第二章生物大分子結構和功能前言一、在我們居住的地球，有大約1000萬種生物。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50000種以上的蛋白質，同時含有數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量的核酸。

即使極為簡單的大腸桿菌（其體積約為2×10-12cm3)，也含有3000多種蛋白質，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，形態萬千的生物體系中，人們必須尋求生命狀態的基本邏輯原理，這就是：（一）生物大分子雖然具有復雜的結構，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.蛋白質由20余種氨基酸聚合而成；

4.多糖由少數幾種單糖聚合而成。（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而保持的。（四）每種生物大分子在細胞中有特定的功能。

以上這些正是生物化學、分子生物學、分子遺傳學所要研究的基本問題所遵循的邏輯。四、生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)是指生物體內由分子量較低的基本結構單位首尾相連形成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質和多糖。基本結構單位的排列順序構成生物大分子的一級結構，生物大分子在其一級結構的基礎上形成復雜的空間結構。自然界典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之間。五、基因組研究、基因表達調控研究、結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4大前沿領域。

生物功能由結構所決定。生物大分子在表現其生理功能過程中，必須具備特定的空間立體結構（即三維結構）。現已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各種體現功能結構域，結構域本身特點和形態及它們所處的空間大分子的空間結構形態都直接影響DNA，基因或RNA的功能發揮。

在蛋白質水平由于它們是直接體現生物理功能的物質，其空間結構對其功能影響更為直接。因此，蛋白質的空間結構與功能的關系研究是結構分子生物學研究的主體。六、研究生物大分子結構的新技術、新方法和新儀器不斷改進和涌現，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：清晰度的結構圖象，了解生物過程中蛋白質構象的動態變化，以及對生物大分子結構進行貯存，比較和結構——功能預測成為可能。七、生物大分子空間結構的闡明對某些相關疾病發生機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，具有實際應用的指導意義。它可以把基礎研究與應用、開發結合起來。第一節核酸

核酸（nucleicacid)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（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一類為核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。

DNA存在細胞核和線粒體內，攜帶和傳遞遺傳信息，決定細胞和個體的基因型（genetype)。

RNA存在于細胞質和細胞核內，參入細胞內DNA遺傳信息的表達。

病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。為了說明三十年來核酸研究的大體進展過程和科學界對核酸研究成果的重視程度，現在把近三十年來因從事這方面的研究而獲得諾貝爾獎金的科學家列表如下：科學家年份種類成果A.R.Tood(英）1957化學確定核苷酸結構，合成二核苷酸等G.W.Beadle（美）E.L.Tatum（美）19581958生理學、醫學生理學、醫學化學試劑對基因的控制和影響J.Lederberg（美）1958生理學、醫學提出新的遺傳論點S.Ochoa（美）1959生理學、醫學酶促合成核糖多核苷酸A.Kornberg（美）1959生理學、醫學酸促合成DNAJ.D.Watson（美）1962生理學、醫學DNA的雙螺旋結構F.H.C.Crick（英）1962生理學、醫學M.H.F.Wilkins（英）1962生理學、醫學DNA的X射線衍射研究F.Jacob（法）A.M.Lwoff（法）J.L.Monod（法）196519651965生理學、醫學生理學、醫學生理學、醫學基因對酶和病毒合成的控制R.W.Holley（美）1968生理學、醫學酵母tRNAAla一級結構測定H.G.Khorana（美）1968生理學、醫學合成遺傳密碼M.W.Nirenberg（美）1968生理學、醫學發現遺傳密碼M.Delbruck(美）A.D.Hershey（美）S.E.Luria（美）196919691969生理學、醫學生理學、醫學生理學、醫學基面結構和病毒復制機制E.W.Sutherland（美）1971生理學、醫學發現3’,5’-環AMP和激素作用機制R.Dulbecco（意）1975

生理學、醫學腫瘤病毒和細胞遺傳物質之間的相互作用W.Arber（瑞士）1978生理學、醫學發現細菌限制性內切酶H.O.Smith（美）1978生理學、醫學發現限制性內切酶作用方式的特點D.Nathans（美）1978生理學、醫學用限制性內切酶制成腫瘤病毒的基因圖譜P.Berg（美）1981化學建立DNA重組技術W.Gilbert（美）1981化學DNA一級結構測定方法F.Sanger(英）1981化學DNA一級結構測定方法A.Klug（英）1982

化學建立晶體電子顯微技術測定核酸-蛋白質復合體的構造一、DNA的結構與功能（一）DNA的一級結構與功能

1.DNA一級結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。

DNA的一級結構就是指核苷酸在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分子一級結構的測定，是現代分子生物學一項重要技術。序列分析的目的有二：1）確證性測序通過測序對突變進行定位和鑒定，應用時測定野生型基因上同源區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）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）。測序在生物醫學領域應用2個方面：

1）對已知基因序列檢查特別是有遺傳傾向的病例，檢測相關基因有無突變，有助于闡明疾病發病機理及建立相應診療方案。

2）對已經克隆的未知基因序列進行測定從而闡明該基因的一級結構，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。（與蛋白質比觸覺不靈）。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3、DNA的甲基化

DNA的一級結構中，有一些堿基可以通過加上一個甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化(mythylationofDNA)。1）原核生物（細菌）有限制一修飾系統（見第三章）①對自身DNA產生保護作用。②抵御外源DNA（噬菌體）的入侵。2）真核生物中的DNA甲基化在基因表達調控中有重要作用（見第六章）3）核磁共振對DNA甲基化影響（二）DNA的二級結構1.雙螺旋的基本特征

1）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，堿基處于螺旋的內部，由于糖和磷酸根的化學性質，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。

2）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地安置在雙螺旋內。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。·

這兩種堿基對（A/T,G/C）有一個重要的特征，就是它們具有二次旋轉對稱性，即一對堿基對旋轉180O,并不影響雙螺旋的對稱性，

因此雙螺旋結構只限定了配對的方式，并不限定堿基的順序。堿基環是一個共軛環，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間隔3.4A,每十對堿基組成一節螺旋，因此雙螺旋的螺距是34A。一條鏈中每個相鄰的堿基方向相差36Ｏ.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氫鍵一起穩定了雙螺旋結構。··3）大溝和小溝

沿螺旋軸方向觀察，配對的堿基并不充滿雙螺旋的空間。由于堿基對的方向性，使得堿基對占據的空間是不對稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個凹下去的槽，一個槽大些，一個槽小些分別稱為大溝和小溝。雙螺旋表面的溝對DNA和蛋白質的相互識別是很重要的，因為在溝內才能覺察到堿基的順序，而在雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復結構，沒有信息可言。（蛋白質核酸，核酸核酸、鋅指結構，見第六章）2.三股螺旋DNA（tsDNA）

tsDNA是在DNA雙螺旋結構基堿上形成的。三條鏈均為同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的堿基均為嘌呤或嘧啶，其中兩條鏈為正常雙螺旋，第三條鏈位于雙螺旋的大溝中。根據三鏈的組成和相對位置分為兩種基本類型：（1）Pu（代表嘌呤鏈）—Pu—Py（代表嘧啶鏈）型，在堿性介質中穩定；（2）Py—Pu—Py型，較多見，在偏酸性PH中穩定。

雙螺旋通過Watson—Crick氫鍵穩定，而三股螺旋通過Hoogsteen氫鍵穩定。三鏈中堿基配對符合Hoogsteen模型，第三堿基在Py—Pu—Py型中為T=A=T，C+=G三C（第三位點的“C”必須質子化）配對；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配對。

兩種類型tsDNA有4種同分異構體。當DNA雙鏈中含有H—回文序列時，即某區段DNA兩條鏈分別為HPu和HPy，并且各自為回文結構時，任一條回文結構的5’和3’部分都可以形成分了子內三股螺旋結構及剩余的半條回文結構游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可形成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于：

調控區DNA復制起點或終點染色體重組位點，提示它們可能與基因表達調控DNA復制及染色體的重組有關。（三）DNA的三級結構

DNA的三級結構指雙螺旋鏈的扭曲。趨螺旋是DNA三級結構的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結構。超螺旋的生物學意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。（2.2×1011公里,2.2×109公里,100倍）2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質、核酸)之間的相互作用。（四）DNA作為遺傳物質的主要優點

1.信息量大*，可以縮微；

2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結構說明了精確復制機理；

3.核糖的2’脫氧，在水溶液中穩定性好；

4.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）；

5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除）。

然而，如果DNA是最初的遺傳物質，那么由于DNA復制需要酶，而酶是蛋白質，蛋白質又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發現RNA擬酶，這個問題才得到解決。RNA作為遺傳物質

RNA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。在這個基礎上，一個RNA世界到RNA蛋白質世界，由RNA蛋白質世界到DNA世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質的設想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。

蛋白質因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質，早已成為定論。*一個1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)·二.RNA的結構與功能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。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸——RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學功能。（一）mRNAmRNA占細胞RNA總量的1%～5%，分子量范圍幾百～2萬個核苷酸，變化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的結構不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區多順反子（幾個功能相關蛋白質）單順反子*（1種蛋白質）2.5‘端帽子結構無帽子結構，（有SD序列，RBS位于AUG上游8～13核苷酸處，與翻譯起始有關）。有帽子結構（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，20～200核苷酸4.5’.3’端mRNA非偏碼區有有

由間隔區轉錄得到非編碼區廣泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA轉錄后加工,戴帽安尾。

*順反子（cistron）一段可供偏碼的結構基因,是能夠編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決定。由結構基因轉錄生成的RNA序列亦稱為順反子。單順反子（monocistron）真核的結構基因（及mRNA）是單順反子，一個蛋白基因為一個轉錄單位。多順反子（polycistron）原核的結構基因（mRNA）是多順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉錄單位。*帽子結構中的核苷酸大多數為7甲基鳥苷（m7G）.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的結構可見3種類型： 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）tRNAtRNA的結構相當保守，各種物種的tRNA均含有73～93個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級結構和L狀的三級結構。一端是CCA結合氨基酸部位，另一端為反密碼子環。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質的氨基酸語言（AARS），是蛋白質翻譯的譯員。（三）rRNArRNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，后者是蛋白質合成的場所。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16S(有mRNA識別結合位點)18S(有mRNA識別結合位點)21種33種大亞基rRNA23S、5S（識別、結合tRNA）28S、5S、5.8S(識別、結合tRNA)蛋白質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mRNA要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。

核糖體蛋白如何識別rRNA上的結合位點，如何和rRNA結合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，怎樣互相聯結，組裝成為功能性的核糖體，尚在研究之中。目前只知道彼此所處的相對位置，聯結的細節不明。（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme,P15）1.1981年，Cech等人研究四膜蟲（能自我拼接rRNA）時發現核酶。2.分類（1）異體催化的剪切型（如RNaseP一種核酸內切酶）。（2）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。（3）內含子的自我剪切型（如四膜蟲大核26SrRNA前體）。3.生理功用絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反應機理RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個表面，讓參加反應的基因靠近并形成固定不變的空間關系，蛋白質以其側鏈基因的多樣性構成現代生物細胞中絕大部分的酶。然而，RNA分子能夠以其分子的空間構型產生鍵的斷裂和生成所必須的環境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之間的堿基配對可能是產生這種環境的主要因素。5.現實意義——老兵新傳（生化第十二章，P268）（1）對研究生命起源和進化有意義先有DNA還是還先有RNA？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀80年代已“定論”，很可能在原始生命中，RNA催化的斷裂——連接反應是最早出現的催化的過程。（2）對傳統酶學提出挑戰蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學本質是蛋白質（側鏈基團多樣性，核酸無側鏈）。（3）抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的應用前景。(五).試述反義核酸用于基因治療的基本原理（20’）。1.概念反義核酸也稱反義基因，即能通過互補堿基與DNA或mRNA互補的核酸分子。2.基本原理

基因表達是基因產生功能的過程，這一過程主要涉及到DNA的復制、轉錄和翻譯，該過程任一環節受阻都會影響到基因功能的產生，基于這一基本原理，開展了反義核酸（基因）療法的基本的研究。

目前反義核酸療法多應用于