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1、Chapter 3a-生物学基本概念 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第三章第三章生物学的基本概念生物学的基本概念生生物物学学学学科科的的基基本本理理论论和和重重要要概概念念:氨氨基基酸酸，蛋蛋白白质质，核核酸酸，中中心心法法测测，细细胞胞和和生生物物膜膜,维维生生素素与与辅辅酶酶，激激素素，生生物物催催化化剂剂，生物氧化和代谢生物氧化和代谢,糖和糖化学等。糖和糖化学等。氨基酸和蛋白质氨基酸和蛋白质氨基酸和蛋白质氨基酸和蛋白质蛋白质：蛋白质：较复杂的
2、含氮生物有机大分子，是生较复杂的含氮生物有机大分子，是生物体内一切细胞的重要组成部分，是生命的重物体内一切细胞的重要组成部分，是生命的重要物质基础要物质基础 氨基酸：氨基酸：组成蛋白质的基本成分组成蛋白质的基本成分氨基酸氨基酸一、定义一、定义 氨基酸是分子中具有氨基（氨基酸是分子中具有氨基（NH2或或NH）和）和羧基的一类含有复合官能团的化合物。羧基的一类含有复合官能团的化合物。蛋白质在酸、碱或酶的作用下：蛋白质在酸、碱或酶的作用下：蛋白质胨肽氨基酸月示组成蛋白质的氨基酸只有二十余种组成蛋白质的氨基酸只有二十余种各种蛋白质中含氨基酸的种类和数量都各不相同各种蛋白质中含氨基酸的种类和数量都各不相
3、同人体必需的氨基酸人体必需的氨基酸：人体内不能合成，只有靠食人体内不能合成，只有靠食物供物供给的氨基酸给的氨基酸二十种氨基酸中有二十种氨基酸中有八种八种为人体必需氨基酸为人体必需氨基酸 二、氨基酸的分类和命名二、氨基酸的分类和命名（一）、分类（一）、分类：根据氨基酸的酸碱性分类根据氨基酸的酸碱性分类酸酸性性氨氨基基酸酸碱碱性性氨氨基基酸酸中中性性氨氨基基酸酸氨基酸氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸二个羧基二个羧基一个氨基一个氨基天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸碱性氨基酸碱性氨基酸一个羧基一个羧基二个或二个以上氨基二个或二个以上氨基赖氨酸赖氨酸精氨酸精氨酸组氨酸组氨酸中性氨基酸中性氨基酸一个羧基一个羧基一个
4、氨基一个氨基实际水溶液呈弱酸性实际水溶液呈弱酸性：电离能力电离能力 COOH NH220种常见氨基酸的分类和结构种常见氨基酸的分类和结构 根根据据氨氨基基酸酸中中R R基基的的不不同同，2020种种氨氨基基酸酸可可分分为为以下七大类：以下七大类：（1 1）非极性的脂肪基：这类氨基酸包括甘氨）非极性的脂肪基：这类氨基酸包括甘氨酸（酸（GlyGly）,丙氨酸，缬氨酸（丙氨酸，缬氨酸（ValVal）,亮氨酸（亮氨酸（LeuLeu），），异亮氨酸（异亮氨酸（IleIle）.这些基团均为惰性，疏水的。这些基团均为惰性，疏水的。（2 2）含）含-OH-OH基的脂肪族和芳香基族：这类氨基基的脂肪族和芳香基族
5、：这类氨基酸包括丝氨酸（酸包括丝氨酸（SerSer）,苏氨酸（苏氨酸（ThrThr）和酪氨酸（）和酪氨酸（Tyr)Tyr)。它们都含有亲水的它们都含有亲水的-OH-OH基。但随着分子量的增大，亲水基。但随着分子量的增大，亲水性越来越差。性越来越差。（3 3）芳香基族：这类氨基酸包括苯丙氨酸）芳香基族：这类氨基酸包括苯丙氨酸（PhePhe）和色氨酸（）和色氨酸（Trp)Trp)。由于含有苯环分子量较。由于含有苯环分子量较大所以芳香基族的氨基酸大都具有疏水性。大所以芳香基族的氨基酸大都具有疏水性。(4(4）酸性的基族：这类氨基酸大多为亲水的，包酸性的基族：这类氨基酸大多为亲水的，包括门冬氨酸等。括
6、门冬氨酸等。(5 5）碱性的基族：同酸性的氨基酸一样为亲水基，碱性的基族：同酸性的氨基酸一样为亲水基，包括赖氨酸（包括赖氨酸（LysLys），精氨酸（），精氨酸（ArgArg）和组氨酸）和组氨酸（HisHis）.(6 6）含硫的基族：包括亲水的半胱氨酸（）含硫的基族：包括亲水的半胱氨酸（CysCys）和）和疏水的蛋氨酸（疏水的蛋氨酸（MetMet）。）。(7 7）亚氨基族：指亲水的脯氨酸（）亚氨基族：指亲水的脯氨酸（ProPro）。）。(二）、命名：二）、命名：1.系统命名法：氨基作为取代基，羧酸为母体系统命名法：氨基作为取代基，羧酸为母体称为氨基某酸称为氨基某酸习惯上：习惯上：氨基的位置用氨
7、基的位置用、等标示等标示 2.2.俗名：俗名：多按其来源或某些性质而命名多按其来源或某些性质而命名 如如 氨基乙酸氨基乙酸 因其具有甜味而被称命名为因其具有甜味而被称命名为甘氨酸甘氨酸（三）、氨基酸的立体化学（三）、氨基酸的立体化学 由蛋白质水解的氨基酸都为由蛋白质水解的氨基酸都为-氨基酸，除甘氨酸外，氨基酸，除甘氨酸外，所有所有-C-C都为手性碳原子。都为手性碳原子。天然的氨基酸均为天然的氨基酸均为L-氨基酸氨基酸在糖化学中，在糖化学中，D、L构型的参照物为甘油醛：构型的参照物为甘油醛：L-甘油醛甘油醛D-甘油醛甘油醛L-氨基酸氨基酸D-氨基酸氨基酸生物分子手性在蛋白质生物分子手性在蛋白质三
8、、氨基酸的化学性质三、氨基酸的化学性质（一）、氨基酸的两性电离和等电点（一）、氨基酸的两性电离和等电点1.两性电离两性电离氨基酸分子中含有氨基酸分子中含有NH2和和COOH,为简化起见可表示为：为简化起见可表示为：但实际上极少以此形式存在但实际上极少以此形式存在它们发生分子内酸碱反应它们发生分子内酸碱反应：即有下面的平衡式：即有下面的平衡式：从平衡式可知，氨基酸在溶液的荷电从平衡式可知，氨基酸在溶液的荷电状态与溶液的状态与溶液的pH值有关值有关正离子正离子pHpI两性离子两性离子pH=pIH+OHH+OH2.等电点：等电点：将氨基酸水溶液的酸碱度加以适当的调节，使将氨基酸水溶液的酸碱度加以适当
9、的调节，使氨基酸的酸性电离程度与碱性电离程度相等。此氨基酸的酸性电离程度与碱性电离程度相等。此时，氨基酸带有的正电荷数目和负电荷数目相等，时，氨基酸带有的正电荷数目和负电荷数目相等，此溶液的此溶液的pH值称为氨基酸的等电点，用值称为氨基酸的等电点，用pI表示。表示。氨基酸的氨基酸的带电状态和在电场中的状况：带电状态和在电场中的状况：pH=pI净电荷为零净电荷为零在电场中不移动在电场中不移动pH pI带负电荷带负电荷要使氨基酸达到等电状态：要使氨基酸达到等电状态：中性氨基酸：中性氨基酸：pIpH7加少量酸加少量酸酸性氨基酸：酸性氨基酸：pIpH7加碱加碱问题：问题：假设有一混合物，其中含组氨酸、
10、假设有一混合物，其中含组氨酸、谷氨酸和甘氨酸，在谷氨酸和甘氨酸，在pH6.0时进行电泳，问哪时进行电泳，问哪一种氨基酸留在原点附近？哪一种氨基酸向负一种氨基酸留在原点附近？哪一种氨基酸向负极泳动？哪一种氨基酸向正极泳动？极泳动？哪一种氨基酸向正极泳动？（二）、与（二）、与HNO2的反应的反应除脯氨酸外，其它氨基酸都具有除脯氨酸外，其它氨基酸都具有NH2，可与，可与HNO2反应，定量放出氮气反应，定量放出氮气N2。HNO2N2利用此反应可以测定蛋白质分子中的自由利用此反应可以测定蛋白质分子中的自由氨基及其水解氨基酸分子中氨基的含量。氨基及其水解氨基酸分子中氨基的含量。（三）、脱羧反应：（三）、脱
11、羧反应：Ba(OH)2CO2脱羧反应亦可在某些细菌的存在下，由于酶的作脱羧反应亦可在某些细菌的存在下，由于酶的作用发生，如：用发生，如：精氨酸或鸟氨酸精氨酸或鸟氨酸腐胺腐胺 赖氨酸赖氨酸尸胺尸胺（四）、与茚三酮的显色反应（四）、与茚三酮的显色反应水合茚三酮水合茚三酮CO2蓝紫色化合物蓝紫色化合物根据根据CO2的量或蓝紫色的深浅程度的量或蓝紫色的深浅程度作为作为-氨基酸定量分析的依据氨基酸定量分析的依据肽肽一、肽的结构和命名一、肽的结构和命名1.成肽反应：成肽反应：二分子二分子-氨基酸受热氨基酸受热形成二肽分子。把形成二肽分子。把称为肽键。称为肽键。可继续缩合成三肽、四肽，可继续缩合成三肽、四肽
12、，等长肽链等长肽链2.肽的分类肽的分类根据氨基酸组成的数目分类：根据氨基酸组成的数目分类：肽或低聚肽：肽或低聚肽：1010个氨基酸个氨基酸多肽：多肽：1111个氨基酸个氨基酸分子量分子量10000称为称为蛋白质蛋白质。多肽中的氨基酸单位称为多肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基氨基酸残基。3.结构：结构：（1）肽类化合物）肽类化合物链状链状组成蛋白质组成蛋白质环状环状（2）两个末端（链状）两个末端（链状）N-末端：末端：保留有保留有-氨基的末端，称为肽链的氨基的末端，称为肽链的 氨基末端，写在左侧。氨基末端，写在左侧。C-C-末端：末端：保留有保留有-羧基的末端，称为肽链的羧基的末端，称为肽链的 羧
13、基末端，写在右侧。羧基末端，写在右侧。4.氨基酸的命名：氨基酸的命名：以以C-末端的氨基酸残基为母体，称为某氨酸，末端的氨基酸残基为母体，称为某氨酸，其他氨基酸残基从其他氨基酸残基从N-末端开始，依次叫某氨酰，末端开始，依次叫某氨酰，放在母体名称前面：放在母体名称前面：命名为：命名为：丙氨酰甘氨酰丝氨酸丙氨酰甘氨酰丝氨酸亦可标示为：亦可标示为：H丙丙甘甘丝丝OH或：或：HAlaGlySerOHH2NAlaGlySerCOOH二、自然界中的肽类化合物二、自然界中的肽类化合物谷胱甘肽谷胱甘肽：广泛存在于动植物细胞和细菌的三肽：广泛存在于动植物细胞和细菌的三肽谷胱甘肽（还原形式）谷胱甘肽（还原形式）
14、GSH(-谷谷-半胱半胱-甘）甘）2 GSH GSSG2H+2H氧化型：谷胱甘肽（氧化型：谷胱甘肽（GSSG）蛋白质蛋白质一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成1.基本元素及其含量范围：基本元素及其含量范围：CHONS%50-556.0-7.319-2413-190-42.样品中蛋白质含量的测定样品中蛋白质含量的测定一般蛋白质中一般蛋白质中N含量含量16%，由此，可测定，由此，可测定N含含量来推算蛋白质的含量：量来推算蛋白质的含量：样品中蛋白质的含量（样品中蛋白质的含量（g%）=每克样品中含氮克数每克样品中含氮克数6.25100%系数 6.25 ：每克氮相当于 6.25 克蛋白质二、蛋白质的
15、分类二、蛋白质的分类根据化学组成分为：根据化学组成分为：单纯蛋白质单纯蛋白质仅由仅由-氨基酸组成氨基酸组成 结合蛋白质结合蛋白质 单纯蛋白质单纯蛋白质+非蛋白辅基非蛋白辅基如糖蛋白：蛋白如糖蛋白：蛋白+糖辅基糖辅基三、蛋白质的化学键三、蛋白质的化学键蛋白质分子的化学键分为：蛋白质分子的化学键分为：蛋蛋白白质质化化学学键键主主键键副副键键连接氨基酸残基间的肽键连接氨基酸残基间的肽键CONH维护和稳定空间结构的作用维护和稳定空间结构的作用氢键、二硫键、疏水键、氢键、二硫键、疏水键、范德华力、盐键、配位键范德华力、盐键、配位键1.氢键：氢键：存存在在形形式式主链上肽键之间主链上肽键之间主链与侧链之间
16、主链与侧链之间侧链与侧链之间侧链与侧链之间2.二硫键：二硫键：蛋白质分子中两个半胱氨酸分子之间蛋白质分子中两个半胱氨酸分子之间SH氧化而成氧化而成SS。3.疏水键：疏水键：侧链大的非极性基团（即疏水基团）为避开侧链大的非极性基团（即疏水基团）为避开水相而群聚在一起的作用力。水相而群聚在一起的作用力。因此，在水相情况下，蛋白质外部表面多为因此，在水相情况下，蛋白质外部表面多为亲水基团，内部多为疏水基团。亲水基团，内部多为疏水基团。4.范德华力：范德华力：较小的非极性基团或极性基较小的非极性基团或极性基团间的作用力团间的作用力5.盐键：盐键：多肽链间游离的羧基和游离氨基多肽链间游离的羧基和游离氨基
17、之间的相互作用力之间的相互作用力6.配位键：配位键：蛋白质分子内金属原子与多肽蛋白质分子内金属原子与多肽链之间形成的配位键链之间形成的配位键四、蛋白质的性质四、蛋白质的性质（一）（一）两性电离和等电点两性电离和等电点蛋白质分子在链末端和侧链上存在游离的蛋白质分子在链末端和侧链上存在游离的COOH和和NH2。因此存在两性电离：因此存在两性电离：pHpI一般，一般，pI7(-5），），血液血液pH7.35-7.45。因此，蛋白质大都以负离子形式存在。因此，蛋白质大都以负离子形式存在。（二）（二）沉淀与变性沉淀与变性1.蛋白质的沉淀：蛋白质的沉淀：蛋白质是高分子，在水溶液中能稳定，主要是与蛋白质是高
18、分子，在水溶液中能稳定，主要是与下面两种因素有关：下面两种因素有关：稳稳定定因因素素带有电荷带有电荷分子外的分子外的水化膜水化膜去除电荷去除电荷-调调pH=pI去除水化膜去除水化膜-加脱水剂如电解质加脱水剂如电解质沉淀沉淀沉淀沉淀（1）盐析：）盐析：实质是破坏分子的水化膜实质是破坏分子的水化膜原因：强电解质水化作用使蛋白质分子外部原因：强电解质水化作用使蛋白质分子外部水化膜破坏，而使蛋白质不能溶于水。水化膜破坏，而使蛋白质不能溶于水。强电解质：强电解质：（NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl等等不同蛋白质：需要强电解质的量不同不同蛋白质：需要强电解质的量不同,如如清蛋白：清蛋白：3.0-3
19、.5mol.L-1,球蛋白：球蛋白：2.0mol.L-1（2）有机溶剂：有机溶剂：易溶于水，破坏蛋白质分子的易溶于水，破坏蛋白质分子的水化膜水化膜常用的有机溶剂：常用的有机溶剂：甲醇、乙醇、丙酮甲醇、乙醇、丙酮（3）重金属盐：重金属盐：n+Mn+Mn（4）生物碱试剂沉淀：生物碱试剂沉淀：酸性物质在酸性物质在pHpI时发生下列反应时发生下列反应2.蛋白质的变性蛋白质的变性因物理因素或化学因素的作用，使蛋白质的因物理因素或化学因素的作用，使蛋白质的性质改变性质改变变性。变性。变性的原因：变性的原因：破坏了副键（改变空间结构）破坏了副键（改变空间结构）变性的可能结果：变性的可能结果：物理性质改变物理
20、性质改变化学性质改变化学性质改变生物活性改变（失活）生物活性改变（失活）变性的分类：变性的分类：可逆变性可逆变性不可逆变性不可逆变性（三）、蛋白质的颜色反应（三）、蛋白质的颜色反应1.缩二脲反应：缩二脲反应：蛋白质（含蛋白质（含 ）可以和碱性硫酸铜直接反应生成有色物质，多为可以和碱性硫酸铜直接反应生成有色物质，多为紫色。紫色。2.茚三酮反应：茚三酮反应：蛋白质溶液与茚三酮溶液加蛋白质溶液与茚三酮溶液加热煮沸，可以生成蓝紫色物质。热煮沸，可以生成蓝紫色物质。五、重要的结合蛋白质五、重要的结合蛋白质（一）、糖蛋白：（一）、糖蛋白：辅基为糖类化合物的一类结辅基为糖类化合物的一类结合蛋白质。合蛋白质。
21、（二）、血红蛋白（二）、血红蛋白:辅基为辅基为e离子离子蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质独特的生理生化性质主要与其结构有关。蛋白质独特的生理生化性质主要与其结构有关。结结构构一一级级结结构构二二级级结结构构三三级级结结构构四四级级结结构构氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序主链原子的空间排布主链原子的空间排布主、侧链的全部构象主、侧链的全部构象多肽链的缔合结构多肽链的缔合结构酶酶的的一一级级结结构构（或或基基本本结结构构单单位位）:蛋蛋白白质质分分子子中中氨基酸残基之间的排列顺序。氨基酸残基之间的排列顺序。许许多多氨氨基基酸酸的的氨氨基基和和羧羧基基脱脱水水缩缩合合而而形形成成肽肽键键（-CO-NH
22、-CO-NH-）,并并通通过过肽肽键键连连接接而而成成的的一一条条长长链链（肽肽链链）为为酶酶的的一一级级结结构构。酶酶中中所所有有的的肽肽键键结结构构都都是是一一样样的的，只只有有少少数数例例外外，肽肽键键长长度度大大约约为为3.83.8。由由于于N N上上有有孤孤对对电电子子，所所以以C-NC-N键键有有双双键键性性质质，比比正正常常的的C-NC-N键缩短。键缩短。一级结构是蛋白质的基本结构，与蛋白一级结构是蛋白质的基本结构，与蛋白质的功能有密切关系。质的功能有密切关系。活性部位的氨基酸残基的异常，即可导活性部位的氨基酸残基的异常，即可导致蛋白质功能的异常。致蛋白质功能的异常。Forexa
23、mple:镰刀型红细胞贫血：镰刀型红细胞贫血：运氧能力大为减弱，运氧能力大为减弱，过早死亡过早死亡原因原因：正常血红蛋白（正常血红蛋白（Hb-A)的的-链（共有约链（共有约140140个氨基酸残基）上个氨基酸残基）上6 6位的谷氨酸位的谷氨酸(Glu)(Glu)被缬氨酸被缬氨酸(Val)(Val)代替代替:Hb-A:Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Hb-S:Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-6611GluVal酶的二级结构酶的二级结构 酶酶的的二二级级结结构构是是指指多多肽肽键键得得主主连连骨骨架架中中若若干干肽肽单单位位为为了了形形成成氢氢键键而
24、而各各自自沿沿一一定定的的轴轴盘盘旋旋或或折折叠叠形形成成有有一一定定规规则则结结构构的的情情况况。通通常常形形成成两两种种情情况况，一一种种是是螺螺旋旋状状，另另一一种种是是褶褶片片，但但一一般般形形成成前前者者。螺螺旋旋状状是是主主链链骨骨架架中中的的NHNH和和COCO形形成成氢键。这种次级键也正是酶的二级结构稳定的基础。氢键。这种次级键也正是酶的二级结构稳定的基础。酶的三级结构酶的三级结构 三三级级结结构构也也叫叫酶酶分分子子的的结结构构基基元元，称称为为单单体体（monomermonomer）、亚亚基基或或原原聚聚体体，它它是是指指通通过过残残基基集集团团相相互互作作用用，使使多多肽
25、肽链链的的二二级级结结构构在在空空间间进进一一步步卷卷曲曲，折折叠叠并并借借助助于于次次级级间间形形成成稳稳定定的的三三维维结结构构。这这种种三三级级结结构构主主要要是是不不同同的的残残基基通通过过多多种种次次级级键键相相互互作作用用而而形形成成的。的。酶的四级结构酶的四级结构 两两条条或或两两条条以以上上的的具具有有三三级级结结构构的的单单体体堆堆积积而而成成就就形形成成了了酶酶的的四四级级结结构构。单单体体之之间间也也是是通通过过上上述述次次级级键键连连接接在在一一起起的的。与与三三级级结结构构的的区区别别在在于于三三级级结结构构的的次次级级键键是是由由单单体体内内的的残残基基相相互互作作
26、用用形形成成，而而四四级级结构的次级键是由不同单体内的残基相互作用形成的。结构的次级键是由不同单体内的残基相互作用形成的。核酸(DNA/RNA)分子手性在DNA、RNA附图 3.三链DNA核酸的组分 生物分子结构化学生物分子结构化学RNA：磷酸 +核糖 +C A U GDNA：磷酸 +2-脱氧核糖+C A T G在真核Cell中 DNA RNA 核 98%极少 核仁 10%核糖体 线粒体 少 叶绿体 少 少 在原核Cell中 DNA RNA 核区 大部分 细胞质 少 绝大部分 在病毒中 DNARNADNA病毒 100%RNA病毒 100%核酸的化学组分核酸的化学组分 基本化学组分：含氮碱基，戊
27、糖环（或脱氧戊糖环）和磷酸基团 正常生理状态下的细胞里，通常含有2种类型的核酸核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）核酸的化学组分核酸的化学组分 RNA DNA-D-核糖-D-2-脱氧核糖 A G C U A G C T 单链自身回折形成分子内双螺旋 双螺旋或其上的超螺旋形式存在 核酸的化学组分核酸的化学组分戊糖和脱氧戊糖的结构和构象性质戊糖和脱氧戊糖的结构和构象性质 1.1.1.1糖环的折叠形式糖环的折叠形式 核酸中糖环的折叠形式是一个构象问题 构象(conformation)构型(configuration)1969年IUPAC决定统一用构象一词描述生物大分子空间结构糖环的折叠形式一、
28、核酸中戊糖的特点一、核酸中戊糖的特点:五元糖环不呈一个平面五元糖环不呈一个平面;其中的其中的C1-O4-C4三个原子通常在一个平面三个原子通常在一个平面上上;C2和和C3原子偏离平面原子偏离平面0.05nm.由于这种偏离使糖环具有不同的折叠形式由于这种偏离使糖环具有不同的折叠形式构象构象 糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:1 以C5作参照可分成两类：内式（endo）构象和外式（exo）构象C2和C3偏离平面的方向与C5同向，则称为内式构象。C2和C3偏离平面的方向与C5反向，则称为外式构象 糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:2 按照C
29、2和C3偏离平面的情况，可分成两大类信封式（envelope form）和扭转式（twist form）构象 信封式：糖环的C2和C3中只有一个原子偏离平面，而其余4个原子在一个平面上，则称为信封式（简写为E）构象 扭转式：糖环的C2和C32个原子都偏离平面且偏离方向相反，而其余3个原子在一个平面上，则称为扭转式（简写为T）构象 糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:1 信封式命名规定 内式构象中偏离平面的原子编号写在字母E的左上方；外式构象中偏离平面的原子编号则写在字母E的右下方 Ex1.C2-endo（2E），C3-endo（3E），C2-exo（E
30、2），C3-exo（E3）。糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:2 扭转式的规定内式构象中偏离平面的原子编号写在字母T的上方外式构象中偏离平面的原子编号写在T的下方糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:如偏离平面的距离相等，两原子编号都写在T的前面 ex1.23T(C2-endo-C3-exo)32T(C2-exo-C3-endo)如偏离距离不等，偏离大的写在T的前面，偏离小的则写在后面。ex2.3T2(C3-endo-C2-exo)、
31、2T3(C2-exo-C3-endo)糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:另一种表示式：C2-exo-C3-endo称为N式（北式），如3T2、32T、2T3。C2-endo-C3-exo称为S式（南式），如2T3、23T和3T2。糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:考虑居间的扭转模型，引入赝转轮（Pseudorotation cycle）的概念赝转轮的相角
32、由环内糖的扭转角表示，其数学表达式如下：tan=(4+1)-(3+0)/22(sin36+sin72)定义，=O时，扭转角2达到最大正值，即相应于一个对称的C2-exo-C3-endo扭转形式（32T），其镜像C2-endo-C3-exo（32T）用=180来表示。糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠形式的类型和命名糖环折叠形式的类型和命名:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠对核苷酸构象的影响糖环折叠对核苷酸构象的影响:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠对核苷酸构象的影响糖环折叠对核苷酸构象的影响:由图(a)看出，属C3-endo构象，2个磷酸基团位于平面之上，间距0.59nm 图(b)属
33、C2-endo构象，O3上的磷酸基团位于平面之下，间距0.59nm糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠对核苷酸构象的影响糖环折叠对核苷酸构象的影响:糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠对核苷酸构象的影响糖环折叠对核苷酸构象的影响:在O4-exo中,N和C5环外取代基同处轴向,有空间位阻,能量升高(N-C5距离0.29nm)在O4-endo中,方向位于车赤道上,(N-C5距离0.46nm)结果:构象上的差别,导致在反应性上有差别 糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠对核苷酸构象的影响糖环折叠对核苷酸构象的影响:实验和理论研究结果证明糖环总是趋向于折叠 糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠的原因糖
34、环折叠的原因:呋喃环在能量上是不利的，由于扭转角均为0,所以靠近碳原子的取代基完全处于重叠状态,原子间的斥力增大，能量升高，以致构象不稳定.相反系统通过折叠可以降低能量.由于呋喃糖环适应这种构象，即0、4 O，而1、2和3 发 生扭曲，结果导致：当0=O时，产生C3-endo或C3-exo折叠，当4=O时，产生C2-endo或C2-exo折叠由此,可以减少取代基之间的接触，甚至可以通过折叠而避免遮掩的构象糖环的折叠形式糖环的折叠形式糖环折叠的原因糖环折叠的原因:通过折叠而避免遮掩的构象影响呋喃糖折叠的因素影响呋喃糖折叠的因素 有取代基、碱基的修饰作用、溶剂环境、其它大分子和小分子，以及在不同结
35、构层次上的因素等 在细胞环境中多因素的综合作用，在增加多样性的同时，更增加了研究呋喃糖环折叠的复杂性 我们主要讨论取代基、碱基修饰和环境的影响 影响呋喃糖折叠的因素影响呋喃糖折叠的因素 取代基的影响取代基可以通过空间（立体）效应和电子效应产生影响。a.C2和C3取代基会影响到C3-endo(N)C2-endo(S)的平衡。b.大多数电负性取代基选择沿轴的方向取向。依C2-取代基的电负性而呈线性增加 影响呋喃糖折叠的因素影响呋喃糖折叠的因素 碱基的修饰 碱基受到其他某些基团的修饰时，与碱基相连的呋喃糖的折叠也会受到不同程度的影响。a.嘌呤的C8位或嘧啶的C6位被大的基团取代，将会改变syn an
36、ti平衡。b.O2和O3之间或O3和O5之间的成环作用，或者是糖和碱基之间分子内键的生成（例如在O2，2-环化尿核苷的情形），会限制和确定呋喃糖的折叠优势 影响呋喃糖折叠的因素影响呋喃糖折叠的因素 环境的影响 多聚核糖核苷酸和多聚脱氧核糖核苷酸所表现出的糖环构象特征是令人注目的a.邻近基团的取向和距离的影响b.水介质中的影响，因水的活动范围的变化从一种形式转变成另一种形式 碱基的结构碱基的结构 核酸的碱基有两类，即嘌呤和嘧啶碱基，其中嘌呤碱基由2个杂环构成 共同特点:a.不仅是储存和传递信息的必要基础,也是造成突变使物种淘汰和进化、衰老或致病的原因 b.经组合能得到足够多的信息，是形成信息高分
37、子的可能和必要条件 碱基的结构碱基的结构修饰碱基 在DNA和RNA中经检测到的修饰碱基约有70种左右,占总量的万分之几到百分之几修饰碱基对核酸生物功能的影响一直是生物学家注视的问题 对DNA的甲基化修饰的研究已经取得了重要的进展 碱基的结构碱基的结构碱基互变异构体 含氧碱基(G，T,U,C)在一定条件下存在:构型 酮式 醇式 (正常型)互变 (异常型)碱基的结构碱基的结构碱基互变异构体 不含氧的碱基(A),存在:构型 胺型 亚胺型 (正常型)互变 (异常型)碱基互变异构体碱基的结构碱基的结构碱基互变异构体 胞嘧啶碱基除上面的酮式和醇式构型互变外，还存在胺型和亚胺型互变异构体 当互变异构体与蛋白
38、质、酶或受体结合时，优势结构取何种形式及其含量如何，取决于局部环境 碱基的结构碱基的结构1.1.2.3碱基的几何形状 碱基的平面性严格讲，碱基不完全是平面的,环上的原子稍偏离平面0.01nm 碱基的结构碱基的结构碱基的几何形状 氨基一体化共振形式（在A,G和C中）1.在环外,C-NH2 键长（0.134nm）C-N单键长(0.1472nm)，表现出部分双键特性，即介于单键和双键之间。2.在环外,C=O键长（0.1220.124nm）标准的C=O双键 (0.1215nm),更具有双键特性。（参见表1-2）.3.在环内,嘌呤的C2-N3(G:0.1327)嘧啶的N1-C2(U:0.1379)嘌呤的
39、C4-C5(A:0.1382)嘧啶的C5-C6(C:0.1337)4.在嘌呤系列中，C8-N9双键性质弱于N7-C8，是由于键长不同所致 碱基的结构碱基的结构碱基的几何形状 N原子上未取代的环内价角小于N取代的（约68），且取代的价角增大通过相邻N-C-C角的减少来补偿，以维持平面性 C2-N3-C4 N3-C4-C5 C(未取代)120.0 121.8 U（取代）127.0 114.7 碱基的结构碱基的结构碱基的不对称性 核酸是缺乏对称性的生物大分子，其组分之一的碱基，由于碳原子和氮原子诱导的电极化作用，使之呈现立体不对称性。碱基的不对称性可用构成不对称系统的3条相互垂直的轴线表示 碱基的不
40、对称性 XX轴线 是从核苷酸的碱基外侧面到互补核苷酸碱基的内侧。YY轴线 是从氨基（A,C）或羰基（U,T,G）到分子环对面的氮原子。ZZ轴线 垂直于分子平面，并通过X,Y轴线交点 碱基的结构碱基的结构碱基的不对称性 碱基的结构碱基的结构碱基的不对称性 碱基中C、N原子交替排列，N原子的电负性 C原子，在CN共价键中，电子由C N 当核苷酸的最高点存在化学基团时，电极化作用增强，并按C6N1C+2N-3的方向沿原子键传播。由于存在着活泼的电子，在受到外界电场作用时，分子环中就产生电流，结果产生磁性分子 碱基的不对称性 人们规定：最高面是按顺时针方向旋转的嘌呤分子表面（背对观察者）即：C+1N-
41、2C+3N-4 碱基的最低面是按反时针方向旋转C+1N-2C+3N-4的嘌呤分子表面（面对观察者）ZZ轴线方向从最低面到最高面 碱基的不对称性 只有当两个碱基的最高面和最低面分别面对观察者时，它们才能在同一平面互补配对 然而，用其对应的反原子取代得出与自然界不符的结果，即可证明生物大分子是不对称的 碱基的电子结构 对碱基的电子结构的研究，利用量子力学方法对A,G,C,T,U以及修饰碱基作了大量计算，获得了碱基原子的许多信息，如：原子静电荷值，碱基分子轨道能量 这些数据对于处理分子间相互作用，如碱基配对相互作用生物分子的构象能计算与动力学核酸三联体密码与氨基酸关系药物分子设计等等方面起到了一定的
42、作用。当然，在其他方面也显示出某些作用 碱基的配对类型 Waston-Crick型碱基配对 在DNA中，G C，A T 在RNA中，G C，A U Waston-Crick型碱基配对(1)配对形式：DNA中：CG A=TRNA中：CG A=UWaston-Crick型碱基配对(2)碱基对之间的氢键类型:N-HN(nm)N-HO(nm)在GC中 0.295 0.2860.291 在AT中 0.282 0.286氢键的键能:12.56 29.3 KJ/mol,共价键键能但是DNA分子中氢键的数量很多，集合能量很大氢键对DNA分子结构的稳定性起重要作用 Waston-Crick型碱基配对(3)碱基与
43、糖的结合,几何空间构型几乎恒等:Waston-Crick型碱基配对(4)碱 基 对 平 面 上 存 在 一 个 C2拟 对 称（pseudo-C2symmetry）轴，使 得 N9-C1能与N1-C1互换同一个空间构型可适用于ATTAGC 和CG 4种组合 在双螺旋中4种碱基可出现在任一种结构状态中，每一条链都有相同的环境 碱基的配对类型 Hoogsteen型碱基配对:定义:不同于Watson-Crick型的配对，就称为Hoogsteen型配对 Hoogsteen型碱基配对特点:1.形成氢键时接受质子的位点(部位)发生了变化(看图1.34,1.35).2.在GC,AU(W-C)配对中,其中一条
44、氢键N-HN的质子受体是N1.3.在AU(Hoogsteen）中,其中一条氢键N-HN的质子受体是N7.4.以T为例将N3-C6连线定为轴,沿此轴翻转180。则得反Hoogsteen （reversed Hoogsteen）型配对Hoogsteen型碱基配对在三碱基体模型中，从理论上，包含Hoogsteen氢键的碱基配对的可能方式有：Watson-Crick-Hoogsteen Watson-Crick-reversed Hoogsteen revesed Watson-Crick-Hoogsteen revesed Watson-Crick-revesed HoogsteenHoogstee
45、n型碱基配对Hoogsteen型碱基配对Waston-Crick 和 Hoogsteen 碱基对几何左：左：Waston-Crick,Waston-Crick,上：上：Hoogsteen Hoogsteen碱基的错配（misparing或 mismatch）所谓碱基错配,即除了W-C和Hoogsteen以外的能存在的碱基配对(至少包含2个氢键).包括：碱基自配对；反转的W-C；反转的Hoogsteen配对 等碱基的错配（misparing或 mismatch）碱基的错配（misparing或 mismatch）理论上，两两碱基的可能配对方式（以RNA自身回折结构为例）在不考虑反转Watson-
46、Crick型配对反转Hoogsteen型配对和互变异构体参与的配对时，两两碱基间的配对至少可以写出如下矩阵:碱基的配对碱基的错配（misparing或 mismatch）AA AG AC AU GA GG GC GU CA CG CC CU UA UG UU UU|碱基的错配（misparing或 mismatch）由矩阵可见一条对角线为Watson-Crick碱基配对 另一条对角线为碱基的“自缔合”配对 由后一条对角线划分的矩阵其上三角和下三角包含了Watson-Crick意义上的碱基对 由前一条对角线划分的上三角和下三角则不包含这样的碱基对 研究表明在溶液中W-C和H-碱基对结合形式至少有
47、两个氢键并包含所有可能的结合位点 碱基的错配（misparing或 mismatch）碱基的错配（misparing或 mismatch）鸟嘌呤及其衍生物强烈地趋向于缔合 碱基的错配（misparing或 mismatch）碱基的错配（misparing或 mismatch）一些非Watson-Crick型碱基配对在缔合常数和相互作用能的贡献上是比较有利的由于碱基间的“错配”，在增加配对多样性的同时，也增加了因碱基的错配而造成的多聚核苷酸链内和链间相互作用的复杂性伴随着碱基“配对”概念的扩展，可能会对DNA的精确互补和复制的问题研究和认识，RNA折叠结构的理论预测等带来困难 氢键和氢键相互作用
48、碱基间的相互作用可分为平面相互作用和堆积相互作用 在共平面相互作用中涉及到重要的氢键相互作用 碱基的配对氢键相互作用的专一性 氢键是由2个电负性强的原子（在核酸中为N和O）与另一个H所构成的体系，是质子给予体X-H和质子接受体Y之间一种特殊类型的相互作用，是一种在流动的氢原子和电负性很强的杂原子之间起相互作用的键 在生物系统中，氢键键长为0.25nm0.32nm，键角为180125在核酸结构中存在的氢键通常有4种类型 碱基的配对氢键相互作用的专一性 NHN OHO NHO OHN碱基的配对氢键相互作用的专一性 从4种类型的氢键体系本身看不出“专一性”所谓碱基氢键专一相互作用的说法实属含糊 碱基
49、的配对核酸的二级结构与氢键 Watson-Crick的DNA双螺旋模型 在建立或预测核酸（DNARNA）二级结构时，碱基配对的基本出发点仍然是Watson-Crick型氢键意义上的碱基配对 考虑到非Watson-Crick型氢键时，就难以从DNA的一条核苷酸链去确定另一条核苷酸链的碱基组成和序列，尤其难以建立RNA的二级结构 Watson-Crick型碱基配对仍然是碱基间相互作用的一种主要方式，但又不是唯一的 碱基相互作用的力 碱基相互作用的力有互补碱基间非互补碱基间和碱基三联体间的相互作用能 互补碱基共面配对相互作用能的贡献，主要来自静电相互作用。这里所谓的“互补碱基”即Watson-Cri
50、ck碱基配对意义上的配对碱基 非互补碱基间配对的相互作用能的贡献，主要也是来自静电能，其次是色散能，氢键能的贡献往往仅占第三位 碱基的堆积 稳定双螺旋构象的主要因素是碱基配对相互作用和碱基堆积相互作用与Van der Waals相互作用等 作为核酸稳定性尺度之一的实验值是它的熔融温度Tm 堆积能贡献在一定程度上是DNA双螺旋结构稳定性的主要因素之一 碱基的堆积 碱基的堆积 碱基的堆积 碱基的堆积 碱基堆积作用的主要贡献是London色散力。堆积作用的强度与堆积碱基之间环的大小成正比。堆积强度依次为：嘌呤-嘌呤嘌呤-嘧啶嘧啶-嘧啶。而堆积作用不仅与组分有关，而且也受顺序的影响 碱基的堆积 碱基堆