分子生物学第二章：分子生物学概论

第二章分子生物学概论1什么是分子生物学？分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。细胞生物学：从细胞水平理解生命活动遗传学：从遗传角度理解生命活动生物化学：从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。普通生物学（动物&植物）&微生物学：不同生物类型的特点分子生物学：从分子水平理解生命活动分子生物学分子生物学发展史蛋白质的结构和功能核酸的结构和功能酶DNA复制、损伤与修复基因表达与调控分子生物学发展史准备阶段现代分子生物学的建立和发展阶段初步认识生命的本质并开始改造生命的阶段现代分子生物学的发展前景准备阶段1871年，R，Lankester曾预言过，生物不同种属间的化学和分子差异的发现和分析，对确定系统发生的关系要比总体形态学的比较研究更为重要。准备阶段20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系。在此期间对蛋白质结构的认识也有较大的进步。认识蛋白质的重要性准备阶段1902年，Fisher提出了蛋白质的多肽结构学说。蛋白质研究中的一个重要进展是多肽链中的氨基酸序列测定。英国科学家Sanger经过十年的努力，终于测出了牛胰岛素中的全部氨基酸序列，并因此而获得1958诺贝尔奖金。根据这个序列，我国科学在1965年9月获得了用人工方法合成的、有生物活性的结晶牛胰岛素。准备阶段核酸的发现——1868年，瑞士生物化学家J.T.Miescher从外科绷带上脓细胞核中分离出一种富含磷量的酸性物质，定名为核素，阿尔特曼于1889年认识其酸性后,定名为核酸。但是在此后的半个多世纪中并未引起重视。准备阶段1928年，英国科学家格里菲斯的肺炎双球菌转化实验导致了遗传物质的发现Avery等（1944）证明了使肺炎双球菌由粗糙型转成为光滑型的转化因子是DNA格里菲斯的肺炎双球菌转化实验In1994,OswaldAvery等人从S.pneumoniae中纯化了DNA.证明了Griffith的转化实验中的转化因子是DNA准备阶段噬菌体学派的Hershey和chase进一步提出了更加令人信服的证据，他们用蛋白质上标记了放射性硫的噬菌体感染细菌，发现只有噬菌体的DNA被“注射”到细菌体内去并在其中繁殖，而蛋白质则留在细胞之外。Hershey-Chase关于T2噬菌体的感染实验1969:AlfredHersheyT2噬菌体生活史LifecycleoftheT2bacteriophage证明DNA是遗传物质，蛋白质不是现代分子生物学的建立和发展阶段1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子生物学基本理论建立和发展的黄金时代。这一阶段是从50年代初到70年代初MauriceWilkinsRosalindFranklin罗莎琳德·富兰克林19莫里斯·威尔金斯1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋模型“ThemomentIsawthemodel…,Irealizedthatitwasthekeytounderstandingalltheproblemsinbiology…—itwasthebirthofmolecularbiology.

—SydneyBrenner(悉尼·布雷)21现代分子生物学的建立和发展阶段DNA双螺旋发现的最深刻意义在于：确立了核酸作为信息分子的结构基础;提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。现代分子生物学的建立和发展阶段遗传信息传递中心法则的建立对蛋白质结构与功能的进一步认识中心法则的确立在发现DNA双螺旋结构同时，Watson和Crick就提出DNA复制的可能模型，1954年Crick提出中心法则，该法则对以后分子生物学的发展起了极其重要的指导作用。PrincipaldogmaDNARNAProtein25？复制？？？转录逆转录翻译揭开生命奥秘的钥匙26初步认识生命的本质并开始改造生命的阶段

20世纪70年代DNA重组技术的出现，被认为是分子生物学的第二次革命。人们终于可以按照拟定的蓝图设计出新的生物体。它改变了分子生物学的面貌，并导致一个新的生物技术产业群的兴起。初步认识生命的本质并开始改造生命的阶段目前基因工程技术在农业、医药、食品、环保等都做出了有益的贡献2006年转基因植物种植总面积为1.02亿公顷，比1996年的170万公顷增长了60倍。1996年到2006年的累计种植面积达到5.77亿公顷现代分子生物学的发展前景在50年中，分子生物学是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，并推动着整个生命科学的发展。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的发展还要经历漫长的研究道路。现代分子生物学的发展前景在地球上千姿百态的生物携带庞大的生命信息，迄今人类所了解的只是极少的一部分还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律即使我们已经获得人类基因组的全序列，确定了人的3万多个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等，都还要经历艰辛的研究道路。随着分子生物学的发展和人类对生命的认识，21世纪分子生物学的发展将进入一个新时代：功能基因组学蛋白质组学生物信息学SupercomputersatBGICPUs:368insupercomputers800inCPclusters

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Bioinformatics第二节蛋白质的结构和功能I.蛋白质的概念及组成一、什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的具有特定分子结构的高分子含氮化合物二、蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。1）酶的生物催化作用二、蛋白质具有重要的生物学功能2）调控作用参与基因调控：组蛋白、非组蛋白等参与代谢调控：如激素或生长因子等38胰岛素3）运动与支持机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等394）参与运输贮存的作用血红蛋白——运输氧铜蓝蛋白——运输铜铁蛋白——贮存铁405）免疫保护作用抗原抗体反应凝血机制416）参与细胞间信息传递信号传导中的受体、信息分子等7）氧化供能42

组成蛋白质的元素

有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、I等。

C50~55%H6~7%O19~24%N13~19%S0~4%主要元素组成

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。

由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%

蛋白质元素组成的特点凯氏定氮法：一、氨基酸

——组成蛋白质的基本单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R46

组成蛋白质的20种氨基酸属于L-α-氨基酸。甘氨酸存在争议Gly——

没有手性47脂肪族氨基酸：15种芳香族氨基酸：2种杂环氨基酸：3种（一）氨基酸的分类分类依据：R侧链基团的化学结构48脂肪族氨基酸49芳香族氨基酸50杂环族氨基酸51非极性疏水性氨基酸：9种极性中性氨基酸：6种酸性氨基酸：3种碱性氨基酸：2种分类依据：R侧链基团的极性及带电性52非极性疏水性氨基酸532.极性中性氨基酸54——侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。3.酸性氨基酸Glu，Asp天冬氨酸谷氨酸4.碱性氨基酸His，Arg，Lys——侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。组氨酸

His（H）

7.59赖氨酸Lys（K）

9.74精氨酸

Arg

（R）

10.7656另外：半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在

半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH58（二）氨基酸的理化性质1.一般物理性质：熔点高——200℃以上不同氨基酸有不同的味溶于酸或碱溶液592.两性解离及等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。+OH-+H++OH-+H+pH<pI阳离子pH=pI氨基酸的兼性离子

pH>pI阴离子60等电点(pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点613．显色反应

茚三酮反应：氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm。

该反应可作为蛋白质定性、定量分析的基础。62二、肽（一）肽(peptide)

肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。+甘氨酰甘氨酸肽键64肽键(peptidebond)：是由一个氨基酸的

-羧基与另一个氨基酸的

-氨基脱水缩合而形成的化学键，本质为酰胺键。氨基酸残基(residue):肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。65*两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……*由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽*多肽链是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基