《生物大分子：蛋白质与核酸》课件

生物大分子蛋白质与核酸生物大分子是生命活动的物质基础，其中蛋白质和核酸作为最重要的两类大分子，分别承担着生命活动的执行和遗传信息的储存功能本课程将深入探讨这两类分子的结构特点、功能机制以及它们在生命过程中的相互作用通过系统学习，我们将理解从分子水平到细胞功能的生命奥秘，掌握现代分子生物学的核心概念，为进一步的生物学研究奠定坚实基础课程介绍主讲内容聚焦重点课程目标深入讲解生物大分子的基本概念与重点关注蛋白质和核酸的结构层次帮助学生全面理解生物大分子在生重要性，重点阐述蛋白质和核酸的与功能关系，探讨分子结构如何决命活动中的核心作用，建立分子生分子特征课程涵盖从基础结构到定生物功能，以及两者在生命活动物学思维，培养从分子水平分析生高级功能的完整知识体系中的协同作用机制物现象的能力生物大分子概述碳水化合物脂质蛋白质主要提供能量和结构支撑，构成生物膜的主要成分，同执行生命活动的主要载体，包括单糖、多糖等在细胞时具有储能和信号传导功具有催化、结构、运输、调识别和信号传导中也发挥重能磷脂、胆固醇等脂质分节等多种功能蛋白质的功要作用，是生命活动的重要子维持细胞膜的完整性和流能多样性使其成为生命活动燃料动性的核心执行者核酸储存和传递遗传信息的载体，负责信息储存，DNA参与信息表达核酸是RNA生命延续和进化的分子基础蛋白质与核酸的地位储存DNA作为遗传信息的稳定载体，以特定的碱基序列储存生物体DNA的全部遗传信息，确保信息的准确传递传递RNA充当信息传递的媒介，将中的遗传信息转录并运输RNA DNA到蛋白质合成的场所，实现信息的流动蛋白质执行蛋白质根据遗传信息指导合成，承担催化、结构、调节等具体功能，是生命活动的直接执行者单元一蛋白质基础结构层次功能多样性蛋白质具有四个结构层次一级蛋白质功能的多样性源于其结构结构决定氨基酸序列，二级结构的复杂性从催化反应的酶到构形成局部规则构象，三级结构确建细胞骨架的结构蛋白，从运输定空间折叠，四级结构实现多亚分子的载体到调节基因表达的转基组装每个层次都对蛋白质功录因子，蛋白质承担着生命活动能具有重要影响的各个方面动态特性蛋白质不是静态的分子，而是具有动态特性的功能实体构象变化、变性复性、翻译后修饰等过程体现了蛋白质的动态本质，这种特性使其能够精确调控生物功能蛋白质的基本概念万50%10+细胞干重占比人体蛋白质种类蛋白质占据细胞干重的一半以上，是细胞人体含有超过万种不同的蛋白质，实现10中含量最多的有机大分子各种复杂的生理功能20标准氨基酸数量种标准氨基酸通过不同组合形成所有20天然蛋白质蛋白质是由氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子，是生命活动中最重要的功能分子它们不仅数量庞大，而且功能极其多样化，从细胞代谢到遗传调控，从免疫防御到信号传导，蛋白质几乎参与了所有的生命过程蛋白质的元素组成氮元素约占16%氨基的重要组成•碳氢氧硫元素区别于其他大分子的标志•约占总重量的约占70%蛋白质定量分析依据

0.3%•碳构成分子骨架来自半胱氨酸和蛋氨酸••氢参与氢键形成形成二硫键稳定结构••氧羧基和羟基成分某些辅酶的重要组分••氨基酸概述基本结构特征氨基酸多样性每个氨基酸都含有一个氨基（）和一个羧基（），自然界中存在数百种氨基酸，但只有种被选择用于蛋白质合-NH₂-COOH20连接在同一个碳原子上这个碳原子称为碳，还连接一个氢成这种标准氨基酸通过不同的排列组合，可以形成几乎无α-20原子和一个可变的侧链基团限多样的蛋白质分子R侧链基团决定了不同氨基酸的独特性质，包括极性、电荷、大每种氨基酸都有其独特的生化性质和在蛋白质中的作用从最简R小和化学反应性正是这些差异使得蛋白质能够形成复杂的三维单的甘氨酸到最复杂的色氨酸，它们共同构成了蛋白质世界的基结构并执行多样化的功能本积木氨基酸分类

（一）非极性疏水氨基酸包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸这些氨基酸的侧链不含极性基团，在水溶液中倾向于聚集在一起，形成疏水核心2极性无电荷氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、半胱氨酸这些氨基酸的侧链含有极性基团但不带电荷，能够形成氢键，通常位于蛋白质表面与水分子相互作用分子内部相互作用疏水相互作用是维持蛋白质三级结构稳定的重要力量非极性氨基酸倾向于聚集在蛋白质内部，避免与水分子接触，而极性氨基酸则偏向于分布在蛋白质表面氨基酸分类

（二）酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸在生理条件下带负电荷，它们的羧基侧链能够释放pH质子这些氨基酸常常参与酶的活性中心，通过静电相互作用稳定蛋白质结构或参与催化反应在蛋白质表面，它们与带正电荷的离子或氨基酸形成盐桥碱性氨基酸赖氨酸、精氨酸和组氨酸在生理条件下带正电荷赖氨酸和精氨酸的侧链含有氨基基团，而组氨酸含有咪唑基团组氨酸的接近生理pKa，使其在细胞内调节中发挥重要作用pH pH特殊氨基酸脯氨酸由于其环状结构限制了主链的灵活性，常常在蛋白质转角处出现半胱氨酸含有巯基，两个半胱氨酸可以形成二硫键，这是维持蛋白质结构稳定的重要共价键肽键的形成肽键特性脱水缩合肽键具有部分双键性质，使得键不C-N一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨能自由旋转，形成刚性的平面结构这基结合，脱去一分子水形成肽键这是种特性对蛋白质二级结构的形成至关重一个需要能量的生化反应过程要重复延伸链方向性通过重复的肽键形成过程，氨基酸逐个多肽链具有方向性，从端（氨基端）N连接，最终形成具有特定序列的多肽到端（羧基端）这种方向性在蛋白C链，为蛋白质的高级结构奠定基础质合成和功能中具有重要意义蛋白质的一级结构序列决定一切功能的基础蛋白质的一级结构是指氨基酸在多肽链中的排列顺序，这个序列氨基酸序列中的每一个位点都可能对蛋白质功能产生影响单个完全由编码基因决定每个蛋白质都有其独特的氨基酸序列，就氨基酸的改变可能导致蛋白质功能的显著变化，甚至完全丧失功像每个人都有独特的指纹一样能一级结构的重要性在于它决定了蛋白质的所有高级结构正确的进化过程中，重要功能区域的氨基酸序列高度保守，而其他区域氨基酸序列是蛋白质正确折叠和发挥功能的前提条件则可能存在较大变异这种保守性反映了序列与功能之间的密切关系蛋白质的二级结构螺旋折叠无规则卷曲αβ右手螺旋结构，每伸展的片层状结构，相不形成规则二级结构的

3.6个氨基酸残基转一圈邻的多肽链段通过氢键区域，但这并不意味着主链原子间形成规律的相互连接形成片层无序这些区域往往具β氢键，第个残基的折叠可以是平行的也可有重要的功能意义，如n与第个残基的以是反平行的，氨基酸酶的活性中心、蛋白质C=O n+4形成氢键，使结构侧链交替分布在片层的间的相互作用区域等N-H稳定螺旋是蛋白质两侧α中最常见的规则二级结构蛋白质的三级结构空间折叠整条多肽链的三维空间排列1多种相互作用疏水作用、氢键、静电作用二硫键稳定半胱氨酸间的共价键连接功能决定活性中心和结合位点形成序列基础一级结构决定折叠方式蛋白质的三级结构是其发挥生物功能的直接基础正确的三级结构形成依赖于多种非共价相互作用的精确平衡，任何因素的改变都可能影响蛋白质的稳定性和功能蛋白质的四级结构亚基组装多个独立折叠的多肽链组装成功能性复合物亚基相互作用通过非共价键维持亚基间的特定空间关系协同效应亚基间的协作产生单独亚基无法实现的功能血红蛋白是四级结构的经典例子，由四个亚基组成（两个亚基和两个亚基）亚基间的相互作用不仅维持整体结构的稳定，还产生αβ了协同的氧气结合效应，使血红蛋白能够高效地运输氧气四级结构的存在大大拓展了蛋白质的功能范围和调节机制蛋白质变性与复性变性因子高温、强酸碱、有机溶剂、重金属离子、尿素等物理化学因子能够破坏蛋白质的天然构象这些因子通过不同机制影响维持蛋白质结构的非共价相互作用结构破坏变性过程中，蛋白质的三级和四级结构被破坏，但一级结构（肽键）通常保持完整蛋白质分子展开，失去天然的生物活性，溶解度和其他物理性质发生改变复性可能在适宜条件下，某些变性蛋白质能够重新折叠恢复天然构象和生物活性这个过程称为复性，证明了蛋白质的折叠信息完全包含在其氨基酸序列中生物意义细胞内存在分子伴侣等蛋白质帮助新合成的蛋白质正确折叠，防止错误折叠和聚集蛋白质折叠异常与多种疾病相关，如阿尔茨海默病、帕金森病等蛋白质的功能多样性蛋白质的功能多样性是生命复杂性的根本原因从微观的酶催化反应到宏观的肌肉收缩，从细胞内的信号传导到细胞间的物质运输，蛋白质几乎参与了所有的生命过程这种功能的多样性源于蛋白质结构的复杂性和可变性，使得生物体能够适应各种环境挑战并维持生命活动的精确调控蛋白质功能举例调节功能防御功能激素如胰岛素调节血糖水平，抗体识别并结合特定抗原，启生长因子调控细胞分裂和分动免疫应答补体系统的蛋白化这些调节蛋白通过与特定质协同作用，形成膜攻击复合受体结合，启动细胞内信号传物破坏病原体这些防御蛋白导级联反应，精确调控生理过构成机体免疫系统的重要组成程部分信号转导受体蛋白接收外界信号并传递到细胞内部，蛋白参与信号传导的放G大和调节细胞膜上的离子通道控制离子流动，维持细胞内外离子平衡和电位差酶的特性蛋白质研究技术分离纯化利用层析技术（离子交换、凝胶过滤、疏水相互作用层析）和电泳技术分离目标蛋白质高效液相色谱和毛细管电泳提供了更高的分辨率和灵敏度序列分析质谱技术能够快速准确地测定蛋白质分子量和氨基酸序列降解法从端逐步分析氨基酸序列，虽然较慢但结果可Edman N靠现代基因组学也为蛋白质序列预测提供了重要信息结构测定射线晶体学提供原子级分辨率的蛋白质结构信息，核磁共振技X术能够研究溶液中蛋白质的动态结构新兴的冷冻电镜技术在大分子复合物结构解析中发挥重要作用单元二核酸基础遗传信息载体分子结构特点核酸是生物体内储存和传递遗传核酸由核苷酸聚合而成，每个核信息的大分子物质作为主苷酸包含磷酸基团、五碳糖和含DNA要的遗传物质，稳定地保存着生氮碱基三个部分采用双螺DNA物体的全部遗传信息，而则旋结构，而主要以单链形式RNA RNA参与遗传信息的表达过程，将基存在，但可以通过分子内碱基配因信息转化为蛋白质对形成复杂的二级和三级结构功能多样性现代分子生物学研究发现，的功能远比最初认识的复杂除了传统的RNA、和外，还有多种具有调控功能的非编码，如mRNA tRNA rRNA RNA、长链非编码等，它们在基因表达调控中发挥重要作用microRNA RNA核酸的发现与命名历史发现年，瑞士生化学家弗里德里希米歇尔从白细胞的细胞核中分离出1869·一种富含磷的物质，这是人类首次发现核酸他注意到这种物质与已知的蛋白质显著不同，含有较高的磷含量命名由来由于这种物质最初是从细胞核中分离得到的，米歇尔将其命名为（核质）后来随着对这类物质化学性质的深入了解，发nuclein现其具有酸性特征，因此被重新命名为核酸（）nucleic acid认知发展世纪初，科学家们逐渐认识到核酸是一类重要的生物大分子20年艾弗里等人的实验证明是遗传物质，年沃森和1944DNA1953克里克提出双螺旋模型，标志着分子生物学时代的开启DNA核酸的分类特征特征DNA RNA脱氧核糖核酸主要存在于细胞核中，少量分布在线粒体和叶绿体核糖核酸主要存在于细胞质中，包括核糖体、内质网和胞质溶中分子相对稳定，采用双链结构，能够长期保存遗传信胶分子相对不稳定，主要以单链形式存在，但能够形成DNA RNA息真核细胞中的与组蛋白结合形成染色质，在细胞分裂复杂的二级和三级结构这种特性使既能储存信息又能发DNA RNA时进一步压缩成染色体挥催化功能的稳定性使其成为理想的遗传信息储存分子，能够在细胞的多样性体现在其功能的多样性上信使传递遗传信DNA RNA RNA分裂过程中准确复制，确保遗传信息在亲代和子代之间的忠实传息，转运携带氨基酸，核糖体参与蛋白质合成，还有RNA RNA递各种调控参与基因表达的精密调节RNA核酸的元素组成氮元素约占15%嘌呤和嘧啶碱基的重要组分•碳氢氧参与碱基配对的氢键形成•占分子总重量约80%磷元素构成糖环和碱基的主要成分•稳定占参与氢键形成维持结构9-11%•磷酸基团的核心成分•形成糖磷酸主链骨架•核酸定量分析的重要指标•磷元素是核酸区别于其他生物大分子的重要特征磷酸基团不仅构成了核酸的主链骨架，还赋予核酸分子带负电荷的特性，影响其在细胞内的分布和与蛋白质的相互作用核苷酸的基本结构磷酸基团提供负电荷，连接成链1五碳糖核糖或脱氧核糖主链含氮碱基嘌呤或嘧啶信息载体核苷酸是核酸的基本构建单位，其三部分结构各有重要功能磷酸基团通过磷酸二酯键连接各个核苷酸形成长链，五碳糖提供主链骨架的稳定性，含氮碱基携带遗传信息并参与碱基配对这种模块化的结构设计为核酸的复制和转录提供了分子基础五碳糖脱氧核糖特征核糖特征中的糖组分是脱氧核糖，在碳位置缺少一个羟基（中的糖组分是核糖，在碳位置保留羟基这个额外的羟DNA2-2-RNA2）这个结构特点使得分子更加稳定，不易被水解，适基使得分子相对不稳定，容易发生水解，但同时也赋予了OH DNA RNA合长期储存遗传信息分子更大的化学反应活性RNA脱氧核糖的稳定性来源于缺少基团，避免了分子内亲核攻基团的存在使能够形成更复杂的三维结构，并具有2-OH2-OH RNA击导致的链断裂这种稳定性对于作为遗传物质的长期保催化活性核酶的发现证明了既能储存信息又能催化反DNA RNA存具有重要意义应，体现了世界假说的合理性RNA含氮碱基分类嘌呤类嘧啶类碱基DNA腺嘌呤（A）和鸟嘌呤胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶DNA包含腺嘌呤、鸟嘌（G）属于嘌呤类，具有（T）和尿嘧啶（U）属呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶四双环结构腺嘌呤在于嘧啶类，具有单环结种碱基这四种碱基通过DNA和RNA中都存在，构胞嘧啶在DNA和特定的配对规则（A-T，参与能量代谢（ATP）RNA中都存在，胸腺嘧G-C）形成稳定的双螺旋和信号传导（cAMP）啶仅存在于DNA中，尿结构，是遗传密码的物质鸟嘌呤与胞嘧啶形成最稳嘧啶仅存在于RNA中基础定的碱基对碱基RNARNA包含腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种碱基尿嘧啶取代胸腺嘧啶与腺嘌呤配对，这种差异反映了RNA与DNA在功能上的分工核酸中的碱基配对沃森克里克配对-腺嘌呤与胸腺嘧啶（或尿嘧啶）形成两个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键这种特异性配对是双螺旋稳定性和遗传DNA信息准确传递的基础配对稳定性碱基对比碱基对更稳定，因为前者形成三个氢键而后G-C A-T者只形成两个分子的熔解温度与含量成正比，反映DNA GC了这种稳定性差异生物学意义碱基配对原则确保了复制的保真性和转录的准确性DNA RNA这种互补配对机制是分子生物学中心法则的物理化学基础，保证了遗传信息的忠实传递的一级结构DNA磷酸二酯键相邻核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，形成糖磷酸主链3,5-骨架这种连接方式赋予分子极强的化学稳定性，能够抵DNA抗多种化学和物理因素的破坏链方向性链具有明确的方向性，从端到端这种方向性在DNA53DNA复制、转录和修复过程中具有重要意义，所有聚合酶都只DNA能在端添加新的核苷酸3信息编码核苷酸的序列决定了遗传信息的内容四种不同的碱基可以形成种不同的三联体密码子，为种氨基酸和终止信号提供了6420足够的编码能力的一级结构RNA尿嘧啶替代催化能力中用尿嘧啶（）替代分子位的羟基不仅增RNA URNA2中的胸腺嘧啶（），这加了分子的灵活性，还赋予其DNA T种替代反映了在进化上催化能力核酶能够催化多种RNA的古老性尿嘧啶与腺嘌呤形生化反应，包括剪接、RNA成的碱基对虽然稍弱于配肽键形成等重要过程，支持了T-A对，但足以维持分子的世界的假说RNARNA功能需求单链特性大多数以单链形式存在，这种结构特点使其能够形成多样化的二RNA级和三级结构发夹、茎环、假结等结构赋予不同分子特定的功RNA能，如的三叶草结构tRNA的二级结构DNA双螺旋盘旋外侧骨架两条反平行的链围绕共同轴线呈右糖磷酸主链位于螺旋外侧，带负电荷的DNA手螺旋盘旋，形成经典的双螺旋结构1磷酸基团与水分子和阳离子相互作用，螺旋的规律性为DNA分子提供了稳定的2增强了DNA在水溶液中的溶解性和稳定几何构型性反平行链内侧碱基两条链以反平行方式排列，一条链碱基位于双螺旋内侧，通过氢键进行特DNA的方向与另一条链的方向异性配对疏水的碱基堆积在螺旋内5→33→53相对这种排列使得碱基能够完美配部，避免与水分子接触，这种安排最大对，形成稳定的双螺旋化了分子的稳定性二级结构特征DNA

10.5碱基对转/每完成一个螺旋周期包含

10.5个碱基对2nm螺旋直径双螺旋的直径保持恒定，约为2纳米

0.34nm碱基间距相邻碱基对之间的垂直距离为

0.34纳米°36转角度数每个碱基对相对于下一个的旋转角度这些精确的几何参数反映了DNA双螺旋结构的高度规律性这种规律性不仅保证了结构的稳定性，还为DNA结合蛋白的特异性识别提供了结构基础DNA结合蛋白能够识别特定的碱基序列，部分依赖于这些几何特征的二级结构RNA发夹结构茎环结构假结结构单链RNA通过分子内碱基配对茎环是RNA二级结构的基本单假结是一种复杂的RNA三级结形成发夹状结构，由茎部的双元，茎部通过Watson-Crick碱构，涉及两个或多个茎环之间螺旋区域和顶部的环状区域组基配对形成双螺旋区域，环部的相互作用这种结构在核酶成这种结构在许多功能性通常包含不配对的核苷酸这的催化活性和某些病毒RNA的RNA中都很常见，是RNA结构种结构在tRNA、rRNA和许多复制中发挥关键作用，体现了复杂性的基础调控RNA中发挥重要功能RNA结构的精密性功能关系RNA的二级结构直接决定其生物功能正确的二级结构形成是tRNA识别密码子、rRNA参与蛋白质合成、调控RNA发挥调节作用的前提条件结构与功能的密切关系体现了RNA的精妙设计的三级结构DNA超螺旋结构1双螺旋进一步盘绕形成超螺旋，这种高级结构使长分子能够压缩到细胞核的有限空间中DNA DNA拓扑异构酶专门的酶类调节的拓扑状态，释放或引入超螺旋张力，维持结构的动态平2DNA DNA衡核小体组装真核细胞中与组蛋白结合形成核小体，进一步压缩成染色3DNA质纤维和染色体结构的三级结构体现了细胞对遗传物质的精密包装和调控从超螺旋到染色体，每个层次的结构都与基因表达调控密切相关染色质DNA的开放和关闭状态直接影响基因的转录活性，是表观遗传调控的重要机制单元三核酸功能信息储存信息传递作为遗传信息的主要载体，通过转录过程，中的遗传信DNA DNA以特定的碱基序列编码生物体的息被转移到分子中不同类RNA全部遗传信息这些信息包括蛋型的承担不同的功能RNA白质编码序列、调控序列和其他携带蛋白质编码信息，mRNA功能元件，构成了生物体的生运送氨基酸，参与蛋tRNArRNA命蓝图白质合成装置的构建信息表达遗传信息最终通过翻译过程转化为具有生物活性的蛋白质这个过程涉及复杂的分子机器和精密的调控机制，确保在正确的时间、正确的地点产生正确的蛋白质的主要功能DNA遗传信息储存基因是的功能单位，每个基因编码特定的蛋白质或分DNARNA子人类基因组包含约万个蛋白质编码基因，另外还有大量的2非编码序列参与基因表达调控遗传信息复制采用半保留复制机制，每条新合成的分子都包含一条DNA DNA原有链和一条新合成链这种机制确保了遗传信息在细胞分裂过程中的准确传递，维持了生物种群的遗传稳定性遗传信息表达通过转录和翻译两个步骤实现遗传信息的表达转录产生DNA各种类型的，翻译则将中的信息转化为蛋白质序RNA mRNA列这个过程受到多层次的精密调控。