分子生物学第一章

糖苷键 C1- N9 (嘌呤)
糖苷键 C1- N1 (嘧啶)
腺苷
胞苷
(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苷酸 (ribonucleotide) 或脱氧核苷酸 (deoxy-ribonucleotide)。 磷酸酯键
Cytidine 5’-monophosphate, 5’-CMP
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
信使 RNA (messenger RNA, mRNA)
把 DNA 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。
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。
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
共价闭环 DNA 超螺旋 结构
负Biblioteka Baidu螺旋
(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)。
蛋白质合成的模板
转运氨基酸 与蛋白质构成核糖体 成熟 mRNA 参与 hnRNA的剪接、转运 rRNA的加工与修饰 信号识别颗粒的组成成分，选 择分泌蛋白
不均一核 RNA (hnRNA) 胞质及细胞核 小核仁 RNA (snoRNA) 胞质及细胞核
small RNA subfamily: small interfering RNAs (siRNAs) microRNAs (miRNAs) small nucleolar RNAs (snoRNAs) small nuclear RNAs (snRNAs)
右手螺旋 11 碱基/螺旋
右手螺旋 10 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 分子才能容纳于细胞质或细胞
核苷酸由碱基、核糖或脱氧核糖及磷酸三种成分通过 共价键连接而成。 嘌呤 碱基 核苷 或脱氧核苷 核酸 核苷酸 磷酸 元素组成： C, H, O, N, P
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
嘧啶
(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。
H
核糖 (ribose) 脱氧核糖 (deoxyribose)
(三) 核苷 碱基和核糖或脱氧核糖通过 -N-糖苷键 (-Nglycosidic bond) 连接形成核苷 (ribonucleoside) 或脱氧 核苷 (deoxyribonucleoside)。
利用分子生物学技术解决以下问题： • 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
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；RNA 转录；蛋白质生物合成 (翻译)
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基因表达与调控
James Watson 和 Francis Crick 于 1953 年提出 DNA 双螺旋 结构模型。
直径
(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
鸟嘌呤 (guanine, G) 胞嘧啶 (cytosine, C) 尿嘧啶 (Uracil, U)
鸟苷 (guanosine) 胞苷 (cytidine) 尿苷 (uridine)
构成 DNA 的碱基、脱氧核苷和脱氧核苷酸
碱基 (base) 脱氧核苷 (deoxyribonucleoside) 脱氧腺苷 (deoxyadenosine) 脱氧鸟苷 (deoxyguanosine) 脱氧胞苷 (deoxycytidine) 脱氧胸苷 (deoxythymidine) 脱氧核苷酸 (deoxyribonucleoside monophosphate, dNMP 或 deoxyribonucleotide) 脱氧腺苷酸 (deoxyadenosine monophosphate 或 deoxyadenylate) dAMP 脱氧鸟苷酸 (deoxyguanosine monophosphate 或 deoxy guanylate) dGMP 脱氧胞苷酸 (deoxycytidine monophosphate 或 deoxycytidylate) dCMP 脱氧胸苷酸 (deoxythymidine monophosphate 或 deoxythymidylate) dTMP
2 nm
小沟
大沟
2. DNA 是右手螺旋结构， 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。
氢键
碱基平面
(二) DNA 二级结构的多样性
腺嘌呤 (adenine, A) 鸟嘌呤 (guanine, G) 胞嘧啶 (cytosine, C) 胸腺嘧啶 (thymine, T)
(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
有各种细胞器。 植物细胞、真菌有，动物细 胞无。 真菌、植物、动物
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 RNA 75% 在细胞质中 15% 在线粒体及叶绿体中 10% 在细胞核中

核苷酸 (nucleotide)
构成 RNA 的碱基、核苷和核苷酸
碱基 (base) 腺嘌呤 (adenine, A) 核苷 (ribonucleoside) 腺苷 (adenosine) 核苷酸 (nucleoside monophosphate, NMP 或 ribonucleotide) 腺苷酸 (adenosine monophosphate 或 adenylate) AMP 鸟苷酸 (guanosine monophosphate 或 guanylate) GMP 胞苷酸 (cytidine monophosphate 或 cytidylate) CMP 尿苷酸 (uridine monophosphate 或 uridylate) UMP
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。
部分稀有碱基
DNA
嘌呤
RNA
N6-甲基腺嘌呤 (m6A) N 6, N 6-二甲基腺嘌呤 7-甲基鸟嘌呤 假尿嘧啶 () 双氢尿嘧啶 (DHU)
7-甲基鸟嘌呤 (m7G) N6-甲基腺嘌呤 (m6A) 5-甲基胞嘧啶 (m5C) 5-羟甲基胞嘧啶 (hm5C)
核小体由 DNA 和组蛋白 (histone) 构成。 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。

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
原核细胞 细胞大小 细胞核 细胞质 细胞壁 代表生物 较小 较大 真核细胞
无细胞核结构，基因组 DNA不 与蛋白质结合，基因组 DNA 存 在在于细胞质。
除核糖体外，无其他细胞器。 有；主要由肽聚糖构成。 放线菌、细菌、蓝藻、衣原体
有细胞核结构，有核膜，有 核仁。DNA与蛋白质形成染 色体。


NMP 核苷一磷酸 NDP 核苷二磷酸 NTP 核苷三磷酸
核苷酸的连接方式
核苷酸或脱氧核苷酸之间以磷酸二酯键形成寡核苷酸 (oligonucleotide) 或核酸。
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) 。
DNA 和 RNA 的书写方式： 5’ 3’ 方向
H1 组蛋白结合到 DNA 双螺旋分子进入和离 开八聚体的位点。
真核细胞 RNA 的分类和功能
种类 细胞定位 功能
信使 RNA (mRNA)
转运 RNA (tRNA) 核糖体 RNA (rRNA) 小核 RNA (snRNA) 小胞质 RNA (scRNA)
胞质及细胞核
胞质及细胞核 胞质及细胞核 胞质及细胞核 胞质及粗面内 质网
5’ pApCpGpTpA-OH 3’
5’ ACGTA 3’
DNA 的一级结构
DNA 的结构
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。
DNA 的二级结构
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 DNA 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
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
参考书
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)
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略 第十三章 基因工程与基因体外表达
第一部分
核酸分子的组成、结构及功能
核酸的分类与功能
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 (deoxyribonucleic 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。