生化

作者:产品检测

化学化工学院鞠熀先教授研究组在仿生分子识别与仿生催化领域取得重要研究进展,发现了一种嗜热型高活性的DNA酶,相关成果“Thermophilic Tetramolecular G-quadruplex/Hemin DNAzyme”于11月6日在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201708964在线发表。该成果由博士生郭悦华为第一作者,周俊副教授和鞠熀先教授为通讯作者完成。该研究组博士生陈杰林、中科院大连化学物理研究所博士生程明攀以及法国勃艮第大学David Monchaud教授参与了相关工作。

利用生物学或者化学的方法模拟天然酶不仅具有重要的科学意义而且有着巨大的实际应用价值。近几年来,人们发现某些纳米材料同样存在着类似于天然酶属性的催化活性,从而引起了人们极大的关注。与传统的人工模拟酶相比,这类新型的纳米模拟酶(nanozymes)除了同样具有更加稳定的化学性质和催化活性,成本低廉等优势,更有着自己独特的性质,例如更易于实现大规模的制备、高的比表面积、催化活性可调、以及具有光电磁学特性等。近几年来,纳米模拟酶在生物医学等领域的越来越受到人们的关注。

除了传统的DNA双螺旋,富含鸟嘌呤的核酸分子可以形成四股链的G-四链体结构。能够形成G-四链体的序列在基因组DNA中广泛存在并在恒温动物启动子附近聚集。这一现象提示G-四链体具有调控基因表达的生物学功能。在过去20余年中,人们所研究的核酸G-四链体主要是由4段含有3个及以上连续G的分子内结构。

第一章  绪论(易考君之正文)

由于蛋白质的温度敏感性,蛋白酶的催化性能与温度相关,在应用上受到很大的限制。寻找、发现能够在极端环境如高温下仍具有高催化能力、高稳定性的仿生模拟酶具有十分重要的意义。近年来,具有催化活性的纳米结构材料和G-四链体/hemin DNA模拟酶受到广泛关注,已成为新型仿生模拟酶开发的重点方向。在G-四链体/hemin领域,由分子内G四链体/hemin形成的DNA模拟酶已在生物催化、生物传感等领域得到广泛应用,但其热稳定性差,无法用于极端环境。基于四条链形成的四元G四链体具有很好的热稳定性,鞠熀先教授研究组通过对四元G四链体的末端进行碱基修饰,并对反应的离子进行筛选,提高hemin和四元G四链体的结合能力,发现了一种新型嗜热的高活性G-四链体/hemin DNA酶。该工作在四元G四链体的末端修饰上不同的碱基,发现腺嘌呤可以大幅度的提高DNA酶的催化活性,为提高反应温度进行模拟酶催过功能如活化能、pH依赖性等的研究奠定了基础。末端修饰腺嘌呤的四元G四链体结构在高温下不仅可以稳定存在,也可保持与hemin的结合能力及形成模拟酶后的催化活性。该工作探索了该嗜热DNA酶在高温下的潜在应用:可以有效地去除污水中对人体有害的有机小分子,在不同的有机溶液中该酶也同样具有高的催化活性。

南京大学现代工程与应用科学学院生物医学系魏辉教授课题组致力于研究纳米材料与生物分子之间的相互作用,并力图利用这些相互作用实现功能化的纳米材料在生物医学以及生物传感中的应用。在先前的工作中,他们通过在碳纳米材料上自组装具有电化学活性的小分子作为内参,并结合碳纳米材料对抗坏血酸优良的催化性能,实现了对活动物脑内抗坏血酸的高灵敏、高选择性测定(Anal. Chem., 2015, 87, 8889)。另一方面,他们巧妙利用功能化的DNA分子在溶液中含有K 的状态下易于形成正平行结构且该结构能够高效增强卟啉类物质荧光的特点,发展了一种基于DNA技术的,可用于同时检测活动物组织内的K 和原卟啉的分析方法(Anal. Chem., 2016, 88, 2937)。

中国科学院动物研究所谭铮研究组于2013年发现了一种在转录中由DNA非模板链和所转录的RNA共同形成的新型G-四链体结构,即DNA:RNA杂合G-四链体。研究组最近又发现一种具有环境响应能力的新型核酸G-四链体结构。这种新G-四链体的结构特征是在G-quartet平面上含有G-空缺,它可以从环境中吸收一个含Guanine碱基的分子而形成一个更加稳定的结构。这种被命名为GVBQ(G-vacancy-bearing G-quadruplexes,含G-空缺G-四链体)的G-四链体可以在单链核酸和转录的双链DNA中形成。它具有响应原核和真核细胞的生理浓度的GMP和GTP的能力并可以借此影响DNA聚合酶的DNA复制活性。生物信息学分析发现这类结构在原核和真核基因中有特殊的分布规律,提示它们可以在细胞中形成并与基因表达调控有关。该项研究已于2015年在线发表在PNAS,第一作者为博士生李新敏,通讯作者为郑克威和谭铮。

1、期末重点:

图片 1

最近,该课题组研究人员及其合作者发现利用超分子自组装技术,他们可以实现同时将天然酶分子葡萄糖氧化酶以及能够模拟其他天然过氧化物酶的化学催化剂血红素包裹在金属有机框架化合物ZIF-8中。这种通过一步法制得的生物纳米催化剂被称之为“集成式纳米模拟酶”(integrated nanozymes)。当这种纳米模拟酶被加入到含有葡萄糖以及显色剂的溶液中时,葡萄糖被纳米材料中的葡萄糖氧化酶氧化产生过氧化氢。生成的过氧化氢随即在周围的血红素的催化下氧化显色剂,使得反应试剂变色,实现对葡萄糖的可视化检测。由于这两种催化剂被集成在一个有限的纳米空间内部,中间产物的扩散得到了极大的抑制,从而大大提高了整体的催化效率。此外,与游离的天然酶相比,这种“集成式纳米模拟酶”也表现出了更好的热稳定性以及循环使用的能力。通过南京大学现代工程与应用科学学院与南京大学鼓楼医院及美国Emory大学合作,他们利用该“集成式的纳米模拟酶”成功实现了活动物脑内葡萄糖浓度的实时、动态观测。该工作发表在最新一期美国《分析化学》杂志上(Anal. Chem., 2016, 88, 5489–5497)。

与经典G-四链体相比,研究组所发现的DNA:RNA杂合G-四链体和含G-空缺G-四链体具有的独特性质是它们能够响应生理过程或生理状态,进而进行相关调控。例如DNA:RNA杂合G-四链体在转录中形成又反过来调节转录活性。含G-空缺G-四链体可能通过响应GMP和GTP的生理浓度而感知细胞的代谢状态,改变调节能力。根据目前的统计,研究组所发现的DNA:RNA杂合G-四链体和含G-空缺G-四链体数量在人基因组占到了三种G-四链体的80%以上。这两种新G-四链体的生理响应能力和数量表明它们是人基因组中具有更大生理调控潜能的主流G-四链体结构。

 2、期末难点: 

图1. 嗜热G-四链体/hemin DNA酶在不同温度下催化底物反应的示意图

图片 2

在G-四链体其它方面研究组亦获得两项进展。博士生吴壬乙在活细菌中检测到了DNA:RNA杂合G-四链体的形成和它对转录造成的中断,并发现杂合G-四链体相对于经典G-四链体是导致转录中断的主要因素。这一发现表明杂合G-四链体可以在活细胞中形成并具有干预细胞转录活性的能力。该工作以吴壬乙为第一作者于2015年发表于Angew Chem Int Ed

3、期末指导:(重点正文内容)

图片 3

图1. “集成式纳米模拟酶”用于脑化学研究。

另外博士生刘珈泉发现转录诱导产生的G-四链体具有DNA链的极性化,即它倾向在非模板链上形成而不在模板链上形成。这一结果表明RNA聚合酶具有决定G-四链体形成的能力,同时也说明不同链上的G-四链体可能有不同的生理活性。该工作以刘珈泉为第一作者于2015年发表于Angew Chem Int Ed,并被评为VIP(Very Important Paper)。

  1. 名词解释

图2. 嗜热G-四链体/hemin DNA酶在不同温度下的催化活性及热稳定性研究

该工作发表后得到了广泛关注,被phys.org以“Integrated nanozymes for brain chemistry”进行了报道。

上述研究工作得到科技部“973”项目、国家自然科学基金委重点和面上基金的资助。

生物化学:

鞠熀先教授研究组专注于仿生分子识别、仿生催化与信号放大研究,在973计划、国家自然科学基金等项目资助下提出了多种仿生分子识别体系与信号放大策略,将仿生催化模拟酶用于生物传感,建立了系列性的生物分子高效检测方法。在G-四链体/hemin领域,他们将其催化活性与该组首创的量子点电子化学发光传感结合,提出了蛋白质标志物的超灵敏电致化学发光免疫分析方法;将G-四链体/hemin与临位触接反应结合,建立了DNA与蛋白质标志物的多种化学发光成像检测方法。近期,该组系统地开展提高G-四链体/hemin DNA酶活性的研究工作(Chem. Eur. J. 2017, 23, 4210-4215),揭示了G-四链体的构效关系(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7768-7779)。

这些研究工作得到了国家青年千人计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省双创计划、南京大学启动基金、青年973等的资助。

文章链接:1 2 3

生物化学指利用化学的原理和方法,从分子水平研究生物体的化学组成,及其在体内的代谢转变规律,从而阐明生命现象本质的一门科学。其研究内容包括①生物体的化学组成,生物分子的结构、性质及功能②生物分子的分解与合成,反应过程中的能量变化③生物信息分子的合成及其调控,即遗传信息的贮存、传递和表达。生物化学主要从分子水平上探索和解释生长、发育、遗传、记忆与思维等复杂生命现象的本质

(化学化工学院 科学技术处)

魏辉教授最近被选为英国皇家化学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry)。

图片 4

 

了解更多信息,请关注魏辉小组主页:

动物所发现具有环境响应能力的新型核酸G-四链体结构

 2、期末难点:

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期末指导:(重点正文内容)

第三章  核酸(易考君之正文)

1、期末重点:

核酸是一类含磷的生物大分子化合物,携带和传递遗传信息,为生命的最基本物质之一。根据组成不同,可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

 2、期末难点:

[if !supportLists]3、[endif]期末指导:(重点正文内容)

  1. 名词解释

(1)核苷:核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物,在大多数情况下,核苷是由核糖或脱氧核糖的C1β-羟基与嘧啶碱或嘌呤碱的N1或N9进行缩合(生成的化学键称为β,N糖苷键)

(2)核苷酸:核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物,包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类,由于与磷酸基团羧基缩合的位置不同,分别生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸(最常见为5’-核苷酸)

(3)核酸的一级结构:核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接成核酸(即多聚核苷酸),DNA的一级结构就是指DNA分值中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式,RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式

(4)DNA的复性与变性:核酸的变性指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂,形成单链结构的过程,使之是失去部分或全部生物活性,但其变性并不涉及磷酸二酯键的断裂,所以其一级结构并不改变。能够引起核酸变性的因素很多,升温、酸碱度改变、甲醛和尿素都可引起核酸变性。注意,DNA的变性过程是突变性的。复性指变性核酸的互补链在适当的条件下重新地和成双螺旋结构的过程

(5)分子杂交:在退火条件下,不同来源的DNA互补链形成双链,或DNA单链和RNA单链的互补区域形成DNA-RNA杂合双链的过程称为分子杂交

(6)增色效应:核酸变性后,260nm处的紫外吸收明显增加,这种现象称为增色效应

(7)减色效应:核酸复性后,紫外吸收降低,这种现象称为减色效应

(8)基因与基因组:基因指遗传学中DNA分子中最小的功能单位,某物种所含有的全部遗传物质称为该生物体的基因组,基因组的大小与生物的复杂性有关

(9)Tm(熔解温度):通常把加热变形使DNA的双螺旋结构失去一半时的温度或紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度,又称熔解温度或熔点

(10)Chargaff定律:①所有的DNA分子中A=T,G=C,即A/T=G/C=1②嘌呤的总数等于嘧啶的总数相等即A T=G C③含氮基与含酮羰基的碱基总数相等A C=G T④同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同,与年龄、健康状况、外界环境无关,可作为该物种的特征,用不对称比率(A T)/(G C)衡量⑤亲缘越近的生物,其DNA碱基组成越相近,即不对称比率越相近

(11)探针: 在核酸杂交的分析过程中,常将已知顺序的核苷酸片段用放射性同位素或荧光标记,这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针

第一节核酸的化学组成及一级结构

1、期末重点:

核酸分子的元素组成为C,H,O,N和P,基本单位为核苷酸。(也称单核苷酸)

一、核苷酸

核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的含氮碱基,戊糖(脱氧戊糖)和磷酸。

1.碱基
(1)存在于DNA分子中:A,T,C,G;存在于RNA中:A,U,C,G。

(2)此外,核酸还含有一些含量很少的碱基,种类很多,大多数为甲基化碱基。

2.戊糖(1)核糖构成RNA,脱氧核糖构成DNA;(2)RNA分子较DNA分子更易发生水解,因此不如DNA稳定。

3.核苷(1)碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接成核苷(脱氧核苷)。(2)核  苷:AR,GR,UR,CR

(3)脱氧核苷:Dar,dGR, dTR, dCR.

4.单核苷酸

(1)核苷(脱氧核苷)和磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)

①核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP②脱氧核苷酸。dAMP,dGMP,dTMP,dCMP.。③重要的核苷酸衍生物

④多磷酸核苷酸:NTP(三核酸核苷),NDPC(二磷酸核苷⑤环化核苷酸:cAMP(3’,5’-环腺甘酸)cGMP(3’,5’-环鸟苷酸)

二、核酸的一级结构

1.定义:核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基的不同,所以也称为碱基序列。

2.核苷酸之间以3´,5´磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,且多核苷酸链是有方向性的。

书写方法:左端标出5’末端,右侧为3’末端例如:5’ACTGCT3’

 

 2、期末难点:

3、期末指导:(重点正文内容)

 

 

[if !supportLists]第二节 [endif]DNA的空间结构和功能

[if !supportLists]1、[endif]期末重点:

一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型

DNA双螺旋结构的特点1.DNA分子由两条反向平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成,两链以一脱氧核苷酸-磷酸,为骨架,以右手螺旋方式绕同一公共轴盘螺旋,直径为2nm,形成大沟和小沟相间,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧,与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式:A=T,C=G),相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。2.DNA双螺旋结构的稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力来维持。氢键主持双链横向稳定性,碱基堆积力维持双链纵向稳定性。3.DNA双螺旋结构的多样性DNA双螺旋结构是DNA分子在水性环境和生理环境下最稳定的结构,但当改变溶液的离子浓度或相对温度时,DNA结构会发生改变。

二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

1.DNA超双螺旋结构(1)超螺旋结构:DNA双螺旋链再盘绕成超螺旋结构;(2)正超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方向相同(2)负超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 2.原核生物DNA是环状超螺旋结构3.真核生物DNA在核内的组装

真核生物染色体由DNA和蛋白质构成,其基本单位是核小体,

(1)核心颗粒:由长146bp的双螺旋DNA以超螺旋方式缠绕组蛋白八聚休1.8圈组成。(2)连接区:由连接区DNA和组蛋白H1组成。(3)连接区DNA:连接相邻两个核心颗粒。(4)组蛋白①组蛋白种类:H1,H2A,H2B,H3,H4②组蛋白八聚体(核心组蛋白)由各2分子H2A,H2B,H3,H4组成八聚体(5)真核生物染色体DNA组装不同层次的结。(6)染色体是由DNA和蛋白质构成的不同层次缠绕线和螺线管结构

三、DNA的功能

1.DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息,并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础,也是个体生命活的信息基础。2.基因就是指在染色体上占有一定位置的遗传的基本单位或单元。3.基因组是指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。

4.此外,真核细胞还有线粒体和叶绿体,分别含有线粒体DNA和叶绿体DNA,属于核外遗传物质。

 

 2、期末难点:

[if !supportLists]4、[endif]期末指导:(重点正文内容)

 

[if !supportLists]第三节 [endif]RNA的功能和结构

[if !supportLists]1、[endif]期末重点:

RNA的种类、分布和功能

 细胞核和胞液线粒体功能

核蛋白体RNArRNAmt rRNA核蛋白体组分

信使RNAmRNAmt rRNA蛋白质合成模板

核内不均一RNAHnRNA 成熟mRNA的前体

核内小RNASnRNA 参与HnRNA的剪接、转运

核仁小RNASnoRNA rRNA的加工、修饰

胞浆小RNAScRNA/TSL-RNA 蛋白质肉质网定位合成的信号识别体组分

转运RNAtRNAmt tRNA转运氨基酸

一、信使RNA的结构与功能

mRNA的结构特点

1.大多数真核mRNA的5’末端均在转录后加上一个甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的C2’也是甲基化,形成帽子结构。

2.大多数真核mRNA的3’末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构,称为多聚A尾

5’m7Gppp———AUG————————UAG——————AAUAAA———poly(A)3’

3.帽子结构和多聚A尾的功能

(1)mRNA核内向胞质的移位(2)mRNA的稳定性维系(3)翻译超始的调控

4.mRNA的功能:转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序,并携带至细胞质,指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序  

二、转运RNA的结构和功能

1.tRNA分子中含有较多的稀有碱基,含10-20%稀有碱基,如DHU,3’末端为-CCA-OH,5’末端大多数为G

2.tRNA二级结构——三叶草氨基酸臂,DHU环,反密码环,额外环,TψC环3.tRNA的三级结构——倒L形

4.tRNA的功能:搬运氨基酸到核糖体和识别密码子,参与蛋白质的翻译

三、核蛋白休RNA的结构和功能

1.rRNA与核糖体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体,核糖体均由易于解聚的大小两个亚基组成。

2.rRNA的功能:参与组成核蛋白体,作为蛋白质生物合成的场所。3.rRNA的种类:(根据沉降系数)

真核生物 原核生物

5srRNA 5srRNA

28srRNA 23srRNA

5.8srRNA 16srRNA

18srRNA

 原核生物(大肠杆菌为例)真核生物(以小鼠肝为全例)

小亚基30S 40S 

rRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸

蛋白质21种占总量的403种占总量的50%

大亚基50S 60S 

 rRNA23S2940个核苷酸28S4718个核苷酸

 5S120个核苷酸5.8S160个核苷酸

   5S120个核苷酸

蛋白质36种占总量的30I%占总量的35%

 

 2、期末难点:

[if !supportLists]5、[endif]期末指导:(重点正文内容)

[if !supportLists]第四节 [endif]核酸的理化性质

1、期末重点:

一、核酸的一般理化性质

1.核酸分子中有末端磷酸和许多连接核苷的磷酸残基,为多元酸,具有较强的酸性。

2.核酸分子中还有含氮碱基上的碱性基团,故为两性电解质,各种核酸分子大小及所带电荷不同,电泳和离子法来分离不同的核酸。

二、DNA的变性

1.定义:在某些理化因素作用下,DNA双链解开成两条单链的过程。变性并不涉及核苷酸共键(磷酸二脂键)的断裂。

2.方法:过量酸、碱、加热、变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。3.变性后其它理化性质变化:

DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性引起紫外吸收值的改变4.增色效应:DNA变性时其溶液A260增高的现象

5.Tm:变性是在一个相当窄的温度范围内完成,在这一范围内,紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度温度称为DNA的解链温度,又称熔解温度,或熔点。

6.Tm值与下列因素有关:

(1)DNA的均一性:DNA的均一性较高,那么DNA链各部分的氢键断裂所需的能值较接近,Tm值范围较窄,所之亦然,由于可见Tm值可作为衡量DNA样品均一性的指标。

(2)C-G碱基对含量:G-C碱基对为3对氢键,而A-T碱基对只有2对氢键,所以破坏G-C间氢键较A-T间氢键需要更多的能量。因此Tm值大小与G C含量成正比,也可通过Tm值推算出DNA碱基的百分组成。

X%(G C)=(Tm-69.3)*2.44

(3)介质中离子强度:离子强度低,DNA的Tm值较低。

三、DNA的复性与分子杂交

1.DNA复性定义:在适当条件下,变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象,这一现象称为复性。(1、足够的盐浓度——消除磷酸基的静电斥力,2、足够高的温度——破坏无规则的链内氢键)2.热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火。3.减色效应:DNA复性时,其溶液A260降低。4.核酸分子杂交:在DNA变性后的复性过程中,如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中,只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系,在适宜的条件(温度及离子强度)下,就可以在不同的分子间形成杂化双链。5.这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成,也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成,这种现象称为核酸分子杂交。6.核酸分子杂交的应用

2、期末难点:3、期末指导:(重点正文内容)

 

第四章糖(易考君之正文)

1、期末重点:

[if !supportLists]一、 [endif]酶的概念:酶是指由活细胞产生的具有催化作用的蛋白质

1、命名:①习惯命名:分解脂肪的酶→脂肪酶→据其催化的底物 催化脱氢反应酶→脱氢酶→据其催化的反应类型命名

         ②系统命名

2、分类:①氧化还原酶类   ②转移酶类  ③水解酶类  ④裂解酶类  ⑤异构酶类        ⑥合成酶类(或连接酶类)

3、化学本质:据化学本质将酶分两类,即:①蛋白脂类的酶         ②核酸类的酶

二、酶的分子结构与功能

1、分子组成:单纯酶和结合酶。酶蛋白:结合酶中的蛋白质部分。辅助因子:结合酶中的非蛋白质部分。

全酶:酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称全酶,只有全酶才有催化作用。

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