《生物分子II》课件

生物分子探索生命的分子II基础生物分子是构成生命的基本单位，包括蛋白质、核酸、糖类和脂质四大类本课程将深入探讨这些分子的结构、功能及其在生命活动中的重要作用通过系统学习生物分子的特性和相互作用，我们将揭示生命现象的分子机制，为理解疾病发生、药物设计和生物技术应用奠定坚实基础生物分子的基础知识复习蛋白质由氨基酸组成的多肽链，承担催化、结构、运输等多种功能，是细胞干重的主要组成部分核酸包括DNA和RNA，负责遗传信息的储存、传递和表达，是生命延续的分子基础糖类主要提供能量，参与细胞识别和信号传导，构成细胞壁和细胞外基质的重要成分脂质构成生物膜的主要成分，具有储能、信号传导和保护功能，维持细胞结构完整性学科发展简史1年双螺旋1953DNA沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型，开启分子生物学时代，获得1962年诺贝尔生理学或医学奖2年蛋白质结构1958桑格首次测定胰岛素完整氨基酸序列，证明蛋白质具有确定的化学结构，获得诺贝尔化学奖3年代重组1970DNA科恩和博耶开发DNA重组技术，为基因工程和生物技术产业奠定基础，推动现代生物技术革命4年人类基因组1990人类基因组计划启动，2003年完成测序，揭示人类遗传密码，开启精准医学新纪元本章知识结构导航结构维度功能维度从分子的化学组成到三维空间构象，理解结构决定功能的基本原探讨生物分子如何通过特定的结构实现多样化的生物学功能从理包括一级结构的化学键合、二级结构的局部折叠、三级结构单个分子的催化活性到分子网络的协同作用，揭示生命活动的分的整体构象以及四级结构的分子间相互作用子机制•化学键与分子间作用力•催化与调控机制•空间构象与动态变化•信息传递与处理•结构层次与稳定性•能量转换与利用蛋白质的定义及分布50%20,000+细胞干重占比人体蛋白种类蛋白质是细胞中含量最丰富的生物大分子人类基因组编码的不同蛋白质数量100+1M+氨基酸残基已知结构典型蛋白质分子的平均氨基酸数量蛋白质数据库中已解析的蛋白质结构数量蛋白质作为生命活动的主要执行者，在细胞中发挥着不可替代的作用它们不仅构成细胞结构的重要组成部分，更是承担着酶催化、信号传导、物质运输等关键功能蛋白质的基本结构一级结构氨基酸序列，决定其他结构层次二级结构α-螺旋和β-折叠等局部构象三级结构完整多肽链的三维空间折叠四级结构多个亚基组装形成的复合体蛋白质的结构层次体现了从简单到复杂的组织原理每个层次都有其特定的稳定机制，共同决定了蛋白质的最终功能结构的任何改变都可能影响蛋白质的生物活性氨基酸种类与性质极性氨基酸非极性氨基酸亲水性侧链，常位于蛋白质表面疏水性侧链，倾向于聚集在蛋白质内部•丝氨酸、苏氨酸•甘氨酸、丙氨酸•天冬酰胺、谷氨酰胺•异亮氨酸、苯丙氨酸带负电氨基酸带正电氨基酸酸性侧链，形成盐桥稳定结构碱性侧链，参与静电相互作用•天冬氨酸、谷氨酸•赖氨酸、精氨酸•羧基解离产生负电荷•组氨酸（可变电荷）蛋白质的空间构象螺旋结构折叠结构α-β-右手螺旋，每圈

3.6个氨基酸残多肽链伸展形成片状结构，相邻基，通过氢键稳定在膜蛋白和链通过氢键连接可形成平行或纤维蛋白中广泛存在，如角蛋白反平行排列，在抗体和酶蛋白中和肌球蛋白常见血红蛋白实例含有四个亚基的经典四级结构蛋白，每个亚基结合一个血红素分子展示了蛋白质亚基间协同效应和变构调节机制蛋白质的功能多样性酶催化功能运输功能免疫防御降低反应活化能，加速血红蛋白运输氧气，载抗体识别并中和病原生化反应消化酶、代脂蛋白运输脂质，离子体，补体蛋白参与免疫谢酶和DNA修复酶等维通道调节离子跨膜运反应，干扰素抵抗病毒持细胞正常代谢输感染信号调节胰岛素调节血糖，生长激素促进发育，神经递质传递神经信号酶的功能与机制底物结合酶的活性中心识别并结合特定底物分子构象变化诱导契合模型，酶-底物复合物形成催化反应降低活化能，加速化学键断裂或形成产物释放产物从活性中心解离，酶恢复原始状态酶催化遵循米氏方程，Km值反映酶与底物的亲和力，Vmax表示最大反应速率这些动力学参数对于理解酶的催化效率和调节机制具有重要意义酶的调控实例酶活性激活产物生成底物浓度增加，酶活性上调，代谢通路酶催化反应进行，终产物浓度逐渐累积启动平衡调节反馈抑制产物浓度下降，抑制解除，系统恢复平终产物结合到酶的变构位点，抑制酶活衡性反馈抑制是细胞调节代谢通量的重要机制例如，在氨基酸合成通路中，终产物可以抑制通路第一步的酶活性，防止过量合成这种精细调控确保了细胞资源的有效利用核酸与DNA RNA（脱氧核糖核酸）（核糖核酸）DNA RNA双链螺旋结构，储存遗传信息由脱氧核糖、磷酸和四种碱基主要为单链结构，参与基因表达由核糖、磷酸和四种碱基（A、T、G、C）组成具有高度稳定性，是遗传物质的主要载（A、U、G、C）组成结构多样，功能广泛，包括信息传递、体催化和调节•双螺旋结构稳定•结构灵活多样•碱基配对规则严格•催化活性（核酶）•信息储存功能•调节基因表达的化学结构DNA碱基配对A与T，G与C严格配对脱氧核糖五碳糖，缺少2羟基磷酸基团连接糖分子，形成骨架核苷酸单位4DNA的基本构建单元DNA的双螺旋结构通过氢键维持碱基配对的稳定性A-T之间形成两个氢键，G-C之间形成三个氢键，这种差异使得GC含量高的DNA更加稳定，熔解温度更高的高级结构DNA染色体形成纤维30nm在细胞分裂期，染色质高度凝缩形成可见核小体形成核小体进一步盘绕形成更紧密的纤维结的染色体，DNA压缩比达到10000倍以DNA缠绕组蛋白八聚体，形成串珠状结构，在组蛋白H1的参与下实现更高级的包上构，是染色质的基本重复单位，压缩比约装为6倍的复制DNA解旋解旋酶打开双螺旋引发引物酶合成RNA引物延伸DNA聚合酶合成新链校对3-5外切酶活性纠错DNA复制遵循半保留机制，每条新生DNA分子都含有一条原有链和一条新合成链前导链连续合成，滞后链以冈崎片段形式不连续合成，随后由DNA连接酶连接的类型与功能RNA信使RNA mRNA携带蛋白质编码信息从细胞核到细胞质，在翻译过程中作为蛋白质合成的模板具有5帽子和3多聚A尾结构转运RNA tRNA转运特定氨基酸到翻译位点，具有三叶草二级结构和L型三级结构反密码子环识别mRNA上的密码子核糖体RNA rRNA核糖体的结构和催化成分，参与肽键形成28S、18S、

5.8S和5S rRNA共同构成蛋白质合成机器调节性RNA包括miRNA、siRNA等小分子RNA，通过与目标mRNA结合调节基因表达，在发育和疾病中发挥重要作用蛋白质的流向DNA→RNA→1储存信息DNA遗传信息以基因形式储存在DNA序列中，通过启动子等调控序列控制表达时机和强度转录形成RNARNA聚合酶识别启动子，以DNA为模板合成mRNA，经过剪接、加帽、加尾等修饰过程翻译合成蛋白质mRNA在核糖体上翻译，tRNA携带氨基酸按密码子顺序合成多肽链，形成功能蛋白质转录过程详述启动子识别转录因子结合启动子序列转录起始RNA聚合酶II组装并开始转录剪接RNA剪接体去除内含子，连接外显子修饰RNA5加帽和3多聚腺苷化修饰真核生物的转录过程比原核生物更加复杂，需要多种转录因子的参与选择性剪接机制使得一个基因可以产生多种蛋白质异构体，大大增加了蛋白质组的多样性翻译过程与分子机制起始复合物形成肽链延伸小亚基结合mRNA和起始tRNA，大亚氨酰-tRNA进入A位点，肽酰转移酶催基加入形成完整核糖体化肽键形成终止与释放核糖体移位遇到终止密码子，释放因子促进肽链释mRNA相对核糖体移动一个密码子，放和核糖体解离tRNA从A位点移至P位点糖类的种类与结构单糖二糖多糖最简单的糖类分子，如葡萄糖、果糖和由两个单糖分子通过糖苷键连接形成由大量单糖单位聚合形成的高分子化合半乳糖葡萄糖是细胞能量代谢的主要蔗糖、乳糖和麦芽糖是常见的二糖，在物淀粉和糖原用于能量储存，纤维素燃料，具有环状和链状两种构象食物消化和能量供应中发挥重要作用提供结构支撑，几丁质构成节肢动物外骨骼•葡萄糖主要能源物质•蔗糖葡萄糖+果糖•淀粉植物储能多糖•果糖甜度最高的天然糖•乳糖葡萄糖+半乳糖•糖原动物储能多糖•半乳糖乳糖的组成成分•麦芽糖葡萄糖+葡萄糖•纤维素植物结构多糖糖类的生理功能能量储存细胞识别信号传导糖原在肝脏和肌肉细胞表面的糖蛋白某些糖类分子作为中储存，可快速分和糖脂参与细胞间信号分子参与细胞解释放葡萄糖植识别和粘附不同通讯糖基化修饰物中的淀粉是长期的糖链结构决定了影响蛋白质的稳定能量储备，为种子细胞类型特异性和性、定位和功能萌发提供能量组织相容性结构支撑纤维素构成植物细胞壁，几丁质形成昆虫外骨骼，透明质酸维持组织水合状态和弹性糖类在细胞表面的作用膜锚定糖脂分子嵌入细胞膜脂双分子层中糖基化修饰蛋白质在内质网和高尔基体中接受糖基化细胞标识形成特异性的细胞表面糖类模式分子识别介导细胞间粘附和免疫识别过程ABO血型系统是糖类细胞识别的经典例子A型血的红细胞表面含有N-乙酰半乳糖胺，B型血含有半乳糖，O型血缺乏这两种糖基这些微小的结构差异决定了血型相容性脂质的定义及类型甘油三酯磷脂主要储能脂质，占脂肪组织95%细胞膜的主要成分，具有两亲性•长期能量储存•磷脂酰胆碱•绝缘和保护功能•磷脂酰丝氨酸信号脂质胆固醇参与细胞信号传导的脂质分子调节膜流动性，激素前体物质•前列腺素•性激素合成原料•白三烯•胆汁酸前体脂质的结构与性质疏水性质两性分子脂肪酸长链具有疏水性，使脂质磷脂具有亲水头部和疏水尾部，分子能够形成生物膜的疏水核在水中自发形成双分子层结构，心，阻止水溶性物质的自由通是生物膜形成的物理化学基础过膜流动性不饱和脂肪酸含量和胆固醇浓度调节膜的流动性，影响膜蛋白功能和物质跨膜转运效率生物膜的功能与模型膜蛋白功能1载体、通道、受体、酶活性选择透过性调节物质进出细胞流动镶嵌蛋白质镶嵌在流动的脂双分子层中脂双分子层磷脂构成膜的基本骨架流动镶嵌模型描述了生物膜的动态特性膜蛋白可以在脂双分子层中进行侧向扩散，这种流动性对于膜融合、胞吞胞吐等细胞过程至关重要信号分子的分类与通路信号分子结合激素、神经递质或生长因子与细胞表面或胞内受体特异性结合，启动信号转导级联反应受体激活配体结合导致受体构象变化，激活其内在酶活性或与胞内信号蛋白发生相互作用信号放大通过蛋白激酶级联反应和第二信使系统，将信号逐级放大，产生强烈的细胞响应生物学效应最终导致基因表达改变、酶活性调节或细胞行为变化，如增殖、分化、凋亡或迁移生物分子的互作网络蛋白质相互作用分子网络特征蛋白质通过非共价相互作用形成功能复合物酶复合物如丙酮酸生物分子网络具有小世界网络和无标度网络特征少数关键节点脱氢酶复合体包含多个亚基，协同催化复杂的生化反应蛋白（hub蛋白）与众多伙伴相互作用，维持网络稳定性•酶-底物复合物•网络拓扑结构•转录调节复合物•关键节点识别•蛋白酶体复合物•功能模块划分分子机器与细胞器核糖体DNA聚合酶ATP合酶蛋白质合成工厂，DNA复制的核心利用质子梯度驱动由rRNA和蛋白质酶，具有5-3聚合ATP合成的旋转马组成大小亚基协酶活性和3-5外切达，将化学能转化同工作，精确翻译酶校对功能，保证为细胞可用的高能遗传密码为蛋白质遗传信息准确传磷酸键序列递蛋白酶体细胞内蛋白质降解工厂，识别泛素标记的蛋白质并将其降解为小肽片段，维持蛋白质稳态结构生物学研究方法X射线晶体学冷冻电镜核磁共振单分子技术分辨率可达原子水平（

0.8Å）研究大分子复合物动态结构溶液中蛋白质结构和动力学观察单个分子的实时动态结构生物学技术的发展推动了我们对生物分子的深入理解2017年冷冻电镜技术获得诺贝尔化学奖，使得大分子复合物如核糖体、剪接体的高分辨率结构得以解析分子动力学与功能调控分子力场数值积分定义原子间相互作用势能函数和参数牛顿运动方程求解原子运动轨迹功能预测轨迹分析关联结构动态与生物学功能统计分析构象变化和动力学性质分子动力学模拟揭示了蛋白质的动态本质例如，离子通道的开关机制涉及蛋白质构象的协同变化，这种动态过程难以通过静态结构观察，需要计算模拟来理解生物分子的异常与疾病蛋白质错误折叠阿尔茨海默病中的β-淀粉样蛋白聚集形成斑块，破坏神经元功能错误折叠的蛋白质失去正常功能，并可能获得毒性朊病毒疾病朊蛋白构象改变导致疯牛病等神经退行性疾病异常构象的朊蛋白可诱导正常朊蛋白发生构象转变遗传性疾病镰刀型贫血症由血红蛋白β链单个氨基酸突变引起，导致红细胞变形和溶血性贫血基因突变后果DNA序列改变可导致蛋白质结构异常，影响酶活性、蛋白稳定性或相互作用，最终导致疾病表型酶缺陷相关疾病苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙氨酸代谢障碍，血液和尿液中苯丙氨酸及其代谢产物浓度异常升高神经系统损伤苯丙氨酸及其毒性代谢产物在脑组织中积累，干扰神经递质合成，影响大脑发育和功能饮食治疗通过低苯丙氨酸饮食控制血液中苯丙氨酸水平，可有效预防智力发育障碍和其他并发症遗传性代谢病揭示了酶在维持细胞代谢平衡中的关键作用单个酶的缺陷可能导致代谢通路阻断，产物积累或终产物缺乏，进而引发严重的生理后果分子生物学技术基础扩增PCR聚合酶链式反应指数级扩增目标DNA酶切与连接2限制性内切酶和DNA连接酶构建重组质粒测序DNA桑格测序和新一代测序技术确定序列基因克隆将目标基因导入载体并在宿主细胞中表达PCR技术的发明彻底改变了分子生物学研究，使得从微量样本中扩增特定DNA序列成为可能结合DNA测序技术，研究者能够快速分析基因结构、检测突变和进行分子诊断重组与基因工程DNA目标基因识别从基因组中分离编码目标蛋白的基因序列载体构建将目标基因插入表达载体，添加启动子和调控元件宿主转化将重组载体导入细菌、酵母或哺乳动物细胞蛋白生产大规模培养工程菌株，纯化重组蛋白产品基因工程技术已广泛应用于生物制药产业胰岛素、生长激素、单克隆抗体等重要药物都通过重组DNA技术生产，为糖尿病、生长缺陷和癌症等疾病治疗提供了有效手段基因编辑技术CRISPR分子机制Cas9蛋白在guide RNA引导下识别特定DNA序列，产生双链断裂细胞DNA修复机制可实现基因敲除、敲入或点突变技术优势相比传统方法，CRISPR具有操作简便、成本低廉、效率高等优点可同时编辑多个基因位点，大大提高了基因改造效率临床应用已用于治疗镰刀型贫血、β-地中海贫血等遗传病CAR-T细胞疗法中也应用CRISPR技术改造免疫细胞功能未来前景base editing和prime editing等新技术进一步提高编辑精度表观遗传编辑为调控基因表达提供新工具生物分子在医学中的应用300+95%获批抗体药物mRNA疫苗效力全球已有超过300种单克隆抗体药物获得批准新冠mRNA疫苗在临床试验中显示的保护效力$200B50+生物药市场基因疗法2023年全球生物制药市场规模预计值目前获得FDA批准的基因和细胞治疗产品数量生物分子药物代表了现代医学的重要发展方向与传统小分子药物相比，生物大分子药物具有更高的特异性和更少的副作用，为难治性疾病提供了新的治疗选择生物分子的生物信息学分析序列比对结构预测数据库资源BLAST、Clustal等工具AlphaFold、ChimeraX PDB、UniProt、NCBI比较DNA、RNA和蛋白等软件预测蛋白质三维等数据库储存海量生物质序列同源性，预测进结构，为药物设计和功分子信息，支持全球科化关系和功能域能研究提供支持研合作网络分析STRING、Cytoscape等平台分析蛋白质相互作用网络，揭示分子功能关系分子药物设计靶点识别虚拟筛选确定与疾病相关的关键蛋白质或核酸分计算机模拟预测小分子与靶点结合亲和子作为药物作用靶点力，筛选候选化合物结构优化实验验证基于结构-活性关系优化先导化合物的药体外和体内实验验证候选药物的活性、理学性质选择性和安全性理性药物设计结合了结构生物学、计算化学和药理学知识，大大提高了新药研发效率通过深入理解靶点分子的结构和功能，可以设计出更加精准有效的治疗药物小分子药物生物大分子药物vs小分子药物生物大分子药物分子量通常小于500道尔顿，结构简单，可口服给药具有良好包括蛋白质、抗体、核酸等，分子量通常大于1000道尔顿具的组织穿透性和细胞膜透过性，制造成本相对较低有高度特异性，副作用较少，但需要注射给药•化学合成生产•生物系统表达生产•稳定性好，保存期长•需要特殊储存条件•可开发仿制药•生物类似药开发复杂•市场份额约70%•市场增长率超过10%。