生物大分子結(jié)構(gòu)和功能1

1、 堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構(gòu)成一個平面分子。在堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構(gòu)成一個平面分子。在雙螺旋中這個平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個堿基上下雙螺旋中這個平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個堿基上下間隔間隔3.4A,3.4A,每十對堿基組成一節(jié)螺旋，因此雙螺旋的螺距每十對堿基組成一節(jié)螺旋，因此雙螺旋的螺距是是34A34A。一條鏈中每個相鄰的堿基方向相差。一條鏈中每個相鄰的堿基方向相差3636. .堿基之堿基之間的疏水作用可導致堿基堆集，這個引力同堿基對之間的疏水作用可導致堿基堆集，這個引力同堿基對之間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)。間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)。 由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不由于堿

2、基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個凹下去的槽，對稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個凹下去的槽，。（蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì) 核酸，核酸核酸，核酸 核酸、鋅指結(jié)構(gòu)，見第六核酸、鋅指結(jié)構(gòu)，見第六章）章）2.2.三股螺旋三股螺旋DNADNA（tsDNAtsDNA） tsDNAtsDNA是在是在DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基堿上形成的。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。大溝中。 根

3、據(jù)三鏈的組成和相對位置分為根據(jù)三鏈的組成和相對位置分為兩種基本類型兩種基本類型：（1 1）PuPu（代表嘌呤鏈）（代表嘌呤鏈）PuPyPuPy（代表嘧啶鏈）型，（代表嘧啶鏈）型，在堿性在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定；介質(zhì)中穩(wěn)定；（2 2）PyPuPyPyPuPy型，較多見型，較多見，在偏酸性，在偏酸性PHPH中穩(wěn)定。中穩(wěn)定。 雙螺旋通過雙螺旋通過WatsonCrickWatsonCrick氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋通過氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋通過 HoogsteenHoogsteen氫鍵穩(wěn)定。氫鍵穩(wěn)定。三鏈中堿基配對符合三鏈中堿基配對符合HoogsteenHoogsteen模型，模型，第三堿基在第三堿基在PyPuPy

4、PyPuPy型中為型中為T=A=TT=A=T，C C+ +=G=G三三C C（第三位點（第三位點的的“C”C”必須質(zhì)子化）配對；在必須質(zhì)子化）配對；在PuPuPyPuPuPy型中存在型中存在G=GG=G三三C C，A=A=TA=A=T配對。配對。 兩種類型兩種類型tsDNAtsDNA有有4 4種同分異構(gòu)體。種同分異構(gòu)體。 當當DNADNA雙鏈中含有雙鏈中含有HH回文序列時，即某區(qū)段回文序列時，即某區(qū)段DNADNA兩條兩條鏈分別為鏈分別為HPuHPu和和HPyHPy，并且各自為回文結(jié)構(gòu)時，任一條回，并且各自為回文結(jié)構(gòu)時，任一條回文結(jié)構(gòu)的文結(jié)構(gòu)的55和和33部分都可以形成分了子內(nèi)三股螺旋結(jié)部分都可

5、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存在大量可形成tsDNAtsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。序列。 。（三）（三）DNADNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) DNADNA的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。 趨螺旋是趨螺旋是DNADNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式，三級結(jié)構(gòu)的一種形式，DNADNA在核小體中的在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構(gòu)。扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構(gòu)。 1.1.信息量大信息量大* *，可以縮微；，可以縮微； 2.2.表面互補，電荷

6、互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復制表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復制 機理；機理； 3.3.核糖的核糖的22脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好； 4.4.可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的）；對群體是有利的）； 5.5.有有T T無無U U，基因組得以增大，而無，基因組得以增大，而無C C脫氨基成脫氨基成U U帶來的帶來的潛在危險。（尿嘧啶潛在危險。（尿嘧啶DNADNA糖苷酶可以靈敏識別糖苷酶可以靈敏識別DNADNA中的中的U U而而隨時將其剔除）。隨時將其剔除）。 但但RNARNA作為最初遺傳物質(zhì)的設想

7、，仍然有許多疑難。其中作為最初遺傳物質(zhì)的設想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是最大的疑難是RNARNA本身的起源問題。本身的起源問題。 * *一個一個1kb1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有的基因，其可能的核苷酸排列順序有4 410001000=10=10602602種，種，而直徑而直徑1010億光年的宇宙，基體積不過億光年的宇宙，基體積不過10108484cmcm3 3或或1010108108A A。( (見見M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University

8、press,1992)press,1992) 核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。除除DNADNA外，在生物體中還存在著另一類核酸外，在生物體中還存在著另一類核酸RNARNA。RNARNA有許多種，它們具有不同的生物學功能。有許多種，它們具有不同的生物學功能。（一）（一）mRNAmRNAmRNAmRNA占細胞占細胞RNARNA總量的總量的1%1%5%5%，分子量范圍幾百，分子量范圍幾百2 2萬個萬個核苷酸，變化大（核苷酸，變化大（RT/PCRRT/

9、PCR）。原核和真核生物）。原核和真核生物mRNAmRNA的結(jié)的結(jié)構(gòu)不同。構(gòu)不同。 由間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物由間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物mRNAmRNA中（如中（如RBSRBS）。真核生物）。真核生物mRNAmRNA轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工, ,戴帽安尾。戴帽安尾。 * *順反子（順反子（cistroncistron） 一段可供偏碼的結(jié)構(gòu)基因一段可供偏碼的結(jié)構(gòu)基因, ,是能夠編是能夠編碼合成多肽的碼合成多肽的DNADNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決定。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的決定。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的RNARNA序列亦稱

10、為順反子。序列亦稱為順反子。 單順反子（單順反子（monocistronmonocistron） 真核的結(jié)構(gòu)基因（及真核的結(jié)構(gòu)基因（及mRNAmRNA）是）是單順反子，一個蛋白基因為一個轉(zhuǎn)錄單位。單順反子，一個蛋白基因為一個轉(zhuǎn)錄單位。 多順反子（多順反子（polycistronpolycistron）原核的結(jié)構(gòu)基因（）原核的結(jié)構(gòu)基因（mRNAmRNA）是多）是多順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉(zhuǎn)錄單位。順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉(zhuǎn)錄單位。 * * 帽子結(jié)構(gòu)中的核苷酸大多數(shù)為帽子結(jié)構(gòu)中的核苷酸大多數(shù)為7 7甲基鳥苷（甲基鳥苷（m m7 7G G）. .在其后面第在其后面第2 2和第和第

11、3 3個核苷酸的核糖第個核苷酸的核糖第2 2位羥基上有時也甲基化。位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的結(jié)構(gòu)可見因此通常帽子的結(jié)構(gòu)可見3 3種類型：種類型：帽子帽子0 0型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NP.NP.帽子帽子1 1型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NmpNP.NmpNP.帽子帽子2 2型型 m m7 7G G（55）PPPPPP（55）NmPNmPNP.NmPNmPNP.（二）（二）tRNAtRNA tRNA tRNA的結(jié)構(gòu)相當保守，各種物種的的結(jié)構(gòu)相當保守，各種物種的tRNAtRNA均含有均含有73739393個核苷酸，個核苷酸，tRNAtR

12、NA均有三葉草型的二級結(jié)構(gòu)和均有三葉草型的二級結(jié)構(gòu)和L L狀的三級結(jié)狀的三級結(jié)構(gòu)。構(gòu)。（三）（三）rRNArRNA rRNA rRNA與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合成的場所。成的場所。核糖體的組成核糖體的組成 一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNAmRNA要靠宿主要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。細胞的核糖體來翻譯。 （四）具有催化活性的（四）具有催化活性的RNARNA（核酶，（核酶，ribozyme,P15ribozyme,P15）1.19811.1981

13、年，年，CechCech等人研究四膜蟲（能自我拼接等人研究四膜蟲（能自我拼接rRNArRNA）時發(fā)現(xiàn)核酶。）時發(fā)現(xiàn)核酶。2.2.分類（分類（1 1）異體催化的剪切型（如）異體催化的剪切型（如RNase P RNase P 一種核酸內(nèi)切酶）。一種核酸內(nèi)切酶）。 （2 2）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。 （3 3）內(nèi)含子的自我剪切型（如四膜蟲大核）內(nèi)含子的自我剪切型（如四膜蟲大核26SrRNA26SrRNA前體）。前體）。3.3.生理功用生理功用 絕大部分核酶參入絕大部分核酶參入RNARNA的加工和成熟。的加工和成熟。4.4.反應機理反應機理 5.5.現(xiàn)實意

14、義現(xiàn)實意義老兵新傳（生化部分）老兵新傳（生化部分） 先有先有DNADNA還是還還是還 先有先有RNARNA？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀8080年代已年代已“定論定論”，很可能在原始生命中，很可能在原始生命中，RNARNA催化的斷裂催化的斷裂連接反應是最連接反應是最早出現(xiàn)的催化的過程。早出現(xiàn)的催化的過程。 蛋白酶取代核酶，絕大蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)（側(cè)鏈基團多樣性，核酸無部分酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)（側(cè)鏈基團多樣性，核酸無側(cè)鏈）。側(cè)鏈）。1.1.概念概念 反義核酸也稱反義基因，即能通過互補堿基與反義核酸也稱反義基因，即能通過互補堿基與DNADNA或或mR

15、NAmRNA互補的核互補的核酸分子。酸分子。2.2.基本原理基本原理 基因表達是基因產(chǎn)生功能的過程基因表達是基因產(chǎn)生功能的過程，這一過程主要涉及到，這一過程主要涉及到DNADNA的復制、的復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，該過程任一環(huán)節(jié)受阻都會影響到基因功能的產(chǎn)生，基于轉(zhuǎn)錄和翻譯，該過程任一環(huán)節(jié)受阻都會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。這一基本原理，開展了反義核酸（基因）療法的基本的研究。 目前反義核酸療法目前反義核酸療法多應用于抗腫瘤和抗病毒感染治療中。多應用于抗腫瘤和抗病毒感染治療中。 對于抗腫瘤，對于抗腫瘤，反義核酸治療就是應用反義核酸在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平反義核

16、酸治療就是應用反義核酸在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平阻斷某些異?；虻谋磉_，以阻斷瘤細胞內(nèi)異常信號的傳導，使瘤細阻斷某些異常基因的表達，以阻斷瘤細胞內(nèi)異常信號的傳導，使瘤細胞進入正常分化軌道或引起細胞凋亡。胞進入正常分化軌道或引起細胞凋亡。 對于抗病毒感染治療，反義核酸結(jié)果用反義對于抗病毒感染治療，反義核酸結(jié)果用反義DNADNA或反義或反義RNARNA來阻斷來阻斷病毒核酸的復制，轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而達到抗病毒的目的。病毒核酸的復制，轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而達到抗病毒的目的。3.3.舉例舉例反義核酸有反義核酸有3 3類：類：1 1）人工合成的寡脫氧核苷酸）人工合成的寡脫氧核苷酸（oligoexynuclectideoli

17、goexynuclectide），進入機體后以胞吞），進入機體后以胞吞的方式進入細胞，可直接結(jié)合到的方式進入細胞，可直接結(jié)合到DNADNA雙鏈的特定部位，形成三聚體，影響轉(zhuǎn)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。錄因子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄不能啟動。2 2）將特異的反義基因連接到特異的表達載體上）將特異的反義基因連接到特異的表達載體上（質(zhì)粒、病毒），導入靶細（質(zhì)粒、病毒），導入靶細胞，直接轉(zhuǎn)錄出反義胞，直接轉(zhuǎn)錄出反義RNARNA，與相應，與相應mRNAmRNA形成雙鏈，阻止形成雙鏈，阻止mRNAmRNA的翻譯。的翻譯。3 3）核酶（）核酶（ribozymeribozyme），）

18、，是一種具有催化特性的反義基因，與相應的是一種具有催化特性的反義基因，與相應的mRNAmRNA結(jié)結(jié)合后能發(fā)揮酶活性，將合后能發(fā)揮酶活性，將mRNAmRNA降解。降解。在抗腫瘤治療中，反義核酸常用于：在抗腫瘤治療中，反義核酸常用于：封閉癌基因，封閉癌基因，如如srcsrc反義反義RNARNA導入表達導入表達V-srcV-src基因的基因的srcsrc轉(zhuǎn)化細胞，使這種細轉(zhuǎn)化細胞，使這種細胞在裸鼠體內(nèi)致瘤性下降，又如胞在裸鼠體內(nèi)致瘤性下降，又如“鍾頭鍾頭”核酶（核酶（hammerhead ribozymehammerhead ribozyme）與）與反義反義H-rasH-ras聯(lián)用，可抑制多種致瘤性細胞株。聯(lián)用，可抑制多種致瘤性細胞株。腫瘤自分泌生長因子的反義阻斷，腫瘤自分泌生長因子的反義阻斷，用反義核酸來抑制某些腫瘤自分泌生長用反義核酸來抑制某些腫瘤自分泌生長因子，以期阻斷其惡性生物學行為來達到治療的目的。因子，以期阻斷其惡性生物學行為來達到治療的目的。在抗病素感染中，在抗病素感染中，研究者發(fā)現(xiàn)，乙肝病毒，研