2025年農(nóng)業(yè)生物化學(xué)核心考點(diǎn)精講筆記

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物化學(xué)筆記

生物化學(xué)(biochemistry;是碩士命化學(xué)的科學(xué)，它在分子水平上探討生命的本質(zhì)，即碩士

物體的分子構(gòu)造與功能，物質(zhì)代謝與調(diào)整，遺傳信息的傳遞與調(diào)控，及其在生命活動(dòng)中的作

用。

人們一般將研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的構(gòu)造、功能及基因構(gòu)造、體現(xiàn)與調(diào)控的內(nèi)

容，稱為分子生物學(xué)。因比分子生物學(xué)是生物化學(xué)的重要構(gòu)成部分。

一、生物化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

1.初期階段(18世紀(jì)一20世記初)

生物化學(xué)的研究始于18世紀(jì)，但作為一門獨(dú)立的科學(xué)是在2()世紀(jì)初期。重要碩士物體的化

學(xué)構(gòu)成。

2.蓬勃發(fā)展階段(從20世記初一20世記中期)

重要在營(yíng)養(yǎng)學(xué)，內(nèi)分泌學(xué)，酶學(xué)，物質(zhì)代謝及其調(diào)控等方面獲得了重大進(jìn)展。

3.分子生物學(xué)發(fā)展階段(從20世紀(jì)中期至今)

重要有物質(zhì)代謝途徑的研究繼續(xù)發(fā)展，重點(diǎn)進(jìn)入代謝調(diào)整與合成代謝的研究。

此外，明顯特性是分子生物學(xué)的崛起。DAN雙螺旋構(gòu)造模型的提出，遺傳密碼的破譯，重組

DNA技術(shù)的建立等。

20世紀(jì)末始動(dòng)的人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject)是人類生命科學(xué)中的又?偉大

創(chuàng)舉。

以基因編碼蛋白質(zhì)的構(gòu)造與功能為重點(diǎn)之一的功能基因組研究已迅速崛起。忖前出現(xiàn)的的蛋

白質(zhì)組學(xué)(proteomics)領(lǐng)域。

闡明人類基因組功能是一項(xiàng)多學(xué)科的任務(wù)，因而產(chǎn)生了一門前景廣闊的新興學(xué)科——生物

信息學(xué)(bioinformatics)?

我國(guó)科學(xué)家對(duì)生物化學(xué)的發(fā)展做出了重大的奉獻(xiàn)。

一、生物化學(xué)研究的重要內(nèi)容

1.生物分子的構(gòu)造與功能

2.物質(zhì)代謝及其調(diào)整

3.基因信息傳遞及其調(diào)控

三、生物化學(xué)與醫(yī)學(xué)

生物化學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課，與醫(yī)學(xué)有著緊密的聯(lián)絡(luò)。

生物大分子一般均有一定的分子構(gòu)造規(guī)律，即由一定的基本構(gòu)造單位，按一定的排列次序和

連接方式而形成的多聚體。蛋白質(zhì)和核酸是體內(nèi)重要的生物大分子，各自有其構(gòu)造特性，并

分別行使不一樣的生理功能。

酶是一類重要的蛋白質(zhì)分子，是生物體內(nèi)的催化劑。

本篇將簡(jiǎn)介蛋白質(zhì)的構(gòu)造、功能；核酸的結(jié)核與功能；醛等三章。重點(diǎn)掌握上述生物大分子

物質(zhì)的構(gòu)造特性，重要功能及基本的理化性質(zhì)與應(yīng)用，這對(duì)理解生命的木質(zhì)具有重要意義。

蛋白質(zhì)是生物體含量最豐富的生物大分子物質(zhì)，約占人體固體成分的45%,且分布廣泛，所

有細(xì)胞、組織都具有蛋白質(zhì)。生物體構(gòu)造越復(fù)雜，蛋白質(zhì)的種類和功能也越繁多。蛋白質(zhì)也

是機(jī)體的功能分子(workingmolecules)。它參與機(jī)體的,切生理活動(dòng)，機(jī)體的多種生理

功能幾乎都是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)完畢的，并且在其中起著關(guān)鍵作用，因此蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基

礎(chǔ)。

第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子構(gòu)成

ConformationofProteinMolecules

一、蛋白質(zhì)的元素構(gòu)成

構(gòu)成蛋白質(zhì)的元素除具有碳、氫、氧外都具有氮。有些蛋白質(zhì)還具有少許硫、磷、鐵、錦、

鋅、銅、碘等。

大多數(shù)蛋白質(zhì)含氮量比較靠近，平均為16樂(lè)這是蛋白質(zhì)元素構(gòu)成的一種特點(diǎn)。

蛋白質(zhì)的元素構(gòu)成中具有氮，是碳水化物、脂肪在營(yíng)養(yǎng)上不能替代蛋白質(zhì)的原因。

二、氨基酸

氨基酸(aminoacid)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位。構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種。其

化學(xué)構(gòu)造式有一種共同特點(diǎn)，即在連接撥基的。碳原子上尚有一種氨基，故稱a氨基酸(除

甘氨酸外)o

(一)氨基酸的構(gòu)造

構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸，

多種氨基酸在構(gòu)造上有下列特點(diǎn)。

1.構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸，除甘氨酸外，均屬1，-a-朝基酸。

2.不一樣的L-a-氨基酸，其側(cè)鏈(R)不一樣。

(二)氨基酸的分類

根據(jù)氨基酸側(cè)鏈R基團(tuán)的構(gòu)造和性質(zhì)，可將20種氨基酸提成四類。

1.非極性疏水性氨基酸

2.極性中性氨基

3.酸性氨基酸

4.堿性氨基酸

在蛋白質(zhì)的修飾過(guò)程中，蛋白質(zhì)分子中20種氨基酸殘基的某些基團(tuán)還可被甲基化、甲酰

化、乙?；?、異戊二烯化和磷酸化等。

(三)氨基酸的理化性質(zhì)

1.兩性解離及等電點(diǎn)：所有氨基酸都具有堿性的a-氨基和酸性的a-沒(méi)基，因此氨基酸是一

種兩性電解質(zhì)，具有兩性解離的特性。

2.紫外吸取性質(zhì)根據(jù)氨基酸的吸取光譜，具有共枕雙鍵的色氨酸、酪氨酸的最大吸取峰在

280nm波長(zhǎng)附近。

3.苛三酮反應(yīng)：可作為氨基酸定最分析措施。

三、肽(peptides)

㈠肽(peptide)

在蛋白質(zhì)分子中由一分子氨基酸的a-峻基與另一分子氨基酸的a-氨基脫水生成的鍵稱為肽

鍵(peptidebond)。肽健是蛋白質(zhì)分子中基本的化學(xué)鍵。如由二個(gè)氨基酸以肽鍵相連形

成的肽稱為二肽，互相之間以肽鍵相連。二肽還可通過(guò)肽鍵與另一分子氨基酸相連生成三

肽。此反應(yīng)可繼續(xù)進(jìn)行，依次生成四肽、五肽……。由10個(gè)以內(nèi)的氨基酸由肽鍵相連生成

的肽稱為寡肽(oligopeptide),由更多的氨基酸借肽鍵相連生成的肽稱為多肽

(polypeptide)o多肽是鏈狀化合物,故稱多肽鏈(polypeptidechain)o多肽鏈中的氨

基酸分子因脫水縮合而基團(tuán)不全，故稱為氨基酸殘基(residue)。多肽鏈中形成肽鍵的4

個(gè)原子和兩側(cè)的a-碳原子成為多肽鏈的骨架或主鏈。構(gòu)成多肽鏈骨架或主鏈的原子稱為主

鏈原子或骨架原子，而余下的R基團(tuán)部分，稱為側(cè)鏈。多肽鏈的左端有自由氨基稱為氨基末

端(aminoterminal)或N-端,右端有自由竣基稱為較基末端(carboxy1terminal)或C-

端。把具有51個(gè)氨基酸殘基、分子量為5733的胰島素稱作蛋白質(zhì)。這似乎是習(xí)慣上的多肽

與蛋白質(zhì)的分界線。

㈡生物活性肽

1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH是由谷、半胱和甘氨酸構(gòu)成的三肽。第一種肽鍵與一

般不一樣，由谷氨酸丫-段基與半胱氨酸的氨基構(gòu)成，分子中半胱氨酸的疏基是該化合物的

重要功能基團(tuán)。

2.多肽類激素及神經(jīng)肽

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子構(gòu)造

MolecularStructureofProtein

人體的蛋白質(zhì)分子是由20種氨基酸借肽鍵相連形成的生物大分子。每種蛋白質(zhì)均有其一定

的氨基酸構(gòu)成及氨基酸排列次序，以及肽鏈特定的空間排布。從而體現(xiàn)了蛋白質(zhì)的特性，是

每種蛋白質(zhì)具有獨(dú)特生理功能的構(gòu)造基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)分子杓造提成一級(jí)構(gòu)造、二級(jí)構(gòu)造、三級(jí)

構(gòu)造、四級(jí)構(gòu)造4個(gè)層次，后三者統(tǒng)稱為空間構(gòu)造、高級(jí)構(gòu)造或空間構(gòu)象

(conformation)o蛋白質(zhì)的空間構(gòu)造涵蓋了蛋白質(zhì)分子中的每一原子在三維空間的相對(duì)位

置，它們是蛋白質(zhì)特有性質(zhì)和功能的構(gòu)造基礎(chǔ)。由一條肽鏈形成的蛋白質(zhì)只有一級(jí)構(gòu)造、二

級(jí)構(gòu)造和三級(jí)構(gòu)造，由二條或二條以上肽鏈形成的蛋白質(zhì)才也許有四級(jí)構(gòu)造。

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)構(gòu)造

蛋白質(zhì)中氨基酸的排列次序稱為蛋白質(zhì)的一級(jí)構(gòu)造(primalstructure),＞肽鍵是一級(jí)構(gòu)

造的重要化學(xué)鍵。有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵，即由兩個(gè)半胱氨酸琉基脫氫氧化而成。

目前已知?級(jí)構(gòu)造的蛋白質(zhì)數(shù)量已相稱可觀，并且還以更快的速度增長(zhǎng)。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)有若干

重要的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(updatedproteindatabases),搜集了大量最新的蛋白質(zhì)一級(jí)構(gòu)造

及其他資料，為蛋白質(zhì)構(gòu)造與功能的深入研究提供了便利。

二、蛋白質(zhì)的二級(jí)構(gòu)造

蛋白質(zhì)的二級(jí)構(gòu)造(secandarystructure)是指蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間構(gòu)

造，也就是該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置。不波及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。蛋白質(zhì)

的二級(jí)構(gòu)造重要包括a-螺旋、B-折疊、轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲。

(-)肽單元

構(gòu)成肽鍵的4個(gè)原子和與其相鄰的兩個(gè)a碳原子(Ca)構(gòu)成一種肽單元(peptide

unit)o由于參與肽單元的6個(gè)原子----Cal、C、0、N、H、Ca2位于同一平面，故又稱

為肽平面。

(―)a-螺旋

a-螺旋(a-helix)：蛋白質(zhì)分子中多種肽單元通過(guò)氨基酸a-碳原子的旋轉(zhuǎn)，使多肽鏈的

主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律的螺旋上升，回旋成穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象。a螺旋*氫鍵維持。若氫

鍵破壞，則a-螺旋構(gòu)象即遭破壞。

(三)B-折疊(B-pleatedsheet)

每個(gè)肽單元以Ca為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，依次折疊成裾齒狀構(gòu)造，氨基酸殘基側(cè)鏈交替地位于鋸齒狀

構(gòu)造的上下方，氫鍵是維持折疊構(gòu)造的重要次級(jí)鍵。

(四)轉(zhuǎn)角(B-turn)和無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)

轉(zhuǎn)角伸展的肽徒形成180°回折，即U形轉(zhuǎn)角構(gòu)造。無(wú)規(guī)卷曲系指沒(méi)有確定規(guī)律性的那

部分肽鏈構(gòu)象。

(五)模體(motif)

在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)構(gòu)造的肽段，在空間上互相靠近，形成一

種特殊的空間構(gòu)象，被稱為模體。?種模序總有其特性性的氨基酸序列，并發(fā)揮特殊的功

能。如在許多鈣結(jié)合蛋白分子中一般有一種結(jié)合鈣離子的模序。它由a-螺旋-環(huán)-a-螺旋三

個(gè)肽段構(gòu)成。鋅指構(gòu)造(zincfinger)也是一種常見(jiàn)的模體例子。此模體由1個(gè)a-螺旋和2

個(gè)反平行的B-折疊三個(gè)肽段構(gòu)成。由于Zn2+可穩(wěn)固模體中a-螺旋構(gòu)造，致使此a-螺旋能

鑲嵌于DNA的大溝中，因比含鋅指構(gòu)造的蛋白質(zhì)都能與DNA或RNA結(jié)合。可見(jiàn)模體的特性性

空間構(gòu)象是其特殊功能的構(gòu)造基礎(chǔ)。

(六)氨基酸殘基的側(cè)鏈對(duì)二級(jí)構(gòu)造形成的影響

蛋白質(zhì)二級(jí)構(gòu)造是以一級(jí)閡造為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成a-螺旋或

B-折疊，它就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的二級(jí)構(gòu)造。

三、蛋白質(zhì)的三級(jí)構(gòu)造

(一)蛋白質(zhì)的三級(jí)構(gòu)造(tertiarystructure)是指整條肽鏈中所有氨基酸殘基的相對(duì)空間

位置，也就是整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。

例:Mb(肌紅蛋白)是由153個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的單條肽鏈的蛋白質(zhì)，具有1個(gè)血紅素輔

基?？蛇M(jìn)行可逆的氧合和脫氧。

蛋白質(zhì)三級(jí)構(gòu)造的形成和穩(wěn)定重要*次級(jí)鍵一一疏水鍵、離子鍵(鹽鍵)、氫鍵和Vander

Waals力等。疏水性氨基酸的側(cè)鏈R基為疏水基團(tuán)，有避開(kāi)水，互相匯集而藏于蛋白質(zhì)分子

內(nèi)部的自然趨勢(shì)，這種結(jié)合力叫疏水鍵。

(二)構(gòu)造域

分子量大的蛋白質(zhì)三級(jí)構(gòu)造常可分割成1個(gè)和數(shù)個(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，

各行其功能，稱為構(gòu)造域(domain)。如纖連蛋白(fibronectin),它由二條多肽鏈通過(guò)近5

端的兩個(gè)二硫鍵相連而成，具有6個(gè)構(gòu)造域，各個(gè)構(gòu)造域分別執(zhí)行一種功能，有可與細(xì)胞、

膠原、DNA和肝素等配體結(jié)合的構(gòu)造域。

(三)分子伴侶

除一級(jí)構(gòu)造為決定原因外，蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的對(duì)的形成還需要一類稱為分子伴侶(chaperon)

的蛋白質(zhì)參與。分子伴侶通過(guò)提供一種保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級(jí)

構(gòu)造。分子伴侶廣泛地存在于從細(xì)菌到人的生物體中，其中有很大一部分被稱之為熱休克蛋

白(heatshockprotein)。

四、蛋白質(zhì)的四級(jí)構(gòu)造

在體內(nèi)有許多蛋白質(zhì)分子具有二條或多條多肽鏈，才能全面地執(zhí)行功能。每?條多肽鋌均有

其完整的三級(jí)構(gòu)造，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit),這種蛋白質(zhì)分子中各個(gè)亞基的空間排

布及亞基接觸部位的布局和互相作用，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)構(gòu)造(quaternarystructure)o

在四級(jí)構(gòu)造中，各個(gè)亞基間的結(jié)合力重要是氫鍵和離子鍵維持四級(jí)構(gòu)造。具有四級(jí)構(gòu)造的蛋

白質(zhì)，單獨(dú)的亞基一般沒(méi)有生物學(xué)功能，只有完整的四級(jí)構(gòu)造寡聚體才有生物學(xué)功能。亞基

分子構(gòu)造相似，稱之為同二聚體(homodimer),若亞基分子構(gòu)造不一樣，則稱之為異二聚體

(heterodimer)。血紅蛋白(hemoglobin,Hb)是由2個(gè)a亞基和2個(gè)B亞基構(gòu)成的四聚體,兩

種亞基的三級(jí)構(gòu)造頗為相似，且每個(gè)亞基都結(jié)合有1個(gè)血紅素(heme)輔基。

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第2樓

五、蛋白質(zhì)的分類

(一)根據(jù)蛋白質(zhì)構(gòu)成成分可提成單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)，單純蛋白質(zhì)只含氨基酸；結(jié)合

蛋白質(zhì)，除蛋白質(zhì)部分外，還具有非蛋白質(zhì)部分，為蛋白質(zhì)的生物活性或代謝所依賴。結(jié)合

蛋白質(zhì)中的非蛋白質(zhì)部分被稱為輔基，絕大部分輔基通過(guò)共價(jià)鍵方式與蛋白質(zhì)部分相連。輔

基的種類也很廣，常見(jiàn)的有色素化合物、其糖、脂類、磷酸、金屬離子甚至分子量較大的核

酸。

(二)蛋白質(zhì)還可根據(jù)其形狀分為纖維狀蛋白質(zhì)和球狀登白質(zhì)兩大類。

第三節(jié)蛋白質(zhì)的構(gòu)造與功能的關(guān)系

RelationshipofProteinStructureandFunction

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)構(gòu)造與功能的關(guān)系

(一)蛋白質(zhì)的一級(jí)構(gòu)造是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)

Anfinsen在研究核糖核酸酶時(shí)已發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的功能與其三級(jí)構(gòu)造親密有關(guān)，而特定三級(jí)

構(gòu)造是以氨基酸次序?yàn)榛A(chǔ)的。核糖核酸酶是由124個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的一條多肽鏈，分子

中8個(gè)半胱氨酸的疏基構(gòu)成四對(duì)二硫鍵(Cys26和Cys84,Cys40和Cys95,Cys58和CysllO,

Cys65和Cys72)(圖1T7A)。進(jìn)而形成具有?定空間構(gòu)象的球狀蛋白質(zhì)。用變性劑和還原劑

疏基乙醇處理該的溶液，分別破壞一硫鍵和次級(jí)鍵，使其空間構(gòu)造被破壞。但肽鍵不受

影響，一級(jí)構(gòu)造仍保持完整，酶變性失去活性。如用透析措施除去尿素和B-疏基乙醵后，

核糖核酸前又從無(wú)序的多肽鏈卷波折疊成天然睡的空間構(gòu)造，陋從變性狀態(tài)復(fù)性，陋的活性

又恢復(fù)至本來(lái)水平。這充足證明，只要其一級(jí)構(gòu)造未被破壞，就也許恢復(fù)本來(lái)的三級(jí)構(gòu)造，

功能仍然存在，因此多肽性中氨基酸的排列次序是蛋白質(zhì)空間構(gòu)造的基礎(chǔ)。

(二)一級(jí)構(gòu)造與功能的關(guān)系

己經(jīng)有大量的試驗(yàn)成果證明，?級(jí)構(gòu)造相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象以及功能也相似。

例如不一樣哺乳類動(dòng)物的胰島素分子構(gòu)造都由A和B兩關(guān)鏈構(gòu)成，且二硫鍵的配對(duì)和空間構(gòu)

象也極相似，它們都執(zhí)行著相似的調(diào)整糖代謝等的生理功能。

又例如垂體前葉分泌的促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和促黑激素(a-MSB,B-MSH)共有一段相似

的氨基酸序列，因此，ACTH也可增進(jìn)皮下黑色素生成，但作用較弱。

又例存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素C(cytochromcC),比較它們的一級(jí)構(gòu)造，可以協(xié)助

理解物種進(jìn)化間的關(guān)系。

但有時(shí)蛋白質(zhì)分子中起“關(guān)鍵”作用的氨基酸殘基缺失或被替代，都會(huì)嚴(yán)重影響空間構(gòu)象乃

至生理功能，甚至導(dǎo)致疾病產(chǎn)生。例如正常人血紅蛋白B亞基的第6位氨基酸是谷氨酸，而

鐮刀形貧血患者的血紅蛋白中，谷氨酸變成了綴氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，僅

此一種氨基酸之差，本是水溶性的血紅蛋白，就匯集成絲，互相粘著，導(dǎo)致紅細(xì)胞變形成為

鐮刀狀而極易破碎,產(chǎn)生鑲刀形紅細(xì)胞性貧血(sicklecellanemia)。這種由蛋白質(zhì)分子

發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，被稱之為“分子病”，其病由于基因突變所致。

二、蛋白質(zhì)空間構(gòu)造與功能的關(guān)系

體內(nèi)蛋白質(zhì)所具有的特定空間構(gòu)象都與其發(fā)揮特殊的生理功能有著親密的關(guān)系。

（一）肌紅蛋白和血紅蛋白構(gòu)造

肌紅蛋白（myoglubin,Mb）與血紅蛋白都是具有血紅素輔基的蛋白質(zhì)。血紅素是鐵H卜咻化合

物，它由4個(gè)毗咯環(huán)通過(guò)4個(gè)甲塊基相連成為一種環(huán)形，F(xiàn)e2+居于環(huán)中。從X線衍射法分

析獲得的肌紅蛋白的三維構(gòu)造中，可見(jiàn)它是一種只有三級(jí)構(gòu)造的單鏈蛋白質(zhì)，氨基酸殘基上

的疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部，富極性及電荷的則在分子表面，因此其水溶性很好。Mb分子

內(nèi)部有一種袋形空穴，血紅素居于其中。

血紅蛋白（hemoglubin,Hh）具有四個(gè)亞基構(gòu)成的四級(jí)構(gòu)造，每個(gè)亞基構(gòu)造中間有一種疏水局

部，可結(jié)合1個(gè)血紅素并攜帶1分子氧，因此一分子Hb共結(jié)合4分子氧。成年人紅組胞中

的Hb重要由兩條a肽鏈和兩條B肽鏈（a2B2）構(gòu)成，a鏈含141個(gè)氨基酸殘基，B鏈含

146個(gè)氨基酸殘基。胎兒期重要為a2丫2,胚胎期為a2c2。lib各亞基的三級(jí)構(gòu)造與Mb極

為相似。Hb亞基之間通過(guò)8對(duì)鹽鍵，使四個(gè)亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。

（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧

Hb與Mb同樣可逆地與（）2結(jié)合，氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨02濃度變化而

變化。圖1-22為Hb和Mb的氧解離曲線，前者為S狀曲線,后者為直角雙曲線。可見(jiàn),Mb

易與02結(jié)合，而11b與02的結(jié)合在02分壓較低時(shí)較難。為何？根據(jù)S形曲線的特性可知，

Hb中第?種亞基與02結(jié)合后來(lái)，增進(jìn)第二及第三個(gè)亞基與02的結(jié)合，目前三個(gè)亞基與02

結(jié)合后，又大大增進(jìn)第四個(gè)亞基與02結(jié)合，這種效應(yīng)稱為正協(xié)同效應(yīng)（positive

cooperativity）。協(xié)同效應(yīng)的定義是指一種亞基與其配體（Hb中的配體為02）結(jié)合后，能影

響此寡聚體中另一亞基與配體的結(jié)合能力。假如是增進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)；反之則為負(fù)

協(xié)同效應(yīng)。還可根據(jù)Perutz等運(yùn)用X線衍射技術(shù)分析Hb和氯合Hb結(jié)晶的三維構(gòu)造圖譜，

提出理解釋02與Hb結(jié)合的正協(xié)同效應(yīng)的理論。未結(jié)合02時(shí)，Hb的a1/81和a2/B2呈

對(duì)角排列，構(gòu)造較為緊密，稱為緊張態(tài)（lensestate,T態(tài)），T態(tài)Hb與02的親和力小。伴

隨02的結(jié)合，4個(gè)亞基短基末端之間的鹽鍵斷裂，其二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)構(gòu)造也發(fā)生變化，

使al/Bl和a2/B2的長(zhǎng)軸形成15。的夾角，構(gòu)造顯得相對(duì)松弛，稱為松弛態(tài)（relaxed

state,R態(tài)）。Hb氧合與脫氧時(shí)T態(tài)和R態(tài)互相轉(zhuǎn)換的乜許方式有多種。此種一種氧分子與

Hb亞基結(jié)合后引起亞基構(gòu)象變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)（allostericeffect）o小分子02稱為變

構(gòu)劑或效應(yīng)劑，Hb則被稱為變構(gòu)蛋白。變構(gòu)效應(yīng)具有普遍生物學(xué)意義。

（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象變化與疾病

若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)構(gòu)造不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化，仍可影響其功

能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生，有人將此類疾病稱為蛋白構(gòu)象疾病。有些蛋白質(zhì)錯(cuò)折疊后互相

匯集，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，體現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維

沉淀的病理變化，此類疾病包括人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨丁頓舞蹈病

（Huntingtondisease）、瘋牛病等。

第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)及其分離純化

TheCharactersofProteinanditsPurification

一、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

（-）蛋白質(zhì)的兩性電離

蛋白質(zhì)是由氨基酸構(gòu)成，其分子末端除有自由的a-NH2和a-COOH外，許多氨基酸殘基的側(cè)

鏈上尚有可解離的基因，這些基團(tuán)在溶液?定pH條件下可以解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基

團(tuán)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液在某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成兼性離子，凈電

荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（isoelectricpoint,PI）o蛋白質(zhì)溶液的pH

不小于等電點(diǎn)時(shí)，該蛋白質(zhì)顆粒帶負(fù)電荷，不不小于等電點(diǎn)時(shí)則帶正電荷。

（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

蛋白質(zhì)是生物大分子，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1?lOOnm,為膠

粒范圍之內(nèi)。

（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

在某些物理和化學(xué)原因作用下，蛀特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間構(gòu)造變成無(wú)序的

空間構(gòu)造，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的變化和生物活性的喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性

（denaturation）。

1.蛋白質(zhì)變性的特性：蛋白質(zhì)變性的重要特性是生物活性喪失。

2.蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)：一般認(rèn)為蛋白質(zhì)的變性重要發(fā)生二硫鍵和非共價(jià)鍵的破壞，蛋白質(zhì)

變性是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的變化或破壞，不波及一級(jí)構(gòu)造中氨基酸序列的變化。

3.蛋白質(zhì)變性的意義：在臨床醫(yī)學(xué)上，變性原因常被應(yīng)用來(lái)消毒及滅菌。此外，防止蛋白

質(zhì)變性也是有效保留蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

4.若蛋白質(zhì)變性程度較輕，清除變性原因后，有些蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)

象和功能，稱為復(fù)性（rcnaturation）。不過(guò)許多蛋白質(zhì)變性后，空間構(gòu)象嚴(yán)重被破壞，不能

復(fù)原，稱為不可逆性變性。

5.蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用發(fā)生變性后，仍能溶解于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中，若將pH調(diào)至等電

點(diǎn)，則變性蛋白質(zhì)立即結(jié)成絮狀的不溶解物，此絮狀物仍可溶解于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。如再加熱

則絮狀物可變成比較結(jié)實(shí)的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的

凝固作用（proteincoagulation）<,

（四）蛋白質(zhì)的紫外吸取

蛋白質(zhì)在280nm波長(zhǎng)處有特性性的紫外吸取，可作蛋白質(zhì)定量測(cè)定。

（五）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)

1.即三酮反應(yīng)（ninhydrinreaction）蛋白質(zhì)經(jīng)水解后產(chǎn)生的氨基酸也可發(fā)生即三酮反應(yīng)，

詳見(jiàn)本章第一節(jié)。

2.雙縮腺反應(yīng)（biuretreaction）蛋白質(zhì)和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共熱，展

現(xiàn)紫色或紅色，稱為雙縮脈反應(yīng)。氨基酸不出現(xiàn)此反應(yīng)。

二、蛋白質(zhì)的分離和純化

（-）透析及超濾法

（二）丙酮沉淀、鹽析及免疫沉淀

（三）電泳

（四）層析

（五）分子篩

（六）超速離心

小結(jié)

Summary

蛋白質(zhì)是重要的生物大分子，在體內(nèi)分布廣泛，含量豐富，種類繁多。每一種蛋白質(zhì)均有其

特定的空間構(gòu)象和生物學(xué)功能。

構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位為L(zhǎng)-a-氨基酸，共有20種，可分為非極性疏水性氨基酸、極性中

性氨基酸、酸性氨基酸和減性氨基酸四類。氨基酸屬于兩性電解質(zhì)，在溶液的pH等于其pl

時(shí)，氨基酸呈兼性離子。氨基酸可通過(guò)肽鍵相連而成肽。不不小于10個(gè)氨基酸構(gòu)成的肽稱

為寡肽，不小于10個(gè)則稱為多肽。體內(nèi)存在許多如GSH、促甲狀腺釋放激素和神經(jīng)肽等重

要的生物活性肽。

復(fù)雜的蛋白質(zhì)構(gòu)造可提成一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)構(gòu)造四個(gè)層次。蛋白質(zhì)一級(jí)構(gòu)造是指蛋白

質(zhì)分子中氨基酸自N端至C端的排列次序，即氨基酸序列，其連接鍵為肽鍵，還包括二硫鍵

的位置。形成肽鍵的6個(gè)原子處在同一平面，構(gòu)成了所謂的肽單元。二級(jí)構(gòu)造是指蛋白質(zhì)主

鏈局部的空間構(gòu)造，不波及氨基酸殘基側(cè)鏈構(gòu)象。重要為a-螺旋、B-折疊、B-轉(zhuǎn)角和無(wú)

規(guī)卷曲，以氫鍵維持其穩(wěn)定性,在蛋白質(zhì)分子中，空間上互相鄰近的二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)構(gòu)

造的肽段，完畢特定的生物學(xué)功能，稱之為模體。三級(jí)構(gòu)造是指多肽鏈主鏈和側(cè)鏈的所有原

子的空間排布位置。三級(jí)閡造的形成和穩(wěn)定重要*次級(jí)鍵。某些蛋白質(zhì)的三級(jí)構(gòu)造可形成1

個(gè)或數(shù)個(gè)球狀或纖維狀的區(qū)域，各行其功能，稱為構(gòu)造域。四級(jí)構(gòu)造是指蛋白質(zhì)亞基之間的

締合，也重要*次級(jí)鍵維系。根據(jù)蛋白質(zhì)的形狀，可提成球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。根據(jù)

構(gòu)成成分，還可提成單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)，前者僅具有氨基酸，后者除氨基酸外，還具

有非蛋白質(zhì)的輔基成分。

一級(jí)構(gòu)造是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)，也是功能的基礎(chǔ)。一級(jí)構(gòu)造相似的蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象及功能

也相近。若蛋白質(zhì)的一級(jí)構(gòu)造發(fā)生變化則影響其正常功能，由此引起的疾病稱為分子病。

生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成、加工和成熟是一種復(fù)雜的過(guò)程，其中多肽鏈的對(duì).的折疊對(duì)其對(duì)的構(gòu)

象形成和功能發(fā)揮至關(guān)重要。蛋白質(zhì)折疊成對(duì)的的空間構(gòu)象過(guò)程，除一級(jí)構(gòu)造是其決定原因

外，還需要分子伴侶參與。若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)構(gòu)造不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)

象發(fā)生變化，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生，有人將此類疾病稱為蛋白構(gòu)象疾

病。

蛋白質(zhì)空間構(gòu)象與功能有著親密關(guān)系。血紅蛋白亞基與02結(jié)合可引起另一亞基構(gòu)象變化，

使之更易與02結(jié)合，因此血紅蛋白的氧解離曲線呈S型。這種變構(gòu)效應(yīng)是蛋白質(zhì)中普遍存

在的功能調(diào)整方式之一。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象發(fā)生變化，可導(dǎo)致其理化性質(zhì)變化和生物活性的

喪失，稱之為蛋白質(zhì)變性。蛋白質(zhì)發(fā)生變性后，只要其一級(jí)構(gòu)造未遭破壞，仍可在一定條件

下發(fā)性，恢復(fù)原有的空間構(gòu)象和功能。

分離、純化蛋白質(zhì)是研究單個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)造與功能的先決務(wù)件。一般運(yùn)用蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，

采用不損傷蛋白質(zhì)構(gòu)造和功能的物理措施來(lái)純化蛋白質(zhì)。常用的技術(shù)有電泳法、層析法、超

速離心法等。

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第3樓

概述

Introduction

核酸(nucleicacid)是以核俘酸為基本構(gòu)成單位的生物信息大分子。核酸可以分為脫氧核

糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)和核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)兩大類。

第一節(jié)核酸的化學(xué)構(gòu)成及一級(jí)構(gòu)造

Chemicalconstitutionandprimaryconstructionofnucleicacid

核酸的基本構(gòu)成單位是核甘酸(nucleotide),而核甘酸則由堿基、戊糖和磷酸三種成分連

接而成。DNA的基本構(gòu)成單位是脫氧核糖核甘酸(deoxyribonuc1eotide或

dcoxynuclootide),RNA的基本構(gòu)成單位是核糖核芯酸(ribonucleotide)。

一、核甘酸的構(gòu)造

(一)堿基的種類：構(gòu)成核甘酸的五種堿基(base)分別屬于喋吟(purine)和喀咤

(pyrimidine)兩類含氮雜環(huán)化合物(見(jiàn)圖2-1)。DNA分子中的堿基成分為A、G、C和T

四種；而RNA分子則重要由A、G、C和U四種堿基構(gòu)成。

圖2T參與構(gòu)成核酸的重要堿基

(二)戊糖與核甘：是核甘酸的另一重要成分。脫氧核糖核甘酸中的戊糖是b-D-2■脫氧

核糖；核糖核甘酸中的戊糖為b-D-核糖。這一構(gòu)造上的差異使得DNA分子較RNA分子在

化學(xué)上更為穩(wěn)定，從而被自然選擇作為生物遺傳信息的儲(chǔ)存載體。為區(qū)別于堿基中的碳原子

編號(hào)，核糖或脫氧核糖中的碳原子標(biāo)以C-l´、C-2´(圖2-2)等。

堿基和核糖或脫氧核糖通過(guò)糖行健(glycosidicbond)縮合形成核昔或脫氧核甘，連接位

置是C-l&acule;。DNA和RNA中的核昔構(gòu)成及其中英文對(duì)照見(jiàn)表2-1。

(三)核昔與磷酸通過(guò)酯鍵結(jié)合即構(gòu)成核昔酸或脫氧核昔酸。生物體內(nèi)多數(shù)核甘酸都是

5´核甘酸，即磷酸基團(tuán)位于核糖的第五位碳原子C-5&acuto;上(圖2?3)。根據(jù)磷

酸基團(tuán)的數(shù)目不一樣，有核甘一磷酸(nucleosidemonophosphate,NMP)、核甘二磷酸

(nucleosidediphosphate,NDP)、核昔三磷酸(nucleosideti'iphosphate,NTP)的命

名方式；根據(jù)堿基成分的不一樣，有AMP(adenosinemonophosphate)、ADP(adenosine

diphosphate)、ATP(adenosinetriphosphate)等命名。

圖2-2核糖和核首

(四)核甘酸除了構(gòu)成核酸大分子以外，還參與多種物質(zhì)代謝的調(diào)控和多種蛋白質(zhì)功能的調(diào)

整。例如ATP和UTP在能量代謝中均為重要的底物或中間產(chǎn)物；環(huán)腺甘酸(cyclicAMP,

cAMP)和環(huán)鳥(niǎo)甘酸(cyclicGMP,cGMP)等則在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中具有重要調(diào)控作用。

圖2-3不一樣類型核甘酸的構(gòu)造

二、核酸的一級(jí)構(gòu)造

(一)定義:核酸的一級(jí)構(gòu)造是指DNA和RNA分子中核甘酸的排列次序，也稱核甘酸序列。由

于核酸分子中不一樣核昔酸之間的差異僅在于堿基的不一樣，因此也稱為堿基序列。

(二)連接方式：磷酸二酯鍵。四種脫氧核甘酸按照一定的排列次序以化學(xué)鍵：3',5,磷酸

二酯鍵(phosphodiesterlinkage)相連形成的多聚脫氧核甘酸(polydeoxynucleotides)

鏈稱為DNA。多聚核甘酸(polynucleotides)鏈則稱為RNA。這些脫氧核甘酸或核甘酸的連

接具有嚴(yán)格的方向性，由前一位核甘酸的3´-OH與下一位核甘酸的5´位磷酸

基之間形成3´,5´磷酸二酯鍵，從而構(gòu)成一種沒(méi)有分支的線性大分子（圖2-

4）o它們的兩個(gè)末端分別稱為5&acule;末端（游離磷酸基）和3&acule;末端（游離羥

基）。書(shū)寫規(guī)則應(yīng)從5&ac」te;末端到3´末端。（見(jiàn)六版教材圖2-4）

圖2-4DNA的一級(jí)構(gòu)造及其書(shū)寫方式

（三）DNA和RNA一級(jí)構(gòu)造的差異：

RNA是生物體內(nèi)另一大類核酸,它與DNA的差異是：①構(gòu)成它的核俘酸的戊糖不是脫氧核

糖而是核糖；②RNA中的啼嚏成分為胞喘噓和尿喀呢，而不具有胸腺喀啜，因此構(gòu)成RNA

的基本四種核甘酸是AMP、GMP、CMP和UMP,其中U替代了DNA中的T。

DNA和RNA對(duì)遺傳信息的攜帶和傳遞，是依東堿基排列次序變化而實(shí)現(xiàn)的。

第二節(jié)DNA的空間構(gòu)造與功能

SpacestructureandfunctionofDNA

一、DNA的二級(jí)構(gòu)造一一雙螺旋構(gòu)造模型

（一）雙螺旋構(gòu)造的研究背景

1.堿基構(gòu)成的Chargaff規(guī)則：①A=T,C=G；②不一樣種屬的DNA堿基構(gòu)成不一樣；③同一

種體不一樣器官、不一樣組織的DNA具有相似的堿基構(gòu)成。

2.DNA纖維的X線圖譜分析顯示DNA是螺旋型分子，且為雙鏈分子。

3.RosalindFranklin獲得了高質(zhì)量的DNA的X線衍射照片，顯示出DM是螺旋形分子，

并且從密度上提醒DNA是雙鏈分子。1953年Watson和Crick總結(jié)前人的研究成果，提出了

DNA的雙螺旋構(gòu)造模型。

（二）DNA雙螺旋構(gòu)造模型的要點(diǎn)

1.DNA是一反向平行的互補(bǔ)雙鏈構(gòu)造：DNA分子是由兩條反向平行的脫氯多核甘酸鏈構(gòu)

成，一條鏈的走向是5,一3',另一條鏈的走向是3,~>5'。在DNA雙鏈構(gòu)造中，外側(cè)是

由親水的脫氧核糖基和磷酸基構(gòu)成的骨架，內(nèi)側(cè)是堿基，兩條鏈的堿基之間以氫鍵結(jié)合即A

與T配對(duì)；C與G配對(duì)。兩個(gè)配對(duì)的堿基構(gòu)造幾乎在一種平面上，并且此平面與線性分子的

長(zhǎng)軸相垂直（圖2-5）。

2.DNA是右手螺旋構(gòu)造DNA線性長(zhǎng)分子通過(guò)初始的折疊形成一種右手螺旋式構(gòu)造，螟旋直

徑為2nm,螺旋一周包括了10對(duì)堿基，螺距為3.4nm。外觀上，DNA雙螺旋分子存在一種大

溝和一種小溝，此溝狀構(gòu)造也許與蛋白質(zhì)和DNA間的識(shí)別有關(guān)（圖2-5）。

圖2-5DNA雙螺旋構(gòu)造示意圖

3.疏水力和氫鍵維系DNA雙螺旋構(gòu)造的穩(wěn)定DNA雙螺旋構(gòu)造的穩(wěn)定性橫向*兩條鏈間互補(bǔ)

堿基的氫鍵維系，縱向則*堿基平面間的疏水性堆積力維持，由后來(lái)者更為重要。

（三）DNA構(gòu)造的多樣性

不一樣的環(huán)境條件下，DNA的構(gòu)造不一樣，自然界存在的DNA有：

B-DNA右手螺旋（Watson-Crick模型構(gòu)造）

Z-DNA左手螺旋

A-DNA右手螺旋

體內(nèi)不一樣構(gòu)象的DNA在功能上有所差異，也許參與基因體現(xiàn)的調(diào)整和控制。（見(jiàn)六版教材

圖2-6）

圖2-6不一樣類型的DNA雙螺旋構(gòu)造

二、DNA的超螺旋構(gòu)造及其在染色質(zhì)中的組裝

DNA是十分巨大的信息高分子，DNA的長(zhǎng)度規(guī)定其必須形成緊密折疊扭轉(zhuǎn)的方式才可以存在

于很小的細(xì)胞核內(nèi)。

(―)DNA的超螺旋構(gòu)造

DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋構(gòu)造(superhelix或supercoil)。盤繞方向與DNA雙螺

旋方同相似為正超螺旋(positivesupercoi1)；盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反則為負(fù)超

螺旋(negativesupercoil),＞自然界的閉合雙鏈DNA重要是以負(fù)超螺旋形式存在。

(二)原核生物DNA的高級(jí)構(gòu)造

絕大部分原核生物的DNA都是共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋分子。在細(xì)胞內(nèi)深入盤繞，并形成類核

(nucleoid)構(gòu)造，以保證其以較致密的形式存在于細(xì)胞內(nèi)。在細(xì)菌基因組中，超螺旋可以

互相獨(dú)立存在，形成超螺旋區(qū)(圖2-7),各區(qū)域間的DNA可以有不一樣程度的超期旋構(gòu)

造。

圖2-7環(huán)狀DNA的超螺旋構(gòu)造示

(三)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝

在真核生物，DNA以非常致密的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里以分散存

在的染色質(zhì)(chromatin)形式出現(xiàn)，在細(xì)胞分裂期形成高度組織有序的染色體

(chromosome)染色質(zhì)的基本構(gòu)成單位被稱為核小體(nucleosome),由DNA和5種組蛋白

(histone,H)共同構(gòu)成。核小體中的組蛋白分別稱為Hl,H2A,H2B,H3和H4。各兩分子

的H2A,H2B,H3和H4共司構(gòu)成八聚體的關(guān)鍵組蛋白，DMA雙螺旋鏈纏繞在這一關(guān)鍵上形成

核小體的美鍵顆粒(coreparticle)o核小體的關(guān)鍵顆粒之間再由DNA(約60bp)和組蛋

白H1構(gòu)成的連接區(qū)連接起來(lái)形成串珠樣的構(gòu)造(圖2-8)。

圖2?8核小體的構(gòu)造示意圖

核小體是DNA在核內(nèi)形成致密構(gòu)造的第一層次折疊，使得DNA的整體體積減少約6倍。第二

層次的折疊是核小體卷曲(每周6個(gè)核小體)形成直徑30nm＞在染色質(zhì)和間期染色體中都

可以見(jiàn)到的纖維狀構(gòu)造和番狀構(gòu)造，DNA的致密程度增長(zhǎng)約40倍。第三層次的折疊是30nm

纖維再折疊形成柱狀構(gòu)造，致密程度增長(zhǎng)約1000倍，在分裂期染色體中增長(zhǎng)約1000C倍，

從而將約1米長(zhǎng)的DNA分子壓縮，容納于直徑只有數(shù)微米的細(xì)胞核中(圖2-9)。

圖2-9DNA在染色質(zhì)中的組裝

人類的基因組2.8X109bp

DNA的構(gòu)造特點(diǎn)是具有高度的復(fù)雜性和穩(wěn)定性，可以滿足遺傳多樣性和穩(wěn)定性的需要。

第三節(jié)RNA的空間構(gòu)造與功能

Spacestructureandfur.ctionofRNA

RNA在生命活動(dòng)中同樣具有重要作用。它和蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的體現(xiàn)和體現(xiàn)過(guò)程的調(diào)控。

RNA分子遠(yuǎn)不不小于DNA分子，分子大小的差異變化大，小的僅有數(shù)十個(gè)核甘酸，大的由數(shù)

千個(gè)核昔酸構(gòu)成。

RNA分子一般以單鏈形式存在，局部有二級(jí)構(gòu)造或三級(jí)構(gòu)造。

RNA的種類具有多樣性，同步RNA的功能也是多樣性的。(表2—2)

表2-2動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)重要RNA的種類及功能

一、信使RNA(messengerRNA,mRNA)的構(gòu)造與功能

mRNA的長(zhǎng)短差異很大，半期最短，由幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等，在細(xì)胞核內(nèi)合成的mRNA初級(jí)產(chǎn)

物比成熟的mRNA分子大得多，此種初級(jí)產(chǎn)物稱為不均一RNA(heterogeneousnuclear

RNA,hnRNA),通過(guò)剪接成為成熟的mRNA并移位至細(xì)胞質(zhì)。

圖2-10真核細(xì)胞mRNA的構(gòu)造示意圖

構(gòu)造特點(diǎn)：

1.5'端具有帽子構(gòu)造：大多數(shù)真核生物的mRNA在轉(zhuǎn)錄后5´-末端以7-甲基鳥(niǎo)喋

吟-三磷酸鳥(niǎo)背為起始構(gòu)造，這種m7GpppN構(gòu)造被稱為帽構(gòu)造(capsequence)o5´

-帽構(gòu)造是由鳥(niǎo)甘酸轉(zhuǎn)移酶加到轉(zhuǎn)錄后的mRNA分子上的，與mRNA中所有其他核甘酸呈相反

方向。帽構(gòu)造中的鳥(niǎo)甘酸及相鄰的A或G都可以發(fā)生甲基化，由于甲基化位置的差異可產(chǎn)生

數(shù)種不一樣的帽構(gòu)造。

mRNA的帽構(gòu)造可以與一類稱為帽結(jié)合蛋白(capbindingproteins,CBPs)的分子結(jié)合。

這種mRNA和CBPs復(fù)合物對(duì)于mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、與核蛋白體的結(jié)合、與翻譯

起始因子的結(jié)合、以及mRNA穩(wěn)定性的維系等均有重要作用。

2.3'末端有polyA尾巴：直核生物mRNA3'末端有數(shù)十至一百多種腺甘酸連接而成，稱

為多聚A尾［poly(A)］。。poly(A)構(gòu)造也是在mRNA轉(zhuǎn)錄完畢后來(lái)額外加入的，催化這一

反應(yīng)的酶為poly(A)轉(zhuǎn)移酶。poly(A)在細(xì)胞內(nèi)與poly(的結(jié)合蛋白(poly(A)-binding

protein,PABP)相結(jié)合而存在。這種3´-末端多聚A尾構(gòu)造和5´一帽構(gòu)造共

同負(fù)責(zé)mRNA從核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位、mRNA的穩(wěn)定性維系以及翻譯起始的調(diào)控。清除多聚A尾

和帽構(gòu)造是細(xì)胞內(nèi)mRNA降解的重要環(huán)節(jié)。

3.mRNA的功能：是轉(zhuǎn)錄核內(nèi)DNA遺傳信息的堿基排列次序，并攜帶至細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)

合成中的氨基酸排列次序。mRNA分子從5´-末端的AUG開(kāi)始，每3個(gè)核昔酸為一

組，決定肽鏈上一種氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcode)或密碼子(codon)。

二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,IRNA)的構(gòu)造與功能

細(xì)胞內(nèi)分子量最小的?類核酸，由74到95個(gè)核甘酸構(gòu)成。

1.構(gòu)造特點(diǎn)：

(1)tRNA分子中具有10$一20%的稀有堿基如：雙氫尿嚅噓(DUH)、假尿喘噬(力，

pseudouridinc)、甲基化的喋吟(mG,mA)

(2)tRNA能形成莖環(huán)構(gòu)造：構(gòu)成tRNA的幾十個(gè)核甘酸中存在著某曲能局部互補(bǔ)配對(duì)的區(qū)

域，可以形成局部的雙鏈。這些局部雙鏈呈莖狀，中間不能配對(duì)的部分則膨出形成環(huán)或禊狀

構(gòu)造，稱為莖環(huán)(slem-hop)構(gòu)造或發(fā)夾構(gòu)造。由于這些莖環(huán)構(gòu)造的存在，使得IRNA整個(gè)

分子的形狀類似于三葉草形(cloverleafpattern)o此構(gòu)造稱為三葉草構(gòu)造。

(3)tRNA分子末端有氨基酸接納莖：所育tRNA的3&acut。;端的最終3個(gè)核甘酸序歹J均為

CCA,是氨基酸的結(jié)合部位，稱為氨基酸接納莖(acceptorstem)o

(4)tRNA序列中有反密碼子：每個(gè)tRNA分子中均有3個(gè)堿基與mRNA上編碼對(duì)應(yīng)氨基酸的

密碼子具有堿基反向互補(bǔ)關(guān)系，可以配對(duì)結(jié)合，這3個(gè)堿基被稱為反密碼子

(anticodon),位于反密碼環(huán)內(nèi)&

tRNA的三級(jí)構(gòu)造：X射線衍射構(gòu)造分析表明，IRNA的共同三級(jí)構(gòu)造是倒L型。(圖2-

11b)

圖2-11tRNA的構(gòu)造示意圖

2.tRNA的功能：在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中作為氨基酸的載體并將其轉(zhuǎn)呈給mRNA

三、核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)的構(gòu)造與功能

核蛋白體RNA(ribosomalRNA,rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA,約占RNA總量的80%以

上。rRNA與核蛋白體蛋白(ribosomalprotein)共同構(gòu)成核蛋白體或稱為核糖體

(ribosome)。原核生物和真核生物的核蛋白體均由易于解聚的大、小兩個(gè)亞基構(gòu)成。

原核生物的rRNA共有5S,16S,23S三種；而真核生物的rRNA有18S,5S,5.8S,28S四

利它們分別與蛋白質(zhì)?起構(gòu)成核蛋白體的大亞基和小亞基，然后由大小亞基共同構(gòu)成核蛋

白體完畢其功能。真核生物的18srRNA的二級(jí)構(gòu)導(dǎo)致花狀(圖2-12)

圖272真核生物18srRNA的二級(jí)構(gòu)造示意圖

rRNA的功能：rRNA與核蛋白體蛋白共同構(gòu)成核蛋白體，為蛋白質(zhì)的合成提供場(chǎng)所。

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第4樓

四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)

除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不一樣部位還存在著許多其他種類的小分子RNA,這些小RW

被統(tǒng)稱為非mRNA小RNAIsmailnon-messengerRNA,snmRNAs)。有關(guān)snmRNAs的研究近

年來(lái)受到廣泛重視，并由比產(chǎn)生了RNA組學(xué)(RNomics)的概念。

SnmRNAs重要包括核內(nèi)小RNA(smallnuclearRNA,snRNA)、核仁小RNA(small

nucleolarRNA,snoRNA)、胞質(zhì)小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)、催化性小RNA

(smallcatalyticRNA)、小片段干擾RNA(smallinterferingRNA,siRNA)等。這些

小RNA在hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因體現(xiàn)過(guò)程的調(diào)控等方面具有非常重要

的生理作用

核酹：某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修飾中具有重要

作用。這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic

RNA)o

小片段干擾RNA：近年siRNA的研究受到了尤其關(guān)注。siRNA是生物宿主對(duì)于外源侵入的基

因所體現(xiàn)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的、具有特定長(zhǎng)度(21個(gè)核甘酸)和序列的小片段

RNA。它可以與外源基因體現(xiàn)的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。

第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)

Phisicochemicalpropertyofnucleicacid

一、核酸的一般理化性質(zhì)：

1.核酸是多元酸，有較強(qiáng)的酸性

2.DNA是線性高分子，機(jī)械作用下易發(fā)生斷裂，而RNA分子遠(yuǎn)不不小于DNA

3.DNA粘度較大，而RNA的粘度要小得多

4.DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸取峰(圖2-13),因此可進(jìn)行定量分析。

圖2-13幾種堿基的紫外吸取光譜圖

二、DNA的變性：

1.變性：在某些理化原因作用下，DNA分子互補(bǔ)堿基對(duì)之間的氫鍵斷裂，使DNA雙螟旋構(gòu)

造松散，變成單鏈，即為變性。DNA變性只變化其二級(jí)構(gòu)造，不變化它的核甘酸排列。

變性的措施：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、加熱以及變性試劑(如尿素、乙醇、丙酮等)

變性的本質(zhì)：雙鏈間氫鍵的斷裂，即空間構(gòu)造的破壞，不波及一級(jí)構(gòu)造的變化。

理化原因的變化：A260的值增長(zhǎng)、粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、酸堿滴定曲線

變化、生物活性喪失

2.增色效應(yīng)(hyperchroniceffect)：在DNA解鏈過(guò)程中，由于更多的共挽雙鍵得以暴

露，DNA在紫外區(qū)260nm處的吸光值增長(zhǎng)，并與解鏈程度有一定的比例關(guān)系，這種關(guān)系稱

為DNA的增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)o(可通過(guò)測(cè)A260的變化來(lái)監(jiān)測(cè)DNA與否發(fā)生

變性)

3.解鏈曲線：在持續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度對(duì)A260的關(guān)系作圖，所得的曲線稱為解鏈曲

線(圖2?14)。

圖2T4DNA的解鏈曲線

從曲線中可以看出，DW的變性從開(kāi)始解鏈到完全解鏈，是在?種相稱窄的溫度內(nèi)完畢的。

在這一范圍內(nèi)，紫外光吸取值到達(dá)最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度(molting

temperature,Tm)又稱融解溫度。

4.Tm值：核酸分子內(nèi)的30%雙鏈構(gòu)造被解開(kāi)時(shí)的溫度

Tm值的大小與堿基中的G+C比例有關(guān)，G+C比例越高，Tm值越大。

計(jì)算公式為：Tm=4(G+C)+2(A+T)

三、DNA的復(fù)性與分子雜交

1.復(fù)性：變性的DNA分子在合適條件下，兩條互補(bǔ)鏈可重新恢豆天然的雙螺旋構(gòu)象,稱為復(fù)

性。DNA的復(fù)性速度受溫度的影響，只有溫度緩慢下降才可使其重新配對(duì)復(fù)性。一般認(rèn)為，

比Tm低25C的溫度是DNA復(fù)性的最佳條件。

2.退火(annealing)：熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性,此過(guò)程稱為退火。

注意：DNA受熱變性后，溫度緩慢冷卻才能復(fù)性,如迅速冷卻至如下，則幾乎不能及性。

一般認(rèn)為，比Tm值低25℃的溫度是DNA復(fù)性的最佳條件。

3.分子雜交(hybridization)：在DNA復(fù)性過(guò)程中，不一樣來(lái)源的DNA單鏈分子或者

DNA和RNA分子之間，序列完全互補(bǔ)或者不完全互補(bǔ)的兩個(gè)單鏈核酸分子之間能形成雙鏈，

這種現(xiàn)象稱為分子雜交。(見(jiàn)六版教材圖2T5)

圖2-15核酸分子雜交原理示意圖

第五節(jié)核酸酶

nucleases

一、核酸酶(nucleases)是指所有可以水解核酸的酶。常用于DNA重組技術(shù)中。

二、分類：

1.按作用的底物分:DNA酶(DNase)和RNA酶(RNase)

2.按作用的部位分：

核酸外切酶：作用于多核甘酸鏈的5'末端或3'末端（5’末端外切酶和3'末端外切酶）

核酸內(nèi)切酶：作用于多核甘酸鏈的內(nèi)部，如有嚴(yán)格的序列依賴性則稱為限制性核酸內(nèi)切酶。

核酸的底物是核酸，因此從功能上來(lái)講也屬于核酸內(nèi)切醛，且為序列特異性的核酸內(nèi)切的.

人工合成的寡聚脫氧核甘酸片段也具有序列特異性降解RNA的作用，稱為催化性DNA

（DNAzyme）0催化性DNA與催化性RNA相比，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性，在

疾病治療方面的將有更好的前景。尚未發(fā)現(xiàn)天然的催化性DNA的存在。

小結(jié)

Summary

核酸是以核甘酸為構(gòu)成單位的線性多聚生物信息分子，分為DNA和RNA兩大類。DNA由脫氧

核糖核昔酸連接而形成，RNA的基本構(gòu)成單位則是核糖核甘酸。DNA分了?中的脫氧核糖核首

酸的堿基成分為A、G、C和T四種；而RNA分子中核糖核甘酸的則由A、G、C和U四種堿基

構(gòu)成。堿基與戊糖結(jié)合形成核甘。脫氧核昔中的戊糖是b-D-2-脫氧核糖；核昔中的戊糖

為b-D-核糖。核甘與磷酸通過(guò)酯鍵連接形成核甘酸。

DNA的一級(jí)構(gòu)造是指DNA分子中的核甘酸的堿基排列次序，DNA對(duì)遺傳信息的貯存正是運(yùn)用

堿基排列方式變化而實(shí)現(xiàn)的。DNA是雙鏈構(gòu)造，兩條鏈呈反向平行走向。DNA雙鏈中的腺喋

吟一直與胸腺唯咤配對(duì)存在，形成兩個(gè)氫鍵；鳥(niǎo)噪吟一直與胞喀咤配對(duì)存在，形成二個(gè)氫

鍵。DNA雙鏈?zhǔn)怯沂致菪龢?gòu)造。DNA在形成雙鏈螺旋式構(gòu)造的基礎(chǔ)上在細(xì)胞內(nèi)還將深入折疊

成為超螺旋構(gòu)造，并且在蛋白質(zhì)的參與下構(gòu)成核小體。DNA的基本功能是作為生物遺傳信息

復(fù)制的模板和基因轉(zhuǎn)錄的模板。

RNA是生物體內(nèi)的另一大類核酸。mRNA以DNA為模板合成后轉(zhuǎn)位至胞質(zhì)，在胞質(zhì)中作為蛋白

質(zhì)合成的模板。成熟的mRNA的構(gòu)造特點(diǎn)是具有特殊5´-末端帽和3´-末端的

多聚A尾構(gòu)造。mRNA分子上每3個(gè)核昔酸為一組，決定肽鏈上一種氨基酸，稱為三聯(lián)體密

碼或密碼子。tRNA的構(gòu)造特點(diǎn)包括存在反密碼子、莖環(huán)構(gòu)造和具有稀有堿基等。tRNA的功

能是在細(xì)胞蛋白質(zhì)合成過(guò)程中作為多種氨基酸的運(yùn)載體并將其轉(zhuǎn)呈給mRNAorRNA與核蛋白

體蛋白共同構(gòu)成核蛋白體，核蛋白體是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。核蛋白體中的rRNA和蛋白

質(zhì)共同為mRNA.tRNA和肽鏈合成所需要的多種蛋白因子提供結(jié)合位點(diǎn)和互相作用所需要的

空間環(huán)境。RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRVAs的種類、構(gòu)造和功能。同畢生物體內(nèi)不一樣種類的

細(xì)胞、同一種細(xì)胞在不一樣步間、不一樣狀態(tài)下SnmRNAs的體現(xiàn)具有時(shí)間和空間特異性。

核酸具有多種重要理化性質(zhì)。核酸的紫外吸取特性被廣泛用來(lái)對(duì)核酸、核甘酸、核甘和堿基

進(jìn)行定性定量分析。核酸的沉降特性用于超速離心法純化核酸。DNA的變性和復(fù)性是核酸最

重要的理化性質(zhì)之一。

DNA變性的本質(zhì)是雙鏈的解鏈。DNA的變性從開(kāi)始解鏈到完全解鏈，紫外光吸取值到達(dá)最大

值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度（Tm）。在Tm時(shí)，核酸分子內(nèi)50%的雙鏈構(gòu)造被解

開(kāi)。熱變性