生物物理学

生物物理学 河北工业大学生物物理所河北工业大学生物物理学

第1章分子生物物理学 • 1.1分子生物物理学简介 • 1.2 生物大分子的结构与功能 • 1.3 核酸分子的结构基础 • 1.4 蛋白质分子的结构基础 • 1.5 蛋白质工程 • 1.6 常用分子生物物理实验简介河北工业大学生物物理学

1.1分子生物物理学简介 • 1.1.1 课程简介 • 1.1.2 分子生物物理学简史 • 1.1.3 细胞的认识河北工业大学生物物理学

protein 1.1.1课程简介这一章将讲述什么内容？以分子生物物理学基础知识为主，学习生物大分子如核酸与蛋白质的结构与功能，生命信息的传递与调控；穿插生物化学和微生物学的基础知识。 DNA 河北工业大学生物物理学

什么是分子生物物理学？ • 分子生物物理学是从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科，主要内容为：核酸，蛋白质，细胞信号传导和相关实验内容。河北工业大学生物物理学

Signal transduction 拟南芥紫花苜蓿 MAPK: Mitogen-Activated Protein Kinase H. Hirt, Trends in Plant Science, 1997. 河北工业大学生物物理学

分子生物物理学的交叉性 分子生物学分子免疫学分子病理学分子病毒学分子药理学。。。生物化学分子生物物理学遗传学细胞学信息科学微生物学河北工业大学生物物理学

学习方法 • 阅读一本经典教材 • 加强专业外语的学习 • 勤于思考，经常交流讨论 • 学会查阅文献河北工业大学生物物理学

1.1.2 分子生物学简史 • 第一阶段：准备和酝酿阶段（19世纪后期到20世纪50年代初） • 第二阶段：现代分子生物学的建立和发展阶段（1950-1970） • 第三阶段：初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（1970-）河北工业大学生物物理学

第一阶段 ——确定蛋白质是生命的主要基础物质 • 1896年Buchner兄弟证明酵母的无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的概念。酶是生物催化剂。 • 1920’s-1940’s一些新酶的提纯和结晶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。 • 1902年Emil Fisher证明蛋白质结构是多肽。 • 1940’s，Sanger 创立二硝基氟苯（DNFB）法，Edman发展异硫氰酸苯酯法进行氨基酸末端序列分析。 • 1950年，在结晶X-射线分析技术的支持下，Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型。河北工业大学生物物理学

第一阶段 ——确定生命的遗传物质是DNA • 1868年，F.Miescher发现了核素（nuclein）,即细胞核中的主要部分。 • 1920’s-1930’s，确认自然界有脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。 • 1944年，Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA。 • 1952年，Hershey等用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了DNA是遗传物质。河北工业大学生物物理学

腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 胸腺嘧啶(T) 胞嘧啶(C) 第一阶段——确定生命的物质基础是DNA • 1949-52年S.Furbery等的X-射线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构. • 1948-1953年Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNA碱基组成A=T、G=C的Chargaff规则，为碱基配对的DNA结构打下基础。河北工业大学生物物理学

自我复制 自我复制第二阶段 ——现代分子生物学的建立和发展阶段 • 1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型。 • 遗传信息传递中心法则的建立。 DNA 转录逆转录 RNA 翻译 protein 河北工业大学生物物理学

DNA mRNA protein Normal cells DNA mRNA protein Sickle cells 第二阶段——对蛋白质结构与功能的进一步认识 • 1958年Ingram证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞(Sickle cells)溶血症病人的血红蛋白之间，其中一个亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。河北工业大学生物物理学

1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量。1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量。 • 中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素；在1973年用1.8AX-线衍射分析法测定了猪胰岛素的空间结构，为认识蛋白质结构做出了重要贡献。河北工业大学生物物理学

第三阶段——重组DNA技术的建立和发展 从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。将重组DNA分子转移到适当的受体细胞(亦称寄主细胞)，并与之一起增殖。从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆。将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。

第三阶段——重组DNA技术的建立和发展 • 1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠” • 我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转基因鱼的生长显著加快、个体增大 • 在绵羊的受精卵中导入凝血因子Ⅸ基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治疗河北工业大学生物物理学

第三阶段——重组DNA技术的建立和发展 • 1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场， • 1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产 • 美国最早研制得到抗虫棉花，我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。河北工业大学生物物理学

第三阶段——基因组研究的发展 • 人类基因组、水稻基因组、拟南芥基因组及其它重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成 • 2001年2月12日，中、美、日、德、法、英等 6 国科学家和美国塞莱拉公司，联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果， • 对初步分析表明，人类基因组由31.647亿个碱基对组成，共有3万至3.5万个基因，比线虫仅多1万个，比果蝇多2万个 • 现已进入后基因组计划（即功能基因组计划）时代河北工业大学生物物理学

第三阶段——单克隆抗体的发展 • 1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体。 • 单克隆抗体（单抗）是人体细胞特异地识别和抗击外来“病原”入侵而产生的生物活性物质。 • 利用单抗特异性的识别作用而研究生产的单克隆抗体快速诊断试纸能快速、准确、方便地对许多指标及疾病进行检测，如早孕、不孕、胎儿畸型、乙肝、结核、糖尿病、淋病、梅毒、艾滋病以及对多种癌症作出早期诊断等。河北工业大学生物物理学

1.1.3 细胞的认识 细胞的化学元素组成 • 水，盐类，离子，微量元素 • 糖类：主要的细胞能源物质，细胞结构物质，寡聚糖为重要的细胞信号物质。 • 脂类：储能物质，代谢类物质，膜组分 • 蛋白质：组成酶类，受体，通道，孔，激素等 • 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。河北工业大学生物物理学

细胞结构 细胞壁（动物没有！）线粒体（能量工厂，氧化磷酸化作用，合成ATP）内质网（细胞中各种物质运转的循环系统和膜合成者）核膜（保持核的形状）叶绿体（光合作用，产生糖和氧气）高尔基体（蛋白质、脂类修饰和运输，糖类合成和细胞分泌）细胞膜（隔离，细胞内外物质交换，分子位点识别等）核糖体（蛋白质肽链合成）染色质（即非细胞分裂期的染色体，由DNA、组蛋白等组成） cytoplasm 细胞质河北工业大学生物物理学

1.2生物大分子的结构与功能 • 1.2.1生物大分子概述 • 1.2.2细胞中的非共价相互作用 • 1.2.3细胞内的有机分子河北工业大学生物物理学

1.2.1基本概念 • 分子（molecule）：被共价键缚在一起的一簇原子。 • 核外共用电子对形成负电性的电子云，与带正电的原子核之间形成静电引力和斥力的平衡，此时原子核之间的距离称键长（bond length）。 • 打开化学键所必需的能量称键能(bond strength)。河北工业大学生物物理学

构型 • 构型（configuration）：分子在立体异构体中的取代原子和基团以共价键相连时，它们的空间取向。构型的改变，一定有共价键的断裂和手性的改变。 Glyceraldehyde:甘油醛 Aldose：醛糖河北工业大学生物物理学

构象 • 构象（conformation）：组成分子的原子或基团围绕共价单键旋转而形成的不同的空间排布。 • 体系达到的最稳定的空间结构即为构象。 Figure Dynein（动力蛋白）Head-Domain Model. ATP is bound in the first of six P-loop NTPase domains (numbered) in this model for the head domain of dynein. The model is based on electron micrographs and the structures of other members of the AAA ATPase family. 河北工业大学生物物理学 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=stryer.figgrp.4863

单双键 • 单键可绕轴作旋转，双键键长更短，键能更大，但不能旋转。 Figure Carbon-carbon double bonds and single bonds compared. (A) The ethane molecule, with a single covalent bond between the two carbon atoms, illustrates the tetrahedral arrangement of single covalent bonds formed by carbon. One of the CH3 groups joined by the covalent bond can rotate relative to the other around the bond axis. (B) The double bond between the two carbon atoms in a molecule of ethene (ethylene) alters the bond geometry of the carbon atoms and brings all the atoms into the same plane (blue); the double bond prevents the rotation of one CH2 group relative to the other. 河北工业大学生物物理学

亲水与疏水分子 • 水占细胞重量的70%，多数细胞反应在水中进行，生命起源于海洋。 • 亲水分子：带部分电荷，易与水分子形成氢键的分子。如DNA，RNA，糖，多数蛋白质。 • 疏水分子：不带电荷，不易形成氢键的分子。如多数碳氢化合物。河北工业大学生物物理学

酸和碱 • 在含有H的极性分子中，H把大部分电荷给了其配基，水溶液中形成H3O+ (水合氢离子)。 • 酸：溶于水时释放H+形成H3O+的物质。 [H3O+]愈大，酸性愈强。 • 碱：溶于水时结合水中的H+，使水溶液释放OH- 的物质。[OH-]愈大，碱性愈强。 • 纯水： [H3O+]=10-7，[OH-]= 10-7 • 任何水溶液在标准状况下， [H3O+]* [OH-]= 10-14 河北工业大学生物物理学

1.2.2 细胞中的非共价相互作用 • 共价键的强度是其他原子间引力的10-100倍，分子边界由共价键界定。 • 生物分子之间的相互结合多数依赖于非共价相互作用力：离子键、氢键、范德华力和疏水相互作用。 • 离子键：相反电性原子间纯静电相互作用。 • 无水时，离子键极强；但在水溶液中，正负离子（或偶极离子）分别被水分子包围，离子之间的引力大大削弱。河北工业大学生物物理学

氢键 • 氢和非共价结合原子间的极性相互作用形成氢键。河北工业大学生物物理学

范德华半径 范德华力 • 范德华力（van der Waals force）：原子周围电子云的波动形成一个不断变换的偶极，偶极子诱导临近原子瞬时形成相反的偶极，原子间的这种引力叫做范德华力。河北工业大学生物物理学

疏水相互作用 • 疏水相互作用（hydrophobic interaction）：疏水基团或分子出于避开水的需要而被迫接近的作用。河北工业大学生物物理学

1.2.3 细胞内的有机分子 糖脂肪酸氨基酸核苷酸河北工业大学生物物理学

单糖 • 单糖结构式(C6H12O6)n, n=3，4，5，6，7，8。 • 糖含有一些-OH，一个-CHO或-CO，可分子内成环；多个单糖可通过糖苷键形成多糖。河北工业大学生物物理学

脂肪酸 • 脂肪酸由烃链和羧基组成。 • 左图为棕榈酸。河北工业大学生物物理学

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脂肪酸的作用 • 脂肪酸是压缩的能量储存单元，1g脂肪酸能降解产生的能量相当于6g葡萄糖降解能。 • 三酰甘油是主要的储能形式，在动物中为肌肉、黄油和乳酪，植物为玉米油、橄榄油等。 • 三酰甘油可水解生成脂肪酸链。 • 脂肪酸最主要的功能是构成细胞膜，磷脂双分子层。河北工业大学生物物理学

1.3核酸分子的结构基础 • 1.3.1 核酸的结构单元 • 1.3.2 DNA的高级结构 • 1.3.3 RNA的高级结构河北工业大学生物物理学

1.3.1 核酸的结构单元 • 生命体的遗传信息都储存于核酸分子中。 • 核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 • DNA分子为线性双链，每条链均由四种单体A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鸟嘌呤）聚合而成。河北工业大学生物物理学

DNA分子结构 • DNA双链由核苷酸（nucleotide）单体组成，它包括三部分： • 磷酸基团(phosphate) • 脱氧核糖（deoxyribose) • 碱基（base）河北工业大学生物物理学

碱基：嘌呤和嘧啶 河北工业大学生物物理学

连接方式 • 每个糖基用磷酸基团和另外一个相连，形成重复的糖基-磷酸骨架，向内连有碱基。 • DNA合成是严格根据模板序列，按照碱基互补配对原则进行的，即A结合T，C结合G。 • 两条链彼此缠绕，形成双螺旋。河北工业大学生物物理学

核酸骨架结构 河北工业大学生物物理学

Watson-Crick Base Pairs 双键三键河北工业大学生物物理学

DNA and its building blocks 河北工业大学生物物理学

DNA复制 • 两条链之间的碱基通过氢键相连，弱于糖基和磷酸基团之间的共价键，所以DNA双链可以打开。 • DNA单链可以作为模板，来合成新的相同的DNA双链分子。河北工业大学生物物理学

RNA的结构 河北工业大学生物物理学

从DNA转录成RNA • 以一段DNA序列的其中一条链（模板链）为模板，按照碱基互补配对原则，重复地合成同样的RNA。河北工业大学生物物理学

RNA催化功能的发现 • In 1989, Sidney Altman and Thomas R. Cech shared the Nobel Prize in Chemistry for their discovery of catalytic properties of RNA. • Cech was studying the splicing of RNA in a • unicellular organism called Tetrahymena • Thermophila （四膜虫）. He found that the precursor RNA could splice in vitro in the absence of proteins. 2000 Nature America Inc. • http://structbio.nature.com 河北工业大学生物物理学

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