生物材料生物大分子核酸

生物材料生物大分子核酸第1頁/共27頁概述一、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，幾乎到處都有生命的蹤跡。有天上飛的，地下爬的，水中游的。有的生物只是一個單細胞，如大腸桿菌和酵母菌；有的則有復(fù)雜的組織和器官，象人體就有1014體細胞。二、如果就生物大分子而言，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種蛋白和差不多相同數(shù)量的核酸。

即使極為簡單的大腸桿菌（其體積約為2×10-12cm3)，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化合物。第2頁/共27頁三、在這樣種類復(fù)雜，形態(tài)萬千的生物體系中，人們必須尋求生命狀態(tài)的基本邏輯原理。（一）生物大分子雖然具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但在組成方面卻存在一種基本的簡單性，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）所有的生物都使用相同種類的的構(gòu)件分子，似乎它們是從一個共同的祖先進化而來。（三）每種生物的特性是通過它具有的一套與眾不同的核酸和蛋白質(zhì)而保持的。（四）每種生物大分子在細胞中有特定的功能。

第3頁/共27頁四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)

是指生物體內(nèi)由分子量較低的基本結(jié)構(gòu)單位首尾相連形成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質(zhì)和多糖?；窘Y(jié)構(gòu)單位的排列順序構(gòu)成生物大分子的一級結(jié)構(gòu)，生物大分子在其一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。自然界典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之間。第4頁/共27頁五、基因組研究、基因表達調(diào)控研究、結(jié)構(gòu)分子生物學研究和信號傳導研究是當今分子生物學研究的4大前沿領(lǐng)域。

生物功能由結(jié)構(gòu)所決定。生物大分子在表現(xiàn)其生理功能過程中，必須具備特定的空間立體結(jié)構(gòu)（即三維結(jié)構(gòu)）?，F(xiàn)已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各種體現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域本身特點和形態(tài)及它們所處的空間大分子的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)都直接影響DNA，基因或RNA的功能發(fā)揮。

在蛋白質(zhì)水平由于它們是直接體現(xiàn)生物理功能的物質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)對其功能影響更為直接。因此，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究是結(jié)構(gòu)分子生物學研究的主體。第5頁/共27頁六、研究生物大分子結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新方法和新儀器不斷改進和涌現(xiàn)，如：

DNA重組技術(shù)酶逐步降解技術(shù)基因自動合成和測序技術(shù)

X線晶體學分析技術(shù)計算機技術(shù)以及不同技術(shù)組合，使獲得：清晰度的結(jié)構(gòu)圖象，了解生物過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的動態(tài)變化，以及對生物大分子結(jié)構(gòu)進行貯存，比較和結(jié)構(gòu)——功能預(yù)測成為可能。第6頁/共27頁七、生物大分子空間結(jié)構(gòu)的闡明對某些相關(guān)疾病發(fā)生機理的研究及設(shè)計診斷、治療和預(yù)防方案具有重要意義，特別是對新藥的分子設(shè)計與模擬，具有實際應(yīng)用的指導意義。

它可以把基礎(chǔ)研究與應(yīng)用、開發(fā)結(jié)合起來。第7頁/共27頁第一節(jié)核酸

核酸（nucleicacid)是以核苷酸為基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（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一類為核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。

DNA存在細胞核和線粒體內(nèi)，攜帶和傳遞遺傳信息，決定細胞和個體的基因型（genetype)。

RNA存在于細胞質(zhì)和細胞核內(nèi)，參入細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。

病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。第8頁/共27頁核酸基本單位核苷酸C、H、O、N、P分類

生理功能是遺傳信息的載體，對生物的遺傳性、變異性和蛋白質(zhì)的生物合成具有極其重要作用一切生物的遺傳物質(zhì)核苷酸組成元素核苷磷酸五碳糖含氮堿基DNA：主要存在于細胞核中RNA：主要存在于細胞質(zhì)中第9頁/共27頁一、DNA的結(jié)構(gòu)與功能（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)與功能

1.DNA一級結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息

DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學含義也就不同了。

DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測定DNA的堿基排列順序是分子生物學的基本課題之一。第10頁/共27頁DNA序列測定即核酸DNA分子一級結(jié)構(gòu)的測定，是現(xiàn)代分子生物學一項重要技術(shù)。序列分析的目的有二：1）確證性測序通過測序?qū)ν蛔冞M行定位和鑒定，應(yīng)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異（已知基因序列）。2）從頭測序目的是提供一段DNA準確的核苷酸序列（未知基因序列）。第11頁/共27頁測序在生物醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用2個方面：

1）對已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)病機理及建立相應(yīng)診療方案。

2）對已經(jīng)克隆的未知基因序列進行測定從而闡明該基因的一級結(jié)構(gòu)，如人類基因組計劃中大量的工作是要闡明克隆片段的核苷酸排列順序。第12頁/共27頁2、DNA一級結(jié)構(gòu)的基本特點

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。它們的兩個末端分別稱5’末端（游離磷酸基）和3’末端（游離羥基）。1）2’-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）。2）3’、5’-磷酸二酯鍵和2’、5’寡核苷酸第13頁/共27頁脫氧核糖核酸————DNA

四種脫氧核糖核苷酸是DNA的基本單位，DNA通常是雙鏈，規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)，如：（平面結(jié)構(gòu)）（立體結(jié)構(gòu)）脫氧核糖核苷酸一條多脫氧核糖核苷酸單鏈脫氧核糖核苷酸雙鏈第14頁/共27頁3.DNA的二級結(jié)構(gòu)1.雙螺旋的基本特征

1）主鏈脫氧核糖和磷酸基相互隔連接構(gòu)成DNA的主鏈。從化學鍵的方向來看，雙螺旋中兩條多核苷酸鏈是反向平行的。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性質(zhì)，主鏈是親水的。兩條鏈形成右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是20A。

2）堿基對

由于幾何形狀的限制，只能由嘧啶和嘌呤配對才能使堿基對合適地安置在雙螺旋內(nèi)。若兩個嘧啶配對則幾何形狀太小，兩個嘌呤配對則幾何形狀又太大，為雙螺旋所容納不下。只有A-T堿基和G-C堿基對的幾何形狀正適合雙螺旋的大小?！さ?5頁/共27頁

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，因此雙螺旋結(jié)構(gòu)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36Ｏ.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氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)?！ぁさ?6頁/共27頁3）大溝和小溝

沿螺旋軸方向觀察，配對的堿基并不充滿雙螺旋的空間。

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，因此在雙螺旋的表面形成二個凹下去的槽，一個槽大些，一個槽小些分別稱為大溝和小溝。雙螺旋表面的溝對DNA和蛋白質(zhì)的相互識別是很重要的，因為在溝內(nèi)才能覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復(fù)結(jié)構(gòu)，沒有信息可言第17頁/共27頁4.DNA的三級結(jié)構(gòu)

DNA的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。趨螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋的生物學意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。（2.2×1011公里,2.2×109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。第18頁/共27頁5.DNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點

1.信息量大*，可以縮微；

2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制機理；

3.核糖的2’脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；

4.可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的）；

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，如果DNA是最初的遺傳物質(zhì)，那么由于DNA復(fù)制需要酶，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，這個問題才得到解決。第19頁/共27頁RNA作為遺傳物質(zhì)

RNA擬酶集信息傳遞作用和酶學催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質(zhì)。在這個基礎(chǔ)上，一個RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質(zhì)的設(shè)想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。

蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，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，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)·第20頁/共27頁二.RNA的結(jié)構(gòu)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，是基因表達不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸——RNA。脫氧核糖核酸（DNA）主要存在于細胞核中，是染色體的主要成分，線粒體、葉綠體中也有少量；核糖核酸（RNA）主要存在于細胞質(zhì)中。第21頁/共27頁

四種核糖核苷酸是RNA的基本單位，RNA通常是單鏈，一條多核糖核苷酸單鏈（平面結(jié)構(gòu)）

第22頁/共27頁（一）mRNAmRNA占細胞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的結(jié)構(gòu)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8～13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，20～200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。第23頁/共27頁（二）tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)相當保守，各種物種的tRNA均含有73～93個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級結(jié)構(gòu)和L狀的三級結(jié)構(gòu)。一端是CCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（AARS），是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。第24頁/共27頁（三）rRNArRNA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