第八章生命中的超分子化学与生物模拟.ppt

1 8.1 引言 1、自然界经过长时间的进化发展出了丰富的物种。这些物种中存在着高度专一的、具有选择性和协同性的化学体系，它们有些是不可思议的复杂，有些又是绝妙的简单。 2、它们能使生命体系存在于这个世界，并且可以进食、呼吸、繁殖和对外界刺激有所响应。 3、在生物化学中，超分子的主体是酶、基因、免疫系统的抗体和离子载体的接受位点。客体是底物、抑制剂、辅助药物或者抗原。所有这些物质表现出超分子化学的性质，这些性质绝大部分依赖于超分子相互作用，例如配位（离子-偶极）键，氢键以及范德华力等。因此，生物体系是一个很好的超分子体系。 4、在超分子科学的研究中，向自然界中的生物学习一直是该领域中一个非常重要的方向。 功能模拟：模拟诸如酶催化的有机化学反应，或者金属阳离子和底物分子如O2的传输等生物过程。 结构模拟：如模拟荷叶、稻叶、蝉的翅膀以及水黾的腿等。 RNA（RiboNucleic Acid ） （Watson-Crick）碱基对氢键作用 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞核嘧啶 没有别的结合方式存在 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞核嘧啶 由至少几十个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸,因含核糖而得名,简称RNA。RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内。RNA和蛋白质生物合成有密切的关系。 RNA由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A腺嘌呤，G鸟嘌呤，C胞嘧啶，U尿嘧啶。其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T胸腺嘧啶而成为RNA的特征碱基。在生物体内发现主要有三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。它们是信使RNA（messengerRNA，mRNA）、转运RNA（tranfer RNA，tRNA）、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）。 尿嘧啶 RNA主要是由AMP、GMP、CMP和UMP四种核糖核苷酸通过3‘，5’磷酸二酯键相连而成的多聚核苷酸链。天然RNA的二级结构，一般并不像DNA那样都是双螺旋结构，而是单链线性分子。只有在许多区段可发生自身回折，使部分A-U、G-C碱基配对，从而形成短的不规则的螺旋区。不配对的碱基区膨出形成环，被排斥在双螺旋之外。RNA中双螺旋结构的稳定因素，也主要是碱基的堆砌力，其次才是氢键。 生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而在真核细胞中，DNA主要贮存于细胞核中的染色体上，而蛋白质的合成场所存在于细胞质中的核糖体上，因此需要有一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。现已证明，这种中介物质是一种特殊的RNA。这种RNA起着传递遗传信息的作用，因而称为信使RNA(messengerRNA，mRNA)。生物体内的RNA一般都是以DNA为模板合成的。 RNA的结构 DNA转录mRNA过程示意图 DNA用作转录mRNA的模板过程示意图 DNA的双螺旋结构代表一种休眠状态。当遗传信息被读出，这种双螺旋结构就会解旋，然后集合成包含遗传密码副本的RNA的补足分子。接着RNA根据密码的“文字”序列通过键合氨基酸来组装编码的蛋白质。当氨基酸聚合以及蛋白质通过二级和三级相互作用聚集时，这个氨基酸序列决定了蛋白质的结构和功能。 DNA用于指导生物体中具有生物功能的蛋白质的合成 图8.17 信使RNA把遗传密码从DNA转换到核糖体来合成蛋白质 DNA在细胞核内通过解旋酶解旋，边解旋边遵守碱基互补配对原则进行复制成为RNA（mRNA）然后mRNA从核孔出细胞，在核糖体上翻译，形成蛋白质 转录而成的单链 1993年的诺贝尔化学奖由加拿大不列颠哥伦比亚大学的Michael Smith和美国加利福尼亚La Jolla的Kary B. Mullis共同分享，他们发展了定点突变和聚合酶链式反应（PCR）这样两个调整DNA的方法。定点突变可以使在DNA内部完成的编码重新编制来产生具有多种新性质的蛋白质。它广泛地应用在特定的抗体进攻特殊位点的蛋白质工程中（例如攻击肿瘤细胞），为技术应用制作更加稳定的蛋白质，以及遗传疾病的治疗（例如膀胱纤维化）。这个方法已经应用在谷物的基因工程来生产出快速生长的和抗病的品系。 （b）定点突变 定点突变过程包括制备具有所期望的变异的寡核苷酸片段，变异采取遗传密码符号的一种替代形式。例如：把CAC替换成GCA，导致组氨酸被天冬氨酸取代。这种变异的寡核苷酸被引入病毒DNA片段，结合在与没有变异的类似物相同的位置，这是因为螺旋链相互间的互补性能够容忍小量的碱基对不匹配。然后，变异的核苷酸就通过DNA聚合酶，形成磷酸