第二章生命中的超分子化学

1、第二章 生命中的超分子化学生物化学中的超分子生物化学中的超分子主体是酶、基因、免疫系统的抗体和离子载体的接受位点。客体是底物、抑制剂、辅助药物或者抗源。超分子化学的性质超分子化学的性质 分子识别、自组装和动力学热力学补偿性。主客体之间相互作用力主客体之间相互作用力 配位(离子偶极)键，氢键和 - 堆积。生物体系开展大量的超分子研究工作生物体系开展大量的超分子研究工作 酶催化的有机化学反应； 金属阳离子和底物分子的相互作用，如O2的传输。Kaim W and Schwederski B.Bioinorganic Chemistry:Inorganic Elements in the Chemis

2、try of Life. Chichster:Wiley,19942.1 生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子2.2 卟啉和四哔咯大环卟啉和四哔咯大环2.3 植物光合作用中的超分子特征植物光合作用中的超分子特征2.4 血红蛋白吸收和运载氧血红蛋白吸收和运载氧2.5 辅酶辅酶B122.6 神经传递素和荷尔蒙神经传递素和荷尔蒙2.7 DNA2.8 生物化学中的自组装生物化学中的自组装本章主要内容本章主要内容211 膜电位 释放释放能量能量CO2 +H2O + 能量能量呼吸作用呼吸作用氧化分解氧化分解主要能源物质主要能源物质葡萄糖葡萄糖ADP+PiATP用于各项用于各项生命活动生命活动直

3、接能源物质直接能源物质 ADP和和ATP的相互的相互转变保证了生物所需能转变保证了生物所需能量的及时供应。量的及时供应。2 21 1生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子1mol的ATP可以释放35kJ的能量(图2.1) ，尽管ATP分子比较复杂，但是当反应发生时，只有尾部的三磷酸根发生变化。端基磷酸脂键P-O断裂，生成了磷酸二氢根（H2PO42-）和二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷释放能量三磷酸腺苷释放能量图2.1 ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根 Mg2+在反应中起着催化剂的作用 Na-K-ATP酶：膜传输酶酶：膜传输酶组成图2.1图2.2Incorporation o

4、f Na+,K+-ATP-ase into the Thiolipid Biomimetic Assemblies via the Fusion of Proteoliposomes Zebrowska, A.; Krysinski, P.Langmuir; (Research Article); 2004; 20(25); 11127-11133 1. 白内障白内障 Na+-K+泵与一些疾病的关系泵与一些疾病的关系晶状体氧化损伤白内障最早期正常低钠和高钾离子浓度的Na+-K+-ATP酶泵功能明显改变晶状体内的钠离子增加水流失皮质性白内障2. 高血压高血压高血压患者及高血压家族而血压正常者跨膜

5、电解质转运紊乱血清中激素样物质，抑制Na+/K+-ATP酶活性钠钾泵功能降低细胞内Na+、Ca2+浓度增加，动脉壁收缩及血管反应加强。 细胞膜是两性分子，包括亲水的磷酸盐头部和一个长长的脂肪链尾巴。在体内的水性环境中，亲水的头部伸向周围的介质(氢键，偶极相互作用)，而有机尾部却被排斥指向内部。这样形成了双层排列结构，有机部分都被隐蔽起来远离溶剂，而亲水部分朝外。因此，任何物质要想穿透细胞膜就必须穿越这种脂溶性区域(图23)。 图2.3磷脂生物膜2 21 12 2膜传输膜传输细胞膜（磷脂分子和蛋白质分子的超分子） 磷脂分子（50 %），构成细胞膜的基本支架。 蛋白质（40 %），一类蛋白质分子镶

6、在膜的表层， 另一类蛋白质分子嵌插或贯穿在磷脂双分子层中。物质和信息物质和信息的交换的交换碱金属的膜传输方式碱金属的膜传输方式 钠离子和钾离子是完全疏脂的，它们只有成为脂溶性的或是为它们制造出一个脂溶性通道。因此对于这种沿浓度梯度传递的阳离子，有两种传输方式（图2.4）（一）亲脂性的载体传输（二）通过细胞内的亲水性通道离子传输跨越生物膜机制离子传输跨越生物膜机制 离子载体：离子载体： 能够选择性地络合金属离子，避开膜的亲脂区域。 例：缬氨霉素(2.5)和无活菌素(2.6) 可作为离子载体。它们能够自己折叠产生一个刚性的近似八面体的羧基氧原子序列，作为给体恰好与K+大小相配。（一）载体传输（一）

7、载体传输 疏水的羰基氧原子和中心K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时，封闭在亲脂的壳内的。图2.7例：缬氨霉素络合K+（ 图27）2. 22. 2卟啉和四吡咯大环卟啉和四吡咯大环 大环配体在生物化学中很重要，他们可以利用螯合和大环效应来络合金属离子，其络合方式类似于缬氨霉素和无活菌素这类离子载体。 （一）四吡咯大环化合物在很多需要很强的络合或者尺寸选择要求很高的络合的情况下，可以和过渡金属或者主族金属离子进行结合。 （二）四吡咯化合物的共轭环状骨架本身容易被还原，因此具有很强的氧化还原化学性

8、质。钴胺素：维生素B12的活性形式，包括部分共轭“咕啉”环体系见图2.10(a)。 血红素络合物：由一个中心铁和一个取代的卟啉配体组成图2.10(b)，活性O2的结合点在血红素中。 卟啉镍()络合物-辅酶F450图2.10(c)，存在于产生沼气的微生物中。2.10 生物四吡咯大环化合物常见例子常见例子 基本的平面基本的平面(近似平面近似平面)环状结构非常稳定。环状结构非常稳定。 四吡咯化合物可以络合非常不稳定的金属离子；络四吡咯化合物可以络合非常不稳定的金属离子；络合物只有在所有金属配位键同时断裂时才解络。合物只有在所有金属配位键同时断裂时才解络。 大环配体具有很高的选择性，根据金属离子的离子

9、大环配体具有很高的选择性，根据金属离子的离子半径，优先络合那些与孔径大小匹配的离子。半径，优先络合那些与孔径大小匹配的离子。 大多数四吡咯化合物具有一个共轭的大多数四吡咯化合物具有一个共轭的体系。卟啉体系。卟啉16元环内有元环内有18个个电子，环状结构的热力学稳定性。导电子，环状结构的热力学稳定性。导致鲜艳的颜色，对于生物物种有指示致鲜艳的颜色，对于生物物种有指示“色素色素”。四吡咯大环化合物特征四吡咯大环化合物特征2.3.1四吡咯镁络合物的作用 光合作用是绿色植物叶绿体的色素吸收和利用光能，经过非常复杂的光反应和暗反应过程，把无机的二氧化碳和水合成富含能量的有机物，并释放氧气的过程。总反应式

10、C 6 H12 O6 + 6 H2 O+6 O26C O2+12H2 O叶绿体光能2.3 2.3 植物光合作用中的超分子特征植物光合作用中的超分子特征(式2.1) 地球表面的可见光范围是地球表面的可见光范围是380-750nm380-750nm，但是波长更长是可达，但是波长更长是可达1000nm1000nm的光，也有重要作用。在光合作用中，有效转换这个能量范围的光需要大的光，也有重要作用。在光合作用中，有效转换这个能量范围的光需要大量不同的色素，每种色素敏感于光谱某一特定部位。如叶绿素量不同的色素，每种色素敏感于光谱某一特定部位。如叶绿素a a和细菌叶和细菌叶绿素绿素a a，这些受体都是四吡咯

11、大环化合物。，这些受体都是四吡咯大环化合物。 色素被固定在高度折叠的进行光合作用膜上，它具有大的表面积，色素被固定在高度折叠的进行光合作用膜上，它具有大的表面积，而且高度交叉的区域有利于光子的捕获（图而且高度交叉的区域有利于光子的捕获（图2.112.11）能量转换受体能量转换受体-色素色素图2.11高度折叠的光合作用膜 叶绿素叶绿素(图图2.12a)包含一个完全共轭的四吡咯包含一个完全共轭的四吡咯体系体系(18电子电子)，且伴随一个低，且伴随一个低能量能量-跃迁。互补色蓝色跃迁。互补色蓝色(吸收了短波长的光吸收了短波长的光)和黄色和黄色(吸收了长波长的光吸收了长波长的光)组合形组合形成了新鲜叶

12、子的特有绿色成了新鲜叶子的特有绿色(max455nm和和630nm)。 细菌叶绿素细菌叶绿素(图图2.12b)有两个部分氢化的吡咯环，吸收向长波移动，到达近红外有两个部分氢化的吡咯环，吸收向长波移动，到达近红外区区(IR)。图2.12(a)叶绿素a (b)细菌叶绿素a能量转换受体能量转换受体-色素色素 类胡萝卜素和开链的四吡咯分子 如藻胆素，补充叶绿素的色素部分，使其具有一个宽的吸收范围(图2.13)。在每一个生长周期的末期，随着相对不稳定的叶绿素分解，非绿色的藻胆素变得可见(形成秋天的颜色)(例如，藻红蛋白， max一455nm，510nm和555nm；藻青蛋白，595nm)。 图2.13来

13、自于藻类和植物的各种色素的吸收光谱：叶绿素a;a-胡萝卜素；藻青蛋白；藻红蛋白能量转换受体能量转换受体-色素色素色素天线网络色素天线网络 因为因为散射的太阳光吸收速率相对缓慢，大多数散射的太阳光吸收速率相对缓慢，大多数(98 %)色素被用色素被用于光捕获或者天线器件，把能量吸收和传递到实际反应中心。这必须于光捕获或者天线器件，把能量吸收和传递到实际反应中心。这必须有效且有空间取向地传递吸收的能量。色素天线网络，以能量有效且有空间取向地传递吸收的能量。色素天线网络，以能量“串级串级”的方式传递光能实现能量传递的方式传递光能实现能量传递(图图2.14)。最根本最根本的是，能量传递过程中光源的发射波

14、段和接受器的吸收波段的是，能量传递过程中光源的发射波段和接受器的吸收波段必须要有重叠必须要有重叠(图图2.15)。 图2.14光捕获色素的空间定位天线网络图2.15在藻类Porphyridium creutum能量传递能量传递 分子氧O2被用于氧化代谢糖类，例如葡萄糖和蔗糖（式2.3），并伴随着能量的释放。从这种控制的“冷燃烧”中释放的能量被用于ATP的合成。 C6 H12O6+6O2=6CO2+6H2O+能量 (式2.3) 氧气是由高等植物产生，高活性的，对于原始生物体，它是高毒性，氧气和还原性金属离子如Fe()和Mn()反应，从而从大气中排除出去；但随着大量金属氧化物的沉积，原始大气中O2

15、量逐渐增多。大多数的原始生物体被自由基降解和金属酶氧化所破坏，只有新进化的吸氧生物才能存活下来。2. 4 2. 4 血红蛋白吸收和运载氧血红蛋白吸收和运载氧 血红蛋白由4个肌红蛋白单元组成。每个肌红蛋白单元包括一个称作血红素（2.19a）或Fe-原卟啉IX(b)的铁卟啉络合物，它通过八面体Fe()中心轴和最接近的蛋白质组氨酸残基的一个氮原子的络合连接在一个蛋白质上。Fe上剩下的空轴位虽然在它的静止状态松散地与水分子结合，但是它依然很容易键合氧。 血红蛋白吸氧血红蛋白吸氧图2.19（b） 氧合血红蛋白图2.19（a） 血红素结构图血红蛋白 O2 氧合血红蛋白 （式2.4） 1.反应快、可逆、不需

16、酶、受反应快、可逆、不需酶、受O2压力的影响；压力的影响； 2.是氧合而不是氧化；血红蛋白上的是氧合而不是氧化；血红蛋白上的Fe2+ 与与O2结合后，不变价；结合后，不变价； 3.一分子一分子血红蛋白血红蛋白可结合四分子可结合四分子O2； 4. 血红蛋白血红蛋白的变构效应。的变构效应。 变构作用（变构作用（allosteric effect ） 指对于多亚基的蛋白质或酶，效应剂作用于某个亚基，指对于多亚基的蛋白质或酶，效应剂作用于某个亚基，引发其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，导引发其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，导致蛋白质或酶的生物活性的变化。致蛋白质或酶的生物活性的变化。 这

17、样的效应剂也称这样的效应剂也称变构剂。变构剂。 血红蛋白中的血红蛋白中的4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改分子与血红蛋白的一个亚基结合后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，改变了其他亚基与氧的变，这种变化在亚基之间传递，改变了其他亚基与氧的结合能力。结合能力。蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能* 协同效应协同效应(cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，能影响

18、此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为称为协同效应协同效应。 如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity)如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 (negative cooperativity) 辅酶辅酶B12及其衍生物是基于四吡咯的大环，例如维生素及其衍生物是基于四吡咯的大环，例如维生素B12（图（图2.23）Co()和带有一个负电荷的配体咕啉环的络合物。和带有一个负电荷的配体咕啉环的络合物。Co上剩余的电荷上剩余的电荷由一个完整的磷酸盐残基和一个取代基由一个完整的磷酸盐残基和一个取代基X平衡。因

19、此，辅酶和它的衍生平衡。因此，辅酶和它的衍生物是唯一真正自然形成的有机金属络合物。物是唯一真正自然形成的有机金属络合物。Co-C键在生理条件下键在生理条件下(pH=7，含氧水溶液含氧水溶液)是非常稳定的。是非常稳定的。 二甲基苯并咪唑基图2.2325 辅酶辅酶B12 生物催化体系正常工作必须有辅酶、脱辅基酶蛋白和酶作用物。当辅酶和酶作用物被结合在脱辅基酶蛋白上时，它们之间就会发生化学反应。全酶：脱辅基酶蛋白和辅酶的结合物 。辅酶B12与脱辅基酶蛋白参与生物反应：1. Co-C键的均裂生成一个烷基自由基(导致自由基诱导重排反应)；2. 氧化还原反应还原成Co()和Co(I)；3. 烷基化反应。辅

20、酶的性质决定了反应的类型，而脱辅基酶蛋白的性质决定了反应的选择性。辅酶辅酶B B1212 从广义上讲荷尔蒙和神经传递素作为信息载体和活性介质。从广义上讲荷尔蒙和神经传递素作为信息载体和活性介质。 为了阐明他们的超分子生物功能，我们将特殊讨论乙酰胆碱为了阐明他们的超分子生物功能，我们将特殊讨论乙酰胆碱(ACH)的作用模式。的作用模式。乙酰胆碱是一种重要的神经传递素分子。乙酰胆碱是一种重要的神经传递素分子。乙酰胆碱从一个神经细胞乙酰胆碱从一个神经细胞传递到另一个细胞，可以实现神经脉冲从一个神经纤维横跨神经键传递到另一个细胞，可以实现神经脉冲从一个神经纤维横跨神经键被传递到另一个神经纤维。乙酰胆碱的

21、作用是键合上，然后打开一被传递到另一个神经纤维。乙酰胆碱的作用是键合上，然后打开一个有门的钠离子通道，它是烟碱乙酰胆碱受体蛋白的一部分个有门的钠离子通道，它是烟碱乙酰胆碱受体蛋白的一部分(nACHR)。2. 6 2. 6 神经传递素和荷尔蒙神经传递素和荷尔蒙 烟碱乙酰胆碱受体蛋白由烟碱乙酰胆碱受体蛋白由5个具有相似的氨基酸序列的亚单元组成个具有相似的氨基酸序列的亚单元组成(两个两个标记为标记为 ，其他分别标记为，其他分别标记为图图228)，这些亚单元环绕着中心通道。乙，这些亚单元环绕着中心通道。乙酰胆碱结合在两个酰胆碱结合在两个亚单元上，引起通道外部区域的构象改变，然后可以接亚单元上，引起通道

22、外部区域的构象改变，然后可以接近神经键上的近神经键上的Na+。它们沿着浓度梯度飞快地流入细胞形成电流。它们沿着浓度梯度飞快地流入细胞形成电流。一旦产生一旦产生了神经电流，乙酰胆碱就会被另外一个乙酰胆碱结合的蛋白了神经电流，乙酰胆碱就会被另外一个乙酰胆碱结合的蛋白( (乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶) )移走。移走。 图图2.282.28烟碱乙酰胆碱受体烟碱乙酰胆碱受体(nAChR)(nAChR) DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸) 包含构造生物体所必需的所有遗传信息的分子。包含构造生物体所必需的所有遗传信息的分子。每个细胞包含大约每个细胞包含大约3cm的的DNA DNA分子直径只有分子直径只有210

23、-9m，可以被包容在宽度只有，可以被包容在宽度只有10-5m的细胞内。的细胞内。DAN呈现双螺旋结构呈现双螺旋结构 有两条链，并通过氢键和有两条链，并通过氢键和-相互作用连接在一起。相互作用连接在一起。组装的动力组装的动力 来自于双螺旋结构，能够使分子的疏水部分来自于双螺旋结构，能够使分子的疏水部分(核碱核碱)堆积堆积在螺旋体中心，从而避免与水相接触。螺旋结构提供核在螺旋体中心，从而避免与水相接触。螺旋结构提供核碱之间相互作用最可能的优势构象，而减小内部空闲区。碱之间相互作用最可能的优势构象，而减小内部空闲区。2.7.1 2.7.1 DNA的结构和功能的结构和功能DNA的功能的功能 DNA的功

24、能的功能-起着贮存和传递遗传信息的作用起着贮存和传递遗传信息的作用 基因基因基因就是基因就是DNA的功能片断。或者说基因是一断的功能片断。或者说基因是一断DNA顺序。顺序。如如recA基因，编码基因，编码RecA蛋白（重组蛋白蛋白（重组蛋白A），该蛋白可水解），该蛋白可水解切断切断lexA阻遏蛋白，使阻遏蛋白，使DNA损伤得以修复。又如损伤得以修复。又如:recB、recC基因分别编码核酸外切酶基因分别编码核酸外切酶V的一个亚基，该酶在基因重组中的一个亚基，该酶在基因重组中发挥作用。发挥作用。 基因组基因组即一个配子即一个配子(精子精子)、一个单倍细胞或一个病毒所包含、一个单倍细胞或一个病毒所

25、包含的全套基因。的全套基因。历历 史史二十世纪二十年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出了四核苷酸假说。他认为DNA分子是由A、G、C、T 4 种核苷酸不断重复延伸而成。二十世纪五十年代初，Chargaff采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基组成，发现不同物种的DNA碱基组成不一样，并总有A=T；C=G。 1953年，Watson和Crick以Chargaff的发现为基础，进行DNA晶体的X-射线衍射图谱研究，提出了DNA的双螺旋结构。1962年， Watson（美）和 Crick（英）与Wilkins共享Nobel生理医学奖， Wilkins通过对DNA分子的X -射线衍

26、射研究证实了Watson和Crick的DNA模型。2. 7 DNADNA的基本成份P脱氧核糖脱氧核糖含氮碱基含氮碱基DNA的基本单位的基本单位脱氧核苷酸脱氧核苷酸AGT C DNADNA的基本成分是核苷酸，它是由一个连接在糖分子上的核碱的基本成分是核苷酸，它是由一个连接在糖分子上的核碱 腺嘌呤腺嘌呤(A)(A)，胸，胸腺嘧啶腺嘧啶(T)(T)，胞核嘧啶，胞核嘧啶(C)(C)或者鸟嘌呤或者鸟嘌呤(G)(G)和一个磷酸盐尾部组成。和一个磷酸盐尾部组成。NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)N

27、NHNH2O胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3 DNA的碱基组成 DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构 2.7.1 2.7.1 DNA的结构和功能的结构和功能DNA的碱基组成的碱基组成 Chargaff规则的内容规则的内容. 所有所有DNA：A=T、G=C，即即A+G=T+C. DNA的碱基组成具有种的特异性，的碱基组成具有种的特异性，即不同种的即不同种的DNA碱基组成不一样碱基组成不一样. 对同一生物物种，对同一生物物种，DNA的碱基组成的碱基组成没有组织和器官的特异性没有组织和器官的特异性. DNA的碱基组成不随年龄、营养状况及的碱基组成不随年龄、营

28、养状况及环境的改变而改变环境的改变而改变 Chargaff规则的意义规则的意义该规则为后来建立该规则为后来建立DNA双螺旋结构模型奠定的基础，双螺旋结构模型奠定的基础，并为阐明并为阐明DNA的生物学功能提供了重要依据。的生物学功能提供了重要依据。 DNA的一级结构的一级结构 定义：定义：脱氧核苷酸在长链上的排列顺序就是脱氧核苷酸在长链上的排列顺序就是DNA的一级结构的一级结构。不同种不同种DNA之间的千差万别只是在碱基排列顺序不同。之间的千差万别只是在碱基排列顺序不同。DNA的一级结构也称为核苷酸序列或碱基序列。的一级结构也称为核苷酸序列或碱基序列。 举例：举例：1977年测定了由年测定了由5

29、375个核苷酸组成的噬菌体个核苷酸组成的噬菌体X174 DNA的核苷酸顺序。人的的核苷酸顺序。人的DNA包含包含3109个碱基对个碱基对(如如果连接起来其长度约为地球到月亮的距离，即果连接起来其长度约为地球到月亮的距离，即20万英里万英里)，因此它所容纳的信息量极大。因此它所容纳的信息量极大。 图2.30DNA的二级结构的二级结构 右手双螺旋结构右手双螺旋结构 典型的超分子的例子典型的超分子的例子 DNA的其它构象的其它构象右手双螺旋结构（右手双螺旋结构（B-DNA） 提出提出Watson和和Crick于于1953年根据年根据DNA晶体的晶体的X-射线衍射图谱和射线衍射图谱和Chargaff规

30、则等数据提出规则等数据提出。 X-射线衍射原理图和射线衍射原理图和DNA晶体的晶体的X-射线衍射图谱射线衍射图谱 要点：要点：1.由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构。 2. 两股单链两股单链“糖糖-磷酸磷酸”构成骨架，居双螺旋外侧。构成骨架，居双螺旋外侧。 碱基位于双螺旋内碱基位于双螺旋内侧，并与中心轴垂直侧，并与中心轴垂直 。 3每圈螺旋含每圈螺旋含10个核苷酸残基，螺距：个核苷酸残基，螺距：3.4nm,直径直径:2nm。 有两个沟：有两个沟：大沟和小沟。大沟和小沟。 4.碱基严格配对碱基严格配对:A与

31、与T、C与与G互补碱基与互补链互补碱基与互补链5.DNA双螺旋结构稳定因素双螺旋结构稳定因素：碱基堆积力、氢键、离子链碱基堆积力、氢键、离子链 意义意义DNA双螺旋结构支配了近代核酸结构功能的研究和发展，双螺旋结构支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生物科学发展史上的杰出贡献。是生物科学发展史上的杰出贡献。 图2.33图2.34图2.35图2.36图2.37图2.38图2.39图2.40图2.42图2.41 A-DNA DNA的其它构象的其它构象 Z-DNA 小结小结图2.43图2.44表：各种表：各种DNA双螺旋结构参数双螺旋结构参数 结构参数结构参数A型型B型型C型型Z型型螺旋方向螺旋方

32、向右右 右右右右左左螺距螺距(nm)3.09 3.38 3.1 4.46每圈碱基数每圈碱基数1110.49.312相邻两个碱基间距离相邻两个碱基间距离(nm)0.280.3380.330.74碱基倾角碱基倾角(0)1619667螺旋直径螺旋直径(nm)2.31.931.921.81小结小结：不同构象只是螺旋方向、螺距、直径、每圈含有的碱基：不同构象只是螺旋方向、螺距、直径、每圈含有的碱基数目不同数目不同DNA的三级结构的三级结构 ： 当双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力。 DNA超级螺旋图片超级螺旋图片 原核生物：原核生物：超螺旋的结构超螺旋的结构

33、 真核生物：真核生物： 核小体核小体-DNA双螺旋盘绕在组蛋白上双螺旋盘绕在组蛋白上形成的一种超螺旋结构。形成的一种超螺旋结构。 核小体的模型 图2.45图2.46图2.47图2.48图2.49图2.50沃森沃森 1951年底拍摄美国生物学家，生于年底拍摄美国生物学家，生于1928年。年。 1953年提出年提出DNA双螺旋结构，双螺旋结构，1962年获得诺贝尔年获得诺贝尔 生理学奖。生理学奖。的历史克里克克里克 英国物理学家英国物理学家,生于生于1916年。年。 与沃森一起研究与沃森一起研究DNA结构，并获诺贝尔生理学奖。结构，并获诺贝尔生理学奖。鲍林鲍林 美国化学家，生于美国化学家，生于19

34、01年。年。 在在1954年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖 1952年，发表了关于年，发表了关于 模型的研究报告。模型的研究报告。 威尔金斯威尔金斯 英国著名生物物理学家。英国著名生物物理学家。 1950年开始研究年开始研究DNA晶体结构，并在方法上采取晶体结构，并在方法上采取 了了“X射线衍射法射线衍射法”。 1962年获诺贝尔生理学奖。年获诺贝尔生理学奖。 富兰克林富兰克林 英国女物理学家、结晶学家和英国女物理学家、结晶学家和X射线衍射线衍 射技术专家。射技术专家。 1951年，她同威尔金斯一起研究年，她同威尔金斯一起研究DNA分分子结构问题。拍摄了子结构问题。拍摄了DNA的的X射线衍射图

35、。射线衍射图。人类基因组计划大事记19901990年年1010月月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。 19981998年年5 5月月 一批科学家在美国罗克威尔组建Celera遗传公司，目标是投入3亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。 10月23日 美国国家人类基因组研究所在美国Science（科学）杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部测序工作将比原计划提前两年，即在2003年完成。 19991999年年3 3月月1515日日 英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作步伐，人类基因组工作草图将提前至2000年完成。 9月 中国

36、获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对，使中国成为继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国。 12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测。 20002000年年3 3月月1414日日 美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果。他们是针对一些私营生物技术公司为了商业利益而与国际人类基因组计划展开竞争，并试图将自己的研究成果

37、申请专利而发出此声明的。 4月6日 Celera公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码。但不少欧美科学家对Celera公司的成果表示质疑，认为该公司的研究“没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数”，因而是“有漏洞的”。 4月末 我国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。 5月 国际人类基因组计划完成时间再度提前，预计从原定的2003年6月提前至2001年6月。 5月8日 由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第21对染色体的测序工作。 6月26日 各国科学家公布了人类基因组工作草图。 法国生物制药企业ExonHit在2006

38、年9月5日宣布，他们完成了一个新的人类信使RNA图谱。这是“RNA剪接”领域的研究成果。RNA剪接是调控基因组表达和蛋白质功能的一个现象。过去，人们一直无法解释人类基因组中基因的数量为什么与这些基因在细胞中表达的蛋白质数量不相称，ExonHit公司的发现似乎提供了一个合理的解释。“到2000年为止，科研机构已经确认了有40%的基因平均对应3种RNA转录版本。而今天，已知有80%的基因平均有6种RNA版本，”ExonHit公司解释说，从中我们已经找到了研究剪接产生的RNA的钥匙，而这就能解释信使RNA为什么总量巨大、丰富多样（也可以参照基因组来说“转录组”，因为基因组是全部基因的总称）。对这种现

39、象的研究在医学领域具有应用价值，许多病理过程涉及到剪接，特别是癌症。 这个公司的研究人员已经从基因库提供的基因序列中确认了22000个人类基因中发生的剪接。他们接下来要用生物芯片技术建造生物探针，并在今天解释说：“2百万枚探针已经可以让我们识别已知的RNA转录和发现新的转录。”ExonHit公司估计，国际科学界因此将可以从他们的成果中深入研究不同的信使RNA。斯特拉斯堡的Genopole公司的负责人Pierre Chambon教授祝贺说，这个研究基因组的新方法将开启一扇大门。因此公益性的和私人的研究团队可以与该公司合作，就像Affymetrix 和Agilent两个专业的生产生物芯片的集团一样

40、。人类基因组成果一（2006年9月5）人类基因组成果二（2007年3月1日） 英国和美国科学家在1日出版的 自然杂志上报告说，他们分别破 译了人类第13和19号染色体的遗传密 码，其中包含有关癌症、糖尿病等疾 病的重要基因。 由英国威康信托桑格研究所破 译的第13号染色体是包含基因数最少 的一条染色体。而在它的633个基因中，却包括与乳腺癌相关的“2”基因，和与眼癌、精神分裂症有关的基 因。破译该基因的科学家在接受媒体采访时说：“尽管第13号染色体上的基因片 段少，但其中的空白区也可能控制着广泛的基因活动。” 与之相对，由美国联合基因组研究所破译的第19号染色体包含1500个基因， 占人类基因

41、组的2%，是迄今为止科学家破译的包含基因最多的染色体。其中包括 与遗传性高胆固醇病和抗胰岛素糖尿病相关的基因。人体遭到辐射或其他环境污 染，控制修复的基因也在这条染色体上。 这两条染色体的排序将公布在因特网上，美国能源部在一份声明中称，将这 两条染色体的排序向科学界免费公布，将更有利于医学开发和研究。 去年4月，人类基因组计划绘制完成“人类基因组草图”，目前多国科学家正 着手进行每条染色体上遗传信息的破译和分析工作。此前，人类第22、21、20、 14号染色体，以及染色体和7、6号染色体已被相继分析破译完毕。至此人类所 有的染色体已被破译了三分之一以上。2.7.2 定点突变19931993年的

42、诺贝尔化学奖由加拿大的年的诺贝尔化学奖由加拿大的Michael SmithMichael Smith和美国的和美国的Kary B. Mullis Kary B. Mullis 共同分享，他们发展了共同分享，他们发展了定点突变和聚合酶链式反应这样两个调整定点突变和聚合酶链式反应这样两个调整DNADNA的方的方法。法。 定点突变：定点突变： 在在DNA内部完成的编码重新编制来产内部完成的编码重新编制来产生具有多种新性质的蛋白质。生具有多种新性质的蛋白质。 制备具有所期望的变异的寡核苷酸片段，这种变异的寡核苷酸被引入病制备具有所期望的变异的寡核苷酸片段，这种变异的寡核苷酸被引入病毒毒DNA片段，结合

43、在与没有变异的类似物相同的位置，这是因为螺旋链相片段，结合在与没有变异的类似物相同的位置，这是因为螺旋链相互间的互补性能够容忍小量的碱基对不匹配。然后，变异的核苷酸就通过互间的互补性能够容忍小量的碱基对不匹配。然后，变异的核苷酸就通过DNA聚合酶，形成磷酸根一糖框架，把核苷酸片段连接在一起，结合到原始聚合酶，形成磷酸根一糖框架，把核苷酸片段连接在一起，结合到原始DNA的复制品里。得到的突变的复制品里。得到的突变DNA然后被引入一个合适的细菌生物主体，然后被引入一个合适的细菌生物主体，在那里繁殖，产生其自身的复制品，当其数量增长到足够量时，就合成出在那里繁殖，产生其自身的复制品，当其数量增长到足

44、够量时，就合成出(表达表达)期望的突变蛋白质。期望的突变蛋白质。图2.53定点突变定点突变过程（图定点突变过程（图2.53 ）定点突变应用定点突变应用 1. 1. 特定的抗体进攻特殊位点的蛋白质工程中特定的抗体进攻特殊位点的蛋白质工程中( (例如攻击肿瘤细胞例如攻击肿瘤细胞) )，为技术应用制作更加稳定的蛋，为技术应用制作更加稳定的蛋白质；白质； 2. 2. 遗传疾病的治疗。遗传疾病的治疗。 3. 3. 谷物的基因工程，来生产出快速生长的和抗谷物的基因工程，来生产出快速生长的和抗病的品系。病的品系。 聚合酶链反应(PCR) DNA化学中一种很重要的新发展，PCR能够大量合成一段特殊DNA片段或者寡核苷酸片段，而起始量只需要很少。273 聚合酶链反应聚合酶链反应PCR PCR 循环循环 第一步第一步 加热变性加热变性靶序列靶序列图2.54靶序列靶序列Primer 1Primer 2BiotinBiotin53553533PCR PCR 循环循环- - 第二步第二步 引物与引物与靶序列退火靶序列退火靶序列靶序列Primer 1Primer 2BiotinBiotin53553533Taq DNAPolymerasePCR PCR 循环循环 - - 第三步第三步 - - 引物延伸引物延伸第第1 1个个 PCR PCR 循环完成后循环完成后 得到两个拷贝