生物大分子的结构和功能1

1、 碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下间隔间隔3.4A,3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是是34A34A。一条链中每个相邻的碱基方向相差。一条链中每个相邻的碱基方向相差3636. .碱基之碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。间氢键一起稳定了双螺旋结构。 由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不由于碱

2、基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，。（蛋白质（蛋白质 核酸，核酸核酸，核酸 核酸、锌指结构，见第六核酸、锌指结构，见第六章）章）2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（tsDNAtsDNA） tsDNAtsDNA是在是在DNADNA双螺旋结构基碱上形成的。双螺旋结构基碱上形成的。 三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。大沟中。 根

3、据三链的组成和相对位置分为根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型两种基本类型：（1 1）PuPu（代表嘌呤链）（代表嘌呤链）PuPyPuPy（代表嘧啶链）型，（代表嘧啶链）型，在碱性在碱性介质中稳定；介质中稳定；（2 2）PyPuPyPyPuPy型，较多见型，较多见，在偏酸性，在偏酸性PHPH中稳定。中稳定。 双螺旋通过双螺旋通过WatsonCrickWatsonCrick氢键稳定，而三股螺旋通过氢键稳定，而三股螺旋通过 HoogsteenHoogsteen氢键稳定。氢键稳定。三链中碱基配对符合三链中碱基配对符合HoogsteenHoogsteen模型，模型，第三碱基在第三碱基在PyPuPy

4、PyPuPy型中为型中为T=A=TT=A=T，C C+ +=G=G三三C C（第三位点（第三位点的的“C”C”必须质子化）配对；在必须质子化）配对；在PuPuPyPuPuPy型中存在型中存在G=GG=G三三C C，A=A=TA=A=T配对。配对。 两种类型两种类型tsDNAtsDNA有有4 4种同分异构体。种同分异构体。 当当DNADNA双链中含有双链中含有HH回文序列时，即某区段回文序列时，即某区段DNADNA两条两条链分别为链分别为HPuHPu和和HPyHPy，并且各自为回文结构时，任一条回，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的文结构的55和和33部分都可以形成分了子内三股螺旋结部分都可

5、以形成分了子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中存在大量可形成存在大量可形成tsDNAtsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。序列。 。（三）（三）DNADNA的三级结构的三级结构 DNADNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。的三级结构指双螺旋链的扭曲。 趋螺旋是趋螺旋是DNADNA三级结构的一种形式，三级结构的一种形式，DNADNA在核小体中的在核小体中的扭曲方式也是一种趋螺旋结构。扭曲方式也是一种趋螺旋结构。 1.1.信息量大信息量大* *，可以缩微；，可以缩微； 2.2.表面互补，电荷

6、互补，双螺旋结构说明了精确复制表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制 机理；机理； 3.3.核糖的核糖的22脱氧，在水溶液中稳定性好；脱氧，在水溶液中稳定性好； 4.4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；对群体是有利的）； 5.5.有有T T无无U U，基因组得以增大，而无，基因组得以增大，而无C C脱氨基成脱氨基成U U带来的带来的潜在危险。（尿嘧啶潜在危险。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以灵敏识别糖苷酶可以灵敏识别DNADNA中的中的U U而而随时将其剔除）。随时将其剔除）。 但但RNARNA作为最初遗传物质的设想

7、，仍然有许多疑难。其中作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中最大的疑难是最大的疑难是RNARNA本身的起源问题。本身的起源问题。 * *一个一个1kb1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有的基因，其可能的核苷酸排列顺序有4 410001000=10=10602602种，种，而直径而直径1010亿光年的宇宙，基体积不过亿光年的宇宙，基体积不过10108484cmcm3 3或或1010108108A A。( (见见M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University

8、press,1992)press,1992) 核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储存着生核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储存着生物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。除除DNADNA外，在生物体中还存在着另一类核酸外，在生物体中还存在着另一类核酸RNARNA。RNARNA有许多种，它们具有不同的生物学功能。有许多种，它们具有不同的生物学功能。（一）（一）mRNAmRNAmRNAmRNA占细胞占细胞RNARNA总量的总量的1%1%5%5%，分子量范围几百，分子量范围几百2 2万个万个核苷酸，变化大（核苷酸，变化大（RT/PCRRT/

9、PCR）。原核和真核生物）。原核和真核生物mRNAmRNA的结的结构不同。构不同。 由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物mRNAmRNA中（如中（如RBSRBS）。真核生物）。真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工, ,戴帽安尾。戴帽安尾。 * *顺反子（顺反子（cistroncistron） 一段可供偏码的结构基因一段可供偏码的结构基因, ,是能够编是能够编码合成多肽的码合成多肽的DNADNA的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析决定。由结构基因转录生成的决定。由结构基因转录生成的RNARNA序列亦称

10、为顺反子。序列亦称为顺反子。 单顺反子（单顺反子（monocistronmonocistron） 真核的结构基因（及真核的结构基因（及mRNAmRNA）是）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。 多顺反子（多顺反子（polycistronpolycistron）原核的结构基因（）原核的结构基因（mRNAmRNA）是多）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。 * * 帽子结构中的核苷酸大多数为帽子结构中的核苷酸大多数为7 7甲基鸟苷（甲基鸟苷（m m7 7G G）. .在其后面第在其后面第2 2和第和第

11、3 3个核苷酸的核糖第个核苷酸的核糖第2 2位羟基上有时也甲基化。位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见因此通常帽子的结构可见3 3种类型：种类型：帽子帽子0 0型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NP.NP.帽子帽子1 1型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NmpNP.NmpNP.帽子帽子2 2型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NmPNmPNP.NmPNmPNP.（二）（二）tRNAtRNA tRNA tRNA的结构相当保守，各种物种的的结构相当保守，各种物种的tRNAtRNA均含有均含有73739393个核苷酸，个核苷酸，tRNAtR

12、NA均有三叶草型的二级结构和均有三叶草型的二级结构和L L状的三级结状的三级结构。构。（三）（三）rRNArRNA rRNA rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。成的场所。核糖体的组成核糖体的组成 一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其mRNAmRNA要靠宿主要靠宿主细胞的核糖体来翻译。细胞的核糖体来翻译。 （四）具有催化活性的（四）具有催化活性的RNARNA（核酶，（核酶，ribozyme,P15ribozyme,P15）1.19811.1981

13、年，年，CechCech等人研究四膜虫（能自我拼接等人研究四膜虫（能自我拼接rRNArRNA）时发现核酶。）时发现核酶。2.2.分类（分类（1 1）异体催化的剪切型（如）异体催化的剪切型（如RNase P RNase P 一种核酸内切酶）。一种核酸内切酶）。 （2 2）自体催化的剪切型（如植物类病毒）。）自体催化的剪切型（如植物类病毒）。 （3 3）内含子的自我剪切型（如四膜虫大核）内含子的自我剪切型（如四膜虫大核26SrRNA26SrRNA前体）。前体）。3.3.生理功用生理功用 绝大部分核酶参入绝大部分核酶参入RNARNA的加工和成熟。的加工和成熟。4.4.反应机理反应机理 5.5.现实意

14、义现实意义老兵新传（生化部分）老兵新传（生化部分） 先有先有DNADNA还是还还是还 先有先有RNARNA？鸡生蛋，蛋生鸡？上个世纪？鸡生蛋，蛋生鸡？上个世纪8080年代已年代已“定论定论”，很可能在原始生命中，很可能在原始生命中，RNARNA催化的断裂催化的断裂连接反应是最连接反应是最早出现的催化的过程。早出现的催化的过程。 蛋白酶取代核酶，绝大蛋白酶取代核酶，绝大部分酶的化学本质是蛋白质（侧链基团多样性，核酸无部分酶的化学本质是蛋白质（侧链基团多样性，核酸无侧链）。侧链）。1.1.概念概念 反义核酸也称反义基因，即能通过互补碱基与反义核酸也称反义基因，即能通过互补碱基与DNADNA或或mR

15、NAmRNA互补的核互补的核酸分子。酸分子。2.2.基本原理基本原理 基因表达是基因产生功能的过程基因表达是基因产生功能的过程，这一过程主要涉及到，这一过程主要涉及到DNADNA的复制、的复制、转录和翻译，该过程任一环节受阻都会影响到基因功能的产生，基于转录和翻译，该过程任一环节受阻都会影响到基因功能的产生，基于这一基本原理，开展了反义核酸（基因）疗法的基本的研究。这一基本原理，开展了反义核酸（基因）疗法的基本的研究。 目前反义核酸疗法目前反义核酸疗法多应用于抗肿瘤和抗病毒感染治疗中。多应用于抗肿瘤和抗病毒感染治疗中。 对于抗肿瘤，对于抗肿瘤，反义核酸治疗就是应用反义核酸在转录和翻译水平反义核

16、酸治疗就是应用反义核酸在转录和翻译水平阻断某些异常基因的表达，以阻断瘤细胞内异常信号的传导，使瘤细阻断某些异常基因的表达，以阻断瘤细胞内异常信号的传导，使瘤细胞进入正常分化轨道或引起细胞凋亡。胞进入正常分化轨道或引起细胞凋亡。 对于抗病毒感染治疗，反义核酸结果用反义对于抗病毒感染治疗，反义核酸结果用反义DNADNA或反义或反义RNARNA来阻断来阻断病毒核酸的复制，转录和翻译，从而达到抗病毒的目的。病毒核酸的复制，转录和翻译，从而达到抗病毒的目的。3.3.举例举例反义核酸有反义核酸有3 3类：类：1 1）人工合成的寡脱氧核苷酸）人工合成的寡脱氧核苷酸（oligoexynuclectideoli

17、goexynuclectide），进入机体后以胞吞），进入机体后以胞吞的方式进入细胞，可直接结合到的方式进入细胞，可直接结合到DNADNA双链的特定部位，形成三聚体，影响转双链的特定部位，形成三聚体，影响转录因子的结合，使转录不能启动。录因子的结合，使转录不能启动。2 2）将特异的反义基因连接到特异的表达载体上）将特异的反义基因连接到特异的表达载体上（质粒、病毒），导入靶细（质粒、病毒），导入靶细胞，直接转录出反义胞，直接转录出反义RNARNA，与相应，与相应mRNAmRNA形成双链，阻止形成双链，阻止mRNAmRNA的翻译。的翻译。3 3）核酶（）核酶（ribozymeribozyme），）

18、，是一种具有催化特性的反义基因，与相应的是一种具有催化特性的反义基因，与相应的mRNAmRNA结结合后能发挥酶活性，将合后能发挥酶活性，将mRNAmRNA降解。降解。在抗肿瘤治疗中，反义核酸常用于：在抗肿瘤治疗中，反义核酸常用于：封闭癌基因，封闭癌基因，如如srcsrc反义反义RNARNA导入表达导入表达V-srcV-src基因的基因的srcsrc转化细胞，使这种细转化细胞，使这种细胞在裸鼠体内致瘤性下降，又如胞在裸鼠体内致瘤性下降，又如“锺头锺头”核酶（核酶（hammerhead ribozymehammerhead ribozyme）与）与反义反义H-rasH-ras联用，可抑制多种致瘤性细胞株。联用，可抑制多种致瘤性细胞株。肿瘤自分泌生长因子的反义阻断，肿瘤自分泌生长因子的反义阻断，用反义核酸来抑制某些肿瘤自分泌生长用反义核酸来抑制某些肿瘤自分泌生长因子，以期阻断其恶性生物学行为来达到治疗的目的。因子，以期阻断其恶性生物学行为来达到治疗的目的。在抗病素感染中，在抗病素感染中，研究者发现，乙肝病毒，研