生物大分子的基本结构和性质

第二章　生物大分子的基本结构和性质

小结：一、三类主要的生物大分子：蛋白质、核酸和多糖；它们的化学结构；决定蛋白质、核酸三维结构的非共价相互作用；研究生物大分子的方法以及蛋白质及核酸的分子量测定方法。

二、(1)DNA是由A、T、G、C组成的双链螺旋。天然DNA是Watson-Crick结构B型、右手螺旋，两链距离20、每螺圈10bp、相邻碱基对距离3.4，且以36°旋转。DNA分子量为2×10⁶U/μm。B型DNA有两个槽沟；两条链反向平行，书写为PATCG-3ˊOH或PATPCPG-；不同生物(G+C/allbases)碱基组成不同；DNA分子很细很长，很易断裂。

(2)决定DNA的结构因素：氢键；疏水作用；碱基堆积及离子强度。DNA在加热时可以变性，A₂₆₀光吸收值增加，一般全部变性后增加37%(增色效应)，当DNA加热变性过程中，达到A₂₆₀最大光吸收值一半时的温度为该DNA的变性温度(Tm)，当变性DNA降温时A₂₆₀光吸收值减少，称减色效应。变性DNA要保持单链状态必须：低盐、＜0.01mol/ LNaCl或加变性剂(尿素、甲酰胺)。DNA可被碱变性，也可被单链结合蛋白(32Protein)变性，32Protein两个特点使DNA变性，①与单链紧密结合②协同作用。

(3)DNA复性动力学是对真核DNA顺序特点研究的一个早期手段。复性的两个必要条件：高盐：0.15～0.5mol/LNaCl和一定高的温度：比其Tm值低，20～25℃。复性的速度与DNA的浓度、DNA的复杂程度、DNA片段的大小、温度和离子强度有关。Cotl/2的大小代表了基因组的大小和复杂程度。分子杂交的原理与DNA复性的原理相同，只不过是分子来源不同，溶液杂交、滤膜杂交：Southermblot、Northernbolt、Westernbolt和insituhybridization，在分子生物学中应用很广。

(4)环状DNA可是共价闭合环状DNA分子(CC)，切口环状和超螺旋分子，超螺旋有两种：正超螺旋和负超螺旋，正超螺旋扭曲缠绕方向与右手螺旋方向相同使螺旋更紧，有紧旋效应，负超螺旋形成时，方向与双螺旋相反，使螺旋松弛，有松旋效应，天然条件下的DNA均采取负超螺旋形式。

环状DNA分子存在单链泡泡区(A、T丰富区)(breathing)。在pH=13的碱性条件下沉降，单链线状DNA的S值比其天然双链线状大30%，超螺旋DNA(CCC)是天然DNA的3倍。在含溴化乙锭的氯化铯中平衡离心，由于CCCDNA插入EB最少，所以其沉降速度最大，用此方法可以纯化CCCDNA。

(5)Z-DNA-左手螺旋DNA，存在的两个条件：(1)高盐2mol/LNaCl或0.7MgCl₂。(2)嘌呤-嘧啶交替出现。Z-DNA核糖-磷酸骨架是Z字形且只有一个槽沟，每螺圈12bp。

(6)RNA有许多种，担负不同功能，原核和真核的RNA稍有不同，RNA分成熟RNA、前体RNA、病毒RNA(可以作遗传物质)。

核酸在pH＜1的环境中DNA、RNA均水解，pH=4时，DNA会水解。

碱：pH大于13时RNA水解，DNA稳定。

酶水解：外切酶、内切酶

三、(1)组成蛋白质的氨基酸顺序决定该蛋白质的三维结构。组成蛋白质的每个氨基酸平均分子量为110U。多肽链中的非共价相互作用形成的结构为二级结构，多肽链α碳-肽键骨架折叠为三级结构，多肽链可形成不同的结构域(domain)。

(2)通过多肽链中非共价作用形成的5～10的特殊表面称为蛋白质的结合位点，对于一个酶来说就是酶的活性中心或活性位点。

(3)许多蛋白质是多亚基蛋白。多亚基蛋白的优点是：节约编码容量；便于活性调节；减少蛋白质合成过程中随机出现的错误对蛋白质活性的影响。

(4)多亚基蛋白通过变构可调节亚基对催化亚基的调节；激活因子或抑制因子对酶活性的调节，调节机理均是通过和蛋白质结合位点的接合或接触而改变其构型从而调节其活性。

(5)蛋白质的磷酸化和去磷酸化导致蛋白质变构从而调节其活性是真核细胞中的一个普遍现象，真核细胞中存在许多蛋白质激活酶和磷酸酯酶。cdk蛋白与cyclin结合后启动cdk的磷酸化，磷酸化的cdk有活性，担负细胞周期中的重要功能，这一类是蛋白质直接磷酸化或去磷酸化，即将磷直接加到蛋白质上。另一类是间接的，如GTP-结合蛋白，motor蛋白(EF-TU也是一种motorP)，它们是通过结合GTP或是结合GDP而改变构型使蛋白质处于活性状态或非活性状态。

(6)当一个配体结合到变构蛋白表面时引起它们的形状可逆地变化，如反馈抑制中，一些小分子结合激活酶活性(底物)，而另一些小分子结合后抑制酶活性(终产物)。

(7)水解ATP的蛋白质在细胞中可做机械功；可起离子泵作用并要利用离子梯度所存能量合成ATP；蛋白质中的偶联变构可行使马达、时钟、装配因子和传感器功能的作用，如DNA的复制、RNA、蛋白质的合成等均有10种以上蛋白质催化，这些过程中均是通过ATP或GTP的水解按次序驱使各种蛋白质改变构型，使全部蛋白质协调移动。

(8)DNA-结合蛋白有以下几种主要的结构花式(或结构域)：锌指结构、HTH、HLH、亮氨酸拉链，均以α螺旋和β折叠深入到DNA的大沟中与DNA相互作用。

四、(1)生物细胞内普遍存在不同生物大分子的相互作用，例如染色体、病毒粒子、骨胳、生物膜等都是不同的生物大分子。核酸、蛋白质之间以及蛋白质、脂类之间相互作用组成聚集物。胶原蛋白是组成腱、软骨等的成分，它的氨基酸组成独特，1/3为Gly，且是Glypro-hydroxypro反复出现，许多赖氨酸也羟基化了。天然状态不存在单链胶原蛋白，只存在三链螺旋原胶原及装配体、原胶原单位以1/4错位排列形成纤维，不易被打断。

(2)原核、真核染色体均以DNA与蛋白质相互作用、形成复杂的结构，原核DNA与scaffold蛋白相互作用，使环状DNA分子形成许多超螺而被压缩。真核染色体DNA均和组蛋白、非组蛋白及RNA相互作用，装配成核小体以后再行多次螺旋缠绕，最后形成染色体，被压缩6000～8000倍，用化学方法将染色体中的DNA和组蛋白除去，染色体的形状依然存在，这是由scaffold非组蛋白及RNA组成的骨架。

(3)几乎所有的DNA-bindingProtein都识别DNA上的特别的碱基顺序而与之结合，这些蛋白主要有多聚酶、调控蛋白和限制性核酸内切酶。λ噬菌体Cro蛋白是一调控蛋白，由66个氨基酸组成，易形成二聚体，它识别λDNAH上17bp迴纹对称序列。用三种方法研究了Cro与DNA之间的相互作用，发现这种调控蛋白的二聚体也是对称结构与其识别的碱基相对应，两个对称的α-螺旋深入两个大沟与DNA的碱基及磷作用而结合上去。

(4)生物膜：由蛋白质与脂质组成，内膜、外膜各有其结构特征，并担负各种功能，双脂层结构。fluidmosaicmodel说明了生物膜的状态，生物膜包括蛋白质和脂质两类运动状态，影响膜流动的有多种因素。细菌和植物除膜外还有细胞壁。

(5)在生物大分子相互作用中，TMV是自我装配的一个例子，装配过程是蛋白质亚基先形成一个双盘结构(20S)，之后病毒RNA的特别区段与之结合，进而逐个亚基被装配直到将病毒全部装配完毕。