系统生物学方法第二篇(2)

1系统生物学方法第二篇（2）孟大志北京工业大学[e-mail]:(010)697555961370137710822.蛋白质细胞中有机物达几千种之多，约占细胞干重的90％以上，它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。有机物中主要由四大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约占细胞干重的90%以上。1).蛋白质定义及概述蛋白质是一种复杂的有机化合物，旧称“朊”。组成蛋白质的基本单位是氨基酸，氨基酸通过脱水缩合形成肽链。蛋白质是由一条或多条多肽链组成的生物大分子，每一条多肽链有二十~数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。除了遗传密码所编码的20种“标准”氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化，从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以结合在一起形成稳定的蛋白质复合物，发挥某一特定功能。产生蛋白质的细胞器是核糖体。3蛋白质（protein）是生命的物质基础，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。有机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人体重量的16.3%，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白质9.8kg。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的，并在体内不断进行代谢与更新。被食入的蛋白质在体内经过消化分解成氨基酸，吸收后在体内主要用于重新按一定比例组合成人体蛋白质，同时新的蛋白质又在不断代谢与分解，时刻处于动态平衡中。42).蛋白质的性质①具有化学两性蛋白质是由α-氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，在蛋白质分子中存在着氨基和羧基，因此跟氨基酸相似，也是两性物质。②可发生水解反应蛋白质在酸、碱或酶的作用下发生水解反应，经过多肽，最后得到多种α-氨基酸。③溶水具有胶体的性质有些蛋白质能够溶解在水里（例如鸡蛋白能溶解在水里）形成溶液，具有胶体性质。蛋白质的分子直径达到了胶体微粒的大小（10－9～10－7m）时，所以蛋白质具有胶体的性质。5④加入电解质可产生盐析作用少量的盐（如硫酸铵、硫酸钠等）能促进蛋白质的溶解，如向蛋白质水溶液中加入浓的无机盐溶液，可使蛋白质的溶解度降低，而从溶液中析出，这种作用叫做盐析．这样盐析出的蛋白质仍旧可以溶解在水中，而不影响原来蛋白质的性质，因此盐析是个可逆过程．利用这个性质，采用盐析方法可以分离提纯蛋白质．⑤蛋白质的变性在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作作用下，蛋白质会发生性质上的改变而凝结起来．这种凝结是不可逆的，不不能再使它们恢复成原来的蛋白质，失去了它们生理上的作用．蛋白质的这种变化叫做变性．63).蛋白质的折叠过程20世纪最惊人的发现之一就是许多蛋白质的活性状态和失活状态可以互相转化，在一个精确控制的溶液条件下（例如通过透析除去导致失活的化学物质），失活的蛋白质可以转变为活性形式。如何使蛋白质恢复到它们的活性状态使生物化学的一个主要研究领域，称为蛋白质折叠学。蛋白质折叠机理的研究，对保留蛋白质活性，维持蛋白质稳定性都具有重要的意义。序列本身已经包括了蛋白质正确折叠的所有信息，由于提出蛋白质折叠的热力学假说，Anfinsen获得1972年诺贝尔化学奖。这一理论有两个关键点：a.蛋白质的状态处于去折叠和天然构象的平衡中；b.天然构象的蛋白质处于热力学最低的能量状态。7尽管蛋白质的氨基酸序列在蛋白质的正确折叠中起着核心的作用，但是各种各样的因素，包括信号序列，辅助因子，分子伴侣，环境条件，均会影响蛋白质的折叠，新生蛋白质折叠并组装成有功能的蛋白质，并非都是自发的，在多数情况下是需要其它蛋白质的帮助，已经鉴定了许多参与蛋白质折叠的折叠酶和分子伴侣，蛋白质“自发折叠”的经典概念发生了转变和更新，但这并不与折叠的热力学假说相矛盾，而是在动力学上完善了热力学观点。在蛋白质的折叠过程中，有许多作用力参与，包括一些构象的空间阻碍，范德华力，氢键的相互作用，疏水效应，离子相互作用，多肽和周围溶剂相互作用产生的熵驱动的折叠。但对于蛋白质获得天然结构这一复杂过程的特异性，还知之甚少，许多实验和理论的工作都在加深对折叠的认识，但是问题仍然没有解决。8蛋白质的四级结构94）蛋白质的生理功能a、构造组织：蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料。人体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等都是由蛋白质组成。b、修补人体组织：人的身体由百兆亿个细胞组成，细胞可以说是生命的最小单位，它们处于永不停息的衰老、死亡、新生的新陈代谢过程中。例如年轻人的表皮28天更新一次，而胃黏膜两三天就要全部更新。c、维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送。载体蛋白对维持人体的正常生命活动是至关重要的。可以在体内运载各种物质。比如血红蛋白—输送氧（红血球更新速率250万/秒）、脂蛋白—输送脂肪、细胞膜上的受体还有转运蛋白等。d、白蛋白：维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡。e、维持体液的酸碱平衡。10f、免疫细胞和免疫蛋白：有白细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、抗体（免疫球蛋白）、补体、干扰素等。七天更新一次。g、构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。h、激素的主要原料。具有调节体内各器官的生理活性。胰岛素是由51个氨基酸分子合成。生长素是由191个氨基酸分子合成。k、构成神经递质乙酰胆碱、五羟色氨等。维持神经系统的正常功能：味觉、视觉和记忆。j、胶原蛋白：占身体蛋白质的1/3，生成结缔组织，构成身体骨架。如骨骼、血管、韧带等，决定了皮肤的弹性，保护大脑（在大脑脑细胞中，很大一部分是胶原细胞，并且形成血脑屏障保护大脑）l、提供热能。115).常见蛋白质纤维蛋白（fibrousprotein）球蛋白(globularprotein角蛋白（keratin）胶原蛋白（collagen）伴娘蛋白（chaperone）:与一种新合成的多肽链形成复合物并协助它正确折叠成具有生物功能构向的蛋白质。伴娘蛋白可以防止不正确折叠中间体的形成和没有组装的蛋白亚基的不正确聚集，协助多肽链跨膜转运以及大的多亚基蛋白质的组装和解体。肌红蛋白（myoglobin）血红蛋白（hemoglobin）别构效应（allostericeffect）:又称为变构效应，是寡聚蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性丧失的现象。123.细胞的其他有机分子1).核酸核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核糖核酸RNA和脱氧核糖核酸两大类DNA。当温度上升到一定高度时，DNA双链即解离为单链，称为变性（denaturation）或熔解（melting），这一温度称为熔解温度（meltingtemperature，Tm）。碱基组成不同的DNA，熔解温度不一样，含G—C对（3条氢键）多的DNA，Tm高；含A—T对（2条氢键）多的，Tm低。当温度下降到一定温度以下，变性DNA的互补单链又可通过在配对碱基间形成氢键，恢复DNA的双螺旋结构，这一过程称为复性（renaturation）或退火（annealing）。DNA有三种主要构象B-DNA：为Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱基，螺旋扭角为36度，螺距34A，每个碱基对的螺旋上升值为3.4A，碱基倾角为-2度。A-DNA：为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为33度，螺距32A，每个碱基对的螺旋上升值为2.9A，碱基倾角为13度。Z-DNA：为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，螺旋扭角为-51度（G—C）和-9度（C—G），螺距46A，每个碱基对的螺旋上升值为3.5A（G—C）和4.1A（C—G），碱基倾角为9度。13Adenine腺嘌呤，guanine鸟嘌呤，thymine胸腺嘧啶，cytosine胞腺嘧啶142).糖类细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。细胞中的单糖是作为能源以及与糖有关的化合物的原料存在。重要的单糖为五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳糖为核糖，最重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。多糖在细胞结构成分中占有主要的地位。细胞中的多糖基本上可分为两类：一类是营养储备多糖；另一类是结构多糖。作为食物储备的多糖主要有两种，在植物细胞中为淀粉（starch），在动物细胞中为糖元（glycogen）。在真核细胞中结构多糖主要有纤维素（cellulose）和几丁质（chitin）。153).脂类脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合物难溶于水，而易溶于非极性有机溶剂。甘油酯：甘油酯为能源物质，氧化时可比糖或蛋白质释放出高两倍的能量。营养缺乏时，就要动用甘油酯提供能量。蜡：脂肪酸同长链脂肪族一元醇或固醇酯化形成蜡（如蜂蜡）。磷脂：磷脂对细胞的结构和代谢至关重要，它是构成生物膜的基本成分，也是许多代谢途径的参与者。分为甘油磷脂和鞘磷脂两大类。163.酶与生物催化剂1）酶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。酶的作用机制是，在反应中酶与底物暂时结合，形成了酶——底物活化复合物。这种复合物对活化能的需求量低，因而在单位时间内复合物分子越过活化能屏障的数量就比单纯分子要多。反应完成后，酶分子迅即从酶——底物复合物中解脱出来。酶的主要特点是：具有高效催化能力、高度特异性和可调性；要求适宜的pH和温度；只催化热力学允许的反应，对正负反应的均具有催化能力，实质上是能加速反应达到平衡的速度。172）RNA催化剂T.Cech1982发现四膜虫（Tetrahymena）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rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接（selfsplicing）。后来又发现，这种剪下来的RNA内含子序列像酶一样，也具有催化活性。此RNA序列长约400个核苷酸，可褶叠成表面复杂的结构。它也能与另一RNA分子结合，将其在一定位点切割开，因而将这种具有催化活性的RNA序列称为核酶（Ribozyme）。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，过去一直认为催化肽链合成的是核糖体中蛋白质的作用，但事实上具有肽基转移酶活性和催化形成肽键的成分是RNA，而不是蛋白质，核糖体中的蛋白质只起支架作用。18第二章分子生物组学第一节基因组1.基因表达基因表达(geneexpression)是指细胞在生命过程中,把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子。生物体内的各种功能蛋白质和酶都是同相应的结构基因编码的。19201）.转录过程在RNA聚合酶的催化下,以DNA为模板合成mRNA的过程称为转录(transcription).在双链DNA中,作为转录模板的链称为模板链(templatestrand),或反义链(antisensestrand);而不作为转录模板的链称为编码链(codingstrand),或有义链(sensestrand).在双链DNA中与转录模板互补的一条DNA链即编码链,它与转录产物的差异仅在于DNA中T变为RNA中的U。在含许多基因的DNA双链中,每个基因的模板链并不总是在同一条链上,亦即一条链可作为某些基因的模板链的,也可是另外一些基因的编码链。转录后要进行加工,转录后的加工包括：2122（1）剪接：一个基因的外显子和内含子都转录在一条原始转录物RNA分子中，称为前mRNA(pre-mRNA)，又称核内异质RNA（heterogenuousnuclearRNA,huRNA）。因此前mRNA分子既有外显子顺序又有内含子顺序，另外还包括编码区前面及后面非翻译顺序。这些内含子顺序必须剪除而把外显子顺序连接起来，才能产生成熟的有功能的mRNA分子，这个过程称为RNA剪接（RNAsplicing）