Materials Chemistry II第八章 生命中的超分子化学与生物模拟Materials Chemistry II8.1 引言引言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，生物体系是生物体系是一个很好的超分子体系。一个很好的超分子体系。Materials Chemistry II4、在超分子科学的研究中，、在超分子科学的研究中，向自然界中的生物学习向自然界中的生物学习一直是一直是该领域中一个非常重要的方向该领域中一个非常重要的方向。 功能模拟：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：结构模拟：如模拟荷叶、稻叶、蝉的翅膀以及水黾的腿等。 人们目前所进行的分子和超分子化学与它们的生物化学相似体相比无论是在广度、深度还是功能性等方面都还有很大的差距。正是由于这种差距的存在，才使得我们有了更大的动力和决心去向自然界学习并探索更复杂的非生物相似体，来模拟它们的结构和功能，从而真正发展出可以产生变化或者拥有自然界不存在的性质的合成体系。Materials Chemistry II8.2 生命中的超分子化学生命中的超分子化学8.2.1 生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子（a）膜电位 能量对于生命体系非常重要。植物从太阳中获取能量（光合作用）；动物和人类从食物中获取能量并把它们氧化成CO2和水。呼吸过程需要能量，从食物中获得的能量通过呼吸被转换，并且以三磷酸腺苷（ATP）化学键能的形式储存起来。严格地说，ATP是4价的，被碱金属或碱金属离子中和。ATP能够长时间地储存能量，它还可以被传输到身体上需要能量的任何地方进行耗能反应，例如肌肉收缩。经过一类ATPase的酶的作用，能量从ATP中释放出来，其中Na+/K+-ATP酶可能是最重要一个例子。1mol的ATP可以释放35KJ的能量，其能量释放过程如图8.1所示。值得注意的是，尽管ATP分子复杂，但是当反应发生时，只有尾部的三磷酸根发生变化。端基磷酸酯键P-O断裂，生成了磷酸二氢根和二磷酸腺苷（ADP）。Materials Chemistry II8.2 生命中的超分子化学生命中的超分子化学8.2.1 生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子（a）膜电位）膜电位人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关H2PO4 - +Mg2+G0=-35KJ/mol图8.1 ATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用ATPADPMaterials Chemistry II（a）细胞内外碱金属离子）细胞内外碱金属离子 梯度及其产生电流的机理梯度及其产生电流的机理 Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，作为消耗ATP过程的一部分，Na+/K+-ATP酶将碱金属离子Na+ 和K+从细胞的一侧传输到另一侧。它非常有效地将Na+ 从细胞内提取出来，传输到细胞外，这与优势浓度梯度相反；同时，K+被传输到细胞内。因此，细胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。 细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差（图8.2）。其过程是在Na+/K+-ATPase产生的浓度梯度下，开通一个离子通道引起K+离子被动流出和Na+离子流入，导致电神经脉冲的产生和膜电位的改变。在神经细胞末端（轴突出端），电信号通过引发荷尔蒙如乙酰胆碱的喷出而转化成化学信号。荷尔蒙接着引发配体控制阀门在下一个神经轴突的打开，允许K+和Na+被动跨越下一个膜，再次以电子流形式开始神经脉冲。Materials Chemistry II图8.2 神经系统的信号转换模型 细胞膜两侧的实际电荷分离数量是非常小的（膜两边的M+的数目是相等的）。原则上，我们可以分离膜两侧的Na+和Cl-得到电位差，但是要分离电荷相反的离子需要大得多的能量，因为它们之间存在很大的静电作用力。事实上，由于碱金属离子的不同特征，它们产生的化学电位足以产生所需的信号。神经系统的信号转换模型Materials Chemistry II8.2.1 生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子（a）膜电位）膜电位图8.3 泵存储模型 这种离子分布可以作为信息传递的一种方式，因为它是一个相对不稳定状态，所以就需要能量来弥补自发的熵的减小，这可以用“泵存储模型”来解释。如（图8.3）所示，金属离子逆着浓度梯度被Na+/K+-ATPase从低浓度区泵到高浓度区（能量消耗过程），直到达到稳定的不平衡状态。在适当的荷尔蒙作用下，选择性门通道打开，允许离子正向流回平衡态（快过程），产生电流。碱金属新陈代谢紊乱带来的严重后果进一步证明了精确控制离子浓度梯度的重要性。 Materials Chemistry II图8.4 磷脂生物膜（宽5 6nm）的简图（b）膜传输）膜传输（碱金属离子如何通过细胞膜进行传输）（碱金属离子如何通过细胞膜进行传输） 细胞是两亲性分子，包括亲水的磷酸盐头部和一个长长的脂肪链尾巴。在体内的水性环境中，亲水的头部伸向周围的介质（氢键，偶极相互作用），而有机尾部却被排斥指向内部 (任何物质想要穿透细胞膜就必须穿越这种脂溶性区域 )Materials Chemistry II图8.5离子传输跨越生物膜的机制：（a）载体，（b）通道，（c）门通道 钠离子和钾离子是完全亲水的，因此它们不能有效扩散至透过细胞膜，对于这种沿着浓度梯度传递的阳离子，有两种可行的传输方式：由一些亲脂性的载体传输，或者通过细胞膜内的亲水性通道传输（图2.4）。离子通过细胞膜的传输机制Materials Chemistry II载体传输载体传输-缬氨霉素：生命中重要的离子载体缬氨霉素：生命中重要的离子载体 图8.6缬氨霉素的化学结构式 通过载体机制的离子传输要求载体配体不但能够选择性地络合金属离子，而且使它能够避开膜的亲脂区域，这种离子运载体就叫做离子载体。 （由L-缬酸氨，D-羟基异戊酸（D-hydroxyisovaleric acid）， D-缬氨酸，L-乳酸）四种氨基酸残基重复三次组成的一种环状缩氨酸 Materials Chemistry II图8.7缬氨霉素K+络合物的立体结构 缬氨霉素对缬氨霉素对K K+ +有选有选择性是因为它们能够自择性是因为它们能够自己折叠产生一个刚性的己折叠产生一个刚性的近似八面体的羧基氧原近似八面体的羧基氧原子序列（如图子序列（如图8.78.7），），作为受体恰好和作为受体恰好和K K+ +大小大小相配。相配。. .疏水的碳基氧疏水的碳基氧原子和中心原子和中心K K+ +相互作用，相互作用，引起亲脂的异丙基指向引起亲脂的异丙基指向外侧，形成一个主要由外侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。剩下烷烃构成的外壳。剩下的酰胺基就像拉链一样，的酰胺基就像拉链一样，利用分子内氢键将壳关利用分子内氢键将壳关闭，确保闭，确保K K+ +通过细胞膜通过细胞膜时，封闭在亲脂的壳内。时，封闭在亲脂的壳内。缬氨霉素结构及载体机制Materials Chemistry II8.2.2 植物光合作用中的超分子特征植物光合作用中的超分子特征（a）四吡咯大环）四吡咯大环（螯合和大环效应；尺寸选择性）（螯合和大环效应；尺寸选择性）图8.8 生物四吡咯大环化合物，（a）咕啉，（b）血红素，（c）辅酶F450常见的有：叶绿素、钴胺素（包括部分咕啉环体系）；血红素；卟啉镍（辅酶F450）四吡咯镁络合物在光合作用过程中起着非常重要的作用四吡咯镁络合物在光合作用过程中起着非常重要的作用Materials Chemistry II四吡咯大环化合物的特征四吡咯大环化合物的特征基本的平面（近似平面）环状结构非常稳定。四吡咯化合物可以络合非常不稳定的金属离子；络合物只有金属配 位键同时断裂时才解络。大环配体通常具有很高的选择性，根据金属离子的离子半径，优先 络合那些与孔径大小匹配的离子。在这方面，四吡咯化合物因其共 轭的双键连成的框架具有刚性而对离子具有特别的选择性。大多数四吡咯化合物具有一个共轭的-体系。大环包括4个等同原子在一个平面上，在一个八面体金属中心剩下两 个位点可以络合底物和一个规则的配体。四吡咯化合物可以变形产生一个非平面的结构来络合大体积的金属 离子如高自旋Fe（II）。这种高自旋状态的可逆稳定性在血红蛋白 的行为中至关重要。相反，一个平面结构的四吡咯体系导致一个高 配位场裂分，因而形成低自旋络合物。Materials Chemistry II（b）四吡咯镁络合物的作用）四吡咯镁络合物的作用 1、太阳能是一种非常“稀薄”但却干净易得的能源，利用太阳能上行（耗能）催化CO2和水产生有机物质的过程称作光合作用。2、绿色植物与一些种类的细菌和海藻可以进行光合作用，尽管相对低效的辐射能量利用（1%），但全球的转换量是巨大的。 3、地球表面的可见光范围是380750nm，但是波长更长的可达1000nm的光也有重要的贡献在光合作用中，有效转换这个能量范围的光需要大量不同的色素（光接受体或载色体），每种色素敏感于光谱某一特定部位。这些色素包括叶绿素a和细菌叶绿素a 4、除了叶绿素a和细菌叶绿素a ，还有很多相关的受体，这些受体都是四吡咯大环化合物（络合和没有络合金属阳离子客体的都有）。色素被固定在高度折叠的进行光合作用的膜上，它具有大的表面积，而且高度交叉的区域有利于光子的捕获。Materials Chemistry II图8.9（a）叶绿素a和（b）细菌叶绿素a的结构 叶绿素包含一个完全共轭的四吡咯叶绿素包含一个完全共轭的四吡咯-体系（体系（18电子），且伴随一个低能量电子），且伴随一个低能量的的*跃迁。互补色蓝色和黄色组合形成了新鲜叶子特有的绿色。细菌叶绿素跃迁。互补色蓝色和黄色组合形成了新鲜叶子特有的绿色。细菌叶绿素有两个部分氢化的吡咯环，因此它们的吸收波长向长波方向移动，到达近红外区。有两个部分氢化的吡咯环，因此它们的吸收波长向长波方向移动，到达近红外区。藻胆素，补充叶绿素的色素部分，使其具有一个宽的吸收范围，在每一个生长周藻胆素，补充叶绿素的色素部分，使其具有一个宽的吸收范围，在每一个生长周期的末期，随着相对不稳定的叶绿素分解，非绿色的藻胆素变的可见，形成秋天期的末期，随着相对不稳定的叶绿素分解，非绿色的藻胆素变的可见，形成秋天的颜色的颜色。 叶绿素的结构Materials Chemistry II 因为散射的太阳光具有相对缓慢的吸因为散射的太阳光具有相对缓慢的吸收速率，大多数色素（收速率，大多数色素（98%）被用）被用于光捕获或者天线器件，把能量吸收和于光捕获或者天线器件，把能量吸收和传递到实际反应中心。这就意味着，传递到实际反应中心。这就意味着，必必须有效且有空间取向地传递吸收地能量须有效且有空间取向地传递吸收地能量。叶绿素络合的叶绿素络合的Mg2+有助于色素的排列。有助于色素的排列。色素被深埋在光合作用膜内的叶绿基长色素被深埋在光合作用膜内的叶绿基长长的侧链锚定在适当的位置。但是，为长的侧链锚定在适当的位置。但是，为了更好地固定色素，八面体了更好地固定色素，八面体Mg2+的两的两个自由轴向配位点络合在多肽侧链上，个自由轴向配位点络合在多肽侧链上，色素产生色素产生3个锚合点，因而具有很好的个锚合点，因而具有很好的空间取向。空间取向。 Mg2+特别适合担当这个角色特别适合担当这个角色，主，主要原因有以下几点：要原因有以下几点：高的自然丰度；高的自然丰度；弱的氧化还原性；弱的氧化还原性；强烈趋于六配强烈趋于六配位络合；位络合；合适的离子半径；合适的离子半径；小的小的旋轨耦合常数。旋轨耦合常数。光捕获色素的空间定位天线网络光捕获色素的空间定位天线网络Materials Chemistry II 被捕获天线系统吸收并传递到光合作用中心的能量，被用来产生空间电荷分离。换句话说，一个电子到达激发态后，在没有机会通过辐射回到基态之前，被用来发生化学还原反应。在简单的反应中心，激发态的电子被转移到外界受体。在更高级的生物中，留下的“空”通过结合外界给体而氧化底物，最终由水产生O2 图8.10光激发态电子和产生的正电空穴的命运 光合作用的主要特征是能够从激发态反应中心空间上运走电荷，而不发生通常高效的生化无用的复合 被捕获并传递到光合作用中心的能量的作用被捕获并传递到光合作用中心的能量的作用Materials Chemistry II8.2.3血红蛋白吸收和运载氧血红蛋白吸收和运载氧 分子氧O2是那些呼吸空气的高等生物新陈代谢中至关重要的一部分。它被用来氧化代谢糖类，并伴随着能量的释放。从这种控制的“冷燃烧”中释放的能量被用于ATP的合成。C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+能量 为了使吸氧生物利用活性O2（这是有效光合作用的逆反应），O2有必要被吸收和传递给细胞线粒体，在那里发生依靠“食物”（例如糖类）的呼吸作用，一个成熟的负载氧和传输氧的蛋白质，血红蛋白，已经通过进化来承担这个任务。血红蛋白是一种四聚体蛋白质，包含4个肌红蛋白单元。每个肌红蛋白单元包括一个称作血红素或Fe-原卟啉的铁卟啉络合物，它通过八面体Fe（）中心轴和最近的蛋白质组氨基酸残基的一个氮原子的络合物连接在一个蛋白质上。铁中心键合O2的可逆性是这一重要生物过程的关键。Materials Chemistry II图8.11 Fe-原卟啉IX分子结构 Fe上剩下的空轴位虽然在它的静止状态松散地与水分子结合，但是它依然很容易键合氧。金属中心与O2反应最大的问题是金属中心的不可逆氧化反应，生成顺式二氧化物或-氧桥双核络合物。但是在有强大的驱动力促成其形成较低氧化态时，反应会有些可逆性。血红蛋白中的血红素中心不仅要确保O2可逆键合， 而且保证络合和释放过程在准确的浓度快速发生，这些浓度或分压必须分别与肺内和细胞内介质的浓度或压力相一致。而且在其他大气化合物如H2O，N2，CO2，甚至Fe（）极好的配体CO存在下，一定要有选择性地络合O2，因此，血红蛋白是一个优秀的功能性和选择性超分子受体。血红素（血红素（Fe-原卟啉原卟啉）络合物的结构与功能）络合物的结构与功能Materials Chemistry II 一些气体（如CO）或者很容易被吸收的盐（如CN-）的毒性很大，这是因为它们不可逆地键合到血红蛋白上的Fe，阻止了氧的传输，导致快速窒息。特别是CO，它与O2相比是更好的-电子受体，因此其络合作用更大。无蛋白质的血红素模型对于CO的亲和力比对O2的大得多，Kco/Ko2=25000。但是，在血红蛋白里，这个比率下降到200，人体可以吸入少量的CO。因为蛋白质的构象限制了CO进入铁的结合点，它更适合弯曲的O2进入，而不适合直线型的CO进入（图8.12）。在氧络血红素中，因为氧原子上孤对电子的作用，O2分子仅有一个O原子与Fe相连，形成的Fe-O-O键角大约为120o（O-O距离1.89）。未键合的O2以氢键的形式结合到组氨酸末端，强化了血红素-氧的相互作用。蛋白质可增强血红素对O2的选择性络合Materials Chemistry II图8.12 蛋白质环境使得O2相对于CO的选择性得以改善蛋白质环境使得蛋白质环境使得O2相对于相对于CO的选择性得以改善的选择性得以改善Materials Chemistry II8.2.4神经传递素和荷尔蒙神经传递素和荷尔蒙 除了包含不同形式的金属阳离子的生物无机化学，还存在着大量的生物化学研究，从超分子意义上它们将分子和阴离子作为客体。这里我们以荷尔蒙和神经传递素作为两类特殊的生物客体来进行讨论。荷尔蒙和神经传递素从广义上讲是作为信息载体和活性介质的。荷尔蒙，如人类的性荷尔蒙，雌激素和睾丸激素，以及妊娠荷尔蒙，孕酮，是家喻户晓的名字。睾丸激素的衍生物，合成代谢的雄性类固醇，能显著改变人类的身体特征，因此在竞技性运动项目中它使用的合法性还有争论。相似的，神经传递素，例如多巴胺和乙酰胆碱的含量可能会严重影响神经行为，导致神经系统的紊乱，例如精神分裂症和帕金森综合症，以及影响人们思维过程中的化学性质。 为了阐明这种分子的超分子生物功能，我们将特殊讨论乙酰胆碱（ACH）的作用模式，因为这个例子可以说明，小分子客体的非共价键合对生物体系的深远影响。 Materials Chemistry II 乙酰胆碱是一种重要的神经传递素分子。乙酰胆碱从一个神经细胞传递到另一个细胞，可以实现神经脉冲从一个神经纤维横跨神经键（被传递到另一个神经纤维。乙酰胆碱的作用是键合上，然后打开一个有门的钠离子通道（参见8.1节）图8.13 乙酰胆碱和烟碱的结构式乙酰胆碱的作用及结构乙酰胆碱的作用及结构Materials Chemistry II 乙酰胆碱是烟碱乙酰胆碱受体蛋白的一部分（nAChR）。这个巨大的传输膜蛋白由5个具有相似的氨基酸序列的亚单元组成（两个标记为，其他分别标记为，见图8.14）这些亚单元环绕着中心通道。乙酰胆碱结合在两个亚单元上，引起通道外部区域的构象改变，然后可以接近神经键上的Na+。它们沿着浓度梯度飞快地流入细胞形成电流。主缩肌乙酰胆碱与它的受体高度选择性键合，这一过程牵涉到季铵基团和一个特殊的色胺酸残基的阳离子-相互作用。有趣的是，乙酰胆碱的活性受烟碱的影响很大，烟碱也含有一个季铵残基，而且这可能是吸烟者对烟碱上瘾的根源。一旦膜被去偏振化，以及产生了神经电流，乙酰胆碱就会被另外一个乙酰胆碱结合的蛋白（乙酰胆碱酯酶）移走。乙酰胆碱酯酶可以水解酯功能基，从而阻止乙酰胆碱键合nAChR。 乙酰胆碱和烟碱之间键合nAChR的竞争说明超分子化学中键合的选择性是非常重要的。因为nAChR不是完全的选择，它有可能键合起干扰作用的烟碱。事实上，像乙酰胆碱一样，烟碱拥有一个季铵盐，它使得生物过程要依赖于表面上弱的超分子相互作用。盐碱乙酰胆碱受体的结构及其作用原理盐碱乙酰胆碱受体的结构及其作用原理Materials Chemistry II图8.14烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）盐碱乙酰胆碱受体的结构及其工作原理示意盐碱乙酰胆碱受体的结构及其工作原理示意Materials Chemistry II8.2.5 DNA 氨基酸（amino acid ）:同时含有一个或多个氨基和羧基的脂肪族有机酸。根据氨基和羧基的位置，有氨基酸和氨基酸等类型。参与蛋白质合成的常见的是20种L-氨基酸。 氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物。氨基连在-碳上的为-氨基酸。天然氨基酸均为-氨基酸。 Materials Chemistry II肽肽(peptide)是氨基酸以肽链连接在一起而形成的化合物，它也是蛋白质水解的中间产物。多肽有生物活性多肽和人工合成多肽两种。生物提取的多肽具有很强的活性，所以叫做活性肽！只有活性的肽才能对人体产生很好的效果! 一般肽中含有的氨基酸的数目为二到九,根据肽中氨基酸的数量的不同,肽有多种不同的称呼:由两个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫做二肽，同理类推还有三肽、四肽、五肽等,一直到九肽。通常由10100氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫多肽，多肽，它们的分子量低于10，000Da（Dalton，道尔顿），能透过半透膜，不被三氯乙酸及硫酸铵所沉淀。也有文献把由210个氨基酸组成的肽称为寡肽（小分子肽）；1050个氨基酸组成的肽称为多肽；由50个以上的氨基酸组成的肽就称为蛋白质,换言之,蛋白质有时也被称为多肽。 多肽和蛋白质：活性肽Materials Chemistry II8.2.5 DNA（a）DNA的结构和功能的结构和功能 DNA（Deoxyribonucleic acid ）是包含构造生物体所必需的所有遗传信息的分子。 DNA是单体脱氧核糖核酸聚合而成的聚合体脱氧核糖核酸链。每个DNA分子是由两条核苷酸链以互补配对原则所构成的双螺旋结构的分子化合物。单个核苷酸由一个5碳糖连接一个或多个磷酸基团和一个含氮碱基组成。单个核苷酸再以 糖-磷酸-糖 的共价键形式连接形成DNA单链。两条DNA单链以互补配对形式形成DNA双螺旋结构。所有真核生物的细胞核都含有DNA，而且每个细胞核包含组装整个生物体的所有的遗传密码-惊人的复制信息。包含的大量信息需要个体DNA链特别长。每个细胞包含大约3cm的DNA。DNA呈现双螺旋结构，有两条相同的链，并通过氢键和-相互作用连接在一起。这种组装的动力被认为来自于双螺旋结构能够使分子的疏水部分（核碱）堆积在螺旋体中心，从而避免与水相接触。螺旋结构提供核碱之间相互作用最可能的优势构象，而减小内部空闲区。 Materials Chemistry II8.2.5 DNA（a）DNA的结构和功能的结构和功能图8.15 (左) DNA双螺旋结构（横线表示氢键碱基对相互作用）；(右) DNA的3种常见结构A, Z 和B的理想图示。B和A结构具有右手螺旋性，每一圈分别有10个和11个磷酸根残基；Z结构每圈有12个磷酸根残基，左手螺旋性。 Materials Chemistry IIDNA的基本成分 DNA的基本成分是核苷酸，它是由一个连接在糖分子上的核碱腺嘌呤 (A)，胸腺嘧啶 (T)，胞核嘧啶 (C) 或者鸟嘌呤(G) （图8.16）和一个磷酸盐尾部组成。这些核苷酸通过糖-磷酸盐残基的聚合反应形成DNA单链的骨架。DNA以大量的三字符“文字”形式储存遗传信息。这些“文字”由3个核碱组成 （例如，GCC，CAG，ATC，TCT等）。每一个“文字”在生物化学上根据标准遗传密码表被翻译为20种蛋白质氨基酸中的一种。图8.16 5种主要碱基的结构式Materials Chemistry II（Watson-Crick）碱基对氢键作用）碱基对氢键作用腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞核嘧啶没没有有别别的的结结合合方方式式存存在在腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞核嘧啶Materials Chemistry IIRNA（RiboNucleic Acid ） 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Materials Chemistry II 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的结构的结构Materials Chemistry IIDNA转录mRNA过程示意图DNA用作转录用作转录mRNA的模板的模板过程示意图过程示意图 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。 Materials Chemistry IIDNA用于指导生物体中具有生物功能的蛋白质的合成用于指导生物体中具有生物功能的蛋白质的合成图图8.17 信使信使RNA把遗传密码从把遗传密码从DNA转换到核糖体来合成蛋白质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成为RNA（mRNA）然后）然后mRNA从核孔出细胞，在核糖体上翻译，形成蛋白质从核孔出细胞，在核糖体上翻译，形成蛋白质转录而成的单链Materials Chemistry II 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Materials Chemistry II 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，形成磷酸根-糖框架，把核苷酸片段连接在一起，结合到原始DNA的复制品里。得到的突变DNA然后被引入一个合适的细菌生物主体，在那里繁殖，产生其自身的复制品，当其数量增加到足够量的时候，就合成出期望的突变蛋白质。 （b）定点突变）定点突变Materials Chemistry II（b）定点突变）定点突变图8.19 定点突变的过程示意图Materials Chemistry IIDNA复制过程示意图Materials Chemistry II（c）聚合酶链反应）聚合酶链反应 聚合酶链反应（PCR）是DNA化学中另外一种很重要的新发展。PCR能够大量合成一段特殊DNA片段或者寡核苷酸片段，而起始量只需很少。这种技术被广泛地应用在法医鉴定上，可以从血液或组织的少量痕迹中复制出大量足够用来分析的DNA的数量。PCR过程对于人类基因组（HUGO）计划非常重要，这一计划在2000年确定了人类基因材料的每一个DNA编码。PCR也使得可以从化石残余中提取微量的DNA，来大量复制已灭绝物种的DNA。尽管灭绝物种的重生，就目前的技术来说是难以实现的，但该应用激发了人们在影片“侏罗纪公园”和“失落的世界”中重现恐龙的科学幻想。Materials Chemistry II PCR是通过合成两条短的寡核苷酸来作用的，两条寡核苷酸正确地结合在要复制的DNA链的反义链上，DNA聚合酶启动链条链的拷贝，从而生成2条新的DNA链。加热使生成的双螺旋解链，可以产生4条新链，成为合成另外4条链的模板。这个过程通过手动或者通常用自动循环装置在几个小时内重复2060次，最终生成原始片段的220260倍的拷贝（图8.20）聚合酶链反应机理聚合酶链反应机理Materials Chemistry II图8.20 PCR技术的过程PCR技术的过程示意图技术的过程示意图Materials Chemistry II（d）与）与DNA的结合的结合 许多癌症对铂络合物是高度敏感的，铂络合物可以与肿瘤DNA结合。几乎所有的活性抗肿瘤试剂都包含Pt（II），它具有平面四边形的空间配位结构，并有两个顺式一级胺或二级胺和两个更弱键合的配体，例如氯或羧酸根来配位。类似的八面体Pt（IV）被还原为Pt（II）。两种最重要的铂类抗癌药物是顺铂和碳铂。相比而言，碳铂的毒性较低。图8.21顺铂和碳铂的结构式Materials Chemistry II 很多无机抗癌药物都是因为具有结合DNA的能力而产生药效。在体内铂络合物的一个主要目标就是暴露于特定的DNA大沟上的鸟粪残碱基。药物直接注射可避开胃酸的水解。很大部分的药物会与血浆蛋白结合，然后通过肾脏迅速排出体外。剩余的药物由血液运输，并以中性的形式透过细胞膜。氯离子或羧酸根离子解络（因为更低的细胞间Cl-浓度）而形成了Pt(NH3)2Cl（H2O）+;络合物因为带有正电荷而对带有负电荷的DNA产生吸引，最终使得(NH3)2Pt2+结合在DNA上。在这一过程中可能会形成一个“跨越”一条DNA链的桥，同时使维持DNA双螺旋结构的碱基对裂分。从而引起DNA链的“纽结”，而且这并不能被肿瘤细胞中的DNA修复酶识别。反Pt（NH3）2Cl2不能以相同的几何构型形成DNA“跨越”连接，所以它没有活性。铂络合物的作用机理Materials Chemistry II 通过与过渡金属配位并不是唯一的捕获DNA分子的途径。已知的被称为“插入者”的这类络合物能够仅仅通过静电作用和-堆积作用结合DNA。早期的工作显示，包含芳香杂环配体（像2，2-联吡啶）的平面四边形Pt（II）络合物，也能够通过芳香配体部分插入DNA大沟一侧堆积的核碱间与DNA结合。DNA还可以通过我们熟知的有机缩氨酸排列来结合。无论是抗生素如无活菌素，还是自然产物纺锤菌素和偏端霉素A，都能通过形成多氢键作用结合在DNA的大沟内，形成特定的结构。这类抗生素的缩氨酸骨架的合成延伸性允许对分子进行广泛的改造，已经有很多衍生物被合成出来。新的抗癌药物的研究覆盖了大量超分子化学领域。对通过络合作用和-堆积（DNA插入）结合的化合物研究，似乎是一条比较让人满意的途径。捕获DNA的其它途径Materials Chemistry II8.2.6 生物化学中的自组装生物化学中的自组装 DNA的双螺旋结构和分子为了能够成为自身复制和刻写RNA的模板而解开的能力，很明显是与连接两条核苷链的超分子作用密切相关。正是独立的核基内含的信息“告诉”分子形成双螺旋结构的。这是众多自组装想象中的一个例子，这种自组装在现代超分子化学中是非常重要的。自组装体系通常可以这样去理解，它是两个或者更多元素进行可逆的组合，在绝大部分情况下形成系统可得的热力学和动力学最稳定结构。 严格地讲，形成最终聚集体所需的信息一定是包含在参与反应的组分中。而热动力学稳定性加上平衡过程的可逆性产生的纠错性能，则决定了许多生物体系和分子器件的结构和复杂性。例子不仅包括DNA和信息RNA进入线粒体的蛋白质，还有病毒的形成，酶和蛋白质交叠，藻胆蛋白质体的光收集，跨越噬菌调理素膜的光诱导离子泵涌。但是，值的注意的是，在一般生物体中它们作为一个整体远离平衡，并且为了保持动态平衡要求不断输入能量。