高 级 生 物 化 学Word文档格式.docx

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蛋白质结构与功能之间的关系非常密切。

在研究中，一般将蛋白质分子的结构分为一级结构与空间结构两类。

　　一、蛋白质的一级结构

　　蛋白质的一级结构（primarystructure）就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序（sequence），也是蛋白质最基本的结构。

它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。

各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键。

　　迄今已有约一千种左右蛋白质的一级结构被研究确定，如胰岛素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。

蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构，成百亿的天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，首先在于其肽链的氨基酸序列，由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。

二、蛋白质的空间结构（spatialstructure）

　　蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。

蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。

例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。

　　蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构（secondarystructure）是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。

2.蛋白质主链构象的结构单元

1）TheHelixIsaCommonProteinSecondaryStructurePauling等人对α－角蛋白（α－keratin）进行了X线衍射分析，从衍射图中看到有0.5～0.55nm的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，并认为这种重复性结构为α－螺旋（α－helix）

2）TheConformationOrganizesPolypeptideChainsintoSheets.Thisisamoreextendedconformationofpolypeptidechains,anditsstructurehasbeenconfirmedbyx-rayanalysis.Intheconformation,thebackboneofthepolypeptidechainisextendedintoazigzagratherthanhelicalstructure.Thezigzagpolypeptidechainscanbearrangedsidebysidetoformastructureresemblingaseriesofpleats.

3）TurnsAreCommoninProteins.

3.ProteinTertiaryandQuaternaryStructures

Theoverallthree-dimensionalarrangementofallatomsinaproteinisreferredtoastheprotein’stertiarystructure.Fibrousproteinssharepropertiesthatgivestrengthand/orflexibilitytothestructuresinwhichtheyoccur.Ineachcase,thefundamentalstructuralunitisasimplerepeatingelementofsecondarystructure.Allfibrousproteinsareinsolubleinwater,apropertyconferredbyahighconcentrationofhydrophobicaminoacidresiduesbothintheinterioroftheproteinandonitssurface.Thesehydrophobicsurfacesarelargelyburiedbypackingmanysimilarpolypeptidechainstogethertoformelaboratesupramolecularcomplexes.Theunderlyingstructuralsimplicityoffibrousproteinsmakesthemparticularlyusefulforillustratingsomeofthefundamentalprinciplesofproteinstructurediscussedabove.

5.domains结构域Polypeptideswithmorethanafewhundredaminoacidresiduesoftenfoldintotwoormorestable,globularunitscalleddomains.Inmanycases,adomainfromalargeproteinwillretainitscorrectthree-dimensionalstructureevenwhenitisseparated（forexample,byproteolyticcleavage）fromtheremainderofthepolypeptidechain.

6.ProteinMotifs（摸序）AretheBasisforProteinStructuralClassification

Supersecondarystructures,alsocalledmotifsorsimplyfolds,areparticularlystablearrangementsofseveralelementsofsecondarystructureandtheconnectionsbetweenthem.Thereisnouniversalagreementamongbiochemistsontheapplicationofthethreeterms,andtheyareoftenusednterchangeably.Thetermsarealsoappliedtoawiderangeofstructures.Recognizedmotifsrangefromsimpletocomplex,sometimesappearinginrepeatingunitsorcombinations.Asinglelargemotifmaycomprisetheentireprotein.Wehavealreadyencounteredonewell-studiedmotif,thecoiledcoilofkeratin,alsofoundinanumberofotherproteins.

Constructinglargemotifsfromsmallerones.Thebarrelisacommonmotifconstructedfromrepetitionsofthesimplerloopmotif.This_/_barrelisadomainofthepyruvatekinase.

7.ProteinQuaternaryStructuresRangefromSimpleDimerstoLargeComplexes.

具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构（quarternarystructure）。

其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基（subunit）。

四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。

亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。

Chapter1StructureandfunctionofProtein

第二节核酸的高级结构与功能

从简单的病毒到复杂的高等动植物细胞，RNA和蛋白质的结构信息都是以基因的形式

贮存在DNA（部分病毒是RNA）中的。

基因（gene）是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。

其中贮存RNA序列信息的DNA区段称为结构基因，结构基因上游和下游控制转录的序列即为基因的调控序列。

RNA的碱基序列信息直接来源于结构基因，其中大部分RNA（信使RNA）的序列中又贮存有蛋白质多肽链的氨基酸序列信息。

生命活动主要是通过核酸和蛋白质这两类生物大分子的活动来实现的。

因此，有关核酸和蛋白质结构与功能的研究是对基因进行研究的基础。

从分子水平研究基因和基因的活动，涉及到核酸和蛋白质的结构与功能、基因组的结构与功能、基因的复制与表达、基因表达的调控及其生物学效应，涉及到生物大分子之间的相互作用以及这些相互作用所形成的细胞间通讯和细胞内信号转导，涉及到基因的结构、功能、表达调控的分析和基因的制备、改造、调控、应用所需的各种技术体系。

PhosphodiesterlinkagesinthecovalentbackboneofDNAandRNA.Thephosphodiesterbonds（oneofwhichisshadedintheDNA）linksuccessivenucleotideunits.Thebackboneofalternatingpentoseandphosphategroupsinbothtypesofnucleicacidishighlypolar.The5endofthemacromoleculelacksanucleotideatthe5position,andthe3endlacksanucleotideatthe3position.

1.In1953WatsonandCrickpostulatedathreedimensionalmodelofDNAstructurethataccountedforalltheavailabledata.ItconsistsoftwohelicalDNAchainswoundaroundthesameaxistoformarighthandeddoublehelix

Watson和Crick的DNA双螺旋结构的特点主要包括以下几

点：

①两条多核苷酸单链以相反的方向互相缠绕形成右手螺旋结构；

②在这条双螺旋DNA链中，脱氧核糖与磷酸是亲水的，位于螺旋的外侧，而碱基是疏水的，处于螺旋内部；

③螺旋链的直径为2.37nm，每个螺旋含10个碱基对（basepair,bp），其高度约为3.4nm；

④由疏水作用造成的碱基堆积力（basetacking）和两条链间由于碱基配对形成的氢键是保持螺旋结构稳定性的主要作用力，A与T配对形成2个氢键，G与C配对形成3个氢键，配对的碱基在同一平面上，与螺旋轴相垂直；

⑤碱基可以在多核苷酸链中以任何排列顺序存在。

Watson和Crick的DNA双螺旋结构称为B型结构，是细胞内DNA存在的主要形式。

当测定条件改变，尤其是湿度改变时，B型DNA双螺旋结构会发生一些变化。

例如，A型DNA双螺旋结构直径为2.55nm，每个螺旋含11个碱基对，其高度约为3.3nm。

B型DNA双螺旋结构的其他构型变化还包括C,D和T型等

２、其他类型的DNA结构虽然双螺旋结构是DNA最常见的二级结构形式,DNA也可以形成不同于双螺旋的其它结构。

（１）三股螺旋DNA三股螺旋DNA（triplex）也称为三链DNA（triplestrandDNA,tsDNA）,其结构是在DNA双螺旋结构的基础上形成的。

双螺旋通过Watson-Crick氢键稳定,而三股螺旋尚需通过Hoogsteen氢键稳定（见图1-2）。

三条链均为同型嘌呤（homopurine,Hpu）或同型嘧啶（homopyrimidine,Hpy）,既整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。

根据三链的组成和相对位置分为两种基本类型：

①嘌呤-嘌呤-嘧啶型（Pu-Pu-Py型，Pu代表嘌呤，Py代表嘧啶）,在碱性介质中稳定；

②嘧啶-嘌呤-嘧啶型（Py-Pu-Py型）在偏酸性pH中稳定。

其中两条链为正常双螺旋,第三条嘧啶链位于双螺旋的大沟中，它与Pu链的方向一致，并随双螺旋结构一起旋

转。

三链DNA的两种类型有４种同分异构体。

三链中碱基配对符合Hoogsteen模型，第三碱基在Py-Pu-Py型中为T=A=T、C+≡G≡C（与鸟嘌呤形成Hoogsteen键的“C”必须质子化）配对；

在Pu-Pu-Py型中存在G≡G≡C、A=A=T配对。

当DNA双链中含有H-回文序列（H-palindrone）时，既某区段DNA两条链分别为Hpu和Hpy，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的5′和3′部分都可以形成分子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。

在一定条件下，含H-回文序列DNA还可形成小瘤DNA（noduleDNA），它在中性溶液中稳定。

3.DNA的理化性质及应用。

DNA作为生物大分子具有一些特殊的理化性质。

了解这些理化性质对于我们自如的掌握和应用DNA有极大的帮助，进而使我们更好的揭示生命的奥秘。

1、一般理化性质核酸为多元酸，具有较强的酸性，在酸性条件下比较稳定，而在碱性条件下容易降解。

核酸属于大分子，已知最小的核酸分子如tRNA，其分子量也在20000以上。

线形高分子DNA的粘度极大，在机械力的作用下容易发生断裂。

因此在提取完整的基因组DNA时，具有一定的难度，一是提取的DNA不容易完全溶解，二是DNA容易发生断裂。

而RNA分子远小于DNA，粘度也比较小。

但由于RNA酶的广泛存在，在提取RNA时极易发生降解。

2、紫外吸收核酸所含的嘌呤和嘧啶分子中都有共轭双键，使核酸分子在250-280nm波长处有光吸收，其最大吸收峰在260nm处。

这个性质可用于核酸的定量测定。

核酸在260nm的光吸收值又称为OD260值。

一个OD260值所含的核酸量对单链DNA、双链DNA、寡核苷酸以及RNA均有所不同。

例如，一个OD260值包含50μg双链DNA，40μgRNA，33μg单链DNA。

3、变性、复性与杂交DNA双链以碱基之间形成氢键，相互配对而连接在一起。

氢键是一种次级键，能量较低，容易受到破坏而使DNA双链分开。

氢键的形成是一个自由能降低的过程，可以自发生成。

局部分开的碱基对又可以重新形成氢键，使其恢复双螺旋结构。

这使得DNA在生理条件下能够迅速分开和再形成，从而保证DNA生物学功能的行使。

（1）变性双螺旋的稳定靠碱基堆积力和氢键的相互作用来共同维持。

如果因为某种因素破坏了这两种非共价键力，导致DNA两条链完全解离，就称为变性（denaturation）。

导致变性的因素可以有温度过高、盐浓度过低及酸碱过强等。

DNA变性是二级结构的破坏，双螺旋解体的过程，碱基对氢键断开，碱基堆积力遭到破坏，但不伴随共价键的断裂，这有别于DNA一级结构破坏引起的DNA降解过程。

DNA变性常伴随一些物理性质的改变，如粘度降低，浮力密度增加，尤其重要的是光密度的改变。

如前所述，核酸分子中碱基杂环的共轭双键，使核酸在260nm波长处有特征性光吸收。

在双螺旋结构中，平行碱基堆积时，相邻碱基之间的相互作用会导致双螺旋DNA在波长260nm的光吸收比相同组成的游离核苷酸混合物的光吸收值低40%，这种现象称为减色（hypochromic）效应。

DNA变性后立即引起这一效应的降低，与未发生变性的相同浓度DNA溶液相比，变性DNA在波长260nm的光吸收增强，这一现象称为增色（hyperchromic）效应。

利用增色效应可以在波长260nm处监测温度变化引起的DNA变性过程。

DNA的变性

发生在一定的温度范围内，这个温度范围的中点称为融解温度（meltingtemperature），用Tm表示，即：

使DNA分子内50%的双螺旋结构被解开的温度。

Tm值与DNA的碱基组成和变性条件有关。

DNA分子的GC含量越高，Tm值也越大，每增加1%（G+C），Tm增加0.4℃。

Tm值还与DNA分子的长度有关，DNA分子越长，Tm值越大。

此外，溶液离子浓度增高也可以使Tm值增大。

（2）复性DNA的变性是一个可逆过程，在适宜条件下，如温度或pH值逐渐恢复到生理范围，分离的DNA双链可以自动退火（annealing），再次互补结合形成双螺旋，这个过程称为复性（renaturation）。

复性过程的发生主要与温度、盐浓度以及两条链之间碱基互补的程度有关。

复性时互补链之间的碱基互相配对，这个过程可以分为两个阶段。

首先，溶液中的单链DNA随即碰撞，如果它们之间的序列有互补关系，两条链经GC,AT配对，产生短的双螺旋区；

然后碱基配对区沿着DNA分子延伸形成双链DNA分子。

DNA复性后，由变性引起的性质改变也得以恢复。

3.CertainDNASequencesAdoptUnusualStructures

Anumberofothersequence-dependentstructuralvariationshavebeendetectedwithinlargerchromosomesthatmayaffectthefunctionandmetabolismoftheDNAsegmentsintheirimmediatevicinity.Forexample,bendsoccurintheDNAhelixwhereverfourormoreadenosineresiduesappearsequentiallyinonestrand.

ManylinesofevidenceshowthatDNAbearsgeneticinformation.Inparticular,theAveryMacLeodMcCartyexperimentshowedthatDNAisolatedfromonebacterialstraincanenterandtransformthecellsofanotherstrain,endowingitwithsomeoftheinheritablecharacteristicsofthedonor.TheHershey-ChaseexperimentshowedthattheDNAofabacterialvirus,butnotitsproteincoat,carriesthegeneticmessageforreplicationofthevirusinahostcell.

■Puttingtogethermuchpublisheddata,WatsonandCrickpostulatedthatnativeDNAconsistsoftwoantiparallelchainsinaright-handeddouble-helicalarrangement.Complementarybasepairs,AUTandGqC,areformedbyhydrogenbondingwithinthehelix.Thebasepairsares