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1、第一篇 生物分子的结构与功能 (Structures & Functions of Biomolecules),第一章 核 酸 （ Nucleic Acid）,内容纲要,核酸的种类与分子组成 DNA的一级结构、二级结构及组装 RNA的种类、结构与功能 核酸的理化性质 核酸具有催化活性 真核生物基因组的特点 人类基因组计划,1868年，一位年青的瑞士外科医生Friedrich Miescher发现核素（nuclein），即现在人们所知的脱氧核糖核蛋白。,天然存在的核酸有两类：一类是核糖核酸（ribonucleic acid，RNA），另一类是脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic aci
2、d，DNA）。 在真核细胞中，DNA主要分布于细胞核里， RNA主要分布于细胞质中。 DNA是贮存和携带遗传信息的载体。RNA的主要功能是参与生物体内蛋白质生物的合成。 RNA病毒，后者的RNA分子中也携带有遗传信息。,核酸分子的元素组成：主要有C、H、O、N、P（占9%10% ）等。 核酸的水解： 核苷酸是核酸的 基本组成单位。,第一节 核酸的基本组成单位核苷酸,一、核苷酸的组成 核苷酸由碱基、戊糖和磷酸共价连接而成。,问题：DNA与RNA分子的碱基 组成有何异同？,碱基的化学结构,稀有碱基（rare bases）：指核酸中含有的一些微量碱基，多是甲基化的衍生物。,碱基的互变异构,碱基的紫外
3、吸收性质,嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都有吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长260nm左右。,H,（二）戊糖(pentose),(三)核苷 核苷（nucleoside）是碱基与戊糖通过-N-糖苷键共价相连而形成的一种糖苷,(四)核苷酸 核苷酸（nucleotide）是核苷的戊糖羟基与磷酸之间脱水缩合的产物。,dAMP dGMP dTMP dCMP,AMP GMP UMP CMP,（五）核苷酸的生物学功能 dNTP和NTP分别是DNA和RNA合成的原料 核苷酸可参与细胞内物质代谢的调节 ATP是体内直接供能的物质，参与肌肉收缩、物质转运等过程 核苷酸的衍生物是许多物质代谢的活性中间物。 UD
4、P-葡糖是糖原和糖蛋白合成的活性中间物；CDP-胆碱、CDP-乙醇胺、CDP-二酰甘油是甘油磷脂合成的活性中间物 AMP是某些重要辅助因子的构成成分，如NAD+、NADP+ 、CoA和FAD等分子中均含有AMP cAMP和cGMP作为第二信使，参与细胞的信号转导等。,要求：结合后续章节的学习， 掌握核苷酸的生物学功能,二、核苷酸的连接方式： 3，5 -磷酸二酯键 核酸一级结构就指核苷酸的排列顺序，即碱基排列顺序,书写核酸一级结构的方式有结构式、竖线式和字母式，其中字母式最为常用。,第二节 DNA的结构,一、DNA的一级结构 四种脱氧核糖核苷酸的排序,第二节 DNA的二级结构,研究背景：1928
5、年英国的Griffith,F的转化实验,问题： 根据你所掌握的知识和想象， 怎样解释这个实验现象呢？,1944年Avery等人的体外肺炎球菌转化实验 提取S型细菌的多糖荚膜、蛋白质、DNA，分别与R型活菌混合培养。,Charggff原则： A的摩尔数=T的摩尔数，G的摩尔数=C的摩尔数 （嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数） 不同生物的DNA碱基组成不同 同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性,1951年英国女物理学家Rosalind Franklin拍到DNA的X衍射照片,1953年James Watson和Francis Crick 提出DNA双螺旋结构模型,（一）DNA二级结构模型双螺
6、旋结构 DNA 由两条反相平行的脱氧核苷酸链组成. 碱基配对：A与T，G与C DNA 是右手螺旋结构 氢键维持 DNA 双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性（主要因素）,问题： 请详述DNA双螺旋模型的特点,碱基互补原则： 指腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对， 鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，这种配对关系 成为碱基互补原则。,（二）DNA 结构的多样 DNA双螺旋结构并非刚性，DNA双螺旋具有构象多样性。当溶液的相对湿度和离子强度发生变化时，会出现不同构象的DNA双螺旋,三、DNA的高级结构 （一）原核生物细胞中DNA组装 二级结构为闭环双螺旋 三级结构为超螺旋 若闭环双螺旋沿右手方向
7、缠绕，使原来的双螺旋变得更松弛，此为负超螺旋（主要形式）。 若沿左手方向缠绕，使原来的双螺旋变得更紧，此为正超螺旋。 真核生物染色体DNA的二级结构为线性双螺旋，当其两个末端被蛋白质结合固定时，也可产生超螺旋结构,（二）真核生物细胞中DNA的组装,1.核小体(nucleosome) 是真核生物大量存在的DNA三级结构形式。 20世纪70年代末的研究表明：双链DNA分子盘绕核小体八聚体组蛋白核心约1. 75圈，约有166bp，其中有80bp紧密与八聚体相连。两个核小体之间的连接区DNA链长约35bp。核小体上的DNA总量约200bp。,2.染色质与染色体 染色质（chromatin）(间期) 染
8、色体（chromosome）(分裂期) 它们是DNA的更高级形式。,四、线粒体DNA 1963年，M. Nass和S. Nass在电镜下观察到线粒体，并证实线粒体存在DNA 1981年，Anderson等测定了线粒体DNA基因组全长（ 16569bp ） 线粒体DNA（mtDNA）为环状双链分子（纤毛虫线粒体DNA 为线性） 每个线粒体中有10个相同的拷贝。每个细胞一般含有几百几千个线粒体 基因总数为37个基因。,线粒体基因,线粒体与疾病： 肌肉病：骨骼肌中含有大量异常的线粒体。 Leber遗传性视神经病（1988年Wallace确定）：线粒体DNA第11778核苷酸发生G/A错义点突变，引起
9、视觉神经坏死导致突然失明。,第三节 RNA的结构与功能,RNA的一级结构： 四种核糖核苷酸排序。,三类基本RNA的功能 信使RNA（messenger RNA， mRNA)： 作为指导蛋白质合成的模板） 转运RNA（transfer RNA，tRNA）： 在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）： 与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质合成的场所,表1-3 RNA与DNA的比较,表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,（续表）表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,一、信使RNA（mRNA）蛋白质合成的模板,（一）mRNA的一般特点： 种类繁多。 大小
10、不一：5006000个碱基。 半衰期短：原核生物13分钟，真核生物数小时或几天。 占细胞总RNA：1%2%。 真核mRNA的5端有N7-甲基鸟苷的“帽状”结构：具有稳定mRNA及有助于翻译起始的作用。 3 端有20250个多聚腺苷酸（PolyA）的“尾状”结构：具有维持mRNA翻译模板的活性。 *（组蛋白除外）,mRNA的功能： 蛋白质合成的模板,遗传密码（genetic code ）：指mRNA分子中，从5至3端记数，三个相邻的核苷酸为一组，代表某中氨基酸或其它信息,这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。,二、转运RNA（tRNA）运输氨基酸的工具,tRNA的特点： 占RNA总量的10 % 1
11、5%。 是分子量最小的一类核酸，由7495个核苷酸构成。 含有较多的稀有碱基。 5端大多为pG, 3端均为-CCA。 反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤（I）。 细菌中有3040种；真核细胞中有50种。 功能是转运氨基酸。,tRNA的结构特征 二级结构三叶草形（cloverleaf） 分子内局部存在互补配对的核苷酸序列，可以形成局部双链。,D臂： 氨酰-tRNA合成 识别位点,氨基酸臂： 与氨基酸结合,TC环（臂）： 与核蛋白体rRNA结合,反密码子： 识别并结合mRNA密码子,tRNA的三级结构倒 L 形,三、核糖体RNA（rRNA）与蛋白质构成核糖体成为蛋白质合成的场所,(一)rRNA的特
12、点 种类：原核生物有5S 、 23S、16S rRNA；真核生物有28S、18S、5.8S、5S rRNA 含量最多：占细胞总RNA 80%90% rRNA与蛋白质构成核糖体,四、其他小分子RNA,1.小分子RNA的种类 小核RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、信号识别蛋白RNA、小干扰RNA、微小RNA、与睾丸Piwi蛋白作用的RNA。 2.小分子RNA的功能 催化作用、转录后加工及转运、基因表达调控以及参与细胞生长和发育等过程。,第四节 核酸的理化性质,一、核酸的一般性质 核酸溶液具有较大的黏度，特别是DNA溶液的黏度远大于RNA溶液。 核酸分子既含有酸性基团（磷酸基），又
13、含有碱性基团（碱基），故核酸是两性电解质。而且核酸分子中磷酸基的解离程度强，所以核酸溶液表现出酸性。 核酸分子在电场中具有泳动的特性，利用电泳技术可对大小不同的核酸片段进行分离。 溶液中的核酸分子在离心场力的作用下具有沉降特性，利用这一特性可分离不同构象的核酸分子。,二、核酸的紫外吸收 碱基含有共轭双键，因此核苷、核苷酸和核酸具有吸收紫外线的性质，可吸收250nm280nm波长的紫外光，最大的吸收波长为260nm。 测定核酸溶液的A260值可用于核酸含量的测定。,三、核酸的变性与复性及分子杂交 （一）核酸的变性（denaturation） 在某些理化因素的作用下 ，核酸分子互补碱基之间的氢键断
14、裂。但一级结构未变。 DNA：双链解体 RNA：局部双链解体 理化因素： 随着核酸的变性，其理化性质也会随之发生改变，,热变性（退火 annealing） 通常将A260值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度（melting temperature，Tm）。 Tm大小与碱基组成有关 Tm计算： DNA 的 Tm = 69.3 + 0.41 (G + C) % 1020碱基的寡聚脱氧核苷酸： Tm =（A+T） 2 +（G+C） 4。 注意：热变性的DNA退火时，温度不能骤然下降到4以下，此时不能发生复性,（二）核酸的复性 变性是可逆的。DNA的复性是指去除变性因素后，变性的DNA在可
15、重新形成双链而恢复天然结构的过程。 最佳的复性温度是比Tm值低25。,（三）核酸分子杂交 不同来源的热变性后的单链DNA与DNA（或RNA）之间可形成双链杂交体，这个过程称之为核酸分子杂交（hybridization）,无论何种类型的杂交，其本质都不外乎DNADNA或DNARNA杂交。 分子杂交的步骤有：标记一段核苷酸片段（通常是DNA片段）作为杂交的探针。琼脂糖凝胶电泳分离待杂交的核酸片段。将凝胶中的核酸片段转移到硝酸纤维素膜或尼龙膜上。将膜上的核酸片段固定和变性。把膜和标记的探针放入杂交袋内杂交。检测杂交结果。 可用于鉴定核酸序列的相似程度、基因定位、鉴定重组DNA，也是基因诊断的一种手段
16、。,（四）基因芯片 生物芯片技术，它包括基因芯片（gene chip）和蛋白质芯片（protein chip）。生物芯片技术综合了物理学、化学、分子生物学及计算机科学等学科的相关技术。 基因芯片包括DNA 芯片和cDNA 芯片，DNA 芯片早期被称做DNA微列阵（DNA microarray）。 基因芯片与常规分子杂交的不同之处在于固定探针，标记待检测核酸。 基因芯片可应用于基因组做图、基因克隆测序、基因突变分析、基因表达分析、基因多态性分析、新基因发现和基因诊断等方面。,第五节 核酸的催化性质,一、核酶（ribozyme） 核酶是指具有催化活性的RNA。 1981年，Thomas Cech在
17、研究四膜虫rRNA的加工过程中，发现rRNA具有自我剪接的功能。 与此同时，Sidey Altman发现核糖核酸酶P（RN ase P）中的RNA可单独剪切tRNA前体5端的前导序列 核酶具有核酸内切酶和连接酶的功能。 核酶催化的机理是亲核攻击的转酯反应。,核酶的种类 （1）内含子的自我剪接型 （2）异体催化的剪切型 （3）自体催化的剪切型 （4）催化肽键的形成,核酶可有锤头型核酶和发夹型核酶。锤头型核酶有三个螺旋茎及13个环构成，并包括催化核心和剪切位点。分子中有13个保守的核苷酸残基,人工设计的核酶可能作用的方式 箭头表示剪切位点，粗线代表人工合成的RNA片段， 细线代表欲破坏的目的核酸分
18、子,二、脱氧核酶,概念：具有特定生物催化功能的DNA分子称为脱氧核酶(deoxyribozyme)或酶性DNA（DNA enzyme，DNAzyme) 1994年杰拉尔德乔伊斯（GeraldFJoyce）等人发现人工合成的35bp的DNA片段能够水解特定的核酸分子，并将这一具有催化活性的DNA称为脱氧核酶（deoxyribozyme）。1995年伯纳德库恩奥德（Bernard Cuenoud）等人在Nature杂志上报道了一个具有连接酶活性的DNA分子。但到目前为止，还未发现自然界中存在天然的脱氧核酶。 种类：（1） 剪切RNA分子 （2）剪切DNA分子 （3）催化核酸分子磷酸化 （4）连接D
19、NA分子 （5）催化卟啉与金属离子结合,核酶与脱氧核酶的研究意义,对研究生命起源和进化具有重大意义 拓展了酶学的研究范围 科研以及医疗应用,作业,一、填空： 自然界的核酸有（）和（）两类，它们的基本组成单位（）是由（）、（）和（）三部分组成，核酸的基本组成单位之间通过（）相连，核酸吸收（）nm的紫外光。 大多数真核生物成熟mRNA的5端有一个（）的特殊结构，3端有一个（）尾；tRNA的二级结构呈（）形，三级结构呈（）型。 二、判断对错： DNA的一级结构蕴藏着遗传信息 A与T之间形成3个氢键，G与C之间形成2个氢键 核酸变性时其一级结构未变 核酶的化学本质是RNA 核酸吸收紫外光是由于碱基含有
20、共轭双键 三、名词解释： 稀有碱基，核酸的一级结构，碱基配对原则，核小体，hnRNA,遗传密码，DNA的变性与复性，核酸分子杂交，Tm（融解温度），核酶 四、问答 DNA双螺旋结构的要点， DNA和RNA在碱基和戊糖组成上有什麽异同点？ 三种基本RNA在蛋白质合成过程中的作用,第六节 基因组学与人类基因组计划,基因（gene）是指位于染色体上的特定位置、编码特异的蛋白质或RNA的一段 序列，是遗传物质的结构和功能单位。 基因组(genome)是指一个生物细胞内染色体上的全部DNA序列。,基因组学(Genomics)，指对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析
21、，基因定位和基因功能分析的一门科学。 基因组学包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学(structural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics)。,一、真核基因组的结构特点 （一）基因组庞大、结构复杂；基因组远大于原核生物 人单倍体基因组有3.3109bp,而大肠杆菌基因组有4.6106bp.,（二）基因占基因组比例小，即编码序列少于非编码序列 人类基因组中，编码序列占基因组DNA的3%左右，非编码序列占95%以上。非编码序列包括内含子、调控序列和重复序列。,（三）转录产物为单顺反子mRNA,（四）大量的重复序列 真核生
22、物基因组的重复序列可高大基因组DNA的50%。其功能主要与基因组的稳定性、组织形式及基因的表达调控有关。,（五）真核基因大多是不连续的,Reverse transcription,中心法则 (Central Dogma),Replication,二、人类基因组计划 （human genome project，HGP）,1990年起，计划用15年时间（2005年前）完成人类24条染色体（22+X+Y）的遗传图谱、物理图谱、全部30亿个碱基对的测序和几万个基因的定位，最终破译人类DNA的全部核苷酸顺序，为从整体上揭示人类生长发育、衰老、死亡和疾病的奥秘建立全套的遗传物质的信息数据库。,人类基因组计
23、划的出现,20世纪70年代，Sanger等开始病毒全基因组测序 1984年，完成了噬菌体X174(5386bp)、人线粒体基因组(16kb)等的全测序 1984年，美国Utah州，能源部召开的会议上讨论了测定整个基因组DNA的意义与前景 1985年，美国能源部的HGP草案形成 1986年，Dulbecco在Science发表HGP的短文 1988年，Watson主持成立美国国家人类基因组研究中心 1990年，美国国会批准本国的HGP，正式启动,癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析 Renato Dulbecco， Science 1986,回顾了70年代以来癌症研究的进展，使人们认识到包括癌
24、症在人类疾病的发生，都与基因直接、间接有关；同时指出，要么仍处在零打碎敲的方法研究，要么从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列。这一计划的意义重大。这样的工作是任何一个实验室难以单独承担的项目。这个世界所发生的一切事情，都与这一人类的DNA序列息息相关。,人类基因组计划的步伐,1990 年，HGP正式启动 1991年，人类染色体基因组数据库（GDB）建立 1992年，低分辨率人类基因组遗传图谱发表 1993年，对HGP的目标进行了修正 1994年，遗传图谱比原目标提前一年完成 1995年，最小的细菌生殖器支原体测序完成 1996年，真核生物酵母基因组测序完成 1997年，大肠杆菌基因组测序完
25、成 1998年，秀丽线虫基因组测序完成；同年5月，celera公司宣布加入HGP。HGP的进程走了一半,人类基因组计划的步伐,1999年初 celera公司宣布果蝇的测序完成 1999年9月 中国获准加入该计划，测1的基因组，也就是3号染色体上的30Mb。 1999 年12月，国际人类基因组计划联合研究小组宣布对第一条人类染色体22号染色体测序完成 2000年4月，中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图 2000年5月，人类第21号染色体的测序完成 2000年6月26日，HGP科学家、美国总统克林顿以及celera公司负责人同时宣布人类基因组序列的“工作框架图
26、”完成,人类基因组计划的步伐,2001年2月，Science和Nature分别发表了经过整理、分类和排列的基因组“精细图”及初步分析结果。同年，人类第20号染色体测序完成 2002年12月，小鼠基因组序列草图发表 2003年1月，人类第14号染色体测序完成 2003年4月14日，人类基因组计划宣布完成,“I send greeting to the International Human Genome Sequencing Consortium as you mark the successful completion of the Human Genome Project. This his
27、toric milestone is also the 50th anniversary of the description of the double-helix structure of DNA.” G. W. Bush April 11， 2003,“I send greeting to the International Human Genome Sequencing Consortium as you mark the successful completion of the Human Genome Project. This historic milestone is also
28、 the 50th anniversary of the description of the double-helix structure of DNA.” G. W. Bush April 11， 2003,HGP的意义 在医学领域，推动了医学的发展。 推动了生物界的革命。 将生物技术推向新的高峰，如生物信息学等多学科有了新的发展。 （General Genomics、Bioinformatics 、Transcriptomics、Proteomics、Metabolomics、Physiomics、Phenomics、Evolutiomics 、 pharmacogenomics） 推动了产业化革命。 推动了社会经济的发展。,基 因 预 测 基 因 预 防 基 因 诊 断 基 因 药 物 基 因 治 疗 个 体 医 学,健康问题,人类基因组信息在医学、医药上的全面应用,（Fragile X）,Design Baby Preimplantational Diagnosis,选择婴儿：选择健康的 设计婴儿：选择“合适”的,健康问题,HGP的负面影响,基因歧视 基因战争，生物武器 基因重组造成生态不平衡 基因对伦理道德的挑战（克隆人）,“生物恐怖主义” 食物安全（基因毒物） 健康安全（人类病原） 生态安全（作物病原） 基因于环境,安全问题,建立我国的“应急”基因预警系统,