基因的分子结构
基因的分子结构
基因的分子结构吴乃虎黄美娟(中国科学院遗传发育所)(北京大学生命科学学院)(2011年3月修订)一．若干概念1、5'—末端与3'—末端5'—末端:系指具有一个自由的或加帽的 5'—磷酸基团( 5'-P)之核苷酸链的末端。
3'—末端:系指具有一个自由的或就是磷酸化的3'—羟基(3'-OH)之核苷酸链的末端。
2、上游与下游这就是用来描述多核苷酸链或蛋白质多肽链分子中相反取向或相对位置关系的一对术语。
上游(upstream)与下游(downstream)在不同的场合代表不同的含义:(1) 基因的DNA或mRNA分子:上游:位于5'-末端的序列叫上游序列。
下游:位于3'-末端的序列叫下游序列。
(2) 在基因的转录反应中:上游:位于转录起点5'-方向的DNA序列叫上游。
下游:位于转录起点3'-方向的DNA序列叫下游。
(3 )蛋白质多肽链:上游:处于N-端的氨基酸序列为上游。
下游:处于C-端的氨基酸序列为下游。
(4) 在基因工程研究中:上游:基因的克隆、分离、转化、表达与调节等研究工作统称上游。
下游:转基因之后的细菌培养与发酵以及转基因动植物的培育、表达产物的分离纯化及鉴定等研究工作统称下游。
3、上游序列与下游序列在基因的DNA序列中,头一个被转录的核苷酸碱基叫做转录起点,通常就是A或G,其坐标定为+1。
、(1)上游序列位于转录起点5'一侧的DNA叫做上游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为负。
例如-1-5,-10、、、、、、、。
(2) 下游序列位于转录起点3'-侧的DNA叫做下游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为正。
例如+3,+5,+10、、、、、、、。
4、 5'-侧翼序列区与3'-侧翼序列区(1) 5'-侧翼序列区(5'-flanking sequence region)位于mRNA转录起点之前的一段长度有限的DNA序列区,叫做5'-侧翼序列区,或者泛称为启动子区。
基因的概念及结构
基因的概念及结构基因是生物体遗传信息的基本单位，是决定生物体遗传性状的物质基础。
基因概念首次由摩尔根（Thomas Hunt Morgan）提出，并且确定为染色体的基本遗传单位。
基因的结构包括两个层次：宏观层次和微观层次。
宏观层次：基因是生物体体内产生生物体形态、生理、代谢等所有特征所需核酸序列的总和。
在宏观层次，基因是位于染色体上的一段DNA序列。
DNA是由一系列核苷酸单元组成的双螺旋结构，而每个核苷酸单元是由底物（脱氧核糖和磷酸）组成的。
多个核苷酸单元连接成长链，形成DNA分子。
微观层次：基因是由连在一起的核苷酸组成的，每个核苷酸由磷酸、磷酸二酯结合的五碳糖(脱氧核糖和脱氧核苷酸)和附在糖上的一个氮碱基组成。
脱氧核糖主要有四种：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C)。
人类的体细胞有46条染色体，其中44条是自动两性体染色体，另外两条是性染色体（X和Y染色体）。
这些染色体上携带着成千上万个基因。
每个基因都是一条DNA分子，包含了生物体形成和发展的指令。
在细胞分裂和生殖过程中，基因通过调节蛋白质的合成来影响生物体的特征。
在基因的结构中，每个基因都有一个起始点和一个终止点。
基因的核心区域称为编码区，这是包含代码来指导蛋白质合成的部分。
编码区由一系列称为密码子的三个碱基组成，每个密码子指示合成特定的氨基酸。
在编码区之外，还有一些非编码区域，这些区域包含了调控基因表达的序列。
除了DNA基因结构之外，还存在RNA基因。
RNA基因被转录成mRNA （信使RNA）分子，将基因的信息从细胞核传递到细胞质，然后根据mRNA 指导的蛋白质合成。
基因有不同的类型，如同源基因、等位基因和突变基因等。
同源基因指的是在不同个体中具有相似结构和功能的基因。
等位基因是指在同一个基因座上有多个不同的基因变异型。
突变基因是指由于突变或基因重组而引起的基因结构的改变。
总结起来，基因是生物体遗传信息的基本单位，由DNA或RNA分子组成。
基因的分子生物学-核酸结构简介
图1-8 核苷酸中扭角的定义
图1-9 糖皱褶的两种构象形式
图1-10 糖皱褶表示法
图1-11 核苷酸中呋喃糖 环的Pseudorotation cycle
图1-12 一个pseudorotation周期中的呋喃糖环的内扭角变化
0+ 1 + 2 + 3 + 4＝0
(4 + 1 ) – ( 3 ＋ 0)
tan P = 2* 2 * (sin36 °+sin72°)
图1-13 核酸结 构中碱基的anti和syn- 构象
图1-14 碱基anti-和syn- 构象范围的定义
图1-15 绕C4’-C5’键 O5’原子的三种定向
图1-16 螺旋参数
图1-17 碱基对中两碱基平面 间的假二重对称
图1-18 碱基对之间的 平行扭曲和转动扭曲
图1-31 C3’-endo (A-DNA)和C2’endo (B-DNA)导致 相邻磷原子的距离 变化
图1-32 双螺旋中每核苷酸沿螺旋轴上升高度与
转角T呈线性相关
图1-33 A-RNA与A’-RNA
图1-34 A-DNA
图1-35 B-DNA
图1-36 C-DNA
图1-37 D-DNA
右手双螺旋
图1-42 Z-DNA
图1-43 左手双螺旋中GpC和CpG相邻碱基的 堆积相互作用
图1-44 右手双螺 旋DNA与左手双 螺旋DNA
图1-45 左手Zig-zag
图1-46 Z-DNA中的溶剂相互作用
图1-19 碱基对中碱基平面的旋转和平移
图1-20 Watson-Crick碱基对
图1-21 Hoogsteen碱基对
Hoogsteen Base-pair Watson-Crick Base-pair
合成生物学的层级结构
合成生物学的层级结构引言：一、基因层级结构基因是生物体遗传信息的基本单位，它决定了个体的遗传特征。
基因由DNA分子组成，DNA分子是由一系列核苷酸组成的长链，不同的核苷酸序列编码了不同的蛋白质。
基因层级结构的研究内容主要包括基因识别、基因组测序、基因调控等。
二、DNA层级结构DNA是存在于细胞核中的遗传物质，它通过编码蛋白质来传递遗传信息。
DNA分子是由两条互补的链组成的双螺旋结构，这种结构使得DNA能够进行复制和转录。
DNA层级结构的研究内容主要包括DNA 测序技术、DNA修饰、DNA复制等。
三、蛋白质层级结构蛋白质是生物体内最重要的功能分子，它们参与了几乎所有的生物过程。
蛋白质由氨基酸组成，通过不同的氨基酸序列和空间结构，实现了各种生物学功能。
蛋白质层级结构的研究内容主要包括蛋白质结构预测、蛋白质工程、蛋白质相互作用等。
四、细胞层级结构细胞是生物体的基本结构和功能单位，是合成生物学研究的核心对象。
细胞由细胞膜、细胞质和细胞核等组成，不同的细胞具有不同的结构和功能。
细胞层级结构的研究内容主要包括细胞工程、细胞生物学、细胞组织工程等。
五、组织层级结构组织是由一群相同或相似类型的细胞组成的结构，它们协同工作以完成特定的功能。
不同的组织形成了人体的各个器官和系统。
组织层级结构的研究内容主要包括组织工程、组织再生、组织器官移植等。
六、器官层级结构器官是由多个组织组成的结构，具有特定的形态和功能。
不同的器官相互协调工作，维持生物体的正常运行。
器官层级结构的研究内容主要包括器官工程、器官移植、器官修复等。
七、生物系统层级结构生物系统是由多个器官和组织相互作用组成的复杂结构，它们构成了生物体的整体。
生物系统层级结构的研究内容主要包括生物系统建模、生物系统控制、生物系统优化等。
结论：合成生物学作为一门新兴的交叉学科，涵盖了基因、DNA、蛋白质、细胞、组织、器官和生物系统等多个层级结构。
通过对这些层级结构的研究，可以深入理解生命的本质和机理，为生物医学、农业、环境保护等领域的发展提供新的思路和方法。
16s rrna基因结构
16s rrna基因结构
16S rRNA是一种常见的核糖体RNA，它在细菌和古菌中广泛存在。
它是由约1500个核苷酸组成的分子，具有特定的二级和三级结构。
16S rRNA基因的结构主要包括三个区域：5'端端区（5'端端），中央变异区（V区）和3'端端区（3'端端）。
1. 5'端端区（5'端端）：它位于16S rRNA的5'端，包含大约100个核苷酸。
这个区域的序列在不同的细菌和古菌之间变化较大，因此可以用来进行物种鉴定和分类。
2. 中央变异区（V区）：它位于5'端端区和3'端端区之间，包含了约300个核苷酸。
这个区域具有高度的变异性，可以用来推断进化关系和亲缘关系。
3. 3'端端区（3'端端）：它位于16S rRNA的3'端，包含了约100个核苷酸。
这个区域的序列在不同的细菌和古菌之间变化较小，因此可以用来设计引物以进行PCR扩增。
总体而言，16S rRNA基因的结构具有高度保守性和变异
性。
保守的区域可以用来设计通用引物，从而进行广谱的微生物检测；变异的区域可以用来推断微生物的进化关系和亲缘关系。
分子遗传学研究基因的结构与功能
分子遗传学研究基因的结构与功能在生物学领域中，分子遗传学是研究基因的结构和功能的一门学科。
通过深入探究基因的组成和相互作用，我们可以更好地理解生命的机理，并为疾病的治疗和遗传改良提供有力的科学依据。
一、基因的结构基因是生物体遗传信息的基本单位，它决定了个体的遗传特征和生物功能。
现代分子遗传学的研究发现，基因是由DNA分子构成的。
DNA分子是由四种核苷酸（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤）组成的双螺旋结构，它们通过特定的碱基配对规则相互连接。
基因的具体结构可以分为启动子、转录因子结合位点、编码区和终止子等部分。
1. 启动子是位于基因的上游区域，它可以促使转录起始复合物形成，进而启动基因的转录过程。
启动子的特定序列决定了基因的表达水平。
2. 转录因子结合位点是指转录因子与DNA分子特定的结合位置。
转录因子结合位点的变异可以影响转录因子的结合能力，进而调控基因的表达。
3. 编码区是基因中最为重要的部分，它包含了特定的DNA序列，决定了编码特定蛋白质的氨基酸序列。
4. 终止子是基因的末端区域，它标记了基因的终止位置，并帮助转录过程的终止。
二、基因的功能基因的功能主要通过编码蛋白质来实现。
蛋白质是生物体中最重要的功能分子，它们构成了细胞的骨架、酶的催化剂、信号分子的传递者等。
在基因转录过程中，DNA序列被转录成为RNA分子，这一过程是通过RNA聚合酶酶催化完成的。
RNA分子进一步参与到蛋白质的合成中，包括mRNA、tRNA和rRNA等。
mRNA分子携带着编码信息，被翻译成蛋白质的氨基酸序列。
tRNA分子通过与mRNA和氨基酸配对，将氨基酸运输到合成蛋白质的位置，同时rRNA分子组装成核糖体，参与到蛋白质的合成中。
基因还可以通过调控DNA的拷贝数目、启动子的甲基化、转录因子的结合和转录水平的调控等方式发挥功能。
三、研究方法与技术分子遗传学的研究方法与技术日益发展，在揭示基因结构和功能方面发挥了重要作用。
1. 基因工程技术：通过定向改变基因组中的DNA序列，可以制造出特定的基因突变体。
DNA结构和特点
DNA结构和特点DNA（脱氧核糖核酸）是构成生物体遗传信息的分子，它在细胞中起着储存、复制和传递遗传信息的重要作用。
DNA具有独特的结构和特点，下面将对其进行详细介绍。
结构特点：1.DNA是双螺旋结构：DNA分子由两条互补链组成，这两条链绕成一个螺旋形，并以螺旋轴为中心对称。
这种结构被称为双螺旋结构。
每一条链是由核苷酸单元（包括脱氧核糖、磷酸基团和碱基）连接而成的。
2.DNA呈右旋构象：DNA的双螺旋结构呈右旋构象，即从一个螺旋上看，螺旋链沿顺时针方向旋转。
3. DNA链的方向性：DNA的两条链之间存在着互补的碱基配对。
其中一条链以5'-3'方向进行扩展，称为正链（sense strand）；而另一条链以3'-5'方向进行扩展，称为反链（antisense strand）。
4.DNA的碱基组成：DNA由4种碱基组成，分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
这些碱基以互补配对的方式存在，即A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。
这种互补配对保证了DNA的复制的准确性。
5.DNA的磷酸骨架：DNA中的磷酸基团连接着脱氧核糖，形成脱氧核糖核酸链。
这些磷酸基团赋予了DNA分子带负电的性质。
6.DNA的超螺旋结构：在细胞内，DNA存在于高度缠绕的状态，形成了超级螺旋结构。
这种超级螺旋结构对DNA的复制和转录具有重要的影响。
功能特点：1.DNA储存遗传信息：DNA是生物体内遗传信息的存储库。
通过互补配对规则，DNA能够编码蛋白质合成所需的氨基酸序列，从而确定生物体的性状和功能。
2.DNA复制：DNA能够通过复制来产生一模一样的DNA分子，从而实现遗传信息的传递。
在细胞分裂过程中，DNA双链会分开，并由DNA聚合酶进行新链的合成。
3.DNA转录：DNA的转录是指将DNA的信息转变成RNA的过程。
在细胞中，DNA通过转录酶将其中一段特定的DNA序列转录成RNA，这些RNA 可以进一步翻译成蛋白质。
基因的分子结构
基因的分子结构吴乃虎黄美娟(中国科学院遗传发育所)(北京大学生命科学学院)(2011年3月修订)-.若干概念1. 5'—末端和3'—末端5'—末端：系指具有一个自由的或加帽的5'—磷酸基团(5'-P)之核苷酸链的末端。
3'—末端：系指具有一个自由的或是磷酸化的3'—羟基(3'-0H)之核苷酸链的末端。
2. 上游与下游这是用来描述多核苷酸链或蛋白质多肽链分子中相反取向或相对位置关系的一对术语。
上游(upstream )和下游(downstream)在不同的场合代表不同的含义：(1) 基因的DNA或mRNA分子：上游：位于5'-末端的序列叫上游序列。
下游：位于3'-末端的序列叫下游序列。
(2) 在基因的转录反应中：上游：位于转录起点5'-方向的DNA序列叫上游。
下游：位于转录起点3'-方向的DNA序列叫下游。
(3 )蛋白质多肽链：上游：处于N-端的氨基酸序列为上游。
下游：处于C-端的氨基酸序列为下游。
(4)在基因工程研究中：上游：基因的克隆、分离、转化、表达和调节等研究工作统称上游。
下游：转基因之后的细菌培养与发酵以及转基因动植物的培育、表达产物的分离纯化及鉴定等研究工作统称下游。
3. 上游序列与下游序列在基因的DNA序列中，头一个被转录的核苷酸碱基叫做转录起点，通常是A或G,其坐标定为+1。
(1) 上游序列位于转录起点5' 一侧的DNA叫做上游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为负。
例如-1-5，-10•……。
(2) 下游序列位于转录起点3'-侧的DNA叫做下游序列。
其核苷酸碱基的坐标定为正。
例如+3,+5，+10•…… 。
4. 5'-侧翼序列区和3'-侧翼序列区(1) 5'- 侧翼序列区(5'-flanking sequenee region)位于mRNA专录起点之前的一段长度有限的DNA序列区，叫做5'-侧翼序列区，或者泛称为启动子区。
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D.S DNA S.S DNA 粘度降低
D.S DNA S.S DNA 粘度降低 ？
溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力
高分子溶液 > 普通溶液 线状分子 > 不规则线团 > 球形分子
D.S. DNA ：钢性较强，结构较为舒展的 Double helix S.S. DNA ：无氢键支撑，螺旋结构 折叠，线，团
成为碱基间的部分堆积力
• 磷酸基团间的静电斥力 • 碱基间的挤压、抵御使其内能增加, 碱基间有
序排列的状态破坏（氢键作用力被减弱）
影响双螺旋结构稳定性的因素
• 氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol) • 磷酸酯键 (phosphodiester bond 80~90 kc / mol) • 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件
• 碱基堆积力 (非特异性结合力)
• 磷酸基团间的静电斥力 • 碱基间的挤压、抵御使其内能增加, 碱基间有
序排列的状态破坏（氢键作用力被减弱）
2.2.5. DNA分子变性( DNA denaturation )
● D.S. DNA
S.S. DNA
( 加温, 极端pHቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 尿素, 酰胺 )
变性过程的特征
Right handed B-form DNA Double helix Model
G-C pair, held together by three hydrogen bonds A-T pair , held together by two hydrogen bonds
6
4
1
3
2 2
DNA双螺旋的结构特点
反向平行
• 以中心为轴，向右盘旋
Right handed B-form DNA (B-form)
Double helix Model
• 双螺旋中存在 大沟 ( 2.2nm )
小 沟 ( 1.2nm )
2.2.4.影响双螺旋结构稳定性的因素
碱基堆积的棒状实体
• Hydrogen bond 4~6 kc / mol
℃
D.S DNA A260 = 1
芳香环的不断暴露
Tm (melting temperature) = midpoint of the temperature range over which DNA is denatured
= OD增加值的中点温度 (一般为85-95℃)
Marmur-Doty formula
purin
pyrimidine
χ = C4-N9-C1’-O4’ 0o
χ = C2-N1-C1’-O4’ 0o
anti
A
U
syn
Bu5G
m6U
Pyrimidine (py)
χ = 180 ° ± 90°
χ = 0 ° ± 90°
Purin (pu)
Syn
Anti
χ
χ = 0 ° ± 90°
χ = 180 ° ± 90°
2.2.基因的分子结构
2.2.1. 基因是DNA分子的片段
Nucleic Acid (NA) Polynucleotide chain (poly Nt)
Nucleotide (Nt) basic unit
Mono-phosphate (Mp)
Nucleoside (Ns)
Deoxy-ribose ( Ribose )
l 碱基顶部基团裸露在DNA 大沟内 l 蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于
氨基酸与DNA 间的氢键的形成 l 蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性
结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 l 大沟的空间更有利于与蛋白质的结合
• 每一单链具有
5’ 3’极性
• 两条单链间以氢键连接
• 两条单链，极性相反，
1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径
3.4A° (0.34 nm / 碱基对间距)
( 1 kc / mol —0.6kc / mol ) × N
☆ 疏水作用力 ( Hydrophobic interaction ) 不溶于水的非极性分子在水中相互联合
成串结合的疏水作用力，即为熵 Entropy （ΔS） DNA分子中非极性碱基的 重叠，聚集，产生疏水作用力
1× SSC ( 0.15 M NaCl + 0.015 M Sodium citrate )
GC% = 30-70%
Base
Purin (pu) Aderine (A) Guanine (G)
Pyrimidine (py) Thymine (T) Uracil (U) Cytosine (C)
Nucleotide (Nt) basic unit
2.2.2 核苷的构象 ( conformation of nucleoside )
Erwin Chargaff 11-Aug-1905
Austria
1952. Alexander Todd
3’, 5’ phosphodiester bond
Nt~~Nt ~~Nt~~Nt~~Nt
1953. Watson & Crick
碱基的重 叠与堆积
（来源：基础分子生物学(第二版)（2012）， 郑用琏，第26页）
弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向)
• phosphodiester bond 80~90 kc / mol
强键, 需酶促解链
• 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力
• 碱基堆积力 (非特异性结合力)
☆ 磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 ☆ Van der waals force (分子间力）
2.2.3. DNA 双螺旋结构模型 (DNA Double Helix Model)
1938. W. T. Astbury
X~ ray photograph of DNA
1950. Erwin Chargaff
A+G/T+C=1 A+T = G + C
Rich AT form & rich GC form
变性过程的特征
☆ S.S.DNA 沉降速度加快 ☆ S.S.DNA分子的A 260 nm UV 值上升
( Hyperchromicity )
Concentration 50μg/ml
OD 1.37
Optical Density
dNTPs A260 = 1.60
1.185
S.S DNA A260 = 1.37 1.0