生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)秀課件

第二章生物大分子結(jié)構(gòu)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，幾乎到處都有生命的蹤跡。有天上飛的，地下爬的，水中游的。有的生物只是一個(gè)單細(xì)胞，如大腸桿菌和酵母菌；有的則有復(fù)雜的組織和器官，象人體就有1014體細(xì)胞。二、如果就生物大分子而言，人體大約有50000種以上的蛋白質(zhì)，同時(shí)含有數(shù)以萬計(jì)的核酸及其它大分子種類。地球上的全部生物，估計(jì)包括1011種蛋白和差不多相同數(shù)量的核酸。

即使極為簡(jiǎn)單的大腸桿菌（其體積約為2×10-12cm3)，也含有3000多種蛋白質(zhì)，1000多種核酸，還有1000多種其他生物大分子和低分子的有機(jī)化合物。三、在這樣種類復(fù)雜，形態(tài)萬千的生物體系中，人們必須尋求生命狀態(tài)的基本邏輯原理，這就是：（一）生物大分子雖然具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但在組成方面卻存在一種基本的簡(jiǎn)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(zhì)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）所有的生物都使用相同種類的的構(gòu)件分子，似乎它們是從一個(gè)共同的祖先進(jìn)化而來。（三）每種生物的特性是通過它具有的一套與眾不同的核酸和蛋白質(zhì)而保持的。（四）每種生物大分子在細(xì)胞中有特定的功能。

以上這些正是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)所要研究的基本問題所遵循的邏輯。四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)是指生物體內(nèi)由分子量較低的基本結(jié)構(gòu)單位首尾相連形成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質(zhì)和多糖?；窘Y(jié)構(gòu)單位的排列順序構(gòu)成生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)，生物大分子在其一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。自然界典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之間。六、研究生物大分子結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新方法和新儀器不斷改進(jìn)和涌現(xiàn)，如：DNA重組技術(shù)酶逐步降解技術(shù)基因自動(dòng)合成和測(cè)序技術(shù)X線晶體學(xué)分析技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及不同技術(shù)組合，使獲得：清晰度的結(jié)構(gòu)圖象，了解生物過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的動(dòng)態(tài)變化，以及對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行貯存，比較和結(jié)構(gòu)——功能預(yù)測(cè)成為可能。七、生物大分子空間結(jié)構(gòu)的闡明對(duì)某些相關(guān)疾病發(fā)生機(jī)理的研究及設(shè)計(jì)診斷、治療和預(yù)防方案具有重要意義，

特別是對(duì)新藥的分子設(shè)計(jì)與模擬，具有實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義。它可以把基礎(chǔ)研究與應(yīng)用、開發(fā)結(jié)合起來。第一節(jié)核酸

核酸（nucleicacid)是以核苷酸為基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（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一類為核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。

DNA存在細(xì)胞核和線粒體內(nèi)，攜帶和傳遞遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型（genetype)。

RNA存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)，參入細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。

病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。M.Delbruck(美）A.D.Hershey（美）S.E.Luria（美）196919691969生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基面結(jié)構(gòu)和病毒復(fù)制機(jī)制E.W.Sutherland（美）1971生理學(xué)、醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)3’,5’-環(huán)AMP和激素作用機(jī)制R.Dulbecco（意）1975生理學(xué)、醫(yī)學(xué)腫瘤病毒和細(xì)胞遺傳物質(zhì)之間的相互作用W.Arber（瑞士）1978生理學(xué)、醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌限制性內(nèi)切酶H.O.Smith（美）1978生理學(xué)、醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶作用方式的特點(diǎn)D.Nathans（美）1978生理學(xué)、醫(yī)學(xué)用限制性內(nèi)切酶制成腫瘤病毒的基因圖譜P.Berg（美）1981化學(xué)建立DNA重組技術(shù)W.Gilbert（美）1981化學(xué)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定方法F.Sanger(英）1981化學(xué)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定方法A.Klug（英）1982化學(xué)建立晶體電子顯微技術(shù)測(cè)定核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體的構(gòu)造一、DNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能1.DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同了。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測(cè)定DNA的堿基排列順序是分子生物學(xué)的基本課題之一。DNA序列測(cè)定即核酸DNA分子一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定，是現(xiàn)代分子生物學(xué)一項(xiàng)重要技術(shù)。序列分析的目的有二：1）確證性測(cè)序通過測(cè)序?qū)ν蛔冞M(jìn)行定位和鑒定，應(yīng)用時(shí)測(cè)定野生型基因上同源區(qū)和突變體的相應(yīng)序列，直接在一張膠片上比較二者序列差異（已知基因序列）。2）從頭測(cè)序目的是提供一段DNA準(zhǔn)確的核苷酸序列（未知基因序列）。2、DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)4種dNTP以3’、5’磷酸二酯鍵相連構(gòu)成一個(gè)沒有分枝的絨性大分子。（與蛋白質(zhì)比觸覺不靈）。它們的兩個(gè)末端分別稱5’末端（游離磷酸基）和3’末端（游離羥基）。1）2’-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）。2）3’、5’-磷酸二酯鍵和2’、5’寡核苷酸3、DNA的甲基化DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，有一些堿基可以通過加上一個(gè)甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化(mythylationofDNA)。1）原核生物（細(xì)菌）有限制一修飾系統(tǒng)（見第三章）①對(duì)自身DNA產(chǎn)生保護(hù)作用。②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(dá)調(diào)控中有重要作用（見第六章）3）核磁共振對(duì)DNA甲基化影響（二）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1.雙螺旋的基本特征

1）主鏈脫氧核糖和磷酸基相互隔連接構(gòu)成DNA的主鏈。從化學(xué)鍵的方向來看，雙螺旋中兩條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?。二條主鏈處于螺旋的外側(cè)，堿基處于螺旋的內(nèi)部，由于糖和磷酸根的化學(xué)性質(zhì)，主鏈?zhǔn)怯H水的。兩條鏈形成右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是20A。

2）堿基對(duì)

由于幾何形狀的限制，只能由嘧啶和嘌呤配對(duì)才能使堿基對(duì)合適地安置在雙螺旋內(nèi)。若兩個(gè)嘧啶配對(duì)則幾何形狀太小，兩個(gè)嘌呤配對(duì)則幾何形狀又太大，為雙螺旋所容納不下。只有A-T堿基和G-C堿基對(duì)的幾何形狀正適合雙螺旋的大小?！?）大溝和小溝

沿螺旋軸方向觀察，配對(duì)的堿基并不充滿雙螺旋的空間。由于堿基對(duì)的方向性，使得堿基對(duì)占據(jù)的空間是不對(duì)稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個(gè)凹下去的槽，一個(gè)槽大些，一個(gè)槽小些分別稱為大溝和小溝。雙螺旋表面的溝對(duì)DNA和蛋白質(zhì)的相互識(shí)別是很重要的，因?yàn)樵跍蟽?nèi)才能覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復(fù)結(jié)構(gòu)，沒有信息可言。（蛋白質(zhì)核酸，核酸核酸、鋅指結(jié)構(gòu)，見第六章）2.三股螺旋DNA（tsDNA）tsDNA是在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基堿上形成的。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(duì)位置分為兩種基本類型：（1）Pu（代表嘌呤鏈）—Pu—Py（代表嘧啶鏈）型，在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定；（2）Py—Pu—Py型，較多見，在偏酸性PH中穩(wěn)定。

雙螺旋通過Watson—Crick氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋通過Hoogsteen氫鍵穩(wěn)定。三鏈中堿基配對(duì)符合Hoogsteen模型，第三堿基在Py—Pu—Py型中為T=A=T，C+=G三C（第三位點(diǎn)的“C”必須質(zhì)子化）配對(duì)；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配對(duì)。

兩種類型tsDNA有4種同分異構(gòu)體。當(dāng)DNA雙鏈中含有H—回文序列時(shí)，即某區(qū)段DNA兩條鏈分別為HPu和HPy，并且各自為回文結(jié)構(gòu)時(shí)，任一條回文結(jié)構(gòu)的5’和3’部分都可以形成分了子內(nèi)三股螺旋結(jié)構(gòu)及剩余的半條回文結(jié)構(gòu)游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可形成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于：

調(diào)控區(qū)DNA復(fù)制起點(diǎn)或終點(diǎn)染色體重組位點(diǎn)，提示它們可能與基因表達(dá)調(diào)控DNA復(fù)制及染色體的重組有關(guān)。（四）DNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)1.信息量大*，可以縮微；2.表面互補(bǔ)，電荷互補(bǔ)，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制機(jī)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(jìn)化（突變對(duì)個(gè)體是不幸的，進(jìn)化對(duì)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(xiǎn)。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識(shí)別DNA中的U而隨時(shí)將其剔除）。

然而，如果DNA是最初的遺傳物質(zhì)，那么由于DNA復(fù)制需要酶，而酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個(gè)雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發(fā)現(xiàn)RNA擬酶，這個(gè)問題才得到解決。RNA作為遺傳物質(zhì)

RNA擬酶集信息傳遞作用和酶學(xué)催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質(zhì)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，一個(gè)RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進(jìn)化圖景，已被科學(xué)界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質(zhì)的設(shè)想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。

蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質(zhì)，早已成為定論。*一個(gè)1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)·二.RNA的結(jié)構(gòu)與功能核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲(chǔ)存著生物體全部遺傳信息，是基因表達(dá)不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。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(xué)功能。

*順反子（cistron）一段可供偏碼的結(jié)構(gòu)基因,是能夠編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補(bǔ)互析決定。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的RNA序列亦稱為順反子。單順反子（monocistron）真核的結(jié)構(gòu)基因（及mRNA）是單順反子，一個(gè)蛋白基因?yàn)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)錄單位。多順反子（polycistron）原核的結(jié)構(gòu)基因（mRNA）是多順反子，多個(gè)蛋白基因串在一起為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。*帽子結(jié)構(gòu)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(gè)核苷酸的核糖第2位羥基上有時(shí)也甲基化。因此通常帽子的結(jié)構(gòu)可見3種類型： 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的結(jié)構(gòu)相當(dāng)保守，各種物種的tRNA均含有73～93個(gè)核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級(jí)結(jié)構(gòu)和L狀的三級(jí)結(jié)構(gòu)。一端是CCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（AARS），是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。5.現(xiàn)實(shí)意義——老兵新傳（生化第十二章，P268）（1）對(duì)研究生命起源和進(jìn)化有意義先有DNA還是還先有RNA？雞生蛋，蛋生雞？上個(gè)世紀(jì)80年代已“定論”，很可能在原始生命中，RNA催化的斷裂——連接反應(yīng)是最早出現(xiàn)的催化的過程。（2）對(duì)傳統(tǒng)酶學(xué)提出挑戰(zhàn)蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)（側(cè)鏈基團(tuán)多樣性，核酸無側(cè)鏈）。（3）抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的應(yīng)用前景。(五).試述反義核酸用于基因治療的基本原理（20’）。1.概念反義核酸也稱反義基因，即能通過互補(bǔ)堿基與DNA或mRNA互補(bǔ)的核酸分子。2.基本原理

基因表達(dá)是基因產(chǎn)生功能的過程，這一過程主要涉及到DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，該過程任一環(huán)節(jié)受阻都會(huì)影響到基因功能的產(chǎn)生，基于這一基本原理，開展了反義核酸（基因）療法的基本的研究。

目前反義核酸療法多應(yīng)用于抗腫瘤和抗病毒感染治療中。

對(duì)于抗腫瘤，反義核酸治療就是應(yīng)用反義核酸在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平阻斷某些異?；虻谋磉_(dá)，以阻斷瘤細(xì)胞內(nèi)異常信號(hào)的傳導(dǎo)，使瘤細(xì)胞進(jìn)入正常分化軌道或引起細(xì)胞凋亡。對(duì)于抗病毒感染治療，反義核酸結(jié)果用反義DNA或反義RNA來阻斷病毒核酸的復(fù)制，轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而達(dá)到抗病毒的目的。3.舉例反義核酸有3類：1）人工合成的寡脫氧核苷酸（oligoexynuclectide），進(jìn)入機(jī)體后以胞吞的方式進(jìn)入細(xì)胞，可直接結(jié)合到DNA雙鏈的特定部位，形成三聚體，影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄不能啟動(dòng)。2）將特異的反義基因