分子生物学讲义 下载本文

细胞分子生物学讲义

扬州大学兽医学院

二○○九年九月

第一章 细胞与生物大分子

一、 细胞的分类

1、原核细胞(prokaryotic cell):没有细胞核。主要包括真细菌、古细菌。 古细菌长生活于极端环境中,如厌氧、嗜盐、嗜热。

2、真核细胞(eukaryotic cell): 有细胞核。主要包括原生生物、真菌、动物和植物。

二、细胞的基本组成

细胞质:是细胞的粘性成分,包括蛋白质、核糖体、代谢物和离子。其中,核糖体是蛋白质加工的场所。

质膜:是细胞质周围的膜结构,由磷脂双分子层结构。磷脂双分子结构也是其他生物膜的基本组成形式。 DNA:是遗传物质。真核细胞具有多个DNA分子,位于细胞核和线粒体上;原核细胞只有一个DNA分子,并且核区和细胞质间没有特定的界限。

(一)原核细胞结构

1、细胞壁:防止细胞在低渗环境中裂解

2、质膜:磷脂双分子层,膜上蛋白质可以允许小分子出入 3、遗传物质:类核(单链、环状)、质粒 4、核糖体:蛋白质加工的场所 5、纤毛:黏附、性别 6、鞭毛:细胞移动 (二)真核细胞结构

1、细胞核:DNA转录和RNA加工的场所

2、线粒体:细胞呼吸即营养物质氧化以ATP形式产生能量的场所 3、叶绿体:光合作用

4、内质网:滑面内质网、粗面内质网

5、微体:溶酶体、过氧化物酶体、醛氧化酶体 (三)细胞器的分离

1、细胞破碎(低渗休克、机械剪切、非离子去垢剂处理等) 2、离心分离细胞器(差速离心、密度梯度离心等) 3、纯度鉴定(电镜观察、细胞器特异酶活性测定) 三、细胞分化

一个真核细胞分裂产生的子代细胞既可以完全相同,也可以通过改变基因表达的格局,形成功能不同于母代细胞的子代细胞,这一过程称为细胞分化。

对于原核细胞和低等真核细胞来说,孢子化是典型的细胞分化。对于复杂的多细胞生物而言,胚胎细胞的分化能形成肌肉细胞、神经细胞、肝细胞和肾细胞等高度特定化的细胞。

细胞的分化由发育控制基因负责调节。多细胞生物不同组织和器官活动的相互协调,主要通过信息分子之间的信息交流来控制。

四、生物大分子 1、蛋白质

蛋白质是氨基酸的聚合体,由不同的氨基酸通过肽键连接而成。蛋白质具有结构和功能上的重要性,其结构和特点将在以后章节中叙述

2、核酸

核酸(nucleic acid)是核苷酸的聚合体,包括核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。

核苷酸(nucleotide)又由碱基、五碳糖(或称戊糖)和磷酸组成。 核酸负责遗传物质的储存与加工,但信息的表达需要蛋白质的合成。 3、多糖

是共价糖苷键相连的单糖聚合体,主要作为糖的储存形式和细胞的结构成分。

纤维素和淀粉都是葡萄糖的聚合体,前者是以β-1、4糖苷键相连的线性聚合体,为植物细胞壁的主要结构成分,后者是葡萄糖的储存形式,存在于较大的细胞颗粒中,这些颗粒能被很快降解,以便释放代谢所需的能量。

糖原是真菌和动物细胞的 葡萄糖储存形式。

几丁质(壳多糖)存在于真菌细胞壁和昆虫、甲壳纲的外壳中,结构与纤维素相似,单体是N-乙酰葡糖胺。

粘多糖高度粘稠,其溶液呈胶冻状。 4、脂类

脂类分子的本质是碳氢化合物,水中可溶性差,参与能量的储存与运输,是胞浆膜、保护性外壳和其它细胞结构的组分 甘油酯:甘油分子酯化的长链脂肪酸。

动物甘油三脂的脂肪链是线性的,分子可以紧密包裹,形成固体的脂肪;植物油含有一个或多个双键的不饱和脂肪酸,折转(带有一定角度)的链状结构阻碍了分子的紧密包裹,所以在室温下表现为液体。

磷脂:两个脂肪酸和一个磷酸分子相连的甘油组成。

鞘脂:长链氨乙醇鞘氨醇含有一个与酰胺键相连的脂肪酸。 鞘磷脂:神经酰胺与磷酸胆碱连接成。 5、复杂大分子

由一种以上生物分子以共价键或非共价键连接而成的,结构和功能更复杂多样的生物大分子。

核蛋白:核酸+蛋白 糖蛋白:蛋白+糖

蛋白聚糖:蛋白质+粘多糖 脂联蛋白、脂蛋白、糖脂等 五、生物大分子的装配 1、蛋白质复合体

如细胞骨架,负责细胞形态的维持、细胞的运动和细胞器在细胞内的分布,由微丝、微管和中间纤维等组成。微丝主要结构成分是肌动蛋白,后者与肌球蛋白形成的收缩性装配与细胞浆的泳动有关;微管是由细长的微管蛋白(110kDa球状蛋白)聚合而成的聚合体,组成细胞骨架的中间微丝含有角蛋白等多种蛋白质,具有加强细胞结构等功能。

2、核蛋白

由核酸和蛋白质共同组成。

核糖体:胞浆内较大的核糖核蛋白复合体,也是蛋白质合成的部位。

大肠杆菌的70S核糖体由50S和30S两个亚单位组成,前者包括1个23S RNA、1个5S RNA和31个不同的蛋白质分子,后者含有1个16S RNA分子和21个蛋白质分子。

核小体:染色质的基本结构单位,包括200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体及一个分子的组蛋白H1。

3、胞浆膜 在水相环境中,磷脂和鞘脂能自然形成所谓的脂质双层,其外侧为极性基团,内部为非极性烃链,是所有生物膜的结构基础。

蛋白质也是细胞膜的主要成分

-外周膜蛋白:松散地结合在胞浆膜的外表 -整合型膜蛋白:嵌镶在细胞膜内

-跨膜蛋白横:横跨整个细胞膜,具有疏水性跨膜氨基酸区域 膜蛋白主要功能:受体作用;酶作用,降解细胞外分子;选择性运输的孔道;细胞间相互作用的介质 。

4、非共价结合

1)盐桥作用:生理pH下,离子化基团之间能通过相反电荷的相互吸引结合。如带负电荷的DNA磷酸基与带正电荷的DNA结合蛋白(如组蛋白)的结合。

2)极性之间的作用:电荷不对称分布,导致偶极分子之间以电荷-偶极和偶极-偶极的方式相互作用,但其结合力较弱。不带电荷的基团,由于其电子的运动可以产生瞬时的偶极,也可以发生弱的结合。

3)范德瓦耳斯力(Wander Waals force):电中性分子之间的非共价结合,氢键起重要作用。

4)疏水作用:非极性分子在水相环境中。

第二章 蛋白质结构

一、氨基酸

蛋白质是L-氨基酸的聚合物。除了脯氨酸外,蛋白质中已发现的所有氨基酸都有一个共同的结构,即与一个羧基相连的α-碳原子、一个氨基、一个质子和一个随氨基酸不同而异的侧链。

除了甘氨酸外,所有的α-碳原子均具有手性

少数蛋白质含有所谓的非标准氨基酸,后者通过转译后修饰形成,如胶原中的4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。

根据侧链的不同对氨基酸进行分类 1、带电荷的侧链:

? 酸性氨基酸:通常带有离子化外的额外的羧基(带负电荷),如天冬氨酸、谷氨酸。

? 碱性氨基酸:带有正电的基团,如赖氨酸有亚氨基连接在ε-碳原子上,精氨酸则有一个胍基。

? 酸性和碱性氨基酸可以组成蛋白质中重要的盐桥。 2、不带电的极性侧链

? 不带电的极性侧链氨基酸含有可与水形成氢键的基团,如丝氨酸、苏氨酸。 ? 与带电氨基酸一起,常被称为亲水氨基酸。 3、非极性脂肪烃侧链

如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸等