体并结合在A位上；（ii）此时A位和P位上都结合有氨酰

1、PAGE 1 生物信息学的主要研究对象是生物分子，因而生物信息学最重要的生物学基础是分子生物学。分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能和相互关系科学，是人类从分子水平上研究生命活动规律、揭开生物世界奥秘的科学，分子生物学的研究成果促进人类认识复杂的生命现象，认识生命的本质，使人类逐步从被动地适应自然界转向积极主动地改造自然界。Sanger于1953年首先完成牛胰岛素的氨基酸序列分析，同年Watson和Crick提出著名的DNA双螺旋结构模型，它揭开了人们从分子水平研究生命科学的序幕，产生了分子生物学这样一门新的边缘学科。半个世纪以来，生物科学家经过不懈的努力，赢得了20 世纪自然

2、科学伟大的革命，DNA结构、RNA在蛋白质合成中的功能、蛋白质的结构和功能、遗传密码子及基因表达调控的本质等一一被揭示出来。2.1 细胞各种生物体之间存在着差异，这种差异是由基因组所决定的。尽管各种生物体的基因组不一样，但是，所有的生物体都具有一种共同的成分细胞。细胞是组成生物体的基本单位，细胞活动是生物活动的基础，细胞是生物体的遗传控制中心。无论是多么复杂的生物，一切生命活动都是发生在细胞中的，生命的各种活动如生长、发育、遗传等，都是在细胞代谢的基础上实现的。根据细胞内有无细胞核，可以将细胞分为两类，一类是原核细胞，如细菌、蓝藻的细胞。另一类是真核细胞，如酵母细胞。原核细胞比真核细胞小，没有

3、细胞核，结构也简单的多。核酸与蛋白质是细胞内重要的物质。核酸是细胞内的遗传物质，它们为细胞中的其它成分编码，编码信息一般贮存在DNA长链上。对于真核生物，DNA主要聚集在染色质上。有些病毒将遗传物质贮存在RNA上。蛋白质是细胞生物功能的执行者。作为酶，蛋白质可以大大加快细胞内各种化学反应的速度。蛋白质还有很多其他的功能，如蛋白质可以进行细胞内外物质的运输，蛋白质在细胞内可以充当结构支撑物，蛋白质也是免疫系统的关键。细胞与细胞以及细胞与外界环境不断进行着物质交换和信息传递，这些都依赖于存在于细胞表面的或跨膜的蛋白质。这种物质交换和信息传递的分子基础在整个生命世界也是高度一致的。在后面一节中，我们

4、将详细介绍蛋白质。下面简述一个细胞的主要构成部分。细胞膜和细胞壁。细胞膜又称质膜，它是细胞的表面边界，其主要构成物质是磷脂分子，而磷脂是一种双亲分子，其中拥有磷酸基团的一端亲水，而拥有脂肪酸长链的另一端疏水。从结构上看，细胞膜由双层磷脂构成，两层磷脂分子都是疏水端向内，亲水端向外。这样可以保护水和其他物质，防止其流失。当然，细胞有特殊的通道与外界进行物质交换。细胞膜最重要的特性之一是半透性，即有选择地允许物质通过扩散和主动运输等方式出入细胞，从而保证细胞的正常代谢。细胞膜有许多功能，例如与外界进行物质交换，接受外界传导信号等。植物细胞在细胞膜之外还有细胞壁，它是无生命的结构，其组成成分是细胞分

5、泌的产物，其功能是保护细胞。细胞核。细胞核是真核细胞的特征，所有真核细胞都具有细胞核。细胞核包含以染色质形式而存在的遗传物质。染色质上有处于不同构象的DNA长链，这些DNA长链被核蛋白所包裹。一层核膜包围着细胞核，使之与细胞的其他部分分割开。细胞核在细胞的代谢、生长和分化中起着重要的作用，它是细胞的控制中心。细胞核内的核仁是随细胞分裂周期性产生和消失的圆形小体，核仁的中心是核仁组织区的特定DNA片段，这是一些转录rRNA的基因。核仁实际上是rRNA合成、加工以及装配成核糖体亚单位的场所。此外，细胞核内还有核骨架和核液等。细胞质和细胞器。在细胞膜与细胞核之间是透明、粘稠的胞质胶状聚集体。对于原核

6、生物，细胞质包含一个细胞的所有物质；对于真核生物，细胞质包含除细胞核之外的所有物质，包括各种细胞器，主要的细胞器有线粒体、叶绿体（植物细胞特有）、内质网、高尔基体以及溶酶体等。细胞质还含有核糖体、细胞质骨架、液泡等。线粒体是细胞中的能量加工厂，是细胞呼吸和能量代谢的中心，含有细胞呼吸所需要的各种酶和电子传递载体，可以将各种养料的潜能转化成细胞用来实现各种活动的能量。叶绿体植物细胞特有的一种能量转换器，它是进行光和作用的中心。内质网是细胞内的一个复杂的膜系统，具体说是由细胞内囊腔和细管彼此相连所形成的管道系统，它是蛋白质和脂肪合成的场所。高尔基体是细胞内物质交换中心，是细胞各种分泌物的最后加工和

7、包装的场所。溶酶体的功能是消化从细胞外吞入的颗粒和细胞本身产生的碎渣，溶酶体内含40种以上水解酶，可催化蛋白质、多糖、脂类以及DNA和RNA等大分子的降解。核糖体是由蛋白质和RNA组成的复合物，它是蛋白质分子的合成场所。真核生物细胞中普遍存在由蛋白质纤维组成的三维网架结构，即由微管、微细和中间纤维构成的细胞质骨架。微管与构建细胞壁、细胞定形、细胞内物质运输、信息传递及细胞的运动密切相关，微丝与肌肉收缩、细胞变形、细胞质流动等有关，中间纤维可能与细胞核定位、信息传递以及mRNA 运输有关。鞭毛和纤毛是细胞表面的附属物质，它们的功能是产生运动。生物体是由一个或者多个细胞所组成的。微观体积的绿藻、依

8、藻是单细胞的生物，单个细胞含有生命活动所需要的全部物质。与单细胞生物相比，多细胞生物的一个主要优点是细胞类型的分化。分化的细胞具有各自特定的功能，执行特定的任务；而不同的细胞可以相互合作，完成单个细胞所不能完成的工作。特定功能的细胞聚集在一起，形成组织。人类有上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织等4种主要的组织类型。典型的脊椎动物有200多种分化的细胞。当一个细胞分化后，不能再转变成其他类型的细胞。虽然各种细胞的功能不同，但是它们具有相同的遗传物质，具有相同的基因，不同的仅仅是基因的表达。一个细胞发展到一定时间就要分裂，变成两个细胞。在有丝分裂中，每个子细胞都得到一套完整的与亲细胞相同的遗传

9、物质。在细胞真正分裂之前，细胞核中的每一条染色体都复制为两份。在细胞分裂过程中，这些复制的染色体彼此分开，并准确地分为完整的两组染色体，分别进入两个子细胞。细胞从一次分裂开始到下一次分裂开始所经历的全过程称为一个细胞周期。一个细胞周期包括有丝分裂期（M期）和分裂间期，而分裂间期又分为合成期（S期）以及合成期前后的两个间期（G1期、G2期）。有丝分裂为单细胞生物提供了一种繁殖的机制，为多细胞生物提供了生长、发育的机制。另一种细胞分裂方式是减数分裂，它是生物体有性繁殖的基础。二倍体生物的体细胞中含有两套遗传物质，其中一套来自于母体，另外一套来自于父体。在减数分裂过程中，细胞首先进行遗传物质的复制，

10、然后进行两次分裂，产生4个新的细胞，即性细胞。每个性细胞中的遗传物质只有1套，故性细胞又被称为配子。当不同类型的配子（如精细胞、卵细胞）结合以后，形成合子（二倍体细胞），即受精卵。受精卵是一个新生命的开始，从受精卵出发，通过细胞反复不断的有丝分裂，逐步成长发育成新的个体。例如，人类的体细胞是二倍体，有46条（23对）染色体，其中44条（22对）为常染色体，另外两条为性染色体。经过减数分裂所产生的性细胞（精子和卵子）是单倍体，仅有23条染色体。当精子和卵子结合以后，形成二倍体的受精卵，孕育出一个新的生命。2.2 蛋白质的结构和功能蛋白质是生物体内占有特殊地位的生物大分子，它是生物体的基本构件，也

11、是生命活动的重要物质基础，几乎一切生命现象都要通过蛋白质的结构与功能而体现出来。因此，在分子生物学中，深刻阐明蛋白质的结构与功能，是探索生命奥秘的最基本任务。生物体内蛋白质种类繁多，结构各异，功能也多种多样。2.2.1 蛋白质的功能蛋白质最重要的生物学功能就是作为酶(enzyme) 催化体内的各种新陈代谢过程，同时，它还是有机体的重要结构成分。有些蛋白质具有激素功能，参与代谢调节，还有些蛋白质作为具有免疫功能的抗体参与免疫反应。蛋白质的功能主要有以下几个方面。酶的催化作用。差不多所有生物体系中的化学反应都被一种称为酶的大分子所催化，几乎所有的酶都表现出极强的催化能力，它们一般将反应的速率提高至

12、少一百万倍。而在没有酶的情况下，生物体内的很多反应几乎不可能进行。常见的酶有脱氢酶、合成酶、蛋白酶、转移酶、激酶等。酶在维护细胞正常生理状态方面起着至关重要的作用。已有几千种不同的酶被表征，而其中不少已经得到晶体。最引人注目的事实是所有已知的酶都是蛋白质。物质运载和贮存作用。很多小分子和离子是由专一蛋白质来运载的。例如，血红蛋白在红血球中运载氧，而一种相似的蛋白质肌红蛋白，则在肌肉中运送氧气；铁在血浆中为转铁蛋白所运载，而在肝中则与铁蛋白形成复合体贮存起来。营养存贮作用。许多蛋白质用于存贮营养，如卵清蛋白和酪蛋白。运动协调作用。蛋白质是肌肉的主要成分，肌肉的收缩是通过两种蛋白丝的滑动来完成的。

13、在微观水平上，这样的协调动作，如在有丝分裂过程中染色体的运动以及精子靠鞭毛推动等，都是由具有特殊结构的蛋白质而产生的。机械支持作用。结构蛋白具有保护生物体的作用，例如：胶原蛋白是肌腱、软骨、皮肤的主要构成部分，使它们具有高抗张强度；角蛋白是毛发、指甲、羽毛的主要构成部分；蚕丝蛋白是蜘蛛网的主要构成部分。 免疫保护作用。抗体是高度专一的蛋白质，它们能够识别病毒、细菌以及来自其他有机体的细胞，并与这些异物结合。蛋白质在区别自身和非自身中起着重要的作用。信号接受与传导作用。如受体蛋白接受与传递调节信号，嗅觉蛋白感受化学信号，视紫红质感受光信号。生长和分化的控制作用。遗传信息的受控顺序表达对细胞有秩序

14、的生长和分化是十分重要的。例如：DNA结合蛋白调控基因的表达,控制基因表达时空顺序；神经生长因子是在高等生物体中引导形成神经回路的一种蛋白复合体；胰岛素调控生物体内的糖代谢过程。一种蛋白质的功能固然重要，但是，在某一个具体的生物反应过程中，往往有多种蛋白质参与。进一步地说，生命活动是众多蛋白质同时作用的结果，相互作用的蛋白质系统成为所有生命活动的基础。2.2.2 蛋白质的分子组成组成蛋白质的主要元素有碳（50%55%）、氢（6%8%）、氧（19%24%）、氮（13%19%）和硫，某些蛋白质还含有少量磷、铁、铜、碘、锌等。各种蛋白质含氮量较为接近，平均值为16%，据此，可通过测定样品总氮量推算样

15、品中蛋白质的量。氨基酸是蛋白质的基本结构单位，自然界中的氨基酸种类很多，但参与蛋白质组成的常见氨基酸只有20种。这20种氨基酸，除脯氨酸外，均可用图2.1的通式表示： NH2 H C COOH R图2.1 氨基酸通式，其中C为中心碳原子。其中R代表侧链基团，与侧链相连的中心碳原子称为碳（alpha carbon）。由通式可见，氨基酸在结构上的共同点是与羧基（-COOH）相邻的-氨基酸。各种-氨基酸的区别在于侧链R基团不同，R基团的特异性使不同氨基酸显示出不同的理化性质，进而决定了氨基酸在蛋白质分子的空间结构中可能的位置。20种标准氨基酸的英文简写见表2.1。这20种常见的氨基酸，按照侧链化学性

16、质的不同，可以分为以下三组：（1）极性氨基酸(polar amino acids)这类氨基酸的侧链通常由氧原子和/或氮原子组成，它们比较容易与水分子形成氢键（hydrogen bonding）。极性氨基酸包括Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp。（2）带电氨基酸(charged amino acids)这类氨基酸在生物PH环境中带有正电或者负电。这一组氨基酸包括Arg、Lys、Asp和Glu，其中Arg 和Lys带正电荷，而Asp与Glu则带负电荷。（3）疏水性氨基酸(hydrophobic amino acids)多数化学物质可轻易地分成两类：能与水相互作用的和不能

17、与水相互作用的。具有极性键的分子，像水分子本身，在表面具有一些能与水形成氢键的带正电荷的区域和带负电荷的区域。这使它们具有亲水性（hydrophilicity），并使之易溶于水溶液，例如活细胞内部的溶液。原子间仅以非极性共价键相连的分子具有疏水性（hydrophobicity），缺乏与水分子相互作用的基础。实际上由于它们的存在妨碍水分子间的相互作用并阻碍它们抵消部分电荷。因而，主要由碳碳键和碳氢键组成的分子（如脂肪分子）与水溶液不相容，并聚集在一起，正如在细胞膜的磷脂双分子层中所观察到的一样。疏水性氨基酸包括Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met。表2.1 20种标准氨基酸的英

18、文简写氨基酸名称英文缩写简 写氨基酸名称英文缩写简 写甘氨酸GlyG丝氨酸SerS丙氨酸AlaA苏氨酸ThrT缬氨酸ValV天冬酰胺AsnN异亮氨酸IleI谷酰胺GlnQ亮氨酸LeuL酪氨酸TyrY苯丙氨酸PheF组氨酸HisH脯氨酸ProP天冬氨酸AspD甲硫氨酸MetM谷氨酸GluE色氨酸TrpW赖氨酸LysK半胱氨酸CysC精氨酸ArgR甘氨酸（Gly）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。氨基酸中含有芳香性侧链的有：Phe、Tyr、Trp和His；侧链为醇或酚的氨基酸有：Ser、Thr和Tyr；可以形成氢键的有：Arg、Lys、As

19、p、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及Trp。2.2.3 蛋白质的结构层次为了表示蛋白质的不同组织层次，经常使用一级结构和空间结构（二、三、四级结构）等术语对其分子结构进行阐述。一级结构就是氨基酸顺序以及二硫桥的位置，如果后者存在的话。因此，一级结构是关于蛋白质中共价健连接的全部情况。二级结构涉及按线性顺序来说相互接近的氨基酸残基之间的空间关系。这些空间关系中有的是很有规则的，产生了周期性的结构，螺旋、折叠是典型的二级结构实例。三级结构是关于蛋白质中多肽链的空间走向，它涉及那些按线性顺序来说相隔较远的氨基酸残基之间的空间关系。必须注意，二级结构与三级结构之间的分界线是人为

20、规定的。包含一条以上多肽链的蛋白质在结构上表现出一个新的层次，即四级结构。四级结构涉及这些多肽链结合在一起的方式。在这样的蛋白质中每一条多肽链称为亚基。另外一个常用的术语是结构域（domain），它代表蛋白质结构中的功能单位。很多蛋白质折叠成具有质量从10到20kdal的结构域，较大蛋白质的几个结构域通常由多肽链中较易变动的区域所连接。对于蛋白质各结构层次之间的关系而言，一级结构是最基本的，一级结构决定其它各层次的高级结构。2.2.3.1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质种各个氨基酸的顺序。蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键（peptideb

21、ond）。肽键是由一个氨基酸的-氨基和另一个氨基酸的-羧基脱水形成的酰胺键（-CO-NH-）。两个氨基酸缩去一个水分子后生成一个二肽（dipeptide）的情况见图2.2。 H O H O +H3NCCO- + +H3NCCO- R1 R2 H O H O +H3NCCNCCO- + H2O R1 H R2 肽键 图2.2 一个肽键的形成各氨基酸由肽键连接而成的产物称为肽（peptide），两个氨基酸组成的肽称为二肽，三个、四个氨基酸相继连接形成三肽、四肽，以此类推。一条较长的氨基酸链通常称为多肽(polypetide)或者蛋白质。多肽以线性结构存在，称为多肽链（polypeptide cha

22、in）。由于最初的氨基酸中一些原子在肽键形成的过程中作为水丢失了，因此氨基酸在多肽中通常被称为氨基酸残基(residue)。多肽链是有方向的，一条多肽链在其中一个末端含有一个游离的氨基，称为氨基端(amino terminus)或N-端；另一末端含有一个游离的羧基，称为羧基端(carboxy terminus)或C-端。肽的命名以氨基端到羧基端的氨基酸连接顺序为根据，书写肽链时，氨基端通常放在左边，羧基端放在右边。蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的序列。在蛋白质和多肽中连接氨基酸残基的共价键除肽键外，还有二硫键（disulfide bond）。二硫键是在两个半胱氨酸残基的侧链之间形成的，如图

23、2.3所示。 H H O H H O NCC NCC CH2 CH2 SH S SH S CH2 CH2 NCC NCC H H O H H O图2.3 二硫键的形成蛋白质中一般没有其他共价交连。A链 S SGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn S S S SB链 Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Ty

24、r-Thr-Pro-Lys-Lla 图2.4 牛胰岛素的氨基酸序列1953年，桑格为一种蛋白质牛胰岛素测定了相应的氨基酸顺序，如图2.4所示。这个工作为生物化学研究领域中树立了一座里程碑，因为它第一次展示了蛋白质具有一个确切的氨基酸序列。每一种蛋白质具有唯一而确切的氨基酸序列，而氨基酸的顺序又是由遗传所决定的。在遗传特征分子DNA中，核苷酸的顺序规定RNA中核苷酸的一个互补顺序，而后者又规定蛋白质中的氨基酸顺序。另外，各种蛋白质是通过同一个机制由氨基酸合成出来的。2.2.3.2 蛋白质的二级结构每一种蛋白质所特有的空间结构通常称为蛋白质的构象，蛋白质的二级结构（secondary struct

25、ure）是指多肽链中有规则的重复构象。蛋白质的功能来源于构象，而蛋白质构象是其所有原子在一个结构中的三维排布方式。氨基酸顺序的重要性在于它规定了蛋白质的构象。驱使蛋白质折叠的主要动力来自使疏水基团在溶剂中的暴露程度最小的需要，但同时需要保持处于非折叠状态下的多肽链与周围水分子之间的氢键作用所作的有利的能量贡献。为满足第一个需要，多肽链的折叠将避免多数疏水基团与溶剂水接触。为了仍保持系统的能量平衡，要求在折叠状态的多肽主链的肽单位之间交替形成氢键。这一要求驱使蛋白质折叠产生有规则的重复构象，因为主链肽链上的羰基（C=O）和酰胺基（-NH）是沿主链规则排列的。因此，在最适状态下将在肽链内部或肽链之

26、间出现显示周期规律的氢键作用，这样便形成了蛋白质的二级结构。二级结构主要有以下几种形式。（1） 螺旋（-helix）螺旋是蛋白质中最常见的二级结构，球状蛋白质中常出现典型的螺旋，有的蛋白质中螺旋的含量占全部二级结构的80%。-螺旋是一个棒状结构，紧密卷曲的多肽主链形成棒的内部，而侧链以螺旋式的排布向外伸展。-螺旋因主链内-NH和-CO基之间形成链内氢键而趋于稳定。每个氨基酸的-CO基以氢键与另一个氨基酸的-NH基相结合，而后一个氨基酸，如在主链上顺序从前一个氨基酸数起，是第五个氨基酸。因此，所有主链上的-CO和-NH都形成氢键。每个残基相对于另一个邻接的残基正好按螺旋轴平移1.5和旋转1000

27、，这相当于螺旋的每一周含3.6个残基。这样，在-螺旋中按主链顺序相隔三个和四个氨基酸的两个残基在空间位置上是比较接近的。相反，相隔两个氨基酸的残基正好在螺旋中遥遥相对，从而很难接触。螺旋的螺距为5.4，即为平移量（1.5）与每周残基数（3.6）的乘积。一个螺旋的方向可以分为右手型或左手型两种。在蛋白质中找到的-螺旋都是属于右手型的。归纳这种二级结构，得到如下特点：多肽链绕中心轴形成右手-螺旋，每个肽链中-NH的氢与它后面第四个肽键-CO的氧之间形成氢键，氢键取向基本与中心轴平行，见图2.5。 间距1.5,旋转1000图2.5 蛋白质的-螺旋结构，黑点代表C原子。各种氨基酸（除甘氨酸及脯氨酸外）

28、通过肽键构成主链时都有形成螺旋的倾向，这是由于螺旋的稳定性最好。但是各残基的侧链结构各有其构象、疏水性、极性、电荷情况等特点，同时，由于周围肽链及环境不同，常影响螺旋的延伸。（2） 折叠（-plated sheet） 折叠是除-螺旋之外最常见的蛋白质二级结构。-折叠与-螺旋的明显差别在于它是一个片状物，而非棒状物。在-折叠片中，多肽链几乎是完全伸展的，见图2.6。这种情况不象在-螺旋中那样卷曲得很紧密。相邻两个氨基酸的轴向距离为3.5，而在-螺旋中为1.5。另外一个差别在于，-折叠片是被不同多肽片段中-NH和-CO基形成的链间氢键所稳定的，而在-螺旋中氢键形成于同一个多肽片段中的-NH和-CO

29、基之间。在-折叠片中，相邻的两条多肽片段既可以是走向相同的（平行-折叠片, 见图2.6(a)），也可以是相反的（反平行-折叠片, 见图2.6(b)）。在蛋白质分子中，平行的-折叠片常出现在分子的内部，而典型的反平行-折叠片则是一侧埋藏在内，另一侧暴露于溶剂，故其氨基酸序列常为亲水性与疏水性交替。富含-折叠的蛋白质其稳定性较差。 （a） (b)图2.6 蛋白质的-折叠结构：（a）平行折叠；(b) 反平行折叠。 （3） -转角（-turn）球状蛋白质呈紧密球形，原因在于肽链走向的多次逆转，这主要是通过-转角这种二级结构来实现的。转角多分布于球状蛋白质分子表面，使肽链走向改变。在-转角处经常发现甘氨

30、酸和脯氨酸，因为甘氨酸侧链基团仅有一个氢原子，在构象上比其它氨基酸更易弯曲；而脯氨酸中环状侧链直接连到主链的氢原子上，所形成的固定取向对形成转角有利。-转角这个发夹式转折，其要领在于多肽链中第n个残基的-CO基与第n+3个残基的-NH基形成氢键。因此，一个多肽链可以急剧地扭转它的走向。-转角是球状蛋白质的重要二级结构，它在其他二级结构之间起到连接作用。（4） 无规卷曲无规卷曲是指没有确定规律性的肽链构象，但仍然是紧密有序的稳定结构，可通过主链间氢键，甚至在主链与侧链之间形成氢键而维持其构象。无规卷曲大体上分为两种，即紧密环和连接条带。（5） 无序结构从X射线衍射分析发现，蛋白质分子中确实存在着

31、没有确定结构的区域，这种无序结构是由于在不断运动，或是该区域具有不同的构象，以致于X射线衍射得不到该结构的图像。蛋白质分子中，暴露在介质中带电荷长链的残基如Lys、Arg、Ile等常常是无序的，肽链末端的几个残基如果没有较大的疏水性氨基酸，也常表现为无序结构。无序结构的生物学意义也不确定，有时切掉肽链末端的无序残基并不影响蛋白质的活性，但是在有些蛋白质的配体结合部位，无配体时呈无序结构，一旦结合上配体之后则成为有序结构。2.2.3.3 蛋白质的超二级结构若干二级结构可能以特殊的几何组合出现在蛋白质结构中，这些组合起来的结构单元称为超二级结构(super-secondary structure)

32、 或花样。在球状蛋白质中，几乎所有的三级结构都可以用超二级结构来描述。超二级结构可与某些特殊的生物功能相联系，也可仅作为结构的组装模块。超二级结构主要有以下几种类型。（1） -环-花样-环-花样是含有两个-螺旋并以一个环区域相连接的、具有特殊功能的超二级结构。（2） 发夹花样（环花样）发夹花样是两条反平行的-链通过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质的空间结构中频繁出现。-折叠中相邻近的两条-链容易形成这种发夹花样。两条-链之间环的长度不等，一般为25个残基。与-环-花样不同的是，发夹花样无特殊的功能。（3） 希腊图案花样四个邻近的反平行链通常排列成类似于古希腊装饰图案，因此被称为希腊图案花

33、样。常见于蛋白质结构中，但与特殊功能无直接关系。（4） -花样 发夹花样通常用来连接两条反平行的链。如果两条相邻的平行链的残基顺序是连续的，其连接部分必须处于折叠的两端。多肽链必须依靠环区域转两次才能够使这两条链平行，依次为：链-环1-螺旋-环2-链，这样的花样称为-花样。此种超二级结构在具有平行-折叠的每一种蛋白质结构中均存在。在这样的结构中，与-链的羧基端和-螺旋的氨基端相连的环1常含有功能性结合部位或者活性部位，而另一个与-链的氨基端和-螺旋的羧基端相连的环2则尚未发现与活性部位有关。2.2.3.4 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指多肽链借助各

34、种相互作用力盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构象。维持蛋白质三级结构的作用力主要是氢键、疏水相互作用、离子键（即盐键）、范德华力以及共价二硫键。某些分子量较大的球状蛋白质在空间上可明显分出两个或多个相对独立的区域，这些区域称为结构域（structure domain），结构域的缔合形成具有一定空间结构的蛋白质。结构域也是功能单位，通常多结构域蛋白质中不同的结构域是与不同的功能相关联的。常见的结构域约含100200个氨基酸残基，具有三维构象，可独立行使生物学功能。同一蛋白质的结构域之间，或以一段柔性肽链连接，或相互紧密接触。结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合形成的。在蛋白质中，这种组合的数

35、目是有限的，一些结合方式似乎是蛋白质结构所偏爱的，并且相似的结构域在具有不同功能、不同残基序列的蛋白质中经常重复出现。对已知的蛋白质所进行的拓扑分析表明了两个基本规律，其一是连续的残基区域通常在空间上彼此靠近，这就是所谓的残基空间区域相对分离现象；其二是如果抓住肽链的N端和C端，将肽链拉成一条直线，将不会出现直线打结的现象。可以根据结构特征将蛋白质分类。对于蛋白质三级结构的分类有不同的方法，然而，基本的方法认为二级结构的组合构成了大多数结构域的核心，并据此将蛋白质结构分为型、型、/型、+型以及不规则结构类型。型结构主要是由-螺旋所构成，在蛋白质的表面由环区将各个-螺旋连接起来，例如肌红蛋白的结

36、构；型结构主要由反平行的-折叠所构成，-折叠片之间以-转角连接，或者以跳过相临链的条带而进行连接；/型结构则是由-螺旋所介导的、以平行-链为主的-花样所构成的；+型结构主要由分离的-螺旋和反平行的-折叠组成。此外，还有一类蛋白质属于（ and ）类，这一类蛋白质具有多个上述4种分类的域。另一类特殊的蛋白质是膜蛋白和细胞表面蛋白。许多小蛋白质的结构不规则，其中正规的二级结构单元很少，没有上述几种结构类型。随着对蛋白质三级结构研究的深入，发现不少蛋白质分子的空间结构中存在着某些立体形状或拓扑结构非常相似的局部区域，即模体（motif）。通过对蛋白质氨基酸序列的对比分析，可以得到许多小型模体的结构类

37、型。这些结构类型通常由2030个氨基酸残基组成，并常有特殊的结合功能，可在不同的蛋白质中出现，甚至重复出现。有些DNA结合模体为螺旋-转角-螺旋的卷曲螺旋，其中第二条螺旋常在DNA双螺旋的大沟中与碱基特异结合，成为识别螺旋。虽然根据-螺旋结构、定位以及转角的组成情况还可以细分为多种，但模体结构形状及其与DNA结合方式还是十分相似的。在真核转录因子中，常出现螺旋-环-螺旋的模体，由524个残基组成的环连接在两个-螺旋之间，螺旋中疏水性残基位置也十分保守，容易使蛋白质肽链之间结合形成二聚体疏水核心，再参与DNA结合。2.2.3.5 蛋白质的四级结构具有三级结构的球状蛋白质通过非共价键作用而形成的聚

38、集体，称为蛋白质的四级结构（quaternary structure），见图2.7。其中，组成三级结构的蛋白质称为亚基或亚单位（subunit）。由两个亚基组成的称为二（聚）体蛋白质，由四个亚基组成的称为四（聚）体蛋白质。无四级结构的蛋白质如肌红蛋白质称为单体蛋白质，有四级结构的蛋白质如血红蛋白又称寡聚蛋白质。寡聚蛋白质各亚基之间靠非共价键（氢键、盐键、疏水作用）维系。图2.7 蛋白质的四级结构生物体内发现的寡聚蛋白质多数是酶，它行使某一完整的生物学功能，而每个亚基则各负担完整功能的一部分。2.2.4 蛋白质结构与功能的关系一般来说，蛋白质的生物学功能取决于它的高级结构，而高级结构又取决于一级

39、结构，即蛋白质的氨基酸顺序。通过分析比较蛋白质的一级结构，可以判断哪些氨基酸残基对保持蛋白质的空间构象和生物学功能是必需的，哪些是可以取代的；而通过分析比较蛋白质的空间结构，可以判断哪些结构域是与蛋白质的功能紧密联系的，对蛋白质发挥正常的功能是必不可少的，哪些空间结构部分是可以变化的。当然，对于同一个蛋白质，在不同的条件下可能处于不同的构象，因而具有不同的功能。例如，细胞色素C是细胞线粒体膜内的一种含铁蛋白质，与生物氧化的过程有关，它由大约100个氨基酸残基组成。不同生物来源的细胞色素C具有不完全相同的氨基酸序列，然而，它们所表现出的生物学功能都基本一致。比较各种生物细胞色素C的一级结构，可以

40、发现高度保守的序列片段，其长度约为28个氨基酸，这些保守的氨基酸与细胞色素C的生物活性密切相关，是影响细胞色素C功能的关键部位。又如，血红蛋白具有运输O2和CO2的功能，存在于红细胞中。X-射线衍射晶体结构分析揭示，血红蛋白分子近似于一个球体，其中，含亲水基团的侧链氨基酸几乎全部分布在分子表面，而疏水侧链的氨基酸残基几乎全埋在分子内部，并形成一个疏水性洞穴，血红素恰好居于其中。血红蛋白的四个亚基通过盐键按一定空间关系结合成一个完整的四聚体，从而才能发挥其生物学活性。根据四个亚基的聚合程度，血红蛋白可分为紧张态（tense state，T态）和松弛态（relaxed state，R态）。T态由于

41、各亚基之间存在较多的盐键，结构紧密；R态的各亚基之间盐键发生了断裂，结构松弛。血红蛋白在结合氧气前处于T态，对氧的亲和力低。与氧结合，触发了血红蛋白四级结构的剧烈改变。这时，联接各亚基的盐键发生断裂，亚基间相对位置改变，即分子构象发生了变化，于是，脱氧血红蛋白转变为氧合血红蛋白，即血红蛋白由T态转变为R态（R态对氧的亲和力高）。这一构象转换在体内有重要的生理学意义：当在组织内氧分偏低时，氧分子从血红蛋白分子中解离出来，其空间构象从R态转变为T态。这种构象转换的机制有利于氧和二氧化碳的运输。2.3 遗传信息载体DNA生物可以繁殖，能够复制出新的一代，通过繁殖后代使物种得以遗传和延续。生物的复制由

42、基因所决定，复制是生命的基本特征，但不是生命的全部特征。计算机程序可以自动复制大量的拷贝，但是这些程序不是活动的生命，活动的生命是不断变化的。绝大多数生命体可以从周围的环境中摄取物质，获取能量，并将所摄取的物质转换为其自身的一部分。计算机程序虽然可以拷贝，但是这种拷贝往往是绝对真实的拷贝，毫厘不差。而生物体在繁殖和遗传的过程中并非一成不变，后代与亲代存在着差异。正因为有遗传差异的存在，才有生物的进化。对于任何两个生物体，不论它们是否是相同的种类，还是不同的种类，它们具有共同的祖先。各种生物体通过自然选择的进化发展成为目前各自的状态。在进化过程中，子代会继承亲代的特征，但是子代并非完全与亲代一样

43、，相对于亲代，子代会发生变化。子代的发展必然受到大自然的选择，在一定的环境之下，有的容易生存和发展，有的发展则比较困难。核酸是遗传物质。核酸分为脱氧核糖核酸（DNA，deoxyribonucleic acid ）和核糖核酸（RNA，Ribonucleic Acid），这两类核酸分布于所有生物细胞中。DNA 存在于细胞核中，它是遗传的主要物质基础。1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，由此揭开了分子生物学研究的序幕。2.3.1 核苷酸核酸经核酸酶水解可生成核苷酸（nucleotide）。核苷酸还可以进一步分解成核苷（nucleoside）和磷酸，核苷进一步水解生成碱基（

44、base）和戊糖。所以，核酸的基本结构单位是核苷酸，其组成方式为碱基-戊糖-磷酸。2.3.1.1 碱基碱基包括嘌呤碱和嘧啶碱两类。DNA中的嘧啶为胞嘧啶（cytosine，简写作C）和胸腺嘧啶（thymine，简写作T），嘌呤为腺嘌呤（adenine，简写作A）和鸟嘌呤（guanine，简写作G）。尿嘧啶（Uracil，简写作U）也是一种常见的嘧啶，仅存在于RNA 中。常见碱基的结构及国际统一的标号见表2.2和表2.3。表2.2 核苷酸的化学组成DNARNA碱基腺嘌呤 A鸟嘌呤 G胞嘧啶 C胸腺嘧啶 T腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶 U戊糖脱氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸表2.3 扩展的遗传学字母表或IUP

45、AC编码符 号含 义说 明GG腺嘌呤AA鸟嘌呤TT胸腺嘧啶CC胞嘧啶RG or A嘌呤YT or C嘧啶MA or C氨基KG or T羧基SG or C强氢键(3个氢键)WA or T弱氢键(2个氢键)HA or C or T非GBG or T or C非AVG or C or A非T(非U)DG or A or T非CNG or A or T or C任意碱基2.3.1.2 核苷核酸中的戊糖有两类，即D-核糖或D-2-脱氧核糖，前者存在于RNA 中，后者存在于DNA中。核苷由戊糖和碱基缩合而成，二者通过糖苷键相连。由D-2-脱氧核糖生成的核苷称为脱氧核糖核苷，是DNA 的组成成分。2.3.

46、1.3 核苷酸核苷中的戊糖羟基与一分子磷酸缩合形成的酯式化合物称为核苷酸。由脱氧核苷酯化所得的是脱氧核糖核苷酸，它是DNA的基本组成单位。最常见的酯化位置是与五碳糖上C-5相连接的羧基，这样一种化合物称为核苷5-磷酸或称为5-核苷酸。右上角带撇的数码代表五碳糖原子，而不带撇的数码代表嘌呤或嘧啶环上的原子。2.3.2 DNA 的结构2.3.2.1 DNA的一级结构核苷酸相互连接形成长的多核苷酸链。两个核苷酸之间的连接通常是通过磷酸二酯键（phosphodiester bond），该键将一个核苷酸的磷酸基团与另一个核苷酸的脱氧核糖连接。由四种脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链高分子多聚体为DN

47、A分子的一级结构。DNA分子中第一个核苷酸的3-羟基与第二个核苷酸的5-磷酸基脱水形成3,5-磷酸二酯键,第二个核苷酸的3-羟基又与第三个核苷酸的磷酸基脱水形成3,5-磷酸二酯键，依此类推，形成线性多聚体。DNA分子中第一个核苷酸的5-磷酸与最末一个核苷酸的3-羟基都未参与形成3,5-磷酸二酯键，故分别称为5-磷酸端(或5-端)和3羟基端(或3-端)。生物的绝大部分遗传信息储存于DNA序列中，核苷酸的不同排列顺序决定了生物的多样化。研究DNA的一级结构有助于了解DNA的生物学功能。2.3.2.2 DNA的空间结构由Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型(图2.8)有以下特征： 3.

48、4 小沟 碱基对 大沟 20 图2.8 DNA分子双螺旋结构模型DNA分子是由两条反向平行的核苷酸链绕着同一中心轴缠绕而成，并形成右手螺旋，其中，磷酸与核糖位于双螺旋外侧，彼此以3,5-磷酸二酯键相连,构成双螺旋的骨架，碱基位于螺旋内侧。两条多核苷酸链靠碱基间的氢键相连。配对碱基又称互补碱基，形成碱基对(base pair)，A、T配对形成二个氢键，G、C配对形成三个氢键，碱基之间的相互作用足以将两条互补的链结合在一起。两条多核苷酸链彼此称为互补链；双螺旋平均直径为20 ，两个平行碱基对之间的距离为3.4 ,每10个核苷酸沿中心轴旋转一周。虽然DNA分子的两条链互补，但方向不同，是互为反向平行

49、(antiparallel)的，一条链的5-端与互补链的3-端相对应，反之亦然。所以，若一条链的碱基序列是5-ATGCGCTGA-3，则另一条链将是3-TACGCGACT-5。细胞内大多数涉及DNA的反应过程都沿5-端到3-端进行的，所以依照惯例，另一条链通常表示为5-TCAGCGCAT-3。严格地讲，双链DNA分子的两条链之间是反向互补的。位于某个参考点的5-端的序列通常称为该点的“上游”，而在3-端的序列称为“下游”。DNA的三级结构是指DNA双螺旋的扭曲，或称为超螺旋（superhelix）。通常，线性DNA形成螺线管式超螺旋。2.3.2.3 DNA中核苷酸组成规律根据DNA互补的双链结

50、构以及两条链上核苷酸（或碱基）含量相近的事实，可以推导DNA中的核苷酸组成有以下规律：(1) DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等（A=T），鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等（G=C）；(2) 嘌呤与嘧啶的总含量相等（A+G=C+T）；2.3.2.4 RNA和核糖体RNA和DNA不同，RNA是单链分子。RNA主要有三种，即信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）及转运RNA（tRNA）。mRNA携带由基因转录过来的遗传信息，它指导蛋白质的合成。原核生物的mRNA是多顺反子，含有几个蛋白质的编码序列（Coding sequences），在各顺反子之间，常有一段不编码的间隔区。真核细胞m

51、RNA一般为单顺反子，即只包含一个蛋白质的信息。真核细胞mRNA有两个特点：（1）3 -端有150200个腺苷酸（A）的序列，即多聚A，它的作用可能是使mRNA分子穿过核膜进入细胞质；（2）5 -端是一个甲基化的鸟苷酸，即G帽，它的作用除保护mRNA外，还能使mRNA分子识别核糖体，与核糖体结合，进行蛋白质合成。mRNA的数量占细胞内RNA总量的5%10%。 核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体主要由蛋白质分子和rRNA分子组成，蛋白质和rRNA相互作用，以维持核糖体的三维结构和生物学功能，并作为mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成。核糖体rRNA在三类RNA中相对分子量最大

52、，同时也是最多的一类RNA，占整个RNA的82%左右。tRNA是单链小分子，无论是在原核细胞中，还是在真核细胞中，tRNA都只含有80个左右的核苷酸。tRNA分子上有特异的反密码子，与mRNA上的密码子碱基有互补关系。tRNA负责将所需要的氨基酸逐个携带进入核糖体，合成肽链。在进行肽链合成时，tRNA 依据mRNA上的指令，依次取氨基酸，将它们携带到核糖体上，这些氨基酸被连接起来，从而形成长链的多肽分子。tRNA既是蛋白质合成的运载工具，也是识别mRNA的解读工具，因此，tRNA至少有两个功能：一是专一性地识别氨基酸，二是识别密码子。每个细胞有20种以上的tRNA，用来与不同的氨基酸结合。tR

53、NA的数量占细胞内RNA总量的5%10%。2.4 分子生物学中心法则DNA是遗传物质，是携带遗传信息的载体。信息从基因的核苷酸序列中被提取出，用来指导蛋白质合成的过程对地球上的所有生物是相同的，分子生物学家称之为中心法则(central dogma)。生物体的遗传信息以密码形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制（replication）使遗传信息从亲代传向子代。在后代的生长发育过程中，DNA分子中的遗传信息转录（transcription）到RNA分子中（即RNA聚合酶以DNA为模板合成RNA），再由RNA翻译（translation）生成体内各种蛋白质，行使特

54、定的生物功能。翻译过程是在核糖体上进行得。这样，通过遗传信息从亲代传向子代，并在子代表达，使得子代获得了亲代的遗传性状。RNA也能通过复制过程合成出与其自身相同的分子。此外，生物界还存在由RNA 指导下的DNA合成过程，即逆转录，这一过程发现于逆转录病毒中。通过基因转录和翻译得到的蛋白质分子可以反过来作用于DNA，调控其它基因的表达。分子生物学的中心法则见图2.9，它说明遗传信息由DNA分子到RNA，再到蛋白质的传递过程。 复制DNA转录 逆转录 作用复制 RNA蛋白质翻译 图2.9 分子生物学中心法则2.4.1 DNA的复制DNA的复制，即DNA的生物合成，就是指以原有DNA分子为模板按照碱

55、基配对原则合成出相同分子的过程。DNA的自我复制是细胞周期中的重要事件。一旦复制开始，细胞当然就不能分裂。而DNA复制结束，就会触发细胞的分裂。所有的DNA复制过程都是以半保留方式进行的。在DNA复制过程中，双螺旋解开，两条DNA单链都可作为模板在其上形成新的互补链，这样形成两个与亲代DNA结构完全相同的子代DNA链，并且由于子代DNA中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，故该复制方式称为半保留复制。1958年，Meselon和Stahl利用15N同位素标记大肠杆菌DNA最早证明了DNA的半保留复制。在DNA的复制过程中，有许多酶参与，其中最重要的是DNA聚合酶。该酶以DNA链为模板，以

56、dATP、dTTP、dCTP和dGTP四种脱氧核糖核苷三磷酸（由脱氧核糖核苷酸与焦磷酸PPi形成）为原料，按照碱基配对原则合成与模板DNA链互补的新链，这一过程即聚合反应。DNA聚合酶有两个特性，一是其作用的方向只能从5端往3端发展，二是它不能从头合成DNA链，它必须以一条单链作为模板，催化脱氧核糖核苷酸加到已有核酸链的3-羟基端，即它的催化需要引物链的存在。有些种类的DNA聚合酶还兼有核酸外切酶的活力,在复制过程中行使切除引物等功能。DNA连接酶催化双链DNA切口处的5-磷酸基和3-羟基生成3,5-磷酸二酯键，使两个DNA片段得以连接，此反应需供给能量(ATP)。在DNA的复制过程中，先由多

57、种蛋白质因子识别复制起点，在DNA解旋酶作用下，DNA双链解螺旋。双链解开后，单链结合蛋白（SSB）与单链DNA结合，使其稳定化，两条链各自成为复制的模板。引物合成酶与复制起始点局部DNA结合，合成与局部DNA链互补的引物，在DNA聚合酶的作用下，在引物3-端加入脱氧核糖核苷酸(二者以磷酸二酯键相连)。以此类推，使DNA链不断延伸。两条链中一条模板链是35走向，在其上DNA能以 53方向连续合成，该模板链称为前导链；另一条模板链是53走向，在其上DNA也是从53方向合成，但是与解链方向相反，而且随着解链的推进，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链，该链称为后随链。合成完成后，由另

58、一类DNA聚合酶切除引物并填补切除后的空隙，缺口的两端由DNA连接酶催化生成磷酸二酯键，从而成为完整的DNA双链。2.4.2 转录转录是基因表达（gene expression）的第一个阶段。转录就是以DNA分子为模板，合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程，即DNA指导下的RNA合成。常见的RNA 包括信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA），它们都是在细胞核内以DNA为模板、按碱基配对原则合成的。原核生物只有一种RNA聚合酶负责转录所有的基因，而真核生物有多种RNA聚合酶。RNA聚合酶需要以4种核苷三磷酸作为底物，并需适当的DNA作为模板。与DNA聚合酶不

59、同的是，RNA 聚合酶无需引物，它可以直接在模板上合成RNA 链，合成方向为53。真核细胞中的RNA聚合酶有、三类，分别催化rRNA、mRNA和tRNA的合成。在体外，DNA双链可同时进行转录，但在体内却只有一条链可用于转录，称为不对称转录。被转录的这条链称为模板链。RNA链的转录起始于DNA模板的一个特定位点上，并在另一位点处终止，此间的转录区域称为转录单位。转录单位由指导转录起始部位的序列（启动子）和转录终止序列（终止子）以及编码蛋白质的序列（结构基因）三部分组成。原核生物的RNA聚合酶几乎不依赖其他蛋白质因子就能识别并结合到启动子DNA序列上，从而开始转录合成。但是，真核生物RNA聚合酶

60、则必须依赖于一系列蛋白质因子才能识别启动子，并与之结合，然后才开始转录过程。这些蛋白质因子称为转录因子。转录因子分为两类：一类是结合在启动子核心部位如TATA盒的因子，称为普通性转录因子，如TFA、TFB、TFA、TFB等；另一类是结合在启动子上游和增强子部位的因子，成为转录调控因子，如SP-1、CTF、AT-1、Oct-1等。这些转录因子可以和特异性的DNA序列结合，也可以和其他转录因子相结合共同起作用。转录过程分为起始、延长和终止三个阶段。在起始阶段，RNA聚合酶及相关转录因子识别DNA分子的启动子，并与之结合。此时，DNA分子双螺旋局部解开，解链范围仅限于与RNA 聚合酶结合的部位。聚合