《动物生物化学+杨满军.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动物生物化学+杨满军.ppt（137页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、动物生物化学动物生物化学Animal Biochemistry教材：夏未铭 主编动物生物化学杨满军 主讲西藏职业技术学院 畜牧兽医系电子邮箱:majoryang 本章主要内容：本章主要内容：4 生物化学的概述生物化学的概述4 生物化学研究的内容生物化学研究的内容4 生物化学的发展历史与现状生物化学的发展历史与现状4 与动物生产和动物健康的关系与动物生产和动物健康的关系 1.1.生物化学概述生物化学概述1.1 1.1 生物化学的定义：生物化学的定义：生物化学生物化学（biochemistry）：是从分子水平上阐明生命有机体是从分子水平上阐明生命有机体 化学本质的一门学科。化学本质的一门学科。1.
2、2 1.2 生物化学的分类：生物化学的分类：根据研究对象分为：根据研究对象分为：动物生物化学动物生物化学、植物生物化学、植物生物化学、微生物生物化学等。微生物生物化学等。根据研究目的分为：医学生化、农业生化、工业生化、环境生化根据研究目的分为：医学生化、农业生化、工业生化、环境生化 和营养生化等。和营养生化等。2.2.生物化学研究内容生物化学研究内容2.1 2.1 关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别是关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别是生物大分子（生物大分子（biological macromolecule）的结构、相互）的结构、相互关系及其功能。关系及其功能。生物大分子是由小分子
3、单体聚合而成的多聚体。如氨基酸生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。如氨基酸蛋白蛋白质、核苷酸质、核苷酸核酸、葡萄糖核酸、葡萄糖淀粉等。生物大分子执行着各种各样淀粉等。生物大分子执行着各种各样的生物学功能，如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递与的生物学功能，如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递与表达遗传信息等。表达遗传信息等。它们复杂的空间结构是其功能的化学基础。它们复杂的空间结构是其功能的化学基础。N2CO2H2O 单单 体体生物大生物大分分 子子细胞器细胞器细胞细胞细细胞胞2.2 2.2 细胞中的物质代谢与能量代谢，或称中间代谢细胞中的物质代谢与能量代谢，或称中间代谢（in
4、termediary metabolism），也就是细胞中进行的化学过程也就是细胞中进行的化学过程 合成代谢合成代谢（anabolism）：将小分子的前体将小分子的前体（precursor）经过特经过特 定的代谢途径构建成较大的分子，并且消定的代谢途径构建成较大的分子，并且消 耗能量。耗能量。分解代谢分解代谢（catabolism）：将较大的分子经过特定的代谢途径，将较大的分子经过特定的代谢途径，分解成小的分子并且释放出能量。分解成小的分子并且释放出能量。物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）是能量转换和传递的中间体。
5、是能量转换和传递的中间体。2.3 2.3 组织和器官机能的生物化学组织和器官机能的生物化学 生命有机体是一个统一协调的整体。生命有机体是一个统一协调的整体。任何组织器官的形态结构、代谢方式都是以其化学组成和分任何组织器官的形态结构、代谢方式都是以其化学组成和分子结构为基础的。子结构为基础的。在分子水平、细胞和组织水平以及整体水平上全面、系统地在分子水平、细胞和组织水平以及整体水平上全面、系统地认识动物组织器官的生理机能，认识它们之间的联系、认识它们认识动物组织器官的生理机能，认识它们之间的联系、认识它们与环境互作的机制，也是动物生物化学的研究目的之一。与环境互作的机制，也是动物生物化学的研究目
6、的之一。3.3.生物化学的发展历史和现状生物化学的发展历史和现状3.1 3.1 历史回顾历史回顾 我国古代对于生物化学的发展有重要的贡献。我国古代对于生物化学的发展有重要的贡献。科学发展的道路不是平坦的，人们对事物的认识在正确与错误，科学发展的道路不是平坦的，人们对事物的认识在正确与错误，真理与谬误的斗争中前进，生物化学的发展也不例外。真理与谬误的斗争中前进，生物化学的发展也不例外。Friedrich Wohler，Eduard 和和 Hans Buchner 弟兄以及弟兄以及 J.Sumner 等与等与“生机论（生机论（vitalism）”的谬论进行了长期的争论，的谬论进行了长期的争论，“生
7、生机论机论”最后以失败告终。最后以失败告终。科学的发展也不是单枪匹马的，多学科的互相交叉与渗透、科学的发展也不是单枪匹马的，多学科的互相交叉与渗透、研究技术和实验手段的进步推动和加速了科学进步的步伐。研究技术和实验手段的进步推动和加速了科学进步的步伐。化学、物理学、细胞学、遗传学、微生物学以及电子显微镜、化学、物理学、细胞学、遗传学、微生物学以及电子显微镜、超离心（超离心（ultra-centrifugation）、色谱（）、色谱（chromatography）、同位素）、同位素示踪（示踪（isotope tracing）、）、X-射线衍射（射线衍射（X-ray reflection）、质谱）
8、、质谱（mass chromatography）以及核磁共振（）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance）等技术都为现代生物化学的发展作出了重要贡献。）等技术都为现代生物化学的发展作出了重要贡献。1953年年Watson 和和Crick描绘出了描绘出了DNA的双螺旋结构的双螺旋结构模型模型，这在生命科，这在生命科学发展历史上是一学发展历史上是一个具有里程碑意义个具有里程碑意义的重大事件的重大事件。生命科学从此进生命科学从此进入了分子生物学新入了分子生物学新时代。时代。悼悼念念克克里里克克 生物化学与分子生物学都以从分子水平上认识生物化学与分子生物学都以从分子水平上认识
9、生命、诠释生命为目标。广义地说，两者没有截然生命、诠释生命为目标。广义地说，两者没有截然的区别。只是前者注重生命有机体的化学过程，后的区别。只是前者注重生命有机体的化学过程，后者更强调生物分子的结构与功能，尤其是在遗传分者更强调生物分子的结构与功能，尤其是在遗传分子核酸方面。子核酸方面。3.2 3.2 生物化学的前景和现状生物化学的前景和现状 目前，有关生物化学的研究主要集中在以下几个方面：目前，有关生物化学的研究主要集中在以下几个方面：F 生物大分子的结构、功能与相互作用生物大分子的结构、功能与相互作用 F 基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学 F 基因表达的调节基因表达的调节 F 细胞
10、信号的传导细胞信号的传导 F 生物工程学生物工程学 分子生物学的迅速发展从根本上改变了生命科学的面貌，也极大地分子生物学的迅速发展从根本上改变了生命科学的面貌，也极大地丰富和扩展了生物化学的内涵。一方面，经典的生物化学原理不断得到丰富和扩展了生物化学的内涵。一方面，经典的生物化学原理不断得到验证，另一方面，人们对生命有机体中化学过程的认识不断更新和深化，验证，另一方面，人们对生命有机体中化学过程的认识不断更新和深化，现代生物化学的发展已经从各个方面融入了生命科学发展的主流当中。现代生物化学的发展已经从各个方面融入了生命科学发展的主流当中。v 生物大分子的结构、功能与相互作用生物大分子的结构、功
11、能与相互作用 大分子之间的相互作用；大分子结构模体（大分子之间的相互作用；大分子结构模体（motif）和结构域的独）和结构域的独特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述；蛋白质空间构象；蛋白质空间构象的正确折叠和的正确折叠和“分子伴侣分子伴侣”（molecular chaperone）的作用；磷酸化、）的作用；磷酸化、酰基化等化学修饰作用对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢信息和酰基化等化学修饰作用对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢信息和调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与基因表达的调节；调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与基因
12、表达的调节；催化核酸等。催化核酸等。信息爆炸导致了信息爆炸导致了结构生物学结构生物学（structural biology）的诞生。）的诞生。蛋白质和核酸大分子之间的相互作用蛋白质和核酸大分子之间的相互作用v 基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学 “人类基因组计划人类基因组计划”（human genome project，HGP）历经）历经10个年个年头，在进入本世纪后不久宣布完成，人类基因组的解读为疾病的诊断、头，在进入本世纪后不久宣布完成，人类基因组的解读为疾病的诊断、防治和新药的研究开发提供了有力的武器。科学家已绘制出防治和新药的研究开发提供了有力的武器。科学家已绘制出40余种生余种
13、生物的基因组图谱，基因组的研究将进入功能基因组（物的基因组图谱，基因组的研究将进入功能基因组（functional genomics）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）作为后基因组时代生命科学新的研究）作为后基因组时代生命科学新的研究领域正在崛起。它将一系列精细的技术，主要有领域正在崛起。它将一系列精细的技术，主要有2D-凝胶电泳、计算凝胶电泳、计算机图象分析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来，高通量地、机图象分析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来，高通量地、综合地定量和鉴定蛋白质。建立蛋白组的生物
14、信息数据库，将为重大综合地定量和鉴定蛋白质。建立蛋白组的生物信息数据库，将为重大病症的发生提供新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的思路病症的发生提供新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的思路。大肠杆菌中的蛋白质组大肠杆菌中的蛋白质组v 基因表达的调节基因表达的调节 1960年，年，F.Jacob和和J.Monod发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节操纵子操纵子（operon）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。真
15、核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、真核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、DNA的甲基化等化学修饰和的甲基化等化学修饰和DNA超螺旋的拓扑异构化；基因的的调超螺旋的拓扑异构化；基因的的调节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进行。行。这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。v 细胞信号的传导细胞信号的传导 第二信使学说第二信使学说 c
16、AMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+等等 G蛋白偶联系统蛋白偶联系统 G蛋白、蛋白、PKA、PKG、PKC和和TPK信号转导系统等信号转导系统等小分子气体物质小分子气体物质 NO、CO v 生物工程学生物工程学 到到70年代，重组年代，重组DNA技术（技术（Recombinant DNA technology）诞生，）诞生，人类可以按照自己的意愿改造遗传基因和操纵遗传过程。这个技术的人类可以按照自己的意愿改造遗传基因和操纵遗传过程。这个技术的规模化和工业化，就是基因工程，也称遗传工程（规模化和工业化，就是基因工程，也称遗传工程（Genetic engineering）。）。以基因工程技术为
17、核心，与现代发酵工程、细胞工程、胚胎工程、以基因工程技术为核心，与现代发酵工程、细胞工程、胚胎工程、酶工程、蛋白质工程等集合而成的生物工程学（酶工程、蛋白质工程等集合而成的生物工程学（Biotechnology），已经），已经和正在展现出其推动生产力发展的巨大潜力。和正在展现出其推动生产力发展的巨大潜力。遗传工程的工厂遗传工程的工厂4.4.与动物生产和健康的关系与动物生产和健康的关系 生物化学是生物科学，如农学、医学、畜牧、兽医、水产等的基生物化学是生物科学，如农学、医学、畜牧、兽医、水产等的基础学科之一。现代生物化学的理论和实验方法已经作为通用的础学科之一。现代生物化学的理论和实验方法已经作
18、为通用的“语言语言”与有力的与有力的“工具工具”被广泛用于生命科学的表述和研究之中。它与动被广泛用于生命科学的表述和研究之中。它与动物生理学、动物营养学、动物遗传学、动物繁殖学、药理学、动物病物生理学、动物营养学、动物遗传学、动物繁殖学、药理学、动物病理学、微生物学、免疫学、动物疾病诊断学等学科有着不可分割的联理学、微生物学、免疫学、动物疾病诊断学等学科有着不可分割的联系，因此学习和掌握生物化学的知识对于从事动物生产和动物健康事系，因此学习和掌握生物化学的知识对于从事动物生产和动物健康事业十分重要。业十分重要。v 阐明动物新陈代谢活动的规律阐明动物新陈代谢活动的规律 生理学、营养学生理学、营养
19、学v 培养优质高产的畜禽品种培养优质高产的畜禽品种 遗传育种遗传育种v 药物的作用机理研究和新药的研发药物的作用机理研究和新药的研发 药理学、毒理学药理学、毒理学v 疾病的发生和发展机理疾病的发生和发展机理 病理学、免疫学、微生物学病理学、免疫学、微生物学v 动物疫病的诊疗与防治动物疫病的诊疗与防治 临床病理与临床诊断学临床病理与临床诊断学教学安排与要求教学安排与要求（1 1）学时：）学时：7272学时学时（2 2）课外自习）课外自习（3 3）辅导与答疑）辅导与答疑 （4 4）考试方式）考试方式 闭卷考试闭卷考试参考书参考书1.王镜岩，朱圣庚，徐长法王镜岩，朱圣庚，徐长法.生物化学（第三版）生
20、物化学（第三版）.北京：高等教育出版北京：高等教育出版社，社，20022.汪玉松，邹思湘，张玉静汪玉松，邹思湘，张玉静.现代动物生物化学（第三版）现代动物生物化学（第三版）.北京：北京：高高等教育出版社，等教育出版社，20054.DL Nelson，MM Cox.Lehninger Principles of Biochemistry（3rd edition）.2000，Worth Publisher5.Berg JM,Tymoczko JL,Stryer L.Biochemistry(4th edition),2002,Freeman绪论完！绪论完！核酸 (nucleic acid)是以核苷
21、酸为基本组成单位的生物大分子,起携带和传递遗传信息的作用。核酸的分类、分布及功能核酸的分类、分布及功能 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA):90%90%以上分布于细胞核，其余分布于线以上分布于细胞核，其余分布于线粒体内。粒体内。储存和携带遗传信息。储存和携带遗传信息。核糖核酸核糖核酸(ribonucleic acid,RNA):分布于胞核、胞浆中。分布于胞核、胞浆中。参与遗传信息的表达。参与遗传信息的表达。第一节核酸的化学组成 核酸可在核酸酶的作用下水解。核酸可在核酸酶的作用下水解。一、碱基一、碱基(base)每种核酸的主要碱基都有四种。每种核酸的主
22、要碱基都有四种。碱基结构：碱基结构：五种碱基上的酮基或氨基，均位于杂环上氮原子的邻位。因此都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。二、戊糖与核苷二、戊糖与核苷戊糖结构：戊糖结构：核苷（ribonucleoside)嘌呤碱N-9或嘧啶碱N-1与核糖或脱氧核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷或脱氧核苷。三、核苷酸（nucleotide）核苷（或脱氧核苷）与磷酸通过酯键，结合构成核苷酸（或脱氧核苷酸）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸：NMP、NDP、NTP 环化核苷酸：cAMP、cGMP含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoASH
23、、FAD等都含有AMP第二节核酸的结构核酸的组成核酸核酸 nucleic acid核苷酸核苷酸 nucleotide核苷核苷 nucleoside磷酸磷酸 phosphate嘌呤碱嘌呤碱 purine base 或或 嘧啶碱嘧啶碱 pyrimidine base（碱基碱基 base）核糖核糖 ribose 或或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose（戊糖戊糖 amyl sugar）Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose(in DNA)HOCH2HOOHRibose(in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosine
24、ThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基核苷酸核苷酸u核酸是由核苷酸为基本单位形成的生物大分子u核苷酸之间是如何连接形成核酸分子的？核酸核酸核苷酸？u 核酸中核苷酸的连接方式：u 酸碱滴定结果显示，核酸分子中的磷酸基只有一级解离，因此它的另外两个酸基必定与糖环的羟基形成了磷酸二酯键。523u 酶切结果显示，RNA分子中核苷酸之间以3，5磷酸二酯键相互连接；DNA分子中只有3羟基，因此：组成核酸的核苷酸分子是以3，5磷酸二酯键彼此连接的。u 牛脾磷酸二酯酶水解5羟基形成的酯键，蛇毒磷酸二酯酶水解3羟基形成的酯键。u
25、核酸共价结构的表示方法：核酸共价结构的表示方法：结构式、结构式、竖线式、文字式竖线式、文字式DNA中多核苷酸链的一个小片段中多核苷酸链的一个小片段结构式：结构式：竖线式：竖线式：P表示磷酸基。（碱基）（碱基）竖线代表戊糖文字式文字式:DNA的结构的结构一、DNA的一级结构uDNA是由数量极其庞大的4种脱氧核糖核苷酸之间通过3,5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP)鸟嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP)胞嘧啶脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)胸腺嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP)DNA的分子量非常大，通常一个染色体就是一个DN
26、A分子，最大的染色体DNA可超过108bp，即Mr11011。如此大的分子能编码的信息量是十分巨大的。中心法则中心法则补充：补充：DNA与基因与基因DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是是DNA片段的核苷酸序列，片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。分子中最小的功能单位。可以被用做模板产生一种或者多种可以被用做模板产生一种或者多种RNA的蛋白质产物。的蛋白质产物。结构基因结构基因调节基因调节基因基因组基因组uDNA与基因与基因u 原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点1.DNA大部分为结构基因，每
27、个基因出现频率低。大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2.功能相关基因串联在一起。功能相关基因串联在一起。3.有基因重叠现象。有基因重叠现象。ABCDEFG1.1.重复序列重复序列单拷贝序列单拷贝序列：在整个在整个DNADNA中只出现一次或少数几次，中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列中度重复序列：在在DNADNA中可重复几十次到几千次。中可重复几十次到几千次。高度重复序列高度重复序列：可重复几百万次：可重复几百万次u 高度重复序列高度重复序列一般富含一般富含A-TA-T或或G-CG-C，富含，富含A-TA-T的在密度梯度离心时在离心管
28、中形成的的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体区带比主体DNADNA更靠近管口；更靠近管口；富含富含G-CG-C的更靠的更靠近管底，称为近管底，称为卫星卫星DNADNA（satelliteDNA）富含A-T富含G-C主体DNAu 真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点2.有断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。由于基因中内含子的存在。transcription
29、2.3 核酸的分子结构DNA一级结构一级结构核核酸酸分分子子中中核核苷苷酸酸的的连连接接方方式式：3 3,5,5 -磷磷酸酸二酯键二酯键u 碱基组成分析碱基组成分析 Chargaff 规则规则。u 已知核酸化学结构和核苷酸键长与键角的数据。已知核酸化学结构和核苷酸键长与键角的数据。u DNADNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析。线衍射图谱分析。DNA二级结构二级结构（双螺旋结构）的研究背景：双螺旋结构）的研究背景：二、二、DNA的二级结构的二级结构碱基组成的Chargaff规则的提出依据u DNA DNA的碱基组成具有生物种的特异性，不同物种的的碱基组成具有生物种的特异性，不同物种的DNA
30、DNA有独特的碱基组成。有独特的碱基组成。u 同物种不同组织和器官的同物种不同组织和器官的DNADNA碱基组成是一样的，不受碱基组成是一样的，不受生长发育、营养状况及环境条件影响。生长发育、营养状况及环境条件影响。uChargaff首先注意到了碱基组成的某些规律性。u1946-1950年，他用纸层析和紫外分光光度法测定了不同来源DNA中的碱基摩尔数，总结出了DNA碱基组成规律，称Chargaff规则。Chargaff规则的要点：规则的要点：1.1.腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T；2.2.鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，即鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，即 G=
31、C；3.3.含含氨氨基基的的碱碱基基（腺腺嘌嘌呤呤和和胞胞嘧嘧啶啶）总总数数等等于于含含酮酮基基（鸟鸟嘌嘌呤呤和和胸腺嘧啶）总数，即胸腺嘧啶）总数，即 A+C=G+T；4.4.嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T。u 所有所有DNA中碱基组成必定是中碱基组成必定是A=T,G=C；这一规律暗示这一规律暗示A与与T，G与与C相互配对的可能性，为相互配对的可能性，为Watson和和Crick提出提出DNADNA双螺旋结构双螺旋结构提供了重要依据。提供了重要依据。u 碱基组成分析Chargaff 规则。u 已知核酸化学结构和核苷酸键长与键角的数据。u DNA纤维的X
32、-线衍射图谱分析。DNA二级结构（双螺旋结构）的研究背景：二、DNA的二级结构DNADNA因为因为DNA分子分子太大，很难制得晶体。用针从浓的太大，很难制得晶体。用针从浓的DNA溶液中抽溶液中抽出纤维，可使出纤维，可使DNA分子成束整齐排列，即可用于衍射研究。分子成束整齐排列，即可用于衍射研究。DNADNA双螺旋结构双螺旋结构DNAdoublehelixmodelu Watson和Crick将Chargaff规则和DNA的紫外衍射图谱加以研究，并结合已有的DNA相关物理数据测定结果，提出了DNA双螺旋结构模型。uDNA A分子由两条分子由两条DNA单链组成。单链组成。uDNA的的双双螺螺旋旋结
33、结构构是是分分子子中中两两条条DNA单单链链之之间间基基团团相相互互识识别别和和作作用的结果。用的结果。u双双螺螺旋旋结结构构是是DNA二二级级结结构构的的最最基本形式。基本形式。DNA双螺旋结构的要点1.DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。2.嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。3.螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每
34、10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。4.维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律：A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。DNADNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等5.螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。6.氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。双螺旋结构模型要点(B-DNA)1.反
35、平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧.2.碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴.3.右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈.4.表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础.5.维持结构稳定的力：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定.uWatson和和Crick所建议的结构代表所建议的结构代表DNADNA钠盐在较高湿度钠盐在较高湿度(92%)制制得纤维的结构得纤维的结构B型型(B form)。由于它的水分含量较高，可能比。由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分较接近大部分DNAD
36、NA在细胞中的构象。在细胞中的构象。u 除除B型型外，还有外，还有A A型型、C C型、型、D D型、型、E E型和左手螺旋型和左手螺旋Z Z型。型。DNADNA双螺旋的不同构型双螺旋的不同构型u B-DNA螺旋：螺旋：标准的标准的Watson-Crick双螺旋，细胞正常双螺旋，细胞正常状态下状态下DNA存在的构型存在的构型(92%相对湿度钠盐中相对湿度钠盐中)。u A-DNA螺旋：螺旋：DNA在在75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。u C-DNA螺旋：螺旋：DNA在在66%相对湿度的锂盐中的构型。相对湿度的锂盐中的构型。u Z-DNA螺旋：螺旋：左手的左手的DNA螺旋，这种
37、螺旋可能在基因螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。表达或遗传重组中起作用。uZ-DNA：l左手螺旋，外形细长。左手螺旋，外形细长。l天天然然B-DNA的的局局部部区区域域可可以以形形成成Z-DNA。uB-DNA：l右手双螺旋右手双螺旋l每圈螺旋每圈螺旋10.410.4个碱基对个碱基对l螺距：螺距：3.32nm3.32nmuA-DNA：l右手双螺旋，外形粗短。右手双螺旋，外形粗短。lRNA-RNA、RNA-DNA杂杂 交交 分分子具有这种结构。子具有这种结构。Z-DNAA-DNAB-DNAu DNA的双螺旋结构被发现后不久研究者就观察到人工的双螺旋结构被发现后不久研究者就观察到人工合
38、成的寡聚核苷酸能合成的寡聚核苷酸能形成三股螺旋。形成三股螺旋。DNA的三股螺旋形式的三股螺旋形式u DNA三三股股螺螺旋旋结结构构常常出出现现在在DNA复复制制、转转录录、重重组组的的起始位点或调节位点，如启动子区。起始位点或调节位点，如启动子区。u 第第三三股股链链的的存存在在可可能能使使一一些些调调控控蛋蛋白白或或RNA聚聚合合酶酶等等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。u通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)u第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第
39、三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对配对。T=A :A,CG ：C+T=A :T CG ：GDNA双螺旋的稳定性uDNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。u维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。u双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；u介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。u改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。u 稳定稳定DNA二级结构的作用力：二级结构的作用力：氢键氢键（横向作用力）（横向作用力）碱
40、基堆积力碱基堆积力（纵向作用力）（纵向作用力）三、DNA的三级结构 DNA的三级结构是指DNA分子（双螺旋）通过进一步的扭曲和折叠所形成的特定构象（超螺旋）。u大多数原核生物大多数原核生物 ：共价封闭的环状双螺旋分子。：共价封闭的环状双螺旋分子。u 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同。盘绕方向与双螺旋方同相同。u 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反盘绕方向与双螺旋方向相反。正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形
41、解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNA环状环状DNADNA的不同构象的不同构象DNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义u 使使DNA形成高度致密的状态从而得以装入核中；形成高度致密的状态从而得以装入核中；u 推动推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。利于复制和转录。四、四、DNA与染色体的组装
42、与染色体的组装uDNA分子十分巨大，将它组装到有限空间中需高度分子十分巨大，将它组装到有限空间中需高度组织，这种组装可用组织，这种组装可用压缩比压缩比来表示来表示(Compression ratio)：指指DNA分子长度与组装后特定结构长度之比。分子长度与组装后特定结构长度之比。u在生物体内的核酸通常都是与蛋白质结合形成复合物，在生物体内的核酸通常都是与蛋白质结合形成复合物，以以核蛋白核蛋白形式存在。基因组形式存在。基因组DNA与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成染色染色体体(染色质染色质)。1.1.病毒病毒头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉噬菌体噬菌体T2T2结构结构病毒核酸位于头
43、部，由蛋白质（衣壳）包裹。病毒核酸位于头部，由蛋白质（衣壳）包裹。动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒u 细菌虽然没有真核细胞的核结构，但其遗传物质也不是完全细菌虽然没有真核细胞的核结构，但其遗传物质也不是完全散开的，细菌的染色体在细胞内紧密缠绕形成致密的小体称为散开的，细菌的染色体在细胞内紧密缠绕形成致密的小体称为拟核拟核（nucleoid）。DNA-DNA-蛋白质核心蛋白质核心平均一个突环含平均一个突环含有约有约40kpDNA40kpDNA2.2.细菌的拟核细菌的
44、拟核u 细菌的基因组为双链环状细菌的基因组为双链环状DNADNA，其上结合碱性蛋白和少量，其上结合碱性蛋白和少量RNARNA，形成许多，形成许多突环。突环。3.DNA3.DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装染染色色质质的的基基本本结结构构单单位位是是核核小小体体(nucleosome)，它它由由8 8个个组组蛋蛋白白核核心心和和外外绕绕1.8圈圈的的DNA所所组组成成。由由核核小小体体链链形形成成纤纤丝丝，进进而而折折叠叠、螺旋化，组装成不同层次结构的染色质和染色体。螺旋化，组装成不同层次结构的染色质和染色体。核小体由DNA和组蛋白构成u DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白上以负
45、超螺旋缠绕在组蛋白上u 组蛋白核心：（组蛋白核心：（H2B,H2A,H3,H4）2u H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间DNADNA的存在形式的存在形式真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组装不同组装不同层次的结构层次的结构DNA（2nm）核小体链核小体链（11nm 11nm，每个核小体，每个核小体200bp200bp）纤丝纤丝（30nm 30nm，每圈，每圈6 6个核小体）个核小体）突环突环（150nm 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp75000bp）玫瑰花结玫瑰花结（300nm 300nm，6 6个突环）个突环）螺旋圈螺旋圈（700nm 700nm，每圈，每圈
46、3030个玫瑰花）个玫瑰花）染色体染色体（1400nm 1400nm，每个染色体含每个染色体含1010个螺旋圈个螺旋圈)第三节核酸的理化性质核酸的理化性质一般物理性质DNADNA为白色纤维状固体，为白色纤维状固体，RNARNA为白色粉末状固体。为白色粉末状固体。都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大。但不溶于乙都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。DNADNA和和RNARNA在细胞中常以核酸在细胞中常以核酸蛋白复合体（核蛋白）形蛋白复合体（核蛋白）形式存在，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同。式存在，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不
47、同。DNA DNA核蛋白核蛋白 RNA RNA核蛋白核蛋白 0.14mol/LNaCl -+0.14mol/LNaCl -+1-2mol/LNaCl +-1-2mol/LNaCl +-DNADNA溶液的粘度很大，而溶液的粘度很大，而RNARNA溶液的粘度小得多。核酸发溶液的粘度小得多。核酸发生变性或降解后其粘度降低。生变性或降解后其粘度降低。核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。其沉降速度与核酸的大小和密度有关。与蛋白质相似，RNA分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有弱碱性碱基基团，因而RNA也具有两性
48、性质。由于RNA分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱基呈现弱碱性，所以RNA的等电点比较低。（当核酸分子内的酸性解离和碱性解离相等，本身所带的正电荷与负电荷相等时，此时核酸溶液的pH值即为核酸的等电点pI）RNA在其等电点时溶解度最小。RNA的等电点比较低的原因，是RNA分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。核酸的理化性质核酸的两性性质1、酸水解 核苷酸的糖苷键和磷酸二酯键均可被酸水解，但糖苷键比磷酸二酯键更易被酸水解。水解水解2、碱水解 RNA的磷酸键易被碱水解，产生核苷酸，DNA的磷酸键则不易水解，因为RNA上2-OH基，在碱作用下易形成磷酸三酯而易水解。水解第一步 第二步
49、 第三步 3、酶水解 非特异性水解多聚核苷酸链中磷酸二酯键的酶称为磷酸二酯酶，特异性水解核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶DNA水解酶（DNases）以DNA为底物，RNA水解酶（RNases）以RNA为底物。根据作用方式又分作两类：核酸外切酶和核酸内切酶。核酸外切酶的作用方式是从多聚核苷酸链的一端（3-端或5-端）开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶的作用方式刚好和外切酶相反，它从多聚核苷酸链中间开始，在某个位点切断磷酸二酯键。在分子生物学研究中最有应用价值的是限制性核酸内切酶。这种酶可以特异性的水解核酸中某些特定碱基顺序部位。3、酶水解 蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶是从不同末端降解多聚核苷酸的核
50、酸外切酶牛胰核糖核酸酶（RNase I）作用位点为嘧啶核苷-3-磷酸与其它核苷酸之间的连键，产物为3-嘧啶核苷酸；或以3-嘧啶核苷酸结尾的寡核苷酸。限制性内切酶是一类重要的作用于DNA的内切酶限制性内切酶识别部位一般都是由4-8个碱基对组成的一段序列，而且有一个二重对称轴，即5-3方向残基序列在DNA的两条链上是一样的，这样的序列称为回文结构。E.CoR I是一个重要的限制性内切酶，它识别由6个碱基对组成的特殊序列（每条链上是GAATTC）。大多数限制性内切酶都是将双链DNA切开，形成两个粘性末端（带有与另一末端互补的单链）限制性内切酶往往与一种甲基化酶同时成对的存在，它们具有相同的底物专一性