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1什么是分子生物學(xué)？分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)，是人類從分子水平上真正揭示生物世界的奧秘，由被動(dòng)地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。細(xì)胞生物學(xué)：從細(xì)胞水平理解生命活動(dòng)遺傳學(xué)：從遺傳角度理解生命活動(dòng)生物化學(xué)：從化學(xué)組成角度來理解生物大分子和生物代謝。普通生物學(xué)（動(dòng)物&植物）&微生物學(xué)：不同生物類型的特點(diǎn)分子生物學(xué)：從分子水平理解生命活動(dòng)分子生物學(xué)分子生物學(xué)發(fā)展史蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能核酸的結(jié)構(gòu)和功能酶DNA復(fù)制、損傷與修復(fù)基因表達(dá)與調(diào)控分子生物學(xué)發(fā)展史準(zhǔn)備階段現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段初步認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)并開始改造生命的階段現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展前景準(zhǔn)備階段1871年，R，Lankester曾預(yù)言過，生物不同種屬間的化學(xué)和分子差異的發(fā)現(xiàn)和分析，對確定系統(tǒng)發(fā)生的關(guān)系要比總體形態(tài)學(xué)的比較研究更為重要。準(zhǔn)備階段20世紀(jì)20-40年代提純和結(jié)晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、細(xì)胞色素C、肌動(dòng)蛋白等），證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多基本現(xiàn)象（物質(zhì)代謝、能量代謝、消化、呼吸、運(yùn)動(dòng)等）都與酶和蛋白質(zhì)相聯(lián)系。在此期間對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也有較大的進(jìn)步。認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的重要性準(zhǔn)備階段1902年，F(xiàn)isher提出了蛋白質(zhì)的多肽結(jié)構(gòu)學(xué)說。蛋白質(zhì)研究中的一個(gè)重要進(jìn)展是多肽鏈中的氨基酸序列測定。英國科學(xué)家Sanger經(jīng)過十年的努力，終于測出了牛胰島素中的全部氨基酸序列，并因此而獲得1958諾貝爾獎(jiǎng)金。根據(jù)這個(gè)序列，我國科學(xué)在1965年9月獲得了用人工方法合成的、有生物活性的結(jié)晶牛胰島素。準(zhǔn)備階段核酸的發(fā)現(xiàn)——1868年，瑞士生物化學(xué)家J.T.Miescher從外科繃帶上膿細(xì)胞核中分離出一種富含磷量的酸性物質(zhì)，定名為核素，阿爾特曼于1889年認(rèn)識(shí)其酸性后,定名為核酸。但是在此后的半個(gè)多世紀(jì)中并未引起重視。準(zhǔn)備階段1928年，英國科學(xué)家格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)Avery等（1944）證明了使肺炎雙球菌由粗糙型轉(zhuǎn)成為光滑型的轉(zhuǎn)化因子是DNA格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)In1994,OswaldAvery等人從S.pneumoniae中純化了DNA.證明了Griffith的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)化因子是DNA準(zhǔn)備階段噬菌體學(xué)派的Hershey和chase進(jìn)一步提出了更加令人信服的證據(jù)，他們用蛋白質(zhì)上標(biāo)記了放射性硫的噬菌體感染細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)只有噬菌體的DNA被“注射”到細(xì)菌體內(nèi)去并在其中繁殖，而蛋白質(zhì)則留在細(xì)胞之外。Hershey-Chase關(guān)于T2噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)1969:AlfredHersheyT2噬菌體生活史LifecycleoftheT2bacteriophage證明DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段1953年Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型作為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑開創(chuàng)了分子生物學(xué)基本理論建立和發(fā)展的黃金時(shí)代。這一階段是從50年代初到70年代初MauriceWilkinsRosalindFranklin羅莎琳德·富蘭克林19莫里斯·威爾金斯1953年，Watson&Crick提出DNA雙螺旋模型“ThemomentIsawthemodel…,Irealizedthatitwasthekeytounderstandingalltheproblemsinbiology…—itwasthebirthofmolecularbiology.

—SydneyBrenner(悉尼·布雷)21現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)的最深刻意義在于：確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);提出了堿基配對是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式；確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，為認(rèn)識(shí)核酸與蛋白質(zhì)的關(guān)系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段遺傳信息傳遞中心法則的建立對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中心法則的確立在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)同時(shí)，Watson和Crick就提出DNA復(fù)制的可能模型，1954年Crick提出中心法則，該法則對以后分子生物學(xué)的發(fā)展起了極其重要的指導(dǎo)作用。PrincipaldogmaDNARNAProtein25？復(fù)制？？？轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯揭開生命奧秘的鑰匙26初步認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)并開始改造生命的階段

20世紀(jì)70年代DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)，被認(rèn)為是分子生物學(xué)的第二次革命。人們終于可以按照擬定的藍(lán)圖設(shè)計(jì)出新的生物體。它改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致一個(gè)新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的興起。初步認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)并開始改造生命的階段目前基因工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等都做出了有益的貢獻(xiàn)2006年轉(zhuǎn)基因植物種植總面積為1.02億公頃，比1996年的170萬公頃增長了60倍。1996年到2006年的累計(jì)種植面積達(dá)到5.77億公頃現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展前景在50年中，分子生物學(xué)是生命科學(xué)范圍發(fā)展最為迅速的一個(gè)前沿領(lǐng)域，并推動(dòng)著整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展。分子生物學(xué)已建立的基本規(guī)律給人們認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)指出了光明的前景，但分子生物學(xué)的發(fā)展還要經(jīng)歷漫長的研究道路。現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展前景在地球上千姿百態(tài)的生物攜帶龐大的生命信息，迄今人類所了解的只是極少的一部分還未認(rèn)識(shí)核酸、蛋白質(zhì)組成生命的許多基本規(guī)律即使我們已經(jīng)獲得人類基因組的全序列，確定了人的3萬多個(gè)基因的一級(jí)結(jié)構(gòu)，但是要徹底搞清楚這些基因產(chǎn)物的功能、調(diào)控、基因間的相互關(guān)系和協(xié)調(diào)，要理解80%以上不為蛋白質(zhì)編碼的序列的作用等等，都還要經(jīng)歷艱辛的研究道路。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和人類對生命的認(rèn)識(shí)，21世紀(jì)分子生物學(xué)的發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代：功能基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)生物信息學(xué)SupercomputersatBGICPUs:368insupercomputers800inCPclusters

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Bioinformatics第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能I.蛋白質(zhì)的概念及組成一、什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸通過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二、蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。1）酶的生物催化作用二、蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能2）調(diào)控作用參與基因調(diào)控：組蛋白、非組蛋白等參與代謝調(diào)控：如激素或生長因子等38胰島素3）運(yùn)動(dòng)與支持機(jī)體的結(jié)構(gòu)蛋白：頭發(fā)、骨骼、牙齒、肌肉等394）參與運(yùn)輸貯存的作用血紅蛋白——運(yùn)輸氧銅藍(lán)蛋白——運(yùn)輸銅鐵蛋白——貯存鐵405）免疫保護(hù)作用抗原抗體反應(yīng)凝血機(jī)制416）參與細(xì)胞間信息傳遞信號(hào)傳導(dǎo)中的受體、信息分子等7）氧化供能42

組成蛋白質(zhì)的元素

有些蛋白質(zhì)還含有少量的P、Fe、Cu、Mn、Zn、I等。

C50~55%H6~7%O19~24%N13~19%S0~4%主要元素組成

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。

由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%

蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)凱氏定氮法：一、氨基酸

——組成蛋白質(zhì)的基本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬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

組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸屬于L-α-氨基酸。甘氨酸存在爭議Gly——

沒有手性47脂肪族氨基酸：15種芳香族氨基酸：2種雜環(huán)氨基酸：3種（一）氨基酸的分類分類依據(jù)：R側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)48脂肪族氨基酸49芳香族氨基酸50雜環(huán)族氨基酸51非極性疏水性氨基酸：9種極性中性氨基酸：6種酸性氨基酸：3種堿性氨基酸：2種分類依據(jù)：R側(cè)鏈基團(tuán)的極性及帶電性52非極性疏水性氨基酸532.極性中性氨基酸54——側(cè)鏈基團(tuán)在中性溶液中解離后帶負(fù)電荷。3.酸性氨基酸Glu，Asp天冬氨酸谷氨酸4.堿性氨基酸His，Arg，Lys——側(cè)鏈基團(tuán)在中性溶液中解離后帶正電荷。組氨酸

His（H）

7.59賴氨酸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+胱氨酸二硫鍵-HH58（二）氨基酸的理化性質(zhì)1.一般物理性質(zhì)：熔點(diǎn)高——200℃以上不同氨基酸有不同的味溶于酸或堿溶液592.兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。+OH-+H++OH-+H+pH<pI陽離子pH=pI氨基酸的兼性離子

pH>pI陰離子60等電點(diǎn)(pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)613．顯色反應(yīng)

茚三酮反應(yīng)：氨基酸可與茚三酮縮合產(chǎn)生藍(lán)紫色化合物，最大吸收峰在570nm。

該反應(yīng)可作為蛋白質(zhì)定性、定量分析的基礎(chǔ)。62二、肽（一）肽(peptide)

肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。+甘氨酰甘氨酸肽鍵64肽鍵(peptidebond)：是由一個(gè)氨基酸的

-羧基與另一個(gè)氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵，本質(zhì)為酰胺鍵。氨基酸殘基(residue):肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基。65*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*由十個(gè)以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽*多肽鏈?zhǔn)侵冈S多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基