生物材料课件3生物大分子(核酸).ppt

第三章 生物大分子概述概述一、在我们居住的地球，有大约一、在我们居住的地球，有大约10001000万种生物万种生物 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，人体大约有二、如果就生物大分子而言，人体大约有5000050000种以上的蛋白种以上的蛋白质，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2×10-12cm3)，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、生物大分子四、生物大分子（（biopolymerbiopolymer、、biomacromoleculebiomacromolecule) ) 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10～103ＫＤ之间五、基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生五、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物学研究和信号传导研究是当今分子生物学研究的4 4大前沿领域大前沿领域 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：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，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第一节第一节 核酸核酸 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核酸核酸基本单位基本单位核苷酸核苷酸C、、H、、O、、N、、P分分类类 生理功能生理功能 是是遗遗传传信信息息的的载载体体，，对对生生物物的的遗遗传传性性、、变变异异性性和蛋白质的生物合成具有极其重要作用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一切生物的遗传物质核苷酸核苷酸组成元素组成元素核苷核苷磷酸磷酸五碳糖五碳糖含氮碱基含氮碱基DNA：：主要存在于细胞核中主要存在于细胞核中RNA：：主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中一、DNA的结构与功能（一）（一）DNADNA的一级结构与功能的一级结构与功能 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 1）确证性测序）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 2）从头测序）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）测序在测序在生物医学领域应用生物医学领域应用2 2个方面：个方面： 1 1）对已知基因序列检查）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 2）对已经克隆的未知基因序列进行测定）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脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸————DNA四种脱氧核糖核苷酸是四种脱氧核糖核苷酸是DNA的基本单位，的基本单位，DNA通常是双链，规则通常是双链，规则的双螺旋结构，的双螺旋结构，如：如：（平面结构）（平面结构） （立体结构）（立体结构） 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 一条多脱氧核糖核苷酸单链一条多脱氧核糖核苷酸单链 脱氧核糖核苷酸双链脱氧核糖核苷酸双链3. DNA3. DNA的二级结构的二级结构1.1.双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征 1 1）主链）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 2）碱基对）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。

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（这两种碱基对（这两种碱基对（A/T,G/CA/T,G/CA/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）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180180180180O O O O, , , ,并不并不并不并不影响双螺旋的对称性，影响双螺旋的对称性，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间隔3.4A,3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是是34A34A一条链中每个相邻的碱基方向相差一条链中每个相邻的碱基方向相差3636ＯＯ. .碱基之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间氢键一起稳定了双螺旋结构··3 3 3 3）大沟和小沟）大沟和小沟）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 由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对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，称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一一一一个槽大些，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双螺旋表面的沟对双螺旋表面的沟对DNADNADNADNA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，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. DNA4. DNA的三级结构的三级结构 DNADNA的三级结构指双螺旋链的扭曲的三级结构指双螺旋链的扭曲 趋螺旋是趋螺旋是DNADNA三级结构的一种形式，三级结构的一种形式，DNADNA在核小体中的在核小体中的扭曲方式也是一种趋螺旋结构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：超螺旋的生物学意义可能是：超螺旋的生物学意义可能是：1.1.1.1.使使使使DNADNADNADNA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2.22.22.22.2× ×1010101011111111公里公里公里公里, 2.2, 2.2, 2.2, 2.2× ×101010109 9 9 9公里公里公里公里,100,100,100,100倍）倍）倍）倍）2.2.2.2.影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程影响双螺旋的解链过程, , , ,从而影响从而影响从而影响从而影响DNADNADNADNA分子与其它分子分子与其它分子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之间的相互作用之间的相互作用5. DNA5. DNA5. DNA5. DNA作为遗传物质的主要优点作为遗传物质的主要优点作为遗传物质的主要优点作为遗传物质的主要优点 1.1.信息量大信息量大* *，可以缩微；，可以缩微； 2.2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制 机理；机理； 3.3.核糖的核糖的2 2’脱氧，在水溶液中稳定性好；脱氧，在水溶液中稳定性好； 4.4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；对群体是有利的）； 5.5.有有T T无无U U，基因组得以增大，而无，基因组得以增大，而无C C脱氨基成脱氨基成U U带来的带来的潜在危险。

尿嘧啶潜在危险尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以灵敏识别糖苷酶可以灵敏识别DNADNA中的中的U U而而随时将其剔除）随时将其剔除） 然而，如果然而，如果然而，如果然而，如果DNADNADNADNA是最初的遗传物质，那么由于是最初的遗传物质，那么由于是最初的遗传物质，那么由于是最初的遗传物质，那么由于DNADNADNADNA复复复复制需要酶，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DNADNADNADNA的核苷酸序的核苷酸序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80808080年年年年代发现代发现代发现代发现RNARNARNARNA拟酶，这个问题才得到解决拟酶，这个问题才得到解决拟酶，这个问题才得到解决拟酶，这个问题才得到解决RNARNARNARNA作为遗传物质作为遗传物质作为遗传物质作为遗传物质 RNARNA拟酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是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，一个最初的遗传物质在这个基础上，一个RNARNA世界到世界到RNARNA蛋白质世蛋白质世界，由界，由RNARNA蛋白质世界到蛋白质世界到DNADNA世界的进化图景，已被科学界广泛世界的进化图景，已被科学界广泛接受 但但RNARNA作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难其中最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大的疑难是RNARNA本身的起源问题本身的起源问题 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，早已成为定论为遗传物质，早已成为定论 * *一个一个1kb1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有的基因，其可能的核苷酸排列顺序有4 410001000=10=10602602种，种，而直径而直径1010亿光年的宇宙，基体积不过亿光年的宇宙，基体积不过10108484cmcm3 3或或1010108108A A (见见M.Eigen,StepsM.Eigen,Steps-Towards -Towards Life,oxfordLife,oxford University University press,1992)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。

物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质除除DNADNA外，在生物体中还存在着另一类核酸外，在生物体中还存在着另一类核酸——RNARNA脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（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四种核糖核苷酸是四种核糖核苷酸是RNA的基本单位的基本单位 ，， RNA通常是单通常是单链，链，一条多核糖核苷酸单链（平面结构）一条多核糖核苷酸单链（平面结构） （一）（一）mRNAmRNAmRNAmRNA占细胞占细胞RNARNA总量的总量的1%1%～～5%5%，分子量范围几百～，分子量范围几百～2 2万个万个核苷酸，变化大（核苷酸，变化大（RT/PCRRT/PCR）原核和真核生物）原核和真核生物mRNAmRNA的结的结构不同。

构不同原核生物mRNA真核生物mRNA1.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，20～200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由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物mRNAmRNA中（如中（如RBSRBS）真核生物）真核生物mRNAmRNA转录后加工转录后加工, ,戴帽安尾戴帽安尾（二）（二）tRNAtRNA tRNAtRNA的结构相当保守，各种物种的的结构相当保守，各种物种的tRNAtRNA均含有均含有7373～～9393个核苷个核苷酸，酸，tRNAtRNA均有三叶草型的二级结构和均有三叶草型的二级结构和L L状的三级结构状的三级结构一端是一端是CCACCA结合氨基酸部位，另一端为反密码子环结合氨基酸部位，另一端为反密码子环tRNAtRNA通晓通晓mRNAmRNA的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（AARSAARS），是蛋白质翻），是蛋白质翻译的译员。

译的译员（三）（三）rRNArRNA rRNArRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所成的场所核糖体的组成核糖体的组成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亚基rRNA蛋白质16S(有mRNA识别结合位点)18S(有mRNA识别结合位点)21种33种大亚基rRNA23S、5S（识别、结合tRNA）28S、5S、5.8S(识别、结合tRNA)蛋白质34种49种 一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译病毒本身没有核糖体，其一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译病毒本身没有核糖体，其mRNAmRNA要靠宿主要靠宿主细胞的核糖体来翻译细胞的核糖体来翻译 。