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1、第一篇第一篇生物分子的结构与功能生物分子的结构与功能(Structures&Functions of(Structures&Functions of Biomolecules)Biomolecules)糖蛋白糖蛋白糖蛋白糖蛋白糖脂糖脂第一章第一章 核核 酸酸（Nucleic Acid）内容纲要内容纲要 核酸的种类与分子组成核酸的种类与分子组成 DNA的一级结构、二级结构及组装的一级结构、二级结构及组装 RNA的种类、结构与功能的种类、结构与功能 核酸的理化性质核酸的理化性质 核酸具有催化活性核酸具有催化活性 真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点 人类基因组计划人类基因组计划概念基因组基因组
2、(Genome)：一个生物体的所有基因（全部一个生物体的所有基因（全部染色体的遗传物质的总和）以全长染色体的遗传物质的总和）以全长 DNA 的碱基的碱基对对(bp)数目表示。数目表示。基因基因(Gene)：能编码一条多肽链并具有一定长能编码一条多肽链并具有一定长度的度的 DNA 分子基因组中有功能的片段分子基因组中有功能的片段遗传密码遗传密码：碱基顺序与蛋白质氨基：碱基顺序与蛋白质氨基酸顺序间的关系酸顺序间的关系核酸分子的元素组成：核酸分子的元素组成：主要有主要有C C、H H、O O、N N、P P（占（占9%9%10%10%）等。）等。核酸的水解：核酸的水解：核苷酸是核酸的核苷酸是核酸的基
3、本组成单位。基本组成单位。腺嘌呤腺嘌呤 A 胸腺嘧啶胸腺嘧啶T鸟嘌呤鸟嘌呤G 胞嘧啶胞嘧啶C 尿嘧啶尿嘧啶U 构成核苷酸的主要碱基构成核苷酸的主要碱基 酮基酮基和和氨基氨基均位于杂环上均位于杂环上氮原子氮原子邻位邻位腺嘌呤腺嘌呤(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(G)胞嘧啶胞嘧啶(C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶尿嘧啶(U)RNA稀有碱基（稀有碱基（rare bases）：指核酸中含有的一些微量碱）：指核酸中含有的一些微量碱基，多是甲基化的衍生物。基，多是甲基化的衍生物。DNARNA嘌呤嘌呤 7-甲基鸟嘌呤（甲基鸟嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m6A）N
4、 6,N 6-二甲基腺嘌二甲基腺嘌呤呤7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 嘧啶嘧啶 5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶（m5C）5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶（hm5C）5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶（hm5C）碱基的互变异构碱基的互变异构核苷酸碱基核苷酸碱基酮基酮基和和氨基氨基均位于杂环上均位于杂环上氮原子氮原子邻位，受介质邻位，受介质pH影响，可形成影响，可形成碱基的紫外吸收性质碱基的紫外吸收性质 嘌嘌呤呤环环和和嘧嘧啶啶环环中中含含有有共共轭轭双双键键，因因而而都都有有吸吸收收紫紫外外光光的的性性质质，吸吸收收高高峰峰在在波波长长260nm左右。左右。核糖核糖(Ribose)
5、12345标记标记H核糖核糖(Ribose)构成构成 RNA脱氧核糖脱氧核糖(Deoxyribose)构成构成 DNA1位位C 5位位C dAMP dGMP dTMP dCMP AMP GMP UMP CMP两类核酸分子组成比较两类核酸分子组成比较 碱碱 基基戊戊 糖糖磷酸磷酸 嘌嘌 呤呤 嘧嘧 啶啶 核核 糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 DNAA、G C、T 脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸RNA A、G C、U 核核 糖糖磷酸磷酸表：构成核酸的核苷酸表：构成核酸的核苷酸 DNARNA腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸(dAMP）腺苷一磷酸腺苷一磷酸(AMP)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine
6、,G)脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸(dGMP)鸟苷一磷酸鸟苷一磷酸(GMP)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸(dCMP)胞苷一磷酸胞苷一磷酸(CMP)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸(dTMP)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)尿苷一磷酸尿苷一磷酸(UMP)说明：说明：mono-:单一单一,deoxy-:脱氧脱氧三磷酸核苷的功能三磷酸核苷的功能 dATP、dGTP、dCTP、dTTP：DNA合成的原料合成的原料ATP、GTP、CTP、UTP：RNA合成的原料合成的原料ATP：生物体内能量的直接供体生物体内能量的直接供体GTP：参与蛋白质的生物合成参与蛋白
7、质的生物合成CTP：参与磷脂的生物合成参与磷脂的生物合成UTP：参与糖原的生物合成参与糖原的生物合成常见的多磷酸核苷酸常见的多磷酸核苷酸核苷二磷酸核苷二磷酸(NMP)三磷酸核苷三磷酸核苷(NTP)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)腺苷二磷酸腺苷二磷酸(ADP)三磷酸腺苷三磷酸腺苷(ATP)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)鸟苷二磷酸鸟苷二磷酸(GDP)三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷(GTP)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)胞苷二磷酸胞苷二磷酸(CDP)三磷酸胞苷三磷酸胞苷(CTP)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)胸苷二磷酸胸苷二磷酸(TDP)三磷酸胸苷三磷酸胸苷(TTP)尿嘧啶尿嘧啶(urac
8、il,U)尿苷二磷酸尿苷二磷酸(UDP)三磷酸尿苷三磷酸尿苷(UTP)12（*）核苷酸的生物学功能）核苷酸的生物学功能是是DNA和和RNA合成的原料合成的原料参与细胞内物质代谢调节参与细胞内物质代谢调节ATP是体内直接供能物质，参与肌肉收缩、物质是体内直接供能物质，参与肌肉收缩、物质转运等过程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。核苷酸的衍生物是许多物质代谢的活性中间物。UDP-葡糖葡糖是糖原和糖蛋白合成的活性中间物；是糖原和糖蛋白合成的活性中间物；CDP-胆碱、胆碱、CDP-乙醇胺、乙醇胺、CDP-二酰甘油二酰甘油是甘油是甘油磷脂合成的活性中间物磷脂合成的活性中间物AMP是某些
9、重要辅助因子的构成成分，如是某些重要辅助因子的构成成分，如NAD+、NADP+、CoA和和FAD等分子中均含有等分子中均含有AMPcAMP和和cGMP作为第二信使，参与细胞信号转导作为第二信使，参与细胞信号转导 要求：后续章节要求：后续章节掌握掌握DNA的一级结构的一级结构四种四种脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸的排序的排序DNA来源AGCTA/TG/C人胸腺肝牛胸腺胰腺脾脏肾脏精子肝脏大鼠骨髓酵母葡萄球菌大肠杆菌30.930.328.228.227.928.328.728.828.631.330.826.019.919.521.521.222.722.622.221.021.418.721.02
10、4.919.819.921.221.020.820.920.721.020.417.119.025.229.430.327.828.227.328.227.229.028.432.929.223.91.051.001.011.001.021.001.060.991.010.951.051.091.010.980.960.951.031.081.011.001.001.091.110.992 nm大沟大沟(2.2 nm)小沟小沟(1.2 nm)3.4 nmDNA 双螺旋结构要点双螺旋结构要点(Watson 和和 Crick，1953)1.DNA 由两条反相平行的脱氧核苷酸链由两条反相平行的脱氧核
11、苷酸链 组成，脱氧核糖组成，脱氧核糖-磷酸骨架位于双链的磷酸骨架位于双链的 外侧，碱基位于内侧，双链的碱基之外侧，碱基位于内侧，双链的碱基之 间以氢键相结合。间以氢键相结合。碱基互补配对形式：碱基互补配对形式：A T；G C)2.DNA 是右手螺旋结构，螺旋直径为是右手螺旋结构，螺旋直径为 2 nm，螺距为螺距为 3.4 nm。碱基平面垂直螺。碱基平面垂直螺 旋轴，相邻碱基平面距离为旋轴，相邻碱基平面距离为 0.34 nm，螺旋一圈包含螺旋一圈包含 10 对碱基。对碱基。3.氢键维持氢键维持 DNA 双链横向稳定性，碱基双链横向稳定性，碱基 堆积力维持双链纵向稳定性。堆积力维持双链纵向稳定性。
12、碱基互补原则：在DNA双螺旋结构中，碱基位于内侧，两条链间碱基以氢键接触，由于碱基结构不同，造成其形成氢键能力不同，因此产生固有配对方式，即腺嘌呤（A）始终与胸腺嘧啶（T）配对存在，鸟嘌呤（G）始终与胞嘧啶（C）配对存在，这种配对方式称碱基互补。DNA 结构的多样性结构的多样性A-DNA：右手螺旋右手螺旋 11 碱基碱基/螺旋螺旋B-DNA：右手螺旋：右手螺旋 10 碱基碱基/螺旋螺旋Z-DNA：左手螺旋：左手螺旋 12 碱基碱基/螺旋螺旋 可能参与基因可能参与基因 的表达和调控的表达和调控 A-DNA B-DNA Z-DNA 三、三、DNA的高级结构的高级结构 所有生物的基因组所有生物的基因
13、组DNA的长度通常比含有的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精密旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精密的包装，。这样，的包装，。这样，DNA才能存在于小小的细胞。才能存在于小小的细胞。甚至细胞核中。甚至细胞核中。（一）原核生物细胞中（一）原核生物细胞中DNA的组装的组装 绝大部分原核生物的绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状都是闭合环状双螺旋结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双双螺旋结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双螺旋分子
14、还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环螺旋分子还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环状状DNA分子的生物活性形式为超螺旋结构。分子的生物活性形式为超螺旋结构。共价闭环共价闭环 DNA超螺旋结构超螺旋结构（二）真核生物细胞中（二）真核生物细胞中DNA的组装的组装 在真核细胞内，由于在真核细胞内，由于DNA分子较原核细分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的胞的DNA与蛋白质结合，以染色质与蛋白质结合，以染色质（chromatin）或染色体（）或染色体（chromosome）的形式）的形式存在于细胞核内。它们的基本结构单位都是核存在于细胞核内。它们的基本
15、结构单位都是核小体（小体（nucleosome）。）。四、线粒体四、线粒体DNA 在真核细胞中，在真核细胞中，DNA除了存在于细胞核内，除了存在于细胞核内，还有少量的还有少量的DNA位于细胞的线粒体位于细胞的线粒体（mitochondrion）中，称为线粒体）中，称为线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）。）。mtDNA与与细菌的细菌的DNA相似，也是超螺旋双链环状分子，裸相似，也是超螺旋双链环状分子，裸露而不与组蛋白结合，分散在线粒体基质的不同露而不与组蛋白结合，分散在线粒体基质的不同区域。区域。基因基因(Gene)能编码一条多肽链并具有一定长度的能编码一条多肽链并具有一定长度的 DNA 分子。分子。基因组基因组(Genome)一种生物全部染色体的遗传物质的总和，一种生物全部染色体的遗传物质的总和，以全长以全长 DNA 的碱基对的碱基对(bp)(bp)数目表示。数目表示。不同物种基因组大小的比较不同物种基因组大小的比较酵母酵母拟兰芥拟兰芥果蝇果蝇人类人类蟾蜍蟾蜍小鼠小鼠大肠杆菌大肠杆菌