分子生物学第一章.ppt

1、医学分子生物学 马 郁 芳 大连医科大学生物化学教研室,分子生物学是研究核酸和蛋白质的结构与功能的学科。 在分子水平上阐述基因的结构、基因的复制、基因的表达和调节、蛋白质与核酸的相互作用、蛋白质与蛋白质的相互作用。,医学分子生物学是从分子水平研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律，包括研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其与疾病发生、发展的关系。,致病机理的研究 药物作用靶点 (标) 及药物研发 基因诊断 基因治疗 蛋白质药物,利用分子生物学技术解决以下问题：,授课内容 生物大分子 (核酸、蛋白质) 的结构与功能 基因结构及基因组结构 遗传信息传递 DNA 复制和修复；

2、RNA 转录；蛋白质生物合成 (翻译) 基因表达与调控 分子生物学技术 (基因克隆与表达、DNA 测序、核酸分子杂交、PCR 等) 基因诊断与基因治疗,医学分子生物学 (供8年制及7年制临床医学等专业用) 冯作化 主编 ISBN 7-117-06927-9 人民卫生出版社 (2005),参考书,第一章 绪论 第二章 基因 第三章 基因组 第四章 基因组核酸的复制 第五章 DNA 损伤与修复 第六章 基因的表达 第七章 翻译后功能蛋白质的形成和降解 第八章 基因表达的调控 第九章 细胞间通讯与信号转导 第十章 细胞增殖和凋亡的分子机制 第十一章 基因分析的基本策略 第十二章 基因功能分析的基本策

3、略 第十三章 基因工程与基因体外表达,第十四章 基因结构和表达变化与疾病的关系 第十五章 可遗传的基因组变异与人类疾病易感性 第十六章 感染性疾病相关基因 第十七章 信号转导异常与细胞增殖和凋亡相关性第十八章 细胞间通讯与 T 细胞应答调控 第十九章 在基因水平诊断疾病 第二十章 基因治疗研究 第二十一章 药物相关的分子生物学研究 第二十二章 分子生物学的新兴研究领域 第二十三章 生物信息学在基因和蛋白质研究中的应用,第一部分 核酸分子的组成、结构及功能,核酸 (nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，即高分子量的多核苷酸。 1. 脱氧核糖核酸 (deoxyribon

4、ucleic acid, DNA) 功能：储存遗传信息 原核细胞 基因组 DNA 存在与类 (拟) 核中； 质粒 DNA 存在于细菌胞质中。 真核细胞 DNA 主要以染色质形式存在于细胞核中； 少量 DNA 存在于线粒体、叶绿体 (植物细胞) 中。,核酸的分类与功能,原核细胞的特点,真核细胞的特点,原核生物与真核生物的比较,2. 核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA) 功能：传递遗传信息，指导蛋白质的生物合成 原核细胞 RNA 存在于细胞质中 真核细胞 75% 在细胞质中 RNA 15% 在线粒体及叶绿体中 10% 在细胞核中,核苷酸 (nucleotide),核苷酸由碱基、

5、核糖或脱氧核糖及磷酸三种成分通过共价键连接而成。,元素组成： C, H, O, N, P,核酸,核苷酸,碱基,核苷 或脱氧核苷,磷酸,嘌呤,嘧啶,核糖 或脱氧核糖,(一) 碱基 (base) 1. 嘌呤 (purine)： A, G 2. 嘧啶 (pyrimidine)： C, T, U,嘌呤环和嘧啶环含有共轭双键，有吸收紫外光的性质，吸收高峰在 260 nm 处。,DNARNA 7-甲基鸟嘌呤 (m7G) N6-甲基腺嘌呤 (m6A) N6-甲基腺嘌呤 (m6A) N 6, N 6-二甲基腺嘌呤 7-甲基鸟嘌呤 5-甲基胞嘧啶 (m5C)假尿嘧啶 () 5-羟甲基胞嘧啶 (hm5C)双氢尿嘧

6、啶 (DHU),嘌呤,嘧啶,部分稀有碱基,H,核糖 (ribose),脱氧核糖 (deoxyribose),(二) 戊糖 (pentose) 构成核苷酸的戊糖有两种， RNA 分子中的戊糖为 -D-核糖，DNA 分子中含有 -D-2 脱氧核糖，均为呋喃糖。,(三) 核苷 碱基和核糖或脱氧核糖通过 -N-糖苷键 (-N-glycosidic bond) 连接形成核苷 (ribonucleoside) 或脱氧核苷 (deoxyribonucleoside)。,糖苷键,糖苷键,腺苷,胞苷,C1- N1 (嘧啶),C1- N9 (嘌呤),(四) 核苷酸的形成 核苷或脱氧核苷和磷酸通过磷酸酯键连接形成核

7、苷酸 (ribonucleotide) 或脱氧核苷酸 (deoxy-ribonucleotide)。,磷酸酯键,Cytidine 5-monophosphate, 5-CMP,构成 RNA 的碱基、核苷和核苷酸,AMP,GMP,CMP,UMP,构成 DNA 的碱基、脱氧核苷和脱氧核苷酸,dAMP,dGMP,dCMP,dTMP,(五) 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸： NDP, NTP 环化核苷酸： cAMP, cGMP 含核苷的生物活性物质： NAD+, NADP+, CoA-SH, FAD 等都含有 AMP,NMP 核苷一磷酸 NDP 核苷二磷酸 NTP 核苷三磷酸,核苷酸或脱

8、氧核苷酸之间以磷酸二酯键形成寡核苷酸(oligonucleotide) 或核酸。,核苷酸的连接方式,多核苷酸链中核苷酸或碱基的排列顺序称为核酸的一级结构 (primary structure) 。,5 pApCpGpTpA-OH 3,5 ACGTA 3,DNA 和 RNA 的书写方式： 5 3 方向,DNA 的结构,DNA 的一级结构,DNA 的二级结构,DNA 的高级结构,DNA 的一级结构,四种脱氧核糖核苷酸或四种碱基的排列顺序称为 DNA 的一级结构。,多核苷酸链骨架的 3-D 构型为 DNA 二级结构 (secondary structure)，即 DNA 双螺旋结构模型 (The D

9、NA double helix model)。 双螺旋结构发现的基础： 碱基组成分析 Chargaff 规则：A = T, C = G 碱基的理化数据分析 A-T, C-G 以氢键配对较合理 DNA 纤维的 X-射线衍射图谱分析,DNA 的二级结构,James Watson 和 Francis Crick 于 1953 年提出 DNA 双螺旋结构模型。,(一) DNA 双螺旋结构模型 1. DNA 分子由两条反向 平行的脱氧核糖核苷酸链 组成，脱氧核糖-磷酸骨架 位于双链的外侧，碱基位 于内侧，双链的碱基之间 以氢键相结合。 碱基互补配对的方式： A T； GC,直径,2. DNA 是右手螺旋

10、结构， 螺旋直径为 2 nm，螺距为 3.4 nm。碱基平面垂直于 螺旋轴，相邻碱基平面距 离为 0.34 nm，螺旋一圈包 含 10 对碱基。 3. 氢键维持 DNA 双链横 向稳定性，疏水性碱基堆 积力维持双链纵向稳定性。,大沟,小沟,2 nm,碱基平面,氢键,(二) DNA 二级结构的多样性,右手螺旋 10 碱基/螺旋,右手螺旋 11 碱基/螺旋,左手螺旋 12 碱基/螺旋 与基因的表达调控有关,DNA 的高级结构,DNA 分子在形成双螺旋结构的基础上，进一步折叠成超螺旋结构 (supercoil) (原核细胞)，或在蛋白质的参与下，进行精密的包装 (真核细胞)。高度压缩的 DNA 分子

11、才能容纳于细胞质或细胞核中。,(一) 原核细胞中 DNA 的高级结构 原核生物的基因组 DNA 及质粒 DNA 是共价闭环双螺旋分子，它们以超螺旋结构形式存在于细胞质中。 正超螺旋 超螺旋结构 负超螺旋,共价闭环 DNA,超螺旋结构,(二) 真核细胞中 DNA 的组装 真核细胞的 DNA 与蛋白质结合，以染色质 (chromatin) 的形式存在于细胞核内。 在细胞分裂期，染色质进一步压缩折叠，形成在光学显微镜下可见的染色体 (chromosome)。 染色质与染色体都是 DNA 的高级结构形式，其基本单位是核小体 (nucleosome)。,核小体由 DNA 和组蛋白 (histone) 构

12、成。 各 2 分子的 H2A, H2B, H3 和 H4 组蛋白形成八聚体 (octamer)，DNA 分子 (约 140 - 160 bp) 在其表面缠绕 1.75 圈，构成核小体的核心颗粒 (core particle)，相邻的核心颗粒由连接 DNA (linker DNA, 约 60 bp) 相连。,H1 组蛋白结合到 DNA 双螺旋分子进入和离开八聚体的位点。,种类 细胞定位功能 信使 RNA (mRNA)胞质及细胞核蛋白质合成的模板 转运 RNA (tRNA)胞质及细胞核转运氨基酸 核糖体 RNA (rRNA)胞质及细胞核与蛋白质构成核糖体 不均一核 RNA (hnRNA)胞质及细胞

13、核成熟 mRNA 小核 RNA (snRNA)胞质及细胞核参与 hnRNA的剪接、转运 小核仁 RNA (snoRNA)胞质及细胞核rRNA的加工与修饰 小胞质 RNA (scRNA)胞质及粗面内信号识别颗粒的组成成分，选 质网择分泌蛋白,真核细胞 RNA 的分类和功能,small RNA subfamily: small interfering RNAs (siRNAs) microRNAs (miRNAs) small nucleolar RNAs (snoRNAs) small nuclear RNAs (snRNAs),信使 RNA (messenger RNA, mRNA),把 DN

14、A 所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则， 抄录并传送至细胞质的核糖体，作为模板指导蛋白质的合成。,真核生物的 mRNA 不是细胞核内 DNA 转录的直接产物，其前身为 hnRNA。 hnRNA 分子比 mRNA 大得多，在核内经过一系列的加工过程，成为成熟的 mRNA 并转移到细胞质中。,(一) 不均一核 RNA (heterogenous nuclear RNA, hnRNA),(二) 成熟 mRNA 的特点,1. 帽子结构 (Cap structure) 在真核生物 mRNA 的 5 端加上一个7-甲基鸟苷， 同时第一个核苷酸的 C2 被甲基化，形成帽子结构 m7GpppNm。 2. 多

15、聚腺苷酸 (poly A) 结构 在真核生物 mRNA 的 3 端加上 20 - 250 个腺苷酸，称多聚腺苷酸 (poly A) 尾。 3. 内含子 (intron) 被剪切掉。 内含子是真核细胞基因中的间插序列，不编码蛋白质。,N,CH3,CH2,P,P,P,CH2,OH,OH,OCH3,OCH3,CH2,P,7-甲基鸟苷,mRNA 5 端,5 - 5 三 磷酸酯键,帽子结构：m7GpppNm-,hnRNA,mRNA,外显子 1,外显子 2,外显子 3,内含子 1,内含子 2,外显子 1,外显子 2,外显子 3,外显子 1,外显子 2,外显子 3,内含子 1,内含子 2,外显子 (exon

16、)：真核细胞基因的一部分，在剪接后存在于成熟 mRNA 分子的基因序列。 内含子 (intron)：真核细胞基因中的间插序列，不出现在成熟 mRNA 分子中，在转录后通过加工被切除。,DNA,剪接,转录,5 m7Gppp,AAAA 3,编码区,5 非编码区,3 非编码区,成熟 mRNA 的结构,转运 RNA (transfer RNA, tRNA),按照 mRNA 上遗传密码的顺序，tRNA 将特定的氨基酸转运到核糖体进行蛋白质的合成。 1. tRNA 的分子量小，含 10 - 20% 稀有碱基，如 DHU，等； 2. tRNA 分子中存在局部双链结构，使 tRNA 二级结构呈三叶草形，由 D

17、HU 环、反密码环、额外环、TC 环和氨基酸臂等五部分组成。 3. tRNA的三级结构呈 “倒 L” 形。,tRNA 的 3 端为 - CCA-OH 3 ，氨基酸与腺苷酸残基 C 3-OH 形成酯键而连接在 tRNA 上,DHU 环,反密码环,TC 环,额外环 (可变的),tRNA 的二级结构 - 三叶草形,反密码子,氨基酸臂,额外环的大小不同，是 tRNA 分类的重要指标。,tRNA 的三级结构 - 倒 L 形,核糖体 RNA (ribosomal RNA, rRNA),rRNA (60 - 65%) 与蛋白质 (35 - 40%) 共同构成核糖体 (ribosome)，是细胞内蛋白质生物合

18、成的场所。,沉降系数 (sedimentation coefficient) 反映大分子物质在超速离心时沉降速度的一个单位，用 Svedberg units (S) 表示，可间接反映分子量的大小。,大肠杆菌 16S rRNA 的二级结构,大肠杆菌 16S rRNA 由 1542 个核苷酸组成，其二级结构由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。,其他小分子 RNA, 具有催化作用的小分子 RNA 称为核酶 (ribozyme)。snRNA 参与 hnRNA 中内含子的剪接，snoRNA 参与 rRNA 的加工过程。 siRNA 可降解靶 mRNA 以抑制 mRNA 的表达。 miRNA 通过与靶 mRNA 的互补配对，导致 mRNA 的降解或翻译抑制。,(RNA-induced silencing complex),核酸的一般理化性质,1. DNA 的酸碱及溶解度性质 DNA 有磷酸和碱基，为两性大分子，但偏于酸性 可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇 2. DNA的高分子性质 粘度： DNA RNA；dsDNA ssDNA 沉降行为：溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉 3. 在室温条件下，DNA 在碱中变性，但不水解，RNA水解。,碱基的共轭双键使核苷、核苷酸及核酸在 260 nm 附近有最大吸收峰。 用紫外分光光度计测定核酸分子 在 260 nm 处的光密度