2第二章生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能1(2)ppt課件

1、第二章 生物大分子構(gòu)造和功能前 言一、在我們居住的地球，有大約1000萬種生物。 從高山到平原，從沙膜到極地，從空中到海洋，幾乎四處都有生命的蹤跡。有天上飛的，地下爬的，水中游的。 有的生物只是一個單細(xì)胞，如大腸桿菌和酵母菌；有的那么有復(fù)雜的組織和器官，象人體就有1014體細(xì)胞。二、假設(shè)就生物大分子而言，人體大約有50000種以上的蛋白質(zhì)，同時含有數(shù)以萬計的核酸及其它大分子種類。 地球上的全部生物，估計包括1011種蛋白和差不多一樣數(shù)量的核酸。 即使極為簡單的大腸桿菌其體積約為210-12cm3)，也含有3000多種蛋白質(zhì)，1000多種核酸，還有1000多種其他生物大分子和低分子的有機(jī)化合物。

2、.三、在這樣種類復(fù)雜，形狀萬千的生物體系中，人們必需尋求生命形狀的根本邏輯原理，這就是：一生物大分子雖然具有復(fù)雜的構(gòu)造，但在組成方面卻存在一種根本的簡單性，例如： 1.DNA由4種脫氧核糖核苷酸4dNTP)聚合而成； 2.RNA由4種核糖核苷酸4NTP)聚合而成； 3.蛋白質(zhì)由20余種氨基酸聚合而成； 4.多糖由少數(shù)幾種單糖聚合而成。二一切的生物都運用一樣種類的的構(gòu)件分子，似乎它們是從一個共同的祖先進(jìn)化而來。三每種生物的特性是經(jīng)過它具有的一套與眾不同的核酸和蛋白質(zhì)而堅持的。四每種生物大分子在細(xì)胞中有特定的功能。 以上這些正是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)所要研討的根本問題所遵照的邏輯。.四、

3、生物大分子biopolymer、biomacromolecule)是指生物體內(nèi)由分子量較低的根本構(gòu)造單位首尾相連構(gòu)成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質(zhì)和多糖。 根本構(gòu)造單位的陳列順序構(gòu)成生物大分子的一級構(gòu)造，生物大分子在其一級構(gòu)造的根底上構(gòu)成復(fù)雜的空間構(gòu)造。 自然界典型的生物大分子的分子量在10103之間。.五、基因組研討、基因表達(dá)調(diào)控研討、構(gòu)造分子生物學(xué)研討和信號傳導(dǎo)研討是當(dāng)今分子生物學(xué)研討的4大前沿領(lǐng)域。 生物功能由構(gòu)造所決議。生物大分子在表現(xiàn)其生理功能過程中，必需具備特定的空間立體構(gòu)造即三維構(gòu)造。 現(xiàn)知道，在DNA、基因或RNA程度，存在各種表達(dá)功能構(gòu)造域，構(gòu)造域本身特點和形狀及它們所處的空

4、間大分子的空間構(gòu)造形狀都直接影響DNA，基因或RNA的功能發(fā)揚。 在蛋白質(zhì)程度由于它們是直接表達(dá)生物理功能的物質(zhì)，其空間構(gòu)造對其功能影響更為直接。因此，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)造與功能的關(guān)系研討是構(gòu)造分子生物學(xué)研討的主體。.六、研討生物大分子構(gòu)造的新技術(shù)、新方法和新儀器不斷改良和涌現(xiàn)，如： DNA重組技術(shù) 酶逐漸降解技術(shù) 基因自動合成和測序技術(shù) X線晶體學(xué)分析技術(shù) 計算機(jī)技術(shù) 以及不同技術(shù)組合，使獲得： 明晰度的構(gòu)造圖象， 了解生物過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的動態(tài)變化，以及對生物大分子構(gòu)造進(jìn)展儲存，比較和構(gòu)造功能預(yù)測成為能夠。.七、生物大分子空間構(gòu)造的闡明對某些相關(guān)疾病發(fā)活力 理的研討及設(shè)計診斷、治療和預(yù)防方案具

5、有重要意義， 特別是對新藥的分子設(shè)計與模擬，具有實踐運用的指點 意義。 它可以把根底研討與運用、開發(fā)結(jié)合起來。.第一節(jié) 核酸 核酸nucleic acid)是以核苷酸為根本組成單位的生物大分子。天然存在的核酸有兩類，一類為脫氧核糖核酸deoxyribonucleic acid, DNA)，另一類為核糖核酸ribonuleic acid RNA)。DNA存在細(xì)胞核和線粒體內(nèi)，攜帶和傳送遺傳信息，決議細(xì)胞和個體的基因型genetype)。 RNA存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)，參入細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。 病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。.為了闡明三十年來核酸研討的大體進(jìn)展過程和科學(xué)界對核酸研討

6、成果的注重程度，如今把近三十年來因從事這方面的研討而獲得諾貝爾獎金的科學(xué)家列表如下：科學(xué)家年份種類成果A. R. Tood(英）1957化學(xué)確定核苷酸結(jié)構(gòu)，合成二核苷酸等G.W. Beadle（美）E.L. Tatum（美）19581958生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)化學(xué)試劑對基因的控制和影響J. Lederberg（美）1958生理學(xué)、醫(yī)學(xué)提出新的遺傳論點S. Ochoa（美）1959生理學(xué)、醫(yī)學(xué)酶促合成核糖多核苷酸A. Kornberg（美）1959生理學(xué)、醫(yī)學(xué)酸促合成DNAJ. D. Watson（美） 1962 生理學(xué)、醫(yī)學(xué) DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)F. H. C. Crick（英） 1962

7、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)M. H. F. Wilkins（英）1962生理學(xué)、醫(yī)學(xué)DNA的X射線衍射研究F. Jacob（法）A. M. Lwoff（法）J. L. Monod（法）196519651965生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基因?qū)γ负筒《竞铣傻目刂芌. W. Holley（美）1968生理學(xué)、醫(yī)學(xué)酵母t RNA Ala一級結(jié)構(gòu)測定H. G. Khorana（美）1968生理學(xué)、醫(yī)學(xué)合成遺傳密碼M. W. Nirenberg（美）1968 生理學(xué)、醫(yī)學(xué) 發(fā)現(xiàn)遺傳密碼.M. Delbruck(美）A. D. Hershey（美）S. E. Luria（美）196919691969生理學(xué)、醫(yī)學(xué)

8、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基面結(jié)構(gòu)和病毒復(fù)制機(jī)制E. W. Sutherland（美）1971生理學(xué)、醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)3,5-環(huán)AMP和激素作用機(jī)制R. Dulbecco（意）1975 生理學(xué)、醫(yī)學(xué)腫瘤病毒和細(xì)胞遺傳物質(zhì)之間的相互作用W. Arber（瑞士） 1978 生理學(xué)、醫(yī)學(xué) 發(fā)現(xiàn)細(xì)菌限制性內(nèi)切酶H. O. Smith（美）1978生理學(xué)、醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶作用方式的特點D. Nathans（美）1978生理學(xué)、醫(yī)學(xué)用限制性內(nèi)切酶制成腫瘤病毒的基因圖譜P. Berg（美） 1981 化學(xué) 建立DNA重組技術(shù)W. Gilbert（美） 1981 化學(xué) DNA一級結(jié)構(gòu)測定方法F. Sanger (英

9、） 1981 化學(xué) DNA一級結(jié)構(gòu)測定方法A. Klug（英） 1982 化學(xué)建立晶體電子顯微技術(shù)測定核酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體的構(gòu)造.一、DNA的構(gòu)造與功能一DNA的一級構(gòu)造與功能 1.DNA一級構(gòu)造中儲存的生物遺傳信息 DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都儲存在DNA分子中。 這些信息以核苷酸不同的陳列順序編碼在DNA分子上，核苷酸陳列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同了。 DNA的一級構(gòu)培育是指核苷酸在DNA分子中的陳列順序。因此測定DNA的堿基陳列順序是分子生物學(xué)的根本課題之一。.DNA序列測定 即核酸DNA分子一級構(gòu)造的測定，是現(xiàn)代分子生物學(xué)一項重要技術(shù)。序列分析的目的有二：1確證性

10、測序 經(jīng)過測序?qū)ν蛔冞M(jìn)展定位和鑒定，運用時測定野生型基因上同源區(qū)和突變體的相應(yīng)序列，直接在一張膠片上比較二者序列差別知基因序列。2從頭測序 目的是提供一段DNA準(zhǔn)確的核苷酸序列未知基因序列。.測序在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域運用2個方面： 1對知基因序列檢查 特別是有遺傳傾向的病例，檢測相關(guān)基因有無突變，有助于闡明疾病發(fā)病機(jī)理及建立相應(yīng)診療方案。 2對曾經(jīng)克隆的未知基因序列進(jìn)展測定 從而闡明該基因的一級構(gòu)造，如人類基因組方案中大量的任務(wù)是要闡明克隆片段的核苷酸陳列順序。.2、DNA一級構(gòu)造的根本特點 4種dNTP以3、5磷酸二酯鍵相連構(gòu)成一個沒有分枝的絨性大分子。與蛋白質(zhì)比觸覺不靈。 它們的兩個末端分別稱5

11、末端游離磷酸基和3末端游離羥基。12-脫氧核糖核苷酸和2、3-二脫氧核糖苷酸鏈終止劑，sanger雙脫氧末端終止法。23、5-磷酸二酯鍵和2、5寡核苷酸.3、DNA的甲基化 DNA的一級構(gòu)造中，有一些堿基可以經(jīng)過加上一個甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化(mythylation of DNA)。1原核生物細(xì)菌有限制一修飾系統(tǒng)見第三章對本身DNA產(chǎn)生維護(hù)作用。抵御外源DNA噬菌體的入侵。2真核生物中的DNA甲基化在基因表達(dá)調(diào)控中有重要作用見第六章3核磁共振對DNA甲基化影響.二DNA的二級構(gòu)造1.雙螺旋的根本特征 1主鏈 脫氧核糖和磷酸基相互隔銜接構(gòu)成DNA的主鏈。 從化學(xué)鍵的方向來看，雙螺旋中兩

12、條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹?二條主鏈處于螺旋的外側(cè)，堿基處于螺旋的內(nèi)部，由于糖和磷酸根的化學(xué)性質(zhì)，主鏈?zhǔn)怯H水的。 兩條鏈構(gòu)成右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是20A。 2堿基對 由于幾何外形的限制，只能由嘧啶和嘌呤配對才干使堿基對適宜地安頓在雙螺旋內(nèi)。 假設(shè)兩個嘧啶配對那么幾何外形太小，兩個嘌呤配對那么幾何形狀又太大，為雙螺旋所包容不下。只需A-T堿基和G-C堿基對的幾何外形正適宜雙螺旋的大小。. 這兩種堿基對A/T,G/C有一個重要的特征，就是它們具有二次旋轉(zhuǎn)對稱性，即一對堿基對旋轉(zhuǎn)180O,并不影響雙螺旋的對稱性， 因此雙螺旋構(gòu)造只限定了配對的方式，并不限定堿基的順序。 堿基環(huán)是一個共

13、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間隔3.4A,每十對堿基組成一節(jié)螺旋，因此雙螺旋的螺距是34A。一條鏈中每個相鄰的堿基方向相差36.堿基之間的疏水作用可導(dǎo)致堿基堆集，這個引力同堿基對之間氫鍵一同穩(wěn)定了雙螺旋構(gòu)造。.3大溝和小溝 沿螺旋軸方向察看，配對的堿基并不充溢雙螺旋的空間。 由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，因此在雙螺旋的外表構(gòu)成二個凹下去的槽，一個槽大些，一個槽小些分別稱為大溝和小溝。 雙螺旋外表的溝對DNA和蛋白質(zhì)的相互識別是很重要的，由于在溝內(nèi)才干覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的外表，是脫氧核糖和磷酸反復(fù)構(gòu)造，沒有信息可言

14、。蛋白質(zhì) 核酸，核酸 核酸、鋅指構(gòu)造，見第六章.2.三股螺旋DNAtsDNA tsDNA是在DNA雙螺旋構(gòu)造基堿上構(gòu)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。 根據(jù)三鏈的組成和相對位置分為兩種根本類型：1Pu代表嘌呤鏈PuPy代表嘧啶鏈型，在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定；2PyPuPy型，較多見，在偏酸性PH中穩(wěn)定。 雙螺旋經(jīng)過WatsonCrick氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋經(jīng)過 Hoogsteen氫鍵穩(wěn)定。三鏈中堿基配對符合Hoogsteen模型，第三堿基在PyPuPy型中為T=A=T，C+=G三C第三位點的“C必需質(zhì)子化配對；在PuP

15、uPy型中存在G=G三C，A=A=T配對。. 兩種類型tsDNA有4種同分異構(gòu)體。 當(dāng)DNA雙鏈中含有H回文序列時，即某區(qū)段DNA兩條鏈分別為HPu和HPy，并且各自為回文構(gòu)造時，任一條回文構(gòu)造的5和3部分都可以構(gòu)成分了子內(nèi)三股螺旋構(gòu)造及剩余的半條回文構(gòu)造游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可構(gòu)成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于： 調(diào)控區(qū)DNA復(fù)制起點或終點染色體重組位點，提示它們能夠與基因表達(dá)調(diào)控DNA復(fù)制及染色體的重組有關(guān)。.三DNA的三級構(gòu)造 DNA的三級構(gòu)造指雙螺旋鏈的扭曲。 趨螺旋是DNA三級構(gòu)造的一種方式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋構(gòu)造。超螺旋的生

16、物學(xué)意義能夠是：1.使DNA分子體積變小，對其在細(xì)胞的包裝過程有利。2.21011公里, 2.2109公里,100倍2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質(zhì)、核酸)之間的相互作用。.四DNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點 1.信息量大*，可以縮微； 2.外表互補，電荷互補，雙螺旋構(gòu)造闡明了準(zhǔn)確復(fù)制 機(jī)理； 3.核糖的2脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好； 4.可以突變，以求進(jìn)化突變對個體是不幸的，進(jìn)化對群體是有利的； 5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除。 然而，假設(shè)DNA是最初的遺傳物質(zhì)，那么由于DN

17、A復(fù)制需求酶，而酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發(fā)現(xiàn)RNA擬酶，這個問題才得到處理。.RNA作為遺傳物質(zhì) RNA擬酶集信息傳送作用和酶學(xué)催化作用于一身，很能夠是最初的遺傳物質(zhì)。在這個根底上，一個RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進(jìn)化圖景，已被科學(xué)界廣泛接受。 但RNA作為最初遺傳物質(zhì)的想象，依然有許多疑問。其中最大的疑問是RNA本身的來源問題。 蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳外表，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質(zhì)，早已成為定論。 *一個1kb的基因，其能夠的核苷酸陳列順序有41000=10602種，而直徑10億光年

18、的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University press,1992).二.RNA的構(gòu)造與功能 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(dá)不可短少的根底物質(zhì)。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學(xué)功能。.一mRNAmRNA占細(xì)胞RNA總量的1%5%，分子量范圍幾百2萬個核苷酸，變化大RT/PCR。原核和真核生物mRNA的構(gòu)造不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區(qū)多順反子（幾個功能相關(guān)蛋白質(zhì)）單順反子*（1種蛋

19、白質(zhì)）2.5端帽子結(jié)構(gòu)無帽子結(jié)構(gòu)，（有SD序列，RBS位于AUG上游813核苷酸處，與翻譯起始有關(guān)）。有帽子結(jié)構(gòu)（0.1.2三種類型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，與翻譯起始有關(guān)（CBP）.3.3端poly(A)尾無有，20200核苷酸4.5.3端mRNA非偏碼區(qū)有有 由間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物mRNA中如RBS。真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工,戴帽安尾。. *順反子cistron 一段可供偏碼的構(gòu)造基因,是可以編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決議。由構(gòu)造基因轉(zhuǎn)錄生成的RNA序列亦稱為順反子。 單順反子monocistron 真核的構(gòu)造基因及mRNA是單

20、順反子，一個蛋白基由于一個轉(zhuǎn)錄單位。 多順反子polycistron原核的構(gòu)造基因mRNA是多順反子，多個蛋白基因串在一同為一個轉(zhuǎn)錄單位。 * 帽子構(gòu)造中的核苷酸大多數(shù)為7甲基鳥苷m7G.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的構(gòu)造可見3種類型：帽子0型 m7G5PPP5NP.帽子1型 m7G5PPP5NmpNP.帽子2型 m7G5PPP5NmPNmPNP.二tRNA tRNA的構(gòu)造相當(dāng)保守，各種物種的tRNA均含有7393個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級構(gòu)造和L狀的三級構(gòu)造。一端是CCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA知曉mRNA的核苷酸言語和

21、蛋白質(zhì)的氨基酸言語AARS，是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。.三rRNA rRNA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。核糖體的組成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亞基rRNA蛋白質(zhì)16S(有mRNA識別結(jié)合位點)18S(有mRNA識別結(jié)合位點)21種33種大亞基rRNA23S、5S（識別、結(jié)合tRNA）28S、5S、5.8S(識別、結(jié)合tRNA)蛋白質(zhì)34種49種 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mRNA要靠宿主細(xì)胞的核糖體來翻譯。 核糖體蛋白如何識別rRNA上的結(jié)合位點，如何和rRNA結(jié)合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，

22、怎樣相互結(jié)合，組裝成為功能性的核糖體，尚在研討之中。目前只知道彼此所處的相對位置，結(jié)合的細(xì)節(jié)不明。.四具有催化活性的RNA核酶，ribozyme,P151.1981年，Cech等人研討四膜蟲能自我拼接rRNA時發(fā)現(xiàn)核酶。2.分類1異體催化的剪切型如RNase P 一種核酸內(nèi)切酶。 2自體催化的剪切型如植物類病毒。 3內(nèi)含子的自我剪切型如四膜蟲大核26SrRNA前體。3.生理功用 絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反響機(jī)理 RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個外表，讓參與反響的基因接近并構(gòu)成固定不變的空間關(guān)系，蛋白質(zhì)以其側(cè)鏈基因的多樣性構(gòu)成現(xiàn)代生物細(xì)胞中絕大部分的酶。然而，R

23、NA分子可以以其分子的空間構(gòu)型產(chǎn)生鍵的斷裂和生成所必需的環(huán)境。催化RNAR和底物RNAS之間的堿基配對能夠是產(chǎn)生這種環(huán)境的主要要素。.5.現(xiàn)實意義老兵新傳生化第十二章，P2681對研討生命來源和進(jìn)化有意義 先有DNA還是還 先有RNA？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀(jì)80年代已“定論，很能夠在原始生命中，RNA催化的斷裂銜接反響是最早出現(xiàn)的催化的過程。2對傳統(tǒng)酶學(xué)提出挑戰(zhàn) 蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)多樣性，核酸無側(cè)鏈。3抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的運用前景。.(五).試述反義核酸用于基因治療的根本原理20。1.概念 反義核酸也稱反義基因，即能經(jīng)過互補堿基與DNA或mRNA互補的核酸分子。2.根本原理 基因表達(dá)是基因產(chǎn)生功能的過程，這一過程主要涉及到DNA的復(fù)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，基于這一根本原理，開展了反義核酸基因療法的根本的研討。 目前反義核酸療法多運用于抗腫瘤和抗病毒感染治療中。 對于抗腫瘤，反義核酸治療就是運用反義核酸在轉(zhuǎn)錄和翻譯程度阻斷某些異常基因的