现代生物学导论 Lecture 03
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（此处，中文例子的计算不完全正确，目的是给大家一个概念。）
前沿
Mad2是一个纺锤体检验点关 键蛋白质，它可以在一定条件 下由打开的/open构象转变为 闭合的/closed构象。两种构象 的拓扑学完全不同，但是具有 相似的吉布斯自由能。
朊毒体（普里朊, Prion）是一类不含核酸而仅由蛋白质构成的可自我复制并具感染性的 亚病毒因子。普里朊与普通蛋白质不同，经120 ~ 130℃加热4小时，紫外线，离子照射， 甲醛消毒，并不能把这种传染因子杀灭，对蛋白酶有抗性，但不能抵抗蛋白质强变性剂， 如：苯酚、尿酸。 普里朊具体的活动和复制机制还不是很清楚，但是它们通常被认为是引起某些疾病的原 因，这一系列疾病是先前人们了解甚少的传染性海绵状脑病，这些脑病包括羊搔痒症和 牛海绵状脑病（疯牛病）。这些疾病对脑组织结构的影响都是致命的和不可医治的。 1960年，Tikvah Alper和John Stanley Griffith提出了感染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies）可能是由于只由蛋白质组成的感染因子所导致的。 加利福尼亚大学的斯坦利·B·布鲁辛纳（Stanley B. Prusiner）于1982年纯化了这种只由蛋 白质组成的感染因子，发现它是一种特殊的蛋白质。斯坦利提出“prion”这个词是来自 于“proteinaceous infectious”（蛋白质感染）的衍生词（-on的后缀是借用自病毒体—— viron）。斯坦利由于发现PrpSC（普里朊）和PrPC具有相同的一级结构（氨基酸序列）而 具有不同的二级和三级结构（构象），打破了以往蛋白质的一级结构决定高级结构（一 条序列一种结构）的定律，而获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。 普里朊没有引起免疫系统察觉的原因是，它们的“安全角式”从个体出生的一刻起就存 在于体内。“危险”普里朊与之的差别只是它们的折叠结构有差别。普里朊通过不断聚 合，形成自聚集纤维，然后在中枢神经细胞中堆积，最终破坏神经细胞。根据脑部受破 坏的区域不同，发病的症状也不同，如果感染小脑，则会引起运动机能的损害，导致共 济失调；如果感染大脑皮层，则会引起语言、记忆力及行为能力的下降。变异性克雅氏 病的致死率较高。
现代生物学导论 生物化学与分子生物学部分(III)
蛋白质(II), 核酸(I)
窦震 合肥微尺度物质科学国பைடு நூலகம்实验室
蛋白质构象：正确的生理功能的关键
大多数的蛋白质都自然折叠为一个特定的三维结构，这一特定结构被称为天然状态。 虽然多数蛋白可以通过本身氨基酸序列的性质进行自我折叠，但还是有许多蛋白质需 要分子伴侣的帮助来进行正确的折叠。在高温或极端pH条件下，大多数蛋白质会失去 它的天然状态，这一现象就称为变性。生物化学家常常用以下四个方面来表示蛋白质 的结构： 一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。 二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α 螺旋和β折叠。 三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维 结构，是单个蛋白质分子的整体形状。蛋白质的三级结构大都有一个疏水核心来稳定 结构，同时具有稳定作用的还有盐桥、氢键和二硫键等。常常可以用“折叠”一词来 表示“三级结构”。 四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物 分子的形态。
认识历程
19世纪中叶，法国科学家路易·巴斯德对蔗糖转化为酒精的发酵过程进行了研究，认为 在酵母细胞中存在一种活力物质，命名为“酵素”（ferment）。他提出发酵是这种活 力物质催化的结果，并认为活力物质只存在于生命体中，细胞破裂就会失去发酵作用。 1878年，德国生理学家威廉·屈内首次提出了酶（enzyme）这一概念。随后，酶被用于 专指胃蛋白酶等一类非活体物质，而酵素（ferment）则被用于指由活体细胞产生的催 化活性。 1897年，德国科学家爱德华·比希纳开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究，通过 在柏林洪堡大学所做的一系列实验最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。 他 将其中能够发挥发酵作用的酶命名为发酵酶（zymase）。 这一贡献打开了通向现代酶 学与现代生物化学的大门，其本人也因“发现无细胞发酵及相应的生化研究”而获得 了1907年的诺贝尔化学奖。 人们在认识到酶是一类不依赖于活体细胞的物质后，下一步工作就是鉴定其生化组成 成分。1926年，美国生物化学家詹姆斯·萨姆纳完成了一个决定性的实验。他首次从刀 豆得到尿素酶结晶，并证明了尿素酶的蛋白质本质。其后，萨姆纳在1931年在过氧化 氢酶的研究中再次证实了酶为蛋白质。 约翰·霍华德·诺思罗普和温德尔·梅雷迪思·斯坦利通过对胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，最终确认蛋白质可以是酶。以后陆续发现的两千余种 酶均证明酶的化学本质是蛋白质。以上三位科学家因此获得1946年度诺贝尔化学奖。
1969年提出的一个有关蛋白质折叠的佯谬／悖论。
利文索尔佯谬（Levinthal's paradox）是由美国分子生物学家 Cyrus Levinthal 在
它的一个常见的版本是：假定一个由100个氨基酸残基组成的蛋白质，其每个氨基酸 残基有2种构象，那么该蛋白质的总构象数目即： 2100=1.27×1030。再假定此蛋白质 在寻找总能量最低的构象状态时每尝试一次构象耗时10-13 ，则将所有构象都尝试过 一遍的所需时间将是：4×109年，而如此长的折叠时间显然是不现实也是错误的。 此佯谬表明蛋白质折叠遵循特异性途径，或者其过程中只尝试有限数目的构象。 For example, a polypeptide of 100 residues will have 99 peptide bonds, and therefore 198 different phi and psi bond angles. If each of these bond angles can be in one of three stable conformations, the protein may misfold into a maximum of 3198 different conformations (including any possible folding redundancy). Therefore if a protein were to attain its correctly folded configuration by sequentially sampling all the possible conformations, it would require a time longer than the age of the universe to arrive at its correct native conformation. This is true even if conformations are sampled at rapid (nanosecond or picosecond) rates. The "paradox" is that most small proteins fold spontaneously on a millisecond or even microsecond time scale.
前沿 PrPC
PrPSC
PrPSC
PrP: Prion Protein; PrPC =Cellular PrP, 正常的, 单体; PrPSC =scrapie PrP, 致病的, 羊搔痒症, 聚集体 The prion protein has two conformers (构象异构体): the normal monomeric cellular prion protein (PrPC) and the stable amyloid aggregates (淀粉状聚集体) of misfolded prion (PrPSc).
细胞色素c的NMR溶液结构，显示了蛋白质的动态结构。
安芬森法则
Christian B. Anfinsen in 1969
Anfinsen's dogma (also known as the thermodynamic hypothesis) is a postulate in molecular biology championed by the Nobel Prize Laureate Christian B. Anfinsen. The dogma states that, at least for small globular proteins, the native structure is determined only by the protein's amino acid sequence. This amounts to say that, at the environmental conditions (temperature, solvent concentration and composition, etc.) at which folding occurs, the native structure is a unique, stable and kinetically accessible minimum of the free energy. 对于球状蛋白质来说, 蛋白质的天然结构由蛋白质的氨基酸序列所决定。在蛋白质折叠 的环境条件下，天然结构是唯一的、稳定的并且具有最低的吉布斯Gibbs自由能。
蛋白质并不完全是刚性分子。许多蛋白质在执行生物学功能时可以在多个相关结构中 相互转换。在进行功能型结构重排时，这些相关的三级或四级结构通常被定义为不同 “构象”，而这些结构之间的转换就被称为“构象变换”。例如，酶的构象变换常常 是由底物结合到活性位点所导致。在溶液中，所有的蛋白质都会发生结构上的动态变 化，主要表现为热振动和与其他分子之间碰撞所导致的运动。 蛋白质可以由三级结构的不同大致分为三个主要类别：球蛋白、纤维蛋白和膜蛋白。 几乎所有的球蛋白都是水溶性的，许多酶都是球蛋白；纤维蛋白多为结构蛋白；膜蛋 白常常作为受体或分子通道，是细胞与外界联系的重要介质。 要了解特定蛋白质的功能，获得其三级结构或四级结构可以提供重要的结构信息。目 前用于蛋白质的原子分辨率结构测定的方法主要是X射线晶体学和NMR光谱学。冷冻 电子显微学也可以提供超大蛋白质复合物（如病毒、核糖体等）的低分辨率结构信息。
酶（酵素，Enzyme）指具有生物催化功能的高分子物质。在酶的催化反应体
系中，反应物分子被称为底物，底物通过酶的催化转化为另一种分子。几乎所有的细 胞活动进程都需要酶的参与，以提高效率。与其他非生物催化剂相似，酶通过降低化 学反应的活化能（用Ea或ΔG‡表示）来加快反应速率，大多数的酶可以将其催化的反 应之速率提高上百万倍；同样，酶作为催化剂，本身在反应过程中不被消耗，也不影 响反应的化学平衡。与其他非生物催化剂不同的是，酶具有高度的专一性，只催化特 定的反应或产生特定的构型。目前已知的可以被酶催化的反应有约4000种。 虽然酶大多是蛋白质，但少数具有生物催化功能的分子并非为蛋白质，有一些被称为 核酶的RNA分子和一些DNA分子同样具有催化功能。此外，通过人工合成所谓人工酶 也具有与酶类似的催化活性。有人认为酶应定义为具有催化功能的生物大分子，即生 物催化剂，则该定义中酶包含具有催化功能的蛋白质和核酶。 酶的催化活性可以受其他分子影响：抑制剂是可以降低酶活性的分子；激活剂则是可 以增加酶活性的分子。有许多药物和毒药就是酶的抑制剂。酶的活性还可以被温度、 化学环境（如pH值）、底物浓度等许多因素所影响。 酶在工业和人们的日常生活中的应用也非常广泛。例如，药厂用特定的合成酶来合成 抗生素；加酶洗衣粉通过分解蛋白质和脂肪来帮助除去衣物上的污渍和油渍。
前沿
Mad2是一个纺锤体检验点关 键蛋白质，它可以在一定条件 下由打开的/open构象转变为 闭合的/closed构象。两种构象 的拓扑学完全不同，但是具有 相似的吉布斯自由能。
朊毒体（普里朊, Prion）是一类不含核酸而仅由蛋白质构成的可自我复制并具感染性的 亚病毒因子。普里朊与普通蛋白质不同，经120 ~ 130℃加热4小时，紫外线，离子照射， 甲醛消毒，并不能把这种传染因子杀灭，对蛋白酶有抗性，但不能抵抗蛋白质强变性剂， 如：苯酚、尿酸。 普里朊具体的活动和复制机制还不是很清楚，但是它们通常被认为是引起某些疾病的原 因，这一系列疾病是先前人们了解甚少的传染性海绵状脑病，这些脑病包括羊搔痒症和 牛海绵状脑病（疯牛病）。这些疾病对脑组织结构的影响都是致命的和不可医治的。 1960年，Tikvah Alper和John Stanley Griffith提出了感染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies）可能是由于只由蛋白质组成的感染因子所导致的。 加利福尼亚大学的斯坦利·B·布鲁辛纳（Stanley B. Prusiner）于1982年纯化了这种只由蛋 白质组成的感染因子，发现它是一种特殊的蛋白质。斯坦利提出“prion”这个词是来自 于“proteinaceous infectious”（蛋白质感染）的衍生词（-on的后缀是借用自病毒体—— viron）。斯坦利由于发现PrpSC（普里朊）和PrPC具有相同的一级结构（氨基酸序列）而 具有不同的二级和三级结构（构象），打破了以往蛋白质的一级结构决定高级结构（一 条序列一种结构）的定律，而获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。 普里朊没有引起免疫系统察觉的原因是，它们的“安全角式”从个体出生的一刻起就存 在于体内。“危险”普里朊与之的差别只是它们的折叠结构有差别。普里朊通过不断聚 合，形成自聚集纤维，然后在中枢神经细胞中堆积，最终破坏神经细胞。根据脑部受破 坏的区域不同，发病的症状也不同，如果感染小脑，则会引起运动机能的损害，导致共 济失调；如果感染大脑皮层，则会引起语言、记忆力及行为能力的下降。变异性克雅氏 病的致死率较高。
现代生物学导论 生物化学与分子生物学部分(III)
蛋白质(II), 核酸(I)
窦震 合肥微尺度物质科学国பைடு நூலகம்实验室
蛋白质构象：正确的生理功能的关键
大多数的蛋白质都自然折叠为一个特定的三维结构，这一特定结构被称为天然状态。 虽然多数蛋白可以通过本身氨基酸序列的性质进行自我折叠，但还是有许多蛋白质需 要分子伴侣的帮助来进行正确的折叠。在高温或极端pH条件下，大多数蛋白质会失去 它的天然状态，这一现象就称为变性。生物化学家常常用以下四个方面来表示蛋白质 的结构： 一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。 二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α 螺旋和β折叠。 三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维 结构，是单个蛋白质分子的整体形状。蛋白质的三级结构大都有一个疏水核心来稳定 结构，同时具有稳定作用的还有盐桥、氢键和二硫键等。常常可以用“折叠”一词来 表示“三级结构”。 四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物 分子的形态。
认识历程
19世纪中叶，法国科学家路易·巴斯德对蔗糖转化为酒精的发酵过程进行了研究，认为 在酵母细胞中存在一种活力物质，命名为“酵素”（ferment）。他提出发酵是这种活 力物质催化的结果，并认为活力物质只存在于生命体中，细胞破裂就会失去发酵作用。 1878年，德国生理学家威廉·屈内首次提出了酶（enzyme）这一概念。随后，酶被用于 专指胃蛋白酶等一类非活体物质，而酵素（ferment）则被用于指由活体细胞产生的催 化活性。 1897年，德国科学家爱德华·比希纳开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究，通过 在柏林洪堡大学所做的一系列实验最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。 他 将其中能够发挥发酵作用的酶命名为发酵酶（zymase）。 这一贡献打开了通向现代酶 学与现代生物化学的大门，其本人也因“发现无细胞发酵及相应的生化研究”而获得 了1907年的诺贝尔化学奖。 人们在认识到酶是一类不依赖于活体细胞的物质后，下一步工作就是鉴定其生化组成 成分。1926年，美国生物化学家詹姆斯·萨姆纳完成了一个决定性的实验。他首次从刀 豆得到尿素酶结晶，并证明了尿素酶的蛋白质本质。其后，萨姆纳在1931年在过氧化 氢酶的研究中再次证实了酶为蛋白质。 约翰·霍华德·诺思罗普和温德尔·梅雷迪思·斯坦利通过对胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，最终确认蛋白质可以是酶。以后陆续发现的两千余种 酶均证明酶的化学本质是蛋白质。以上三位科学家因此获得1946年度诺贝尔化学奖。
1969年提出的一个有关蛋白质折叠的佯谬／悖论。
利文索尔佯谬（Levinthal's paradox）是由美国分子生物学家 Cyrus Levinthal 在
它的一个常见的版本是：假定一个由100个氨基酸残基组成的蛋白质，其每个氨基酸 残基有2种构象，那么该蛋白质的总构象数目即： 2100=1.27×1030。再假定此蛋白质 在寻找总能量最低的构象状态时每尝试一次构象耗时10-13 ，则将所有构象都尝试过 一遍的所需时间将是：4×109年，而如此长的折叠时间显然是不现实也是错误的。 此佯谬表明蛋白质折叠遵循特异性途径，或者其过程中只尝试有限数目的构象。 For example, a polypeptide of 100 residues will have 99 peptide bonds, and therefore 198 different phi and psi bond angles. If each of these bond angles can be in one of three stable conformations, the protein may misfold into a maximum of 3198 different conformations (including any possible folding redundancy). Therefore if a protein were to attain its correctly folded configuration by sequentially sampling all the possible conformations, it would require a time longer than the age of the universe to arrive at its correct native conformation. This is true even if conformations are sampled at rapid (nanosecond or picosecond) rates. The "paradox" is that most small proteins fold spontaneously on a millisecond or even microsecond time scale.
前沿 PrPC
PrPSC
PrPSC
PrP: Prion Protein; PrPC =Cellular PrP, 正常的, 单体; PrPSC =scrapie PrP, 致病的, 羊搔痒症, 聚集体 The prion protein has two conformers (构象异构体): the normal monomeric cellular prion protein (PrPC) and the stable amyloid aggregates (淀粉状聚集体) of misfolded prion (PrPSc).
细胞色素c的NMR溶液结构，显示了蛋白质的动态结构。
安芬森法则
Christian B. Anfinsen in 1969
Anfinsen's dogma (also known as the thermodynamic hypothesis) is a postulate in molecular biology championed by the Nobel Prize Laureate Christian B. Anfinsen. The dogma states that, at least for small globular proteins, the native structure is determined only by the protein's amino acid sequence. This amounts to say that, at the environmental conditions (temperature, solvent concentration and composition, etc.) at which folding occurs, the native structure is a unique, stable and kinetically accessible minimum of the free energy. 对于球状蛋白质来说, 蛋白质的天然结构由蛋白质的氨基酸序列所决定。在蛋白质折叠 的环境条件下，天然结构是唯一的、稳定的并且具有最低的吉布斯Gibbs自由能。
蛋白质并不完全是刚性分子。许多蛋白质在执行生物学功能时可以在多个相关结构中 相互转换。在进行功能型结构重排时，这些相关的三级或四级结构通常被定义为不同 “构象”，而这些结构之间的转换就被称为“构象变换”。例如，酶的构象变换常常 是由底物结合到活性位点所导致。在溶液中，所有的蛋白质都会发生结构上的动态变 化，主要表现为热振动和与其他分子之间碰撞所导致的运动。 蛋白质可以由三级结构的不同大致分为三个主要类别：球蛋白、纤维蛋白和膜蛋白。 几乎所有的球蛋白都是水溶性的，许多酶都是球蛋白；纤维蛋白多为结构蛋白；膜蛋 白常常作为受体或分子通道，是细胞与外界联系的重要介质。 要了解特定蛋白质的功能，获得其三级结构或四级结构可以提供重要的结构信息。目 前用于蛋白质的原子分辨率结构测定的方法主要是X射线晶体学和NMR光谱学。冷冻 电子显微学也可以提供超大蛋白质复合物（如病毒、核糖体等）的低分辨率结构信息。
酶（酵素，Enzyme）指具有生物催化功能的高分子物质。在酶的催化反应体
系中，反应物分子被称为底物，底物通过酶的催化转化为另一种分子。几乎所有的细 胞活动进程都需要酶的参与，以提高效率。与其他非生物催化剂相似，酶通过降低化 学反应的活化能（用Ea或ΔG‡表示）来加快反应速率，大多数的酶可以将其催化的反 应之速率提高上百万倍；同样，酶作为催化剂，本身在反应过程中不被消耗，也不影 响反应的化学平衡。与其他非生物催化剂不同的是，酶具有高度的专一性，只催化特 定的反应或产生特定的构型。目前已知的可以被酶催化的反应有约4000种。 虽然酶大多是蛋白质，但少数具有生物催化功能的分子并非为蛋白质，有一些被称为 核酶的RNA分子和一些DNA分子同样具有催化功能。此外，通过人工合成所谓人工酶 也具有与酶类似的催化活性。有人认为酶应定义为具有催化功能的生物大分子，即生 物催化剂，则该定义中酶包含具有催化功能的蛋白质和核酶。 酶的催化活性可以受其他分子影响：抑制剂是可以降低酶活性的分子；激活剂则是可 以增加酶活性的分子。有许多药物和毒药就是酶的抑制剂。酶的活性还可以被温度、 化学环境（如pH值）、底物浓度等许多因素所影响。 酶在工业和人们的日常生活中的应用也非常广泛。例如，药厂用特定的合成酶来合成 抗生素；加酶洗衣粉通过分解蛋白质和脂肪来帮助除去衣物上的污渍和油渍。