生物材料课件--3生物大分子(核酸).ppt

第三章 生物大分子 概述 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210-12cm3)，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。 （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。 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10103之间。 五、基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生 物学研究和信号传导研究是当今分子生物学研究的4 大前沿领域。 生物功能由结构所决定。生物大分子在表现其生理功能过 程中，必须具备特定的空间立体结构（即三维结构）。 现已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各种体现功能结 构域，结构域本身特点和形态及它们所处的空间大分子的空 间结构形态都直接影响DNA，基因或RNA的功能发挥。 在蛋白质水平由于它们是直接体现生物理功能的物质，其 空间结构对其功能影响更为直接。因此，蛋白质的空间结构 与功能的关系研究是结构分子生物学研究的主体。 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（nucleic acid)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（deoxyribonucleic acid, DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleic acid RNA)。 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。 核酸 基本单位 核苷酸 C、H、O、N、P 分类 生理功能 是遗传信息的载体，对生物的遗传性、变异性 和蛋白质的生物合成具有极其重要作用 一切生物的遗传物质 核苷酸 组成元素 核苷 磷酸 五碳糖 含氮碱基 DNA：主要存在于细胞核中 RNA：主要存在于细胞质中 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） 。 测序在生物医学领域应用2个方面： 1）对已知基因序列检查 特别是有遗传倾向的病例，检测相关基因有无突 变，有助于阐明疾病发病机理及建立相应诊疗方案。 2）对已经克隆的未知基因序列进行测定 从而阐明该基因的一级结构，如人类基因组计划中 大量的工作是要阐明克隆片段的核苷酸排列顺序。 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。 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 脱氧核糖核酸DNA 四种脱氧核糖核苷酸是DNA的基本单位，DNA通常是双链，规则 的双螺旋结构，如： （平面结构） （立体结构） 脱氧核糖核苷酸 一条多脱氧核糖核苷酸单链 脱氧核糖核苷酸双链 3. 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。 这两种碱基对（这两种碱基对（A/T,G/CA/T,G/C）有一个重要的特征，就是）有一个重要的特征，就是 它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转180180 O O , ,并不并不 影响双螺旋的对称性，影响双螺旋的对称性， 因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱 基的顺序。基的顺序。 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 间隔3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距 是34A。一条链中每个相邻的碱基方向相差36 .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 间氢键一起稳定了双螺旋结构。 3 3）大沟和小沟）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沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的 空间。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，一一 个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。 双螺旋表面的沟对双螺旋表面的沟对DNADNA和蛋白质的相互识别是很重要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，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，没有信息可言的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言 4. DNA的三级结构 DNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。 趋螺旋是DNA三级结构的一种形式，DNA在核小体中的 扭曲方式也是一种趋螺旋结构。 超螺旋的生物学意义可能是：超螺旋的生物学意义可能是： 1.1.使使DNADNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。 （2.2102.21011 11公里 公里, 2.210, 2.210 9 9 公里公里,100,100倍）倍） 2.2.影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程, ,从而影响从而影响DNADNA分子与其它分子分子与其它分子( ( 如酶、蛋白质、核酸如酶、蛋白质、核酸) )之间的相互作用。之间的相互作用。 5. DNA5. DNA作为遗传物质的主要优点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，如果然而，如果DNADNA是最初的遗传物质，那么由于是最初的遗传物质，那么由于DNA DNA复复 制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由DNADNA的核苷酸序的核苷酸序 列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。8080年年 代发现代发现RNARNA拟酶，这个问题才得到解决。拟酶，这个问题才得到解决。 RNARNA作为遗传物质作为遗传物质 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-Towards Life,oxford University press,1992) 二二.RNA.RNA的结构与功能的结构与功能 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。 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）主要存在于细胞核中，是染色体的）主要存在于细胞核中，是染色体的 主要成分，线粒体、叶绿体中也有少量；核糖核酸（主要成分，线粒体、叶绿体中也有少量；核糖核酸（RNARNA ）主要存在于细胞质中。）主要存在于细胞质中。 四种核糖核苷酸是RNA的基本单位 ， RNA通常是单 链， 一条多核糖核苷酸单链（平面结构） （一）mRNA mRNA占细胞RNA总量的1%5%，分子量范围几百2万个 核苷酸，变化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的结 构不同。 原核生物mRNA真核生物mRNA 1.mRNA编码区多顺反子（几个功能相 关蛋白质） 单顺反子*（1种蛋白质） 2.5端帽子结构无帽子结构，（有SD序 列，RBS位于AUG上游8 13核苷酸处，与翻译 起始有关）。 有帽子结构（0.1.2三种类型）* 使mRNA免遭外切核酸酶降解，与 翻译起始有关（CBP）. 3.3端poly(A)尾无有，20200核苷酸 4.5.3端mRNA非偏码 区 有有 由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物mRNA 中（如RBS）。真核生物mRNA转录后加工,戴帽安尾。 （二）tRNA tRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有7393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。