分子生物学基础知识
分子生物学的概念 1分子生物学 2生物体中的分子学 3生物分子学 4生物体中的大分子学 5生物大分子学
生物分子的定义 存在于生物体内的，具有确切生理功能的分子 生物分子大中小的界定 1 生物小分子 分子量小于1 000 Dalton的分子 2 生物中分子 分子量介于1 000至 10 000 Dalton之间的分子 3 生物大分子 分子量大于10 000 Dalton的分子
学习分子生物学必须首先充分认知水! 水是生物体中最小的分子。 水是生物体中重要的分子之一。 水是生命之源。 水在分子生物学实验中用量最大、每时每刻都必不可缺少。 学习分子生物学必须首先充分认知水!
·· O H 1 水是一个极性的分子。 水中有如下的电离平衡： H2O H++OH－ 1 水是一个极性的分子。 水中有如下的电离平衡： H2O H++OH－ 20C下， [H+][OH－]＝10－14，pH＝ -log10[H+] 水的分子量M=18, 即每摩尔水重18g 1L体积水中H2O分子的mmol数=55555mmol。 ＋ －
通过对水这种最简单的生物分子的认知，树立“定量” 观念和微环境意识。加深对复杂的分子生物学实验现象的定量化理解与分子水平注释，构筑起真正的分子生物学理论。
分子生物学常用定量数据举例 例一：一条10 000 Dolton无糖基化或磷酸化等修饰的多肽链含 多少氨基酸残基？ 已知条件 （1）20种氨基酸分子量加权平均值＝126.7 分子量最轻的氨基酸 glycine：75.05， 分子量最重的氨基酸 tryptophan：204.11 分子量最接近加权平均值的氨基酸 cysteine ：121.12 （2）在氨基酸缩合成多肽过程中，由于脱水，因此 每形成一个肽键，其分子质量减少18 Dolton。 计算公式 10000 /(126.7－18) = 91.996 aa 92 aa 10000 Dolton 92 aa
Molecular Weight of Amino Acids Nr Amino Acid MW 01 Glycine 75.05 11 Aspartic Acid 133.6 02 Alanine 89.05 12 Glutamine 146.08 03 Serine 105.06 13 Lysine 146.13 04 Proline 115.08 14 Glutamic Acid 147.08 05 Valine 117.09 15 Methionine 149.15 06 Threonine 119.18 16 Histidine 155.09 07 Cysteine 121.12 17 Phenylalanine 165.09 08 Leucine 131.11 18 Arginine 174.4 09 Isoleucine 19 Tyrosine 181.09 10 Asparagine 132.6 20 Tryptophan 204.11 Average: 136.91, Standard Deviation: 30.07
例一的引伸意义 1 10 000 Dolton无修饰的多肽链将可能由对应的276 bp的编码区基因DNA编码。 10000 Dolton 92 aa 276 bp
例一的引伸意义 2 大于92 （100）aa的多肽链将可能有较强的免疫原性。
例二 100bp的DNA双链分子的分子量大约是多少？ 已知条件：（1）双链DNA钠盐每bp 的平均重量为635 Dolton。 （2）在pH8.0的Tris缓冲液中，双链DNA分子是以 钠盐的形式存在的。 结果：100bp的DNA双链分子的分子量为63500 Dolton。 100 bp dsDNA 6000065000 Dolton 例二的引伸意义： 10000 Dolton dsDNA = 15.75 bp 16 bp
100 bp ssRNA 33550 Dolton 10000 Dolton ssRNA = 29.81 bp 30 bp 例三 100bp的RNA单链分子的分子量大约是多少？ 已知条件：（1）单链RNA钠盐每bp 的平均重量为335.5 Dolton。 （2）在pH8.0的Tris缓冲液中，单链RNA分子是以 钠盐的形式存在的。 结果：100bp的RNA单链分子的分子量为33550 Dolton。 100 bp ssRNA 33550 Dolton 例三的引伸意义： 10000 Dolton ssRNA = 29.81 bp 30 bp
分子生物学的研究范畴 生物分子的种类与组成（元素组成） 生物分子的结构 生物分子的功能 生物分子的代谢（摄取与吸收、转运与定位、合成与分解） 生物分子的相互作用 生物分子的损伤（疾病的分子基础） 生物分子的变异与进化 生物分子的体外克隆扩增、改构、重组与相关药物开发
生物大分子的种类 1 核酸 DNA 正常人：46个分子，35 000 gene…… Genomics RNA mRNA、rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA、 ribozyme、 antisense RNA、telomerase RNA 人类 70 000 ？…… RNomics 2 蛋白质多肽人类约 200 000种……Proteomics 3 多糖 …… Polysaccharidomics 4 脂类 …… lipomics？ 5 其他 ……‘X’omics
利用分子生物学技术平台研究揭示生物大分子之间的相互作用是解决诸多未知生物医学问题的关键环节。然而，生命体系中，生物大分子之间的相互作用往往十分复杂。
大肠杆菌5SrRNA的二级结构：六环四柄 大肠杆菌16SrRNA的二级结构：约九十环八十柄 18SrRNA结构的复杂程度 ！ 原核核蛋白体结构的复杂程度 ！！！! 真核核蛋白体结构的复杂程度 ！！！！！！
Peptide bond
Partial hydrolysis of polypeptide Trypsin: R1=side chain of Lys or Arg Chymotrypsin: R1=side chain of Phe, Trp or Tyr Pepsase: R1=side chain of Phe, Trp, Tyr and so on CNBr(Cyanogen bromide): R1=side chain of Met Thermolysin: R2=side chain of Leu, Ile or Val Partial hydrolysis of polypeptide
Charged amino acid Histidine Arginine Lysine Glutamic acid Aspartic acid
-N,N,N-Trimethyllysine -Hydroxylysine N-Acetyllysine Hydroxylase Acyltransferase -N-Methyllysine Methylase -N,N-Dimethyllysine -N,N,N-Trimethyllysine Modification of Lysine
Methylation of histidine and arginine Methylhistidine Histidine Methyltransferase Methyltransferase Arginine Methylarginine
Acidic amino acid and aminoacyl amino acids Glutamic acid Glutamine ? ? ? ? Aspartic acid Asparagine
Sulfur containing amino acids Cysteine Cystine + ? ? Methionine Homocysteine Methylcysteine
Aromatic acids phenylalanine histidine charged-histidine tryptophan Electronization Diselectronization phenylalanine histidine charged-histidine Phosphorylase Phosphatase tryptophan tyrosine phosphotyrosine Huckel’s 4n+2 rule
Phosphoamino acids Serine Phosphoserine Threonine Phosphothreonine Phosphorylase Phosphatase Serine Phosphoserine Phosphorylase Phosphatase Threonine Phosphothreonine Phosphorylase Phosphotyrosine Phosphatase Tyrosine
Nonpolar amino acids Glycine Alanine Valine Proline Leucine Isoleucine Phenylalanine
Two distinct amino acids Glycine Proline
Prolylprolylproline, polyproline 1 2 3 4 N C Prolylprolylproline, polyproline
Interactions between peptide chains Hydrophobic interaction Ionic bond Disulfide bond Hydrogen bond