分子生物學基礎知識

1、2020/12/242(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸核苷酸核苷酸核苷核苷堿基堿基磷酸磷酸戊糖戊糖核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶2020/12/243( (一一) ) 堿堿 基基1 1、特性：、特性： 共軛性分子結構，共軛雙鍵，共軛性分子結構，共軛雙鍵，260nm260nm處有最大吸收處有最大吸收NNNHN123456789嘌呤嘌呤(purine) 弱堿性，低弱堿性，低PHPH值時可接受質子值時可接受質子NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)堿基間存在疏水堆積力

2、堿基間存在疏水堆積力2020/12/2442 2、種類和結構：、種類和結構： 嘌呤嘌呤NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)2020/12/245NNH132456嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH32020/12/246( (二二) ) 戊戊 糖糖（構成（構成DNA）OHOCH2OHOH2 2、脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)（構成（構成RNA）1 2 3 4

3、 5 OHOCH2OHOHOH1 1、核糖核糖(ribose)2 2OH OH 親水極性集團親水極性集團 易水解易水解 易受攻擊易受攻擊RNARNA不穩(wěn)定性不穩(wěn)定性無無2 2OHOH，DNADNA相對穩(wěn)定相對穩(wěn)定2020/12/247( (三三) ) 核核 苷苷戊糖戊糖C1C1嘌呤嘌呤N9N9嘧啶嘧啶N1N1糖苷鍵糖苷鍵/ /糖甙鍵糖甙鍵核糖核苷核糖核苷脫氧核糖核苷脫氧核糖核苷OHOCH2OHOHNNNH2O1 12020/12/248( (四四) ) 核苷酸核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O2020/12/2492 2、游離核苷酸、游離核苷酸NOCH2OOHOHNNNNH2PO

4、OHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOH2020/12/2410( (五五) ) 核酸的一級結構核酸的一級結構1 1、定義、定義核酸中核苷酸的排列順序。核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基不同，所以也稱為堿堿基序列基序列。55端端3端端CGA2 2、核苷酸鏈的方向性：、核苷酸鏈的方向性：PO4OH55端端33端端2020/12/24113 3、一級結構的表示方法、一級結構的表示方法 結構式結構式/ /線條式線條式/ /字母字母式式A G P5 P T

5、 PG PC PT P OH 3 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 55端端3端端CGA磷酸基團磷酸基團3535磷酸二酯磷酸二酯鍵鍵羥基羥基2020/12/2412 DNA一級結構的基本特點一級結構的基本特點 4種種dNTP以以3、5磷酸二酯鍵相連構成一個沒有分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枝的線性大分子。它們的兩個末端分別稱5末端（游末端（游離磷酸基）和離磷酸基）和3末端（游離羥基）。末端（游離羥基）。2020/12/2413DNARNA堿基堿基 A G C T A G C U戊糖戊糖 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖結構結構

6、 雙鏈雙鏈 大多單鏈，局部雙鏈大多單鏈，局部雙鏈配對配對 AT AU G C G C 2020/12/2414(一一) DNA的二級結構的二級結構 雙螺旋結構雙螺旋結構2020/12/24151 1、特征、特征反向平行的雙螺旋反向平行的雙螺旋反向平行反向平行配對規(guī)律配對規(guī)律a.a. 疏水堿基平面處于內側，親水疏水堿基平面處于內側，親水戊糖與磷酸骨架處于外測戊糖與磷酸骨架處于外測2020/12/24162020/12/2417右手螺旋右手螺旋每周每周1010個堿基，每對堿基個堿基，每對堿基3636，堿基平面距離，堿基平面距離存在大溝、小溝存在大溝、小溝( (大溝和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的大溝

7、和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的較大溝槽和較小溝槽。較大溝槽和較小溝槽。 ) )穩(wěn)定因素穩(wěn)定因素橫向：氫鍵橫向：氫鍵縱向：堿基疏水堆積力縱向：堿基疏水堆積力2020/12/2418ABZ2020/12/2419( (二二) DNA) DNA的三級結構的三級結構 超螺旋結構超螺旋結構超螺旋結構超螺旋結構(superhelix (superhelix 或或supercoil)supercoil)DNADNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)(positive supercoil)盤繞方向與盤繞方向與DNADNA雙

8、螺旋方同相同雙螺旋方同相同 負超螺旋負超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil)盤繞方向與盤繞方向與DNADNA雙螺旋方向相反雙螺旋方向相反 2020/12/24202020/12/2421多級螺旋模型多級螺旋模型壓縮倍數(shù)壓縮倍數(shù) 7 6 40 5 （8400） DNA 核小體核小體 螺線管螺線管 超螺線管超螺線管 染色單體染色單體 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一級包裝一級包裝 二級包裝二級包裝 三級包裝三級包裝 四級包裝四級包裝2020/12/2422(一一)DNA的基本功能的基本功能:以基因的形式荷載遺傳信息，作為基

9、因復制的模板，是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。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。是轉錄的模板，是個體生命活動的信息基礎。(二二)基本概念基本概念:基因基因(gene)(gene)：攜帶遺傳信息的：攜帶遺傳信息的一段特定的核苷酸序列一段特定的核苷酸序列，可自，可自我復制并指導轉錄。我復制并指導轉錄?；蚪M基因組(genomic)(genomic)：一個生物體所包含的全部遺傳信息的總：一個生物體所包含的全部遺傳信息的總和，即全部和，即全部DNADNA序列。序列。遺傳密碼遺傳密碼(genetic code)(genetic code)：

10、DNADNA堿基序列與蛋白質的氨基酸堿基序列與蛋白質的氨基酸序列之間存在的對應關系。序列之間存在的對應關系。起始密碼起始密碼(ATG)(ATG)AUG AUG 終止密碼：終止密碼：UAA UAG UGAUAA UAG UGA2020/12/2423(一一) RNA的結構特征的結構特征:組成：核糖組成：核糖 堿基堿基A A U U C G C G單鏈，局部形成雙鏈。單鏈，局部形成雙鏈。含稀有堿基較多含稀有堿基較多DHU(DHU(二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶) )，T T（假尿嘧啶），（假尿嘧啶），甲基化，甲羥化，乙?；燃谆?，甲羥化，乙?；?020/12/24241、參與基因表達的、參與基因表達的R

11、NA信使信使RNA（mRNA）：遺傳信息的傳遞，翻譯模板）：遺傳信息的傳遞，翻譯模板轉運轉運RNA （tRNA）：氨基酸載體）：氨基酸載體核糖體核糖體RNA （rRNA）：提供蛋白質合成的場所）：提供蛋白質合成的場所2、核不均一、核不均一RNA（hnRNA）:mRNA的前體的前體3、核內小、核內小RNA （snRNA）：參與）：參與hnRNA的剪接、轉運的剪接、轉運4、 核仁小核仁小RNA（snoRNA）：參與）：參與rRNA的加工修飾的加工修飾 5、胞質小、胞質小RNA （hnRNA）: 運輸新合成的運輸新合成的Pr到高爾基體加工到高爾基體加工6、小片段干擾、小片段干擾RNA（siRNA）：

12、誘發(fā)外源）：誘發(fā)外源mRNA的降解的降解2020/12/24251、粘度、粘度 DNA RNA2、沉降系數(shù)、沉降系數(shù) DNA RNA3、酸堿性質、酸堿性質 DNA pI 44.5 ，pH 4.0 11.0 穩(wěn)定，穩(wěn)定，提取提取 RNA pI 22.5 提取左右，混有很少提取左右，混有很少DNA污染污染2020/12/24261、堿基的行為表現(xiàn)、堿基的行為表現(xiàn) 共軛雙鍵在共軛雙鍵在260nm有最大吸收有最大吸收2020/12/24272、應用、應用 測定濃度測定濃度 OD260 = 1.0 相當于雙鏈相當于雙鏈DNA 50g/mL 單鏈單鏈DNA（或（或RNA） 40g/mL 寡核苷酸寡核苷酸

13、20g/mL 判斷核酸樣品的純度判斷核酸樣品的純度 DNA純品純品 RNA純品純品 測定是否變性測定是否變性 （增色效應增色效應） DNA完全變性完全變性 增加增加 2540 RNA變性變性 增加增加 左右左右2020/12/2428增色效應增色效應 (hyperchromic effect) 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。 2020/12

14、/24294 4、復性：變性的、復性：變性的DNADNA在適當?shù)臏囟?、一定離子強度條件下，給在適當?shù)臏囟?、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。以足夠的時間重新締合形成雙螺旋的過程，稱為復性。5 5、影響復性的因素：、影響復性的因素： T T：Tm Tm 20202626 離子強度：降低帶同種電荷單鏈間的排斥離子強度：降低帶同種電荷單鏈間的排斥 DNA DNA濃度濃度 DNA DNA復雜程度復雜程度6 6、分子雜交：不同來源的具有互補序列的兩條核酸單鏈，在、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。一定條件下可

15、以按堿基互補原則形成雙鏈的過程。2020/12/24302020/12/2431基因表達基因表達(gene expression)translationtranscriptiontranscription2020/12/2432核酸生物合成的一般規(guī)律核酸生物合成的一般規(guī)律1 按照堿基互補配對原則，以按照堿基互補配對原則，以DNA為模板，逆轉錄為模板，逆轉錄以以RNA為模板為模板2 5 3方向，通過磷酸二酯鍵連接方向，通過磷酸二酯鍵連接3 特異的聚合酶催化特異的聚合酶催化4 聚合酶的底物核苷酸要求是聚合酶的底物核苷酸要求是5核糖或脫氧核糖核糖或脫氧核糖5 RNA聚合酶進行聚合反應時，可從頭合成聚

16、合酶進行聚合反應時，可從頭合成RNA DNA聚合酶進行聚合反應時，要有聚合酶進行聚合反應時，要有3-OH末端末端2020/12/2433復制復制(replication)是指遺傳物質的傳代，以親代是指遺傳物質的傳代，以親代DNA為模板，以為模板，以dNTP為原料，按為原料，按照堿基互補原則合成子鏈照堿基互補原則合成子鏈DNA的的過程過程。2020/12/243415N鏈鏈14N鏈鏈重氮環(huán)境重氮環(huán)境15N輕氮環(huán)境輕氮環(huán)境14N2020/12/24353 5 3 5 解鏈方向解鏈方向3 5 3 3 5 領頭鏈領頭鏈(leading strand)隨從鏈隨從鏈(lagging strand)2020

17、/12/24361 1、復制的方式：、復制的方式：n母鏈雙螺旋解鏈，以母鏈的兩條單鏈為模板，母鏈雙螺旋解鏈，以母鏈的兩條單鏈為模板，半保留復制半保留復制n以四種以四種dNTP為原料為原料n堿基互補配對規(guī)律堿基互補配對規(guī)律n子代子代DNA雙鏈與母鏈堿基序列一致雙鏈與母鏈堿基序列一致n5 3方向，通過磷酸二酯鍵連接方向，通過磷酸二酯鍵連接2020/12/24372 2、復制的條件：、復制的條件：nsubstrate: dATP, dGTP, dCTP, dTTPntemplate : 解開成單鏈的解開成單鏈的DNA母鏈模板母鏈模板nprimer: 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合

18、可以依次聚合nenzyme：n a、DNA聚合酶聚合酶n b、DNA連接酶連接酶n c、引物酶引物酶n d、解螺旋酶和拓撲異構酶解螺旋酶和拓撲異構酶2020/12/2438轉錄轉錄 (transcription) 生物體以生物體以DNA為模板合成為模板合成RNA的過程的過程 。mRNA把遺傳信息從染色體內貯存的狀態(tài)轉送至胞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。質，作為蛋白質合成的直接模板。 轉錄轉錄RNADNA 2020/12/2439 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

19、內在性質造成的。2020/12/2440 生物體中發(fā)現(xiàn)的氨基酸生物體中發(fā)現(xiàn)的氨基酸180180多種，大多數(shù)是多種，大多數(shù)是不參加蛋白質組成，這些稱為非蛋白質氨不參加蛋白質組成，這些稱為非蛋白質氨基酸。基酸。 蛋白質組成的常見氨基酸或稱基本氨基酸蛋白質組成的常見氨基酸或稱基本氨基酸只有只有2020種種，稱為，稱為蛋白質氨基酸蛋白質氨基酸。 存在某些蛋白質的不常見氨基酸都是肽鏈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。上由常見氨基酸修飾轉化而來。2020/12/2441蘇氨酸 ThreonineThr T半胱氨酸 Cystine CysC蛋氨酸 MethionineMetM天

20、冬酰胺Asparagine Asn N谷氨酰胺 Glutarnine GlnQ天冬氨酸 AsparticacidAspD谷氨酸Glutamicacid Glu E賴氨酸LysineLysK精氨酸ArginineArgR組氨酸HistidineHisH中文名稱中文名稱英文名稱英文名稱三字母縮寫三字母縮寫單字母符號單字母符號甘氨酸Glycine Gly G丙氨酸 AlanineAlaA纈氨酸ValineValV亮氨酸LeucineLeuL異亮氨酸 Isoleucine IleI脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸 Phenylalanine PheF酪氨酸TyrosineTyrY色氨酸Trypto

21、phan TrpW絲氨酸 Serine SerS中文名稱中文名稱英文名稱英文名稱三字母縮三字母縮寫寫單字母符單字母符號號2020/12/2442 1.脂肪族脂肪族aa （1）中性）中性aa 甘氨酸甘氨酸 丙氨酸丙氨酸 纈氨酸纈氨酸 亮氨酸亮氨酸 異亮氨酸異亮氨酸2020/12/2443含羥基或硫含羥基或硫aa 絲氨酸絲氨酸 半胱氨酸半胱氨酸 蘇氨酸蘇氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸2020/12/2444胱氨酸由兩個半胱氨酸通過側鏈上的胱氨酸由兩個半胱氨酸通過側鏈上的-SH-SH基氧基氧化成共價的二硫鍵連接而成化成共價的二硫鍵連接而成2020/12/2445（）酸性（）酸性aaaa及其酰胺及其酰胺 天冬

22、氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 谷氨酰胺谷氨酰胺2020/12/2446（）堿性（）堿性aaaa 賴氨酸賴氨酸 精氨酸精氨酸2020/12/2447 、芳香族、芳香族aaaa 苯丙氨酸苯丙氨酸 絡氨酸絡氨酸 色氨酸色氨酸2020/12/2448、雜環(huán)、雜環(huán)aaaa 組氨酸組氨酸 脯氨酸脯氨酸2020/12/2449 如果如果AAAA在晶體或水中主要以兼性離子（偶極離子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(shù)極少，就很形式存在，不帶電荷的中性分子為數(shù)極少，就很好解釋這個問題了。好解釋這個問題了。 靜電吸引靜電吸引 范德華力范德華力 兼性離子形式的兼

23、性離子形式的AA是強極性分子是強極性分子2020/12/2450的光學活性和立體化學的光學活性和立體化學 a-a-氨基酸的氨基酸的a-a-碳是一個不對稱原子（除了甘氨酸），因此具有碳是一個不對稱原子（除了甘氨酸），因此具有旋光性。也分為兩種構型旋光性。也分為兩種構型D D型和型和L L型型2020/12/24512020/12/2452 L-蘇氨酸蘇氨酸 D-蘇氨酸蘇氨酸 L-別別-蘇氨酸蘇氨酸 D-別別-蘇氨酸蘇氨酸2020/12/2453氨基酸的旋光性氨基酸的旋光性氨基酸的旋光符號和大小取決于它的氨基酸的旋光符號和大小取決于它的R基性質，并且與測定的溶基性質，并且與測定的溶液液pH有關，這是因為在不同的有關，這是因為在不同的pH條件下氨基和羧基的解離狀況條件下氨基和羧基的解離狀況不同。不同。 pH對對L-亮氨酸（藍）和亮氨酸（藍）和L-組氨酸（紅）的組氨酸（紅）的aD25值的影響值的影響 比旋是比旋是a-氨基酸的物理常數(shù)之一，是鑒別氨基酸的一種根據(jù)氨基酸的物理常數(shù)之一，是鑒別氨基酸的一種根據(jù)2020/12/2454 紫外吸收光譜紫外吸收光譜可見光區(qū)：無吸收可見光區(qū)：無吸收遠紫外和紅外區(qū)：都吸收遠紫外和紅