Chapter-2-生物信息學(xué)基礎(chǔ)

生物信息基礎(chǔ)生物學(xué)背景知識(shí)2內(nèi)容提要生命的演化與分類(lèi)DNA(脫氧核糖核酸)蛋白質(zhì)基因表達(dá)現(xiàn)代生物工程技術(shù)3生命的演化與分類(lèi)4地球生命簡(jiǎn)史生命誕生、細(xì)胞的形成海洋孕育原始生物 35~38億年前單細(xì)胞生物在地球上繁衍、原始生態(tài)系統(tǒng)的建立原核生物占主體的階段 35~20億年前真核生物占主體的階段 20~6億年前多細(xì)胞生物出現(xiàn)和多樣化表達(dá)、生物圈覆蓋整個(gè)地球多細(xì)胞植物、多細(xì)胞動(dòng)物的誕生 6~5.5億年前“寒武紀(jì)大爆發(fā)”（物種“爆發(fā)”） 約5.3~5.5億年前“志留紀(jì)大爆發(fā)”（生命從海洋擴(kuò)展到陸地） 約4.3億年前人類(lèi)誕生、文明的發(fā)展人類(lèi)誕生 約400~1000萬(wàn)年前文化史 100萬(wàn)年5生物分類(lèi)體系Linnee在《SystemaNaturae》中創(chuàng)立生物分類(lèi)體系KarlvonLinnee(林奈,1707-1778),瑞典博物學(xué)家雙命名法(binomialnomenclature)屬名+種名:屬名首字母大寫(xiě),種名小寫(xiě)Homosapiens(H.sapiens)人Escherichiacoli(E.coli)大腸桿菌其后還可標(biāo)注發(fā)現(xiàn)的地名或發(fā)現(xiàn)者的名字采用拉丁文斜體書(shū)寫(xiě)6生物分類(lèi)體系界/kingdom 動(dòng)物界/Animalia門(mén)/phylum 脊索動(dòng)物門(mén)/Chordata

脊椎動(dòng)物亞門(mén)/Vertebtata綱/class 哺乳動(dòng)物綱/Mammalia

真獸亞綱/Eutheria目/order 靈長(zhǎng)目/Primates

類(lèi)人猿亞目/Anthropoidea科/family 人科/Hominidae屬/genus 人屬/Homo種/species 人種/Sapiens超-（super-）；亞-（sub-）7生物“界”的劃分三界說(shuō)、五界說(shuō)、六界說(shuō)、八界說(shuō)三主干六界說(shuō)真細(xì)菌古細(xì)菌原生生物真菌植物動(dòng)物原核生物真核生物8模式生物/ModelOrganism噬菌體(Bacteriophage)病毒(Virus)大腸桿菌(Escherichiacoli)酵母(Saccharomycescerevisiae,yeast)秀麗線(xiàn)蟲(chóng)(Caenorhabitidiselegans,worm)果蠅(Drosophilamelanogaster)擬南芥(Arabidopsisthaliana)水稻(Oryzasativa)非洲瓜蟾(Xenopuslavias)斑馬魚(yú)(Daniorerio)小鼠(Musmusculus)9噬菌體/Bacteriophage寄生于細(xì)菌內(nèi)的病毒如：大腸桿菌噬菌體(coliphages)遺傳物質(zhì)單鏈/雙鏈、環(huán)狀/線(xiàn)狀、DNA/RNA10病毒/Virus不具有細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)，僅由核酸和蛋白質(zhì)構(gòu)成艾滋病毒HIV、SARS冠狀病毒體積小，10~300nm嚴(yán)格的專(zhuān)性細(xì)胞內(nèi)寄生對(duì)抗生素不敏感100nm電子顯微鏡下的SARS冠狀病毒11大腸桿菌/E.coli人類(lèi)研究得最為詳盡的模式生物；K12菌株,全基因組于1997年測(cè)定,460萬(wàn)bp長(zhǎng)度1.6m,單細(xì)胞原核生物,繁殖快大腸桿菌及其全基因組12酵母/Yeast屬于真菌界的單細(xì)胞真核生物有16條染色體，全基因組于1996年測(cè)定13秀麗線(xiàn)蟲(chóng)細(xì)胞數(shù)目是固定的成蟲(chóng)細(xì)胞數(shù)目只有959個(gè),包括302個(gè)神經(jīng)元有6條染色體，全基因組于1998年測(cè)定，長(zhǎng)9.7Mbp14果蠅/Drosophilamelanogaster繁殖快，容易誘發(fā)變異全基因組長(zhǎng)約1.8億bp15擬南芥/Arabidopsisthaliana十字花科草本，生活周期為6周，是理想的模式植物16水稻/Oryzasativa基因組比較緊致,為小麥的1/37,是禾本科植物的首選測(cè)序?qū)ο?2條染色體；17非洲瓜蟾/Xenopuslavias1個(gè)受精卵在24小時(shí)內(nèi)分裂到各種器官初具雛形的程度18斑馬魚(yú)/Daniorerio身體透明的小魚(yú)，生活周期約3個(gè)月，是研究脊椎動(dòng)物發(fā)育過(guò)程的良好對(duì)象19小鼠/Musmusculus基因組大小與人類(lèi)相近，約30億個(gè)核苷酸對(duì)，有19條染色體20DNA21DNA生物體（人）人體由上億個(gè)細(xì)胞組成每個(gè)細(xì)胞都有著相同的染色體組染色體對(duì)每條染色體是一個(gè)DNA分子，基因是DNA的功能區(qū)域DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)7.5-10101223對(duì)2.8-3.5萬(wàn)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義22DNA分子結(jié)構(gòu)構(gòu)成DNA分子的基本單位脫氧核苷酸(堿基、核糖和磷酸)脫氧核苷酸通過(guò)一定的化學(xué)鍵連接起來(lái)形成脫氧核苷酸鏈四種核苷酸嘌呤:腺嘌呤(adenineA)

鳥(niǎo)嘌呤(guanineG)

嘧啶:胞嘧啶(cytosineC)

胸腺嘧啶(thymineT)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義23DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義24嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)

堿基DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義25嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義26DNA分子結(jié)構(gòu)腺嘌呤(A)鳥(niǎo)嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶(U)RNA構(gòu)成DNA的堿基：構(gòu)成RNA的堿基：腺嘌呤(A)鳥(niǎo)嘌呤(G)胞嘧啶(C)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHHOH12β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖O2023/2/1生物信息學(xué)概論講義28核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸（脫氧核苷酸）：核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成。

DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義295′端3′端核苷酸的連接

核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGADNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義30DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)一般是右手螺旋兩條主鏈?zhǔn)瞧叫械聪蚣磧蓷l鏈的5′和3′的方向相反

DNA分子結(jié)構(gòu)31DNA分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)：A,C,G,T四種核苷酸的線(xiàn)性多聚體；

DNA分子由兩條互相平行的脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈盤(pán)繞而成；

DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，堿基排列在內(nèi)側(cè)；兩條鏈上的堿基通過(guò)氫鍵相結(jié)合，形成堿基對(duì)。3.4nm2nm2023/2/1生物信息學(xué)概論講義32DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)兩條鏈之間是通過(guò)堿基配對(duì)連接在一起，堿基與堿基間是通過(guò)氫鍵配對(duì)在一起的A與T配對(duì)：以2個(gè)氫鍵相連

G與C配對(duì)：以3個(gè)氫鍵相連DNA分子結(jié)構(gòu)具有相對(duì)的穩(wěn)定性

基本骨架部分的兩條長(zhǎng)鏈?zhǔn)怯闪姿岷兔撗鹾颂窍嚅g排列的順序穩(wěn)定不變DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義33AAATTTGGGGCCCATC你注意到了嗎？?jī)蓷l長(zhǎng)鏈上的脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。長(zhǎng)鏈中的堿基對(duì)的排列順序是千變?nèi)f化的。2023/2/1生物信息學(xué)概論講義34DNA分子的多樣性是由堿基對(duì)的排列順序的多樣性決定的DNA分子的特異性是指對(duì)于控制某一特定性狀的DNA分子中的堿基排列順序是穩(wěn)定不變的

控制某一特定性狀的DNA分子中的堿基排列順序就是基因也就是基因在遺傳過(guò)程中一般是非常保守和穩(wěn)定的，DNA分子結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義35DNA分子的堿基序列儲(chǔ)存和編碼了大量遺傳信息DNA分子可以看作是一個(gè)由A,C,G,T四個(gè)字符組成的序列人類(lèi)DNA分子的長(zhǎng)度為3G個(gè)堿基人類(lèi)DNA分子中大約含有3萬(wàn)多個(gè)基因基因直接控制著生命最本質(zhì)的活動(dòng)----蛋白質(zhì)的合成DNA分子結(jié)構(gòu)36DNA的組成與結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義37DNA分子的雙螺旋互補(bǔ)結(jié)構(gòu)為DNA損傷造成的遺傳信息丟失提供了保護(hù)措施A與T對(duì)應(yīng)，G與C對(duì)應(yīng)如果知道一條鏈的序列串，則根據(jù)對(duì)應(yīng)規(guī)則可以知道另外一個(gè)鏈上的對(duì)應(yīng)序列串如果一條鏈上的堿基發(fā)生變異或錯(cuò)誤，可以通過(guò)另外一條鏈來(lái)加以糾正DNA分子結(jié)構(gòu)38基因/Gene現(xiàn)代分子生物學(xué)的定義構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸序列是由DNA序列所編碼決定的。特別的，將DNA上負(fù)責(zé)編碼多肽的區(qū)域稱(chēng)為基因。39基因結(jié)構(gòu)基因隱藏在DNA序列中的遺傳密碼一個(gè)DNA分子上可能有多個(gè)基因一個(gè)基因所對(duì)應(yīng)的核苷酸序列區(qū)域，被稱(chēng)為編碼區(qū)，非基因區(qū)域?qū)?yīng)的核苷酸序列稱(chēng)為非編碼區(qū)因?yàn)榫幋a區(qū)的核苷酸序列將根據(jù)一定的規(guī)則來(lái)控制蛋白質(zhì)的合成過(guò)程基因的變異將產(chǎn)生錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)合成結(jié)果40基因結(jié)構(gòu)基因目前對(duì)非編碼區(qū)序列分析研究十分活躍生物學(xué)家認(rèn)為非編碼可能會(huì)與各種疾病發(fā)生關(guān)聯(lián)在非編碼區(qū)，存在大量的重復(fù)序列，目前對(duì)重復(fù)序列的查找算法研究非?；钴STandemRepeats:形如這樣的字符串例如：ACGTACGT,GCCGCCGCCGCCApproximateTandemRepeats:形如12這樣的字符串,12之間具有一定的相似性要求GeneralRepeats:形如()n

這樣的字符串,n>1.稱(chēng)為pattern41基因結(jié)構(gòu)一般一個(gè)基因并不是一個(gè)連續(xù)的核苷酸串，并具有一定的結(jié)構(gòu)5‘3‘CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2啟動(dòng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄啟始密碼

(ATG)轉(zhuǎn)錄終止密碼

(TAA)polyA信號(hào)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)GT-AG法則42基因結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核細(xì)胞基因的顯著特征是有非編碼的插入序列，稱(chēng)為內(nèi)含子(intron)內(nèi)含子能夠轉(zhuǎn)錄成RNA，在翻譯成蛋白質(zhì)之前被加工剪接，因此不包含在mRNA序列中……GTACAAAGTATT……編碼序列內(nèi)含子---嵌入在一個(gè)基因中的非編碼序列DNA序列43基因結(jié)構(gòu)被內(nèi)含子隔開(kāi)的編碼序列為外顯子(exon)，剪接后連在一起形成成熟的mRNA，參與指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成不同基因的內(nèi)含子和外顯子數(shù)目和大小不同，一般基因越大，外顯子越多。內(nèi)含子可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外顯子，也可能內(nèi)含子中包含其他基因的編碼序列，即基因內(nèi)基因44基因結(jié)構(gòu)原核生物與真核生物原核生物(細(xì)菌、病毒等)沒(méi)有細(xì)胞核基因的形式較為簡(jiǎn)單真核生物(真菌、植物、動(dòng)物等)存在細(xì)胞核基因中存在著編碼的外顯子和不編碼的內(nèi)含子區(qū)域人類(lèi)基因組中，編碼區(qū)只占2%~3%，其余非編碼區(qū)的功能尚不清楚(junkDNA)。45DNA-染色體-基因組通常一個(gè)DNA分子中包含有多個(gè)基因區(qū)域，這樣的DNA分子又稱(chēng)為染色體(chromosome)。在較為高等的真核生物細(xì)胞核中，染色體常成對(duì)出現(xiàn)，因此稱(chēng)為同源染色體。在同源染色體中一個(gè)來(lái)自親代母本，一個(gè)來(lái)自親代父本。生物體所有染色體中包含的所有遺傳信息合稱(chēng)為該種生物的基因組(genome)人類(lèi)基因組由3×109個(gè)堿基對(duì)(basepair)組成，分布在23對(duì)同源染色體上。不同物種的基因組含量不同，生物體復(fù)雜性與DNA的含量之間的關(guān)系。體現(xiàn)在C值悖理(Cvalueparadox)：46基因突變/Mutation突變是指DNA序列在復(fù)制時(shí)引起的可遺傳性的改變。這種復(fù)制時(shí)的出錯(cuò)行為經(jīng)常是由于受到紫外線(xiàn)照射導(dǎo)致的。存在兩種不同水平的突變：基因突變是指一個(gè)等位基因變成了另一種，由于這種突變發(fā)生在單個(gè)基因內(nèi)部，對(duì)應(yīng)于染色體上的一個(gè)位點(diǎn)，因此這種突變稱(chēng)為點(diǎn)突變(pointmutation)。另一種突變是染色體水平的突變，或染色體發(fā)生的重組(片段發(fā)生的交換)---既可發(fā)生在同一染色體的不同位置，也可以發(fā)生在不同染色體上。此外，染色體還可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、刪除、復(fù)寫(xiě)等突變。47基因突變/Mutation點(diǎn)突變(pointmutation)在單個(gè)基因內(nèi)部，對(duì)應(yīng)于染色體上的一個(gè)位點(diǎn)分類(lèi)替換(substitution)：核苷酸從一種改變成另一種插入(insertion)：在某個(gè)位置上插入一個(gè)或多個(gè)核苷酸刪除(deletion)：在某個(gè)位置上刪除一個(gè)或多個(gè)核苷酸染色體重組既可發(fā)生在同一染色體的不同位置，也可以發(fā)生在不同染色體上48基因突變/Mutation突變的重要性是某些遺傳性疾病的主要原因。例如，鐮刀型細(xì)胞貧血癥，就是由于將A突變成了T，從而導(dǎo)致了血紅蛋白第6個(gè)氨基酸從Glu(谷氨酸)變成了Val(valine,纈氨酸)。就是這個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)義突變，引起了致命性的代謝紊亂：紅細(xì)胞中的血紅蛋白攜氧能力減弱最終導(dǎo)致身體末端組織受損。突變的積極意義方面，突變可以導(dǎo)致表現(xiàn)型多樣化、可以創(chuàng)建新物種、可以使物種適應(yīng)環(huán)境條件。物種之間的基因突變還為我們提供了研究物種進(jìn)化的分子水平的證據(jù)。49蛋白質(zhì)50蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是由氨基酸用肽鍵相連接起來(lái)的線(xiàn)性聚合物。蛋白質(zhì)的平均長(zhǎng)度為200個(gè)左右的氨基酸，不過(guò)大些的蛋白質(zhì)可以達(dá)到上千個(gè)氨基酸。細(xì)胞中蛋白質(zhì)的重量將占細(xì)胞干重的一半以上。蛋白質(zhì)決定細(xì)胞的形狀與結(jié)構(gòu)，同時(shí)蛋白質(zhì)也是分子識(shí)別及催化作用的主要主體。51氨基酸結(jié)構(gòu)生物體內(nèi)主要有20種氨基酸，它們都是-氨基酸，所有生物都是利用這20種氨基酸作為構(gòu)件組裝成各種蛋白質(zhì)分子的氨基酸分子中的-碳（分子中第2個(gè)碳，C）結(jié)合著一個(gè)氨基（NH2）和一個(gè)酸性的羧基(COOH)，此外C還結(jié)合著一個(gè)H原子和一個(gè)側(cè)鏈基團(tuán)（用R表示）。每一種氨基酸的R都是不同的，側(cè)鏈上的碳依次按字母命名為、、、碳，分別指的是第3、4、5和6位碳。52丙氨酸AlaA中性精氨酸ArgR堿性門(mén)冬酰胺AsnN中性門(mén)冬氨酸AspD酸性半胱氨酸CysC中性谷氨酰胺GlnQ中性谷氨酸GluE酸性甘氨酸GlyG中性組氨酸HisH堿性異亮氨酸IleI中性亮氨酸LeuL中性賴(lài)氨酸LysK堿性甲硫氨酸MetM中性苯丙氨酸PheF中性脯氨酸ProP中性絲氨酸SerS中性蘇氨酸ThrT中性色氨酸TrpW中性酪氨酸TyrY中性纈氨酸ValV中性RCOOHCH2NH蛋白質(zhì)的組成氨基酸20種氨基酸具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)。差別在于R位上連接的基團(tuán)不同。每種氨基酸相同的部分稱(chēng)為骨架，而可變的R基團(tuán)稱(chēng)為側(cè)鏈。丙氨酸AlaA中性精氨酸ArgR堿性門(mén)冬酰胺AsnN中性門(mén)冬氨酸AspD酸性半胱氨酸CysC中性谷氨酰胺GlnQ中性谷氨酸GluE酸性甘氨酸GlyG中性組氨酸HisH堿性異亮氨酸IleI中性亮氨酸LeuL中性賴(lài)氨酸LysK堿性甲硫氨酸MetM中性苯丙氨酸PheF中性脯氨酸ProP中性絲氨酸SerS中性蘇氨酸ThrT中性色氨酸TrpW中性酪氨酸TyrY中性纈氨酸ValV中性蛋白質(zhì)的組成一級(jí)結(jié)構(gòu):肽鏈MetAspLeuTyr主鏈鍘鏈肽鍵肽鍵不同氨基酸裝配形成蛋白質(zhì)的次序稱(chēng)為蛋白質(zhì)的序列，也叫做蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。與DNA分子一樣，蛋白質(zhì)序列也有方向性。蛋白質(zhì)鏈的一端具有自由氨基基團(tuán)(N端)，另一端以羧基端結(jié)束(C端)。54蛋白質(zhì)的組成55蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)多樣性

功能多樣性有些蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞和生物體的重要物質(zhì)如人和動(dòng)物的肌肉主要是蛋白質(zhì)

有些蛋白質(zhì)有催化作用如參與生物體各種生命活動(dòng)的絕大多數(shù)酶

有些蛋白質(zhì)有運(yùn)輸作用如細(xì)胞膜上的載體、紅細(xì)胞中的血紅蛋白有些蛋白質(zhì)有調(diào)節(jié)作用如胰島素和生長(zhǎng)激素都是蛋白質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)人體的新陳代謝和生長(zhǎng)發(fā)育

有些蛋白質(zhì)有免疫（包括細(xì)胞識(shí)別）作用如動(dòng)物和人體的抗體能清除外來(lái)蛋白質(zhì)對(duì)身體生理功能的干擾，起著免疫作用

2023/2/1生物信息學(xué)概論講義56蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是生物生命活動(dòng)中的一種非常重要的物質(zhì)基礎(chǔ)基因密碼可以推演出組成某種蛋白質(zhì)的氨基酸序列基因序列與蛋白質(zhì)功能之間存在某種聯(lián)系

通過(guò)基因序列推演蛋白質(zhì)氨基酸序列的技術(shù)已經(jīng)成熟蛋白質(zhì)生物學(xué)功能取決于其空間結(jié)構(gòu)

研究每一種蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，成為后基因組時(shí)代的制高點(diǎn)，也就是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的基本任務(wù)

2023/2/1生物信息學(xué)概論講義57蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)：由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈，即不同氨基酸的排列順序

二級(jí)結(jié)構(gòu)：但真正有生物活性的蛋白質(zhì)并不是一條直的或隨意彎曲的鏈狀分子，而是有其固定的空間結(jié)構(gòu)在空間結(jié)構(gòu)中，有些局部結(jié)構(gòu)有一定的規(guī)律性和重復(fù)性，如α-右手螺旋、β-折疊、無(wú)規(guī)卷曲、U型回折等，這稱(chēng)為蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)通過(guò)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是生物信息學(xué)中的一個(gè)研究方向，目前的準(zhǔn)確率不是太高（70%）三級(jí)結(jié)構(gòu)：整條蛋白質(zhì)分子鏈的空間結(jié)構(gòu)稱(chēng)為三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)：有的蛋白質(zhì)由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱(chēng)為亞基，亞基之間又有特定的空間關(guān)系，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)58一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義59蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)：胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，胰島素（Insulin）由51個(gè)氨基酸殘基組成，分為A、B兩條鏈。A鏈21個(gè)氨基酸殘基，B鏈30個(gè)氨基酸殘基

2023/2/1生物信息學(xué)概論講義60蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義61蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系每一種蛋白質(zhì)都具有特定的結(jié)構(gòu)，也具有特定的功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)的功能直接由其高級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，最終決定了蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)決定三級(jí)結(jié)構(gòu)

62基因表達(dá)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義63基因表達(dá)中心法則DNA序列所蘊(yùn)藏的遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯，實(shí)現(xiàn)信息傳遞和指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，這一過(guò)程稱(chēng)為基因表達(dá)基因表達(dá)成共線(xiàn)性，即DNA的線(xiàn)性核苷酸序列轉(zhuǎn)錄為RNA的線(xiàn)性核苷酸序列，RNA三連體密碼子轉(zhuǎn)譯成特定多肽的線(xiàn)性氨基酸序列這種DNA->RNA->蛋白質(zhì)的信息傳遞原則稱(chēng)之為中心法則64轉(zhuǎn)錄DNARNA蛋白質(zhì)翻譯逆轉(zhuǎn)錄65基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄(transcription)----DNARNA的過(guò)程以DNA雙鏈中的一條作為模板，ATP、CTP、GTP、UTP作為前體RNA，在RNA聚合酶催化下，按堿基互補(bǔ)方式合成RNA單鏈的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核中進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄后的RNA堿基序列與DNA模板序列互補(bǔ)，同非模板鏈一致，只是把T換成了U2023/2/1生物信息學(xué)概論講義66基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄(transcription)----DNA成熟mRNA的過(guò)程轉(zhuǎn)錄有三種產(chǎn)物：信使RNA(mRNA)—RNA聚合酶II、核糖體RNA(rRNA)--RNA聚合酶I、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)--RNA聚合酶III。mRNA將遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)67基因結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子(promoter)

一般位于基因轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)上游100-200bp范圍，是能與DNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子相互作用的核苷酸序列，包含一些DNA序列元件5‘3‘CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2啟動(dòng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄啟始密碼

(ATG)轉(zhuǎn)錄終止密碼

(TAA)polyA信號(hào)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義68基因結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子(promoter)CAAT框：位于轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)5’端上游-70-80bp處有一段高度保守序列，由9個(gè)堿基組成，GGGC/TCAATCA，其中一個(gè)堿基可以變化。CAAT框能與轉(zhuǎn)錄因子CTF結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率GC框：有一些基因沒(méi)有TATA框和CAAT框，但存在富含G和C核苷酸的序列；GC框是由GGCGGG組成，能與轉(zhuǎn)錄因子Spl結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過(guò)程69轉(zhuǎn)錄開(kāi)始的第一個(gè)堿基（+1）。原核生物中常為A或G，而且位置固定?；蚪Y(jié)構(gòu)2023/2/1生物信息學(xué)概論講義70基因結(jié)構(gòu)增強(qiáng)子(enchancer)：是一個(gè)短序列元件，結(jié)合于轉(zhuǎn)錄因子，能增強(qiáng)基因的轉(zhuǎn)錄活性?？晌挥诨虻娜魏挝恢?，其功能與位置和序列方向無(wú)關(guān)。結(jié)合增強(qiáng)子的蛋白可和結(jié)合啟動(dòng)子的蛋白相互作用，增強(qiáng)基因表達(dá)終止子(terminater)：是由AATAAA和一段回文序列組成，AATAAA是多聚腺苷酸(polyA)的附加信號(hào)，回文序列轉(zhuǎn)錄后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻礙RNA聚合酶繼續(xù)移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄終止2023/2/1生物信息學(xué)概論講義71基因結(jié)構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)單的核苷酸序列編碼CCTGACAAATTCGACGTGCGGCATTGCATGCAGACGTGCATGCGTGCAAATAATCAATGTGGACTTTTCTGCGATTATGGAAGAACTTTGTTACGCGTTTTTGTCATGGCTTTGGTCCCGCTTTGTTCAGAATGCTTTTAATAAGCGGGGTTACCGGTTTGGTTAGCGAGAAGAGCCAGTAAAAGACGCAGTGACGGAGATGTCTGATG

CAATAT

GGA

CAA

TTG

GTT

TCT

TCT

CTG

AAT....................TGA轉(zhuǎn)錄起始密碼轉(zhuǎn)錄中止密碼72基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄過(guò)程外顯子1外顯子2外顯子3GT----AGGT----AG內(nèi)含子1內(nèi)含子2E1E2E3GU----AGGU----AG基因啟動(dòng)子原始RNA轉(zhuǎn)錄E1E2E3GU----AGGU----AG原始RNA加工剪切成熟mRNA73mRNA的反轉(zhuǎn)錄與cDNA在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，可將RNA反轉(zhuǎn)錄成DNA（如RNA病毒）。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，通過(guò)反轉(zhuǎn)錄酶的作用，將mRNA反轉(zhuǎn)錄得到的DNA稱(chēng)為互補(bǔ)DNA(complementaryDNA,cDNA)，cDNA不含內(nèi)含子。2023/2/17475遺傳密碼/GeneticCode遺傳信息是由DNA傳給mRNA,mRNA攜帶著遺傳密碼mRNA編碼區(qū)的每3個(gè)連續(xù)的核苷酸決定肽鏈上一個(gè)氨基酸，稱(chēng)為密碼子(codon)遺傳密碼具有通用性遺傳密碼都是高度進(jìn)化保守的，除了極個(gè)別的情形外，現(xiàn)在地球上的所有生物共用一套遺傳密碼。2023/2/1生物信息學(xué)概論講義76基因表達(dá)翻譯翻譯是指將mRNA轉(zhuǎn)譯成氨基酸序列的過(guò)程。成熟的mRNA從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，由核糖體和其他成分閱讀mRNA所攜帶的信息，指導(dǎo)多肽合成遺傳密碼表三個(gè)堿基組成一個(gè)遺傳密碼，對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸2023/2/1生物信息學(xué)概論講義77基因表達(dá)first第二個(gè)核苷酸UCAGthirdUUUU苯丙UUC苯丙UUA亮氨酸UUG亮氨酸UCU絲氨酸UCC絲氨酸UCA絲氨酸UCG絲氨酸UAU酪氨酸UAC酪氨酸UAA終止UAG終止UGU半胱UGC半胱UGA終止UGG色氨酸UCAGCCUU亮氨酸CUC亮氨酸CUA亮氨酸CUG亮氨酸CCU脯氨酸CCC脯氨酸CCA脯氨酸CCG脯氨酸CAU組氨酸CAC組氨酸CAA谷酰CAG谷酰CGU精氨酸CGC精氨酸CGA精氨酸CGG精氨酸UCAG2023/2/1生物信息學(xué)概論講義78基因表達(dá)first第二個(gè)核苷酸UCAGthirdAAUU異亮AUC異亮AUA異亮AUG蛋起始ACU蘇氨酸ACC蘇氨酸ACA蘇氨酸ACG蘇氨酸AAU天酰AAC天酰AAA賴(lài)氨酸AAG賴(lài)氨酸AGU絲氨酸AGC絲氨酸AGA精氨酸AGG精氨酸UCAGGGUU纈氨酸GUC纈氨酸GUA纈氨酸GUG纈氨酸GCU丙氨酸GCC丙氨酸GCA丙氨酸GCG丙氨酸GAU天冬GAC天冬GAA谷氨酸GAG谷氨酸GGU甘氨酸GGC甘氨酸GGA甘氨酸GGG甘氨酸UCAG79翻譯---蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成是在模板（mRNA）指導(dǎo)下進(jìn)行的合成過(guò)程分為肽鏈合成的起始、延伸和終止階段。蛋白質(zhì)的合成是通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體(翻譯復(fù)合體)完成的，它包括核糖體、附屬的蛋白質(zhì)因子、mRNA和負(fù)載的tRNA分子。80翻譯/Translation轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)在蛋白質(zhì)的合成中充當(dāng)遺傳密碼的翻譯聯(lián)系mRNA三聯(lián)體密碼與氨基酸的紐帶一端帶有反密碼子，與mRNA鏈上的密碼子序列互補(bǔ)——堿基配對(duì)識(shí)別。另一端可以識(shí)別一種特定的氨基酸每個(gè)細(xì)胞內(nèi)至少含有20種tRNA（一種氨基酸對(duì)應(yīng)一種tRNA），即每種tRNA至少識(shí)別一個(gè)mRNA密碼。通過(guò)tRNA與密碼子的配對(duì)，可以將mRNA的遺傳信息翻譯成肽鏈的氨基酸序列。2023/2/1生物信息學(xué)概論講義81基因表達(dá)翻譯過(guò)程首先識(shí)別mRNA的AUG起始密碼子每三個(gè)連續(xù)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸直到終止密碼子出現(xiàn)(UAA,UAG,UGA)5‘3‘CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2啟動(dòng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄啟始密碼

(ATG)轉(zhuǎn)錄終止密碼

(TAA)polyA信號(hào)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)82復(fù)習(xí)：轉(zhuǎn)錄(transcription)：

DNARNA的過(guò)程以DNA雙鏈中的一條作為模板，ATP、CTP、GTP、UTP作為前體RNA，在RNA聚合酶催化下，按堿基互補(bǔ)方式合成RNA單鏈的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核中進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄后的RNA堿基序列與DNA模板序列互補(bǔ)，同非模板鏈一致，只是把T換成了U。轉(zhuǎn)錄DNARNA蛋白質(zhì)翻譯逆轉(zhuǎn)錄83遺傳密碼/GeneticCode遺傳信息是由DNA傳給mRNA,mRNA攜帶著遺傳密碼mRNA編碼區(qū)的每3個(gè)連續(xù)的核苷酸決定肽鏈上一個(gè)氨基酸，稱(chēng)為密碼子(codon)遺傳密碼具有通用性遺傳密碼都是高度進(jìn)化保守的，除了極個(gè)別的情形外，現(xiàn)在地球上的所有生物共用一套遺傳密碼。2023/2/1生物信息學(xué)概論講義84基因表達(dá)翻譯翻譯是指將mRNA轉(zhuǎn)譯成氨基酸序列的過(guò)程。成熟的mRNA從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，由核糖體和其他成分閱讀mRNA所攜帶的信息，指導(dǎo)多肽合成遺傳密碼表三個(gè)堿基組成一個(gè)遺傳密碼，對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸85翻譯/Translation轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)在蛋白質(zhì)的合成中充當(dāng)遺傳密碼的翻譯聯(lián)系mRNA三聯(lián)體密碼與氨基酸的紐帶一端帶有反密碼子，與mRNA鏈上的密碼子序列互補(bǔ)——堿基配對(duì)識(shí)別。另一端可以識(shí)別一種特定的氨基酸每個(gè)細(xì)胞內(nèi)至少含有20種tRNA（一種氨基酸對(duì)應(yīng)一種tRNA），即每種tRNA至少識(shí)別一個(gè)mRNA密碼。通過(guò)tRNA與密碼子的配對(duì)，可以將mRNA的遺傳信息翻譯成肽鏈的氨基酸序列。2023/2/1生物信息學(xué)概論講義86基因表達(dá)翻譯過(guò)程首先識(shí)別mRNA的AUG起始密碼子每三個(gè)連續(xù)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸直到終止密碼子出現(xiàn)(UAA,UAG,UGA)5‘3‘CAAT框TATA框轉(zhuǎn)錄啟始點(diǎn)外顯子1外顯子2外顯子3內(nèi)含子1內(nèi)含子2啟動(dòng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄啟始密碼

(ATG)轉(zhuǎn)錄終止密碼

(TAA)polyA信號(hào)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)87核糖體：蛋白質(zhì)合成的工廠協(xié)助tRNA在mRNA上進(jìn)行定位動(dòng)畫(huà)演示2023/2/1生物信息學(xué)概論講義88基因表達(dá)----總結(jié)細(xì)胞是生命的基本單位生命的各種現(xiàn)象和功能實(shí)質(zhì)上是細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間各種生物大分子相互作用的結(jié)果如果把核酸(DNA、RNA)比喻成細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行各種作用與活動(dòng)的“導(dǎo)演”，那么蛋白質(zhì)則是細(xì)胞內(nèi)的“主要演員”它們之間相互作用時(shí)所需的活性和功能，則依賴(lài)于這些大分子本身的空間結(jié)構(gòu)，因此研究生物大分子的空間結(jié)構(gòu)一直是分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)中最重要、最活躍的領(lǐng)域之一.89現(xiàn)代生物工程技術(shù)90限制性酶切限制性?xún)?nèi)切酶(restrictionenzyme)可以將特定的核苷酸片段進(jìn)行打斷。例如：EcoRI一旦遇到5’-GAATTC-3’，則在G與A之間將DNA分子剪斷。5’-GAATTC-3’3’-CTTAAG-5’5’-GAATTC-3’3’-CTTAAG-5’5’-GAATTC-3’3’-CTTAAG-5’用EcoRI剪切91限制性酶切限制性?xún)?nèi)切酶識(shí)別的特定核苷酸序列稱(chēng)為限制性位點(diǎn)(restrictionsite)。EcoRI的限制性位點(diǎn)為5’-GAATTC-3’

HinfI的限制性位點(diǎn)為5’-GATC-3’NotI的限制性位點(diǎn)為5’-GCGGCCGC-3’用多種限制性酶切割一條DNA，通過(guò)確定所得片段的數(shù)量及位置，可以提供有關(guān)DNA分子特定的組織和序列信息。這種實(shí)驗(yàn)方法稱(chēng)為限制性酶切圖譜法(restrictionmapping)。92粘性末端平頭末端93凝膠電泳利用凝膠電泳(gelelectrophoresis)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可將不同大小的DNA片段(或RNA片段、蛋白質(zhì)片段)進(jìn)行分離。凝膠電泳實(shí)現(xiàn)樣品分離的原理將DNA樣品注入凝膠一端的加樣孔，在電場(chǎng)作用下，樣品中的DNA片段向電極端移動(dòng)。不同片段根據(jù)其大小差異會(huì)在凝膠板上的不同位置留下多個(gè)條帶。94克隆/Cloning克隆(cloning)：將特定DNA片段插入到載體中，載體通過(guò)在活細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制，得到大量相同的DNA片段。常用載體(vector)質(zhì)粒，是