生物大分子的结构和功能

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1、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

2、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

3、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

4、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，

5、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

6、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）19

7、59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

8、码M.Delbruck(美）A.D.H