2第二章生物大分子的结构和功能1(2)

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：（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。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。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：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（nucleicacid)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（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。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：科学家年份种类成果A.R.Tood(英）1957化学确定核苷酸结构，合成二核苷酸等G.W.Beadle（美）E.L.Tatum（美）19581958生理学、医学生理学、医学化学试剂对基因的控制和影响J.Lederberg（美）1958生理学、医学提出新的遗传论点S.Ochoa（美）1959生理学、医学酶促合成核糖多核苷酸A.Kornberg（美）1959生理学、医学酸促合成DNAJ.D.Watson（美）1962生理学、医学DNA的双螺旋结构F.H.C.Crick（英）1962生理学、医学M.H.F.Wilkins（英）1962生理学、医学DNA的X射线衍射研究F.Jacob（法）A.M.Lwoff（法）J.L.Monod（法）196519651965生理学、医学生理学、医学生理学、医学基因对酶和病毒合成的控制R.W.Holley（美）1968生理学、医学酵母tRNAAla一级结构测定H.G.Khorana（美）1968生理学、医学合成遗传密码M.W.Nirenberg（美）1968生理学、医学发现遗传密码M.Delbruck(美）A.D.Hershey（美）S.E.Luria（美）196919691969生理学、医学生理学、医学生理学、医学基面结构和病毒复制机制E.W.Sutherland（美）1971生理学、医学发现3’,5’-环AMP和激素作用机制R.Dulbecco（意）1975生理学、医学肿瘤病毒和细胞遗传物质之间的相互作用W.Arber（瑞士）1978生理学、医学发现细菌限制性内切酶H.O.Smith（美）1978生理学、医学发现限制性内切酶作用方式的特点D.Nathans（美）1978生理学、医学用限制性内切酶制成肿瘤病毒的基因图谱P.Berg（美）1981化学建立DNA重组技术W.Gilbert（美）1981化学DNA一级结构测定方法F.Sanger(英）1981化学DNA一级结构测定方法A.Klug（英）1982化学建立晶体电子显微技术测定核酸-蛋白质复合体的构造一、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(mythylationofDNA)。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，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