《分子生物学讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子生物学讲义（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、细胞分子生物学讲义扬州大学兽医学院二九年九月第一章 细胞与生物大分子一、 细胞的分类1、原核细胞（prokaryotic cell）：没有细胞核。主要包括真细菌、古细菌。 古细菌长生活于极端环境中，如厌氧、嗜盐、嗜热。2、真核细胞（eukaryotic cell）： 有细胞核。主要包括原生生物、真菌、动物和植物。二、细胞的基本组成细胞质：是细胞的粘性成分，包括蛋白质、核糖体、代谢物和离子。其中，核糖体是蛋白质加工的场所。 质膜：是细胞质周围的膜结构，由磷脂双分子层结构。磷脂双分子结构也是其他生物膜的基本组成形式。 DNA：是遗传物质。真核细胞具有多个DNA分子，位于细胞核和线粒体上；原核细胞只
2、有一个DNA分子，并且核区和细胞质间没有特定的界限。（一）原核细胞结构1、细胞壁：防止细胞在低渗环境中裂解2、质膜：磷脂双分子层，膜上蛋白质可以允许小分子出入3、遗传物质：类核（单链、环状）、质粒4、核糖体：蛋白质加工的场所5、纤毛：黏附、性别6、鞭毛：细胞移动（二）真核细胞结构1、细胞核：DNA转录和RNA加工的场所2、线粒体：细胞呼吸即营养物质氧化以ATP形式产生能量的场所3、叶绿体：光合作用4、内质网：滑面内质网、粗面内质网5、微体：溶酶体、过氧化物酶体、醛氧化酶体（三）细胞器的分离 1、细胞破碎（低渗休克、机械剪切、非离子去垢剂处理等）2、离心分离细胞器（差速离心、密度梯度离心等）3、
3、纯度鉴定（电镜观察、细胞器特异酶活性测定）三、细胞分化 一个真核细胞分裂产生的子代细胞既可以完全相同，也可以通过改变基因表达的格局，形成功能不同于母代细胞的子代细胞，这一过程称为细胞分化。对于原核细胞和低等真核细胞来说，孢子化是典型的细胞分化。对于复杂的多细胞生物而言，胚胎细胞的分化能形成肌肉细胞、神经细胞、肝细胞和肾细胞等高度特定化的细胞。细胞的分化由发育控制基因负责调节。多细胞生物不同组织和器官活动的相互协调，主要通过信息分子之间的信息交流来控制。四、生物大分子1、蛋白质蛋白质是氨基酸的聚合体，由不同的氨基酸通过肽键连接而成。蛋白质具有结构和功能上的重要性，其结构和特点将在以后章节中叙述2
4、、 核酸核酸（nucleic acid）是核苷酸的聚合体，包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。核苷酸（nucleotide）又由碱基、五碳糖（或称戊糖）和磷酸组成。核酸负责遗传物质的储存与加工，但信息的表达需要蛋白质的合成。3、多糖是共价糖苷键相连的单糖聚合体，主要作为糖的储存形式和细胞的结构成分。纤维素和淀粉都是葡萄糖的聚合体，前者是以-1、4糖苷键相连的线性聚合体，为植物细胞壁的主要结构成分，后者是葡萄糖的储存形式，存在于较大的细胞颗粒中，这些颗粒能被很快降解，以便释放代谢所需的能量。糖原是真菌和动物细胞的 葡萄糖储存形式。几丁质(壳多糖)存在于真菌细胞壁和昆虫、甲壳纲的外壳中
5、，结构与纤维素相似，单体是N-乙酰葡糖胺。粘多糖高度粘稠，其溶液呈胶冻状。4、脂类脂类分子的本质是碳氢化合物，水中可溶性差，参与能量的储存与运输，是胞浆膜、保护性外壳和其它细胞结构的组分甘油酯：甘油分子酯化的长链脂肪酸。 动物甘油三脂的脂肪链是线性的，分子可以紧密包裹，形成固体的脂肪；植物油含有一个或多个双键的不饱和脂肪酸，折转（带有一定角度）的链状结构阻碍了分子的紧密包裹，所以在室温下表现为液体。磷脂：两个脂肪酸和一个磷酸分子相连的甘油组成。鞘脂：长链氨乙醇鞘氨醇含有一个与酰胺键相连的脂肪酸。鞘磷脂：神经酰胺与磷酸胆碱连接成。5、 复杂大分子由一种以上生物分子以共价键或非共价键连接而成的，结
6、构和功能更复杂多样的生物大分子。核蛋白：核酸+蛋白糖蛋白：蛋白+糖蛋白聚糖：蛋白质+粘多糖脂联蛋白、脂蛋白、糖脂等五、生物大分子的装配1、蛋白质复合体 如细胞骨架，负责细胞形态的维持、细胞的运动和细胞器在细胞内的分布，由微丝、微管和中间纤维等组成。微丝主要结构成分是肌动蛋白，后者与肌球蛋白形成的收缩性装配与细胞浆的泳动有关；微管是由细长的微管蛋白（110kDa球状蛋白）聚合而成的聚合体，组成细胞骨架的中间微丝含有角蛋白等多种蛋白质，具有加强细胞结构等功能。2、核蛋白 由核酸和蛋白质共同组成。核糖体：胞浆内较大的核糖核蛋白复合体，也是蛋白质合成的部位。 大肠杆菌的70S核糖体由50S和30S两个
7、亚单位组成，前者包括1个23S RNA、1个5S RNA和31个不同的蛋白质分子，后者含有1个16S RNA分子和21个蛋白质分子。核小体：染色质的基本结构单位，包括200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体及一个分子的组蛋白H1。3、胞浆膜 在水相环境中，磷脂和鞘脂能自然形成所谓的脂质双层，其外侧为极性基团，内部为非极性烃链，是所有生物膜的结构基础。蛋白质也是细胞膜的主要成分 -外周膜蛋白：松散地结合在胞浆膜的外表 -整合型膜蛋白：嵌镶在细胞膜内 -跨膜蛋白横：横跨整个细胞膜，具有疏水性跨膜氨基酸区域膜蛋白主要功能：受体作用；酶作用，降解细胞外分子；选择性运输的孔道；细胞间相互作用的介质 。4
8、、非共价结合 1）盐桥作用：生理pH下，离子化基团之间能通过相反电荷的相互吸引结合。如带负电荷的DNA磷酸基与带正电荷的DNA结合蛋白（如组蛋白）的结合。2）极性之间的作用：电荷不对称分布，导致偶极分子之间以电荷-偶极和偶极-偶极的方式相互作用，但其结合力较弱。不带电荷的基团，由于其电子的运动可以产生瞬时的偶极，也可以发生弱的结合。3）范德瓦耳斯力（Wander Waals force）：电中性分子之间的非共价结合，氢键起重要作用。4）疏水作用：非极性分子在水相环境中。第二章 蛋白质结构一、氨基酸蛋白质是L-氨基酸的聚合物。除了脯氨酸外，蛋白质中已发现的所有氨基酸都有一个共同的结构，即与一个羧
9、基相连的-碳原子、一个氨基、一个质子和一个随氨基酸不同而异的侧链。除了甘氨酸外，所有的-碳原子均具有手性少数蛋白质含有所谓的非标准氨基酸，后者通过转译后修饰形成，如胶原中的4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。根据侧链的不同对氨基酸进行分类1、带电荷的侧链： 酸性氨基酸：通常带有离子化外的额外的羧基（带负电荷），如天冬氨酸、谷氨酸。 碱性氨基酸：带有正电的基团，如赖氨酸有亚氨基连接在-碳原子上，精氨酸则有一个胍基。 酸性和碱性氨基酸可以组成蛋白质中重要的盐桥。2、不带电的极性侧链 不带电的极性侧链氨基酸含有可与水形成氢键的基团，如丝氨酸、苏氨酸。 与带电氨基酸一起，常被称为亲水氨基酸。3、非极性脂肪烃侧
10、链如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸等4、芳香族侧链如苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸二、蛋白质结构1、形状 球形蛋白质（球蛋白）紧密折叠，在溶液中呈近似球状颗粒。自然界中绝大部分的酶是球形蛋白。 丝状蛋白质丝状蛋白呈高轴比（长/宽），是重要的结构蛋白。例如头发与羊毛中的丝蛋白和角蛋白。2、大小蛋白质的分子量几千道尔顿（如胰岛素有51个氨基酸，约5734Da）到几百万道尔顿（如丙酮酸脱氢酶至少有500万道尔顿）。某些蛋白质还含有非蛋白成分，包括脂类、碳水化合物或某些共因子等3、一级结构从N端到C端的氨基酸顺序就是多肽的一级结构。4、二级结构螺旋（多肽链骨架形成右手螺旋） 每周3. 6个氨基酸 每个肽的N-H基团
11、都与相距3个残基的C=O基团间形成氢键，N-HO=C 常见于球形蛋白中，有时也见于纤维状蛋白中折叠（-sheet） 是由蛋白多肽链的氨基及羧基与其它区域的互补基团以氢键结合而形成，通过两条或多条相邻链之间的氢键得以稳定，多个链通过氢键结合成折叠片。5、三级结构不同片段-螺旋、-折叠、其他微二级结构和连接环进一步折叠成三维构象即多肽的三级结构。折叠带有亲水侧链的氨基酸主要位于蛋白质外部，可与水或溶剂离子反应，而疏水氨基酸被埋在疏水的内部，这使得结构总体上稳定。三级结构的特性存在于一级结构之中，给予合适的条件，绝大多数多肽将自发折叠成正确的三级结构，因为那通常是序列能量最低的构象。多肽在体内的正确
12、折叠，常常需要伴侣蛋白的帮助，它能够在蛋白质合成（一级结构）结束前阻止新生多肽的错误折叠。维系三级结构的作用力有： 非共价作用：范德华力、氢键、带相反电荷之间静电盐桥、存在于芳香族和脂肪族氨基酸非极性侧链间的疏水相互作用。 共价作用：二硫键加热以及极端pH可以破坏二级和三级结构，导致蛋白质的变性，形成无规卷曲。6、四级结构稳定三级结构的力同样可维系亚基在一起，包括不同多肽链的半胱氨酸间的二硫键。这一组织水平称为四级结构。 构成很大的蛋白分子，如微管蛋白（、亚单位组成的二聚体） 通过复合不同活性于一个整体，赋予一个蛋白以更多功能，如脂肪酸合成酶复合体 亚基间的相互作用通过与一些小分子的结合而被修
13、饰，导致酶调节中别构效应的发生。三、蛋白质功能分类1、酶：除了少数有催化活性的RNA分子外，几乎所有的酶都是蛋白质。2、信号传递：细胞膜上的受体蛋白与来自细胞外介质的配体（如激素）结合，通过最终的构象，在细胞内启动对应于配体的反应。3、转运与贮存：血红蛋白在红细胞中转运氧气，转铁蛋白转运铁至肝脏。4、结构与运动：胶原蛋白是皮肤、骨骼和结缔组织中主要的蛋白质，头发主要由角蛋白组成。5、营养：酪蛋白和卵清蛋白分别是奶和蛋中主要的蛋白质，为发育中的后代提供氨基酸。6、免疫：识别并结合细菌、病毒和其他外源物质（抗原）的抗体，也是蛋白质。7、调节：转录因子与DNA结合并调节其功能。四、蛋白质结构域、基序
14、和家族1、蛋白质的结构域 许多蛋白质含有相互独立的结构单元即结构域（domain），由同一肽链内具有有限高级结构的区域连接而成，往往与特定的功能有关，故又称为功能区。对于真核蛋白来说，结构域往往由特定的外显子编码2、结构基序（motif），又称超二级结构 频繁出现在球蛋白中的二级结构元件群，在功能上很重要，代表着同祖先蛋白质家族进化过程中保留下来的保守的结合位点或催化位点的必要部分 不同的蛋白质可能含有相同的结构基序，因此可能具有相同或相近的功能3、蛋白质家族 蛋白质家族起源于一个古老基因的连续复制和随后的趋异进化。 不同物种的具有相同功能，承担相同生化角色的蛋白质家族成员（如大鼠和小鼠的肌红
15、蛋白）为直向同源。 进化不同但功能类似的蛋白（如-球蛋白与-球蛋白） 不同生物体的一个蛋白质家族成员间氨基酸序列的相似程度取决于两个生物体从共同祖先偏离的时间以及该序列的保守性对蛋白质功能的重要性。 在分子生物学研究中，反映不同生物（包括微生物和动物）进化关系的进化树就是根据上述原理建立的。五、蛋白质分析法1、纯化（Purification）: to obtain enough pure sample for study根据蛋白质性质来选择蛋白纯化方法的原则：分子大小：凝胶过滤层析、超速离心电荷：离子交换色谱、等电聚焦、电泳疏水性：疏水相互作用层析亲和性:亲和层析重组技术:通过DNA操作，使得蛋白纯化变得简单2、序列测定（Sequencing）: determine the primary structure of a pure protein
