第二章 核酸和蛋白质的结构和功能

第一节 、 DNA------- 遗传的物质基础

一、 DNA 是遗传物质的实验证据1 、肺炎球菌的转化现象

两种类型：光滑的 S 型（ Smooth ）有毒

粗糙的 R 型（ Rough ） 无毒

Griffith 的转化实验

转化：将无毒的 R 型菌在加热杀死的 S 型菌的作用下，转化为有毒的 S 菌，称为转化。

1944 年 Avery 重复了上述实验：确认转化物为DNA

S 菌 抽 提 物

DNA 酶处理 蛋白酶处理

不起转化作用 转化率不受影响

1949 年将 Pr 污染降至〈 0.02%

DNA 纯度越高，转化率越高

2 ． T2 噬菌体的侵染实验1952 年 Hershey 的实验：

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说明： 1 ）进入细菌的只是 DNA 而蛋白质留在外面

2 ）噬菌体 DNA 借用细菌的复制机制，大量复制噬菌 体 DNA ，并翻译出其蛋白质，最终组装成子代 T2 。

只有 DNA 是世代间的连续物质。

二、 DNA 的结构

（一） DNA 的基本结构单位 ------- 核苷酸

一分子碱基 嘌呤： A ， G

嘧啶： C ， U ， T

一分子戊糖： 核糖： RNA

脱氧核糖： DNA

一分子磷酸：

2. 核苷酸的分类

单核苷酸： 核苷 + 一分子磷酸二磷酸核苷酸：核苷 + 二分子磷酸

三磷酸核苷酸：核苷 + 三分子磷酸

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（二） DNA 的结构

1. DNA 的一级结构：指 DNA 分子中核甘酸的排列顺序

（ 1 ）四种脱氧核糖核苷酸通过 3 ＇， 5 ＇ - 磷酸二酯键聚合成直线（真核生物）或环型 DNA 分子（细菌和噬菌体）。（ 2 ）核苷酸长链具有方向性（极性）

5 ＇端：戊糖 5 ＇位有 -OH 或磷酸3 ＇端：戊糖 3 ＇位有 -OH

书写方向： 5 ＇ 3 ＇

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2 。 DNA 的二级结构

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2 ． DNA 的二级结构：双螺旋结构

（ 1 ）双螺旋结构的主要内容A ：两条链反向平行 5 ＇　　３＇

３＇　　５＇B ：右手螺旋为主，局部有左螺旋

C ：碱基在内侧，磷酸和戊糖在外侧（疏水） （亲水）

D ：碱基互补配对：氢键（ A=T ， G=C ）E ：形成两条沟（对ｐｒ与ＤＮＡ的相互识别很重要） 大沟：两个螺旋之间

小沟：两条链之间

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(2) 、ＤＮＡ的变性和复性

变性：导致ＤＮＡ双螺旋结构破坏，使双链分开 成单链的过程，称为变性．

条件：加热，　　极端酸碱，　高盐溶液等

热变性（溶解 Melting ）：加热引起的变性

将 50%DNA 分子变性时的温度称溶解温度（ Tm ）：

GC 含量 Tm

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复性：变性的 DNA 在去除变性因素后，通过碱基配对， 恢复成双螺旋结构，这一过程称为复性。

退火（ annealing ）：热变性的 DNA 在温度缓慢降低 时的复性。

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3 、 DNA 的三级结构：超螺旋结构

（ 1 ）原核生物 （图 2-8 ）：大部分原核生物 DNA 都是 环状的

开放环状 DNA （ open circular DNA ）： 双链 DNA 中的一条链有缺口

闭合环状 DNA （ closed circular DNA ）：

正螺旋（顺时针方向，自然界无）

负超螺旋（逆时针）

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核小体 ----- 螺线管 ----- “ 袢环”（每个袢环包含 315 个核小体）

沿染色体纵轴（由非组蛋白所构成的支架），由中央向四周伸出，构成放射环，环基部在中央集中并与非组蛋白轴相连

-----

----- 每 18 个袢环呈放射平面排列成一圈，形成 1 个微带

----- 约 106 个微带沿纵轴构建成染色单体。（如图）

A ：袢环模型

（ 2 ）真核生物：染色体（分裂期） -- 染色质（间期）

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2 nm – DNA 双螺旋

10 nm – 核小体（连接成染色质“串珠”）

30 nm – 螺线管

300 nm – 袢环Ⅰ

700 nm – 袢环Ⅱ

1400 nm – 染色体

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B ：染色质（间期）与染色体（分裂期）：同一物质

结构（图 2-10 ）：长（ q ）、短（ P ）臂

着丝粒

端粒

核型（图 2-11 ：）：生物体细胞中的全套染色体

分类（图 2-12 ）：中央着丝粒染色体 亚中央着丝粒染色体 近端着丝粒染色体

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G 带核型（如图）

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三、基因的结构

基因：一段有功能的 DNA 片段

1 、原核生物基因的结构 : 操纵子

DNA1 2 3

29乳糖操纵子

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（ 1 ）结构基因：外显子 + 内含子

2 、真核生物基因的结构（图 2-14 ）

（ 2 ）顺式调控元件：（ cis-acting elements ）

指与基因表达的调控有关，能与转录因子结合的 DNA 序列。

主要有： 启动子：真核生物： TATA box 上游启动子元件 反应元件 增强子 加尾信号

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上游启动子元件（ upstream promoter elements ）： 位于 TATA box 上游

主要有： CAAT box ， CACA box ， GC box

反应元件：与信息分子的受体结合

增强子：位置灵活，内含负增强子（ negative enhancer ）

加尾信号：最后一个外显子的一段保守 AATAAA 序列

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3 、基因与 DNA 的关系

DNA

gene1 gene2

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第二节 RNA 的结构一、组成成分

碱基： A 、 U 、 G 、 C

戊糖：核糖磷酸

二、 RNA 的分类

mRNA 、 tRNA 、 rRNA 、 SnRNA 、 ScRNA 等

1 、 mRNA （ messenger RNA ）

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（ 1 ）原核细胞 mRNA 的特点：（图 2-15 ）

顺反子（ cistron ）：由结构基因转录生成的 mRNA 真核生物：单顺反子

原核生物：多顺反子

A ：原核生物往往是多顺反子 .

B ： mRNA ５＇端无帽子（ cap ）结构，３＇端一般无 poly A.

C ：一般没有修饰碱基

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5’pppG AUG(GUG) UAG AUG UAA AUG UAG AOH 3‘

Ａ蛋白顺反子

外壳蛋白顺反子

复制酶顺反子

非翻译区

与核蛋白体结合部位

原核 mRNA 的一级结构模式（噬菌体 MS2 的结构）

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（ 2 ）真核生物 mRNA 结构的特点 : ( 图 2-16)

m7GpppNm(Nm) AUG 　　 翻译区UGA

UAA

UAG

AAUAAA

>100

AAAAnAOH

3’

20-200

5’

与核蛋白体结合部位

m6A m6A

非翻译区

真核 mRNA 的 一级结构模式（哺乳动物）

39D ：一般有修饰碱基 ( 甲基化

)

A ：真核生物往往是单顺反子 .B ： mRNA ５＇端有帽子（ cap ）结构 ( 图 2-17).

C ：３＇端一般有 20bp-300bp(base pair) 的 poly A.

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2. tRNA(transfer RNA) : 约占总 RNA 的 15% 左右 .

特点 :

A ：单链小分子 , 73-93bp.B ：有修饰碱基和稀有碱基 .C ：５＇端总是磷酸化 (pG), ３＇端为 CPCPAOH 序列 .D ：可形成三叶草型的二级结构 .E ：三级结构为倒 L 型

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3. rRNA (ribosomal RNA): 组成核糖体的主要成分最丰富 , 约占总 RNA 的 >80%

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4. 具有催化活性的 RNA: 核酶 (ribozyme)

P16

5. 核内不均一 RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)

真核细胞 mRNA 的前体

6. 小分子核内 RNA(small nuclear RNA, SnRNA)

真核生物内 , 长度 <300bp, 序列高度保守 不单独存在 , 常与 Pr 形成 SnRNP (small nuclear ribonucleoprotein particle)

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7. 反义 RNA(antisense RNA) : 碱基序列正好与 mRNA 互补的 RNA

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第三章： 蛋白质 ----- 生命活动的执行者一、蛋白质的结构 ： 四级1 、一级结构 指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序

决定了蛋白质的空间结构

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2 ．空间结构：立体结构、高级结构（ 1 ）二级结构 : 多肽链内部通过次级键形成的结构

主要有 : - 螺旋 (-helix) -折叠 (-pleated sheet) 无规则卷曲 (random coil) - 螺旋 (-helix)

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超二级结构 (super secondary structure):

二级结构组合在一起形成的结构称 (motif)

目前有三种基本形式 : - 螺旋组合 () - 螺旋折叠组合 ()

折叠组合 ()

结构域 (domain):

超二级结构形成紧密、稳定而且在蛋白质分子构象上可明显区分的区域。

由多个 motif 组成

模体（ motif ）

属三级结构

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（ 2 ）三级结构： 亚基

指蛋白质分子的一条多肽链在二级结构的基础上进一步 折叠形成的空间结构。

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（ 3 ）四级结构：两条以上多肽链组成完整的蛋白质

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二、蛋白质—蛋白质相互作用 酶 ---底物

其生物学功能： 抗原 ---抗体 配体 --- 受体

基础：两分子间有相互作用部位（称结合位点） 主要是：各种 motif 或结构域

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三、蛋白质 ----DNA 相互作用

DNA （顺式作用元件）：启动子，增强子等蛋白质（反式作用因子）： DNA 结合蛋白

调节基因的表达

具有特殊的 motif 锌指结构 P25螺旋 - 转角 - 螺旋

大多数与 DNA 的大沟结合

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