分子基础和基本概念

Amino acid
氨基酸
H O
• •
α 组成： – 两性化合物：两性电解质 H2N－C－C －OH 种类： R – 非极性氨基酸 – 不带电荷的极性氨基酸 – 带正电荷的极性氨基酸 – 带负电荷的极性氨基酸 功能： – 构建蛋白质分子：蛋白质结构单元
•
氨基酸的基本种类
名 称 英文缩写 名 称 英文缩写 名 称 英文缩写 名 称 英文缩写 丙氨酸 谷氨酸
无机化合物
水（游离水、结合水）
无机盐 氨基酸 有机小分子 核苷酸 单糖
脂肪酸
有机化合物
有机大分子
核酸
蛋白质 多糖 酶 脂类
细胞的有机小分子
Component of the cell
• 种类： – 单糖 – 脂肪酸 – 氨基酸 – 核苷酸 功能： – 构建生物有机大分子物质 – 代谢中间产物 – 执行特定功能
核糖
碱基
磷酸 核苷酸
A、G、C、T
磷酸 dAMP、dGMP dCMP、dTMP
A、G、C、U
磷酸 AMP、GMP CMP、UMP
DNA双螺旋结构模型 Waston & Crick(1953)

两条反向平行互补核苷酸长链形成右手双螺旋； 脱氧核糖和磷酸基团位于长链外侧，碱基位于长 链内侧


碱基互补配对原则
螺旋结构在空间分布上具有不均一性，形成大沟
和小沟
DNA双螺旋结构
DNA双链通过碱基互补配对形成双螺旋结构。
碱基 脱氧核糖 DNA主链
小沟
大沟
DNA － 蛋 白 质 相 互 作 用
DNA的主要功能
储存、复制和传递遗传信息
DNA的半保留复制 (semi-conservative replication)
细胞分子基础和基本概念
• 细胞的化学与分子组成 • 细胞的形成和进化 • 原核细胞与真核细胞
细胞分子基础和基本概念
• 细胞的化学与分子组成 • 细胞的起源和进化 • 原核细胞与真核细胞
细胞的化学与分子组成
Component of the cell
原生质
• • • 原生质 无机化合物 有机化合物
转运RNA
(transfer RNA，tRNA）

占细胞总RNA的5%-10% 分子较小，70-90nt 含稀有碱基 单链局部折叠成发夹结构，呈三叶草形 3’端有CCA，能结合特定氨基酸 具反密码环，能与mRNA上密码子互补结合

每种tRNA转运一种特定氨基酸，参与蛋白质合成
tRNA单链局部折叠成发夹结构，呈三叶草形；3’端有CCA，能结 合特定氨基酸；具反密码环，能与mRNA上密码子互补结合；每种 tRNA转运一种特定氨基酸，参与蛋白质合成。
具发夹结构（茎环结构）
普遍存在于生物界，高度保守性

抑制靶基因的蛋白质合成或促使其mRNA降
解，调控基因表达
微小RNA（microRNA，miRNA）
70-90nt
转运至胞质
21-25nt
诱导基因沉默复合物
核酶（ribozyme)

具有酶活性的RNA 参与RNA的剪接过程
颠覆酶的本质就是蛋白 质的概念，为生命起源探 索提出新见解。 小核RNA（snRNA）， 参与基因转录的加工过程
N H H
糖苷键
O H 3 OH H 2 OH
OH
4 H2O H
1
OH
H2O
核糖
无机磷酸 核苷酸 核苷
碱基
5
OH
O＝P—O
OH
5 H2C
4 H
H O
H 3 O
H 2 H
1
H
极性分子
3,5-磷酸二酯键
O＝P—O
OH
5 H2C 4 H
H
O
H
3 OH
H
2 H
1 H
3
从单核苷酸到多核苷酸链
（氢键、离子键、疏水键等）
具有生物学活性
75%
蛋白质的结构
quaternary structure
四级结构
• 一条以上多肽链构成，结构更为复杂
•
•
每个独立的三级结构成为功能亚基(亚单位)
亚单位间通过氢键等非共价键相互作用
血红蛋白的四级结构
细胞的生物大分子
（二）蛋白质 (protein)
• 蛋白质的结构
细胞的生物大分子
核酸 (nucleic acid)
• 种类： - 脱氧核糖核酸(DNA) - 核糖核酸(RNA) - mRNA - rRNA - tRNA - snRNA,hnRNA 功能： - 遗传信息的贮存、传递和表达 - 催化功能
•
DNA与RNA在化学组成上的异同
DNA
戊糖 脱氧核糖
RNA
•
二硫键的位置和数目
蛋白质的结构
Secondary structure
二级结构
• 主链内的氨基酸残基间形成氢键
•
•
螺旋、片层、三股螺旋
球状蛋白和纤维状蛋白
蛋 白 质 二 级 结 构
螺旋
亚氨基
氢键 羰基
片层
蛋白质的结构
tertiary structure
三级结构
• • 侧链非共价键或分子间相互作用
• • • • 催化高效性 高度专一性 高度不稳定性 可调节性
细胞的生物大分子
（三）糖类 (carbohydrate)

主要由C、H、O三种元素组成
又称为碳水化合物。
简单糖类 单糖
糖类
复合糖类
多糖
糖蛋白 糖脂
糖类
单糖（monosaccharide）
• 种类： – 核糖和脱氧核糖 – 葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、甘露糖 功能： – 构成生物大分子 – 能源物质
主要与信息的传递有关。

脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)
携带着控制细胞生命活动的全部信息。
核酸的化学组成
核苷酸 的组成

戊糖 碱基 磷酸
核酸的化学组成
核苷酸的组成
戊糖 碱基
HOCH2
D-核糖 D-2-脱氧核糖
O
OH HOCH2
O
OH
磷酸
H H H H
H H
H H
OH
OH
OH
H
核酸的化学组成
核苷酸的组成
戊糖 碱基
嘌呤
腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶
(adenine, A) (guanine, G) (cytosine, C)
磷酸
嘧啶
胸腺嘧啶 (thymine, T) 尿嘧啶 (uracil, U)
5 6
4 1
3
N
2
碱基
OH
磷酸酯键
5 O＝P—OH OH H2C
6
H N
7 8 CH 9
5 4
N
1 2
6 3
H N
5 4
7
8CH 9
3
N 5 O－CH2 4 O
N
NH2
N O
N
5 O－CH2
H
H
2 OH
1
4
H
H
2 OH
1
H HO—P＝O 3 O
H
HO—P＝OH 3 O
H
3,5-环化腺嘌呤 (cAMP)
3,5-环化鸟苷酸 (cGMP)
细胞的有机小分子
N－端
O
H2O
O
H2O
O
C－端
NH2－CH－C－OH NH2－CH－C－OH NH2－CH－C－OH R1
肽键 R1 肽键 R1
二肽
氨基酸残基 主链与侧链 极性分子
三肽
从氨基酸到多肽链
蛋白质的结构
Primary structure
O
一级结构
•
NH2－CH－C－OH R1
氨基酸的种类、数目和排列顺序
在DNA复制后，每条亲代 DNA单链成为子代DNA双链中 的一条链。
RNA 的结构

3’，5’-磷酸二酯键 A 、 U 、C、G
D-核糖取代脱氧核糖
单一长链结构；
局部双链结构(茎环结构)
mRNA、 tRNA 、rRNA、snRNA、miRNA 和 核酶
RNA的发夹结构（茎环结构）
NH2
N
N
N
N
嘌呤
O
4 1
鸟嘌呤
O
腺嘌呤
NH2
5 6
3
N
5
4 1
3
N
O
H3 C
5 6
4 1
3
N
O
5 6
4 1
3
N
O
2
6
2
2
2
N
N
N
N
嘧啶
尿嘧啶
胸腺嘧啶
胞嘧啶
5 6
4 1
3
N
2
碱基
OH
磷酸酯键
5 O＝P—OH OH H2C
N H H
糖苷键
O H 3 OH H 2 OH
OH
4 H2O H
1
OH

细胞的生物大分子
（二）蛋白质 (protein)
• 蛋白质的化学组成与结构
•
蛋白质的功能
蛋白质的化学组成
氨基酸（amino acid)
•
•
•
H O 组成： – 两性化合物：两性电解质 α H2N－C－C －OH 种类： – 带正电荷的碱性氨基酸 R – 带负电荷的酸性氨基酸 – 不带电荷的极性氨基酸 – 不带电荷的非极性氨基酸 功能： – 构建蛋白质分子：蛋白质结构单元
•
蛋白质的功能
决定细胞的形状结构
执行各项生理功能
蛋白质的结构与功能的关系
蛋白质的功能与它的结构密不可分：
蛋白质要完成一定的功能，必须折叠 成一定的特殊结构，蛋白质亚单位也只有 组装成大的适当的超分子结构才能更好的 完成生命活动的过程。
酶(enzyme)


酶是生物体细胞产生的具有催化作用 的蛋白质。 酶的特性：
RNA能够按照碱基互补配对原则形成局部双螺旋结构， 称为发夹结构。
信使RNA
(messenger RNA，mRNA）

占细胞总RNA的1%-5%
以DNA为模板，由RNA聚合酶转录而来；
在遗传信息流向过程中起重要作用，作为蛋
白质合成的模板

每三个相邻碱基组成一个密码子（codon）
三 联 体 密 码 子
生物大分子
• • • 原生质 无机化合物 有机化合物
（biomacromolecule）
指蛋白质、核酸、酶等分子， 结构复杂，分子量巨大，分子中 蕴藏生命活动的信息，在生命机 体中执行多种重要的生物学功能。
细胞的生物大分子
（一）核酸 (nucleic acid)

核酸是生物遗Байду номын сангаас的物质基础。

核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)
（protoplasm）
构成生命机体的原始 生命物质。
C、H、O、N、 S、P、Cl、K、 Na、Ca、Mg、 Fe等
原生质
微量元素
Cu、Zn、Mn、 Mo、Co、Cr、 Si、F、Br、I、 Li、Ba等
大量元素
有机物 有机小分子 生物大分子 水
无机物 无机盐
细胞的化学与分子组成
Component of the cell
•
脱氧核糖
细胞的有机小分子
Fatty acid
三酰甘 油
脂肪酸
硬脂酸
•
•
特性： – 疏水长烃链+亲水羧基 – 双亲性分子 – 与其他分子共价结合 功能： – 构成生物膜 – 能源物质
磷脂酰胆碱
细胞的有机小分子
nucleotide
核苷酸
• 组成： – 戊糖（核糖/脱氧核糖）、碱基(嘌呤/嘧啶)、磷酸 – 戊糖＋碱基→核苷＋磷酸→核苷酸 种类： – 嘌呤核苷酸 – 嘧啶核苷酸 功能： – 构建核酸的基本结构单元 – 作为第二信号物质 – 作为生物催化剂
核糖体RNA
(ribosomal RNA， rRNA）

占细胞总RNA 80%-90%
分子量最大 参与核糖体的形成 作为mRNA的识别结合 位点
mRNA、 tRNA 、rRNA 的相互作用，参与蛋白质 的合成过程。
微小RNA（microRNA， miRNA）

约 21-25nt
•
•
戊糖（核糖/脱氧核糖）
D-核糖
O
HOCH2 OH HOCH2
D-2-脱氧核糖
O
OH
H H
H H H
H
H H
2’
OH OH OH H
2’
含氮生物碱：碱基(base)
N
1 2
6
3
H N
5 4
O
7 8
CH
9
N
1 2
6 3
H N
5 4
NH2
7
8 CH 9
N
1 2
6 3
H N
7 8 CH 9
5 4
N
N
原核细胞与真核细胞 细胞形态生命形态的共性 原核细胞Vs真核细胞
•
糖类
复合糖 （monosaccharide）
• 种类： – 糖蛋白 – 糖脂 功能： – 细胞识别、细胞粘附 – 信息传递
•
细胞分子基础和基本概念
• 细胞的化学与分子组成 • 细胞的起源和进化(自学) • 原核细胞与真核细胞
细胞分子基础和基本概念
• 细胞的化学与分子组成 • 细胞的起源和进化(自学) • 原核细胞与真核细胞
H2O
核糖
无机磷酸 核苷酸 核苷
碱基
NH2
N O O O
1 2
6 3
H N
7 8 CH
5 4
N N 5 HO—P— O—P— O—P—O OCH2 O 4 1 H H OH OH OH H H 3 2 OH OH
9
腺嘌呤三核苷酸(ATP)
环化核苷酸：cAMP & cGMP
NH2 O
N
1 2
•
细胞的有机小分子
monosaccharide
5 HOCH2 4
O
H
单糖 （CH2O）n
• 种类： – 核糖和脱氧核糖 – 葡萄糖、半乳糖、 岩藻糖、甘露糖 功能： – 构成生物大分子 – 能源物质
H
3 OH
H
2 OH
1
H
OH
核糖
5 HOCH2 4 H H 3 OH O H 2 H H 1 OH
Ala Glu
精氨酸 甘氨酸
Arg Gly
天冬酰胺 谷氨酰胺
Asn Gln
天冬氨酸 半胱氨酸
Asp Cys
組氨酸
赖氨酸 苏氨酸
His Lys
Thr
亮氨酸
脯氨酸 色氨酸
Leu Pro
Trp
异亮氨酸
蛋氨酸 酪氨酸
Ile Met
Tyr
苯丙氨酸
丝氨酸 缬氨酸
Phe Ser
Val
细胞的化学与分子组成
Component of the cell