生物大分子的结构和功能优秀课件

第二章生物大分子结构和功能前言一、在我们居住的地球，有大约1000万种生物。从高山到平原，从沙膜到极地，从空中到海洋，几乎到处都有生命的踪迹。有天上飞的，地下爬的，水中游的。有的生物只是一个单细胞，如大肠杆菌和酵母菌；有的则有复杂的组织和器官，象人体就有1014体细胞。二、如果就生物大分子而言，人体大约有50000种以上的蛋白质，同时含有数以万计的核酸及其它大分子种类。地球上的全部生物，估计包括1011种蛋白和差不多相同数量的核酸。

即使极为简单的大肠杆菌（其体积约为2×10-12cm3)，也含有3000多种蛋白质，1000多种核酸，还有1000多种其他生物大分子和低分子的有机化合物。三、在这样种类复杂，形态万千的生物体系中，人们必须寻求生命状态的基本逻辑原理，这就是：（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。

以上这些正是生物化学、分子生物学、分子遗传学所要研究的基本问题所遵循的逻辑。四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)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。包括核酸、蛋白质和多糖。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。自然界典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之间。六、研究生物大分子结构的新技术、新方法和新仪器不断改进和涌现，如：DNA重组技术酶逐步降解技术基因自动合成和测序技术X线晶体学分析技术计算机技术以及不同技术组合，使获得：清晰度的结构图象，了解生物过程中蛋白质构象的动态变化，以及对生物大分子结构进行贮存，比较和结构——功能预测成为可能。七、生物大分子空间结构的阐明对某些相关疾病发生机理的研究及设计诊断、治疗和预防方案具有重要意义，

特别是对新药的分子设计与模拟，具有实际应用的指导意义。它可以把基础研究与应用、开发结合起来。第一节核酸

核酸（nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。

DNA存在细胞核和线粒体内，携带和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型（genetype)。

RNA存在于细胞质和细胞核内，参入细胞内DNA遗传信息的表达。

病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。M.Delbruck(美）A.D.Hershey（美）S.E.Luria（美）196919691969生理学、医学生理学、医学生理学、医学基面结构和病毒复制机制E.W.Sutherland（美）1971生理学、医学发现3’,5’-环AMP和激素作用机制R.Dulbecco（意）1975生理学、医学肿瘤病毒和细胞遗传物质之间的相互作用W.Arber（瑞士）1978生理学、医学发现细菌限制性内切酶H.O.Smith（美）1978生理学、医学发现限制性内切酶作用方式的特点D.Nathans（美）1978生理学、医学用限制性内切酶制成肿瘤病毒的基因图谱P.Berg（美）1981化学建立DNA重组技术W.Gilbert（美）1981化学DNA一级结构测定方法F.Sanger(英）1981化学DNA一级结构测定方法A.Klug（英）1982化学建立晶体电子显微技术测定核酸-蛋白质复合体的构造一、DNA的结构与功能（一）DNA的一级结构与功能1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在DNA分子中。这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNA分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。因此测定DNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。DNA序列测定即核酸DNA分子一级结构的测定，是现代分子生物学一项重要技术。序列分析的目的有二：1）确证性测序通过测序对突变进行定位和鉴定，应用时测定野生型基因上同源区和突变体的相应序列，直接在一张胶片上比较二者序列差异（已知基因序列）。2）从头测序目的是提供一段DNA准确的核苷酸序列（未知基因序列）。2、DNA一级结构的基本特点4种dNTP以3’、5’磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的绒性大分子。（与蛋白质比触觉不灵）。它们的两个末端分别称5’末端（游离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。1）2’-脱氧核糖核苷酸和2’、3’-二脱氧核糖苷酸（链终止剂，sanger双脱氧末端终止法）。2）3’、5’-磷酸二酯键和2’、5’寡核苷酸3、DNA的甲基化DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化(mythylationofDNA)。1）原核生物（细菌）有限制一修饰系统（见第三章）①对自身DNA产生保护作用。②抵御外源DNA（噬菌体）的入侵。2）真核生物中的DNA甲基化在基因表达调控中有重要作用（见第六章）3）核磁共振对DNA甲基化影响（二）DNA的二级结构1.双螺旋的基本特征

1）主链脱氧核糖和磷酸基相互隔连接构成DNA的主链。从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是20A。

2）碱基对

由于几何形状的限制，只能由嘧啶和嘌呤配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。若两个嘧啶配对则几何形状太小，两个嘌呤配对则几何形状又太大，为双螺旋所容纳不下。只有A-T碱基和G-C碱基对的几何形状正适合双螺旋的大小。·3）大沟和小沟

沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空间。由于碱基对的方向性，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，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。（蛋白质核酸，核酸核酸、锌指结构，见第六章）2.三股螺旋DNA（tsDNA）tsDNA是在DNA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。根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型：（1）Pu（代表嘌呤链）—Pu—Py（代表嘧啶链）型，在碱性介质中稳定；（2）Py—Pu—Py型，较多见，在偏酸性PH中稳定。

双螺旋通过Watson—Crick氢键稳定，而三股螺旋通过Hoogsteen氢键稳定。三链中碱基配对符合Hoogsteen模型，第三碱基在Py—Pu—Py型中为T=A=T，C+=G三C（第三位点的“C”必须质子化）配对；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配对。

两种类型tsDNA有4种同分异构体。当DNA双链中含有H—回文序列时，即某区段DNA两条链分别为HPu和HPy，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的5’和3’部分都可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。真核生物基因组中存在大量可形成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：

调控区DNA复制起点或终点染色体重组位点，提示它们可能与基因表达调控DNA复制及染色体的重组有关。（四）DNA作为遗传物质的主要优点1.信息量大*，可以缩微；2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；3.核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好；4.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）；5.有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。

然而，如果DNA是最初的遗传物质，那么由于DNA复制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由DNA的核苷酸序列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。80年代发现RNA拟酶，这个问题才得到解决。RNA作为遗传物质

RNA拟酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是最初的遗传物质。在这个基础上，一个RNA世界到RNA蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到DNA世界的进化图景，已被科学界广泛接受。但RNA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RNA本身的起源问题。

蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。*一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有41000=10602种，而直径10亿光年的宇宙，基体积不过1084cm3或10108A。(见M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)·二.RNA的结构与功能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。除DNA外，在生物体中还存在着另一类核酸——RNA。RNA有许多种，它们具有不同的生物学功能。

*顺反子（cistron）一段可供偏码的结构基因,是能够编码合成多肽的DNA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。单顺反子（monocistron）真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。多顺反子（polycistron）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，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7甲基鸟苷（m7G）.在其后面第2和第3个核苷酸的核糖第2位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见3种类型： 帽子0型m7G（5’）PPP（5’）NP. 帽子1型m7G（5’）PPP（5’）NmpNP. 帽子2型m7G（5’）PPP（5’）NmPNmPNP.（二）tRNAtRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有73～93个核苷酸，tRNA均有三叶草型的二级结构和L状的三级结构。一端是CCA结合氨基酸部位，另一端为反密码子环。tRNA通晓mRNA的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（AARS），是蛋白质翻译的译员。5.现实意义——老兵新传（生化第十二章，P268）（1）对研究生命起源和进化有意义先有DNA还是还先有RNA？鸡生蛋，蛋生鸡？上个世纪80年代已“定论”，很可能在原始生命中，RNA催化的断裂——连接反应是最早出现的催化的过程。（2）对传统酶学提出挑战蛋白酶取代核酶，绝大部分酶的化学本质是蛋白质（侧链基团多样性，核酸无侧链）。（3）抗病毒核酸，抗肿瘤核酸，基因治疗中的应用前景。(五).试述反义核酸用于基因治疗的基本原理（20’）。1.概念反义核酸也称反义基因，即能通过互补碱基与DNA或mRNA互补的核酸分子。2.基本原理

基因表达是基因产生功能的过程，这一过程主要涉及到DNA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。

目前反义核酸疗法多应用于抗肿瘤和抗病毒感染治疗中。

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。对于抗病毒感染治疗，反义核酸结果用反义DNA或反义RNA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。3.举例反义核酸有3类：1）人工合成的寡脱氧核苷酸（oligoexynuclectide），进入机体后以胞吞的方式进入细胞，可直接结合到DNA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。2）将特异的反义基因