2第二章生物大分子的結構和功能1(2)ppt課件

1、第二章 生物大分子構造和功能前 言一、在我們居住的地球，有大約1000萬種生物。 從高山到平原，從沙膜到極地，從空中到海洋，幾乎四處都有生命的蹤跡。有天上飛的，地下爬的，水中游的。 有的生物只是一個單細胞，如大腸桿菌和酵母菌；有的那么有復雜的組織和器官，象人體就有1014體細胞。二、假設就生物大分子而言，人體大約有50000種以上的蛋白質，同時含有數(shù)以萬計的核酸及其它大分子種類。 地球上的全部生物，估計包括1011種蛋白和差不多一樣數(shù)量的核酸。 即使極為簡單的大腸桿菌其體積約為210-12cm3)，也含有3000多種蛋白質，1000多種核酸，還有1000多種其他生物大分子和低分子的有機化合物。

2、.三、在這樣種類復雜，形狀萬千的生物體系中，人們必需尋求生命形狀的根本邏輯原理，這就是：一生物大分子雖然具有復雜的構造，但在組成方面卻存在一種根本的簡單性，例如： 1.DNA由4種脫氧核糖核苷酸4dNTP)聚合而成； 2.RNA由4種核糖核苷酸4NTP)聚合而成； 3.蛋白質由20余種氨基酸聚合而成； 4.多糖由少數(shù)幾種單糖聚合而成。二一切的生物都運用一樣種類的的構件分子，似乎它們是從一個共同的祖先進化而來。三每種生物的特性是經過它具有的一套與眾不同的核酸和蛋白質而堅持的。四每種生物大分子在細胞中有特定的功能。 以上這些正是生物化學、分子生物學、分子遺傳學所要研討的根本問題所遵照的邏輯。.四、

3、生物大分子biopolymer、biomacromolecule)是指生物體內由分子量較低的根本構造單位首尾相連構成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質和多糖。 根本構造單位的陳列順序構成生物大分子的一級構造，生物大分子在其一級構造的根底上構成復雜的空間構造。 自然界典型的生物大分子的分子量在10103之間。.五、基因組研討、基因表達調控研討、構造分子生物學研討和信號傳導研討是當今分子生物學研討的4大前沿領域。 生物功能由構造所決議。生物大分子在表現(xiàn)其生理功能過程中，必需具備特定的空間立體構造即三維構造。 現(xiàn)知道，在DNA、基因或RNA程度，存在各種表達功能構造域，構造域本身特點和形狀及它們所處的空

4、間大分子的空間構造形狀都直接影響DNA，基因或RNA的功能發(fā)揚。 在蛋白質程度由于它們是直接表達生物理功能的物質，其空間構造對其功能影響更為直接。因此，蛋白質的空間構造與功能的關系研討是構造分子生物學研討的主體。.六、研討生物大分子構造的新技術、新方法和新儀器不斷改良和涌現(xiàn)，如： DNA重組技術 酶逐漸降解技術 基因自動合成和測序技術 X線晶體學分析技術 計算機技術 以及不同技術組合，使獲得： 明晰度的構造圖象， 了解生物過程中蛋白質構象的動態(tài)變化，以及對生物大分子構造進展儲存，比較和構造功能預測成為能夠。.七、生物大分子空間構造的闡明對某些相關疾病發(fā)活力 理的研討及設計診斷、治療和預防方案具

5、有重要意義， 特別是對新藥的分子設計與模擬，具有實踐運用的指點 意義。 它可以把根底研討與運用、開發(fā)結合起來。.第一節(jié) 核酸 核酸nucleic acid)是以核苷酸為根本組成單位的生物大分子。天然存在的核酸有兩類，一類為脫氧核糖核酸deoxyribonucleic acid, DNA)，另一類為核糖核酸ribonuleic acid RNA)。DNA存在細胞核和線粒體內，攜帶和傳送遺傳信息，決議細胞和個體的基因型genetype)。 RNA存在于細胞質和細胞核內，參入細胞內DNA遺傳信息的表達。 病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。.為了闡明三十年來核酸研討的大體進展過程和科學界對核酸研討

6、成果的注重程度，如今把近三十年來因從事這方面的研討而獲得諾貝爾獎金的科學家列表如下：科學家年份種類成果A. R. Tood(英）1957化學確定核苷酸結構，合成二核苷酸等G.W. Beadle（美）E.L. Tatum（美）19581958生理學、醫(yī)學生理學、醫(yī)學化學試劑對基因的控制和影響J. Lederberg（美）1958生理學、醫(yī)學提出新的遺傳論點S. Ochoa（美）1959生理學、醫(yī)學酶促合成核糖多核苷酸A. Kornberg（美）1959生理學、醫(yī)學酸促合成DNAJ. D. Watson（美） 1962 生理學、醫(yī)學 DNA的雙螺旋結構F. H. C. Crick（英） 1962

7、生理學、醫(yī)學M. H. F. Wilkins（英）1962生理學、醫(yī)學DNA的X射線衍射研究F. Jacob（法）A. M. Lwoff（法）J. L. Monod（法）196519651965生理學、醫(yī)學生理學、醫(yī)學生理學、醫(yī)學基因對酶和病毒合成的控制R. W. Holley（美）1968生理學、醫(yī)學酵母t RNA Ala一級結構測定H. G. Khorana（美）1968生理學、醫(yī)學合成遺傳密碼M. W. Nirenberg（美）1968 生理學、醫(yī)學 發(fā)現(xiàn)遺傳密碼.M. Delbruck(美）A. D. Hershey（美）S. E. Luria（美）196919691969生理學、醫(yī)學

8、生理學、醫(yī)學生理學、醫(yī)學基面結構和病毒復制機制E. W. Sutherland（美）1971生理學、醫(yī)學發(fā)現(xiàn)3,5-環(huán)AMP和激素作用機制R. Dulbecco（意）1975 生理學、醫(yī)學腫瘤病毒和細胞遺傳物質之間的相互作用W. Arber（瑞士） 1978 生理學、醫(yī)學 發(fā)現(xiàn)細菌限制性內切酶H. O. Smith（美）1978生理學、醫(yī)學發(fā)現(xiàn)限制性內切酶作用方式的特點D. Nathans（美）1978生理學、醫(yī)學用限制性內切酶制成腫瘤病毒的基因圖譜P. Berg（美） 1981 化學 建立DNA重組技術W. Gilbert（美） 1981 化學 DNA一級結構測定方法F. Sanger (英

9、） 1981 化學 DNA一級結構測定方法A. Klug（英） 1982 化學建立晶體電子顯微技術測定核酸-蛋白質復合體的構造.一、DNA的構造與功能一DNA的一級構造與功能 1.DNA一級構造中儲存的生物遺傳信息 DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都儲存在DNA分子中。 這些信息以核苷酸不同的陳列順序編碼在DNA分子上，核苷酸陳列順序變了，它的生物學含義也就不同了。 DNA的一級構培育是指核苷酸在DNA分子中的陳列順序。因此測定DNA的堿基陳列順序是分子生物學的根本課題之一。.DNA序列測定 即核酸DNA分子一級構造的測定，是現(xiàn)代分子生物學一項重要技術。序列分析的目的有二：1確證性

10、測序 經過測序對突變進展定位和鑒定，運用時測定野生型基因上同源區(qū)和突變體的相應序列，直接在一張膠片上比較二者序列差別知基因序列。2從頭測序 目的是提供一段DNA準確的核苷酸序列未知基因序列。.測序在生物醫(yī)學領域運用2個方面： 1對知基因序列檢查 特別是有遺傳傾向的病例，檢測相關基因有無突變，有助于闡明疾病發(fā)病機理及建立相應診療方案。 2對曾經克隆的未知基因序列進展測定 從而闡明該基因的一級構造，如人類基因組方案中大量的任務是要闡明克隆片段的核苷酸陳列順序。.2、DNA一級構造的根本特點 4種dNTP以3、5磷酸二酯鍵相連構成一個沒有分枝的絨性大分子。與蛋白質比觸覺不靈。 它們的兩個末端分別稱5

11、末端游離磷酸基和3末端游離羥基。12-脫氧核糖核苷酸和2、3-二脫氧核糖苷酸鏈終止劑，sanger雙脫氧末端終止法。23、5-磷酸二酯鍵和2、5寡核苷酸.3、DNA的甲基化 DNA的一級構造中，有一些堿基可以經過加上一個甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化(mythylation of DNA)。1原核生物細菌有限制一修飾系統(tǒng)見第三章對本身DNA產生維護作用。抵御外源DNA噬菌體的入侵。2真核生物中的DNA甲基化在基因表達調控中有重要作用見第六章3核磁共振對DNA甲基化影響.二DNA的二級構造1.雙螺旋的根本特征 1主鏈 脫氧核糖和磷酸基相互隔銜接構成DNA的主鏈。 從化學鍵的方向來看，雙螺旋中兩

12、條多核苷酸鏈是反向平行的。 二條主鏈處于螺旋的外側，堿基處于螺旋的內部，由于糖和磷酸根的化學性質，主鏈是親水的。 兩條鏈構成右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是20A。 2堿基對 由于幾何外形的限制，只能由嘧啶和嘌呤配對才干使堿基對適宜地安頓在雙螺旋內。 假設兩個嘧啶配對那么幾何外形太小，兩個嘌呤配對那么幾何形狀又太大，為雙螺旋所包容不下。只需A-T堿基和G-C堿基對的幾何外形正適宜雙螺旋的大小。. 這兩種堿基對A/T,G/C有一個重要的特征，就是它們具有二次旋轉對稱性，即一對堿基對旋轉180O,并不影響雙螺旋的對稱性， 因此雙螺旋構造只限定了配對的方式，并不限定堿基的順序。 堿基環(huán)是一個共

13、軛環(huán)，本身構成一個平面分子。在雙螺旋中這個平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個堿基上下間隔3.4A,每十對堿基組成一節(jié)螺旋，因此雙螺旋的螺距是34A。一條鏈中每個相鄰的堿基方向相差36.堿基之間的疏水作用可導致堿基堆集，這個引力同堿基對之間氫鍵一同穩(wěn)定了雙螺旋構造。.3大溝和小溝 沿螺旋軸方向察看，配對的堿基并不充溢雙螺旋的空間。 由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，因此在雙螺旋的外表構成二個凹下去的槽，一個槽大些，一個槽小些分別稱為大溝和小溝。 雙螺旋外表的溝對DNA和蛋白質的相互識別是很重要的，由于在溝內才干覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的外表，是脫氧核糖和磷酸反復構造，沒有信息可言

14、。蛋白質 核酸，核酸 核酸、鋅指構造，見第六章.2.三股螺旋DNAtsDNA tsDNA是在DNA雙螺旋構造基堿上構成的。 三條鏈均為同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的堿基均為嘌呤或嘧啶，其中兩條鏈為正常雙螺旋，第三條鏈位于雙螺旋的大溝中。 根據(jù)三鏈的組成和相對位置分為兩種根本類型：1Pu代表嘌呤鏈PuPy代表嘧啶鏈型，在堿性介質中穩(wěn)定；2PyPuPy型，較多見，在偏酸性PH中穩(wěn)定。 雙螺旋經過WatsonCrick氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋經過 Hoogsteen氫鍵穩(wěn)定。三鏈中堿基配對符合Hoogsteen模型，第三堿基在PyPuPy型中為T=A=T，C+=G三C第三位點的“C必需質子化配對；在PuP

15、uPy型中存在G=G三C，A=A=T配對。. 兩種類型tsDNA有4種同分異構體。 當DNA雙鏈中含有H回文序列時，即某區(qū)段DNA兩條鏈分別為HPu和HPy，并且各自為回文構造時，任一條回文構造的5和3部分都可以構成分了子內三股螺旋構造及剩余的半條回文構造游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可構成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于： 調控區(qū)DNA復制起點或終點染色體重組位點，提示它們能夠與基因表達調控DNA復制及染色體的重組有關。.三DNA的三級構造 DNA的三級構造指雙螺旋鏈的扭曲。 趨螺旋是DNA三級構造的一種方式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋構造。超螺旋的生

16、物學意義能夠是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。2.21011公里, 2.2109公里,100倍2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質、核酸)之間的相互作用。.四DNA作為遺傳物質的主要優(yōu)點 1.信息量大*，可以縮微； 2.外表互補，電荷互補，雙螺旋構造闡明了準確復制 機理； 3.核糖的2脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好； 4.可以突變，以求進化突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的； 5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除。 然而，假設DNA是最初的遺傳物質，那么由于DN

17、A復制需求酶，而酶是蛋白質，蛋白質又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發(fā)現(xiàn)RNA擬酶，這個問題才得到處理。.RNA作為遺傳物質 RNA擬酶集信息傳送作用和酶學催化作用于一身，很能夠是最初的遺傳物質。在這個根底上，一個RNA世界到RNA蛋白質世界，由RNA蛋白質世界到DNA世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。 但RNA作為最初遺傳物質的想象，依然有許多疑問。其中最大的疑問是RNA本身的來源問題。 蛋白質因其缺乏遺傳外表，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質，早已成為定論。 *一個1kb的基因，其能夠的核苷酸陳列順序有41000=10602種，而直徑10億光年

18、的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University press,1992).二.RNA的構造與功能 核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生物體全部遺傳信息，是基因表達不可短少的根底物質。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學功能。.一mRNAmRNA占細胞RNA總量的1%5%，分子量范圍幾百2萬個核苷酸，變化大RT/PCR。原核和真核生物mRNA的構造不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區(qū)多順反子（幾個功能相關蛋白質）單順反子*（1種蛋

19、白質）2.5端帽子結構無帽子結構，（有SD序列，RBS位于AUG上游813核苷酸處，與翻譯起始有關）。有帽子結構（0.1.2三種類型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，與翻譯起始有關（CBP）.3.3端poly(A)尾無有，20200核苷酸4.5.3端mRNA非偏碼區(qū)有有 由間隔區(qū)轉錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物mRNA中如RBS。真核生物mRNA轉錄后加工,戴帽安尾。. *順反子cistron 一段可供偏碼的構造基因,是可以編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決議。由構造基因轉錄生成的RNA序列亦稱為順反子。 單順反子monocistron 真核的構造基因及mRNA是單

20、順反子，一個蛋白基由于一個轉錄單位。 多順反子polycistron原核的構造基因mRNA是多順反子，多個蛋白基因串在一同為一個轉錄單位。 * 帽子構造中的核苷酸大多數(shù)為7甲基鳥苷m7G.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的構造可見3種類型：帽子0型 m7G5PPP5NP.帽子1型 m7G5PPP5NmpNP.帽子2型 m7G5PPP5NmPNmPNP.二tRNA tRNA的構造相當保守，各種物種的tRNA均含有7393個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級構造和L狀的三級構造。一端是CCA結合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA知曉mRNA的核苷酸言語和

21、蛋白質的氨基酸言語AARS，是蛋白質翻譯的譯員。.三rRNA rRNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，后者是蛋白質合成的場所。核糖體的組成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亞基rRNA蛋白質16S(有mRNA識別結合位點)18S(有mRNA識別結合位點)21種33種大亞基rRNA23S、5S（識別、結合tRNA）28S、5S、5.8S(識別、結合tRNA)蛋白質34種49種 一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。 核糖體蛋白如何識別rRNA上的結合位點，如何和rRNA結合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，

22、怎樣相互結合，組裝成為功能性的核糖體，尚在研討之中。目前只知道彼此所處的相對位置，結合的細節(jié)不明。.四具有催化活性的RNA核酶，ribozyme,P151.1981年，Cech等人研討四膜蟲能自我拼接rRNA時發(fā)現(xiàn)核酶。2.分類1異體催化的剪切型如RNase P 一種核酸內切酶。 2自體催化的剪切型如植物類病毒。 3內含子的自我剪切型如四膜蟲大核26SrRNA前體。3.生理功用 絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反響機理 RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個外表，讓參與反響的基因接近并構成固定不變的空間關系，蛋白質以其側鏈基因的多樣性構成現(xiàn)代生物細胞中絕大部分的酶。然而，R

23、NA分子可以以其分子的空間構型產生鍵的斷裂和生成所必需的環(huán)境。催化RNAR和底物RNAS之間的堿基配對能夠是產生這種環(huán)境的主要要素。.5.現(xiàn)實意義老兵新傳生化第十二章，P2681對研討生命來源和進化有意義 先有DNA還是還 先有RNA？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀80年代已“定論，很能夠在原始生命中，RNA催化的斷裂銜接反響是最早出現(xiàn)的催化的過程。2對傳統(tǒng)酶學提出挑戰(zhàn) 蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學本質是蛋白質側鏈基團多樣性，核酸無側鏈。3抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的運用前景。.(五).試述反義核酸用于基因治療的根本原理20。1.概念 反義核酸也稱反義基因，即能經過互補堿基與DNA或mRNA互補的核酸分子。2.根本原理 基因表達是基因產生功能的過程，這一過程主要涉及到DNA的復制、轉錄和翻譯，該過程任一環(huán)節(jié)受阻都會影響到基因功能的產生，基于這一根本原理，開展了反義核酸基因療法的根本的研討。 目前反義核酸療法多運用于抗腫瘤和抗病毒感染治療中。 對于抗腫瘤，反義核酸治療就是運用反義核酸在轉錄和翻譯程度阻斷某些異?；虻?/p>