生物物理学第一章.ppt

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1、河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学1生生 物物 物物 理理 学学河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学2l1.1 分子生物物理学简介分子生物物理学简介l1.2 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能l1.3 核酸分子的结构基础核酸分子的结构基础l1.4 蛋白质分子的结构基础蛋白质分子的结构基础l1.5 蛋白质工程蛋白质工程l1.6 常用分子生物物理实验简介常用分子生物物理实验简介第1章 分子生物物理学河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学31.1 分子生物物理学简介分子生物物理学简介l1.1.1 课程简介课程简介l1.1.2 分子生物物理学简史分子生物物理学简

2、史l1.1.3 细胞的认识细胞的认识河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学41.1.1 课程简介课程简介这一章将讲述什么内容？这一章将讲述什么内容？以分子生物物理学基础知识为主，学习生物大分子如核酸与蛋白质的以分子生物物理学基础知识为主，学习生物大分子如核酸与蛋白质的结构与功能，生命信息的传递与调控；穿插生物化学和微生物学的基结构与功能，生命信息的传递与调控；穿插生物化学和微生物学的基础知识。础知识。proteinDNA河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学5l分子生物物理学是从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科，分子生物物理学是从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科，主

3、要内容为：核酸，蛋白质，主要内容为：核酸，蛋白质，细胞信号传导细胞信号传导和相关实验内容。和相关实验内容。什么是分子生物物理学？什么是分子生物物理学？河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学6Signal transduction拟南芥拟南芥紫花苜蓿紫花苜蓿MAPK:Mitogen-Activated Protein KinaseH.Hirt,Trends in Plant Science,1997.河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学7生物化生物化学学分子生物物理学分子生物物理学分子生分子生物学物学微生物微生物学学遗传遗传学学细胞学细胞学信息科信息科学学分子免疫学分子免疫学

4、分子病理学分子病理学分子病毒学分子病毒学 分子药理学分子药理学 。分子生物物理学的交叉性分子生物物理学的交叉性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学8l阅读一本经典教材阅读一本经典教材l加强专业外语的学习加强专业外语的学习l勤于思考，经常交流讨论勤于思考，经常交流讨论l学会查阅文献学会查阅文献学习方法学习方法河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学9l第一阶段：准备和酝酿阶段（第一阶段：准备和酝酿阶段（1919世纪后期到世纪后期到2020世纪世纪5050年代初）年代初）l第二阶段：现代分子生物学的建立和发展阶段（第二阶段：现代分子生物学的建立和发展阶段（1950-19701950

5、-1970）l第三阶段：初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段第三阶段：初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（1970-1970-）1.1.2 分子生物学简史分子生物学简史河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学10l18961896年年BuchnerBuchner兄弟证明酵母的无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，兄弟证明酵母的无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提第一次提出酶（出酶（enzymeenzyme）的概念。）的概念。酶是生物催化剂。酶是生物催化剂。l19201920s-1940s-1940s s一些新酶的提纯和结晶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、一些新酶的提纯和

6、结晶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素黄酶、细胞色素C C、肌动蛋白等），、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。证明酶的本质是蛋白质。l19021902年年Emil FisherEmil Fisher证明蛋白质结构是多肽证明蛋白质结构是多肽。l19401940s s，Sanger Sanger 创立二硝基氟苯（创立二硝基氟苯（DNFBDNFB）法，）法，EdmanEdman发展异硫氰酸苯酯法进发展异硫氰酸苯酯法进行行氨基酸末端序列分析氨基酸末端序列分析。l19501950年，在结晶年，在结晶X-X-射线分析技术的支持下，射线分析技术的支持下，PaulingPauling和和Cor

7、eyCorey提出了提出了-角蛋白角蛋白的的-螺旋结构模型螺旋结构模型。第一阶段第一阶段 确定蛋白质是生命的主确定蛋白质是生命的主要要基础物质基础物质河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学11l18681868年，年，F.MiescherF.Miescher发现了核素（发现了核素（nucleinnuclein）,即细胞核中的主要即细胞核中的主要部分。部分。l19201920s-1930s-1930s s，确认自然界有，确认自然界有脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)(RNA)。l19441944年，年，AveryAvery等证明了肺炎球菌等证明了肺

8、炎球菌转化因子是转化因子是DNADNA。l19521952年，年，HersheyHershey等用等用3535S S和和3232P P分别标记分别标记T2T2噬菌体的蛋白质和核酸，噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了感染大肠杆菌的实验进一步证明了DNADNA是遗传物质是遗传物质。第一阶段第一阶段 确定生命的遗传物确定生命的遗传物质是质是DNADNA河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学12l1949-521949-52年年S.FurberyS.Furbery等的等的X-X-射线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的射线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，空间构像，提出了提出

9、了DNADNA是螺旋结构是螺旋结构.l1948-19531948-1953年年ChargaffChargaff等用新的层析和电泳技术分析组成等用新的层析和电泳技术分析组成DNADNA的碱基的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNADNA碱基组成碱基组成A=TA=T、G=CG=C的的ChargaffChargaff规则规则，为碱基配对的，为碱基配对的DNADNA结构打下基础。结构打下基础。腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)第一阶段第一阶段确定生命的确定生命的物质基础是物质基础是DNADNA河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学13

10、l19531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。l遗传信息传递遗传信息传递中心法则中心法则 的建立的建立 。DNA自我复制转录转录逆转录逆转录自我复制翻译翻译RNAprotein第二阶段第二阶段 现代分子生物学的建立现代分子生物学的建立和发展阶段和发展阶段河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学14l19581958年年IngramIngram证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞(Sickle cells)(Sickle cells)溶血症溶血症病人的血红蛋白之间，其中一个亚基的肽链上仅

11、有一个氨基酸残基的差病人的血红蛋白之间，其中一个亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对别，使人们对蛋白质一级结构影响功能蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。有了深刻的印象。Normal cellsSickle cellsDNAmRNAproteinDNAmRNAprotein第二阶段第二阶段对蛋白质结构与对蛋白质结构与功能的进一步认识功能的进一步认识河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学15l19691969年年WeberWeber开始应用开始应用SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量。测定蛋白质分子量。l中国科学家在中国科学家在19651965

12、年年人工合成了牛胰岛素人工合成了牛胰岛素；在；在19731973年用年用1.8AX-1.8AX-线衍线衍射分析法测定了射分析法测定了猪猪胰岛素的空间结构胰岛素的空间结构，为认识蛋白质结构做出了重，为认识蛋白质结构做出了重要贡献。要贡献。第三阶段第三阶段重组重组DNADNA技术的建立和发展技术的建立和发展 从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或化或PCRPCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNADNA片段片段 在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。将重组

13、DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞)，并与之一起增殖。从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学17l19821982年年PalmiterPalmiter等将克隆的等将克隆的生长激素基因生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠巨鼠”l我国水生生物研究所将我国水生生物研究所将生长激素基因生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转基因鱼的转入鱼受精

14、卵，得到的转基因鱼的生长显著加快、个体增大生长显著加快、个体增大l在绵羊的受精卵中导入在绵羊的受精卵中导入凝血因子凝血因子基因基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子丰富的凝血因子，能有效地用于血友病的治疗，能有效地用于血友病的治疗第三阶段第三阶段重组重组DNADNA技术技术的建立和发展的建立和发展河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学18l19941994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场，年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场，l19961996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品

15、生产l美国最早研制得到抗虫棉花，我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制美国最早研制得到抗虫棉花，我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。第三阶段第三阶段重组重组DNADNA技术技术的建立和发展的建立和发展河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学19l人类基因组、水稻基因组、拟南芥基因组及其它重要微生物等人类基因组、水稻基因组、拟南芥基因组及其它重要微生物等5050多多种生物基因组全序列测定工作的完成种生物基因组全序列测定工作的完成l20012001年年2 2月月1212日，中、美、日、德、法、英等日，中、美、日、德、法、英等 6

16、6 国科学家和美国塞国科学家和美国塞莱拉公司，联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果，莱拉公司，联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果，l对初步分析表明，人类基因组由对初步分析表明，人类基因组由31.64731.647亿个碱基对组成，共有亿个碱基对组成，共有3 3万至万至3.53.5万个基因，比线虫仅多万个基因，比线虫仅多1 1万个，比果蝇多万个，比果蝇多2 2万个万个l现已进入后基因组计划（即功能基因组计划）时代现已进入后基因组计划（即功能基因组计划）时代第三阶段第三阶段基因组研究的发展基因组研究的发展河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学20l19751975年年KohlerKoh

17、ler和和MilsteinMilstein首次用首次用B B淋巴细胞杂淋巴细胞杂交瘤技术制备出交瘤技术制备出单克隆抗体单克隆抗体以来，人们利用这以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体。一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体。l单克隆抗体（单抗）是人体细胞单克隆抗体（单抗）是人体细胞特异地特异地识别和识别和抗击外来抗击外来“病原病原”入侵而产生的生物活性物质。入侵而产生的生物活性物质。l利用单抗特异性的识别作用而研究生产的单克利用单抗特异性的识别作用而研究生产的单克隆抗体快速诊断试纸能快速、准确、方便地对隆抗体快速诊断试纸能快速、准确、方便地对许多指标及疾病进行检测，如早孕、不孕、胎许多

18、指标及疾病进行检测，如早孕、不孕、胎儿畸型、乙肝、结核、糖尿病、淋病、梅毒、儿畸型、乙肝、结核、糖尿病、淋病、梅毒、艾滋病以及对多种癌症作出早期诊断等。艾滋病以及对多种癌症作出早期诊断等。第三阶段第三阶段 单克隆抗体的发展单克隆抗体的发展河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学21l水，盐类，离子，微量元素水，盐类，离子，微量元素l糖类糖类：主要的细胞能源物质，细胞结构物质，寡聚糖为重要：主要的细胞能源物质，细胞结构物质，寡聚糖为重要的细胞信号物质。的细胞信号物质。l脂类脂类：储能物质，代谢类物质，膜组分：储能物质，代谢类物质，膜组分l蛋白质蛋白质：组成酶类，受体，通道，孔，激素等：组成

19、酶类，受体，通道，孔，激素等l核酸核酸：核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核：核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核糖核酸糖核酸RNARNA和脱氧核糖核酸两大类和脱氧核糖核酸两大类DNADNA。细胞的化学元素组成细胞的化学元素组成1.1.3 细胞的认识细胞的认识河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学22细胞结构细胞结构内质网（细胞中各种物质运转的循环系统和膜合成者）细胞壁（动物没有！）线粒体（能量工厂，氧化磷酸化作用，合成ATP）核膜（保持核的形状）叶绿体（光合作用

20、，产生糖和氧气）核糖体（蛋白质肽链合成）染色质（即非细胞分裂期的染色体，由DNA、组蛋白等组成）cytoplasm 细胞质高尔基体（蛋白质、脂类修饰和运输，糖类合成和细胞分泌）细胞膜（隔离，细胞内外物质交换，分子位点识别等）河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学23l l1.2.1 生物大分子概述生物大分子概述生物大分子概述生物大分子概述l l1.2.2 细胞中的非共价相互作用细胞中的非共价相互作用细胞中的非共价相互作用细胞中的非共价相互作用l l1.2.3 细胞内的有机分子细胞内的有机分子细胞内的有机分子细胞内的有机分子1.2 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能河北工业大学

21、河北工业大学 生物物理学生物物理学24l分子（分子（moleculemolecule）：被共价键缚在一起的一簇原子。：被共价键缚在一起的一簇原子。l核外共用电子对形成负电性的电子云，与带正电的原子核之间形核外共用电子对形成负电性的电子云，与带正电的原子核之间形成静电引力和斥力的平衡，此时原子核之间的距离称成静电引力和斥力的平衡，此时原子核之间的距离称键长键长（bond lengthbond length）。l打开化学键所必需的能量称打开化学键所必需的能量称键能键能(bond strength)(bond strength)。1.2.1 基本概念基本概念河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物

22、理学25l构型（构型（configurationconfiguration）：分子在立体异构体中的取代原子和基团：分子在立体异构体中的取代原子和基团以共价键相连时，它们的空间取向。构型的改变，一定有以共价键相连时，它们的空间取向。构型的改变，一定有共价键的共价键的断裂和手性的改变断裂和手性的改变。GlyceraldehydeGlyceraldehyde:甘油醛甘油醛 AldoseAldose：醛糖：醛糖构型构型河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学26l构象（构象（conformationconformation）：组成分子的原子或基团围绕共价：组成分子的原子或基团围绕共价单键旋单键旋

23、转转而形成的不同的空间排布。而形成的不同的空间排布。l体系达到的最稳定的体系达到的最稳定的空间结构空间结构即为构象。即为构象。FigureDynein（动力蛋白）力蛋白）Head-DomainModel.ATPisboundinthefirstofsixP-loopNTPasedomains(numbered)inthismodelfortheheaddomainofdynein.ThemodelisbasedonelectronmicrographsandthestructuresofothermembersoftheAAAATPasefamily.http:/www.ncbi.nlm.ni

24、h.gov/books/bv.fcgi?rid=stryer.figgrp.4863构象构象河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学27l单键可绕轴作旋转，双键键长更短，键能更大，但不能旋转。单键可绕轴作旋转，双键键长更短，键能更大，但不能旋转。FigureCarbon-carbondoublebondsandsinglebondscompared.(A)Theethanemolecule,withasinglecovalentbondbetweenthetwocarbonatoms,illustratesthetetrahedralarrangementofsinglecovalent

25、bondsformedbycarbon.OneoftheCH3groupsjoinedbythecovalentbondcanrotaterelativetotheotheraroundthebondaxis.(B)Thedoublebondbetweenthetwocarbonatomsinamoleculeofethene(ethylene)altersthebondgeometryofthecarbonatomsandbringsalltheatomsintothesameplane(blue);thedoublebondpreventstherotationofoneCH2groupr

26、elativetotheother.单双键单双键河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学28l水占细胞重量的水占细胞重量的70%70%，多数细胞反应在水中进行，生命起源于海，多数细胞反应在水中进行，生命起源于海洋。洋。l亲水分子：带部分电荷，易与水分子形成氢键的分子。如亲水分子：带部分电荷，易与水分子形成氢键的分子。如DNADNA，RNARNA，糖，多数蛋白质。，糖，多数蛋白质。l疏水分子：不带电荷，不易形成氢键的分子。如多数碳氢化合物。疏水分子：不带电荷，不易形成氢键的分子。如多数碳氢化合物。亲水与疏水分子亲水与疏水分子河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学29l在含有在含有H

27、 H的极性分子中，的极性分子中，H H把大部分电荷给了其配基，水溶液中把大部分电荷给了其配基，水溶液中形成形成H H3 3O O+(水合氢离子水合氢离子)。l酸：溶于水时酸：溶于水时释放释放H H+形成形成H H3 3O O+的物质。的物质。HH3 3O O+愈大，酸性愈强。愈大，酸性愈强。l碱：溶于水时碱：溶于水时结合水中的结合水中的H H+，使水溶液释放，使水溶液释放OHOH-的物质。的物质。OHOH-愈大，碱性愈强。愈大，碱性愈强。l纯水：纯水：HH3 3O O+=10=10-7-7 ，OHOH-=10=10-7-7l 任何水溶液在标准状况下，任何水溶液在标准状况下，HH3 3O O+*

28、OH*OH-=10=10-14-14酸和碱酸和碱河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学30l共价键的强度是其他原子间引力的共价键的强度是其他原子间引力的10-10010-100倍，分子边界由共价倍，分子边界由共价键界定。键界定。l生物分子之间的相互结合多数依赖于非共价相互作用力：离子生物分子之间的相互结合多数依赖于非共价相互作用力：离子键、氢键、范德华力和疏水相互作用。键、氢键、范德华力和疏水相互作用。l离子键：相反电性原子间纯静电相互作用。离子键：相反电性原子间纯静电相互作用。l无水时，离子键极强；但在水溶液中，正负离子（或偶极离子）无水时，离子键极强；但在水溶液中，正负离子（或偶极

29、离子）分别被水分子包围，离子之间的引力大大削弱。分别被水分子包围，离子之间的引力大大削弱。1.2.2 细胞中的非共价相互作用细胞中的非共价相互作用河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学31l氢和非共价结合原子间的极性相互作用形成氢键。氢和非共价结合原子间的极性相互作用形成氢键。氢键氢键河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学32l范德华力（范德华力（van van derder Waals force Waals force）：原子周围电子云的波动形成）：原子周围电子云的波动形成一个不断变换的偶极，偶极子诱导临近原子瞬时形成相反的偶极，一个不断变换的偶极，偶极子诱导临近原子瞬时形

30、成相反的偶极，原子间的这种引力叫做范德华力。原子间的这种引力叫做范德华力。范德华范德华半径半径范德华力范德华力河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学33l疏水相互作用（疏水相互作用（hydrophobic interactionhydrophobic interaction）：疏水基团或分子）：疏水基团或分子出于避开水的需要而被迫接近的作用。出于避开水的需要而被迫接近的作用。疏水相互作用疏水相互作用河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学34糖糖脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸1.2.3 细胞内的有机分子细胞内的有机分子河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学35l单糖

31、结构式单糖结构式(C(C6 6H H1212O O6 6)n n,n=3,n=3，4 4，5 5，6 6，7 7，8 8。l糖含有一些糖含有一些-OH-OH，一个，一个-CHO-CHO或或-CO-CO，可分子内成环；多个单糖可通，可分子内成环；多个单糖可通过糖苷键形成多糖。过糖苷键形成多糖。单糖单糖河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学36l脂肪酸由烃链和羧基组成。脂肪酸由烃链和羧基组成。l左图为棕榈酸。左图为棕榈酸。脂肪酸脂肪酸河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学37河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学38l脂肪酸是压缩的能量储存单元，脂肪酸是压缩的能量储存单元，

32、1g1g脂肪酸能降解产生的能量相脂肪酸能降解产生的能量相当于当于6g6g葡萄糖降解能。葡萄糖降解能。l三酰甘油是主要的储能形式，在动物中为肌肉、黄油和乳酪，三酰甘油是主要的储能形式，在动物中为肌肉、黄油和乳酪，植物为玉米油、橄榄油等。植物为玉米油、橄榄油等。l三酰甘油可水解生成脂肪酸链。三酰甘油可水解生成脂肪酸链。l脂肪酸最主要的功能是构成细胞膜，磷脂双分子层。脂肪酸最主要的功能是构成细胞膜，磷脂双分子层。脂肪酸的作用脂肪酸的作用河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学391.3 核酸分子的结构基础核酸分子的结构基础l1.3.1 核酸的结构单元核酸的结构单元l1.3.2 DNA的高级结构

33、的高级结构l1.3.3 RNA的高级结构的高级结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学40l生命体的遗传信息都储存于核酸分子生命体的遗传信息都储存于核酸分子中。中。l核酸包括脱氧核糖核酸（核酸包括脱氧核糖核酸（DNADNA）和核）和核糖核酸（糖核酸（RNARNA）。）。lDNADNA分子为线性双链，每条链均由四分子为线性双链，每条链均由四种单体种单体A A（腺嘌呤）、（腺嘌呤）、T T（胸腺嘧啶）、（胸腺嘧啶）、C C（胞嘧啶）和（胞嘧啶）和G G（鸟嘌呤）聚合而成。（鸟嘌呤）聚合而成。1.3.1 核酸的结构单元核酸的结构单元河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学41lDNA

34、DNA双链由核苷酸（双链由核苷酸（nucleotidenucleotide）单体组成，它包括三部分：）单体组成，它包括三部分：l磷酸基团磷酸基团(phosphate)(phosphate)l脱氧核糖（脱氧核糖（deoxyribosedeoxyribose)l碱基（碱基（basebase）DNA分子结构分子结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学42碱基：嘌呤和嘧啶碱基：嘌呤和嘧啶河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学43l每个糖基用磷酸基团和另外一个相连，形成重复的糖基每个糖基用磷酸基团和另外一个相连，形成重复的糖基-磷酸磷酸骨架，向内连有碱基。骨架，向内连有碱基。lDNAD

35、NA合成是严格根据模板序列，按照碱基互补配对原则进行的，合成是严格根据模板序列，按照碱基互补配对原则进行的，即即A A结合结合T T，C C结合结合G G。l两条链彼此缠绕，形成双螺旋。两条链彼此缠绕，形成双螺旋。连接方式连接方式河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学44核酸骨架结构核酸骨架结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学45双双键键三三键键Watson-CrickBasePairs河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学46DNAanditsbuildingblocks河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学47l两条链之间的碱基通过氢键相连，弱于糖基和

36、磷酸基团之间两条链之间的碱基通过氢键相连，弱于糖基和磷酸基团之间的共价键，所以的共价键，所以DNADNA双链可以打开。双链可以打开。lDNADNA单链可以作为模板，来合成新的相同的单链可以作为模板，来合成新的相同的DNADNA双链分子。双链分子。DNA复制复制河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学48RNA的结构的结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学49l以一段以一段DNADNA序列的序列的其中其中一条链（模板链）为模板，按照碱基互补一条链（模板链）为模板，按照碱基互补配对原则，重复地合成同样的配对原则，重复地合成同样的RNARNA。从从DNA转录成转录成RNA河北工业大

37、学河北工业大学 生物物理学生物物理学50lIn1989,SidneyAltmanandThomasR.CechsharedtheNobelPrizeinChemistryfortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA.lCechwasstudyingthesplicingofRNAinalunicellularorganismcalledTetrahymenalThermophila（四膜虫）.HefoundthattheprecursorRNAcouldspliceinvitrointheabsenceofproteins.2000NatureAmer

38、icaInc.http:/RNA催化功能的发现催化功能的发现河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学51l信使信使RNARNA（mRNAmRNA）上的信息每）上的信息每次读取三个核苷酸，为三联次读取三个核苷酸，为三联密码子（密码子（codoncodon）。）。l密码子的密码子的简并性简并性（degeneracydegeneracy）。RNA翻译成蛋白质翻译成蛋白质1 12 23 3UCAGUPheSerTyrCysUPheSerTyrCysCLeuSerStopStopALeuSerStopTrpGCLeuProHisArgULeuProHisArgCLeuProGlnArgALeuPr

39、oGlnArgGAIleThrAsnSerUIleThrAsnSerCIleThrLysArgAMetThrLysArgGGValAlaAspGlyUValAlaAspGlyCValAlaGluGlyAValAlaGluGlyG河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学52l真核细胞的真核细胞的DNADNA分布于一套染色体中。如人类染色体（约分布于一套染色体中。如人类染色体（约3.2*103.2*109 9ntnt）分布于）分布于2424条不同的染色体中。条不同的染色体中。l每条染色体含有一条极长的线性每条染色体含有一条极长的线性DNADNA分子，蛋白质将细长的分子，蛋白质将细长的DNAD

40、NA分子折叠成紧凑的结构，分子折叠成紧凑的结构，DNADNA和蛋白质的复合体称为和蛋白质的复合体称为染色质染色质。l除了一些高度专化缺少除了一些高度专化缺少DNADNA的细胞（如血红细胞），每个人体细的细胞（如血红细胞），每个人体细胞每条染色体都含有两个拷贝，一个来自母亲，另一个来自父胞每条染色体都含有两个拷贝，一个来自母亲，另一个来自父亲，互称同源染色体。唯一不成对的是性染色体。亲，互称同源染色体。唯一不成对的是性染色体。l每个人体细胞都含有每个人体细胞都含有4646条染色体条染色体2222对男女相同，还有两个对男女相同，还有两个性染色体（男性染色体（男XYXY，女，女XXXX）。）。1.3

41、.2 DNA的高级结构的高级结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学53人类染色体人类染色体河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学54l基因基因(gene)(gene)通常指一段包含一种（或一组密切相关的）特定通常指一段包含一种（或一组密切相关的）特定蛋白质信息的蛋白质信息的DNADNA，。，。l细菌和一些单细胞真核生物包含特别紧凑的基因组。细菌和一些单细胞真核生物包含特别紧凑的基因组。l然而，许多真核基因组在基因序列之外含有大量散在的多余然而，许多真核基因组在基因序列之外含有大量散在的多余DNADNA。它们有时也叫垃圾。它们有时也叫垃圾(junk)DNAjunk)DNA，它

42、们有调节基因表达等，它们有调节基因表达等作用。作用。染色体包含长串的基因染色体包含长串的基因河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学55酿酒酵母的基因组酿酒酵母的基因组河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学56l通常，生物越复杂，基因组越大，但由于多余通常，生物越复杂，基因组越大，但由于多余DNADNA数量有差别，数量有差别，这种关系并不系统。例如，人类基因组是酵母的这种关系并不系统。例如，人类基因组是酵母的200200倍，是某倍，是某些植物和两栖动物的些植物和两栖动物的1/301/30，一种阿米巴虫的，一种阿米巴虫的1/2001/200。l基因组对染色体数的比例在不同的物种中有

43、区别，即使是基因基因组对染色体数的比例在不同的物种中有区别，即使是基因组大小相似的近亲物种也有很大组大小相似的近亲物种也有很大差别差别。基因组的复杂性基因组的复杂性河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学57毛冠鹿毛冠鹿FigureTwocloselyrelatedspeciesofdeerwithverydifferentchromosomenumbers.IntheevolutionoftheIndianmuntjac,initiallyseparatechromosomesfused,withouthavingamajoreffectontheanimal.Thesetwospec

44、ieshaveroughlythesamenumberofgenes.(AdaptedfromM.W.Strickberger,Evolution,3rdedition,2000,Sudbury,MA:Jones&BartlettPublishers.)河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学58l有丝分裂期染色体高度压有丝分裂期染色体高度压缩、分开并分布于两个姐缩、分开并分布于两个姐妹细胞核中，这个时期的妹细胞核中，这个时期的染色体叫做有丝分裂期染染色体叫做有丝分裂期染色体。色体。l当细胞不分裂时，染色体当细胞不分裂时，染色体伸展，这个时期的染色体伸展，这个时期的染色体叫做间期染色体。

45、叫做间期染色体。不同细胞生活期染色体不同细胞生活期染色体河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学59l为将一个拷贝的染色体传递给细胞分裂期的姐妹细胞，每条染色为将一个拷贝的染色体传递给细胞分裂期的姐妹细胞，每条染色体必须能够复制，再正确地分给两个姐妹细胞。这些基本功能体必须能够复制，再正确地分给两个姐妹细胞。这些基本功能被三类专化的核苷酸序列所控制。被三类专化的核苷酸序列所控制。l酵母的实验结果确定了负责以上每种功能的元件。酵母的实验结果确定了负责以上每种功能的元件。l其中一种为其中一种为DNADNA复制起始位点复制起始位点，在这些位置，在这些位置DNADNA复制开始。真核染复制开始。真

46、核染色体包含很多起始位点保证快速复制。色体包含很多起始位点保证快速复制。l另一种专化的另一种专化的DNADNA序列称为着丝粒，允许每个复制的染色体拷贝序列称为着丝粒，允许每个复制的染色体拷贝被拉向每个姐妹细胞。一个称为动粒（被拉向每个姐妹细胞。一个称为动粒（kinetochorekinetochore）的蛋白质）的蛋白质复合体形成于着丝粒上。复合体形成于着丝粒上。l第三种专化的第三种专化的DNADNA序列为端粒。序列为端粒。线性染色体包含三种元件线性染色体包含三种元件河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学60着丝粒着丝粒端粒端粒复制起始位点复制起始位点线性染色体包含三种元件线性染色体包

47、含三种元件河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学61l信使信使RNARNA（message RNA,mRNAmessage RNA,mRNA）：用三联密码子携带）：用三联密码子携带DNADNA的遗的遗传信息。传信息。l转运转运RNARNA（transfer RNA,transfer RNA,tRNAtRNA）：每种氨基酸都有其特异类）：每种氨基酸都有其特异类型的型的tRNAtRNA，能结合相应的氨基酸，并将其运往生长肽链的末，能结合相应的氨基酸，并将其运往生长肽链的末端。端。l核糖体核糖体RNA(ribosomalRNA(ribosomal RNA,RNA,rRNArRNA)和一些蛋白

48、质一起形成核和一些蛋白质一起形成核糖体。糖体。1.3.3 RNA的高级结构的高级结构河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学62FigureLeader（前导）（前导）RegionofTRPmRNA.(A)Thenucleotidesequenceofthe5endoftrpmRNAincludesashortopenreadingframethatencodesapeptidecomprising14aminoacids;theleaderencodestwotryptophanresiduesandhasanuntranslatedattenuatorregion(blueandre

49、dnucleotides).(BandC)Theattenuatorregioncanadopttwodistinctstem-loopstructures.TRPmRNA河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学63FigureGeneralStructureoftRNAMolecules.ComparisonofthebasesequencesofmanytRNAsrevealsanumberofconservedfeatures.FigureL-ShapedtRNAStructure.Askeletalmodelofyeastphenylalanyl-tRNArevealstheL-

50、shapedstructure.TheCCAregionisattheendofonearm,andtheanticodonloopisattheendoftheother.FigureHelixStackingintRNA.ThefourhelicesofthesecondarystructureoftRNAstacktoformanL-shapedstructure.tRNA（三叶草结构）河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学64rRNA河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学65l1.4.1蛋白质基本知识蛋白质基本知识l1.4.2 蛋白质四级结构概述蛋白质四级结构概述l1.