyme),只有全酶才具有催化作用。,*各部分在催化反应中的作用,1、酶蛋白决定反应的特

14、异性（即决定催化什么底物） 2、辅助因子决定反应的种类与性质（即决定使底物发生什么样的反应）,二、酶的活性中心,酶分子中执行其催化功能的部位。 即与底物结合并把底物转化成产物的部位。 结构上是由一些一级结构可能相距甚远，但在空间结构上彼此靠近的必需基团组成的区域。,三、酶的转换数和米氏常数,酶的转换数是指在一定条件下，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数。,米氏常数（Km）在数值上等于酶促反应的速度达到最大速度一半时的底物浓度。,四、酶的活力,酶活力是指其催化某一化学反应的能力。通常利用在一定条件下所催化的化学反应的反应速率表示酶活力的大小。 酶的比活力表示酶的纯度。比活力用单位数量酶样品中所含酶

15、活力单位数表示（U/mg）,五、核 酶,具有催化功能的RNA分子 (ribozyme)： 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。,二、酶促反应的机理,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶-底物复合物（过渡态）,E + S,E + P,ES,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合 。 通过诱导契合，能降低反应的活化能，从而加速反应速度。,活化能： 使底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 或者说使反应体系当中的非活化分子转变成活化分子所需的能量。,结合能：

16、是酶-底物相互作用所产生的能量，是降低酶促反应活化能和稳定过渡态的主要能量来源。,2. 邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange ),3、多元催化（酸碱催化，共价催化，亲核催化）,同一种酶常常同时具有酸、碱催化作用。,2、表面效应,酶的活性中心多为疏水性“口袋”状。 可防止底物与酶之间形成水化膜， 有利于酶与底物之间的密切接触。,酶可与底物形成瞬间共价键而将之激活。 酶的亲核基团可提供电子给带有正电荷的过渡态中间物。,第 四 节 酶 的 调 节The Regulation of Enzyme,酶活性的调节（快速调节）,酶含量的调节（缓慢调

17、节）,调节方式：,调节对象: 关键酶,关键酶是指整条代谢途径中活性最低的，催 化反应速度最慢的那一个酶。又叫限速酶。,（一）变构酶的变构调节,变构效应剂 (allosteric effector),变构激活剂：正协同效应,变构抑制剂：负协同效应,变构调节 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,（三） 酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification)：化学修饰 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的

18、一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,（三） 酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,常见类型： 磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,-OH,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,酶蛋白,（三）酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen)： 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无

19、活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活： 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理：蛋白酶解激活,酶 原,分子构象发生改变,形成或暴露出酶的活性中心,一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽,在特定条件下,酶原激活的生理意义：,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用（对机体的保护作用）。,通过蛋白酶解激活方式调节活性的酶主要有蛋白消化酶、凝血酶，蛋白激素等。,细胞信号转导,第 三 章,Cell Communication and

20、Signal Transduction,跨膜信号转导的一般步骤：,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,第 一 节,Signal Molecules,信 息 物 质,1、细胞间信息物质（第一信使） 2、细胞内信息物质（第二信使）,一、细胞间信息物质,定义： 是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称作第一信使。,化学本质： * 蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等） * 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等） * 类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等） *

21、脂酸衍生物（如前列腺素） * 气体（如一氧化氮、一氧化碳）等,二、细胞内信息物质,定 义：,第一信号物质经转导刺激细胞内产生的传递细胞调控信号的化学物质。常称为第二信使。,化学性质,第 二 节受 体,Receptor,能与受体呈特异性结合的生物活性分子称为 配体(ligand)。,受体：,是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分，它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,根据细胞定位,一、受体的分类、一般结构与功能,膜受体(membrane receptor),胞内受体(intracellular receptor),镶

22、嵌糖蛋白,DNA结合蛋白,2. G 蛋白偶联受体 研究最广最透彻。 又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentine receptor)，种类繁多。,可对多种激素和神经递质作出应答。,(1) 受体结构的特点,* 受体的N端可有不同的糖基化。,* 受体内有一些高度保守的半胱氨酸残基，对维持受体的结构起到关键作用。,* 胞内的第二和第三个环能与G-蛋白相偶联 。,G蛋白偶联受体的结构 矩型代表-螺旋， N端被糖基化，C端的半胱氨酸被棕榈酰化。,20-25AA,G蛋白,* C-末端的高度保守的Cys残基在肾上腺素能受体、肾上腺素能受体和视紫质受体中可被棕榈酰化，可稳定受体胞内部分的三级结构。,*

23、 受体的C-末端和胞内第三环含有多个Thr和Ser残基可被磷酸化，与抑制蛋白-视紫红质抑制蛋白（arrestin）结合 ，使受体不能再活化G蛋白而失活。,此类受体的信息传递可归纳为：以肾上腺素为代表。,腺苷酸环化酶,第二信使cAMP,蛋白激酶A(PKA),酶或其他功能蛋白,生物学效应, G蛋白(guanylate binding protein),是一类能和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、 三个亚基组成。 分激动型（Rs)与抑制型(Ri)两种。 每种又有两种构象：活化型；非活化型,活化型： 亚基与GTP结合并导致 亚基脱落。 非活化型： 以 三聚体形式存在并与GDP结合。

24、,激动型G蛋白和抑制型G蛋白的活性型和非活性型的互变,不同的G蛋白能特异地将配体-受体和与之相适应的效应酶偶联起来。,（二）Ca2+信号转导途径,一般过程：,胞外信息分子受体激活G蛋白,蛋白激酶C( PKC)被激活。,G蛋白激活磷脂酶C( PLC) ,磷脂酶C水解PIP2产生两种第二信使 ( DAG和IP3,DAG，IP3的 功 能,DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKC,IP3 ：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内 Ca2+释放, 调节基因表达 PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。,* PKC的生理功能, 调节代谢 活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝 、苏氨酸残基磷酸化

25、。 靶蛋白包括： 质膜受体、膜蛋白和多种酶。,（四）酶偶联受体介导的信号转导途径,1、受本酪氨酸激酶 RTK,分 类,受体型TPK（位于细胞质膜上） 如胰岛素受体、生长因子受体及原癌基因（erb-B、 kit、fins等）编码的受体,非受体型TPK（位于胞浆） 如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,1. 受体酪氨酸激酶RTK-Ras-MAPK途径,GRB2 (growth factor receptor bound protein 2）,SH2 域 (src homology 2 domain) 细胞内某些连接物蛋白共有的氨基酸序列，与原癌基因src编码的酪

26、氨酸蛋白激酶区同源，该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。,组成：催化性受体，GRB2, SOS, Ras蛋白, Raf蛋白，MAPK系统,SOS (son of sevenless) 富含脯氨酸，可与SH3结合，促使Ras的GDP换成GTP。,Ras蛋白：类似与G蛋白的G亚基，单一肽链。,Raf蛋白：具有丝苏氨酸蛋白激酶活性,MAPK系统 (mitogen-activated protein kinase),包括MAPK、MAPK激酶（MAPKK）、MAPKK激酶（MAPKKK），是一组酶兼底物的蛋白分子。,一般过程为：,EGF（生长信号） EGFR（受体酪氨酸激酶RTK） GRB2（接

27、头蛋白） Sos蛋白（GEF） Ras蛋白 Ser/Thr激酶级联反应 细胞增生。,糖蛋白和蛋白聚糖Glycoprotein and Proteoglycan,第 四 章,一、糖蛋白概述,连接方式,（一）N-连接糖蛋白,1. 定义： 糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡酰胺氮以共价键连接称N-连接糖蛋白。,2. 糖基化位点： N-连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。,（二）O-连接糖蛋白,1. 定义： 糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连，称为O-连接糖蛋白。,2. O-连接寡糖结构： O-连接寡糖有N-乙酰半乳糖与半乳糖构成核

28、心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等单糖。,二、糖蛋白寡糖链的功能,1. 参与糖蛋白新生肽链的折叠 2. 影响寡聚蛋白质亚基的构象 3、参与糖蛋白的转运。 4、参与糖蛋白的分泌 5、增强糖蛋白的稳定性 6、参与分子的识别作用,定义： 一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的化合物。每条糖链长度平均含80个单糖。,特点： 糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。,分布： 分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。,二、蛋白聚糖概述,蛋白聚糖的结构：,二、核心蛋白,定义 与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。,核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖取代结构域，一些

29、蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。,三、蛋白聚糖的生物合成,在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时在高尔基体内进行糖链延长或加工。,多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，糖醛酸由UDPGA提供；单糖要由UDP活化；硫酸由PAPS提供；糖胺氨基来自于Gln。,四、蛋白聚糖的功能,1. 构成细胞间基质 在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。,2. 其它功能 抗凝血（肝素） 参与细胞识别与分化（细胞表面的硫酸素） 维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等,第 五 章核酸化学,核 酸(nucleic acid) ：,是以

30、核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的分类及分布 ：,90%以上分布于细胞核，其余 分布于核外如线粒体，叶绿体， 质粒等。,分布于胞液、胞核。,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P（910%）,嘌呤(purine),碱 基：,腺嘌呤（ A）,鸟嘌呤 ( G ),嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),两类核酸分子组成比较： DNA A、G、

31、C、T 脱氧核糖（dR） 磷酸 RNA A、G、C、U 核糖（R） 磷酸,碱基 核糖 磷酸,即不管是DNA或是RNA，其本质都是单核苷酸通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸链。,3 , 5 磷酸二酯键： 概念：一个核苷酸戊糖C3的游离羟基与另一个 核苷酸戊糖C5上的磷酸脱水缩合生成的化学键。,O,N,N,NH2,O,OCH2,P,O,OH,HO,H,O,N,N,NH2,O,OCH2,P,O,OH,OH,H,O,3，5 - 磷酸二酯键,3,5,C,G,A,一、 DNA的二级结构 双螺旋结构（1953年）,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA分子由两条相

32、互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。,3,5 ,3 ,5 ,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,3,5 ,3 ,5 ,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA双螺旋结构要点总结：,1、右双螺旋，反

33、向平行,2、碱基在内，主链在外,3、碱基互补，AT，GC,4、螺旋一圈，十对碱基,5、结构稳定，副键维系,6、大沟小沟，调节关键,（三）DNA双螺旋结构的多样性,DNA的结构会随着溶液的离子强度或相对湿度的改变而改变，从而产生多样性。,三种DNA构型的比较：,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。变紧密。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。变疏松。,（一）原核生物DNA的环

34、状超螺旋结构,更致密,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,存在形式：,细胞周期：染色质 细胞分裂期：染色体,基本单位是核 小体（串珠样）,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,核小体的组成：,DNA：约150bp 组蛋白：,H1：和60bp的DNA组成连接区,组成核心蛋白,H2A H2B H3 H4,核小体串珠示意图：,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA和DNA的差别： 1、RNA的碱基组成主要是A、G、C、U；而DNA的 碱基组成则是A、G、C、T。 2、RNA分子中的戊糖是核糖，而DNA的是脱氧核糖。 3、RNA是单链分子，其分

35、子内部只有碱基互补的地方 可以形成局部双链。而DNA一般以双链形式存在。 4、RNA分子比DNA小得多，但种类多。按其在基因 表达中的作用不同，可主要分为三大类。,RNA的种类、分布、功能,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,胞浆小,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网

36、定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,核蛋白体,RNA,信使,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,胞浆小,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,一 、信使RNA的结构与功能,mRNA是蛋白质合成的直接模板。,细胞内刚合成的mRNA初级产物叫不均一核R

37、NA（hnRNA)，其在细胞核内经过剪接成为成熟的mRNA。,* 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C2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。,5 帽子结构,3 多聚A尾,5 非编译区,3 非编译区,编译区,1、可介导mRNA由核内向胞质的转运 2、维系mRNA的稳定性 3、调控翻译的起始过程,帽子结构和多聚A尾的功能：,mRNA的特征归纳： 1、含量最少，寿命最短，但种类最多。 2、需由hnRNA剪接才变成熟。 3、有帽子和尾巴结构。

38、4、是蛋白质合成的直接模板。,* tRNA的一级结构特点 分子量最小的RNA。 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,I,DHU,mG,几种常见的稀有碱基,次黄嘌呤,二氢尿嘧啶,7-甲基鸟嘌呤,假尿嘧啶 （核苷）,* tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,* tRNA的三级结构 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,氨基酸臂,反密码子,* tRNA的功能特点： tRNA 利用其反密码环中的反密码子通过碱基互补的方式识别mRNA上的密码子，进

39、而在 3末端 的 CCA-OH上连接上相应的氨基酸并转运到核蛋白体进行蛋白质合成。,二、转运RNA的结构与功能,* rRNA的结构：,三、核蛋白体RNA的结构与功能,* rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,* rRNA含量最多。,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,核蛋白体的组成：,核 酸 的 理 化 性 质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,

40、一、紫外吸收,结构中共轭双键的存在，使得核酸对260nm的紫外光有较强的吸收。可依此特性对核酸进行定量分析。,1. DNA或RNA的定量 A260=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: A260/A280 = 1.8 RNA纯品: A260/A280 = 2.0,A260的应用：,二、DNA的变性(denaturation),定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,变性后其它理化性质变化：,A260

41、增高，粘度下降,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,Tm： DNA变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。 Tm时，50%的DNA双链被打开。 其大小与G+C含量成正比。,三、DNA的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义 在去除变性条件后，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应： DNA复性时，其溶液A260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。,在DNA

42、变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),DNA的生物合成 (复制) DNA Biosynthesis，Replication,第 六 章,复制(replication) 是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,复制

43、,亲代DNA,子代DNA,复制的基本规律 Basic Rules of DNA Replication,第一节,1、复制的方式 半保留复制(semi-conservative replication) 2、复制的高保真性(high fidelity) 3、双向复制(bidirectional replication) 4、半不连续复制(semi-discontinuous replication),一、半保留复制的实验依据和意义,DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一

44、股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。,半保留复制的概念,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,C C A C T G G,G G T G A C C,A G G T A C T G,T C C A T G A C,T C C A T G A C,A G G T A C T G,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,A G G T A C T G C C A C T G G,

45、T C C A T G A C G G T G A C C,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,三、复制的半不连续性,3,5,3,5,解链方向,3,3,5,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。 另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。1968年首次电镜观察到。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。,参与DNA复制的物质,底物(sub

46、strate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP 聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，简写 为 DNA-pol 模板(template) : 解开成单链的DNA母链 引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合 其他的酶和蛋白质因子,二、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称：DNA-pol,活性：1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性,（一）原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol DNA-pol DNA-pol ,原核生物DNA聚合酶,亚基数目 5-3外切酶

47、活性 合成速度 每个细胞中分子数 突变是否致死 功能,1 有 1100/M 400 是 切除引物,7 无 2400/M 100 否 损伤修复,10 无 15000/M 1020 是 复制,I II III,（二）真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol ,起始引发，有引物酶活性，合成引物。,复制的主要酶，也有解螺旋酶活性。,参与低保真度的复制 。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription and Other DNA Repl

48、ication Ways,第四节,逆转录酶(reverse transcriptase),逆转录(reverse transcription),RNA,DNA,逆转录酶,一、逆转录病毒和逆转录酶,逆转录酶的三种酶活性：,RNA 模板,RNA指导的DNA聚合酶活性,DNA-RNA 杂化双链,RNA酶,单链DNA,DNA指导的DNA聚合酶活性,双链DNA,2、逆转录过程简图：,逆转录酶,病毒RNA, ,RNA-cDNA 杂交体,cDNA,利用从宿主细胞获得的某种tRNA分子的3-OH作为 逆转录的引物。,2、逆转录过程简图：,逆转录酶,病毒RNA, ,RNA-cDNA 杂交体, ,cDNA,双股c

49、DNA,复制,2、逆转录过程简图：,逆转录酶,病毒RNA, ,RNA-cDNA 杂交体, ,cDNA,双股cDNA,复制,整合入宿主基因, , ,宿 主 基 因,2、逆转录过程简图：,逆转录酶,病毒RNA, ,RNA-cDNA 杂交体, ,cDNA,双股cDNA,复制,整合入宿主基因, , ,宿 主 基 因,cDNA如果被激活就可引起细胞癌变,第 七 章 RNA的生物合成(转录),(RNA Biosynthesis, Transcription),遗传信息传递的中心法则：,1958 F.Crick,1970 H. Temin,在RNA聚合酶（DDRP）即转录酶 的催化下，以DNA的一条链为模板

50、，以四种NTP为原料，按碱基配对规律合成一条与模板DNA链互补的RNA链的过程称为转录。,转录的概念：,转录的结果使遗传信息从DNA传到RNA，是基因表达的第一步，最关键的一步。,转录 (transcription) ： 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,参与转录的物质：,1、原料：ATP、GTP、CTP、UTP （NTP） 2、模板：DNA的一条链 3、酶：RNA聚合酶（DDRP） 4、其他蛋白质因子,转录与复制的区别：,复制,转录,模板： 两条链均作为 模板复制,一条链作为 模板转录,原料： dNTP NTP 配对： AT，GC AU，TA，GC 聚合酶： DNA聚合酶 RN

51、A聚合酶 DDDP DDRP（转录酶） 产物： 半保留复制得两条 子代DNA 引物 需要 不需要,mRNA、tRNA、 rRNA,第一节 转录的模板和酶,一个认识： DNA复制时为了保留物种的全部遗传信息，全长均需复制。 而转录却是以区段（含单基因或多基因）为单位进行的，且具有时空特异性。,一、转录模板：为DNA的一股链。,一模板链转录时，DNA双链中能作为 模板转录生成RNA的那一股链称为模板链， 又称有意义链或Waston链。或者负链。 二编码链与模板链相对的一股单链称编 码链，又称反义链或Crick链(文献刊出用)。 又称正链，常用来表示基因序列。,5GCAGTACATGTC 3,3 c

52、 g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,三不对称转录： 在转录过程中DNA双链中仅有一股链的 某个区段可作为模板指导RNA合成；不同的 基因其转录时的模板链可能不同，转录的这 种选择性，称为不对称转录。 这是转录的最大特点。,二、RNA聚合酶（DDRP）,（一）原核生物DDRP的组成,a,36512,决定哪些基因被转录,b,150618,催化功能,b,155613,结合,DNA,模板,s,70263,辨认起始点,亚,基,分,子,量,功,能,核心酶 (core enzym

53、e),全酶 (holoenzyme),a2 （转录延长阶段）,a2 （转录起始阶段）,(二) 真核生物细胞RNA聚合酶的种类,类型 催化转录产物 对 鹅膏蕈碱反应 I 45S-rRNA耐受 II hnRNA(mRNA前体)极敏感 III 5s-rRNA、tRNA中度敏感,注：由于RNA聚合酶II的产物是mRNA，而mRNA是蛋 白质合成的直接模板，故可认为RNA聚合酶II是真核生物主要的RNA聚合酶。,转录时，每一转录区段可视为一个转录单位，称为 操纵子。包括若干个结构基因及其上游的调控序列。 调控序列中的启动子(promoter)是RNA聚合酶结合模 板DNA的部位，也是控制转录的关键部位。

54、,三、模板与酶的辩认结合(原核生物),启动基因,结构基因,调节基因,信息区,操纵基因,调控区,RNA聚合酶 结合点,通过基因表达可得到能利用乳糖的酶（蛋白质分子）。,乳糖操纵子lac结构示意图：,（一）启动区（启动子）定义为DNA链上一段 能被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的区域，又 称转录起始区。由于启动区与酶结合而受保护，不 被核酸外切酶水解因此启动区也称RNA聚合酶保护 区。,（一）启动区（启动子）定义为DNA链上一段 能被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的区域，又 称转录起始区。由于启动区与酶结合而受保护，不 被核酸外切酶水解因此启动区也称RNA聚合酶保护 区。 （二）启动区特点：

55、位于结构基因上游（模板链的3端） 启动区长约40 60bp； 富含A，T； 序列保守(-35区和-10区)。,（三）启动区的结构： 1、识别区（辨别区）：与起始点的辨认有关，由 全酶因子辨认，位于-35bp左右，多具有5- TTGACA-的序列。又称35区。 2、结合区：为RNA聚合酶紧密结合区，结合后使 DNA解链，位于-10bp左右，具有5-TATAAT 的序列，称为Pribnow-box。或称10区。 3、转录起始位点：由全酶催化两个核苷酸生成第 一个磷酸二酯键。,二、真核生物的转录过程,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原

56、核生物复杂。,一、转录起始,转录起始前的-25区段有典型的TATA序 列，称Hogness盒或TATA box。 上游 更远端还有一些DNA共有序列，统称为 顺式作用元件。和转录调控有关。 转录起始点由转录因子(又称为反式作用 因子)来辨认、结合。,1. 转录起始前的上游区段,2. 转录因子,能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。还有上游因子和可诱导因子。,与真核RNA-pol I

57、、 II、 III对应，TF又分别称为TF I 、 TF II 、 TF III。,参与RNA-pol转录的TF,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,ATPase,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,30,，,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP* 38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD,),转录因子,蛋白激酶活性，使,CTD,磷,酸化,TF,H,ATPase,57,（,a,）,34,（,b,）,TF,E,解螺旋酶,30,，,74,TF,F,促进,RNA,-,pol,结合及作,为其他因子结合的桥梁,33,TF,B,稳定,TF,D,-,DNA,复合物,12,，,19,，,35,TF,A,辅助,TBP,-,DNA,结合,TAF*,结合,TATA,盒,TBP* 38,TF,D,功,能,亚基组成，分子量,(,kD