医学分子生物学 医学分子生物学

扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosionadhesion model)
• 折叠起始于几个位点，形成不稳定二级结构单元 • 以非特异性布朗运动方式扩散、碰撞、相互黏附
，生成较大的结构域 • 形成疏水核心和二级结构的球形中间体 • 调整为致密的、无活性的、类似天然结构的、高
度有序的熔球态结构 • 无活力的熔球态转变为天然态
NH 3 COO
亮氨酸 Leucine (Leu)
H2N CH
H2C
CH2
C H2
异亮氨酸 Isoleucine (Ile)
苯丙氨酸 Phenylalanine
(Phe)
脯氨酸 Proline (Pro)
C CH2 CH N H
CH COO NH 3
HO CH2 CH COO
NH 3
色氨酸
CH3SCH2CH2 CH COO
形成α-螺旋的起始阶段是个慢过程。
4.单个结构域作为独立单位进行折叠
较大的蛋白质有多个结构域，每个结构 域是独立的结构单位，可作为独立单位进 行折叠。
（二）细胞内特殊环境影响蛋白质折叠
• 细胞内大分子拥挤效应影响多肽链的折叠 • 温度和pH影响多肽链的折叠 • 金属离子配位效应影响蛋白质的天然构象
1.细胞内大分子拥挤效应影响多肽链折叠
大分子拥挤效应产生的原因： • 细胞内蛋白质总浓度高达200-300g/L； • 胞质中蛋白质浓度随着细胞周期变化出现上调和
下调； • 大分子不可穿透性使实际可用空间减小；
生物大分子占据了细胞的大部分体积，产生“ 大分子拥挤效应”，影响新生肽链的折叠过程。
2.温度和pH影响多肽链的折叠
第一节 蛋白质分子的折叠
蛋白质分子的折叠
概念：
重要
从一条伸展无序的多肽链折叠成具有
正确空间结构的蛋白质分子的过程，称为
蛋白质的折叠（protein folding)。
一、蛋白质折叠的机制体现了 热力学和动力学的统一
牛胰核糖核酸酶体外变性-复性实验
变性
复性
蛋白质体外折叠机制与“自组装” 热力学假说
NH 3
谷氨酰胺 Glutamine
(Βιβλιοθήκη Baiduln)
HS CH2 CH COO 半胱氨酸
NH 3
Cysteine (Cys)
H3C CH CH COO
苏氨酸 Threonine
HO NH3
(Thr)
C CH2 CH N H
CH COO NH 3
HO CH2 CH COO
NH 3
色氨酸
CH3SCH2CH2 CH COO
医学分子生物学
生命科学是研究生命现象和生命活动规律的 综合性学科
研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之 间及生物与环境之间相互关系。
前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、 发育生物学和神经生物学。而分子生物学是生命 科学的前沿。
生命科学的发展过程
整体水平
细胞水平
分子水平
从整体水平到分子水平示意图
NH 3
谷氨酰胺 Glutamine
(Gln)
HS CH2 CH COO 半胱氨酸
NH 3
Cysteine (Cys)
H3C CH
CH COO
苏氨酸 Threonine
HO NH3
(Thr)
• R groups are polar: -OH, -SH, and -NH2.
NH2CH2CH2CH2CH2 CH COO NH 3
H
H3C
H3C CH
H3C H3C
CH CH2 H3C
CH COO NH 3
CH COO NH 3
CH COO NH 3
CH COO NH 3
甘氨酸 Glycine(Gly)
丙氨酸 Alanine (Ala)
H3C CH2 CH
H3C
CH COO NH 3
CH2 CH COO
缬氨酸 Valine (Val)
2. 田余祥 秦宜德主编《医学分子生物学 》(供长 学制学生和研究生用) 科学出版社 (2013)
主要内容1
一、蛋白质 • 蛋白质分子的折叠和定位 • 蛋白质的修饰与降解 • 蛋白质相互作用 • 蛋白组学
主要内容2
二、基因组与基因表达 • 基因组、基因组学与转录组学 • 基因组复制及DNA损失伤与修复 • 基因表达的表观遗传调控 • 真核生物基因表达的转录调控 • 非编码RNA与基因表达及其调控
• 天然蛋白质多肽链可以在体外复性； • 天然蛋白质在生物学环境中处于热力学最
稳定的状态；
• 多肽链的氨基酸序列包含了可以形成热力 学意义上稳定的天然构象所必需的全部信 息。
• Anfinsen 的“自组装”热力学假说得到 了许多体外实验的支持，一些小分子量蛋 白质在体外可进行可逆的变性和复性。
• 该假说发展成“蛋白质一级结构决定高 级结构”的著名论断，并荣获1972年诺贝 尔化学奖。
• 二级结构靠近形成稳定的二级结构框架； • 二级结构框架相互拼接，肽链紧缩，形成三级结
构。
快速疏水垮塌模型（rapid hydrophobic collapse model)
• 疏水侧链基团引导多肽链快速折叠，使蛋白质处 于既不是完全的折叠状态，也不是完全的非折叠 状态。
• 在形成二级结构和三级结构之前发生很快的非特 异性的疏水塌缩，再进一步折叠成天然构象。
• 蛋白质折叠遵循从高能态向低能态转变的的热力 学理论；
• 蛋白质折叠中存在着某种能级势垒（energy barrier ），阻碍蛋白质形成最稳定的空间构象。 从而使得蛋白质结构处在某种亚稳态，受到了动 力学的控制。
蛋白质折叠示意图
J1
Ji
U
I1
…
Ii
N
A1
Ai
U 非折叠多肽链; Ⅰ折叠中间态；A有序聚集多肽链(不可逆)
adhesion model) • 动力学模型（kinetic model) • 格点模型（ HP model)
成核-快速生长模型（Nucleation-rapid growth model）
• 多肽链开始折叠时先在某一区域形成许多“折叠 晶核”。
• 晶核由特定氨基酸残基形成接近天然状态相互作 用的结构。
• 二维格点模型：在平面中产生正交的单位长度的 网格。每个氨基酸分子按在序列中的先后顺序依 次放置到这些网格交叉点上，如果出现所要放置 的氨基酸分子没有位置，说明该构型是不合理的， 需要重新放置。
• 三维格点模型：是在三维空间产生的单位长度的 立体网格。
三、蛋白质体内折叠同时受到 内在因素和外部条件制约
蛋白质体外折叠模型
• 成核-快速生长模型（Nucleation-rapid growth model）
• 拼图模型（jip-saw puzzle model) • 框架模型（framework model) • 快速疏水垮塌模型（rapid hydrophobic collapse
model) • 扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion-
（一）氨基酸侧链及二级结构是影响蛋白质 折叠的内在因素
• 氨基酸侧链影响二级结构有一定的倾向性
• 二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化 • 形成α-螺旋的起始阶段是慢反应 • 单个结构域作为独立单位进行折叠
1.氨基酸侧链影响二级结构 有一定的倾向性
氨基酸侧链大小、极性、疏水性、亲水 性等影响二级结构的形成，进而影响蛋白 质空间结构和稳定性。
蛋白质的生物学功能
1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递
蛋白质分子结构
一级结构(primary structure)
二级结构(secondary structure)
高级结构
三级结构(tertiary structure)
• 以晶核为核心向两侧扩大，使得整个肽链迅速折 叠成为天然构象。
拼图模型（jip-saw puzzle model)
• 多肽链可沿多条不同途径进行折叠，最终形成天 然构象。
• 外界环境变化或突变可能会给单一折叠造成较大 的影响，对其他途径影响不大。
框架模型（framework model)
• 多肽链折叠起始先迅速形成不稳定的二级结构单 元；
主要内容3
三、基本生命活动的分子调控 • 细胞增殖的分子调控 • 细胞分化的分子调控 • 细胞凋亡的分子调控 • 代谢的分子调控
主要内容4
四、分子医学 • 基因和基因组异常与疾病 • 蛋白质分子异常与疾病 • 代谢异常与疾病 • 癌基因和抑癌基因异常与疾病 • 基因工程与基因工程药物
第一部分 蛋白质分子的折叠和定位
Tryptophan ((TTrrpy))
NH 3
丝氨酸
H2N C CH2 CH COO
Serine (Ser)
O
NH 3
蛋氨酸 Methionine
(Met)
天冬酰胺 Asparagine
(Asn)
HO
CH2 CH COO 酪氨酸 H2N C CH2 CH2 CH COO
NH 3
Tyrosine (Tyr) O
Tryptophan (Try)
NH 3
丝氨酸
H2N C CH2 CH COO
Serine (Ser)
O
NH 3
蛋氨酸 Methionine
(Met)
天冬酰胺 Asparagine
(Asn)
HO
CH2 CH COO 酪氨酸 H2N C CH2 CH2 CH COO
NH 3
Tyrosine (Tyr) O
一些蛋白折叠“自组装”假说不能解释的 现象。有些蛋白变性-复性并非完全可逆；蛋 白质变性与复性是在不同条件下进行的，不 符合热力学准静态标准。
Levinthal推断蛋白质折叠不可能是完全 随机和反复尝试所有可能的构象直到找到自 由能最低构象的过程，由此引出蛋白质折叠 动力学学说。
蛋白质折叠也是一个动力学控制的过程
或 空间构象
四级结构(quaternary structure) (conformation)
• 蛋白质怎样形成正确的空间构象？ • 如果出现错误的折叠，如何纠正？ • 蛋白质如何被运输到细胞的特定部位？
蛋白质分子的折叠和定位
研究意义： 揭示蛋白质的生物学功能、认识疾病的
发病机制、 设计特异的蛋白质、工业化制 备功能蛋白质等方面具有重要的学术和社 会意义。
2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反 异构化与蛋白质的折叠
• 蛋白质二硫键异构酶催化二硫键的形成是 蛋白质折叠的限速酶。
• 脯氨酸（环状氨基酸）缺少酰胺质子（-NH ），脯氨酸顺反异构化抑制蛋白质的折叠 。
3.形成α-螺旋的起始阶段与蛋白质折叠
在α-螺旋形成初始阶段，新生肽链处 在一个无序的状态下，在间隔3个氨基酸的 两个残基之间形成氢键是一个慢反应。一 旦α-螺旋形成，将从这个有序的α-螺旋 区域迅速扩张。
分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命的 本质、生命活动及其规律的科学。 医学分子生物学:从分子水平研究人体在正常和 疾病状态下生命活动及其规律的科学。主要研究 人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相 互作用及其同疾病发生、发展的关系。
参考书
1. 周春燕 冯作化主编《医学分子生物学 》(供研 究生用) 人民卫生出版社 (2014)
OOC CH2 CH2 CH COO
NH 3
谷氨酸 Glutamic acid (Glu)
• 疏水性氨基酸残基：仅参与范德华相互作用 • 亲水性氨基酸残基：与肽链主链，其他氨基酸
残基侧链，极性有机分子和水分子形成氢键。 • 丙氨酸、亮氨酸：容易形成α-螺旋 • 脯氨酸：很少出现在α-螺旋 • 苯丙氨酸：芳香侧链参与弱的极性相互作用
J无序聚集多肽链(可逆)；
N天然构象多肽链
• 蛋白质复性不可单一解释为热力学或动力学过 程，两者在多肽链折叠反应中的作用是统一的。
• 结构简单小蛋白质，折叠过程相对简单，在热 力学控制下能进行可逆的变性和复性。
• 结构复杂的蛋白质，总体受热力学控制，但折 叠途径受到动力学控制。
二、不同模型从不同视角描述了 蛋白质的折叠过程
赖氨酸 Lysine (Lys)
NH2CNHCH 2CH2CH2 CH COO
NH
NH 3
精氨酸 Arginine (Arg)
HC C CH2 CH COO
N NH
NH 3
C H
组氨酸 Histidine (His)
OOC CH2 CH COO
NH 3
天冬氨酸 Aspartic acid (Asp)
动力学模型（kinetic model)
• 起始阶段与“拼图模型”类似，多肽链沿多条途 径迅速形成一些具有局部结构的中间体；
• 中间阶段与“成核-快速生长模型”的快速生长阶 段类似，在局部结构基础上快速折叠，形成具有 较多天然结构的中间体；
• 最后阶段是中间体向天然构象的转变。
格点模型（ HP model)