生物信息学的生物学基础

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1、第二章第二章 生物信息学的生物学基础生物信息学的生物学基础普通生物学细胞 遗传 进化分子生物学 研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能和相互关系 研究生物大分子在生命活动中的重要性、规律性，从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘 关于生物大分子构成的三条基本原则：（1）构成生物体各类有机大分子的单体在不同的生物中都相同；（2）生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则；（3）某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。第一节第一节 细胞细胞 生命活动的基本单位生命活动的基本单位 是生命存在的最基本形式，是一切生命是生命存在的最基本形式，是一切生命 活动的基础活动的基础。（1）一切生物

2、都离不开细胞这一生命的基本形态结构 （2）细胞是生命活动赖以进行的基础代谢、生长、分裂、凋亡生命活动建立在细胞活动的基础上1、大肠杆菌2、念珠藻3、小球藻4、酵母菌5、火丝菌6、眼虫7、分生组织细胞8、栅栏组织薄壁细胞9、驴蹄草叶表皮细胞和保卫细胞10、大鼠肝细胞11、肾近曲小管上皮细胞12、成纤维细胞13、人红细胞14、人精子15、哺乳动物的横纹肌细胞16、平滑肌细胞17、神经细胞体两类细胞原核细胞：细菌、蓝细菌、原绿藻真核细胞：如真菌 细胞的主要构成部分：细胞膜细胞壁细胞核细胞质细胞膜细胞壁细胞壁细胞质细胞液细胞液细胞骨架细胞骨架细胞器细胞器 线粒体线粒体 （功能：能量转换，细胞复制，生存

3、）（功能：能量转换，细胞复制，生存） 叶绿体叶绿体 （功能：光合作用）（功能：光合作用） 内质网（功能：细胞复制，生存）内质网（功能：细胞复制，生存） 高尔基体高尔基体 溶酶体溶酶体 细胞骨架细胞骨架 核糖体核糖体细胞核细胞核真核细胞中的细胞控制中心真核细胞中的细胞控制中心包含遗传信息（染色质）包含遗传信息（染色质）与细胞质中的其它细胞器通讯与细胞质中的其它细胞器通讯 动物细胞模式图植物细胞模式图 有丝分裂有丝分裂 单细胞生物繁殖单细胞生物繁殖 多细胞生物生长多细胞生物生长 减数分裂减数分裂形成单倍体形成单倍体有性繁殖有性繁殖 有丝分裂有丝分裂细胞的有丝分裂细胞的减数分裂细胞的减数分裂主要特点

4、：主要特点：1.遗传物质仅一个环状遗传物质仅一个环状DNA2.无核膜无核膜3.无细胞器无细胞器,无细胞骨架无细胞骨架4.以无丝分裂或出芽繁殖以无丝分裂或出芽繁殖代表生物代表生物:支原体支原体,细菌细菌,兰藻兰藻,螺旋藻螺旋藻(人类未来的蛋白质人类未来的蛋白质食物新来源食物新来源)三大结构体系：三大结构体系：膜系统膜系统: 质膜质膜,内膜系统内膜系统,细胞器细胞器细胞核系统细胞核系统: 遗传信息表达系统遗传信息表达系统骨架系统骨架系统: 细胞质细胞质, 细胞核等的骨架系统细胞核等的骨架系统第二节第二节 蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能1、蛋白质的功能、蛋白质的功能酶的催化作用酶的催化作用 物

5、质运载和贮存作用物质运载和贮存作用营养存贮作用营养存贮作用 运动协调作用运动协调作用 机械支持作用机械支持作用免疫保护作用免疫保护作用信号接受与传导作用信号接受与传导作用 生长和分化控制作用生长和分化控制作用2、蛋白质的分子组成组成蛋白质的主要元素有：组成蛋白质的主要元素有：碳（碳（50%-55%）氢（氢（6%-8%）氧（氧（19%-24%）氮（氮（13%-19%）和硫）和硫某些蛋白质还含有少量磷、铁、铜、碘、锌等某些蛋白质还含有少量磷、铁、铜、碘、锌等氨基酸氨基酸（氨基酸（amino acid）是蛋白质的基本结构单位）是蛋白质的基本结构单位 NH2 H C COOH R 氨基酸通式氨基酸名称

6、氨基酸名称英文缩写英文缩写简简 写写氨基酸名称氨基酸名称英文缩写英文缩写简简 写写甘氨酸GlyG丝氨酸SerS丙氨酸AlaA苏氨酸ThrT缬氨酸ValV天冬酰胺AsnN异亮氨酸IleI谷酰胺GlnQ亮氨酸LeuL酪氨酸TyrY苯丙氨酸PheF组氨酸HisH脯氨酸ProP天冬氨酸AspD甲硫氨酸MetM谷氨酸GluE色氨酸TrpW赖氨酸LysK半胱氨酸CysC精氨酸ArgR20种标准氨基酸的英文简写对于对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组：的不同，可以分为以下三组：极性氨基酸极性氨基酸（容易与水分子形成氢键（容易与水分子形成氢键 ）Se

7、r、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp 带电氨基酸带电氨基酸Arg、Lys（+）和）和Asp、Glu（-）疏水性的氨基酸疏水性的氨基酸Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和和Met甘氨酸（甘氨酸（Gly）的侧链只有一个氢原子，是最简单）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。也可以归于第一类。含有芳香性侧链含有芳香性侧链Phe、Tyr、Trp、His侧链为醇或酚的氨基酸有侧链为醇或酚的氨基酸有Ser、Thr、Tyr可以形成氢键可以形成氢键Arg、Lys、Asp、Glu、

8、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及及Trp 3、蛋白质的结构层次（1）蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 （primary structure）蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的序列酸的序列 肽键的形成 H H O H H O NCC NCC CH2 CH2 SH S 半胱氨酸 SH S CH2 CH2 NCC NCC H H O H H O二硫键的形成二硫键的形成（2）蛋白质的二级结构 （secondary structure） 二级结构主要有以下几种形式：二级结构主要有以下几种形式：（i） 螺旋螺旋（ii） 折叠折叠 平行折叠平行折叠 反平行折

9、叠反平行折叠（iii） 转角转角 连接作用连接作用（iv）无规卷曲）无规卷曲-没有确定规律性的肽链构象，但仍然是紧密有没有确定规律性的肽链构象，但仍然是紧密有序的稳定结构序的稳定结构 （v）无序结构）无序结构蛋白质的蛋白质的 螺旋结构螺旋结构蛋白质的蛋白质的 折叠结构折叠结构平行平行-折叠折叠反平行反平行-折叠折叠（3）蛋白质的超二级结构 （i）环花样 （ii）发夹花样（环花样） （iii）希腊图案花样由四条反平行片组成 （iv）花样-环- -环- （4）蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构三级结构（三级结构（tertiary structure） 在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。在二级结

10、构基础上的肽链再折叠形成的构象。结构域（结构域（structure domain）- 结构域也是功能单位结构域也是功能单位- 不同的结构域是与不同的功能相关联的不同的结构域是与不同的功能相关联的 -结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合蛋白质三级结构分类蛋白质三级结构分类 型型主要是由主要是由 螺旋所构成螺旋所构成 型型主要由反平行的主要由反平行的 折叠所构成，折叠所构成， 折叠片之间以折叠片之间以 转角连接转角连接 / 型型由由 螺旋包裹的以平行螺旋包裹的以平行 链为主的链为主的 花样所构成花样所构成(5) 蛋白质的四级结构 （quaternary

11、structure） 组成蛋白质的多条肽链组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相列方式，多以弱键互相连接。疏水力、氢键、连接。疏水力、氢键、盐键盐键 每条肽链本身具有一定每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。质分子的亚基。蛋白质的各级结构氨基酸一级结构二级结构三级结构四级结构血红蛋白蛋白质的空间作用力氢键氢键盐键盐键(离子键离子键)疏水键疏水键范德华力范德华力 二硫键二硫键脂键脂键盐键(离子键）氢键二硫键疏水键氢键氢键疏水键维系和稳定蛋白质结构的作用力维系和稳定蛋白质结构的作用力 4、蛋白质结构与功能的关系（1）蛋白

12、质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系序列分析序列分析（2）蛋白质空间构象与功能的关系）蛋白质空间构象与功能的关系结构分析结构分析一级结构即氨基酸顺序 高级结构 生物学功能 第三节第三节 遗传信息载体遗传信息载体DNA1、核苷酸（1）碱基（2）核苷（3）核苷酸 碱基+戊糖 核苷 + 磷酸 核苷酸 聚合 核酸 (核苷酸之间通过3.5磷酸二脂键连接)核酸的化学结构碱基戊糖磷酸碱 基腺嘌呤A尿嘧啶U胞嘧啶C鸟嘌呤G胸腺嘧啶TDNARNA碱基腺嘌呤(adennine,A)鸟嘌呤(guanine,G)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶(Urac

13、il,U) 戊糖脱氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸核苷酸的化学组成符 号含 义说 明GGGuanine AAAdenine TTThymine CCCytosineRG or APurine YT or CPyrimidine MA or CAmino KG or TKeto SG or CStrong interaction (3 H bonds) WA or TWeak interaction (2 H bonds) HA or C or TNot-GBG or T or Cnot-AVG or C or Anot-T(not-U) DG or A or Tnot-C NG or A or T or

14、 CAny 扩展的遗传学字母表或IUPAC编码2、DNA 的一级结构（1）DNA的碱基组成 （i） A=T , G=C （ii） A+G=C+T （2）DNA的一级结构 由A、T、C、G四种脱氧核苷酸通过3、5-磷酸二酯键连接而成的长链高分子多聚体为DNA分子的一级结构 碱 基 配 对3、DNA的空间结构DNA分子双螺旋结构模型4、RNA和核糖体RNA是单链分子是单链分子,RNA主要有三种主要有三种 :信使信使RNA（mRNA）- 转录遗传信息转录遗传信息 核糖体核糖体RNA（rRNA）- 蛋白质合成蛋白质合成转移转移RNA（tRNA）- 运载氨基酸运载氨基酸 核糖体是蛋白质合成的场所，核糖体

15、主要由核糖体是蛋白质合成的场所，核糖体主要由蛋白质分子和蛋白质分子和rRNA组成组成 rRNA mRNA tRNA 反密码子氨基酸新生肽链核糖体mRNA第四节第四节 基因组结构基因组结构1、染色体、染色体遗传物质遗传物质组成：组成：DNA和蛋白质和蛋白质 特征：特征：（1）分子结构相对稳定；）分子结构相对稳定；（2）能够自我复制；）能够自我复制；（3）能够指导蛋白质合成；）能够指导蛋白质合成；（4）能够产生可遗传的变异。）能够产生可遗传的变异。 短臂短臂着丝粒着丝粒长臂长臂DNA染色单体染色单体真核细胞染色体上的蛋白质主要包括组蛋真核细胞染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。白和非组蛋白。

16、组蛋白是一类较小而带有正电荷的核蛋白，与组蛋白是一类较小而带有正电荷的核蛋白，与DNA有很高的亲和力。组蛋白是染色体的结构有很高的亲和力。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与蛋白，它与DNA组成核小体。组成核小体。非组蛋白的种类较多，包括酶类，如非组蛋白的种类较多，包括酶类，如RNA聚合聚合酶、包装蛋白、加工蛋白、与细胞分裂有关的酶、包装蛋白、加工蛋白、与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及与收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以及与基因表达有关的蛋白等。基因表达有关的蛋白等。在在DNA方面，真核细胞基因组的最大特点方面，真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能是它含有

17、大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA序序列隔开。列隔开。螺线管螺线管核小体核小体2、基因、基因 基因具有几个重要的特征：基因具有几个重要的特征：基因是一种相对独立的遗传信息单位，基因是一种相对独立的遗传信息单位，这些信息单位可以通过各种方式在生物这些信息单位可以通过各种方式在生物个体之间进行重新组合，并向后代传递；个体之间进行重新组合，并向后代传递；基因是一段基因是一段DNA分子，遗传信息贮存在分子，遗传信息贮存在DNA序列之中；序列之中；基因的信息内容通过相应的形式表现出基因的信息内容通过相应的形式表现出来，即指导合成蛋白质或来，即

18、指导合成蛋白质或RNA，进而产，进而产生生理功能，或影响其他基因的表达。生生理功能，或影响其他基因的表达。 基因组基因组 是一种生物所有遗传信息的总和，或载是一种生物所有遗传信息的总和，或载有遗传信息的全体核酸。有遗传信息的全体核酸。 基因组控制着生物体结构的建造，控制基因组控制着生物体结构的建造，控制着生命活动。着生命活动。 要想认识生物的本质，就必须首先将生物基要想认识生物的本质，就必须首先将生物基因组的全部遗传信息破译出来，即分析出全因组的全部遗传信息破译出来，即分析出全部部DNA的碱基序列。的碱基序列。 3、原核生物基因组、原核生物基因组 特点：特点：（1）原核生物的基因组比较小，）原

19、核生物的基因组比较小，DNA量低；量低；（2）原核）原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录；只有非常小的一部分不转录； （3）原核生物）原核生物DNA序列中与功能相关的序列中与功能相关的RNA和蛋白和蛋白质基因往往聚集在基因组的一个或几个特定部位，质基因往往聚集在基因组的一个或几个特定部位，形成一功能单位或转录单元，它们可以被一起转录形成一功能单位或转录单元，它们可以被一起转录为含多个为含多个mRNA的分子，形成多顺反子的分子，形成多顺反子mRNA。 操纵子（操纵子（operator）学说）学说 i p o Z Y A操纵子模型结

20、构基因结构基因调节基因调节基因操纵位点操纵位点操纵子操纵子4、真核生物基因组、真核生物基因组（1）真核细胞的基因结构）真核细胞的基因结构外显子外显子 内含子内含子完整的基因结构完整的基因结构（2）单拷贝基因和基因家族）单拷贝基因和基因家族（3）重复序列）重复序列TATA盒 翻译起始植物C/GAANNATGG动物A/GNNATGG 各内含子加poly(A)信号植物 G/AATAA1-3动物 AATAAA 终止密码子 各个外显子 AGGA或 CAAT盒 加帽位点 5m7GpppNp 5端 真核基因的一般结构 一个完整的基因，不但包括编码区域一个完整的基因，不但包括编码区域（coding regio

21、n），还包括），还包括5端和端和3端长度不端长度不等的特异性序列，虽然它们不编码氨基酸，却等的特异性序列，虽然它们不编码氨基酸，却在基因表达的过程中起着重要的作用。在基因表达的过程中起着重要的作用。 严格的严格的“基因基因”分子生物学定义是：产生一分子生物学定义是：产生一条多肽链或功能条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。所必需的全部核苷酸序列。启动子启动子 TATA盒（盒（box）：）：T82A97T93A85A63增强子增强子 沉默子沉默子 RNA polymerase II (pol II)：约10个不同蛋白质组成的复合物。Transcription Factor IID (TFI

22、ID) 也是一种蛋白复合物。Enhancers 可以在基因的上游或者下游，甚至在内含子中。可以在基因的上游或者下游，甚至在内含子中。一种可能的作用方式：一种可能的作用方式：增强子结合蛋白还与转录因子结合。增强子结合蛋白还与转录因子结合。蛋白质与蛋白质与DNA 的结合的结合5、遗传和进化、遗传和进化遗传是生物的一个普遍特征，正因为有了遗传，物遗传是生物的一个普遍特征，正因为有了遗传，物种才能稳定下来，才能得以延续。种才能稳定下来，才能得以延续。生物界又普遍存在着变异，每一代都有变异，没有生物界又普遍存在着变异，每一代都有变异，没有两个生物个体是完全相同的。两个生物个体是完全相同的。可遗传的变异可

23、遗传的变异基因突变基因突变基因重组基因重组染色体畸变染色体畸变6、人类基因组、人类基因组人类基因组组成：人类基因组组成： 一半以上是重复序列；一半以上是重复序列； 1% - 1.5% 是编码序列；是编码序列； 其他部分与调控有关其他部分与调控有关第五节第五节 中心法则中心法则 复制 DNA 转录 逆转录 复制 RNA 蛋白质 翻译 调控1、DNA的复制的复制 以原有以原有DNA分子为模板按照碱基配对原则合成出分子为模板按照碱基配对原则合成出相同分子的过程相同分子的过程 2、转录、转录 以以DNA分子为模板，合成出与其核苷酸顺序相对分子为模板，合成出与其核苷酸顺序相对应的应的RNA的过程的过程

24、3、翻译、翻译 以以mRNA为模板的蛋白质合成过程为模板的蛋白质合成过程 4、mRNA的反转录与的反转录与cDNA 反转录酶可以将反转录酶可以将mRNA反转录为反转录为DNA，即互补，即互补DNA，或，或cDNA。 5、对遗传信息流的再认识、对遗传信息流的再认识DNA的复制的复制为蛋白质编码的基因为蛋白质编码的基因基因转录与翻译基因转录与翻译转转 录录翻翻 译译第一个核苷酸（5端） 第二个核苷酸 第三个核苷酸（3端） UCAGU UUU 苯丙UUC 苯丙UUA 亮UUG 亮 UCU 丝UCC 丝UCA 丝UCG 丝 UAU 酪UAC 酪UAA 终止UAG 终止UGU 半胱UGC 半胱UGA 终

25、止UGG 色UCAGCCUU 亮CUC 亮CUA 亮CUG 亮 CCU 脯CCC 脯CCA 脯CCG 脯 CAU 组CAC 组CAA 谷酰CAG 谷酰CGU 精CGC 精CGA 精CGG 精UCAGA AUU 异亮AUC 异亮AUA 异亮AUG 甲硫 ACU 苏ACC 苏ACA 苏ACG 苏AAU 天酰AAC 天酰AAA 赖AAG 赖AGU 丝AGC 丝AGA 精AGG 精 UCAGG GUU 缬GUC 缬GUA 缬GUG 缬 GCU 丙GCC 丙GCA 丙GCG 丙 GAU 天冬GAC 天冬GAA 谷GAG 谷 GGU 甘GGC 甘GGA 甘GGG 甘UCAG遗传密码表遗传密码的基本特征遗传

26、密码的基本特征 密码无标点符号密码无标点符号 密码的简并性（密码的简并性（degeneracy） 线性、不重叠线性、不重叠 特殊密码子特殊密码子 密码的通用性密码的通用性 第六节第六节 基因表达调控基因表达调控1、基因表达调控的层次、基因表达调控的层次染色质水平上的调控染色质水平上的调控 转录水平上的表达调控转录水平上的表达调控 转录后调控转录后调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控蛋白质合成后加工蛋白质合成后加工2、原核基因调控、原核基因调控 转录和翻译在同一时间和空间内发生转录和翻译在同一时间和空间内发生 基因表达的调控主要发生在转录水平上基因表达的调控主要发生在转录水平上通过转录调控，以

27、开启或关闭某些基因的表达来适通过转录调控，以开启或关闭某些基因的表达来适应自然环境的变化应自然环境的变化 例如：例如：大肠杆菌利用营养物质。大肠杆菌利用营养物质。葡萄糖葡萄糖正常情况下正常情况下乳糖乳糖需要需要 -半乳糖苷酶分解乳糖，形成葡萄糖和半乳糖。如果环半乳糖苷酶分解乳糖，形成葡萄糖和半乳糖。如果环境中只有乳糖可以利用，则境中只有乳糖可以利用，则 -半乳糖苷酶的基因就必须表达，半乳糖苷酶的基因就必须表达，从而合成这种酶。如果环境中有葡萄糖可利用，则从而合成这种酶。如果环境中有葡萄糖可利用，则 -半乳糖半乳糖苷酶的基因就应该关闭。苷酶的基因就应该关闭。 3、真核基因调控真核基因调控转录和翻

28、译过程在时间和空间上彼此分开转录和翻译过程在时间和空间上彼此分开转录和翻译后都有复杂的信息加工过程转录和翻译后都有复杂的信息加工过程基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上 瞬时调控瞬时调控(可逆性调控可逆性调控 )对环境条件变化所作出的反应对环境条件变化所作出的反应发育调控发育调控(不可逆调控不可逆调控 )真核基因调控的关键部分真核基因调控的关键部分决定真核细胞的生长、分化、发育的全部进程决定真核细胞的生长、分化、发育的全部进程 基因调控网络基因调控网络基因调控网络基因调控网络第七节第七节 新生肽链的折叠新生肽链的折叠1、肽链加工肽链加工2、新生肽链的

29、折叠、新生肽链的折叠3、蛋白质折叠的一般规律、蛋白质折叠的一般规律天然蛋白（天然蛋白（N）和变性蛋白（）和变性蛋白（U）之间的平衡反应）之间的平衡反应4、帮助新生肽链折叠的生物大分子、帮助新生肽链折叠的生物大分子、蛋白质构象病问题、蛋白质构象病问题NU去折叠重折叠第八节第八节 生物大分子结构的测定生物大分子结构的测定 1、 X射线衍射结构分析射线衍射结构分析2、核磁共振结构分析、核磁共振结构分析第九节第九节 分子生物学工具分子生物学工具1、限制性酶消化、限制性酶消化2、凝胶电泳、凝胶电泳3、印迹和杂交（、印迹和杂交（DNA 微阵列）微阵列）4、DNA测序测序5、克隆、克隆6、聚合酶链式反应、聚合酶链式反应 限制性酶消化限制性酶消化凝胶电泳凝胶电泳DNA 微阵列（基因芯片）微阵列（基因芯片）分子生物学研究的活跃领域分子生物学研究的活跃领域1、基因组学、基因组学 2、基因表达调控研究、基因表达调控研究3、生物大分子的结构研究、生物大分子的结构研究4、信号跨膜转导、信号跨膜转导5、基因工程、基因工程6、蛋白质工程、蛋白质工程7、基因诊断与基因治疗、基因诊断与基因治疗