绪论核酸和蛋白质的结构与功能总结课件

1、医学分子生物学 第一章绪 论生物学： 研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。整体水平： 动物学，植物学， 人体解剖学， 组织胚胎学细胞水平： 微生物学（单细胞生物） 细胞生物学（多细胞生物）分子水平： 分子生物学 在分子水平这一层次所形成的理论和技术体系，被称为分子生物学（molecular biology）。 分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，又是一门新兴交叉学科。它是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下生命活动及其规律、从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。第 一 节分子生物

2、学和医学分子生物学研究的主要内容分子水平的生命活动1控制整体水平和细胞水平生命活动所必需的遗传信息贮存、复制、表达及其调控；2整体水平和细胞水平生命活动所必需的分子水平调控活动。 第二节分子生物学的历史回顾（一）分子生物学形成的基础1859年, Charles Darwin （进化论）1865年, Gregor Mendel （遗传规律）1839年 Matthias Schleiden and Theodor Schwann（细胞学说）1879年, Walter Flemming （发现染色体）1902年, Walter Sutton （染色体遗传学说和减数分裂）1910年, Thomas H

3、unt Morgan （基因存在于染色体）1869年, Friedrich Miescher （发现DNA）1944年, Oswald Avery （转化实验证实DNA是遗传信息载体）1953年, James Watson和Francis Crick（双螺旋模型）一、分子生物学的形成1859年Charles Darwin 物种进化的自然选择学说（达尔文进化论）第一次指出了生物性状的可遗传性、在自然选择压力下的可变性以及不同物种之间的相关性。生物学研究中最核心、最本质的问题被提出来了：生命的特征和生物性状为什么能代代相传？代代相传的性状为什么又可以改变？是什么在控制生物的性状？ 生物体内有某种遗

4、传颗粒或遗传单位，能够从亲代传递到子代，这种遗传单位控制着特定的生物性状。该学说直到1900年才得到重视，基因（gene）这一概念被提出。 1865年 Gregor Mendel1839年 Matthias Schleiden和Theodor Schwann 应用显微镜观察到了细胞，提出了细胞学说。从此，从细胞水平对生命活动的研究工作与整体水平的研究在同时进行。1879年Walter Flemming 在研究细胞分裂时观察到了染色体1902年 Walter Sutton 提出染色体遗传学说，即细胞核内的染色体有两套，在减数分裂时，每个配子得到一套染色体；该学说认为基因是染色体的一部分。1910

5、年 Thomas Hunt Morgan证明基因的确存在于染色体上在随后的20多年中，RNA也被发现，对DNA和RNA的一般化学特征也有了较多的了解。1869年 Friedrich Miescher 在研究细胞核内的化合物时发现了DNA。 当染色体遗传学说被广泛接受时，人们已经认识到，染色体一定是由某种生物大分子组成，最有可能的分子是DNA、RNA和蛋白质中的一种。1944年，Oswald Avery和他的同事们通过实验证实了DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大分子。1944年 Oswald Avery1953年James Watson (left)Francis Crick（二）分子生物

6、学的形成1DNA双螺旋结构模型的建立2几个主要发现和学说的建立 mRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶， DNA半保留复制机理、操纵子学说， 遗传密码，生物遗传的中心法则3理论体系的初步形成 Molecular biology of the gene， 1965年第一版，1970年再版二、分子生物学的发展（一）几个重要研究成就1依赖于RNA的DNA聚合酶（逆转录酶）被发现，使中心法则得以修正，更加完善。2限制性内切酶、DNA连接酶等工具酶的发现、DNA导入细胞方法的建立，导致了重组DNA时代的到来。在细菌和哺乳动物细胞中表达外源基因成为可能。3“ 断裂基因”被发现，揭示了真核生物与原核生物基因结

7、构的差异。4DNA序列测定方法的建立，使人们获得了读取遗传信息的手段。5具有酶活性RNA和DNA被发现，从而改变了酶的传统概念。6聚合酶链反应（PCR）技术的建立，使基因克隆和基因分析有了强有力的手段。7增强子和结构基因5上游调控序列的发现，拓宽了基因表达调控研究领域，大量的顺式作用元件和反式作用因子被发现，对基因表达调控的研究日益深入。8借助于显微注射术把基因注射到受精的鼠胚细胞中得以表达，开始了转基因动物的研究。9随着基因重组表达技术的发展，基因治疗技术逐步发展起来，为人类疾病治疗研究开拓了全新的领域。101990年，人类基因组计划作为一项国际大协作的项目开始启动。该计划包括人类基因组作图

8、及序列分析、基因的鉴定、基因组研究技术的建立与创新、模式生物基因组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应软件的开发、相关产业的开发等。RNAi的发现1990 在牵牛花的研究中发现转入外源基因可引起叶片上色素沉着：外源基因导入后，和其有同源序列的内源基因与其一起沉默。（两者的RNA被降解）1998 对C. elegans的研究发现 dsRNA 导致序列特异的基因静默SILENCEING dsRNA 10 x greater than (+) or (-) sense RNAdsRNA induced gene silencing found in many euk.第三节分子生物学在医学上的应用

9、一、人体发育调控和人体机能调控的分子基础1发育、分化与衰老的分子生物学基础2细胞增殖的调控3神经分子生物学基础4内分泌的分子生物学基础5免疫的分子基础1基因结构和调控与疾病发生发展的关系2基因诊断3基因治疗二、基因与疾病基 因 工程： 多肽药物酶 工 程： 尿激酶、链激酶、tPA等蛋白质工程： 抗体工程（嵌合抗体、 单链抗体等）微生物工程： 新型抗生素，高产菌株转基因动、植物：多肽药物，抗体， 血清蛋白等三、生物工程与生物制药（一）疫苗研究1多肽疫苗（分子疫苗 ）2重组疫苗（BCG多价疫苗）3DNA疫苗（二）环境监测与净化1环境监测（基因探针检测）2环境的净化（利用重组质粒制备新型菌株，降解环

10、境中的有害物质）四、预防医学第二章生物大分子的结构与功能生物大分子（biopolymer, biomacromolecule） 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可形成复杂的空间结构。第一节核 酸一、DNA的结构与功能 （一）DNA的一级结构与功能 1DNA一级结构的基本特点 DNA是由脱氧核苷酸组成 4种脱氧核糖核苷酸以3,5-磷酸二酯键相连，形成长链，脱氧核糖与磷酸交替排列构成了DNA主链。 链中的脱氧核糖和磷酸都是相同的，所以碱基顺序也就代表核苷酸的顺序。

11、组成DNA的碱基有：A、G、C、T5 磷酸末端3 羟基末端 DNA是由两条单链结合在一起形成的双链分子，两条单链都是由A、T、G、C以千变万化的排列组合而形成的。2DNA一级结构中贮存的生物遗传信息5AGCCGACTATGTCGAAGCTTGCTTGACTATAAGACA33TCGGCTGATACAGCTTCGAACGAACTGATATTCTGT5大多数生物（除RNA病毒以外）的遗传信息都是贮存在DNA分子中，这些信息以特定的核苷酸排列顺序贮存在DNA分子上，如果核苷酸排列顺序变化，它的生物学含义也就改变。5AGCCGACTATGTCGAAGCTTGCTTGACTATAAGACA33TCGGC

12、TGATACAGCTTCGAACGAACTGATATTCTGT5密码子 限制酶位点 密码子5AGCCTATAAATTATGTCGAAGCTTGCTTGACTATAAGACA33TCGGATATTTAATACAGCTTCGAACGAACTGATATTCTGT5TATA box5AGCCTATCGGTACACANTGTCCTGAAGCTTGCTTGACAC33TCGGATAGCCATGTGTNACAGGACTTCGAACGAACTGTG5糖皮质激素反应元件, GRE1、DNA的双螺旋结构 （二）DNA的二级结构 两条脱氧核苷酸链是反向平行排列，一条是53方向，另一条是3 5方向。两条链围绕一个共同

13、的轴心以右手方向盘绕成双螺旋构型。 主链在螺旋的外侧，碱基处于螺旋内部。 DNA的两条链通过碱基配对形成氢键而形成双螺旋结构。碱基配对： A 和 T 以 2 个氢键配对结合G 和 C 以 3 个氢键配对结合 由疏水作用造成的碱基堆积力和两条链间的氢链是保持螺旋结构稳定性的主要作用力。2三股螺旋DNA（tsDNA） （二）DNA的二级结构5-CACGATCCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCCGGGTC-33-GTGCTAGGAAAAAGAAAGAAGAAAAGAAGGCCCAG-5 CCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCC 三股螺旋DNA（tsDNA）结构是在DNA双螺旋结构的

14、基础上形成的。 三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。双螺旋通过Watson-Crick氢键稳定，而三股螺旋尚需通过Hoogsteen氢键稳定。 三链中碱基配对符合Hoogsteen模型，第三碱基在Py-Pu-Py型中为TAT、C+GC配对；在Pu-Pu-Py型中存在GGC，AAT配对。Pu代表嘌呤链，Py代表嘧啶链根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型：5-CACGATCCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCCGGGTC-33-GTGCTAGGAAAAAGAAAGAAGAAAAGAAGGCCCAG-5 CCTTT

15、TTCTTTCTTCTTTTCTTCC Pu-Pu-Py型，5-CACGATCCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCCGGGTC-33-GTGCTAGGAAAAAGAAAGAAGAAAAGAAGGCCCAG-5 GGAAAAAGAAAGAAGAAAAGAAGGPy-Pu-Py型 当DNA双链中含H-回文序列时，即某区段DNA两条链分别为HPu和HPy，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的5和3部分都可以形成分子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。-ATCGACCTCCTCCTCGCATTCTCCTCCTCCTGAG-TAGCTGGAGGAGGAGCGTAAGAGGAGGAGGA

16、CTC-在两个区段都能形成tsDNA，因此有4种同分异构体。 真核生物基因组中存在大量可形成三链DNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷酸序列。这些序列有的存在于调控区，有的位于DNA复制的起点或终点，有的则位于染色体重组位点，它们可能与基因的表达调控，DNA的复制及染色体的重组有关。5-CACGATCCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCCGGGTC-33-GTGCTAGGAAAAAGAAAGAAGAAAAGAAGGCCCAG-5 CCTTTTTCTTTCTTCTTTTCTTCC（三）DNA的三级结构 DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构称为DNA的三级结构，即超螺旋结构。超螺旋的形成

17、如果是由双螺旋绕数减少所引起的就称为负超螺旋，反之称为正超螺旋。原核生物染色体 真核生物染色体DNA成线状。其三级结构是DNA双链进一步盘绕在以组蛋白（H2A、H2B、H3、H4分子）为核心的结构表面，构成核小体，许多核小体连接成串珠状，形成染色质， 再经过反复盘旋折迭形成染色单体，经过几次卷曲折叠后，形成复杂的多层次超螺旋结构，其长度大大压缩。 染色体染色质纤维核小体组蛋白DNA二、RNA的结构与功能（一）RNA的一级结构与功能 核糖核苷酸，A、G、C、U。 5-AGUCAUUCGGGCUACCUAGGUCAU-3O（二）mRNA 信使RNA（messenger RNA，mRNA） （1）5

18、端无帽子结构，3端无多聚A尾。1原核生物mRNA结构的特点（2）原核生物mRNA往往是多顺反子的。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。在5端和3端有非编码区。1原核生物mRNA结构的特点2真核生物mRNA结构的特点（1）5 末端有帽子结构帽子结构： 5端第1个核苷酸是甲基化鸟嘌呤核苷酸，以5端三磷酸酯键与第2个核苷酸的5端相连。 帽子结构的核苷酸大多数为7-甲基鸟苷（m7G）。帽子0型：m7G(5)ppp(5)Np， 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。帽子1型：m7G(5)ppp(5)Nmp Np帽子2型：m7G(5)ppp(5)NmpNm

19、pNp。（2）3 端绝大多数均带有poly(A)尾。 （3）分子中有编码区与非编码区。非编码区（UTR）位于编码区5端和3端。（二）tRNA1、tRNA即转运RNA，其作用是在蛋白质合成过程中转运氨基酸。细胞内tRNA种类很多，每种氨基酸至少有一种相应的tRNA与之结合，有些氨基酸可由几种相应的tRNA携带。氨基酸接受末端反密码子环反密码子TC环2、3末端是CCA序列，这一序列是tRNA结合氨基酸的部位。激活的氨基酸连接于此3末端羟基上。3、tRNA的二级结构形状类似于三叶草。反密码环由7个碱基组成，中间3个碱基构成反密码子。4、tRNA的三级结构是倒L型。一端是CCA末端结合氨基酸部位。另一端为反密码子环。（三）rRNA1、rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体。 原核生物核糖体：30S小亚基含16S rRNA和21种蛋白质。50S大亚基含23S和5S rRNA以及34种蛋白质。 真核细胞核