生物材料生物大分子核酸

1、概述概述一、在我們居住的地球，有大約一、在我們居住的地球，有大約10001000萬種生物。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，人體大約有二、如果就生物大分子而言，人體大約有5000050000種以上的蛋種以上的蛋白質(zhì)，同時含有數(shù)以萬計的核酸及其它大分子種類。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

2、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化合物。三、在這樣種類復雜，形態(tài)萬千的生物體系中，人三、在這樣種類復雜，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。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雜的結(jié)構，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件分子，似乎它們是從一個共同的

3、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。 四、生物大分子四、生物大分子（biopolymerbiopolymer、biomacromoleculebiomacromolecule) ) 是指生物體內(nèi)由分子量較低的基本結(jié)構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。 基本結(jié)構單位的排列順序構成生物大分子的一級結(jié)構，生物大分子在其一級結(jié)構的基礎上形成復雜的空間結(jié)構。 自然界典型的生物大分子的分子量在10103之間。五、基因組研究、基因表達調(diào)控研究、結(jié)構分子生五、基因組研究、基因表達調(diào)控研究、結(jié)構分子生物

4、學研究和信號傳導研究是當今分子生物學研究的物學研究和信號傳導研究是當今分子生物學研究的4 4大前沿領域。大前沿領域。 生物功能由結(jié)構所決定。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（即三維結(jié)構）。 現(xiàn)已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各種體現(xiàn)功能結(jié)構域，結(jié)構域本身特點和形態(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)構對其功能影響更為直接。因此，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構與功能的關系研究是結(jié)構分子生物學研究的主體。六、研究生物大分子結(jié)構的新技術、新方法和新儀器六、研究生物大分子結(jié)構的新技

5、術、新方法和新儀器不斷改進和涌現(xiàn)，如：不斷改進和涌現(xiàn)，如： DNA重組技術 酶逐步降解技術 基因自動合成和測序技術 X線晶體學分析技術 計算機技術 以及不同技術組合，使獲得： 清晰度的結(jié)構圖象， 了解生物過程中蛋白質(zhì)構象的動態(tài)變化，以及對生物大分子結(jié)構進行貯存，比較和結(jié)構功能預測成為可能。七、生物大分子空間結(jié)構的闡明對某些相關疾病發(fā)生機七、生物大分子空間結(jié)構的闡明對某些相關疾病發(fā)生機 理的研究及設計診斷、治療和預防方案具有重要意義，理的研究及設計診斷、治療和預防方案具有重要意義， 特別是對新藥的分子設計與模擬，具有實際應用的指特別是對新藥的分子設計與模擬，具有實際應用的指導意義。導意義。 它可

6、以把基礎研究與應用、開發(fā)結(jié)合起來。第一節(jié)第一節(jié) 核酸核酸 核酸（nucleic acid)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（deoxyribonucleic acid, DNA)，另一類為核糖核酸（ribonuleic acid RNA)。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。核酸核酸基本單位基本單位核苷酸核苷酸C、H、O、N、P分類分類 生理功能生理功能 是遺傳信息的載體，對生物的遺傳性、變

7、異性是遺傳信息的載體，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)一切生物的遺傳物質(zhì)核苷酸核苷酸組成元素組成元素核苷核苷磷酸磷酸五碳糖五碳糖含氮堿基含氮堿基DNA：主要存在于細胞核中：主要存在于細胞核中RNA：主要存在于細胞質(zhì)中：主要存在于細胞質(zhì)中一、DNA的結(jié)構與功能（一）（一）DNADNA的一級結(jié)構與功能的一級結(jié)構與功能 1.DNA一級結(jié)構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。

8、DNA的一級結(jié)構就是指核苷酸在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。DNA序列測定 即核酸DNA分子一級結(jié)構的測定，是現(xiàn)代分子生物學一項重要技術。序列分析的目的有二：1 1）確證性測序）確證性測序 通過測序?qū)ν蛔冞M行定位和鑒定，應用時測定野生型基因上同源區(qū)和突變體的相應序列，直接在一張膠片上比較二者序列差異（已知基因序列）。2 2）從頭測序）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）。測序在生物醫(yī)學領域應用測序在生物醫(yī)學領域應用2 2個方面：個方面： 1 1）對已知基因序列檢查）對已知基因序列檢查 特別是有遺傳傾向的病例，檢測相關基

9、因有無突變，有助于闡明疾病發(fā)病機理及建立相應診療方案。 2 2）對已經(jīng)克隆的未知基因序列進行測定）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，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。2、DNA一級結(jié)構的基本特點 4種dNTP以3、5磷酸二酯鍵相連構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寡核苷酸脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸DNA四種脫氧核糖核苷酸是四種脫氧核糖核苷酸是DNA的基本單位，的基本

10、單位，DNA通常是雙鏈，規(guī)則通常是雙鏈，規(guī)則的雙螺旋結(jié)構，的雙螺旋結(jié)構，如：如：（平面結(jié)構）（平面結(jié)構） （立體結(jié)構）（立體結(jié)構） 脫氧核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸 一條多脫氧核糖核苷酸單鏈一條多脫氧核糖核苷酸單鏈 脫氧核糖核苷酸雙鏈脫氧核糖核苷酸雙鏈3. DNA3. DNA的二級結(jié)構的二級結(jié)構1.1.雙螺旋的基本特征雙螺旋的基本特征 1 1）主鏈）主鏈 脫氧核糖和磷酸基相互隔連接構成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。

11、 2 2）堿基對）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)。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。 堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構成一個平面分子。在堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構成一個平面分子。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

12、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。間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構。 由于堿基對的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對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，稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個凹下去的槽，4. DNA4. DNA的三級結(jié)構的三級結(jié)構 DNADNA的三級結(jié)構指雙螺旋鏈的扭曲。的三級結(jié)構指雙螺旋鏈的扭曲。 趨螺旋是趨螺旋是DNADNA三級結(jié)構的一

13、種形式，三級結(jié)構的一種形式，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。扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構。 1.1.信息量大信息量大* *，可以縮微；，可以縮微； 2.2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構說明了精確復制表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構說明了精確復制 機理；機理； 3.3.核糖的核糖的2 2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

14、 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）。 RNARNA擬酶集信息傳遞作用和酶學催化作用于一身，很可能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)。在這個基礎上，一個是最初的遺傳物質(zhì)。在這個基礎上，一個RNARNA世界到世界到RNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)世界，由世界，由RNARNA蛋白質(zhì)世界到蛋白質(zhì)世界到DNADNA世界的進化圖景，已被科學界廣世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。泛接受。 但但RNARNA作為最初遺傳物質(zhì)的設想，仍然有許多疑難。其中作為最初遺傳物

15、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。 蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作蛋白質(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)，早已成為定論為遺傳物質(zhì)，早已成為定論 * *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

16、 University M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University 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物質(zhì)。物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎物質(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。四種核糖核苷酸是四種核糖核苷酸是RNA的基本單位的基本單位 ， RNA通常是單通常是單鏈，鏈，一條多核糖核苷酸單鏈（平面結(jié)構）一條多核糖核苷酸單鏈（平面結(jié)構） （

17、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/PCR）。原核和真核生物）。原核和真核生物mRNAmRNA的結(jié)的結(jié)構不同。構不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區(qū)多順反子（幾個功能相關蛋白質(zhì)）單順反子*（1種蛋白質(zhì)）2.5端帽子結(jié)構無帽子結(jié)構，（有SD序列，RBS位于AUG上游813核苷酸處，與翻譯起始有關）。有帽子結(jié)構（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（CBP）.3.3端poly(A)尾無有，2020

18、0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。（二）（二）tRNAtRNA tRNA tRNA的結(jié)構相當保守，各種物種的的結(jié)構相當保守，各種物種的tRNAtRNA均含有均含有73739393個核苷個核苷酸，酸，tRNAtRNA均有三葉草型的二級結(jié)構和均有三葉草型的二級結(jié)構和L L狀的三級結(jié)構。狀的三級結(jié)構。一端是一端是CCACCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。結(jié)合氨基酸部位，另一端為反

19、密碼子環(huán)。tRNAtRNA通曉通曉mRNAmRNA的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（AARSAARS），是蛋白質(zhì)翻），是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。譯的譯員。（三）（三）rRNArRNA rRNA rRNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合與核糖體蛋白共同構成核糖體，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(

20、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、生物大分子四、生物大分子（biopolymerbiopolymer、biomacromoleculebiomacromolecule) ) 是指生物體內(nèi)由分子量較低的基本結(jié)構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。 基本結(jié)構單位的排列順序構成生物大分子的一級結(jié)構，生物大分子在其一級結(jié)構的基礎上形成復雜的空間結(jié)構。 自然界典型的生物大分子的分子量在

21、10103之間。五、基因組研究、基因表達調(diào)控研究、結(jié)構分子生五、基因組研究、基因表達調(diào)控研究、結(jié)構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物學研究和信號傳導研究是當今分子生物學研究的4 4大前沿領域。大前沿領域。 生物功能由結(jié)構所決定。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（即三維結(jié)構）。 現(xiàn)已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各種體現(xiàn)功能結(jié)構域，結(jié)構域本身特點和形態(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)構對其功能影響更為直接。因此，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構與功能的關系研究是結(jié)構分子生物學研究的主體。2、DNA一級結(jié)構的基本特點 4種dNTP以3、5磷酸二酯鍵相連構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 堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構成一個平面分子。在堿基環(huán)是一個共軛環(huán)，本身構成一個平面分子。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