第二章_生物大分子.

第二章生物大分子的结构与功能第一节生物大分子（Biomacromolecule）生物大分子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。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。典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之间。包括：核酸，蛋白质，多糖，脂类蛋白质是氨基酸的聚合物，核酸是核苷酸的聚合物，多糖是单糖的聚合物，脂是形式多种多样的分子。基本原理（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。生物大分子结构层次构型（configuration):一个分子中原子的固有空间排列。如：D-葡萄糖和L-葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型构象（conformation):在一定的条件下，由于单键的旋转而产生的分子中各原子（或原子团）在空间的不同排布形象。区别：一般情况下，构型都比较稳定，分子的构型是不能通过单键的旋转而改变的，必须通过化学键的断裂和重新建立才能改变。而且，构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。生物大分子结构层次蛋白质分子结构：一级～四级核酸分子结构：一级～三级二级结构均为螺旋结构二级结构:由邻近的若干氨基酸形成的特定结构，α-螺旋（helix）β-折叠（sheet）和环（loop）;三级结构:整条肽链所形成的立体的特定结构称为三级结构。四级结构:二条肽链以上肽链形成的定向结构。蛋白质高级结构生物大分子相互作用核酸与蛋白质相互作用－核蛋白糖与蛋白质相互作用－糖蛋白脂类与蛋白质相互作用－脂蛋白蛋白质与蛋白质相互作用第二节核酸的结构与功能遗传物质的本质核酸的化学组成DNA的二级结构DNA的高级结构染色体RNA的结构与功能核酸的变性与复性一、遗传物质的本质DNA是主要的遗传物质RNA也可作为遗传物质存在核酸以外的遗传物质1、遗传物质必须具有的特性a、贮存并表达遗传信息b、能把信息传递给子代c、物理和化学性质稳定d、具有遗传变化的能力DNA的特征各异的碱基序列储存大量的遗传信息碱基互补是其复制、转录表达遗传信息的基础生理状态下物理、化学性质稳定有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础1kbDNA序列41000种遗传信息RNA也可作为遗传物质1.RNA病毒传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）。如TobaccoMosaicVirus(TMV)，逆转录病毒（retrovirus)2.类病毒（viroid）使高等植物产生疾病的传染性因子，只由RNA组成存在核酸以外的遗传物质朊病毒－－－蛋白质样的感染因子羊搔痒病(scripie)，人类库鲁（kuru）病，牛海绵状脑炎(疯牛病)…均由传染性病原蛋白颗粒引起，统称Prion(朊病毒)。Prion复制?转录?翻译?二、核酸的化学组成核酸的化学组成核酸（RNA、DNA）核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）A、G、C、UA、G、C、T嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines一、含氮碱基、核苷、核苷酸☉碱基NitrogenousbasesUracil(U)嘌呤碱(purine)和嘧啶碱(pyrimidine)☉核苷（nucleotide）糖苷键Glycosidicbond嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子核糖是戊糖RNA－核糖核苷DNA－脱氧核糖核苷1’9☉核苷酸（nucleotideacid）核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸Deoxynucleotides其中α和β、β和γ之间是高能磷酸键αβγdNTP核酸的一级结构一级结构即共价结构。一级结构决定高级结构。DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。RNA的一级结构就是由四种核苷酸以不同的比例、不同的顺序、通过磷酸二酯键连结的多核苷酸长链。多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸，侧链为碱基，由3’,5’磷酸二酯键连接。前一个脱氧核苷酸的3’-OH和后一个的5’-磷酸缩合形成磷酸二酯键。方向性：通常规定5’3’为正向，默认的书写顺序5‘→3’。DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构三、DNA的二级结构双螺旋模型依据：高度定向的DNA纤维的X-射线照片发现原子长轴存在0.34和3.4nm两种周期性Chargaff规则：A+G/T+C=1A+T≠G+C密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链组成，且直径恒定（2nm)。双螺旋的主链碱基配对螺旋参数大沟和小沟双螺旋模型的特点双螺旋的主链每一单链具有5‘，3’极性两条单链极性相反，反向平行两条单链间以氢键连接以中心为轴，向右盘旋磷酸与核糖在外侧，碱基在内侧C-GT-A碱基互补·直径20Å*双螺旋模型参数·螺距为34Å（任一条链绕轴一周所升降的距离）·每圈有10个核苷酸（碱基）·有大沟和小沟配对碱基并不充满双螺旋空间，且碱基对占据的空间不对称·两个碱基之间的垂直距离是3.4Å。螺旋转角是36度Pitch34ÅRise3.4ÅWidth20ÅMajorGrooveMinorGroove10.4bp/turn大沟中碱基差异容易识别，往往是蛋白质因子结合特异DAN序列的位点。小沟相对体现的信息较少影响双螺旋结构稳定性的因素氢键(Hydrogenbond)碱基堆积力正负电荷疏水作用力(Hydrophobicinteraction)双螺旋结构的多态性双螺旋结构的基本形式：B-DNA，资料来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维，是生理条件下DNA最稳定的结构形式。此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋Z构象等形式。DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象。B-DNA：适中A-DNA：粗短，大沟深度明显；Z-DNA：左手螺旋，细长，大沟平坦。四、DNA的高级结构1.发夹结构（hairpin，茎环结构）：同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反平行的双螺旋结构。DNA的高级结构2.反向重复序列（invertedrepeats,IR)，也叫回文序列，指在双链DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同的。DNA的高级结构双链中，如果两条互补链分开，每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成一个发夹。两个相对的发夹结构就形成了一个十字形结构。DNA的高级结构3.三螺旋DNA(TribleHelixDNA）•位于B-DNA大沟内•与B-DNA以Hoogsteen键连接•A＝T,G＝C两氢键配对，C必需质子化•poly(Py):(Pu):(Py)为常见类型•第三条链，无论A还是T，都是与双螺旋上的A配对，无论是G还是C，都是与双螺旋上的G配对。DNA的高级结构四股螺旋DNA(TetrableHelixDNA)•形成条件－－串联重复的鸟苷酸•基本结构单元－－鸟嘌呤四联体•碱基之间靠Hoogsteen键连接•已有实验结果表明－－真核细胞端粒中存在四链结构DNA的三级结构双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。如超螺旋，扭结，多重螺旋，连环等。以超螺旋最为常见超螺旋结构正超螺旋负超螺旋模型（多见）•超螺旋结构可分为正超螺旋与负超螺旋两类，超螺旋方向与双螺旋方向相反，为负超螺旋即左旋，是主要的超螺旋结构。2回文序列回文：原意指指顺读和倒读都一样的词句。例：清代女诗人吴绛雪的《四季回文诗》《春》：莺啼岸柳弄春晴，夜月明。莺啼岸柳弄春晴，柳弄春晴夜月明。明月夜晴春弄柳，晴春弄柳岸啼莺。五、真核生物的染色体基因在DNA链上，DNA又在染色体上，而染色体和染色质则是同一物质不同时期的不同形态。大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状），在M期－－染色体形式染色体和染色质真核DNA＋组蛋白核小体核小体折叠压积染色质（chromatin）（其它的蛋白质和RNA）染色质有两种型a、常染色质：密度较低，能被表达b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒、次缢痕）。又包括组成型异染色质和兼性异染色质染色体和染色质染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。组蛋白组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4（1）进化上的极端保守性（2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。（3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。（4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙酰化、磷酸化及ADP核糖基化等（5）富含赖氨酸的组蛋白H5核小体核小体(nucleosome)：染色质的基本结构亚基，由约200bp的DNA和约等量的组蛋白所组成。核小体的组成：146bpDNA＋组蛋白八聚体→核小体的核心颗粒，直径约10nm核小体每个核小体含有约200bp的DNA，核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷贝，1份拷贝的H1组蛋白位于核小体外侧。组蛋白八聚体146bp的核心DNA146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈染色体DNA组装不同层次的结构2.3.4真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（10nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花结）染色体（1400nm，2个染色单体，每个染色体单体含10个螺旋圈）六、RNA的结构与功能1.RNA参与蛋白质的生物合成rRNA合成场所23SrRNA催化肽键形成——1992年Noller证明。tRNA携带氨基酸；mRNA模板2.RNA功能的多样性（1）控制蛋白质的合成（2）作用于RNA转录后加工和修饰（3）基因表达与细胞功能的调节（4）生物催化功能（5）遗传信息的加工与进化RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA信使RNA(mRNA)mRNA是蛋白合成的模板，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.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8～13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