第二章生物大分子结构和功能

第二章生物大分子结构和功能 前言一、在我们居住的地球，有大约1000万种生物。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50000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。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，人们必须寻求生命状态的基本逻辑原理，这就是：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，这就是：（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。以上这些正是生物化学、分子生物学、分子遗传学所要研究的基本问题所遵循的逻辑。

四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)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。四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)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、结构分子生物学研究和信号传导研究是当今分子生物学研究的4大前沿领域。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4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、新方法和新仪器不断改进和涌现，如：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： 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，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。

为了说明三十年来核酸研究的大体进展过程和科学界对核酸研究成果的重视程度，现在把近三十年来因从事这方面的研究而获得诺贝尔奖金的科学家列表如下：为了说明三十年来核酸研究的大体进展过程和科学界对核酸研究成果的重视程度，现在把近三十年来因从事这方面的研究而获得诺贝尔奖金的科学家列表如下：

一、DNA的结构与功能 （一）DNA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）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）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）。

测序在生物医学领域应用2个方面： 1）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）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。（与蛋白质比触觉不灵）。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

3、DNA的甲基化 DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化(mythylation of DNA)。 1）原核生物（细菌）有限制一修饰系统（见第三章） ①对自身DNA产生保护作用。 ②抵御外源DNA（噬菌体）的入侵。 2）真核生物中的DNA甲基化在基因表达调控中有重要作用（见第六章） 3）核磁共振对DNA甲基化影响

（二）DNA的二级结构 1.双螺旋的基本特征 1）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）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（A/T,G/C）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180O,并不影响双螺旋的对称性，这两种碱基对（A/T,G/C）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180O,并不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，并不限定碱基的顺序。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间隔3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是34A。一条链中每个相邻的碱基方向相差36Ｏ.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氢键一起稳定了双螺旋结构。 · ·

3）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空间。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，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA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，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。（蛋白质核酸，核酸核酸、锌指结构，见第六章）

2.三股螺旋DNA（tsDNA） tsDNA是在DNA双螺旋结构基碱上形成的。三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型：（1）Pu（代表嘌呤链）—Pu—Py（代表嘧啶链）型，在碱性介质中稳定；（2）Py—Pu—Py型，较多见，在偏酸性PH中稳定。双螺旋通过Watson—Crick氢键稳定，而三股螺旋通过 Hoogsteen氢键稳定。三链中碱基配对符合Hoogsteen模型，第三碱基在Py—Pu—Py型中为T=A=T，C+=G三C（第三位点的“C”必须质子化）配对；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配对。

两种类型tsDNA有4种同分异构体。 当DNA双链中含有H—回文序列时，即某区段DNA两条链分别为HPu和HPy，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的5’和3’部分都可以形成分了子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中存在大量可形成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：调控区DNA复制起点或终点染色体重组位点，提示它们可能与基因表达调控DNA复制及染色体的重组有关。

（三）DNA的三级结构 DNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。趋螺旋是DNA三级结构的一种形式，DNA在核小体中的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： 1.使DNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。（2.2×1011公里, 2.2×109公里,100倍） 2.影响双螺旋的解链过程,从而影响DNA分子与其它分子(如酶、蛋白质、核酸)之间的相互作用。

（四）DNA作为遗传物质的主要优点 1.信息量大*，可以缩微； 2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理； 3.核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好； 4.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）； 5.有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。然而，如果DNA是最初的遗传物质，那么由于DNA复制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由DNA的核苷酸序列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。80年代发现RNA拟酶，这个问题才得到解决。

RNA作为遗传物质 RNA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RNA世界到RNA蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到DNA世界的进化图景，已被科学界广泛接受。但RNA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RNA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，不能作为遗传物质，早已成为定论。 *一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有41000=10602种，而直径10亿光年的宇宙，基体积不过1084cm3或10108A。(见M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University press,1992) ·

二.RNA的结构与功能 核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储存着生物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。除DNA外，在生物体中还存在着另一类核酸——RNA。RNA有许多种，它们具有不同的生物学功能。

（一）mRNA mRNA占细胞RNA总量的1%～5%，分子量范围几百～2万个核苷酸，变化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的结构不同。由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA转录后加工,戴帽安尾。

*顺反子（cistron）一段可供偏码的结构基因,是能够编码合成多肽的DNA的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析决定。由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。单顺反子（monocistron）真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。多顺反子（polycistron）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。 * 帽子结构中的核苷酸大多数为7甲基鸟苷（m7G）. 在其后面第2和第3个核苷酸的核糖第2位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见3种类型：帽子0型 m7G（5’）PPP（5’）NP. 帽子1型 m7G（5’）PPP（5’）NmpNP. 帽子2型 m7G（5’）PPP（5’）NmPNmPNP.

（二）tRNA tRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有73～93个核苷酸，tRNA均有三叶草型的二级结构和L状的三级结构。一端是CCA结合氨基酸部位，另一端为反密码子环。tRNA通晓mRNA的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（AARS），是蛋白质翻译的译员。

（三）rRNA rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。核糖体的组成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mRNA要靠宿主细胞的核糖体来翻译。核糖体蛋白如何识别rRNA上的结合位点，如何和rRNA结合，不同核糖体蛋白彼此如何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所处的相对位置，联结的细节不明。

（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme,P15） 1.1981年，Cech等人研究四膜虫（能自我拼接rRNA）时发现核酶。 2.分类（1）异体催化的剪切型（如RNase P 一种核酸内切酶）。（2）自体催化的剪切型（如植物类病毒）。（3）内含子的自我剪切型（如四膜虫大核26SrRNA前体）。 3.生理功用绝大部分核酶参入RNA的加工和成熟。 4.反应机理 RNA为什么能成为催化中心？催化中心无非是提供一个表面，让参加反应的基因靠近并形成固定不变的空间关系，蛋白质以其侧链基因的多样性构成现代生物细胞中绝大部分的酶。然而，RNA分子能够以其分子的空间构型产生键的断裂和生成所必须的环境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之间的碱基配对可能是产生这种环境的主要因素。

5.现实意义——老兵新传（生化第十二章，P268）5.现实意义——老兵新传（生化第十二章，P268）（1）对研究生命起源和进化有意义先有DNA还是还先有RNA？鸡生蛋，蛋生鸡？上个世纪80年代已“定论”，很可能在原始生命中，RNA催化的断裂——连接反应是最早出现的催化的过程。（2）对传统酶学提出挑战蛋白酶取代核酶，绝大部分酶的化学本质是蛋白质（侧链基团多样性，核酸无侧链）。（3）抗病毒核酸，抗肿瘤核酸，基因治疗中的应用前景。

(五).试述反义核酸用于基因治疗的基本原理（20’）。(五).试述反义核酸用于基因治疗的基本原理（20’）。 1.概念反义核酸也称反义基因，即能通过互补碱基与DNA或mRNA互补的核酸分子。 2.基本原理基因表达是基因产生功能的过程，这一过程主要涉及到DNA的复制、转录和翻译，该过程任一环节受阻都会影响到基因功能的产生，基于这一基本原理，开展了反义核酸（基因）疗法的基本的研究。目前反义核酸疗法多应用于抗肿瘤和抗病毒感染治疗中。对于抗肿瘤，反义核酸治疗就是应用反义核酸在转录和翻译水平阻断某些异常基因的表达，以阻断瘤细胞内异常信号的传导，使瘤细胞进入正常分化轨道或引起细胞凋亡。对于抗病毒感染治疗，反义核酸结果用反义DNA或反义RNA来阻断病毒核酸的复制，转录和翻译，从而达到抗病毒的目的。

3.举例 反义核酸有3类： 1）人工合成的寡脱氧核苷酸（oligoexynuclectide），进入机体后以胞吞的方式进入细胞，可直接结合到DNA双链的特定部位，形成三聚体，影响转录因子的结合，使转录不能启动。 2）将特异的反义基因连接到特异的表达载体上（质粒、病毒），导入靶细胞，直接转录出反义RNA，与相应mRNA形成双链，阻止mRNA的翻译。 3）核酶（ribozyme），是一种具有催化特性的反义基因，与相应的mRNA结合后能发挥酶活性，将mRNA降解。在抗肿瘤治疗中，反义核酸常用于： ①封闭癌基因，如src反义RNA导入表达V-src基因的src转化细胞，使这种细胞在裸鼠体内致瘤性下降，又如“锺头”核酶（hammerhead ribozyme）与反义H-ras联用，可抑制多种致瘤性细胞株。 ②肿瘤自分泌生长因子的反义阻断，用反义核酸来抑制某些肿瘤自分泌生长因子，以期阻断其恶性生物学行为来达到治疗的目的。在抗病素感染中，研究者发现，乙肝病毒，Rous肉瘤病毒的复制都明显地受到反义RNA的抑制，反义RNA与病毒mRNA结合成双股RNA链，mRNA即不会翻译成蛋白质。

4.问题 1）因为肿瘤转化往往涉及到各种异常基因且尚不明确，单一癌基因反义阻断不可能完全抑制或逆转肿瘤的生长，需要多种反义核酸联合应用或许效果好些。 2）反义核酸在机体内的靶向性（特异性）是治疗的关键问题若不能达到特异性靶器官、靶组织、靶细胞，即使对靶分子有特异针对性也没有效果。 3）反义核酸的代谢问题，目前所用反义载体及反义寡核苷酸都存在体内迅速失活的问题，不尽人意，函待解决。(99.2.3） [反义核酸(Ｐ17)及其在基因表达调控中的作用参第六章] 第二节蛋白质第三节生物大分子相互作用

第二章 生物大分子结构和功能