第二章_生物大分子

1、第二章 生物大分子的 结构与功能 第一节 生物大分子（Biomacromolecule）n生物大分子是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物。基本结构单位的排列顺序构成生物大分子的一级结构，生物大分子在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构。n典型的生物大分子的分子量在10103之间。 n包括：核酸，蛋白质，多糖，脂类n蛋白质是氨基酸的聚合物，核酸是核苷酸的聚合物，多糖是单糖的聚合物，脂是形式多种多样的分子。 基本原理（一）生物大分子虽然具有复杂的结构，但在组成方面却存在一种基本的简单性，例如： 1.DNA由4种脱氧核糖核苷酸（4dNTP)聚合而成； 2.RNA由4种核糖核

2、苷酸（4NTP)聚合而成； 3.蛋白质由20余种氨基酸聚合而成； 4.多糖由少数几种单糖聚合而成。（二）所有的生物都使用相同种类的的构件分子，似乎 它们是从一个共同的祖先进化而来。（三）每种生物的特性是通过它具有的一套与众不同的核酸和蛋白质而保持的。（四）每种生物大分子在细胞中有特定的功能。生物大分子结构层次n构型（configuration):一个分子中原子的固有空间排列。如：D-葡萄糖和L-葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型 n构象（conformation):在一定的条件下，由于单键的旋转而产生的分子中各原子（或原子团）在空间的不同排布形象。n区别：一般情况下，构型都比较稳定，分子的构型是不能

3、通过单键的旋转而改变的，必须通过化学键的断裂和重新建立才能改变。而且，构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。 生物大分子结构层次n蛋白质分子结构：一级四级n核酸分子结构：一级三级n二级结构均为螺旋结构n二级结构:由邻近的若干氨基酸形成的特定结构，- 螺旋（helix） - 折叠（sheet）和环（loop）;n三级结构:整条肽链所形成的立体的特定结构称为三级结构。n四级结构 :二条肽链以上肽链形成的定向结构。蛋白质高级结构蛋白质高级结构生物大分子相互作用n核酸与蛋白质相互作用核蛋白 n糖与蛋白质相互作用糖蛋白n脂类与蛋白质相互作用脂蛋白n蛋白质与蛋白质相互作用第二节 核酸的结构与功能n遗传物

4、质的本质遗传物质的本质n核酸的化学组成核酸的化学组成nDNA的二级结构的二级结构nDNA的高级结构的高级结构n染色体染色体nRNA的结构与功能的结构与功能n核酸的变性与复性核酸的变性与复性一、遗传物质的本质一、遗传物质的本质nDNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质nRNA也可作为遗传物质也可作为遗传物质n存在核酸以外的遗传物质存在核酸以外的遗传物质 1 1、 遗传物质必须具有的特性遗传物质必须具有的特性 a a、贮存并表达遗传信息、贮存并表达遗传信息 b b、能把信息传递给子代、能把信息传递给子代 c c、物理和化学性质稳定、物理和化学性质稳定 d d、具有遗传变化的能力、具有遗传变化的能力

5、DNA DNA的特征的特征 各异的碱基序列储存大量的遗各异的碱基序列储存大量的遗 传信息传信息 碱基互补是其复制、转碱基互补是其复制、转 录表达遗传信息的基础录表达遗传信息的基础 生理状态下物理、化学性质生理状态下物理、化学性质 稳定稳定 有突变和修复能力，可稳定遗有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础传是生物进化的基础1kb DNA1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息RNA也可作为遗传物质也可作为遗传物质n1. RNA病毒 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）。如 Tobacco Mosaic Virus (TMV)，逆转录病毒（retro

6、virus)n2. 类病毒（viroid） 使高等植物产生疾病的传染性因子，只由RNA组成存在核酸以外的遗传物质存在核酸以外的遗传物质n朊病毒蛋白质样的感染因子朊病毒蛋白质样的感染因子羊搔痒病羊搔痒病 (scripie)，人类库鲁（人类库鲁（ kuru）病，病，牛海绵状脑炎牛海绵状脑炎(疯牛病疯牛病)均由均由传染性病传染性病原蛋白颗粒原蛋白颗粒引起，统称引起，统称Prion (朊病毒朊病毒)。 Prion 复制复制? 转录转录? 翻译翻译? 二、核酸的化学组成二、核酸的化学组成核酸的化学组成核酸的化学组成 核 酸（RNA、DNA）核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）A、G、C

7、、UA、G、C、T嘧啶嘧啶Pyrimidines嘌呤嘌呤Purines 一、一、 含氮碱基、核苷、核苷酸含氮碱基、核苷、核苷酸 碱基碱基Nitrogenous basesUracil (U)嘌呤碱(purine)和嘧啶碱(pyrimidine) 核苷（核苷（nucleotide）糖苷键糖苷键Glycosidic bond嘧啶的嘧啶的1 1位位NN原子、嘌呤的原子、嘌呤的9 9位位NN原子原子核糖是戊糖核糖是戊糖 RNA核糖核苷核糖核苷 DNA脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷19 核苷酸（核苷酸（nucleotide acid）核苷的磷酸酯核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸核糖核苷酸

8、Deoxynucleotides 其中其中和和、和和之间是之间是高高能磷酸键能磷酸键dNTP核酸的一级结构n一级结构即共价结构。一级结构决定高级结构。nDNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。nRNA的一级结构就是由四种核苷酸以不同的比例、不同的顺序、通过磷酸二酯键连结的多核苷酸长链。 n多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸，侧链为碱基，由3,53,5磷酸二酯键磷酸二酯键连接。前一个脱氧核苷酸的3-OH和后一个的5-磷酸缩合形成磷酸二酯键。 n方向性：通常规定5533为正向，默认的书写顺序53。 DNADNA一级结构一级结构5 3 OHOHOH5 3 RNARNA一级结构一级结构三、 D

9、NA的二级结构的二级结构双螺旋模型依据：双螺旋模型依据：n高度定向的高度定向的DNA纤维的纤维的X-射线照片射线照片发现原子长轴存在发现原子长轴存在0.34和和3.4nm两种周期性两种周期性nChargaff规则：规则：A + G / T + C = 1 A+T G + Cn密度测定表明螺旋由两条多核苷酸密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链组成，且直径恒定（链组成，且直径恒定（2nm)。 n双螺旋的主链双螺旋的主链n碱基配对碱基配对n螺旋参数螺旋参数n大沟和小沟大沟和小沟双螺旋模型的特点双螺旋的主链双螺旋的主链n每一单链具有每一单链具有 5 ，3极性极性n两条单链极性相反，两条单链极性相反，反向平

10、行反向平行n两条单链间以氢键连两条单链间以氢键连接接n以中心为轴，向右盘以中心为轴，向右盘 旋旋n 磷酸与核糖在外侧，磷酸与核糖在外侧，碱基在内侧碱基在内侧C-GT-A 碱基互补碱基互补 直径直径20 * * 双螺旋模型参数双螺旋模型参数 螺距为螺距为34（任一条链（任一条链 绕轴一周所升降的距离）绕轴一周所升降的距离） 每圈有每圈有1010个核苷酸个核苷酸 （碱基）（碱基） 有大沟和小沟有大沟和小沟 配对碱基并不充满双配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称占据的空间不对称 两个碱基之间的垂直两个碱基之间的垂直 距离是距离是3.43.4。螺旋转。螺旋转 角是

11、角是36度度Pitch 34 Rise3.4 Width 20 Major GrooveMinor Groove10.4 bp/turn大沟中碱基差大沟中碱基差异容易识别异容易识别 ，往往是蛋白质往往是蛋白质因子结合特异因子结合特异DAN序列的位序列的位点。小沟相对点。小沟相对体现的信息较体现的信息较少少影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素n氢键氢键(Hydrogen bond) n碱基碱基堆积堆积力力 n正负电荷正负电荷n疏水作用力疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 双螺旋结构的多态性双螺旋结构的基本形式：双螺旋结构的基本形式：B-DNA ，资料来

12、自相对湿资料来自相对湿度为度为92所得到的所得到的DNA钠钠盐纤维，是生理条件下盐纤维，是生理条件下DNA最稳定最稳定的结构形式。的结构形式。此外人们还发现了此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手等右手双螺旋和左手双螺旋双螺旋 Z构象等形式。构象等形式。DNA结构的多态性：几结构的多态性：几种不同的种不同的DNA双螺旋结双螺旋结构以及同一种双螺旋结构构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象。内参数存在差异的现象。nB-DNA：适中nA-DNA：粗短，大沟深度明显；nZ-DNA：左手螺旋，细长，大沟平坦。四、DNA的高级结构n1. 发夹结构（：同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一

13、段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反平行的双螺旋结构。DNA的高级结构n2.反向重复序列反向重复序列（inverted repeats,IR)，也叫回文序列，指在双链DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同的。DNA的高级结构n双链中，如果两条互补链分开，每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成一个发夹。两个相对的发夹结构就形成了一个。DNA的高级结构n3.三螺旋三螺旋DNA (Trible Helix DNA）位于位于B-DNAB-DNA大沟内大沟内与与B-DNAB-DNA以以Hoogsteen Hoogsteen 键连接键连接A AT,GT,GC C两

14、氢键配对，两氢键配对，C C必需质必需质子化子化poly(Py)poly(Py):(Pu):(Py):(Pu):(Py)为常见类型为常见类型第三条链，无论第三条链，无论A A还是还是T T，都是与，都是与双螺旋上的双螺旋上的A A配对，无论是配对，无论是G G还是还是C C，都是与双螺旋上的都是与双螺旋上的G G配对。配对。DNA的高级结构n四股螺旋四股螺旋DNA (Tetrable Helix DNA )形成条件串联重复的鸟苷酸形成条件串联重复的鸟苷酸基本结构单元鸟嘌呤四联体基本结构单元鸟嘌呤四联体碱基之间靠碱基之间靠 Hoogsteen 键连接键连接已有实验结果表明真核细胞端已有实验结果表

15、明真核细胞端粒中存在四链结构粒中存在四链结构DNA的三级结构n双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。如超螺旋，扭结，多重螺旋，连环等。以超螺旋最为常见 超螺旋结构正超螺旋负超螺旋模型（多见）超螺旋结构可分为正超螺旋与负超螺旋两类，超螺旋方向与双螺旋方向相反，为负超螺旋即左旋，是主要的超螺旋结构。 回文：原意指指顺读和倒读都一样的回文：原意指指顺读和倒读都一样的词句。词句。例：清代女诗人吴绛雪的四季回文诗n春：莺啼岸柳弄春晴，夜月明。 莺啼岸柳弄春晴，柳弄春晴夜月明。明月夜晴春弄柳，晴春弄柳岸啼莺。五、真核生物的染色体五、真核生物的染色体基因在基因在DNA链上，链上，DNA又在染色体上，而染

16、又在染色体上，而染色体和染色质则是同一物质不同时期的不同形色体和染色质则是同一物质不同时期的不同形态。大部分细胞生活周期里以染色质的形式存态。大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状），在在（弥散状），在M期染色体形式期染色体形式染色体和染色质 n真核真核DNA组蛋白组蛋白 核小体核小体n核小体折叠压积核小体折叠压积 染色质（染色质（chromatin）n （其它的蛋白质和（其它的蛋白质和RNA）染色质有两种型染色质有两种型n a、常染色质：密度较低，能被表达、常染色质：密度较低，能被表达n b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒、次缢痕）。又

17、包括组成型异染色质粒、端粒、次缢痕）。又包括组成型异染色质 和兼性异染色质和兼性异染色质 染色体和染色质n染色质染色质(chromatin)：是：是指细胞周期间期指细胞周期间期细胞核细胞核内由内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。n染色体染色体(chromosome)：是指在：是指在细胞分裂期细胞分裂期出现出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。态、结构特征的物体。 携带很多基因的分离单携带很多基因的分离单位。只有在细

18、胞分裂中才可见的形态单位。位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。组蛋白n组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4n（1）进化上的极端保守性n（2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。 n（3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。n（4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙酰化、磷酸化及ADP核糖基化等n（5）富含赖氨酸的组蛋白H5核小体n核小体核小体(nucleosome)：染色质的：染色质的基本结构亚基，由约基本结构亚基，由约200 bp的的DNA和约等量的组蛋白所组成。和约等量的组蛋白所组

19、成。n核小体的组成：核小体的组成：146bpDNA 组蛋白组蛋白 八聚体八聚体核小体的核小体的核核 心颗粒，心颗粒， 直径约直径约10nm 核小体每个核小体含有约每个核小体含有约200bp的的DNA，核心组，核心组蛋白蛋白H2A、H2B、H3和和H4各各2份拷贝，份拷贝，1份拷贝的份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。组蛋白位于核小体外侧。 组蛋白八聚体组蛋白八聚体146bp146bp的的核心核心DNADNA146bp146bp的核心的核心DNADNA在组蛋白八聚体上盘绕在组蛋白八聚体上盘绕1.81.8圈圈染色体染色体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构2.3.4 真核生物染色体真核生物染色

20、体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA （2nm）核小体链（核小体链（ 10nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（ 30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30个玫瑰花结）个玫瑰花结）染色体（染色体（ 1400nm，2个染色单体，个染色单体， 每个染每个染色体单体含色体单体含10个螺旋圈）个螺旋圈）六、RNA的结构与功能n1. RNA参与蛋白质的生物合成 nrRNA合成场所 23 S rRNA 催化肽键形成

21、1992年Noller证明。 ntRNA 携带氨基酸； mRNA模板 n2. RNA功能的多样性 n（1）控制蛋白质的合成 n（2）作用于RNA转录后加工和修饰 n（3）基因表达与细胞功能的调节 n（4）生物催化功能 n（5）遗传信息的加工与进化 RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分

22、蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基

23、酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA信使RNA(mRNA)nmRNA是蛋白合成的模板，占细胞占细胞RNA总量的总量的1%5%，分子量范围几百，分子量范围几百2万个核苷酸，变化大万个核苷酸，变化大.原核生物原核生物mRNAmRNA真核生物真核生物mRNAmRNA1.mRNA1.mRNA编码区编码区多顺反子（几个功能多顺反子（几个功能相关蛋白质）相关蛋白质）单顺反子单顺反子* *（1 1种蛋白质）种蛋白质）2.52.5端帽子结构端帽子结构

24、无帽子结构，（有无帽子结构，（有SDSD序列，序列，RBSRBS位于位于AUGAUG上上游游8 81313核苷酸处，与核苷酸处，与翻译起始有关）。翻译起始有关）。有帽子结构（有帽子结构（0.1.20.1.2三种类型）三种类型）* *使使mRNAmRNA免遭外切核酸酶降解，与免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关（翻译起始有关（CBPCBP）. .3.33.3端端poly(A)poly(A)尾尾无无有，有，2020200200核苷酸核苷酸4.5.34.5.3端端mRNAmRNA非偏非偏码区码区有有有有几个概念顺反子（顺反子（cistron） 一段可供偏码的结构基因一段可供偏码的结构基因,是能够编码合

25、成多肽的是能够编码合成多肽的DNA的的最小单位，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RNA序列亦称为顺反子。序列亦称为顺反子。单顺反子（单顺反子（monocistron） 真核的结构基因（及真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。个蛋白基因为一个转录单位。多顺反子（多顺反子（polycistron）原核的结构基因（）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，多个蛋）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。白基因串在一起为一个转录单位。核蛋白体RNA（rRNA）nrRNA

26、的结构特点的结构特点1. 含量最丰富,约占总RNA的80%以上。2. 与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA与蛋白质既可分离,又可结合。3. 核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNA。核糖体的组成核糖体的组成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亚基rRNA蛋白质16S(有mRNA识别结合位点)18S(有mRNA识别结合位点)21种33种大亚基rRNA23S、5S（识别、结合tRNA）28S、5S、5.8S(识别、结合tRNA)蛋白质34种49种转运转运RNARNA（tRNA）n在多肽链的合成中起转运氨基酸的作用 n特征： 1.分子量小，常由70-90个核糖核苷酸残基组成，约占总RNA的10-15 2.稀有碱基及核苷含量丰富 3.tRNA的5端大多为pG，3端为CCA（与氨基酸相连） 4.tRNA均可以形成三叶草型的二级结构和倒L状的三级结构* tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外