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细胞的分子基础及基本概念.ppt
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1、 第二章第二章 细胞的分子基础细胞的分子基础 及基本概念及基本概念可编辑版第一节 细胞的化学及分子组成无机化合物有机化合物水水无机盐无机盐蛋白质蛋白质核酸核酸酶酶糖类糖类脂类脂类生物大分子生物大分子可编辑版一、水与无机盐v(一)水是原生质最基本的物质v存在方式:游离水95;结合水5。随着细胞的衰老,细胞的含水量逐渐下降,活细胞的含水量不低于75。v作用:溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和形成细胞有序结构。水之所以具有这么多的重要功能是和水的特有属性分不开的:1.水分子是偶极子2.水分子间可形成氢键3.水分子可解离为离子可编辑版(二)无机盐v含量很少,约占1。盐在细胞中解离为离子,
2、离子的浓度除具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外,还有许多重要的作用。v主要的阴离子有Cl、PO4和HCO3,其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要:在细胞的能量代谢中起着关键作用;是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分;调节酸碱平衡。v主要的阳离子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+。可编辑版阳离子在细胞中的作用离子种类在细胞中的作用Fe2+或Fe3+血红蛋白、细胞色素、过氧化物酶和铁蛋白的成分Na+维持膜电位K+维持膜电位、参与蛋白质合成和某些酶促合成Mg2+叶绿素、磷酸酶、Na+-K+泵Mn2+肽酶Cu2+酪氨酸酶、抗坏血酸
3、氧化酶Co2+肽酶Mo2+硝酸还原酶、黄嘌呤氧化酶Ca2+钙调素、肌动球蛋白、ATP酶可编辑版细胞中有机物达几千种之多,主要由四大类分子所组成:蛋白质、核酸、脂类和糖,这些分子约占细胞干重的90%以上。(一)蛋白质是细胞的主要结构成分,而且更重要的是,生物专有的催化剂酶是蛋白质,因此细胞的代谢活动离不开蛋白质。1.蛋白质的结构二、细胞的有机分子二、细胞的有机分子可编辑版-氨基酸的通式氨基酸的通式 可编辑版肽和肽键的形成肽和肽键的形成肽单位肽单位肽键肽键肽平面肽平面可编辑版蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构二级结构二级结构三级结构三级结构primary st
4、ructureprimary structuresecondary structuresecondary structureTertiary structureTertiary structurequariernary structurequariernary structure超二级结构超二级结构结构域结构域 supersecondary structuresupersecondary structureStructure domanStructure doman可编辑版蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序,包括二硫键的位置称为蛋白多肽链中氨基酸的排列顺序,包括二硫键的位
5、置称为蛋白质的一级结构质的一级结构(primary structure)primary structure)。这是蛋白质最基本的结构,这是蛋白质最基本的结构,它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。例:例:牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构可编辑版蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构()螺旋螺旋(helixhelix)()折叠折叠(-pleated sheet)()转角转角(-turn)()无规则卷曲无规则卷曲(nonregular coil)蛋白质的二级结构(蛋白质的二级结构(secondary structuresecondary struct
6、ure)指肽链指肽链主链不同区段通过自身的相互作用,形成氢键,沿某一主主链不同区段通过自身的相互作用,形成氢键,沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构,是蛋白质结构的构象轴盘旋折叠而形成的局部空间结构,是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型:单元主要有以下类型:可编辑版特特征征:1 1、每每隔隔3.63.6个个AAAA残残基基 螺螺 旋旋 上上 升升 一一 圈圈,螺螺 距距0.540.54nm;nm;2、螺螺旋旋体体中中所所有有氨氨基基酸酸残残基基R侧侧链链都都伸伸向向外外侧侧,链链中中的的全全部部C=0 和和N-H几几乎都平行于螺旋轴乎都平行于螺旋轴;3、每每个个氨氨基基酸酸残残基基的的N-H
7、与与前前面面第第四四个个氨氨基基酸酸残残基基的的C=0形形成成氢氢键键,肽肽链链上上所所有有的的肽肽键键都都参参与与氢氢键键的的形形成。成。螺旋(螺旋(helix)形成因素形成因素:与与Amino acid组组成和排列顺序直接相关。成和排列顺序直接相关。多多态态性性:多多数数为为右右手手(较较稳稳定定),亦亦有有少少数数左左手手螺螺旋旋存存在在(不不稳稳定定);存存在在尺尺寸寸不不同同的螺旋。的螺旋。可编辑版折叠(折叠(-pleated sheet-pleated sheet)特特征征:两两条条或或多多条条伸伸展展的的多多肽肽链链(或或一一条条多多肽肽链链的的若若干干肽肽段段)侧侧向向集集聚聚
8、,通通过过相相邻邻肽肽链链主主链链上上的的N-HN-H与与C=OC=O之之间间有有规规则则的的氢氢键键,形形成成锯锯齿齿状状片片层层结结构构,即即折折叠叠片。片。类别类别:平行平行 反平行反平行可编辑版 转角(转角(-turn-turn)特特征征:多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸残残基基n n的的羰羰基基上上的的氧氧与与残残基基(n+3n+3)的的氮氮原原子子上上的的氢氢之之间间形形成成氢氢键键,肽肽键键回折回折1801800 0。可编辑版无无规规则则卷卷曲曲示示意意图图无规则卷曲无规则卷曲可编辑版 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 多多肽肽键键在在二二级级结结构构的的基基础础上上,通通过过侧侧链
9、链基基团团的的相相互互作作用用进进一一步步卷卷曲曲折折叠叠,借借助助次次级级键键维维系系使使螺螺旋旋、折折叠叠片片、转转角角等等二二级级结结构构相相互互配配置置而而形形成成特特定定的的构构象象。三三级级结结构构的的形形成成使使肽肽链链中中所所有有的的原原子子都都达达到到空空间间上上的的重重新排布。新排布。可编辑版肌肌红红蛋蛋白白三三级级结结构构可编辑版核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41可编辑版蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构四四级级结结构构是是指指由由相相同同或或不不同同的的称称作作亚亚基基(subunitsubunit)的的亚亚单单位位按
10、按照照一一定定排排布布方方式式聚聚合合而而成成的的蛋蛋白白质质结结构构,维维持持四四级级结结构构稳稳定定的的作作用用力力是是疏疏水水键键、离离子子键键、氢氢键键、范范得得华华力力。亚亚基基本本身身都都具具有有球球状状三三级级结结构构,一一般般只只包包含含一一条条多多肽肽链,也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。链,也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。实例:实例:血红蛋白血红蛋白 烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构可编辑版血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构可编辑版烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装可编辑版蛋白质的
11、分类 v蛋白质的种类繁多,结构复杂,迄今为止没有一个理想的分类方法。着眼的侧面不同,分类也就不同,例如从蛋白质形状上,可将它们分为球状蛋白质及纤维状蛋白质;从组成上可分为单纯蛋白质(分子中只含氨基酸残基)及结合蛋白质(分子中除氨基酸外还有非氨基酸物质,后者称辅基);单纯蛋白质又可根据理化性质及来源分为清蛋白(又名白蛋白,albumin)、球蛋白(globulin)、谷蛋白(glutelin)、醇溶谷蛋白(prolamine)、精蛋白(protamine)、组蛋白(histone)、硬蛋白(scleroprotein)等。结合蛋白又可按其辅基的不同分为核蛋白(nucleoprotein)、磷蛋白
12、(phosphoprotein)、金属蛋白(metalloprotein)、色蛋白(chromoprotein)等。可编辑版蛋白质的分类v此外,还可以按蛋白质的功能将其分为活性蛋白质(如酶、激素蛋白质、运输和贮存蛋白质、运动蛋白质、受体蛋白质、膜蛋白质等)和非活性蛋白质(如胶原、角蛋白等)两大类。可编辑版简单蛋白质分类简单蛋白质分类可编辑版结合蛋白质分类结合蛋白质分类可编辑版蛋白质在生命活动中的作用:v1.酶的催化作用,已知酶有2000多种;v2.运输和储藏作用;v3.激素的调节作用,肽类和氨基酸类、蛋白类;v4.运动功能,肌肉收缩;v5.结构成分和机械支持物,胶原蛋白和弹性蛋白;v6.免疫功
13、能,抗体(免疫球蛋白);v7.构成生物膜,体现膜功能,膜蛋白、载体、受体;v8.毒素的强调节作用,毒蛋白;v9.与动物生长生殖相关,蛋白质有功能大分子之称。可编辑版蛋白质组学v随着人类基因组计划的实施和推进,生命科学研究已进入了后基因组时代。在这个时代,生命科学的主要研究对象是功能基因组学,包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。由于基因是遗传信息的携带者,而生命活动的执行者却是蛋白质。因此,即使得到人类全部基因序列,也只是解决了遗传信息库的问题。人类揭示整个生命活动的规律,就必须研究基因的产物蛋白质。蛋白质组学(Proteomics),它是以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象。可以说蛋
14、白质组研究的开展不仅是生命科学研究进入后基因组时代的里程碑,也是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一。可编辑版蛋白质组学v蛋白质组学(proteomics)就是指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件下蛋白质表达的异同,对相关蛋白质进行分类和鉴定。更重要的是蛋白质组学的研究要分析蛋白质间相互作用和蛋白质的功能。可编辑版(二)核酸v是生物遗传信息的载体分子。由核苷酸单体聚合而成。分为RNA和DNA两大类。DNA的主要构象有三种:vB-DNA:右手螺旋模型,每圈螺旋10个碱基,螺旋扭角为36度,螺距34A,碱基倾角为-2度。vA-DNA:右手螺旋
15、,每圈螺旋10.9个碱基,螺旋扭角为33度,螺距32A,碱基倾角为13度。通过75%适度的B-DNA经X光衍射得到,尚不能肯定自然条件是否存在。vZ-DNA:左手螺旋,每圈螺旋12个碱基,碱基倾角为9度。确切功能未知,可能起调控作用。可编辑版二、核酸的组成成分二、核酸的组成成分核酸 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base(碱基 base)核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose(戊糖 amyl sugar)可编辑版5-磷酸核苷酸的基本
16、结构磷酸核苷酸的基本结构OO(N=A、G、C、U、T)HH(O)H12NOHCH2HH543PO-OOO-可编辑版基本碱基结构和命名基本碱基结构和命名嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)Uracil (U)Thymine (T)可编辑版DNA的结构的结构(一)(一)DNA的一级结构的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别,所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列碱基序列(base sequence)。通常碱基序列由DNA链的53方向写。DNA中有4种类型的核苷酸,有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。(二)(二
17、)DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1953年,Watson 和Crick 提出。可编辑版DNA的双螺旋模型特点的双螺旋模型特点 两两条条反反向向平平行行的的多多聚聚核核苷苷酸酸链链沿沿一一个个假假设设的中心轴右旋相互盘绕而形成。的中心轴右旋相互盘绕而形成。磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖单单位位作作为为不不变变的的骨骨架架组组成成位于外侧,作为可变成分的碱基位于内侧。位于外侧,作为可变成分的碱基位于内侧。链链间间碱碱基基按按AT,GC配配对对(碱碱基基配配对对原原则则,Chargaff定律)定律)螺螺旋旋直直径径2nm,相相邻邻碱碱基基平平面面垂垂直直距距离离0.34nm,螺螺旋旋结结构构每每隔隔1
18、0个个碱碱基基对对(base pair,bp)重复一次,间隔为重复一次,间隔为3.4nm可编辑版可编辑版 氢键氢键 碱基堆集力碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素的双螺旋结构稳定因素可编辑版DNA的双螺旋结构的双螺旋结构的意义的意义 该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征,最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则,这这是是是是DNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础,亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和
19、和表表达达的的分分子子基基础础。该该模模型型的的提提出出是是本本世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一,它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生生命命科科学学飞速发展的基石。飞速发展的基石。可编辑版可编辑版RNA的一级结构的一级结构 RNA分分子子中中各各核核苷苷之之间间的的连连接接方方式式(3-5磷磷酸酸二二酯酯键键)和和排排列列顺顺序序叫叫做做RNA的一级结构的一级结构OHOHOH53 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基可编辑
20、版RNA的类别的类别 信使信使RNA(messenger RNA,mRNA):):在蛋白在蛋白质合成中起模板作用;质合成中起模板作用;核糖体核糖体RNA(ribosoal RNA,rRNA):):与蛋白与蛋白质结合构成核糖体(质结合构成核糖体(ribosome),核糖体是蛋白质合成核糖体是蛋白质合成的场所;的场所;转移转移RNA(transfor RNA,tRNA):):在蛋白质在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。合成时起着携带活化氨基酸的作用。可编辑版RNA催化剂v也叫核酶Ribozyme。vT.Cech 1982发现四膜虫rRNA的前体物能在没有任何蛋白质参与下进行自我加工,产生成熟的
21、rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接(self splicing)。v后来陆续发现,具有催化活性的RNA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。可编辑版核酶核酶v大部分核酶参加RNA的加工和成熟,也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。vRNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用,与某写物质的运输与定位有关。可编辑版(三)酶与生物催化剂1.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。2.某些酶需要有一种非蛋白质性的辅因子(cofactor)结合才能具有活性。辅因子可以
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