分子生物學(xué)：第二章 分子生物學(xué)概論

第二章分子生物學(xué)概論1蛋白質(zhì)氨基酸結(jié)構(gòu)式分類(lèi)物理性質(zhì)等電點(diǎn)肽、肽鍵、氨基酸殘基、多肽鏈多肽鏈的方向性概念

2蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸通過(guò)肽鍵相連形成的具有特定分子結(jié)構(gòu)的高分子含氮化合物氨基酸：組成蛋白質(zhì)的基本單位在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱(chēng)為該氨基酸的等電點(diǎn)II.蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

TheMolecularStructureofProtein

4蛋白質(zhì)是由許多氨基酸單位通過(guò)肽鍵連接起來(lái)的，具有特定分子結(jié)構(gòu)的高分子化合物。構(gòu)象是由于有機(jī)分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)所形成的。蛋白質(zhì)的構(gòu)象通常由非共價(jià)鍵（次級(jí)鍵）來(lái)維系5蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括（人為劃分）

一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)高級(jí)結(jié)構(gòu)定義：蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。(包括蛋白質(zhì)分子中所有的二硫鍵的位置）二、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)主要的維系鍵：肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。

一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素7三、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

定義

主要的維系鍵：

氫鍵

多肽鏈本身的折疊和盤(pán)旋方式8

由于C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對(duì)發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)原則9肽鍵平面——由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使參與肽鍵構(gòu)成的六個(gè)原子被束縛在同一平面上，這一平面稱(chēng)為肽鍵平面或肽單元。（一）肽單元10由于α-碳原子與其他原子之間均形成單鍵，因此兩相鄰的肽鍵平面可以作相對(duì)旋轉(zhuǎn)11(二）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)π-螺旋Ω環(huán)（Ω-loop）無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)121.α-螺旋：

α-螺旋是多肽鏈的主鏈原子沿一中心軸盤(pán)繞所形成的有規(guī)律的螺旋構(gòu)象13

結(jié)構(gòu)特征：⑴為一右手螺旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)⑵螺旋每圈包含3.6個(gè)氨基酸殘基,螺距0.54nm；每圈含有13個(gè)原子⑶螺旋以氫鍵維系142.

-折疊β-折疊是由若干肽段或肽鏈排列起來(lái)所形成的扇面狀片層構(gòu)象15β-折疊包括平行式和反平行式兩種類(lèi)型16結(jié)構(gòu)特征：⑴由若干條肽段或肽鏈平行或反平行排列組成片狀結(jié)構(gòu)；⑵主鏈骨架伸展呈鋸齒狀；⑶涉及的肽段較短，一般為5～10個(gè)氨基酸殘基；⑷借相鄰主鏈之間的氫鍵維系。173.

-轉(zhuǎn)角

是多肽鏈180°回折部分所形成的一種二級(jí)結(jié)構(gòu)184.π-螺旋Ω環(huán)19無(wú)規(guī)卷曲是用來(lái)闡述沒(méi)有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。

5.無(wú)規(guī)卷曲20（三）超二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角等組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，作為三級(jí)結(jié)構(gòu)的單元，其基本結(jié)合形式有:αα,βββ,βαβ

鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體21螺旋－折疊－折疊2個(gè)His和2個(gè)Cys與Zn離子結(jié)合螺旋區(qū)與DNA結(jié)合鋅指結(jié)構(gòu)22（四）氨基酸殘基的側(cè)鏈對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的影響蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)是以一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成

-螺旋或β-折疊，它就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

四、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的維系鍵：整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。（一）定義2425

肌紅蛋白(Mb)N端C端

為單肽蛋白質(zhì)，含有153個(gè)氨基酸，有8個(gè)螺旋區(qū)26三級(jí)結(jié)構(gòu)的特征：

含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元；

有明顯的折疊層次；

是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體；

分子表面有一空穴(活性部位)；

疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面。三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要性：三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，蛋白質(zhì)分子才形成固有的分子形狀；才具有親水膠體的特性；功能蛋白質(zhì)的活性部位得以形成并表現(xiàn)出相應(yīng)的生物學(xué)活性。核糖核酸酶三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖N

His12CHis119Lys41對(duì)于單一多肽鏈的蛋白質(zhì)，三級(jí)結(jié)構(gòu)是它的最高級(jí)結(jié)構(gòu)，只有具有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，才具有全部的生物學(xué)功能（二）結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€(gè)或數(shù)個(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域(domain)。30

結(jié)構(gòu)域31五、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)亞基(subunit)

有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的亞基

。

胰島素受體：由4個(gè)亞基組成(α2β2)，α亞基與β亞基形成單體，2個(gè)單體形成二聚體。

32亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱(chēng)為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。33血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)

34血紅蛋白的四個(gè)亞基緊密結(jié)合，亞基之間的維系鍵是亞基之間的8個(gè)鹽鍵36III.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationofStructureandFunctionofProtein37

一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)

一級(jí)結(jié)構(gòu)→空間構(gòu)象→功能一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

38

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無(wú)活性39一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：1.一級(jí)結(jié)構(gòu)中“關(guān)鍵”部分相同,其功能相同。如：不同動(dòng)物來(lái)源的胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)中“關(guān)鍵”部分變化,其活性也改變。一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。

從細(xì)胞色素c的一級(jí)結(jié)構(gòu)看生物進(jìn)化物種進(jìn)化過(guò)程中越接近的生物，細(xì)胞色素的一級(jí)結(jié)構(gòu)越相似42細(xì)胞色素C不同生物與人的細(xì)胞色素C相比較AA差異數(shù)目黑猩猩0雞、火雞13

牛豬羊10海龜15

狗驢11小麥35

粗糙鏈孢霉43酵母菌4443一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：2.一級(jí)結(jié)構(gòu)不同，生物學(xué)功能各異。如：催產(chǎn)素與抗利尿激素

SS加壓素H2N半胱酪苯丙谷胺天胺半胱脯精甘催產(chǎn)素H2N…………異亮………亮…………

3

8例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)由于單個(gè)氨基酸的變化引起血紅蛋白的親水性明顯下降，從而發(fā)生聚集，使紅細(xì)胞變?yōu)殓牭稜?/p>

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱(chēng)為“分子病”一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：重要蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變可引起疾病45二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

肌紅蛋白Mb血紅蛋白Hb46肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)47蛋白質(zhì)空間構(gòu)象不同，功能不同α-螺旋：堅(jiān)實(shí)富有彈性β-折疊：柔軟構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致生物學(xué)功能改變構(gòu)象改變引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系48構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致生物學(xué)功能改變變構(gòu)效應(yīng)：一些蛋白質(zhì)由于受到某些因素的影響，其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，而空間構(gòu)象發(fā)生一定變化，導(dǎo)致生物學(xué)功能的改變變性作用：蛋白質(zhì)分子受到物理或化學(xué)因素的影響，導(dǎo)致其嚴(yán)密有序的空間結(jié)構(gòu)破壞，溶解度降低、生物活性喪失49血紅蛋白與肌紅蛋白一樣能可逆地與O2結(jié)合，血紅蛋白與O2結(jié)合后稱(chēng)為氧合血紅蛋白。氧合血紅蛋白占總血紅蛋白的百分?jǐn)?shù)（稱(chēng)百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線(xiàn)51*協(xié)同效應(yīng)一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱(chēng)為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱(chēng)為正協(xié)同效應(yīng)

如果是抑制作用則稱(chēng)為負(fù)協(xié)同效應(yīng)

Hb未與O2結(jié)合的時(shí)候，F(xiàn)e2+位于卟啉環(huán)平面外側(cè)，與F8His連接，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)O2與Fe2+結(jié)合后，被拉到平面中，使得牽動(dòng)F8螺旋片段，導(dǎo)致亞基之間鹽鍵斷裂、結(jié)合變松弛，使易于與第二個(gè)亞基結(jié)合5354

3.蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。55蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類(lèi)疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。56瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱(chēng)為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病57蛋白質(zhì)的概念和組成蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一級(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系小結(jié)58

2.2核酸核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。二、核酸的分類(lèi)及分布90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線(xiàn)粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(DNA)(RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱(chēng)為堿基序列。5′端3′端CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

書(shū)寫(xiě)方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

目錄GTA4CardsGC101010101010100101011000100101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110100111000011100101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001010101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010100010101010101001010101010100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010111001011001010101010101010101010100010111010100000000001011100000010001000001010101001010100110010101010010010100100101001010100100101001000010101001010101010101010101010010000001010100100101001010010100100101001001010000010101010DNASequenceAbridgebetweenlifescienceandinformationscience生命的奧秘蘊(yùn)藏于“四字天書(shū)”之中Secretsinthe“4LetterBook”ofLife…GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCATCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCTCCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTCGCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT…人類(lèi)科學(xué)史上的三大工程

人類(lèi)基因組計(jì)劃曼哈頓原子彈計(jì)劃阿波羅登月計(jì)劃

人類(lèi)基因組計(jì)劃

1986提出、1990啟動(dòng)的人類(lèi)基因組計(jì)劃(HumanGenomeProject，HGP)，被譽(yù)為生命科學(xué)的“登月”計(jì)劃。1990年10月美國(guó)政府決定出資30億美元，用15年時(shí)間（1991—2005年）完成“人類(lèi)基因組計(jì)劃”?！叭祟?lèi)基因組計(jì)劃”是生物學(xué)有史以來(lái)最巨大和意義深遠(yuǎn)的一項(xiàng)科學(xué)工程。六國(guó)聯(lián)手：美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)工程總投資：近30億美元

各國(guó)所承擔(dān)工作比例約為美國(guó)54％英國(guó)33％日本7％法國(guó)2.8％德國(guó)2.2％

中國(guó)1％（人類(lèi)3號(hào)染色體短臂上一個(gè)約30Mb區(qū)域的測(cè)序）2000年6月26日克林頓宣布人類(lèi)基因組草圖繪制完成

2001年2月人類(lèi)基因組計(jì)劃公立陣營(yíng)在15日出版的《自然》雜志、塞萊拉公司在16日出版的《科學(xué)》雜志上公布各自的人類(lèi)基因組測(cè)序草圖2003.5.28—2003.6.2冷泉港人類(lèi)基因組完成圖發(fā)布會(huì)HGP細(xì)節(jié)研究成果

1全部人類(lèi)基因組約有2.91Gbp，約有39000多個(gè)基因；

2目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和定位了26000多個(gè)功能基因。3基因數(shù)量少得驚人。