分子生物学基础知识

戊糖+碱基+磷酸
磷酸酯键
NH2 N
O HO P O CH2 O N O
OH
OH OH
2、游离核苷酸
NH2
N O
HO P O CH2O N
OH
N N
NH2
OO
N
N
HO P O P O CH2O N N OH OH
AMP OH OH
ADP
N
OOO
HO P O P O P O CH2O N OH OH OH
基酸。
COOH H2N-C-H H C HO
CH3
L-苏氨酸
COOH H-C-NH2 HO C H
CH3
D-苏氨酸
COOH H2N-C-H HO C H
CH3
COOH H-C-NH2 H C HO
CH3
L-别-苏氨酸 D-别-苏氨酸
氨基酸的旋光性
氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基性质，并且与测定的溶 液pH有关，这是因为在不同的pH条件下氨基和羧基的解离状况 不同。
转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 mRNA把遗传信息从染色体内贮存的状态转送至胞 质，作为蛋白质合成的直接模板。
转录
DNA
RNA
七、氨基酸
• 蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸 是蛋白质的构件分子。自然界存在的成千 上万种蛋白质，在结构和功能上的惊人的 多样性主要由氨基酸的内在性质造成的。
2、核不均一RNA（hnRNA）:mRNA的前体 3、核内小RNA （snRNA）：参与hnRNA的剪接、转运 4、 核仁小RNA（snoRNA）：参与rRNA的加工修饰 5、胞质小RNA （hnRNA）: 运输新合成的Pr到高尔基体加工 6、小片段干扰RNA（siRNA）：诱发外源mRNA的降解
五、核酸的理化性质及应用
RNA变性 增加 1.1％左右
增色效应 (hyperchromic effect)
由于DNA变性引起的光吸收增加称增色效应,也就是变性 后 DNA 溶液的紫外吸收作用增强的效应。
DNA 分子中碱基间电子的相互作用是紫外吸收的结构基 础， 但双螺旋结构有序堆积的碱基又 “ 束缚 ” 了这种作用。 变性DNA的双链解开，碱基中电子的相互作用更有利于紫外 吸收，故而产生增色效应。
（３）酸性aa及其酰胺
天冬氨酸 谷氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺
（４）碱性aa
赖氨酸 精氨酸
２、芳香族aa
苯丙氨酸 络氨酸 色氨酸
３、杂环aa
组氨酸 脯氨酸
(三) 氨基酸的酸碱性质:
如果AA在晶体或水中主要以兼性离子（偶极离子) 形式存在，不带电荷的中性分子为数极少，就很 好解释这个问题了。
静电吸引 ＞ 范德华力 兼性离子形式的AA是强极性分子
核酸生物合成的一般规律
1 按照碱基互补配对原则，以DNA为模板，逆转录 以RNA为模板 2 5’ → 3’方向，通过磷酸二酯键连接 3 特异的聚合酶催化 4 聚合酶的底物核苷酸要求是5’核糖或脱氧核糖 5 RNA聚合酶进行聚合反应时，可从头合成RNA
DNA聚合酶进行聚合反应时，要有3’-OH末端
(一) DNA的复制
复制(replication) 是指遗传物质的传代，以亲代 DNA为模板，以dNTP为原料，按 照碱基互补原则合成子链DNA的 过程。
14N链
15N链
重氮环境15N
轻氮环境14N
3
5 解链方向
3
5
1、复制的方式：
① 母链双螺旋解链，以母链的两条单链为模板，
半保留复制
② 以四种dNTP为原料 ③ 碱基互补配对规律 ④ 子代DNA双链与母链碱基序列一致 ⑤ 5’ → 3’方向，通过磷酸二酯键连接
Hale Waihona Puke Baidu
Ser
S
中文名称 苏氨酸
英文名称 Threonine
三字母缩 写
Thr
半胱氨酸 Cystine
Cys
蛋氨酸 Methionine
Met
天冬酰胺 Asparagine
Asn
谷氨酰胺 Glutarnine
Gln
天冬氨酸 Asparticaci
Asp
d
谷氨酸 Glutamicac
Glu
id
赖氨酸
Lysine
甘氨酸
Glycine
Gly
G
丙氨酸
Alanine
Ala
A
缬氨酸
Valine
Val
V
亮氨酸
Leucine
Leu
L
异亮氨酸 Isoleucine
Ile
I
脯氨酸
Proline
Pro
P
苯丙氨酸 Phenylalani
Phe
F
ne
酪氨酸
Tyrosine
Tyr
Y
色氨酸 Tryptophan
Trp
W
丝氨酸
Serine
OH OH
NH2 N
N
ATP
OH OH
(五) 核酸的一级结构 5′端
C
1、定义
核酸中核苷酸的排列顺序。
由于核苷酸间的差异主要是
A
碱基不同，所以也称为碱
基序列。
2、核苷酸链的方向性：
5′端
3′端
G
PO4
OH
3′端
3、一级结构的表示方法
——结构式/线条式/字母式
5′端
磷酸基团
C AGT GCT
3’5’磷酸二酯键
3′端
羟基
5 P P P P P P OH
A
3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 G
5 A C T G C T 3
• DNA一级结构的基本特点
• 4种dNTP以3’、5’磷酸二酯键相连构成一个没有分 枝的线性大分子。它们的两个末端分别称5’末端（游 离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。
①弱碱性，低PH值时可接受质子
5 4 3N 612
NH
嘧啶(pyrimidine)
②共轭性分子结构，共轭双键，260nm处有最大吸收
③碱基间存在疏水堆积力
2、种类和结构： ①嘌呤
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
鸟嘌呤(guanine,
(六) DNA与RNA在组成上的区别
碱基 戊糖 结构 配对
DNA
AGCT 脱氧核糖 双链 A＝T GC
RNA
AGCU 核糖
大多单链，局部双链 A＝U GC
二、DNA的空间结构
(一) DNA的二级结构 ——双螺旋结构
1、特征
①反向平行的双螺旋
a. 反向平行 b. 配对规律 c. 疏水碱基平面处于内侧，亲水
(一) 氨基酸的分类:
• 生物体中发现的氨基酸180多种，大多数是 不参加蛋白质组成，这些称为非蛋白质氨 基酸。
• 蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸 只有20种，称为蛋白质氨基酸。
• 存在某些蛋白质的不常见氨基酸都是肽链 上由常见氨基酸修饰转化而来。
常见的蛋白质氨基酸
中文名称 英文名称 三字母缩写 单字母符号
(四) AA的光学活性和光谱性质
1.AA的光学活性和立体化学
a-氨基酸的a-碳是一个不对称原子（除了甘氨酸），因此具有旋 光性。也分为两种构型D型和L型
苏氨酸，异亮氨酸，羟脯氨酸和羟赖氨酸除了a-碳 原子外，还有第二个不对称碳原子。因此有四种光 学异构体。它们分别称为L-，D-，L-别-，D-别-氨
Lys
精氨酸
Arginine
Arg
组氨酸
Histidine
His
单字母符 号 T C M N Q D
E
K R H
按R基的化学结构分类
1.脂肪族aa （1）中性aa
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
亮氨酸
异亮氨酸
含羟基或硫aa
丝氨酸
半胱氨酸
苏氨酸
甲硫氨酸
胱氨酸由两个半胱氨酸通过侧链上的-SH基 氧化成共价的二硫键连接而成
2nm
10nm
30(10)nm
一级包装 二级包装
5 超螺线管 →
400nm 三级包装
（8400） 染色单体
2~10μm 四级包装
三、DNA的功能
(一)DNA的基本功能:
1. 以基因的形式荷载遗传信息，作为基因复制的模板，是 生命遗传的物质基础。
2. 是转录的模板，是个体生命活动的信息基础。
(二)基本概念:
六、遗传中心法则
DNA
转录 逆转录
翻译 RNA
蛋白质
基因
控制
表型
基因表达(gene expression)
基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的
蛋白质分子的过程。
transcription
DNA
RNA
transcription
translation
DNA
mRNA
protein
➢DNA无组织特异性 ➢基因表达有组织特异性
2、应用
① 测定浓度
OD260 = 1.0 相当于双链DNA
50μg/mL
单链DNA（或RNA） 40μg/mL
寡核苷酸 20μg/mL
② 判断核酸样品的纯度
DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8
RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0
③ 测定是否变性 （增色效应）
DNA完全变性 增加 25～40％
比旋率
30
20
10
0
-10
0
3
4
5
6
7
8
9
-20
-30
-40 pH
pH对L-亮氨酸（蓝）和L-组氨酸（红）的[a]D25值的影响
比旋是a-氨基酸的物理常数之一，是鉴别氨基酸的一种根据
2.氨基酸的光谱性质
(一) 一般理化性质
1、粘度 DNA > RNA
2、沉降系数 DNA >> RNA
3、酸碱性质 DNA pI 4~4.5 ，pH 4.0 ~ 11.0 稳定，提取pH8.0 RNA pI 2~2.5 提取pH4.5左右，混有很少DNA污染
(二) 紫外吸收特征
1、碱基的行为表现 —— 共轭双键在260nm有最大吸收
四、RNA的结构
(一) RNA的结构特征:
1. 组成：核糖 碱基——A U C G 2. 单链，局部形成双链。 3. 含稀有碱基较多——DHU(二氢尿嘧啶)，Tф（假尿嘧啶），
甲基化，甲羟化，乙酰化等
(二) RNA的种类:
1、参与基因表达的RNA
① 信使RNA（mRNA）：遗传信息的传递，翻译模板 ② 转运RNA （tRNA）：氨基酸载体 ③ 核糖体RNA （rRNA）：提供蛋白质合成的场所
NH2
G)
②嘧啶
5 4 3N 612
NH
NH2
N
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
O
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O
H3C NH
NH
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
(二) 戊 糖
HO CH2
OH
5´ O
4´
1´
3´ 2´
HO CH2
OH
O
OH 1、核糖(ribose) （构成RNA）
戊糖与磷酸骨架处于外测
②右手螺旋
a. 右手螺旋 b. 每周10个碱基，每对碱基36°，碱基平面距离0.34nm c. 存在大沟、小沟(大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的
较大沟槽和较小沟槽。 )
③稳定因素
a. 横向：氢键 b. 纵向：碱基疏水堆积力
2、双螺旋结构的多样性
A
B
Z
(二) DNA的三级结构 ——超螺旋结构
第一章 分子生物学基础知识
一、核酸分子的基本组成
脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)
核苷酸
核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)
核糖
戊糖
核苷
脱氧核糖
碱基 嘌呤 嘧啶
磷酸
(一) 碱 基
1、特性：
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
嘌呤(purine)
2－OH 亲水极性集团 易水解 易受攻击
OH
OH
2、脱氧核糖(deoxyribose
RNA不稳定 性
（构成DNA）
无2－OH，DNA相对稳 定
(三) 核 苷
戊糖C1 糖苷键/糖甙键 ＋
嘌呤N9 嘧啶N1
NH2
N
1
HO CH2 O N O
1´
核糖核苷 脱氧核糖核苷
OH OH
(四) 核苷酸
1、核苷酸 ＝ 核苷+磷酸
1. 基因(gene)：携带遗传信息的一段特定的核苷酸序列，可 自我复制并指导转录。
2. 基因组(genomic)：一个生物体所包含的全部遗传信息的总 和，即全部DNA序列。
3. 遗传密码(genetic code)：DNA碱基序列与蛋白质的氨基 酸序列之间存在的对应关系。起始密码(ATG)AUG 终止密 码：UAA UAG UGA
4、复性：变性的DNA在适当的温度、一定离子强度条件下，给 以足够的时间重新缔合形成双螺旋的过程，称为复性。 5、影响复性的因素：
① T：Tm － 20～26℃ ② 离子强度：降低带同种电荷单链间的排斥 ③ DNA浓度 ④ DNA复杂程度 6、分子杂交：不同来源的具有互补序列的两条核酸单链，在 一定条件下可以按碱基互补原则形成双链的过程。
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
多级螺旋模型
压缩倍数 7
6
40
DNA → 核小体 → 螺线管 →
2、复制的条件：
① substrate: dATP, dGTP, dCTP, dTTP ② template : 解开成单链的DNA母链模板 ③ primer: 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合 ④ enzyme：
a、DNA聚合酶 b、DNA连接酶 c、引物酶 d、解螺旋酶和拓扑异构酶
(三) 转录