生物无机化学概论

生物无机化学Bioinorganic Chemistry,欢迎同学们学习本课程！,主讲：章丹,课程基本信息,授课班级：2013级化学师范专业 授课时间：112周，星期一，14:0015:40教材：生物无机化学，郭子建、孙为银主编，科 学出版社，2007年1月出版教参：1. 生物无机化学原理，S. L. Lippard等编著，席振峰等翻译，北京大学出版社，2000年6月第1版；2. 生物无机化学导论，计亮年等编著，科学出版社，2010年9月第3版3. 生物无机化学原理杨频、高飞编著，科学出版社，2002年4月第一版。总学时：24（14+10） 学分：2 课型：专业选修课任课教师邮箱：,课 程 内 容绪论 生物无机化学概论 （2月22）第一章 金属离子及金属配合物与核酸的相互作用（2月29）课堂讨论 同学分组陈述专题PPT （3月7）第二章 天然含氧载体及其模拟物（3月14）课堂讨论 同学分组陈述专题PPT （3月21）第三章 含锌酶和含锌蛋白（3月28）课堂讨论 同学分组陈述专题PPT（4月11） 第四章 含铜蛋白及含铜酶（4月18）课堂讨论 同学分组陈述专题PPT （4月25）第五章 气体分子信号通路（5月2）第六章 活性氧的化学生物学（5月9）课堂讨论 同学分组陈述专题PPT （5月16）,课堂讨论的题目,第一章 1. 金属离子或者金属离子配合物与核酸或核酸酶的相 互作用； 2. 无机药物化学（包括诊断试剂和治疗试剂）。第二章 3. 含有亚铁血红素辅基的蛋白质的功能和性质； 4. 抗癌性配合物的合成与机理（Pt, Se, Ti等）第三章 5. 锌指蛋白与核酸相互作用的研究进展； 6. 生物矿化的研究进展。第四章 7. 铜锌超氧化物歧化酶的性质与功能； 8. 纳米化学的研究进展。第五章 9. 气体信号分子H2S，CO或NO的生物学研究进展； 10. 钠，钾，钙的生物无机化学和调控。,要求：任意2位同学一组，共分成22组同学。每个题目选23组同学，各自下载5篇以上参考文献，制作25页以上PPT进行讲解。讲之前两天将PPT和文献发往邮箱：,成绩：课堂PPT讲解 50%课堂参与 10%期末考试 （包括老师和同学们自己讲的PPT中的内容） 40%,生物无机化学概论,1. 什么是生物无机化学? 2. 生物体中的无机元素3. 生物无机化学的研究课题4. 生物大分子的结构及性质,1.什么是生物无机化学?,生物无机化学是介于生物化学和无机化学之间的内容十分广泛的一门新兴的边缘学科。,一个问题被长期忽视：金属离子在生物化学反应的实现、组合中起着重要的作用，几乎所有的生物功能都直接或间接地依赖于金属离子。可以说，没有金属离子就没有生命。 化学家参与生物化学的研究，在20世纪60年代后期形成“生物无机化学”这一边缘学科。生物无机化学又称无机生物化学或生物配位化学。是无机化学、生物化学、医学等多种学科的交叉领域。,这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的一门边沿学科。它的基本任务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。而对这种相互作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度发展。 由于应用理论化学方法和近代物理实验方法促进研究物质（包括生物分子）的结构、构象和分子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能，生物无机化学正是这个时候作为一门独立学科应运而生。,生物无机化学即是用配位化学的原理和方法研究生物分子与金属离子的相互作用。,小结：,2. 生物体中的无机元素,生物无机化学的研究对象： 生物体内存在的各种元素，尤其是微量金属元素与体内有机配体所形成的配位化合物的组成、结构、形成和转化，以及在一系列重要生命活动中的作用。 生物体内存在有钠、钾、钙、镁、铁、铜、钼、锰、钴、锌等十几种元素，它们能与体内存在的糖、脂肪、蛋白质、核酸等大分子配体和氨基酸、多肽、核苷酸、有机酸根、O2、Cl-等小分子配体形成化合物，主要是配位化合物。 如：金属蛋白，金属酶，维生素B12和B12辅酶，叶绿素，离子载体。,生物体内的必需元素： 1、特征: a. 存在于正常的组织中； b. 在各物种中有一定的浓度范围； c. 缺乏时，将引起生理或结构变态会伴随特殊的 生物化学变化；重新补充后，变态可以消除。 2、种类： 常量元素： H、C、O、N、P、S、Na、K、Ca、Mg、Cl 微量元素： Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、 Sn、F、I、B、Si、Se有害元素：Hg、Cd、Pb、Al、As、Be、Tl 等其它元素(中性元素)：Sr 等,two classes: naturally occurring metals in biological systems (in color) and metals that are used for probes or drugs in biological systems (in gray),2.1 常量金属元素的生物功能,钠：电荷载体、渗透压平衡维持渗透压、电荷平衡，维持肌肉和神经的正常功能钾：电荷载体、渗透压平衡维持渗透压、电荷平衡，维持心肌、肌肉和神经的正常功能钙：生物分子结构、电荷携带、信号传导99%存在于骨骼之中，维持蛋白质结构镁：生物分子结构、水解酶、异构酶激活人体内的几百种酶，维持核酸结构的稳定性，叶绿素的核心原子,2.2 微量金属元素的生物功能,铁：氧化酶、氧的运输与储存、电子转移、固氮酶锌：蛋白质结构、水解酶钴：氧化酶、烷基转移铜：氧化酶、氧的运输与电子转移镍：加氮酶、水解酶钒：固氮酶、氧化酶钼：固氮酶、氧化酶、氧传递钨：脱氢酶锰：结构、光合作用、氧化酶铬：影响脂肪、蛋白质、糖的代谢,3. 生物无机化学的研究课题,（1）金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用与核酸、核苷酸的相互作用与蛋白质的相互作用热门课题：金属离子对DNA构象的影响；金属离子特别是金属配合物对不同构型DNA选择性的结合。（2）金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究金属离子的成键位置活性中心周围微环境蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献蛋白链与底物的结合方式,（3）金属离子与细胞的相互作用研究是金属摄入、转运、分布以及它们的生物效应的化学基础；是解释生物效应的分子机理的必需。事实上，生物化学所研究的所有生物分子都只存在于细胞内。（4）离子载体能运载金属离子通过生物膜的有机配体。与金属离子与细胞的相互作用研究直接关联。（5）金属酶和模拟酶的应用在研究金属酶化学结构与功能关系的基础上，合成模拟酶。应用于生产是极富生命力的研究领域。（6）电子传递反应生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子传递。研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的热门课题。,（7）生物矿化 自然界生物利用矿物至少已有35亿年历史。从细菌、微生物到动物、植物的体内均可形成矿物。生物矿化的研究始于本世纪初。自然界中，无论是细菌、微生物，还是植物、动物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物材料（骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳等）。它们是矿物与基质构成的复合材料，其高度的装配有序性、特殊的理化性质、可控的动态性质和特殊的生物功能都引起人们的关注。 研究生物矿化这一生物无机化学基本反应，有望在医学和新材料的应用方面取得突破。,（8）几种元素的生物无机化学主要是结合我国国情的需要：硒：我国地方性疾病 克山病心脏损伤性疾病 大骨节病慢性对称性畸形骨关节病。人体内缺硒是其主要原因之一。硒的生物无机化学研究对这些地方性疾病的防治有重要的意义。稀土：储量和产量，我国占世界首位。我国科学工作者对稀土生物无机化学、稀土生物化学和稀土毒理学进行了研究。早期主要是进行了大量的环境调查及农用稀土毒理研究。年代开始从分子水平及细胞水平上开展稀土的生物无机化学研究，并已出版了专著。近年发现，稀土作为微量肥料添加剂、微量饲料添加剂能显著提高农作物、家畜的产量。是否有毒？人们长期食用是否危险？一些在药用上有较大价值的元素：钒：可能对糖尿病、肿瘤等有较大的药用价值。,（9）金属药物 金属药物在我国历史上曾有过辉煌的时期，古代就有以金作各种药物和营养品的记载。金属配合物抗癌药物如顺铂的应用，重新引起人们的关注。金属药物的研究将是今后几年的研究热点。研究如何把偶然进入生物体的有毒金属离子通过螯合作用排出；研究如何把金属离子及其配合物合理地引入生物体，达到治疗的目的；药物中的金属及抗癌活性配合物的作用机理。,铂配合物抗癌药：顺二氯二氨合铂：选择性抑制癌细胞DNA复制的能力是它具有抗癌活性的主要原因铂配合物抗癌药的抗癌机理： 1.链间交联机理； 2.螯合机理； 3.链内交联机理。铂配合物抗癌药的毒副作用非铂类金属抗癌药物 1、钌药物：最有前途的抗癌药物 2、铑药物 3、锡药物 4、钛药物 5、镓药物,（10）环境生物无机化学 从环境与生物体的相互作用出发，研究无机元素在环境中的存在形态、转化及其效应和人体健康的关系。 国内研究工作集中在：（1）与地方病和心血管病有关的碘、氟、铅、铬等；（2）结合动物和人体健康进行的汞、镉、铅、铜、锌、砷、铝和硒的研究；（3）结合作物生长开展的硼、锰、锌和钼的研究；（4）结合微量元素应用的潜在危害作用研究，如农用稀土研究等。 国际公认在全球最具潜在危害性的金属有镉、汞、铅、锡、锑、银、锌等。这些金属的形态和转化仍是我们需要切实解决的研究课题。非金属元素碘、氟、砷对人的健康至关重要，要从必需和毒害两个方面加以研究。,4. 生物大分子的结构及性质,生物无机化学的主体部分由金属元素的配位化合物所构成。在生命体系中，金属中心常常被给电子的各种配体所“包围”。,生物体系中的配体可分为两类:,1、简单的无机小分子或阴离子，如H2O、 S2-、O2-、OH-、PO43-、Cl-、HCO3-等；,2、生物大分子，如蛋白质（或多肽）和 核酸。,在生物体系中，除了蛋白质和核酸外，碳水化合物、脂等生物大分子也含有可与金属发生作用的含氧基团，但是，到目前为止，有关它们与金属离子相互作用的了解还很少。,第一节 蛋白质及其组成与结构第二节 核酸与其他生物分子,第一节 蛋白质及其组成与结构,蛋白质是生命体系中最重要的一类生物大分子，是生命活动的主要承载者以及生命现象的主要物质基础。据统计，到目前为止所发现的蛋白质中大约有三分之一为金属蛋白。,根据生物学功能分类，金属蛋白主要涉及以下几种类型：,（1）具有催化功能的蛋白质酶。 生命体内的化学反应几乎都是在生物催化剂的催化下完成的，而酶是生物催化剂中最重要的一类物质。金属酶的结构、功能、催化机理及其模拟构成了生物无机化学的主体部分。,（2）具有运输功能的蛋白质。 这一类蛋白质在生物体系中结合并携带着特殊的分子或离子从一个部位到另一个部位。运铁蛋白、载氧蛋白等即属于该类蛋白。,（3）具有营养储存功能的蛋白质。 它们将氨基酸、金属离子等营养物质储存并使之用于生物体的生长、发育等过程。铁蛋白是这类蛋白质的代表。,（4）具有结构功能的蛋白质。 它们作为机体的支架和结构成分参与细胞组织的形成。细胞膜、线粒体、头发、指甲等都是由蛋白质或脂质组成。,（5）具有防御功能的蛋白质。 它们能够起到抵御有害物质的侵袭、保护生物体的作用。免疫球蛋白、超氧化物歧化酶等属于该类蛋白质。,（6）具有调控功能的蛋白质。 它们起到调节或控制细胞生长、分化以及遗传信息的表达等作用，如胰岛素、锌指蛋白等。,如此多种不同性质、不同功能的蛋白质都是由20种必需的氨基酸组成。这些氨基酸的侧链是参与金属离子作用的主要基团。,一、氨基酸,氨基酸是蛋白质的基本结构单元。已发现的自然界中存在的氨基酸有100多种，但参与组成蛋白质的氨基酸却只有20种，称为必需氨基酸。,这些氨基酸中参与和金属离子配位的主要基团包括：1）半胱氨酸的巯基；,2）组氨酸的咪唑基；,3）谷氨酸和天冬氨酸的羧基；,4）酪氨酸的苯酚基；,5）蛋氨酸的甲硫基。,生物体中的金属离子对配位给体的结合倾向，经常受软硬酸碱的制约：软亲软，硬亲硬路易斯酸碱电子理论认为酸：凡能接受外来电子对的分子、基团或离子；碱：凡能提供电子对的分子、基团或离子。硬：体积小，电荷高，极化性低，对外层电子抓得紧；软：对外层电子抓得松,与生物无机研究有关的配位化学原理,螯合作用：指从一个配体上有两个或更多的配位原子和中心的金属原子结合。Irving Williams序列：对一个给定的配体，第一过渡系的二价金属离子与它结合的典型倾向性遵循下面的稳定性顺序Ca2+Mg2+Mn2+Fe2+Co2+Ni2+Zn2+,螯合作用和Irving Williams序列,二、蛋白质的结构,蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键。两个氨基酸分子之间失去一个水分子而形成一个肽键。任何数目的氨基酸都能以这种方式连接成多肽链。,多肽链的氨基一端通常被称为N端或氨基端，羧基一端被称为C端或羧基端。习惯上，将N端列在左边，C端列在右边。,蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序被称为蛋白质的一级结构。,如血红蛋白的链由141个氨基酸残基组成：,蛋白质分子并不是一条走向随机的松散肽链，而是折叠成具有特定构象的三维结构。 蛋白质的空间结构主要包括以下几个层次：二级结构、三级结构和四级结构。这种特定的结构是各种蛋白质具有不同功能和活性的分子基础。,蛋白质的二级结构也可称为构象单元，因为它们是蛋白质复杂的空间构象的基础。常见的构象单元有螺旋（-helix）、折叠（-sheet）、转角（-turn）等。 螺旋和折叠是有规律的构象。,在a螺旋中，氨基酸残基的侧链伸向外侧，每轮卷曲的螺旋包含3.6个氨基酸残基； 同一肽链上的每个残基的酰胺氢和位于它后面的第4个残基上的羰基氧彼此之间形成氢键。这种氢键大致与螺旋轴平行（链内氢键）。a螺旋有右旋和左旋两种，右螺旋比较稳定，迄今研究过的天然蛋白质的a螺旋都是右螺旋。,a螺旋蛋白结构,折叠可分为平行式和反平行式两种类型，平行式各条肽链的N-末端都在同一边，反平行式各条肽链的N-末端一顺一倒排列；它们是通过肽链间或肽段间的氢键所形成的，这种链间氢键由一条肽链的羰基和另一条肽链的亚氨基形成。,b折叠蛋白结构,一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间排列。三级结构主要靠次级键（非共价键）维系固定。二硫键（共价键）也参与维系三级结构。 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位，即蛋白质分子中形成了某些发挥生物学功能的特定区域。,两个或两个以上具有独立的三级结构的多肽链（通常被称为亚基或亚单位），彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称为四级结构。,例如，血红蛋白分子就是两个由141个氨基酸残基组成的亚基（蓝色、红色）和两个由146个氨基酸残基组成的亚基（黄色、绿色）按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐桥维系着血红蛋白分子严密的空间构象。,包含了螺旋、折叠、 转角等二级结构信息，以及亚基等三级结构及其组成的血红蛋白四级结构。,三、蛋白质的金属配合物,很多天然蛋白质中含有金属：eg. Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+等。 蛋白质与金属离子的配位与氨基酸明显不同。金属离子和蛋白质组成配合物后，金属可影响蛋白质的电子结构和反应能力，并对蛋白质的结构起稳定作用。,大多数金属离子与蛋白质的结合可分为两类：,一类是金属和蛋白质牢固地结合在一起，金属离子是蛋白质的组成部分，将金属离子移去后，金属蛋白的活性也就失去。在这一类金属蛋白中，金属与蛋白质之比为一恒定常数，金属与蛋白质组成一个稳定的配合物。,另一类是金属和蛋白质结合较弱，金属容易被除去，且金属和蛋白质之比不恒定。,金属离子与蛋白质的结合模式：,多数情况下，金属离子直接与蛋白质的内源配体（氨基酸侧链基团）配位结合到蛋白质分子中，形成金属活性中性。,金属离子对新生肽链的折叠或者稳定蛋白质的高级结构具有决定作用；另一方面，肽链的折叠以及形成的二级结构，也对金属离子与蛋白质的配位选择性和成键方式产生重要影响。,2. 金属离子与一些外源配体（水分子，酸根离子，有机小分子比如卟啉等）先形成具有特定配位结构的单核或多核金属中心，金属簇，他们作为金属辅基或特化单元，像电子元器件那样，,插入到蛋白质分子的特定结构部位，直接或者间接地（通过外源配体桥联）与肽链相结合，形成金属活性中心。,四、酶,酶是一类由活细胞产生，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。由于酶的本质是蛋白质，因此酶主要由氨基酸构成。,酶一般分为六大类：,1、氧化还原酶类，催化氧化还原反应；2、转移酶类，催化功能基团转移反应；3、水解酶类，催化水解反应；4、裂解酶类，催化从底物移去一个基团；5、异构酶，催化异构体互相转变；6、合成酶，催化双分子合成一种新物质。,酶的催化特性：,1、高效性；2、高度专一性；3、反应条件温和；,第二节 核酸与其他生物分子,一、核酸 核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两种。（一）核酸的元素组成：组成核酸的元素有C、H、O、N、P等,（二）核酸的结构组成,核酸的水解产物如下：,1. 碱 基：（1）嘧啶碱,尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶,DNA中含C和T，而RNA中含C和U：T比U多一个5位甲基，这个甲基增大了遗传的准确性并增加结构的稳定性,(2）嘌呤碱,腺嘌呤 鸟嘌呤,嘌呤是由一个嘧啶环和咪唑环组成的杂环化合物，嘌呤环的编号方式是固定的，即是从嘧啶环的N为1开始编号，按照杂原子位数和最小原则向下编号，先编嘧啶环，然后第七位开始编咪唑环，同样是从N开始，所以鸟嘌呤的命名为2-氨基-6-羟基(酮基)嘌呤。,2. 戊 糖,核酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖（2位的羟基被氢取代）两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上“ ”。,-D-核糖 -D-2-脱氧核糖,3. 核 苷,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1 -羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，生成的化学键称为糖苷键。所以有四种核糖核苷和四种脱氧核糖核苷用单字母表示，在脱氧时加d，如dA。,腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR),1,N9-糖苷键 1,N1-糖苷键,1,1,N9,N1,核糖核苷与脱氧核糖核苷,（4）核苷酸,核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。核苷酸在5位进一步磷酸化即生成二磷酸核苷和三磷酸核苷，表示为NMP、NDP、NTP，脱氧时加“d”，如ATP、dATP。,几种腺苷酸,核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸,脱氧核糖核酸（DNA）是染色体的主要成分，真核生物的线粒体和叶绿体中也含有DNA，原核生物的质粒全由DNA构成。除了RNA病毒和噬菌体外，DNA是所有生物的遗传物质基础。生物体的遗传信息都储存在DNA分子中。,（5）核酸,1953年，沃森和克里克提出了DNA的双螺旋模型： DNA由两条方向相反的多核苷酸链所构成；脱氧核糖和磷酸二酯键所形成的骨架在外侧，两两配对的碱基在双螺旋内侧；每对碱基处于同一平面，和中心轴垂直，而不同碱基对的平面互相平行。,（三）DNA结构的多样性,一级结构： DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序、种类、数量及连接方式叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。,DNA的二级结构：双链DNA,DNA的二级结构是指以Watson-Crick氢键配对为基础形成的双螺旋结构A-DNA、B-DNA是右手螺旋结构，而Z-DNA是左手螺旋结构对于B-DNA而言，由磷酸二酯键形成的多核苷酸主链位于外侧，是亲水性的，而碱基位于双螺旋的内侧，是疏水性的B-DNA双螺旋：大沟宽而深，小沟窄而浅； A-DNA螺旋表面的大沟窄而深，小沟宽而浅；Z-DNA双螺旋表面只有一条窄而深的小沟,Z-DNA构型大多适合存在于DNA链G和C的交替区，其结构由重复出现的碱基对（GC）所组成的二聚体为单元左向缠绕形成锯齿形。A-DNA可由B-DNA部分脱水得到，DNA-RNA杂交分子，双链RNA分子的构象与A-DNA类似。,Watson-Crick氢键和Hoogsteen 氢键,通常三螺旋DNA的形成要求构成三螺旋的三条DNA链均为同聚嘌呤 (homopurine) 或同聚嘧啶 (homopyrimidine)，即整段序列均由嘌呤或嘧啶构成。三螺旋DNA是在双螺旋DNA基础上形成的，一条嘌呤链和一条嘧啶链通过Watson-Crick氢键配对形成正常的双螺旋结构，第三条链通过氢键缠绕于双螺旋的大沟。,特殊的DNA二级结构：三链 DNA,DNA三链间的碱基配对,DNA分子间的三链结构,已经发现许多基因的调控区、染色质的重组部位存在三螺旋结构。三螺旋DNA的研究对于认识基因的结构、复制、转录、调控和重组的机制有着重要意义，已成为人们研究DNA结构与功能的又一个热点。,DNA/RNA其他的二级结构,发卡(hairpin),假结(pseudoknot),凸环(bulge),G-四聚体(G-quadruplex),特殊的DNA二级结构：i-motif结构,A. I-motif 是由富含胞嘧啶C的寡核苷酸片段在酸性环境下形成的四链结构。胞嘧啶在酸性环境下（特别是pH5.8时）可以被质子化，质子化的胞嘧啶可以和没有质子化的胞嘧啶形成3个氢键。B. 两条富含胞嘧啶的寡核苷酸片段部分质子化后，通过C:C+配对形成平行的双链，这样的两条双链反向排列，碱基对间相互交错，通过碱基插层作用形成四链结构i-motif。,特殊的DNA二级结构：G-四链体 (G-quadruplex),Han, H., Hurley, L. H. Trends in Pharmacol Sci., 2000, 21, 136.,G-四链体是由富含鸟嘌呤碱基G的DNA序列通过鸟嘌呤之间的Hoogsteen 氢键形成的聚集结构。G-四链体的中心存在一个离子通道，特定的金属离子可以进入到这一离子通道内并起到稳定G-四链体的作用。,DNA G-四链体的不同拓扑结构,Kan, Z. Y.; Yao, Y.; Wang, P.; Li, X. H.; Hao, Y. H.; Tan, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1629. Hu L., Lim K. W., et al. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16824.,核糖核酸（RNA）主要存在于细胞质中。动物、植物以及微生物的细胞内部都含有三种主要RNA，即信使核糖核酸（mRNA）、核糖体核糖核酸（rRNA）和转运核糖核酸（tRNA）。,RNA的空间结构与DNA不同，绝大部分RNA是单链的，但可以盘曲起来，有小量的碱基形成环圈，卷曲的RNA单链还可进一步折叠形成发夹状或其他形状的空间结构。,酵母苯丙氨酸tRNA的一级结构和二级结构图,（四）核酸与金属的配位部位：,某些核苷酸的生物功能与金属离子有关，如ATP水解为ADP和磷酸就需要镁离子。在核苷酸分子中的磷酸基、碱基和戊糖都可以作为配位基团，以碱基的配位能力最强。与核苷酸作用的金属离子主要有Ca2+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+。,鸟嘌呤、腺嘌呤的N7位置电负性最低，是金属离子结合的主要位点。,三磷酸腺苷（ATP）是生物体内广泛存在的辅酶，是体内组织细胞所需能量的主要来源。蛋白质、脂肪、糖和核苷酸的合成都需要ATP的参与。,二、其他生物分子,1、三磷酸腺苷,三磷酸腺苷中磷脂基可以和一系列金属离子，尤其是硬金属离子结合。具估计，细胞内大约超过90的ATP与Mg2+结合，Mg2+-ATP是许多酶的底物或辅因子。 ATP经腺苷酸环化酶催化形成环磷酸腺苷（cAMP），是细胞内的生物活性物质，对细胞的许多代谢过程都有着重要的调节作用。,2、叶绿素,叶绿素是存在于植物、藻类和蓝藻中的光合色素，它是镁的配合物。光合作用的第一步是光能被叶绿素吸收并将叶绿素离子化，产生的化学能被暂时储存在三磷酸腺苷（ATP）中，并最终将二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气。,叶绿素吸收大部分的红光和紫光，但反射绿光，所以叶绿素呈现绿色。自然界中有叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c1、叶绿素c2、叶绿素d几种不同的形式，它们之间的差异主要在于二氢卟酚环上不饱和键的位置或个数不同。叶绿素的存在是光合作用的必要条件。,本章小结：,通过对各种生物大分子的学习，了解蛋白质和核酸等的组成和结构，重点关注与金属离子的结合部位和配位方式。,DNA功能探针分子信标,特殊的DNA的二级结构,复杂的DNA-RNA二级结构,分子信标 (Molecular Beacons),分子信标是Tyagi和Kramer在1996年报道的一种具有茎环结构的新型核酸探针。它能够识别特异的核酸序列，并能区分单个碱基突变.它是一段寡核苷酸，中间是15-30个碱基的单链区，能与靶核酸互补；而5端和3端各约有5-7个碱基，能互补形成双螺旋结构；在5末端和3末端还分别连有荧光基团和淬灭基团。,通常的分子信标的茎结构由Watson-Crick配对的双链构成，最近有用不同结构替代双链区构建了一些新型分子信标结构。Bourdoncle等人用G-四链体结构代替双链，构建新型的G4-MB，中间长的loop为与靶核酸结合的位点。G-四链体与双链有不同的稳定性，这样能方便的调节检测条件，以实现对靶核酸单个碱基突变的检测。,用T-Hg2+-T配对替代Watson- Crick配对形成双链区，构成新的分子信标，能减少因为单链结合蛋白或者被核酸酶水解所造成的假阳性；可以通过改变汞离子的浓度，调节分子信标双链区的稳定性，进而优化检测靶核酸的条件；还可以省去探针中的荧光基团和淬灭基团，转而用溴化乙锭(EB)监测探针与靶DNA的结合，可以降低探针的成本,分子信标 (Molecular Beacons)：,定义: Molecular beacons (MBs) are specifically designed DNA hairpin structures that are widely used as fluorescent probes.用途：DNA and RNA detection,the monitoring of living systems,the investigation of enzymatic processes,the design of biosensors，the study of proteinDNA interactions,the fabrication of biochips.,A stemloop structure：,无靶核酸存在时，分子信标的5端和3端形成双螺旋结构，其末端的荧光基团和淬灭基团相互靠近，能够发生荧光共振能量转移，荧光基团激发态的能量传递给淬灭基团并以热的形式耗散，荧光被淬灭；,能与单链区完全互补的靶核酸存在时，单链区与靶核酸互补形成双链，双链显得更为刚性，这样原来5端和3端形成的双螺旋结构被拉开，荧光基团和淬灭基团远离，根据Foerster理论，荧光能量转移效率与两个荧光基团距离的6次方成反比，这样荧光恢复。,MB-2P: real-time probing of DNA sequences,W-H. Tan. J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 336-342,containing 1-4 pyrene monomers on the 5 end and the quencher DABCYL on the 3 end.,3,5,G-四链体作为K+检测器,芘基团,390 nm,480 nm,MB-Superquenchers (SQs),W-H. Tan. J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127, 12772-12773,Locked Nucleic Acid Molecular Beacons,W-H. Tan. J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127, 15664-15665,5,W-H. Tan, J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 9986-9987,Hybrid Molecular Probe (HMP) for Nucleic Acid Analysis in Biological Samples,PEG 优点：无毒，易于合成，水溶性好。,复杂体系中肿瘤标志物的实时检测,W-H. Tan. PNAS, 2005, 102, 1727817283,Application of MBs in enzymatic studies,核酸适配子,核酸适配子（aptamer，也叫适配体）是指能特异性结合靶分子的单链寡核苷酸配体。1990年, Tuerk等和Ellington等两个研究组分别在Science和Nature上发表论文, 首次报道了应用体外筛选技术筛选出能与靶分子高特异性、高亲和力结合的寡核苷酸配体。这种体外筛选技术称为指数富集的配体系统进化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX）技术, 筛选出的单链寡核苷酸配体称为核酸适配子或核酸适配体。,Target recognition-aptamer,适配体是依据其结合其它分子的能力，利用体外选择技术从随机序列库里选择得到的单链DNA或RNA分子。已经选择的适配体可结合核酸、蛋白质和小的有机复合物，甚至是整个有机体。这些新的分子在药物开发和其它生物技术上有很大的应用潜力。适配体大致分为反义核苷酸链和随机核苷酸链，这些核苷酸可以经过在不同位置进行各种各样的化学修饰以提高它们与靶序列的作用效果。但是，现在研究得到的、最有发展潜力的适配体PNA、LNA等都还存在着不足之处。随着对适配体研究的深入还发现，适配体要发挥作用，它们所形成的空间结构也是必须的。,Schematic presentation of a DNA aptam