[考博復習資料]生物化學與分子生物學重點1_考博_旭晨教育

第一章 緒論
一、生物化學的的概念：
生物化學（biochemistry)是利用化學的原理與方法去探討生命的一門科學，它是介于化學、生物學及物理學之間的一門邊緣學科。

二、生物化學的發展：

1．敘述生物化學階段：是生物化學發展的萌芽階段，其主要的工作是分析和研究生物體的組成成分以及生物體的分泌物和排泄物。

2．動態生物化學階段：是生物化學蓬勃發展的時期。就在這一時期，人們基本上弄清了生物體內各種主要化學物質的代謝途徑。

3．分子生物學階段：這一階段的主要研究工作就是探討各種生物大分子的結構與其功能之間的關系。

三、生物化學研究的主要方面：

1．生物體的物質組成：高等生物體主要由蛋白質、核酸、糖類、脂類以及水、無機鹽等組成，此外還含有一些低分子物質。

2．物質代謝：物質代謝的基本過程主要包括三大步驟：消化、吸收→中間代謝→排泄。其中，中間代謝過程是在細胞內進行的，最為復雜的化學變化過程，它包括合成代謝，分解代謝，物質互變，代謝調控，能量代謝幾方面的內容。

3．細胞信號轉導：細胞內存在多條信號轉導途徑，而這些途徑之間通過一定的方式方式相互交織在一起，從而構成了非常復雜的信號轉導網絡，調控細胞的代謝、生理活動及生長分化。

4．生物分子的結構與功能：通過對生物大分子結構的理解，揭示結構與功能之間的關系。

5．遺傳與繁殖：對生物體遺傳與繁殖的分子機制的研究，也是現代生物化學與分子生物學研究的一個重要內容。

第二章 蛋白質的結構與功能
一、氨基酸：

1．結構特點：氨基酸(amino acid)是蛋白質分子的基本組成單位。構成烊壞鞍字史腫擁陌被嵩加?0種，除脯氨酸為α-亞氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均為L-α-氨基酸。

2．分類：根據氨基酸的R基團的極性大小可將氨基酸分為四類：① 非極性中性氨基酸(8種)；② 極性中性氨基酸(7種)；③ 酸性氨基酸(Glu和Asp)；④ 堿性氨基酸(Lys、Arg和His)。

二、 肽鍵與肽鏈：

肽鍵(peptide bond)是指由一分子氨基酸的α-羧基與另一分子氨基酸的α-氨基經脫水而形成的共價鍵(-CO-NH-)。氨基酸分子在參與形成肽鍵之后，由于脫水而結構不完整，稱為氨基酸殘基。每條多肽鏈都有兩端：即自由氨基端(N端)與自由羧基端(C端)，肽鏈的方向是N端→C端。

三、肽鍵平面(肽單位)：

肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉；組成肽鍵的四個原子及其相鄰的兩個α碳原子處在同一個平面上，為剛性平面結構，稱為肽鍵平面。

四、蛋白質的分子結構：

蛋白質的分子結構可人為分為一級、二級、三級和四級結構等層次。一級結構為線狀結構，二、三、四級結構為空間結構。

1．一級結構：指多肽鏈中氨基酸的排列順序，其維系鍵是肽鍵。蛋白質的一級結構決定其空間結構。

2．二級結構：指多肽鏈主鏈骨架盤繞折疊而形成的構象，借氫鍵維系。主要有以下幾種類型：

⑴α-螺旋：其結構特征為：①主鏈骨架圍繞中心軸盤繞形成右手螺旋；②螺旋每上升一圈是3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm；③ 相鄰螺旋圈之間形成許多氫鍵；④ 側鏈基團位于螺旋的外側。

影響α-螺旋形成的因素主要是：① 存在側鏈基團較大的氨基酸殘基；② 連續存在帶相同電荷的氨基酸殘基；③ 存在脯氨酸殘基。

⑵β-折疊：其結構特征為：① 若干條肽鏈或肽段平行或反平行排列成片；② 所有肽鍵的C=O和N—H形成鏈間氫鍵；③側鏈基團分別交替位于片層的上、下方。

⑶β-轉角：多肽鏈180°回折部分，通常由四個氨基酸殘基構成，借1、4殘基之間形成氫鍵維系。

⑷無規卷曲：主鏈骨架無規律盤繞的部分。

3．三級結構：指多肽鏈所有原子的空間排布。其維系鍵主要是非共價鍵（次級鍵）：氫鍵、疏水鍵、范德華力、離子鍵等，也可涉及二硫鍵。

4．四級結構：指亞基之間的立體排布、接觸部位的布局等，其維系鍵為非共價鍵。亞基是指參與構成蛋白質四級結構的而又具有獨立三級結構的多肽鏈。

五、 蛋白質的理化性質：

1．兩性解離與等電點：蛋白質分子中仍然存在游離的氨基和游離的羧基，因此蛋白質與氨基酸一樣具有兩性解離的性質。蛋白質分子所帶正、負電荷相等時溶液的pH值稱為蛋白質的等電點。

2．蛋白質的膠體性質：蛋白質具有親水溶膠的性質。蛋白質分子表面的水化膜和表面電荷是穩定蛋白質親水溶膠的兩個重要因素。

3．蛋白質的紫外吸收：蛋白質分子中的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸殘基對紫外光有吸收，以色氨酸吸收最強，最大吸收峰為280nm。

4．蛋白質的變性：蛋白質在某些理化因素的作用下，其特定的空間結構被破壞而導致其理化性質改變及生物活性喪失，這種現象稱為蛋白質的變性。引起蛋白質變性的因素有：高溫、高壓、電離輻射、超聲波、紫外線及有機溶劑、重金屬鹽、強酸強堿等。絕大多數蛋白質分子的變性是不可逆的。

六、蛋白質的分離與純化：

1．鹽析與有機溶劑沉淀：在蛋白質溶液中加入大量中性鹽，以破壞蛋白質的膠體性質，使蛋白質從溶液中沉淀析出，稱為鹽析。常用的中性鹽有：硫酸銨、氯化鈉、硫酸鈉等。鹽析時，溶液的pH在蛋白質的等電點處效果最好。凡能與水以任意比例混合的有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可引起蛋白質沉淀。

2．電泳：蛋白質分子在高于或低于其pI的溶液中帶凈的負或正電荷，因此在電場中可以移動。電泳遷移率的大小主要取決于蛋白質分子所帶電荷量以及分子大小。

3．透析：利用透析袋膜的超濾性質，可將大分子物質與小分子物質分離開。

4．層析：利用混合物中各組分理化性質的差異，在相互接觸的兩相（固定相與流動相）之間的分布不同而進行分離。主要有離子交換層析，凝膠層析，吸附層析及親和層析等，其中凝膠層析可用于測定蛋白質的分子量。

5．超速離心：利用物質密度的不同，經超速離心后，分布于不同的液層而分離。超速離心也可用來測定蛋白質的分子量，蛋白質的分子量與其沉降系數S成正比。

七、氨基酸順序分析：

蛋白質多肽鏈的氨基酸順序分析，即蛋白質一級結構的測定，主要有以下幾個步驟：

1. 分離純化蛋白質，得到一定量的蛋白質純品；

2. 取一定量的樣品進行完全水解，再測定蛋白質的氨基酸組成；

3. 分析蛋白質的N-端和C-端氨基酸；

4. 采用特異性的酶（如胰凝乳蛋白酶）或化學試劑（如溴化氰）將蛋白質處理為若干條肽段；

5. 分離純化單一肽段；

6. 測定各條肽段的氨基酸順序。一般采用Edman降解法，用異硫氰酸苯酯進行反應，將氨基酸降解后，逐一進行測定；

7. 至少用兩種不同的方法處理蛋白質，分別得到其肽段的氨基酸順序；

8. 將兩套不同肽段的氨基酸順序進行比較，以獲得完整的蛋白質分子的氨基酸順序。

第三章 核酸的結構與功能
一、核酸的化學組成：

1．含氮堿：參與核酸和核苷酸構成的含氮堿主要分為嘌呤堿和嘧啶堿兩大類。組成核苷酸的嘧啶堿主要有三種——尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），它們都是嘧啶的衍生物。組成核苷酸的嘌呤堿主要有兩種——腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G），它們都是嘌呤的衍生物。

2．戊糖：核苷酸中的戊糖主要有兩種，即β-D-核糖與β-D-2-脫氧核糖，由此構成的核苷酸也分為核糖核苷酸與脫氧核糖核酸兩大類。

3．核苷：核苷是由戊糖與含氮堿基經脫水縮合而生成的化合物。通常是由核糖或脫氧核糖的C1’ β-羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進行縮合，故生成的化學鍵稱為β，N糖苷鍵。其中由D-核糖生成者稱為核糖核苷，而由脫氧核糖生成者則稱為脫氧核糖核苷。由“稀有堿基”所生成的核苷稱為“稀有核苷”。假尿苷（ψ）就是由D-核糖的C1’ 與尿嘧啶的C5相連而生成的核苷。

二、核苷酸的結構與命名：

核苷酸是由核苷與磷酸經脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核酸兩大類。最常見的核苷酸為5’-核苷酸（5’ 常被省略）。5’-核苷酸又可按其在5’位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

此外，生物體內還存在一些特殊的環核苷酸，常見的為環一磷酸腺苷（cAMP）和環一磷酸鳥苷（cGMP），它們通常是作為激素作用的第二信使。

核苷酸通常使用縮寫符號進行命名。第一位符號用小寫字母d代表脫氧，第二位用大寫字母代表堿基，第三位用大寫字母代表磷酸基的數目，第四位用大寫字母P代表磷酸。

三、核酸的一級結構：

核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來形成的不含側鏈的多核苷酸長鏈化合物就稱為核酸。核酸具有方向性，5’-位上具有自由磷酸基的末端稱為5’-端，3’-位上具有自由羥基的末端稱為3’-端。

DNA由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四種脫氧核糖核苷酸所組成。DNA的一級結構就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的種類、數目、排列順序及連接方式。RNA由AMP，GMP，CMP，UMP四種核糖核苷酸組成。RNA的一級結構就是指RNA分子中核糖核苷酸的種類、數目、排列順序及連接方式。

四、DNA的二級結構：

DNA雙螺旋結構是DNA二級結構的一種重要形式，它是Watson和Crick兩位科學家于1953年提出來的一種結構模型，其主要實驗依據是Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行的分析研究，即DNA分子中四種堿基的摩爾百分比為A=T、G=C、A+G=T+C（Chargaff原則），以及由Wilkins研究小組完成的DNA晶體X線衍射圖譜分析。

天然DNA的二級結構以B型為主，其結構特征為：①為右手雙螺旋，兩條鏈以反平行方式排列；②主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側；③兩條鏈間存在堿基互補，通過氫鍵連系，且A-T、G-C（堿基互補原則）； ④螺旋的穩定因素為氫鍵和堿基堆砌力；⑤螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2nm。

五、DNA的超螺旋結構：

雙螺旋的DNA分子進一步盤旋形成的超螺旋結構稱為DNA的三級結構。

絕大多數原核生物的DNA都是共價封閉的環狀雙螺旋，其三級結構呈麻花狀。

在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質八聚體進行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結構，稱為核小體。核小體結構屬于DNA的三級結構。

六、DNA的功能：

DNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復制以及基因信息的轉錄提供模板。

DNA分子中具有特定生物學功能的片段稱為基因（gene）。一個生物體的全部DNA序列稱為基因組（genome）。基因組的大小與生物的復雜性有關。

七、RNA的空間結構與功能：

RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。RNA通常以單鏈存在，但也可形成局部的雙螺旋結構。

1．mRNA的結構與功能：mRNA是單鏈核酸，其在真核生物中的初級產物稱為HnRNA。大多數真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鳥苷三磷酸（m7GTP）帽子結構和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結構。mRNA的功能是為蛋白質的合成提供模板，分子中帶有遺傳密碼。mRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質翻譯合成時代表一個特定的氨基酸，這種核苷酸三聯體稱為遺傳密碼（coden）。

2．tRNA的結構與功能：tRNA是分子最小，但含有稀有堿基最多的RNA。tRNA的二級結構由于局部雙螺旋的形成而表現為“三葉草”形，故稱為“三葉草”結構，可分為五個部分：①氨基酸臂：由tRNA的5’-端和3’-端構成的局部雙螺旋，3’-端都帶有-CCA-OH順序，可與氨基酸結合而攜帶氨基酸。②DHU臂：含有二氫尿嘧啶核苷，與氨基酰tRNA合成酶的結合有關。③反密碼臂：其反密碼環中部的三個核苷酸組成三聯體，在蛋白質生物合成中，可以用來識別mRNA上相應的密碼，故稱為反密碼（anticoden）。④ TψC臂：含保守的TψC順序，可以識別核蛋白體上的rRNA，促使tRNA與核蛋白體結合。⑤可變臂：位于TψC臂和反密碼臂之間，功能不詳。

3．rRNA的結構與功能：rRNA是細胞中含量最多的RNA，可與蛋白質一起構成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。原核生物中的rRNA有三種：5S，16S，23S。真核生物中的rRNA有四種：5S，5.8S，18S，28S。

八、核酶：

具有自身催化作用的RNA稱為核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分子結構，如錘頭結構。

九、核酸的一般理化性質：

核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm。

十、DNA的變性：

在理化因素作用下，DNA雙螺旋的兩條互補鏈松散而分開成為單鏈，從而導致DNA的理化性質及生物學性質發生改變，這種現象稱為DNA的變性。

引起DNA變性的因素主要有：①高溫，②強酸強堿，③有機溶劑等。DNA變性后的性質改變：①增色效應：指DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現象；②旋光性下降；③粘度降低；④生物功能喪失或改變。

加熱DNA溶液，使其對260nm紫外光的吸收度突然增加，達到其最大值一半時的溫度，就是DNA的變性溫度（融解溫度，Tm）。Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關，G+C的含量越高，則Tm越高。

十一、DNA的復性與分子雜交：

將變性DNA經退火處理，使其重新形成雙螺旋結構的過程，稱為DNA的復性。

兩條來源不同的單鏈核酸（DNA或RNA），只要它們有大致相同的互補堿基順序，以退火處理即可復性，形成新的雜種雙螺旋，這一現象稱為核酸的分子雜交。核酸雜交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA雜交。不同來源的，具有大致相同互補堿基順序的核酸片段稱為同源順序。

常用的核酸分子雜交技術有：原位雜交、斑點雜交、Southern雜交及Northern雜交等。

在核酸雜交分析過程中，常將已知順序的核酸片段用放射性同位素或生物素進行標記，這種帶有一定標記的已知順序的核酸片段稱為探針。

十二、核酸酶：

凡是能水解核酸的酶都稱為核酸酶。凡能從多核苷酸鏈的末端開始水解核酸的酶稱為核酸外切酶，凡能從多核苷酸鏈中間開始水解核酸的酶稱為核酸內切酶。能識別特定的核苷酸順序，并從特定位點水解核酸的內切酶稱為限制性核酸內切酶（限制酶）。——————————