分子生药学

分子生药学 分子生药学 一、分子生药学的含义和研究对象(1)生药:指经过简单加工、直接用于医疗保健或制药原料的药材，包括制药中药、民族药和民间药。 中药,在中医理论指导下，按照中医的治疗原则使用，并被收载于我国本草著作中的药物。 民间药,指民间医生用于治疗疾病或地区性口耳相传，本草文献无记载，不以中医理论指导的药物。 民族药,指少数民族使用的、以它们的民族医药理论或传统经验为指导药物。(2)生药学:利用植物学、动物学、化学等知识，研究生药真伪、优劣等的学科。研究对象是植物体，植物器官，细胞，化学成分。 (3)分子生药学:利用分子生物学的理论和方法，研究生药的真伪、优劣的学科。其研究 对象是中药中的DNA，RNA和酶。二、学习分子生药学的目的意义1. 中药材品种系统整理与质量标准化研究 (1)研究有争议和难鉴定中药材，为确定中药材基源提供理论依据 如黄甘草和胀果甘草的研究，为甘草药材的基源确定提供了依据。 (2)研究有争议的植物类群，促进发现濒危药用植物的替代品。 基本理论 :药用植物亲缘关系越近，形态越相似，化学成分越相近，临床功效越近似，越 有可能相互替代。 当亲缘关系出现争议的时候，可以用分子生药学的方法解决。例如: 中药材前胡,伞形科前胡属植物白花前 胡和紫花前胡的干燥根 紫花前胡,伞形科当归属植物,伞形科前胡属植物 分子证据说明紫花前胡应是当归属植物 2、药用动植物生物多样性保护与生药资源可持续利用研究 研究濒危动植物保护种群的范围 确定物种内基本保护单元是优化和实施保护策略的基础。 如:海南黑长臂猿是黑长臂猿的亚种;DNA 、序列差异较大，足以接近种的水平，而且只有15 只，被列入最优先保护范围。3药用植物分子标记育种与新品种的培育 (1)新品种选育(2)种子种苗纯度鉴定 种子纯度是保证优良品种增产潜力得以发挥的关键因素，保证种子质量具有重要意义。 田间试验,DNA指纹技术4、代谢途径基因调控与中药材品质定向调控 初生代谢产物相同，以此为起点，产生各种各样成分，可阻断某一代谢途径，促进另一条代 谢途径的产物积累 5、利用基因工程和组织培养技术，高效表达和生产天然活性成分 含量低，价钱贵的活性成分的生物生产(1)毛状根培养(2)生物转化6、基因工程与绿色无公害药用植物 (1)农药残留(2)重金属污染7、道地药材的形成机制研究 道地性越明显，种群的基因特化就越明显。对中药区划具有重要意义。 三、分子生药学与相关学科的关系(1)分子生物学(2)药用植物学(3)中药资源学(4)生药学或中药鉴定学 第一节 核酸一、核酸的组成和结构核酸是储藏和传递遗传信息的物质，任何生物都含有核酸。 (一)核酸的种类和分布 核酸包括脱氧核糖核酸(DNA )和核糖核酸(RNA)。 DNA是生物体的主要遗传物质，通过复制将遗传信息由亲代传递给子代。RNA是基因表达的初级产物，能将DNA信息翻译为蛋白质，主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中。 包括mRNA、tRNA、rRNA 线粒体、叶绿体中也有RNA (二)核酸的组成 1.核酸的元素组成核酸由碳、氢、氧、氮、磷5种元素组成。磷的含量比较稳定，1g磷相当于10.5g核酸，可以用来估算核酸含量。 定磷法:将核酸消化，测定其无机磷量，由此计算出核酸含量，反应灵敏。 核苷酸是核苷的戊糖的羟基和磷酸脱水缩合成的磷酸酯;包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。3.核酸的结构 核酸是许多核苷酸按照一定顺序连接起来的多核苷酸链。 每个核苷酸的3’-OH和相邻核苷酸的5’磷酸通过3’-5’磷酸二酯键相连。 线性的多聚核苷酸链一侧末端为5’-磷酸基，另一侧为3’-羟基。习惯上写为: 核苷酸的写法:5’…………………..3’(2)DNA的双螺旋结构(二级结构1主链:由脱氧核糖和磷酸 基通过酯键交替连接而成。主链有二条它们以右手方向盘旋 相 互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则。2 碱基对:碱基位于螺旋的内 侧 它们以垂直于螺旋轴的方向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间 形成碱基对。配对碱基总是A 与T 和G 与C 。碱基对以氢键维系，A 与T 间形成两个氢键。 3 大沟和小沟:大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。(3)DNA的三级结构 DNA的双螺旋分子可以进一步盘曲为更复杂的结构，称为三级结构。 超螺旋结构:质粒DNA、线粒体DNA 核小体-螺线管-染色单体:线状是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。 在某些病毒中的RNA自我复制(如烟草花叶病毒等)和在某些病毒中能以RNA为 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 逆转录成 DNA的过程(某些致癌病毒)是对中心法则的补充。 DNA的基本特点就是在细胞分裂前期进行准确的自我复制，使DNA的量成倍增加，是细胞分裂 是 的基础。是指在DNA聚合酶的作用下，以一个亲代DNA分子的两条链为模板，合成两个结构上 完全相同的子代DNA分子的过程。生物的DNA复制及其相似，只是酶不同。 原核生物DNA聚合酶分为???;真核生物的DNA聚合酶分为αβγδε。 DNA复制的准确性由RNA聚合酶保证，它的3’-5’外切活性可将错误插入的碱基从新合成链 上切除并代之以正确碱基，这个过程称为校正。 真核生物的DNA聚合酶分为αβγδε ε类似于原核生物DNA聚合酶?β类似于 δ类似于原核生物DNA聚合酶?。α具有引物酶活性，而γ原核生物DNA聚合酶?， 则是作为 复制真核生物线粒体内的DNA所需要的酶。 1.DNA复制的一般过程 (1)复制的起始:包括起始点和引发体的形成。 (2)链的延长:包括前导链和滞后链的形成和切除RNA引物后填补空缺及连接冈崎片段 (3)DNA复制的终止复制开始时，在解旋酶作用下打开双螺旋形成单链然后单链结合蛋白结合到DNA上以防双螺旋再形成，形成一个复制叉从打开的起点向一个方向形成或一个复制泡从打开的起点向两个方向形成)。 开始复制时，在引发酶作用下，在复制起点形成一段短片段的RNA作为引物，开始合成新链。 在以3′?5′方向的母链为模板时，复制合成出一条5′?3′方向的前导链，前导链的前进 方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的。另一条母链DNA是5′?3′方向，它作为模板时，复制合成许多条5′?3′方向的短链，叫做滞后链，滞后链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。滞后链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段Okazaki fragments，最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以从总体上看DNA的复制是半不连续复制。2.原核生物DNA的复制 复制方式为单起点复制，复制叉向反方向前进。形成过渡的θ形式。复制叉最后交汇合并， 复制终止。在解链酶作用下，复制起点的局部DNA双链必须打开，然后单链结合蛋白与单链结合，保持不再形成双链，在聚合酶作用下，复制叉向前移动，造成前方的形成正超螺旋，在拓扑异构酶I作用下消除超螺旋，然后该酶将缺口末端连接起来，复制完成后，两个环状子代分子产生。拓扑异构酶II在一个双链上切开一个缺口，两个分子分离，然后将断裂的链连起来。 3. 真核生物DNA复制 真核生物DNA复制有许多起点 复制叉从每个起点向两个方向前进形成复制泡，最后交汇合并。 从一个起点开始复制的DNA称为一个复制子。真核生物染色体是线性DNA，它的两端叫做端区，端区是由重复的寡核苷酸序列构 成的。 所有生物DNA聚合酶都只能催化DNA从5′?3′的方向合成，因此当复制叉到达线性染色体末 端时，前导链可以连续合成到头，而由于滞后链是以一种不连续的形式合成岗崎片段，所以 不能完成线性染色体末端的复制，如果这个问题不解决，真核生物在细胞分裂时DNA复制将 产生5′末端隐缩，使DNA缩短。真核生物体内都存在一种特殊的反转录酶叫做端粒酶，它是由蛋白质和RNA两部分组成的，它以自身的RNA为模板，在滞后链模板DNA的3′末端延长DNA，再以这种延长的DNA为模板，继续合成滞后链。 DNA在正常复制中变短以及在端粒酶作用下变长两个过程，大致平衡，因此染色体总长度保 持基本不变。 三、DNA转录 DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现，但DNA并非蛋白质合成 的直接模板，合成蛋白质的模板是mRNA，这就需要将DNA转录成mRNA。正常细胞遗传信息的 流向是:DNA?mRNA?蛋白质。转录过程是以DNA为模板，由RNA聚合酶催化的RNA的合成过程。 在DNA的两条链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链(无义链)。 DNA双链中另一条不作为模板的链叫做编码链(有 RNA义链)。 编码链的序列与转录本RNA的序列相同，只是在编码链上的T在转录本为U。 1(原核生物的DNA转录 原核生物的转录分为三个阶段:起始、延伸和终止。RNA聚合酶在转录中起重要作用。 大肠杆菌RNA聚合酶:全酶由五个亚基组成:2个α，1个β，1个β′和1个ζ亚基(α2ββ′ ζ)。五个亚基俱全的聚合酶称为全酶，去掉ζ亚基的部分称为核心酶。RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列称为启动子。启动子含有能结合RNA聚合酶的特定DNA片段。 在DNA上开始转录的第一个碱基定为1，其左侧的核苷酸序列均用正值表示;右侧的核苷酸 序列均用负值表示。在RNA转录起始点上游大约-10bp和-35bp处有两个保守的序列。 在-10bp附近，有一组5′-TATAAT-的序列，称为Pribnow框，RNA聚合酶就结合在该部位。 -35bp附近，有一组5′-TTGACA-的序列;已被证实与转录起始的辨认有关，是RNA聚合酶中 的ζ亚基识别并结合的位置。 -35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。不同的启动子里这两个DNA序列 可以不同。 由于RNA聚合酶分子很大，大约能覆盖70bp的DNA序列，因此酶分子上的一个适合部位就能占 据从-35到-10序列区域。1转录的起始 当RNA聚合酶的ζ亚基发现其识别位点时，全酶就与启动子的-35区序列结合形成一个封闭的 启动子复合体。由于全酶分子较大，其另一端可在到-10区的序列，在某种机制作用下，整 个酶分子向-10序列转移并与之牢固结合。-10序列及起始位点处发生局部解链，这时的全酶和启动子的复合物称为开放性的启动子复合体。 在RNA聚合酶β亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酸键，第一个核苷酸通常是GTP或ATP，以 GTP常见。 此时，RNA聚合酶、模板和新生的RNA链组成稳定的酶,DNA,RNA三元复合物.该复合物既能在DNA链上移动，又能因新生的RNA链参与而形成三角结合关系，使核心酶继续合成RNA链。2 RNA链的延长 靠核心酶的催化，在核心酶的催化下，第一个核苷酸(常为GTP)核糖的3′-OH与第二个核 苷酸形成磷酸二酯键，聚合进去的核苷酸又有核糖3′-OH游离，这样就在模板DNA的指导下， 一个接一个地延长下去，因此RNA链的合成方向也是5′-3。 由于DNA链与合成的RNA链是反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3′--5′方向移动，整 个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的。 3转录的终止DNA模板上的转录终止信号有两种:不依赖蛋白质的终止、依赖蛋白质的终止。 如果遇到GC、AT丰富区以后紧接有多个T尾巴，RNA链会在此区域自动互补配对形成发卡结 构， 使RNA链很容易从模板上掉下来，称为不依赖于ρ蛋白的终止。 ρ(rho)蛋白能水解各种核苷三磷酸，是一种NTP酶，由于催化了NTP的水解，从而使新生 的RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。2(真核生物的DNA转录 真核生物转录的起始机制、终止机制尚不完全清楚，但是已知转录是由三种RNA聚合酶(?、 ?、?)催化。(1)RNA聚合酶?位于核仁中，负责转录28S、18S和5.8SrRNA基因 (2)RNA聚合酶?位于核基质中，转录编码蛋白质的基因，负责核内不匀一RNA(hnRNA)和 核内小RNA(snRNA)的合成。 (3)RNA聚合酶?位于核基质中，负责合成tRNA和许多核内小RNA。 四、RNA的结构和功能大多数的天然RNA分子是一条单链，但许多区域自身发生回折，使互补碱基结合，构成局部双螺旋区，不能互补的碱基形成环状突起。RNA包括tRNA、rRNA和mRNA。 (1) tRNA:细胞中含有100多种tRNA，每种tRNA可以结合一种特定的氨基酸，也可识别mRNA 中的一种密码子，在多肽链延长过程中，其携带的氨基酸可被放在正确的位置。(2)rRNA :细胞中rRNA含量最高，与蛋白质一起构成核糖体。 (3)mRNA :是蛋白质合成的模板，在细胞内， mRNA含量很低，但种类非常多，发育不同 时期有不同种类的mRNA。 (4)其他RNA分子:核内小RNA分子(snRNA)、细胞质小RNA(scRNA 等 五、mRNA的加工由RNA酶合成的原初转录产物需要经过一系列的变化，才能转变为成熟RNA分子，这个过程称为RNA的成熟或转录后加工。原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的修饰加工。 真核生物基因的初 hnRNA)产生于细胞核内，缺乏生物活 性，必须始转录产物(核内不均一RNA， 经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白 质的合成。1.5’端加帽 真核生物mRNA的加工主要包括5’端加帽和3’端加尾。 真核生物mRNA的5’端都有一个甲基鸟苷的帽子。 帽0:鸟苷7位甲基化 帽1:第2个核苷酸的核糖第2位甲基化 帽2:第3个核苷酸的核糖第2位甲基化真核生物的帽子结构的作用: (1)翻译起始的必要结构 (2)为核糖体对mRNA的识别提供了信号 (3)增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击。 2. mRNA3’端多聚核苷酸化(加尾) 转录后咋核内在3’端加上多聚腺苷酸尾巴。 大多数的真核基因3’端有个AATAA序列，是加尾信号，在此信号下游10-15个碱基处切断磷 酸二酯键，在polyA催化下，在3’端OH上逐一引入100-200个腺嘌呤。 功能不清。3.mRNA前体(hnRNA)的拼接 最初转录生产的RNA称为不均一核RNA (hnRNA )，由内含子和外显子组成，首先在内切酶 作用下，剪切掉内含子，然后在连接酶作用下，把外显子各部分连接在一起，变为成熟的mRNA。 六、mRNA翻译与蛋白质翻译是核酸语言转变为蛋白质语言的过程。核糖体是制造蛋白质的工厂。 翻译可分为起始、延长和终止三阶段。 从核糖体上最终释出的多肽链，即使能自行卷曲而具有一定的构象，但还不是具有生物活性 的成熟蛋白质，必须进一步切割或修饰，乃至聚合，才能表现出生理活性。这些蛋白质的修 饰过程，称为翻译后加工。 翻译后加工可分为高级结构的修饰、一级结构的修饰和靶向输送三方面。 靶向输送是指蛋白质合成后，通过细胞内的跨膜运输定向地到达其执行功能的目标地点，在 这个过程中，信号肽序列起到重要作用。一、基因与基因组 基因的含义 是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，是控制性状的基本遗传单位。 基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。 一个基因可能同时影响多个性状，而多个基因可以相互合作控制同一性状。 基因的基本特性 ?基因可复 制，以保持生物的基本特征 ?基因决定性状 基因通过转录和翻译决定多肽链的氨基酸顺序，从而决定某种蛋白质的性质，而最终表达为 某一性状。 ?基因虽很稳定，但也会发生突变。 突变多数会导致疾病，少数为非致病性突变。非致病突变给自然选择带来了原始材料，使生 物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体。 (一)基因的结构 原核生物 (1)编码区(开放阅读框架open reading frame，ORF):能转录为相应的mRNA，进而指导 蛋白质的合成的序列。 (2)非编码区:编码区之外不能转录为mRNA的序列称为非编码区。包括5’端非翻译区(5’ UTR)和3‘端非翻译区(3’UTR)，这些序列往往具有调控功能。 2.真核生物 (1)编码区:外显子、内含子 (2)前导区:位于编码区上游，相当于RNA的5′端非编码区。 (3)尾部区:位于编码区下游，相当于RNA的3′端非编码区。 (4)调控区:包括启动子和增强子等。 1.外显子和内含子 在编码区内能编码蛋白质的序列(外显子)被不能编码蛋白质的序列(内含子)分隔开来， 成为一种不连续的形式，这一点是真核细胞基因与原核细胞基因的本质区别。 外显子和内含子的关系也并非完全固定不变的，有时同一条DNA链上的某一段DNA序列，当它 作为编码某多肽链的基因时是外显子，而作为编码另一多肽链的基因时，则是内含子，结果 是同一基因可以同时转录为两种或两种以上的mRNA。 外显子和内含子接头区都有一段高度保守的序列，一般来说，内含子多数以GT开始，以AG结 束，称为GT-AG法则。 2.侧翼序列 在第一个外显子和最末一个外显子的外侧是一段不被翻译的非编码区，称为侧翼序列。 侧翼序列含有基因表达调控序列，对该基因活性具有重要影响。 3.启动子 是基因结构中位于编码区上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶结合位点，能够准确地识别 转录的起始点并开始转录，有调控遗传信息表达的作用。包括: (1)TATA框:位于基因转录起始点上游约30,50bp处的TATAATAAT ，基本由A-T碱基对组成， 决定基因转录的起始，为RNA聚合酶的结合位点之一。RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能 开始转录。 (2)CAAT框:是真核生物基因常有的调节区，位于转录起始点上游约80,100bp处的 GGGTCAATCT ，可能也是RNA聚合酶的一个结合处，控制着转录起始的频率。 (3)GC框: 有两个拷贝，位于CAAT框的两侧，由GGCGGG组成，是一个转录调节区，有激 活转录的功能。 4.增强子 在真核基因转录起始点的上游或下游，一般都有增强子，具有增强转录的作用。 增强子可与特异性细胞因子结合而促进转录的进行。 增强子通常有组织特异性。因为不同组织的细胞具有煌 奶匾煲蜃佑朐銮孔咏岷希 佣 ?基因表达有组织、器官、时间不同的调节作用。 5.终止子 在一个基因的末端(非编码区)往往有一段特定核苷酸序列，其特殊的碱基排列顺序能够 阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，从而使转录工作结束，这段终止信 号的顺序称为终止子。 终止子是在转录终止点之前的一段回文顺序，约720核苷酸对。 回文顺序的两个重复部分分别由几个不重复碱基对的不重复节段隔开，在回文顺序的下游有 6,8个A-T对。回文顺序的对称轴一般距转录终止点16,24bp。 这段终止子转录后形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互补的一串U，因为A-U之间氢健结合 较弱，因而RNA/DNA杂交部分易于拆开，这样对转录物从DNA模板上释放出来是有利的，也可 使RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止。 (二)基因的种类 1.依据功能划分 (1) 结构基因: 是指某些能决定特定的多肽链(蛋白质)分子结构的基因。 结构基因的突变可导致特定蛋白质一级结构的改变或影响蛋白质量的改 变，包括外显子、内 含子等。 (2) 调控基因: 是指某些可调节控制结构基因表达的基因。 调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的表达，或导致一个或多个蛋白质表达量的改 变。包括启动子、终止子等。 2.依据产物划分 (1)编码蛋白质的基因: 包括编码结构蛋白的结构基因以及编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的调节基因。 (2 )不翻译只转录的基因: rRNA基因、tRNA基因。 (3 )不转录的基因:启动子等。 3.其他 重叠基因: 同一个DNA序列可以参与编码两个以上的RNA或多肽链。 1977年F.桑格在测定噬菌体Φ,174的DNA的全部核苷酸序列时，却意外地发现基因D中包含 着基因E。基因E的第一个密码子从基因D的假基因 : 已经丧失功能，但是结构还存中央的 一个密码子TAT的中间开始，因此两个部分重叠的基因所编码的两个蛋白质非但大小不等， 而且 氨基酸 也不相同。 在的DNA 序列。 多效基因 :一个基因发生突变而使几种看来没有关系的性状同时改变，这个基因就称为多 效基因。 等位基因:同源染色体上同一位置，控制相对性状的不同形态的基因。 在自然群体中往往有一种占多数的(因此常被视为正常的) 等位基因，称为野生型基因;同 一座位上的其他等位基因一般.