《核酸和蛋白质复习》课件

核酸和蛋白质复习核酸和蛋白质是生命科学中最重要的两大生物大分子，它们共同构成了生命活动的物质基础本课程专为高中和大学基础生物学习者设计，重点梳理这两类分子的结构特点、功能机制以及相互关系本节目标与内容框架12理解两大生物大分子掌握结构、功能与联系全面认识核酸和蛋白质的基本深入学习分子结构层次、理化概念、分类特点以及它们在生性质、生物学功能以及两者之命活动中的重要地位间的密切关系聚焦考试重点及常见易错点什么是核酸与蛋白质？生物大分子细胞结构与生命活遗传信息传递与表动基础达核心核酸和蛋白质都属于生物大分子，分子量巨它们不仅是细胞的重要核酸负责遗传信息的储大，结构复杂，是构成结构成分，更是维持各存和传递，蛋白质负责生命体的基本物质种生命活动正常进行的遗传信息的表达和执行物质基础核酸的基本定义和两大类型多聚核苷酸链结构DNA RNA核酸主要分为脱氧核糖核酸（）和核糖核酸（）两大核酸是由许多核苷酸单体通过磷酸二酯键连接形成的长链分子DNA RNA类主要存在于细胞核中，分布更加广泛，包括细胞这种链状结构为核酸携带大量遗传信息提供了物质基础DNA RNA核、细胞质等多个部位核苷酸的排列顺序决定了遗传信息的内容，就像文字的排列组合这两种核酸在结构上既有相似性又有显著差异，功能上也各有特能够表达不同的意思一样，核苷酸序列承载着生命的密码色，共同完成遗传信息的储存、传递和表达过程蛋白质的基本定义多样化功能1催化、结构、调控等生命活动执行者2承担具体生物学任务氨基酸链组成3种氨基酸构建基础20蛋白质是由氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子，是生命活动的主要执行者与核酸主要负责信息储存不同，蛋白质承担着更加直接和多样化的生物学功能从催化生化反应的酶，到构成细胞骨架的结构蛋白，再到调节生理过程的激素，蛋白质几乎参与了细胞内外的所有重要活动核酸的元素组成59-11%主要元素种类磷元素含量碳、氢、氧、氮、磷五种元素核酸中磷含量相对稳定0%硫元素含量核酸一般不含硫元素核酸的元素组成包括碳（）、氢（）、氧（）、氮（）、磷（）五种主要C HO NP元素其中磷元素是核酸特有的标志性元素，含量约占，这一特征使得核酸9-11%在生物大分子中具有独特的识别性与蛋白质不同，核酸分子中一般不含硫元素，这也是区分两类生物大分子的重要化学特征之一蛋白质的元素组成氢元素碳元素参与氢键形成，稳定蛋白质结构2构成氨基酸骨架的主要元素1氧元素3存在于羧基和其他官能团中5硫元素4氮元素半胱氨酸和蛋氨酸特有氨基的重要组成部分蛋白质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成硫元素是蛋白质的特征元素，主要存在于半胱氨酸和蛋氨酸这两种含硫氨基酸中半胱氨酸能够形成二硫键，对维持蛋白质的空间结构具有重要作用核酸的基本组成单位核苷酸磷酸基团提供负电荷，参与磷酸二酯键形成戊糖为脱氧核糖，为核糖DNA RNA含氮碱基携带遗传信息的关键部分核苷酸是核酸的基本组成单位，每个核苷酸都包含三个重要组分磷酸基团、戊糖和含氮碱基磷酸基团带有负电荷，通过磷酸二酯键将相邻的核苷酸连接起来，形成核酸的骨架结构戊糖作为连接磷酸和碱基的桥梁，在中是脱氧核糖，DNA在中是核糖含氮碱基则是携带遗传信息的核心部分，不同碱基的排列顺序RNA构成了遗传密码核苷酸结构细节戊糖的种类差异四种主要碱基中的戊糖是脱氧核糖，在碳位置缺少一个羟基，这使得和都含有腺嘌呤（）、鸟嘌呤（）、胞嘧啶（）DNA2DNA RNAA GC分子更加稳定，适合长期储存遗传信息三种共同碱基不同之处在于含有胸腺嘧啶（），而DNA DNA T RNA含有尿嘧啶（）U中的戊糖是核糖，含有完整的羟基结构，这种结构使RNA RNA更加活跃，能够参与多种生物化学反应这种碱基组成的差异不仅影响核酸的化学性质，也决定了它们在生物学功能上的分工核苷和碱基碱基的化学分类1按照分子结构特点分为嘌呤和嘧啶两大类核苷的组成2戊糖与碱基通过糖苷键结合形成核苷核苷酸的形成3核苷与磷酸基团结合形成完整的核苷酸核苷是戊糖和碱基结合形成的化合物，是核苷酸的重要组成部分当核苷与磷酸基团结合后，就形成了完整的核苷酸碱基根据其分子结构特点可以分为两大类嘌呤类碱基具有双环结构，包括腺嘌呤和鸟嘌呤；嘧啶类碱基具有单环结构，包括胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶碱基的分类与配对1嘌呤碱基腺嘌呤（）和鸟嘌呤（）具有双环结构，分子较大A G2嘧啶碱基胞嘧啶（）、胸腺嘧啶（）、尿嘧啶（）具有单环结构C TU3互补配对规则与（或）配对，与配对，遵循查加夫定律ATU GC碱基的互补配对是核酸结构和功能的基础在中，腺嘌呤总是与胸腺嘧DNA啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对在中，腺嘌呤与尿嘧啶配对这种RNA特异性配对通过氢键维持，之间形成个氢键，之间形成个氢键，A-T2G-C3因此配对更加稳定G-C、的异同DNA RNA的特点的特点DNA RNA通常以双链螺旋结构存在，含有胸腺嘧啶（），戊糖为脱通常为单链结构，含有尿嘧啶（）代替胸腺嘧啶，戊糖为DNA TRNA U氧核糖这种稳定的双链结构使能够长期储存遗传信息而核糖单链结构使更加灵活，能够形成多种复杂的空间构DNA RNA不易发生变化象主要分布在细胞核中，在真核细胞的线粒体和叶绿体中也广泛分布于细胞核和细胞质中，参与蛋白质合成、基因调DNA RNA有少量存在，是遗传物质的主要载体控等多种生物学过程，功能更加多样化的结构双螺旋模型DNA反向平行双链碱基互补配对两条链以反向平行的方式缠绕，形成DNA沃森克里克模型-两条链之间通过氢键形成特异性碱基配右手螺旋结构，螺距约纳米，每圈包

3.41953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋对，A与T配对，G与C配对，保证了遗传含10个碱基对结构模型，揭示了DNA分子的三维空间构信息的准确传递象和碱基配对规律双螺旋稳定性DNA氢键作用疏水作用碱基对之间形成的氢键是维持碱基分子具有疏水性质，在水溶双螺旋结构的主要作用力液中倾向于聚集在一起，减少与DNA碱基对形成三个氢键，比水分子的接触面积，这种疏水作G-C A-碱基对的两个氢键更加稳定用有助于稳定双螺旋结构T堆积力相邻碱基之间的堆积作用和范德华力也对结构的稳定性做出重π-πDNA要贡献，特别是在维持螺旋的几何形状方面的类型与功能RNA信使（）转运（）RNA mRNA RNA tRNA携带遗传指令从到核糖体转运特定氨基酸到蛋白质合成位点DNA其他功能核糖体（）RNA RNArRNA、等调控构成核糖体并催化肽键形成microRNA siRNARNA根据功能可分为多种类型作为遗传信息的载体，将上的遗传密码传递给蛋白质合成机器具有特殊的三叶草RNA mRNA DNA tRNA结构，能够识别特定的密码子并携带相应的氨基酸不仅是核糖体的结构成分，还具有催化活性，被称为核酶rRNA分布与功能DNA遗传物质载体1储存完整遗传信息细胞器DNA2线粒体、叶绿体独立遗传系统细胞核DNA3真核细胞主要遗传物质在真核细胞中，主要分布在细胞核内，以染色体的形式存在，携带着细胞生命活动所需的绝大部分遗传信息此外，线粒体和叶DNA绿体也含有少量的环状，这些细胞器具有相对独立的遗传系统，能够自主复制和转录，体现了内共生理论的证据细胞核DNA DNA与细胞器共同构成了真核细胞完整的遗传信息系统DNA DNA分布与特殊功能RNA广泛分布分布于细胞核、细胞质、核糖体等多个部位RNA病毒遗传物质某些病毒（如流感病毒、冠状病毒）以作为遗传物质RNA催化功能核酶具有催化活性，挑战了蛋白质是唯一催化剂的观点调控作用参与基因表达调控，如介导的基因沉默microRNA核酸的主要生理功能信息储存信息复制信息表达催化功能长期稳定储存遗传信能够精确自我复制，通过转录和翻译过程，将某些分子具有酶活DNA DNA RNA息，确保生命特征的连续保证遗传信息在细胞分裂遗传信息转化为具有生物性，能够催化特定的生化传递中的准确传递活性的蛋白质反应核酸的物理化学性质260nm85°C紫外吸收峰变性温度DNA核酸分子在此波长处有最大吸收高温条件下双链分离

1.8纯度指标比值评估核酸纯度A260/A280核酸分子由于含有大量的芳香环结构的碱基，在紫外光区域有强烈的吸收，最大吸收峰位于纳米波长处这一特性被广泛用于核酸的定量分析和纯度检测当受260DNA到高温、强碱或其他变性条件作用时，氢键断裂，双螺旋结构解开，这个过程称为变性在适当条件下，变性的可以重新形成双螺旋结构，这个过程称为复性，是分DNA子杂交技术的理论基础的变性和复性DNA变性条件结构破坏高温、强碱、低离子强度等条件导致氢双螺旋结构解开，形成单链，失去DNA键断裂，双链分离生物活性结构恢复复性条件双螺旋结构重新形成，恢复原有的生物缓慢降温、适当离子强度下，互补链重学功能新配对的变性和复性是一个可逆的过程，这一特性在分子生物学技术中有重要应用变性温度（值）与含量密切相关，含量DNA TmGC GC越高，氢键越多，变性温度越高核酸分析技术凝胶电泳紫外分光光度法分子杂交技术利用电场分离不同大小通过测量处的吸基于碱基互补配对原260nm的和分子，是光度来定量核酸浓度，理，用于检测特定序列DNARNA最常用的核酸分析方法快速准确的存在扩增PCR聚合酶链式反应技术，能够快速扩增特定DNA片段蛋白质的结构层次四级结构1多个多肽链组装成蛋白质复合体三级结构2多肽链在空间中的整体折叠构象二级结构3螺旋、折叠等局部规则结构αβ一级结构4氨基酸的线性排列序列蛋白质具有四个层次的结构组织一级结构是氨基酸的排列顺序，由基因序列直接决定二级结构是肽链局部区域形成的规则构象，主要包括螺旋和αβ折叠三级结构是整条多肽链的空间折叠形式四级结构是由多个多肽链组装而成的蛋白质复合物，如血红蛋白由四个亚基组成结构决定功能是蛋白质的基本原理氨基酸的结构与分类基本结构特征分类方法每个氨基酸都含有一个中心的碳原子，连接着氨基（根据侧链的化学性质，种常见氨基酸可分为酸性、碱性、极α--20）、羧基（）、氢原子和可变的侧链基团这种性和非极性四大类酸性氨基酸如天冬氨酸带负电荷，碱性氨基NH2-COOH R统一的基本结构使得氨基酸能够通过肽键相互连接酸如赖氨酸带正电荷侧链基团的不同决定了各种氨基酸的独特性质，包括电荷性极性氨基酸能够形成氢键，非极性氨基酸具有疏水性质这种分R质、极性、大小和化学反应活性等重要特征类对理解蛋白质的折叠和功能具有重要意义肽与肽键肽键形成氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，连接羧基和氨基肽链延伸多个氨基酸依次连接形成肽链，具有方向性蛋白质形成长肽链折叠成特定空间构象，获得生物活性肽键是连接氨基酸的共价键，通过一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间的脱水缩合反应形成肽键实际上是一种酰胺键（键），具有部分双键性质，C-N使得肽键周围的原子处于同一平面内，限制了自由旋转由个氨基酸组成2-10的称为肽，超过个氨基酸的称为多肽，而蛋白质通常由一条或多条多肽链组成10蛋白质的二级结构螺旋结构折叠结构αβ肽链呈螺旋状缠绕，每圈包含肽链呈扩展的片层状排列，相邻个氨基酸残基螺旋通过主的肽链通过氢键相互作用形成折

3.6链上的氢键维持稳定，氢键形成叠片折叠可以是平行的（肽β于第个残基的羰基氧原子和第链方向相同）或反平行的（肽链n个残基的酰胺氢原子之间方向相反）n+4无规则卷曲不具有规则二级结构的肽链区域，通常连接螺旋和折叠，为蛋白质提αβ供柔性和动态性质，在蛋白质功能中发挥重要作用蛋白质的三级、四级结构1三级结构形成多种分子间作用力共同作用，包括氢键、离子键、疏水作用和二硫键，使多肽链折叠成特定的三维构象2结构稳定性三级结构的稳定性决定了蛋白质的生物活性，结构的微小改变可能导致功能的完全丧失3四级结构特征多个具有三级结构的多肽链（亚基）通过非共价键结合形成功能性蛋白质复合体4经典实例血红蛋白由四个亚基组成（个亚基和个亚基），每个亚基含有2α2β一个血红素基团，协同结合和释放氧气蛋白质的理化性质等电点溶解度蛋白质净电荷为零的值受、离子强度和温度影响pH pH紫外吸收变性处有特征吸收峰高温、极端等破坏空间结构280nm pH蛋白质的理化性质与其结构密切相关等电点是蛋白质分离纯化的重要参数，在等电点时蛋白质溶解度最小蛋白质在纳米波长280处有特征紫外吸收峰，主要来自色氨酸和酪氨酸残基变性会导致蛋白质失去生物活性，但在某些情况下变性是可逆的蛋白质的功能多样性催化功能免疫防护运输功能酶蛋白具有高度抗体蛋白能够特载体蛋白如血红的催化专一性和异性识别和结合蛋白运输氧气，效率，能够显著抗原，介导免疫血浆蛋白运输各降低反应活化反应，保护机体种代谢产物和营能，加速生化反免受外来病原体养物质应进行侵害调节功能激素蛋白调节生理过程，受体蛋白传递细胞间信号，转录因子调控基因表达蛋白质变性与复性变性因子结构破坏高温、极端值、有机溶剂、重金属离氢键、离子键等非共价键断裂，蛋白质pH子等因素破坏蛋白质结构失去天然空间构象复性可能功能丧失某些蛋白质在适当条件下可以重新折结构改变导致活性位点变形，蛋白质失叠，恢复天然结构和功能去生物学活性蛋白质变性是指在外界因素作用下，蛋白质的空间结构发生改变而失去生物活性的过程变性通常不涉及一级结构的改变，因此在某些情况下是可逆的经典的复性实例是核糖核酸酶的体外复性实验，证明了蛋白质的三级结构信息包含在其一级结构中蛋白质的分析技术电泳SDS-PAGE十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳，根据分子量大小分离蛋白质分子比色法定量法、法等利用蛋白质与特定试剂的显色反应测定蛋白Bradford Lowry质浓度免疫分析、等技术利用抗原抗体特异性结合检测目标蛋白ELISA Westernblot-质质谱分析质谱技术能够精确测定蛋白质分子量并进行结构分析和序列鉴定核酸与蛋白质的关系DNA储存遗传信息的稳定载体转录DNA指导RNA合成RNA遗传信息的传递媒介翻译RNA指导蛋白质合成蛋白质生命活动的执行者中心法则描述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动过程，这是分子生物学的核心概念DNA通过转录产生RNA，RNA通过翻译产生蛋白质基因的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸序列，从而决定了蛋白质的结构和功能这种从基因型到表型的信息转换是生命现象的分子基础遗传信息的转录转录起始聚合酶识别并结合到模板链上的启动子序列，开始转录过程RNA DNA转录起始需要多种转录因子的协助转录延伸聚合酶沿着模板链移动，按照碱基互补配对原则合成RNADNARNA分子转录过程中双链暂时解开DNA转录终止当聚合酶遇到终止信号时，转录过程结束，新合成的分RNARNA子从模板上释放下来DNA蛋白质的翻译翻译起始核糖体小亚基结合的起始密码子，大亚基随后结合形成完mRNA AUG整的翻译复合体翻译延伸携带相应氨基酸进入核糖体，按照上的密码子顺序依次tRNA mRNA添加氨基酸到肽链中翻译终止当遇到终止密码子时，释放因子促使新合成的多肽链从核糖体上释放蛋白质折叠新生多肽链在分子伴侣的帮助下折叠成具有生物活性的三维结构调控与修饰转录水平调控蛋白质翻译后修饰转录因子通过结合上的调控序列来控制基因的转录活性蛋白质合成后可以发生多种化学修饰，包括磷酸化、糖基化、乙DNA增强子和抑制子序列分别促进或抑制转录过程表观遗传修饰如酰化、泛素化等这些修饰能够改变蛋白质的活性、稳定性、定甲基化和组蛋白修饰也参与基因表达调控位和相互作用DNA这些调控机制使得细胞能够在不同条件下选择性地表达特定基翻译后修饰是细胞调节蛋白质功能的重要手段，使得有限的基因因，实现细胞分化和适应环境变化的能力能够产生功能多样化的蛋白质产物，大大增加了蛋白质组的复杂性分子生物学前沿案例基因编辑技术代表了分子生物学领域的重大突破，它能够精确地切割和修饰序列，为基因治疗、农作物改良和基CRISPR-Cas9DNA础研究提供了强大工具这项技术充分体现了核酸和蛋白质相互作用的精妙机制基因治疗利用载体将正常基因导入患者细胞来治疗遗传性疾病，合成生物学通过设计和构建新的生物系统来解决实际问题，个性化医学基于个体的基因组和蛋白质组信息制定精准治疗方案这些前沿应用都建立在对核酸和蛋白质深入理解的基础上，展现了分子生物学知识在推动科学进步和改善人类生活方面的巨大潜力。