系统生物学方法第二篇

1、整理课件1系统生物学方法系统生物学方法第二篇（第二篇（2） 孟大志孟大志北京工业大学北京工业大学整理课件22. 蛋白质蛋白质细胞中有机物达几千种之多，约占细胞干重的细胞中有机物达几千种之多，约占细胞干重的90以上，以上，它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。有机物中主要由四它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。有机物中主要由四大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约占细胞干重的占细胞干重的90%以上。以上。1). 蛋白质定义及概述蛋白质定义及概述蛋白质是一种复杂的有机化合物，旧称蛋白质是一种复杂的有机化合物，旧称“朊朊”。组成蛋。组成

2、蛋白质的基本单位是氨基酸，氨基酸通过脱水缩合形成肽链。白质的基本单位是氨基酸，氨基酸通过脱水缩合形成肽链。蛋白质是由一条或多条多肽链组成的生物大分子，每一条多蛋白质是由一条或多条多肽链组成的生物大分子，每一条多肽链有二十肽链有二十数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。定的顺序排列。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。除了遗传密码所编码的除了遗传密码所编码的20种种“标准标准”氨基酸，在蛋白质中，氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰

3、而发生化学结构的变化，从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以结合在一起从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以结合在一起形成稳定的蛋白质复合物，发挥某一特定功能形成稳定的蛋白质复合物，发挥某一特定功能。产生蛋白质。产生蛋白质的细胞器是核糖体。的细胞器是核糖体。整理课件3蛋白质（蛋白质（protein）是生命的物质基础，它是与生命及与各）是生命的物质基础，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。有机体中的每种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。有机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人体重量的人体重量的1

4、6.3%，即一个，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白重的成年人其体内约有蛋白质质9.8kg。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的，并在体内不多种氨基酸按不同比例组合而成的，并在体内不断进行代谢与更新。被食入的蛋白质在体内经过消化分解断进行代谢与更新。被食入的蛋白质在体内经过消化分解成氨基酸，吸收后在体内主要用于重新按一定比例组合成成氨基酸，吸收后在体内主要用于重新按一定比例组合成人体蛋白质，同时新的蛋白质又在不断代谢与分解，时刻人体蛋白质，同时新的蛋白质又在不断代谢与分解，时刻处于动态平衡中。处

5、于动态平衡中。整理课件42). 蛋白质的性质蛋白质的性质具有化学两性具有化学两性蛋白质是由蛋白质是由-氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，在蛋白质分子中存在着在蛋白质分子中存在着氨基氨基和和羧基羧基，因此跟氨基酸相似，因此跟氨基酸相似，也是两性物质。也是两性物质。可发生水解反应可发生水解反应蛋白质在酸、碱或酶的作用下发生水解反应，经过多蛋白质在酸、碱或酶的作用下发生水解反应，经过多肽，最后得到多种肽，最后得到多种-氨基酸。氨基酸。 溶水具有胶体的性质溶水具有胶体的性质有些蛋白质能够溶解在水里（例如鸡蛋白能溶解在水有些蛋白质能够溶解在水里（例如鸡蛋白能溶解在水里）

6、形成溶液，具有胶体性质。里）形成溶液，具有胶体性质。蛋白质的分子直径达到了胶体微粒的大小（蛋白质的分子直径达到了胶体微粒的大小（109107m）时，所以蛋白质具有胶体的性质。）时，所以蛋白质具有胶体的性质。整理课件5 加入电解质可产生盐析作用加入电解质可产生盐析作用少量的盐（如硫酸铵、硫酸钠等）能促进蛋白质的溶解，少量的盐（如硫酸铵、硫酸钠等）能促进蛋白质的溶解，如向蛋白质水溶液中加入浓的无机盐溶液，可使蛋白质的溶如向蛋白质水溶液中加入浓的无机盐溶液，可使蛋白质的溶解度降低，而从溶液中析出，这种作用叫做盐析解度降低，而从溶液中析出，这种作用叫做盐析这样盐析出的蛋白质仍旧可以溶解在水中，而不影响

7、原这样盐析出的蛋白质仍旧可以溶解在水中，而不影响原来蛋白质的性质，因此盐析是个可逆过程利用这个性质，来蛋白质的性质，因此盐析是个可逆过程利用这个性质，采用盐析方法可以分离提纯蛋白质采用盐析方法可以分离提纯蛋白质 蛋白质的变性蛋白质的变性在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作作用下，蛋白质在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作作用下，蛋白质会发生性质上的改变而凝结起来这种凝结是不可逆的，不会发生性质上的改变而凝结起来这种凝结是不可逆的，不不能再使它们恢复成原来的蛋白质，失去了它们生理上的作不能再使它们恢复成原来的蛋白质，失去了它们生理上的作用蛋白质的这种变化叫做变性用蛋白质的这种变化叫做变性整理课件63

8、).蛋白质的折叠过程蛋白质的折叠过程 20世纪最惊人的发现之一就是许多蛋白质的活性状态和世纪最惊人的发现之一就是许多蛋白质的活性状态和失活状态可以互相转化，在一个精确控制的溶液条件下失活状态可以互相转化，在一个精确控制的溶液条件下（例如通过透析除去导致失活的化学物质），失活的蛋白（例如通过透析除去导致失活的化学物质），失活的蛋白质可以转变为活性形式。如何使蛋白质恢复到它们的活性质可以转变为活性形式。如何使蛋白质恢复到它们的活性状态使生物化学的一个主要研究领域，称为状态使生物化学的一个主要研究领域，称为蛋白质折叠学蛋白质折叠学。蛋白质折叠机理的研究，对保留蛋白质活性，维持蛋白质稳蛋白质折叠机理的

9、研究，对保留蛋白质活性，维持蛋白质稳定性都具有重要的意义。定性都具有重要的意义。序列本身已经包括了蛋白质正确折叠的所有信息，由于提出序列本身已经包括了蛋白质正确折叠的所有信息，由于提出蛋白质折叠的热力学假说，蛋白质折叠的热力学假说，Anfinsen获得获得1972年诺贝尔化学年诺贝尔化学奖。这一理论有两个关键点：奖。这一理论有两个关键点：平衡平衡中；中；最低的能量状态最低的能量状态。整理课件7 尽管蛋白质的氨基酸序列在蛋白质的正确折叠中起着核尽管蛋白质的氨基酸序列在蛋白质的正确折叠中起着核心的作用，但是各种各样的因素，包括心的作用，但是各种各样的因素，包括信号序列信号序列，辅助因子，辅助因子，

10、分子伴侣，环境条件分子伴侣，环境条件，均会影响蛋白质的折叠，新生蛋白质，均会影响蛋白质的折叠，新生蛋白质折叠并组装成有功能的蛋白质，并非都是自发的，在多数情折叠并组装成有功能的蛋白质，并非都是自发的，在多数情况下是需要其它蛋白质的帮助，已经鉴定了许多参与蛋白质况下是需要其它蛋白质的帮助，已经鉴定了许多参与蛋白质折叠的折叠酶和分子伴侣，蛋白质折叠的折叠酶和分子伴侣，蛋白质“自发折叠自发折叠”的经典概念的经典概念发生了转变和更新，但这并不与折叠的热力学假说相矛盾，发生了转变和更新，但这并不与折叠的热力学假说相矛盾，而是在动力学上完善了热力学观点。在蛋白质的折叠过程中，而是在动力学上完善了热力学观点

11、。在蛋白质的折叠过程中，有许多作用力参与，包括一些构象的空间阻碍，范德华力，有许多作用力参与，包括一些构象的空间阻碍，范德华力，氢键的相互作用，疏水效应，离子相互作用，多肽和周围溶氢键的相互作用，疏水效应，离子相互作用，多肽和周围溶剂相互作用产生的熵驱动的折叠。剂相互作用产生的熵驱动的折叠。但对于蛋白质获得天然结构这一复杂过程的特异性，还知之但对于蛋白质获得天然结构这一复杂过程的特异性，还知之甚少，许多实验和理论的工作都在加深对折叠的认识，但是甚少，许多实验和理论的工作都在加深对折叠的认识，但是问题仍然没有解决。问题仍然没有解决。 整理课件8蛋白质的四蛋白质的四级结构级结构整理课件94）蛋白质

12、的生理功能）蛋白质的生理功能a、构造、构造组织组织：蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细：蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料。人胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料。人体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等都是由蛋白质组成。液、神经、内分泌等都是由蛋白质组成。b、修补人体、修补人体组织组织：人的身体由百兆亿个细胞组成，细：人的身体由百兆亿个细胞组成，细胞可以说是生命的最小单位，它们处于永不停息的衰老、死胞可以说是生命的最小单位，它们处于永不停息的衰老

13、、死亡、新生的新陈代谢过程中。例如年轻人的表皮亡、新生的新陈代谢过程中。例如年轻人的表皮28天更新一天更新一次，而胃黏膜两三天就要全部更新。次，而胃黏膜两三天就要全部更新。 c、维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送。、维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送。载体蛋白载体蛋白对维持人体的正常生命活动是至关重要的。可以在对维持人体的正常生命活动是至关重要的。可以在体内运载各种物质。比如血红蛋白体内运载各种物质。比如血红蛋白输送氧（红血球更新速输送氧（红血球更新速率率250万万/秒）、脂蛋白秒）、脂蛋白输送脂肪、细胞膜上的受体还有转输送脂肪、细胞膜上的受体还有转运蛋白等。运蛋白等。d、

14、白蛋白白蛋白：维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡。：维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡。e、维持体液的酸碱平衡。、维持体液的酸碱平衡。整理课件10 f、免疫细胞和、免疫细胞和免疫蛋白免疫蛋白：有白细胞、淋巴细胞、巨噬细：有白细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、抗体（免疫球蛋白）、补体、干扰素等。七天更新一次。胞、抗体（免疫球蛋白）、补体、干扰素等。七天更新一次。g、构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。、构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。h、激素激素的主要原料。具有调节体内各器官的生理活性。的主要原料。具有调节体内各器官的生理活性。胰岛素是由胰岛素是由51个氨基酸分子合成。生长素是由个氨基酸分子合成

15、。生长素是由191个氨基酸分个氨基酸分子合成。子合成。k、构成神经递质、构成神经递质乙酰胆碱乙酰胆碱、五羟色氨等。维持神经系、五羟色氨等。维持神经系统的正常功能：味觉、视觉和记忆。统的正常功能：味觉、视觉和记忆。j、胶原蛋白胶原蛋白：占身体蛋白质的：占身体蛋白质的1/3，生成结缔组织，构，生成结缔组织，构成身体骨架。如骨骼、血管、韧带等，决定了皮肤的弹性，成身体骨架。如骨骼、血管、韧带等，决定了皮肤的弹性，保护大脑（在大脑脑细胞中，很大一部分是胶原细胞，并且保护大脑（在大脑脑细胞中，很大一部分是胶原细胞，并且形成血脑屏障保护大脑）形成血脑屏障保护大脑）l、提供热能提供热能。 整理课件115).

16、 常见蛋白质常见蛋白质纤维蛋白纤维蛋白（fibrous protein） 球蛋白球蛋白(globular protein角蛋白角蛋白（keratin）胶原蛋白胶原蛋白（collagen）伴娘蛋白伴娘蛋白（chaperone）:与一种新合成的多肽链形成复与一种新合成的多肽链形成复合物并协助它正确折叠成具有生物功能构向的蛋白质。伴娘合物并协助它正确折叠成具有生物功能构向的蛋白质。伴娘蛋白可以防止不正确折叠中间体的形成和没有组装的蛋白亚蛋白可以防止不正确折叠中间体的形成和没有组装的蛋白亚基的不正确聚集，协助多肽链跨膜转运以及大的多亚基蛋白基的不正确聚集，协助多肽链跨膜转运以及大的多亚基蛋白质的组装和

17、解体。质的组装和解体。肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin）血红蛋白血红蛋白（hemoglobin）别构效应（别构效应（allosteric effect）:又称为变构效应，是寡聚又称为变构效应，是寡聚蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性丧蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性丧失的现象。失的现象。整理课件123. 细胞的其他有机分子细胞的其他有机分子1). 核酸核酸核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核糖核酸核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核糖

18、核酸RNA和脱氧核糖核和脱氧核糖核酸两大类酸两大类DNA。当温度上升到一定高度时，。当温度上升到一定高度时，DNA双链即解离为单链，称双链即解离为单链，称为变性（为变性（denaturation）或熔解（）或熔解（melting），这一温度称为熔解温度），这一温度称为熔解温度（melting temperature，Tm）。碱基组成不同的）。碱基组成不同的DNA，熔解温度不一样，熔解温度不一样，含含GC对（对（3条氢键）多的条氢键）多的DNA，Tm高；含高；含AT对（对（2条氢键）多的，条氢键）多的，Tm低。当温度下降到一定温度以下，变性低。当温度下降到一定温度以下，变性DNA的互补单链又可通

19、过在配的互补单链又可通过在配对碱基间形成氢键，恢复对碱基间形成氢键，恢复DNA的双螺旋结构，这一过程称为复性的双螺旋结构，这一过程称为复性（renaturation）或退火（）或退火（annealing）。）。DNA有三种主要构象有三种主要构象B-DNA：为：为Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱基，个碱基，螺旋扭角为螺旋扭角为36度，螺距度，螺距34A，每个碱基对的螺旋上升值为，每个碱基对的螺旋上升值为3.4A，碱基倾角，碱基倾角为为-2度。度。A-DNA：为右手螺旋，每圈螺旋：为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为个碱基，

20、螺旋扭角为33度，螺度，螺距距32A，每个碱基对的螺旋上升值为，每个碱基对的螺旋上升值为2.9A，碱基倾角为，碱基倾角为13度。度。Z-DNA：为左手螺旋，每圈螺旋：为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，螺旋扭角为个碱基，螺旋扭角为-51度（度（GC）和）和-9度（度（CG），螺距），螺距46A，每个碱基对的螺旋上升值为，每个碱基对的螺旋上升值为3.5A（GC）和）和4.1A（CG），碱基倾角为），碱基倾角为9度。度。整理课件13Adenine腺嘌呤，腺嘌呤，guanine鸟嘌呤，鸟嘌呤，thymine胸腺嘧啶，胸腺嘧啶，cytosine胞腺嘧胞腺嘧啶啶整理课件142). 糖类糖类细胞中的糖类既有单

21、糖，也有多糖。细胞中的单糖是细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。细胞中的单糖是作为能源以及与糖有关的化合物的原料存在。重要的单糖作为能源以及与糖有关的化合物的原料存在。重要的单糖为五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳为五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳糖为核糖，最重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量糖为核糖，最重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。多糖在细胞结构成分中占有主要的地位。细胞中的多多糖在细胞结构成分中占有主要的地位。细胞中的多糖基本上可分为两类：一类是营养储备多糖；另一类是结

22、糖基本上可分为两类：一类是营养储备多糖；另一类是结构多糖。作为食物储备的多糖主要有两种，在植物细胞中构多糖。作为食物储备的多糖主要有两种，在植物细胞中为淀粉（为淀粉（starch），在动物细胞中为糖元（），在动物细胞中为糖元（glycogen）。在）。在真核细胞中结构多糖主要有纤维素（真核细胞中结构多糖主要有纤维素（cellulose）和几丁质）和几丁质（chitin）。）。整理课件153). 脂类脂类脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合物难溶于水，油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合物难溶于水

23、，而易溶于非极性有机溶剂。而易溶于非极性有机溶剂。甘油酯：甘油酯为能源物质，氧化时可比糖或蛋白质甘油酯：甘油酯为能源物质，氧化时可比糖或蛋白质释放出高两倍的能量。营养缺乏时，就要动用甘油酯提供释放出高两倍的能量。营养缺乏时，就要动用甘油酯提供能量。能量。蜡：脂肪酸同长链脂肪族一元醇或固醇酯化形成蜡蜡：脂肪酸同长链脂肪族一元醇或固醇酯化形成蜡（如蜂蜡）。（如蜂蜡）。 磷脂：磷脂对细胞的结构和代谢至关重要，它是构成生磷脂：磷脂对细胞的结构和代谢至关重要，它是构成生物膜的基本成分，也是许多代谢途径的参与者。分为甘油物膜的基本成分，也是许多代谢途径的参与者。分为甘油磷脂和鞘磷脂两大类。磷脂和鞘磷脂两大

24、类。整理课件163. 酶与生物催化剂酶与生物催化剂1）酶）酶 酶是蛋白质性的催化剂，主要作用是降低化学反应的活酶是蛋白质性的催化剂，主要作用是降低化学反应的活化能，增加了反应物分子越过活化能屏障和完成反应的概率。化能，增加了反应物分子越过活化能屏障和完成反应的概率。酶的作用机制是，在反应中酶与底物暂时结合，形成了酶的作用机制是，在反应中酶与底物暂时结合，形成了酶酶底物活化复合物底物活化复合物。这种复合物对活化能的需求量低，因而。这种复合物对活化能的需求量低，因而在单位时间内复合物分子越过活化能屏障的数量就比单纯分在单位时间内复合物分子越过活化能屏障的数量就比单纯分子要多。反应完成后，酶分子迅即

25、从酶子要多。反应完成后，酶分子迅即从酶底物复合物中解底物复合物中解脱出来。脱出来。酶的主要特点是：具有高效催化能力、高度特异性和可酶的主要特点是：具有高效催化能力、高度特异性和可调性；要求适宜的调性；要求适宜的pH和温度；只催化热力学允许的反应，对和温度；只催化热力学允许的反应，对正负反应的均具有催化能力，实质上是能加速反应达到平衡正负反应的均具有催化能力，实质上是能加速反应达到平衡的速度。的速度。整理课件172）RNA催化剂催化剂T.Cech 1982发现四膜虫（发现四膜虫（Tetrahymena）rRNA的前的前体物能在没有任何蛋白质参与下进行自我加工，产生成熟体物能在没有任何蛋白质参与下

26、进行自我加工，产生成熟的的rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接（产物。这种加工方式称为自我剪接（self splicing）。后来又发现，这种剪下来的）。后来又发现，这种剪下来的RNA内含子序列内含子序列像酶一样，也具有催化活性。此像酶一样，也具有催化活性。此RNA序列长约序列长约400个核苷个核苷酸，可褶叠成表面复杂的结构。它也能与另一酸，可褶叠成表面复杂的结构。它也能与另一RNA分子结分子结合，将其在一定位点切割开，因而将这种具有催化活性的合，将其在一定位点切割开，因而将这种具有催化活性的RNA序列称为序列称为核酶核酶（Ribozyme）。后来陆续发现，具有）。后来陆续发现，具有催化活性

27、的催化活性的RNA不只存在于四膜虫，而是普遍存在于原核不只存在于四膜虫，而是普遍存在于原核和真核生物中。一个典型的例子核糖体的肽基转移酶，过和真核生物中。一个典型的例子核糖体的肽基转移酶，过去一直认为催化肽链合成的是核糖体中蛋白质的作用，但去一直认为催化肽链合成的是核糖体中蛋白质的作用，但事实上具有肽基转移酶活性和催化形成肽键的成分是事实上具有肽基转移酶活性和催化形成肽键的成分是RNA，而不是蛋白质，核糖体中的蛋白质只起支架作用。而不是蛋白质，核糖体中的蛋白质只起支架作用。 整理课件18第二章第二章 分子生物组学分子生物组学第一节第一节 基因组基因组 基因表达基因表达(gene express

28、ion)是指细胞在生命过程中是指细胞在生命过程中,把储把储存在存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译顺序中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物转变成具有生物活性的蛋白质分子。活性的蛋白质分子。 生物体内的各种功能蛋白质和酶都是同相应的结构基因生物体内的各种功能蛋白质和酶都是同相应的结构基因编码的。编码的。 整理课件19整理课件201）.转录过程转录过程在在RNA聚合酶的催化下聚合酶的催化下,以以DNA为模板合成为模板合成mRNA的的过程称为过程称为转录转录(transcription).在双链在双链DNA中中,作为转录模板作为转录模板的链称为的链称为模板链模板链(template stran

29、d),或或反义链反义链(antisensestrand);而不作为而不作为转录模板的链称为转录模板的链称为编码链编码链(coding strand),或或有义链有义链(sense strand).在双链在双链DNA中与转录模中与转录模板互补的一条板互补的一条DNA链即编码链链即编码链,它与转录产物的差异仅在于它与转录产物的差异仅在于DNA中中T变为变为RNA中的中的U。在含许多基因的。在含许多基因的DNA双链中双链中,每个基因的每个基因的模板链并不总是在同一条链上模板链并不总是在同一条链上,亦即一条链可作为某些基因的模亦即一条链可作为某些基因的模板链的板链的,也可是另外一些基因的编码链。也可是

30、另外一些基因的编码链。转录后要进行加工转录后要进行加工,转录后的加工包括：转录后的加工包括：整理课件21整理课件22（1）剪接：一个基因的外显子和内含子都转录在一条原始）剪接：一个基因的外显子和内含子都转录在一条原始转录物转录物RNA分子中，称为前分子中，称为前mRNA(pre-mRNA)，又称核内，又称核内异质异质RNA（heterogenuous nuclear RNA,huRNA）。因此前）。因此前mRNA分子既有外显子顺序又有内含子顺序，另外还包括编分子既有外显子顺序又有内含子顺序，另外还包括编码区前面及后面非翻译顺序。这些内含子顺序必须剪除而把码区前面及后面非翻译顺序。这些内含子顺序

31、必须剪除而把外显子顺序连接起来，才能产生成熟的有功能的外显子顺序连接起来，才能产生成熟的有功能的mRNA分子，分子，这个过程称为这个过程称为RNA剪接剪接（RNA splicing）。剪切发生在外显）。剪切发生在外显子的子的3末端的末端的GT和内含子和内含子3末端与下一个外显子交界的末端与下一个外显子交界的AG处。处。（2）加帽：几乎全部的真核）加帽：几乎全部的真核 mRNA 端都具端都具“帽子帽子”结构。结构。虽然真核生物的虽然真核生物的mRNA的转录以嘌呤核苷酸三磷酸（的转录以嘌呤核苷酸三磷酸（pppAG或或pppG）领头，但在）领头，但在5端的一个核苷酸总是端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核

32、苷三甲基鸟核苷三磷酸（磷酸（m7GpppAGpNp）。）。mNRA5端的这种结构称为帽子端的这种结构称为帽子（cap）。不同真核生物的）。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。具有不同的帽子。mRNA的帽结构功能：的帽结构功能：能被核糖体小亚基识别，促使能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；和核糖体的结合；m7Gppp结构能有效地封闭结构能有效地封闭RNA 5末端，以保护末端，以保护mRNA免疫免疫5核酸外切酶的降解，增强核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。的稳定。整理课件23（3）加尾：大多数真核生物的）加尾：大多数真核生物的mRNA 3末端都有由末端都有由100200个个A组

33、成的聚乙烯组成的聚乙烯Poly（A）尾巴）尾巴。Poly(A)尾不是由尾不是由DNA编编码的，而是转录后的前码的，而是转录后的前mRNA以以ATP为前体，由为前体，由RNA末端腺末端腺苷酸转移酶，即苷酸转移酶，即Ploy(A)聚合酶催化聚合到聚合酶催化聚合到3末端。加尾并非末端。加尾并非加在转录终止的加在转录终止的3末端，而是在转录产物的末端，而是在转录产物的3末端，由一个末端，由一个特异性酶识别切点上游方向特异性酶识别切点上游方向1320碱基的加尾识别信号碱基的加尾识别信号AAUAAA以及切点下游的保守顺序以及切点下游的保守顺序GUGUGUG，把切点下，把切点下游的一段切除，然后再由游的一段

34、切除，然后再由Poly(A)聚合酶催化，加上聚合酶催化，加上Poly(A)尾巴，如果这一识别信号发生突变，则切除作用和多聚腺苷尾巴，如果这一识别信号发生突变，则切除作用和多聚腺苷酸化作用均显著降低。酸化作用均显著降低。mRNAPoly(A)尾的功能是：尾的功能是：可能有助可能有助mRNA从核到细胞质从核到细胞质转运；转运；避免在细胞中受到核酶降解，增强避免在细胞中受到核酶降解，增强mRNA的稳定性。的稳定性。 整理课件242）翻译过程）翻译过程 真核细胞的转录以及加工都是细胞核内进行，但翻译真核细胞的转录以及加工都是细胞核内进行，但翻译过程则在细胞质中进行。过程则在细胞质中进行。以以mRNA作

35、为模板，作为模板，tRNA作为运载工具，在有关酶、作为运载工具，在有关酶、辅助因子和能量的作用下将活化的氨基酸在辅助因子和能量的作用下将活化的氨基酸在核糖体核糖体（亦称（亦称核蛋白体）上装配为蛋白质多肽链的过程，称为翻译核蛋白体）上装配为蛋白质多肽链的过程，称为翻译（translation）,这一过程大致可分为这一过程大致可分为3个阶段：个阶段：（1）肽链的起始：在许多起始因子的作用下，首先是核糖）肽链的起始：在许多起始因子的作用下，首先是核糖体的小亚基和体的小亚基和mRNA上的起始密码子结合，然后甲酰甲硫上的起始密码子结合，然后甲酰甲硫氨酰氨酰tRNA(tRNA fMet)结合上去，构成起始

36、复合物。通过结合上去，构成起始复合物。通过tRNA的反密码子的反密码子UAC，识别，识别mRNA上的起始密码子上的起始密码子AUG，并相互配对，随后核糖体大亚基结合到小亚基上去，形成并相互配对，随后核糖体大亚基结合到小亚基上去，形成稳定的复合体，从而完成了起始的作用。稳定的复合体，从而完成了起始的作用。整理课件25（2）肽链的延和长：核糖体上有两个结合点）肽链的延和长：核糖体上有两个结合点P位和位和A位，位，可以同时结合两个氨酰可以同时结合两个氨酰tRNA。当核糖体沿着。当核糖体沿着mRNA从从53移动时，便依次读出密码子。首先是移动时，便依次读出密码子。首先是tRNA-fMet结合在结合在P

37、位，位，随后第二个氨酰随后第二个氨酰tRNA进入进入A位。此时，在肽基转移酶的催位。此时，在肽基转移酶的催化下，化下，P位和位和A位上的位上的2个氨基酸之间形成肽键。第一个个氨基酸之间形成肽键。第一个tRNA失去了所携带的氨基酸而从失去了所携带的氨基酸而从P位脱落，位脱落，P位空载。位空载。A位位上的氨酰上的氨酰tRNA在移位酶和在移位酶和GTP的作用下，移到的作用下，移到P位，位，A位位则空载。核糖体沿则空载。核糖体沿mRNA 5端向端向3端移动一个密码子的距端移动一个密码子的距离。第三个氨酰离。第三个氨酰tRNA进入进入A位，与位，与P位上氨基酸再形成肽键，位上氨基酸再形成肽键，并接受并接

38、受P位上的肽链，位上的肽链，P位上位上tRNA释放，释放，A位上肽链又移到位上肽链又移到P位，如此反复进行，肽链不断延长，直到位，如此反复进行，肽链不断延长，直到mRNA的终止密的终止密码出现时，没有一个氨酰码出现时，没有一个氨酰tRNA可与它结合，于是肽链延长可与它结合，于是肽链延长终止。终止。整理课件26（3）肽链的终止：终止信号是）肽链的终止：终止信号是mRNA上的终止密码子上的终止密码子（UAA、UAG或或UGA）。当核糖体沿着）。当核糖体沿着mRNA移动时，多移动时，多肽链不断延长，到肽链不断延长，到A位上出现终止信号后，就不再有任何氨位上出现终止信号后，就不再有任何氨酰酰tRNA接

39、上去，多肽链的合成就进入终止阶段。在释放因子接上去，多肽链的合成就进入终止阶段。在释放因子的作用下，肽酰的作用下，肽酰tRNA的的酯键分开，于是完整的多肽链和核的的酯键分开，于是完整的多肽链和核糖体的大亚基便释放出来，然后小亚基也脱离糖体的大亚基便释放出来，然后小亚基也脱离mRNA。（4）翻译后加工（）翻译后加工（postranslational processing）：从核糖体）：从核糖体上释放出来的多肽需要进一步上释放出来的多肽需要进一步加工修饰加工修饰才能形成具有生物活才能形成具有生物活性的蛋白质。翻译后的肽链加工包括肽链切断，某些氨基酸性的蛋白质。翻译后的肽链加工包括肽链切断，某些氨基

40、酸的的羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。真核生物在新生肽等。真核生物在新生肽链翻译后将链翻译后将甲硫氨酸裂解掉甲硫氨酸裂解掉。有一类基因的翻译产物前体含。有一类基因的翻译产物前体含有多种氨基酸顺序，可以切断为不同的蛋白质或肽，称为多有多种氨基酸顺序，可以切断为不同的蛋白质或肽，称为多蛋白质（蛋白质（polyprotein）。例如胰岛素（）。例如胰岛素（insulin）是先合成）是先合成86个氨基酸的初级翻译产物，称为胰岛素原（个氨基酸的初级翻译产物，称为胰岛素原（proinsulin），胰），胰岛素原包括岛素原包括A、B、C三段，经过加工，切去其中无活性的三段，经

41、过加工，切去其中无活性的C肽段，并在肽段，并在A肽和肽和B肽之间形成二硫键，这样才得到由肽之间形成二硫键，这样才得到由51个氨个氨基酸组成的有活性的胰岛素。基酸组成的有活性的胰岛素。整理课件27整理课件283）外显子与内含子表达过程中的相对性）外显子与内含子表达过程中的相对性 从内含子与外从内含子与外显子的定义来看，两者是不能混淆的，但是真核生物的外显子的定义来看，两者是不能混淆的，但是真核生物的外显子也并非都显子也并非都“显显”（编码氨基酸），除了（编码氨基酸），除了tRNA基因和基因和rRNA基因的外显子完全基因的外显子完全“不显不显”之外，几乎全部的结构基之外，几乎全部的结构基因的首尾两

42、外显子都只有部分核苷酸顺序编码氨基酸，还因的首尾两外显子都只有部分核苷酸顺序编码氨基酸，还有完全不编码基酸的外显子，如人类有完全不编码基酸的外显子，如人类G6PD基因的第一外显基因的第一外显子核苷酸顺序。子核苷酸顺序。现在已发现一个基因的外显子可以是另一基因的内含现在已发现一个基因的外显子可以是另一基因的内含子，反之亦然。子，反之亦然。整理课件294）基因扩增）基因扩增(gene amplification)细胞内选择性复制细胞内选择性复制DNA, 产生大量的拷贝。如两栖类产生大量的拷贝。如两栖类卵母细胞在发育的早期，卵母细胞在发育的早期，rRNA基因的数量扩增到基因的数量扩增到1000多多倍

43、。基因扩增是通过形成几千个核进行的，每个核里含有倍。基因扩增是通过形成几千个核进行的，每个核里含有几百拷贝的编码几百拷贝的编码28S、18S和和5.8S的的rRNA基因，最后卵母基因，最后卵母细胞中的这些细胞中的这些rRNA基因的拷贝数几乎达到基因的拷贝数几乎达到50万个，而在万个，而在相同生物的其它类型细胞中，这些相同生物的其它类型细胞中，这些rRNA基因的拷贝数只基因的拷贝数只有几百个。卵母细胞中有如此众多的有几百个。卵母细胞中有如此众多的rRNA基因拷贝，为基因拷贝，为卵细胞在受精后的发育过程中合成大量核糖体创造了条件。卵细胞在受精后的发育过程中合成大量核糖体创造了条件。核糖体核糖体RN

44、A：即：即rRNA，是最多的一类，是最多的一类RNA，也是，也是3类类RNA（tRNA,mRNA,rRNA)中相对分子质量最大的一类中相对分子质量最大的一类RNA，它与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为，它与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为mRNA的支架，使的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的分子在其上展开，实现蛋白质的合成。合成。rRNA占占RNA总量的总量的82左右。左右。 整理课件302. 基因调控（基因调控（gene expression，regulation of）生物体内控制基因表达的机制，主要过程是基因的转录生物体内控制基因表达的机制，主要过程是基因的转录和信使核

45、糖核酸（和信使核糖核酸（mRNA）的翻译。因此基因调控主要发生）的翻译。因此基因调控主要发生在在3个水平上，即个水平上，即DNA水平上的调控水平上的调控、转录控制和翻译控转录控制和翻译控制制；微生物通过基因调控可以改变微生物通过基因调控可以改变代谢代谢方式以适应环境的方式以适应环境的变化，这类基因调控一般是短暂的和可逆的；变化，这类基因调控一般是短暂的和可逆的；多多细胞细胞生物生物的的基因调控是细胞分化、形态发生和个体发育的基础基因调控是细胞分化、形态发生和个体发育的基础，这类，这类调控一般是长期的，而且往往是不可逆的。基因调控的研究调控一般是长期的，而且往往是不可逆的。基因调控的研究有广泛的

46、生物学意义，是发生遗传学和分子遗传学的重要研有广泛的生物学意义，是发生遗传学和分子遗传学的重要研究领域。究领域。通过基因调控，微生物可以避免过多地合成氨基酸、核通过基因调控，微生物可以避免过多地合成氨基酸、核苷酸之类物质。如果使它们的调节基因发生突变，就可以得苷酸之类物质。如果使它们的调节基因发生突变，就可以得到大量合成这些物质的菌种到大量合成这些物质的菌种 ，把这些菌种用在发酵工业上，把这些菌种用在发酵工业上，使产量大幅度增长。在遗传工程的研究中应用基因调控的原使产量大幅度增长。在遗传工程的研究中应用基因调控的原理可使外源基因表达，所以基因调控的理论探讨还具有生产理可使外源基因表达，所以基因

47、调控的理论探讨还具有生产实践意义。实践意义。整理课件31 生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，因并不是同时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开启，有的基因关闭。如血红蛋白基因只细胞中有的基因开启，有的基因关闭。如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶只在消化腺细胞中表达。这其中在红细胞中表达，消化酶只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。存在着复杂的基因调控。基因表达的调控可以在不同的层次、不同的水平上进基因表达的调控可以在不同的层次、不同的水平上进行，大致可分为

48、以下五个方面。行，大致可分为以下五个方面。1).转录调控转录调控 细胞可以通过控制基因转录细胞可以通过控制基因转录mRNA的拷的拷贝数来调控基因的产物。例如，红细胞中组成血红蛋白的贝数来调控基因的产物。例如，红细胞中组成血红蛋白的和和多肽的基因快速、大量地转录，产生大量的多肽的基因快速、大量地转录，产生大量的mRNA分子，分子，形成大量的血红蛋白分子。其他任何一个细胞都有这些基形成大量的血红蛋白分子。其他任何一个细胞都有这些基因，但不转录。因，但不转录。2).转录后调控转录后调控 有些有些mRNA在从细胞核内输送到细胞在从细胞核内输送到细胞质中翻译之前，必须要经过质中翻译之前，必须要经过化学修

49、饰化学修饰。没有经过修饰的。没有经过修饰的mRNA与核糖体不能结合，因而就不能被翻译成为蛋白质。与核糖体不能结合，因而就不能被翻译成为蛋白质。整理课件32 3).翻译调控翻译调控 细胞可以通过限制核糖体与细胞可以通过限制核糖体与mRNA的结合，的结合，或限制多肽链的生长，来调节或限制多肽链的生长，来调节mRNA的的翻译速率翻译速率。4).翻译后调控翻译后调控 对于一些具有特殊功能的蛋白质，还对于一些具有特殊功能的蛋白质，还要有翻译后的修饰。多肽链上的一些氨基酸要去掉，或者加要有翻译后的修饰。多肽链上的一些氨基酸要去掉，或者加上其他一些化学基团，如糖类、磷酸基团等。例如，胰腺最上其他一些化学基团

50、，如糖类、磷酸基团等。例如，胰腺最初产生的消化酶初产生的消化酶糜蛋白酶原是没有活性的。糜蛋白酶原糜蛋白酶原是没有活性的。糜蛋白酶原离开胰腺进入小肠后，被其他的酶裂解，去掉一部分氨基酸，离开胰腺进入小肠后，被其他的酶裂解，去掉一部分氨基酸，就成为能分解蛋白质的有活性的糜蛋白酶。这种机制有效地就成为能分解蛋白质的有活性的糜蛋白酶。这种机制有效地限制了糜蛋白酶对自身内脏的分解活性，防止糜蛋白酶对自限制了糜蛋白酶对自身内脏的分解活性，防止糜蛋白酶对自身的消化。身的消化。5).蛋白质调控环境因子影响酶的功效蛋白质调控环境因子影响酶的功效。例如，生物合。例如，生物合成途径中的最终产物，通过与途径中早期的酶

51、结合，降低合成途径中的最终产物，通过与途径中早期的酶结合，降低合成活性。成活性。整理课件333. 基因组学基因组学基因组学（英文基因组学（英文genomics），台湾译作基因体学，研），台湾译作基因体学，研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。该学科提供基究生物基因组和如何利用基因的一门学问。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。和工业领域的重大问题。基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例如，对刚诊断为乳腺癌的女性，一个名为如，对刚诊断为乳腺癌的

52、女性，一个名为“Oncotype DX”的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。基因组学的主要工具和方法包括：基因组学的主要工具和方法包括： 生物信息学生物信息学，遗传遗传分析分析，基因表达测量基因表达测量和和基因功能鉴定。基因功能鉴定。整理课件34 基因组学出现于基因组学出现于1980年代，年代，1990年代随着几个物种基因年代随着几个物种基因组计

53、划的启动，基因组学取得长足发展。组计划的启动，基因组学取得长足发展。 相关领域是遗传学，相关领域是遗传学，其研究基因以及在遗传中的功能。其研究基因以及在遗传中的功能。1980年，噬菌体年，噬菌体 -X174;(5,368 碱基对碱基对)完全测序，成为完全测序，成为第一个测定的基因组。第一个测定的基因组。 1995年，嗜血流感菌（年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因组测序工作迅速展开。组测序工作迅速展开。 2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为

54、基年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。因组学研究揭开新的一页。 基因组学是研究生物基因组的组成基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学构、相互关系及表达调控的科学。整理课件35第二节第二节 蛋白质组学蛋白质组学 蛋白质组学（蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（）一词，源于蛋白质（protein）与与 基因组学（基因组学（genomics）两个词的组合，意指）两个词的组合，意指“一种基因组一种基因组所表达的全套蛋白质所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表，即包括一种细胞乃至一种生

55、物所表达的全部蛋白质。蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研达的全部蛋白质。蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平表达水平，翻译后的，翻译后的修饰修饰，蛋白与蛋白蛋白与蛋白相互作用相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识.这个概念最早是在这个概念最早是在1995年提出的。蛋白质组的研究不仅能为年提出的。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐

56、明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性疾病特异性的蛋白质分子的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。也会为疾病的早期诊断提供分子标志。整理课件36蛋白质组学的研究基础蛋白质组学的研究基础90年代初期开始实施的人类基因组计划，在经过各国年代初期开始实施的人类基因组计划，在经过各国科学家近科学家近10年的努力下，不仅完成了十余种模式生物（从年的努力下，不仅完

57、成了十余种模式生物（从大肠杆菌、酿酒酵母到线虫）基因组全序列的测定工作，大肠杆菌、酿酒酵母到线虫）基因组全序列的测定工作，还在还在2003年提前完成人类所有基因的全序列测定。基因组年提前完成人类所有基因的全序列测定。基因组学虽然在基因活性和疾病的相关性方面为人类提供了有力学虽然在基因活性和疾病的相关性方面为人类提供了有力根据根据,但实际上但实际上大部分疾病并不是因为基因改变所造成大部分疾病并不是因为基因改变所造成。并。并且，基因的表达方式错综复杂，同样的一个基因在不同条且，基因的表达方式错综复杂，同样的一个基因在不同条件、不同时期可能会起到完全不同的作用。关于这些方面件、不同时期可能会起到完全

58、不同的作用。关于这些方面的问题，基因组学是无法回答的。所以，随着人类基因组的问题，基因组学是无法回答的。所以，随着人类基因组计划的逐步完成，科学家们又进一步提出了后基因组计划，计划的逐步完成，科学家们又进一步提出了后基因组计划，蛋白质组（蛋白质组（proteome）研究是其中一个很重要的内容。）研究是其中一个很重要的内容。整理课件37基因组基因组(genome)包含的遗传信息经转录产生包含的遗传信息经转录产生mRNA，一个，一个细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的mRNA称称为为转录子组转录子组(transcriptome)。很显然，不同细胞在不

59、同生。很显然，不同细胞在不同生理或病理状态下转录子组包含的理或病理状态下转录子组包含的mRNA的种类不尽相同。的种类不尽相同。mRNA经翻译产生蛋白质，一个细胞在特定生理或病理状经翻译产生蛋白质，一个细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的蛋白质称为态下表达的所有种类的蛋白质称为蛋白质组蛋白质组。同理，不同。同理，不同细胞在不同生理或病理状态下所表达的蛋白质的种类也不细胞在不同生理或病理状态下所表达的蛋白质的种类也不尽相同。蛋白质是基因功能的实施者，因此对蛋白质结构，尽相同。蛋白质是基因功能的实施者，因此对蛋白质结构，定位和蛋白质定位和蛋白质-蛋白质相互作用的研究将为阐明生命现象的蛋白质相互

60、作用的研究将为阐明生命现象的本质提供直接的基础。本质提供直接的基础。 在蛋白质组研究中，在蛋白质组研究中，二维电泳二维电泳和和质谱技术质谱技术的黄金组合的黄金组合为掌握蛋白质表达规律提供实验基础。蛋白质组学就是指为掌握蛋白质表达规律提供实验基础。蛋白质组学就是指研究蛋白质组的技术及这些研究得到的结果。研究蛋白质组的技术及这些研究得到的结果。 蛋白质组学的研究试图比较细胞在不同生理或病理条蛋白质组学的研究试图比较细胞在不同生理或病理条件下蛋白质件下蛋白质表达的异同表达的异同，对相关蛋白质进行，对相关蛋白质进行分类和鉴定分类和鉴定。更重要的是蛋白质组学的研究要分析蛋白质间更重要的是蛋白质组学的研究要分析蛋