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1、生物材料课件-3生物大分子核酸概述概述一、在我一、在我们们居住的地球，有大居住的地球，有大约约10001000万种生物。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，人体大二、如果就生物大分子而言，人体大约约有有5000050000种以上的蛋白种以上的蛋白质质，同，同时时含有数以万含有数以万计计的核酸及其它大分子种的核酸及其它大分子种类类。 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
2、使极为简单的大肠杆菌（其体积约为210-12cm3)，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、在三、在这样这样种种类类复复杂杂，形，形态态万千的生物体系中，人万千的生物体系中，人们们必必须寻须寻求生命状求生命状态态的基本的基本逻辑逻辑原理。原理。（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
3、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。 四、生物大分子四、生物大分子（biopolymerbiopolymer、biomacromolecule)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10103之间。五、基因五、基因组组研究、基因表达研究、基因表达调调控研究、控研
4、究、结结构分子生构分子生物学研究和信号物学研究和信号传导传导研究是当今分子生物学研究的研究是当今分子生物学研究的4 4大前沿大前沿领领域。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、研究生物大分子六、研究生物大分子结结构的新技
5、构的新技术术、新方法和新、新方法和新仪仪器器不断改不断改进进和涌和涌现现，如：，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、生物大分子空七、生物大分子空间结间结构的构的阐阐明明对对某些相关疾病某些相关疾病发发生机生机 理的研究及理的研究及设计诊设计诊断、治断、治疗疗和和预预防方案具有重要意防方案具有重要意义义， 特特别别是是对对新新药药的分子的分子设计设计与模与模拟拟，具有，具有实际应实际应用的指用的
6、指导导意意义义。 它可以把基础研究与应用、开发结合起来。第一第一节节 核酸核酸 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。核酸核酸基本基本单单位位核苷酸核苷酸C、H、O、N、P分分类类 生理功能生理功能 是是遗遗传传信
7、信息息的的载载体体，对对生生物物的的遗遗传传性性、变变异异性性和蛋白和蛋白质质的生物合成具有极其重要作用的生物合成具有极其重要作用 一切生物的一切生物的遗传遗传物物质质核苷酸核苷酸组组成元素成元素核苷核苷磷酸磷酸五碳糖五碳糖含氮碱基含氮碱基DNA：主要存在于：主要存在于细细胞核中胞核中RNA：主要存在于：主要存在于细细胞胞质质中中一、DNA的结构与功能（一）（一）DNADNA的一的一级结级结构与功能构与功能 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
8、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 1）确）确证证性性测测序序 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 2）从）从头测头测序序 目的是提供一段DNA准确的核苷酸序列（未知基因序列）。测测序在生物医学序在生物医学领领域域应应用用2 2个方面：个方面： 1 1）对对已知基因序列已知基因序列检查检查 特别是有遗传倾向的
9、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 2）对对已已经经克隆的未知基因序列克隆的未知基因序列进进行行测测定定 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。 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寡核苷酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸DNA四种脱氧核糖核苷酸是四种脱氧核糖核苷酸是DNA的基
10、本的基本单单位，位，DNA通常是双通常是双链链，规则规则的双螺旋的双螺旋结结构，构，如：如：（平面（平面结结构）构） （立体（立体结结构）构） 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 一条多脱氧核糖核苷酸一条多脱氧核糖核苷酸单链单链 脱氧核糖核苷酸双脱氧核糖核苷酸双链链3. DNA3. DNA的二的二级结级结构构1.1.双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征 1 1）主）主链链 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
11、径是20A。 2 2）碱基）碱基对对 由于几何形状的限制，只能由由于几何形状的限制，只能由嘧啶嘧啶和和嘌嘌呤配呤配对对才能使碱基才能使碱基对对合适合适地安置在双螺旋内。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。 这这这这两种碱基两种碱基两种碱基两种碱基对对对对（A/T,G/CA/T,G/CA/T,G/CA/T,G/C）有一个重要的特征，就是）有一个重要的特征，就是）有一个重要的特征，就是）有一个重要的特征，就是它它它它们们们们具有二次旋具有二次旋具有二次旋具有二次旋转对转对转对转
12、对称性，即一称性，即一称性，即一称性，即一对对对对碱基碱基碱基碱基对对对对旋旋旋旋转转转转180180180180O O O O, , , ,并不并不并不并不影响双螺旋的影响双螺旋的影响双螺旋的影响双螺旋的对对对对称性，称性，称性，称性， 因此双螺旋因此双螺旋因此双螺旋因此双螺旋结结结结构只限定了配构只限定了配构只限定了配构只限定了配对对对对的方式，并不限定碱的方式，并不限定碱的方式，并不限定碱的方式，并不限定碱基的基的基的基的顺顺顺顺序。序。序。序。 碱基碱基环环是一个共是一个共轭环轭环，本身构成一个平面分子。在，本身构成一个平面分子。在双螺旋中双螺旋中这这个平面垂直于螺旋个平面垂直于螺旋轴
13、轴，相，相邻邻的两个碱基上下的两个碱基上下间间隔隔3.4A,3.4A,每十每十对对碱基碱基组组成一成一节节螺旋，因此双螺旋的螺距螺旋，因此双螺旋的螺距是是34A34A。一条。一条链链中每个相中每个相邻邻的碱基方向相差的碱基方向相差3636. .碱基之碱基之间间的疏水作用可的疏水作用可导导致碱基堆集，致碱基堆集，这这个引力同碱基个引力同碱基对对之之间氢键间氢键一起一起稳稳定了双螺旋定了双螺旋结结构。构。3 3 3 3）大沟和小沟）大沟和小沟）大沟和小沟）大沟和小沟 沿螺旋沿螺旋沿螺旋沿螺旋轴轴轴轴方向方向方向方向观观观观察，配察，配察，配察，配对对对对的碱基并不充的碱基并不充的碱基并不充的碱基并
14、不充满满满满双螺旋的双螺旋的双螺旋的双螺旋的空空空空间间间间。 由于碱基由于碱基对对的方向性，使得碱基的方向性，使得碱基对对占据的空占据的空间间是不是不对对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一一一一个槽大些，一个槽小些分个槽大些，一个槽小些分个槽大些，一个槽小些分个槽大些，一个槽小些分别别别别称称称称为为为为大沟和小沟。大沟和小沟。大沟和小沟。大沟和小沟。 双螺旋表面的沟双螺旋表面的沟双螺旋表面的沟双螺旋表面的沟对对对对DNADNADNADNA和蛋白和蛋白和蛋白和蛋白质质质质的相互的相互的相互的相互识别识别识别识别是很重要是很重要是很重要是
15、很重要的，因的，因的，因的，因为为为为在沟内才能在沟内才能在沟内才能在沟内才能觉觉觉觉察到碱基的察到碱基的察到碱基的察到碱基的顺顺顺顺序，而在双螺旋序，而在双螺旋序，而在双螺旋序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复的表面，是脱氧核糖和磷酸重复的表面，是脱氧核糖和磷酸重复的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结结结结构，没有信息可言构，没有信息可言构，没有信息可言构，没有信息可言4. DNA4. DNA的三的三级结级结构构 DNA DNA的三的三级结级结构指双螺旋构指双螺旋链链的扭曲。的扭曲。 趋趋螺旋是螺旋是DNADNA三三级结级结构的一种形式，构的一种形式，DNADNA在核小体中的在核小体中的扭曲
16、方式也是一种扭曲方式也是一种趋趋螺旋螺旋结结构。构。超螺旋的生物学意超螺旋的生物学意超螺旋的生物学意超螺旋的生物学意义义义义可能是：可能是：可能是：可能是：1.1.1.1.使使使使DNADNADNADNA分子体分子体分子体分子体积变积变积变积变小，小，小，小，对对对对其在其在其在其在细细细细胞的包装胞的包装胞的包装胞的包装过过过过程有利。程有利。程有利。程有利。（2.2102.2102.2102.21011111111公里公里公里公里, 2.210, 2.210, 2.210, 2.2109 9 9 9公里公里公里公里,100,100,100,100倍）倍）倍）倍）2.2.2.2.影响双螺旋的
17、解影响双螺旋的解影响双螺旋的解影响双螺旋的解链过链过链过链过程程程程, , , ,从而影响从而影响从而影响从而影响DNADNADNADNA分子与其它分子分子与其它分子分子与其它分子分子与其它分子( ( ( (如如如如酶酶酶酶、蛋白、蛋白、蛋白、蛋白质质质质、核酸、核酸、核酸、核酸) ) ) )之之之之间间间间的相互作用。的相互作用。的相互作用。的相互作用。5. DNA5. DNA5. DNA5. DNA作作作作为遗传为遗传为遗传为遗传物物物物质质质质的主要的主要的主要的主要优优优优点点点点 1. 1.信息量大信息量大* *，可以，可以缩缩微；微； 2. 2.表面互表面互补补，电电荷互荷互补补，
18、双螺旋，双螺旋结结构构说说明了精确复制明了精确复制 机理；机理； 3. 3.核糖的核糖的22脱氧，在水溶液中脱氧，在水溶液中稳稳定性好；定性好； 4. 4.可以突可以突变变，以求，以求进进化（突化（突变对变对个体是不幸的，个体是不幸的，进进化化对对群体是有利的）；群体是有利的）； 5. 5.有有T T无无U U，基因，基因组组得以增大，而无得以增大，而无C C脱氨基成脱氨基成U U带带来的来的潜在危潜在危险险。（尿。（尿嘧啶嘧啶DNADNA糖苷糖苷酶酶可以灵敏可以灵敏识别识别DNADNA中的中的U U而而随随时时将其剔除）。将其剔除）。 然而，如果然而，如果然而，如果然而，如果DNADNADN
19、ADNA是最初的是最初的是最初的是最初的遗传遗传遗传遗传物物物物质质质质，那么由于，那么由于，那么由于，那么由于DNADNADNADNA复复复复制需要制需要制需要制需要酶酶酶酶，而，而，而，而酶酶酶酶是蛋白是蛋白是蛋白是蛋白质质质质，蛋白，蛋白，蛋白，蛋白质质质质又是由又是由又是由又是由DNADNADNADNA的核苷酸序的核苷酸序的核苷酸序的核苷酸序列列列列编码编码编码编码的，的，的，的，这这这这就成了一个就成了一个就成了一个就成了一个鸡鸡鸡鸡生蛋、蛋生生蛋、蛋生生蛋、蛋生生蛋、蛋生鸡鸡鸡鸡的的的的问题问题问题问题。80808080年年年年代代代代发现发现发现发现RNARNARNARNA拟拟拟
20、拟酶酶酶酶，这这这这个个个个问题问题问题问题才得到解决。才得到解决。才得到解决。才得到解决。RNARNARNARNA作作作作为遗传为遗传为遗传为遗传物物物物质质质质 RNA RNA拟拟酶酶集信息集信息传递传递作用和作用和酶酶学催化作用于一身，很可能是学催化作用于一身，很可能是最初的最初的遗传遗传物物质质。在。在这这个基个基础础上，一个上，一个RNARNA世界到世界到RNARNA蛋白蛋白质质世世界，由界，由RNARNA蛋白蛋白质质世界到世界到DNADNA世界的世界的进进化化图图景，已被科学界广泛景，已被科学界广泛接受。接受。 但但RNARNA作作为为最初最初遗传遗传物物质质的的设设想，仍然有想，
21、仍然有许许多疑多疑难难。其中最。其中最大的疑大的疑难难是是RNARNA本身的起源本身的起源问题问题。 蛋白蛋白质质因其缺乏因其缺乏遗传遗传表面，而且表面，而且遗传遗传嗅嗅觉觉不灵敏，不能作不灵敏，不能作为遗传为遗传物物质质，早已成，早已成为为定定论论。 * *一个一个1kb1kb的基因，其可能的核苷酸排列的基因，其可能的核苷酸排列顺顺序有序有4 410001000=10=10602602种，种，而直径而直径1010亿亿光年的宇宙，基体光年的宇宙，基体积积不不过过10108484cmcm3 3或或1010108108A A。( (见见M.Eigen,Steps-Towards Life,oxfo
22、rd University M.Eigen,Steps-Towards Life,oxford University press,1992)press,1992)二二.RNA.RNA的的结结构与功能构与功能 核酸是生物体的主要高分子互化合物，它核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储储存着生存着生物体全部物体全部遗传遗传信息，是基因表达不可缺少的基信息，是基因表达不可缺少的基础础物物质质。除除DNADNA外，在生物体中外，在生物体中还还存在着另一存在着另一类类核酸核酸RNARNA。脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）主要存在于）主要存在于）主要存在于）主要存在于
23、细细细细胞核中，是染色体的胞核中，是染色体的胞核中，是染色体的胞核中，是染色体的主要成分，主要成分，主要成分，主要成分，线线线线粒体、叶粒体、叶粒体、叶粒体、叶绿绿绿绿体中也有少量；核糖核酸体中也有少量；核糖核酸体中也有少量；核糖核酸体中也有少量；核糖核酸（RNARNA）主要存在于）主要存在于）主要存在于）主要存在于细细细细胞胞胞胞质质质质中。中。中。中。四种核糖核苷酸是四种核糖核苷酸是RNA的基本的基本单单位位 ， RNA通常是通常是单单链链，一条多核糖核苷酸一条多核糖核苷酸单链单链（平面（平面结结构）构） （一）（一）mRNAmRNAmRNAmRNA占占细细胞胞RNARNA总总量的量的1%
24、1%5%5%，分子量范，分子量范围围几百几百2 2万个万个核苷酸，核苷酸，变变化大（化大（RT/PCRRT/PCR）。原核和真核生物）。原核和真核生物mRNAmRNA的的结结构不同。构不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA编码区多顺反子（几个功能相关蛋白质）单顺反子*（1种蛋白质）2.5端帽子结构无帽子结构，（有SD序列，RBS位于AUG上游813核苷酸处，与翻译起始有关）。有帽子结构（0.1.2三种类型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关（CBP）.3.3端poly(A)尾无有，20200核苷酸4.5.3端mRNA非偏码区有有 由由间间隔区隔区转录转录得到非得到非编码
25、编码区广泛存在于原核生物区广泛存在于原核生物mRNAmRNA中（如中（如RBSRBS）。真核生物）。真核生物mRNAmRNA转录转录后加工后加工, ,戴帽安尾。戴帽安尾。（二）（二）tRNAtRNA tRNA tRNA的的结结构相当保守，各种物种的构相当保守，各种物种的tRNAtRNA均含有均含有73739393个核苷个核苷酸，酸，tRNAtRNA均有三叶草型的二均有三叶草型的二级结级结构和构和L L状的三状的三级结级结构。构。一端是一端是CCACCA结结合氨基酸部位，另一端合氨基酸部位，另一端为为反密反密码码子子环环。tRNAtRNA通通晓晓mRNAmRNA的核苷酸的核苷酸语语言和蛋白言和蛋
26、白质质的氨基酸的氨基酸语语言（言（AARSAARS），是蛋白），是蛋白质质翻翻译译的的译员译员。（三）（三）rRNArRNA rRNA rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质质合合成的成的场场所。所。核糖体的核糖体的组组成成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亚基rRNA蛋白质16S(有mRNA识别结合位点)18S(有mRNA识别结合位点)21种33种大亚基rRNA23S、5S（识别、结合tRNA）28S、5S、5.8S(识别、结合tRNA)蛋白质34种49种 一切生物的一切生物的遗传遗传密密码码都要在核糖体上翻都要在核糖体上翻译译。病毒本身没有核糖体，其。病毒本身没有核糖体，其mRNAmRNA要靠宿主要靠宿主细细胞的核糖体来翻胞的核糖体来翻译译。
