细胞生物学/细胞的分子基础

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细胞的概念与分子基础 - 细胞的基本概念 - 细胞的分子基础 - 细胞的起源与进化
组成细胞的物质称为原生质(protoplasm) , 不同细胞的原生质在化学成分上虽有差异,但其化学元素基本相同。原生质的化学元素有50多种,其中主要的是C、H、0、N四种元素,约占90%, 其次为S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe等元素,这12种元素约占细胞总量的99.9%以上。此外,在细胞中还含有数量极少的微量元素,如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、C1、Si、F、Br、I、Li、Ba等。这些元素并非单独存在,而是相互结合,以无机化合物和有机化合物形式存在于细胞中。有机化合物为有机小分子和生物大分子,是组成细胞的基本成分。

生物小分子[编辑]

细胞内有无机化合物和有机化合物两类生物小分子。

水和无机盐是细胞内的无机化合物[编辑]

无机化合物包括水和无机盐。水是细胞中含蜇最多的一种成分,是良好的溶剂,细胞内各种代谢反应都是在水溶液中进行的。细胞中的水除以游离形式存在之外,还能以氢键与蛋白质分子结合,成 为结合水,构成细胞结构的组成部分。无机盐在细胞中均以离子状态存在,阳离子如Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+等,阴离子有Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-等。这些无机离子中,有的游离于水中,维持细胞内外液的渗透压和pH,保障细胞的正常生理活动;有的直接与蛋白质或脂类结合,组成具有特定功能的结合蛋白(如血红蛋白)或类脂(如磷脂)。

有机小分子是组成生物大分子的亚单位[编辑]

有机小分子是分子量在100~1000范围内的碳化合物,分子中的碳原子可多达30个左右。细胞中含有4种主要的有机小分子:单糖(monosaccharide)、 脂肪酸(fatty acid)、氨基酸(amino acid )和核苷酸(nucleotide)。糖主要由碳、氢、氧三种元素组成,其化学组成为(CH2O)n, 其中n通常等于3、4、5、6或7,故又称碳水化合物(carbohydrate), 是细胞多糖的亚基和能源的主要来源化合物;脂肪酸分子由两个不同的部分组成,一端是疏水性的长烃链,另一端是亲水性的羧基(—COOH),其衍生物如磷脂由一个以2条脂肪酸链组成的疏水的尾和一个亲水性的头组成,它们是细胞膜的组分;氨基酸是一类多样化的分子,但均有一个共同的特点,都有一个羧基和一个氨基,两者均与一个α碳原子连接,它们是蛋白质的亚基;核苷酸分子由一个含氮环的化合物与一个五碳糖(戊糖)相连而成,该戊糖是含有多个磷酸基团的核糖或脱氧核糖,核苷酸是核酸的亚基。

生物大分子[编辑]

生物大分子是由有机小分子构成的,细胞的大部分物质是大分子,大约有数万种生物大分子,分子量从10 000到1 000 000不等。细胞内大分子由小分子组装而成,分子变大,具有与小分子截然不同的生物学特性。细胞内主要的大分子有核酸、蛋白质、多糖和脂肪,其分子结构复杂,在细胞内各自执行独特的功能。

核酸携带遗传信息[编辑]

核酸(nucleic acid)是生物遗传的物质基础,目前已知的所有生物体,包括病毒、细菌、真菌、植物、动物及人体细胞中均含有核酸。核酸是生物的生长、发育、繁殖、遗传和变异的基础。细胞内的核酸分为核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)两大类。其中DNA携带着控制细胞生命活动的全部遗传信息,RNA则参与遗传信息的表达。
1、核酸的化学组成 核酸分子由几十个乃至几百万个单核甘酸聚合而成,因此核苷酸是核酸的基本组成单位。核苷酸由戊糖、碱基(含氮有机碱)和磷酸三部分组成。戊糖有两种,即D-核糖和D-2-脱氧核糖。碱基也有两类:嘌呤和嘧啶。嘌呤有腺嘌呤(adenine, A)和鸟嗦呤(guanine, G) ;嘧啶有胞嘧啶(cytosine, C)、胸腺嘧啶(thymine, T) 和尿嘧啶(uracil, U)。除此之外,在DNA和RNA分子中还发现有一些修饰碱基,即在碱基的某些位置附加或取代某些基团,如6-甲基嘌呤、5-甲基胞嘧啶和5-羟基胞嘧啶等,因它们的含量很少,又称稀有碱基。绝大部分稀有碱基分布在 RNA分子上。
核苷酸的产生过程是首先形成核苷。核昔由碱基与核糖或脱氧核糖缩合而成。核糖的第1位碳原子与嘧啶第1位氮原子或与嘌呤第9位氮原子形成N—C键,即糖苷键。由于核糖有两种,因此核苷又分为核糖核苷(简称核苷)及脱氧核糖核苷(简称脱氧核苷)。核苷的戊糖羟基与磷酸形成酯键,即成为核苷酸。一般生物体内存在的大多是5'-核昔酸,即磷酸与核糖第5位上羟基形成酯键,如腺苷酸(AMP)、鸟苷酸(GMP)、胞苷酸(CMP)、尿苷酸(UMP),以及脱氧腺苷酸(dAMP)、脱氧鸟苷酸(dGMP)、脱氧胞苷酸(dCMP)、脱氧胸苷酸(dTMP)。此外,有时磷酸可同时与核苷上2个羟基形成酯键,这就形成了环化核苷酸。常见的有3',5'-环化腺苷酸(3',5'-cyclic adenylic acid, cAMP)和3',5'-环化鸟苷酸(3',5'-cyclicguanylic acid, cGMP)。
核酸由大量的单核苷酸聚合而成,单核苷酸间的连接方式为:一个核苷酸中戊糖的5'碳原子上连接的磷酸基以酯键与另一个核甘酸戊糖的3'碳原子相连,而后者戊糖的5'碳原子上的磷酸基又以酯键再与另一个核苷酸戊糖的3'碳原子相连,由此通过3'、5'磷酸二酯键重复相连而形成的多聚核苷酸链即为核酸。从化学组成上看,DNA可视为由脱氧核苷酸线性排列组成,由于各种脱氧核苷酸中脱氧核糖和磷酸都是相同的,只有碱基是不同的,因此,可用碱基的排列顺序来代表DNA 的脱氧核苷酸组成顺序。DNA分子中的脱氧核苷酸或碱基的排列顺序也称DNA的一级结构。RNA则由核糖核苷酸线性排列组成。
2、DNA 20世纪50年代初,有关DNA样品的X-射线衍射分析结果提示,DNA分子是由两条链组成的螺旋状多聚体。对来源于不同生物细胞的DNA分子的碱基含量进行分析,证明[A]=[T],[C]=[G]([ ]表示摩尔浓度)。1953年Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋结构模型, 该模型认为,DNA分子由两条相互平行而方向相反的多核苷酸链组成,即一条链中磷酸二酯键连接的核苷酸方向是5'→3', 另一条是3'→5',两条链围绕着同一个中心轴以右手方向盘绕成双螺旋结构。螺旋的主链由位于外侧的间隔相连的脱氧核糖和磷酸组成,双螺旋的内侧由碱基构成,即一条链上的A通过两个氢键与另一条链上的T相连,一条链上的G通过三个氢键与另一条链上的C相连,或者说A总是与T配对,G总是与C配对,这种碱基间的配对方式称为碱基互补原则。螺旋内每一对碱基均位于同一平面上,并且垂直于螺旋纵轴,相邻碱基对之间距离为0.34nm , 双螺旋螺距为3.4nm。构成DNA分子的两条链称为互补链。由于组成DNA的两条链是互补的,即A=T、C≡G,因此,如果知道一条链中的碱基排列顺序,依据碱基互补原则,便可知道另一条链上的碱基排列顺序。
DNA的双螺旋结构易受环境因素特别是湿度所影响,在低湿度时呈A型,高湿度时呈B型,分别称为A-DNA和B-DNA,其中B-DNA即Waston和Crick描述的DNA双螺旋结构。A-DNA所形成的右手螺旋与B-DNA不同,比B-DNA较大而且较平。此外,还有人发现呈左手螺旋的DNA,称为Z-DNA。
DNA的主要功能是储存、复制和传递遗传信息。在组成DNA分子的线性核苷酸序列中蕴藏着大量的遗传信息。虽然DNA分子中只有四种核苷酸,但核苷酸的数量却非常巨大,并可随机排列,这就决定了DNA分子的复杂性和多样性。如果一个DNA分子由n个核苷酸组成,则其可能的排列顺序为4n。如此多的排列顺序展示了遗传信息的多样性,即生物种类的多样性。
细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质称为基因组,它是所有染色体上全部基因和基因间 的DNA的总和。迄今包括人类在内的多个生物的DNA序列分析已经完成,人类基因组DNA含有的碱基数为2.91×l06~3.2×l06kb(3×l09bp), 其中: (A+T)和(G+C)分别占54%和38%;编码蛋白质序列(外显子)占DNA的l.1%~1.4%, 内含子序列占24%,基因间序列占75%;基因的数目约2万~3万个,每个基因的长度平均为2~30kb, 其中功能未知的占60%以上;DNA中含有大量的重复序列,约占50%以上;每个人约有0.1%的核苷酸差异。
DNA分子中所携带的遗传信息传递给后代细胞靠DNA复制来实现,DNA双螺旋结构模型很好地解释了这一信息传递过程的普遍机制。组成双螺旋DNA的两条链是互补的,每一条链都含有与其互补链精确配对的碱基序列,因此,两条链中的每一条都可以携带相同的信息。DNA复制从两条互补的DNA链局部分离(分叉)开始,以每条链为模板,在DNA聚合酶作用下将脱氧核糖核昔酸加在 DNA链的3'末端,所加上去的核昔酸是与模板链上的碱基互补的,从而产生与模板链序列互补的 DNA子链。如此,可将遗传信息全盘复制出来,最终形成完整的DNA分子。新形成的双链DNA分子 在核苷酸或碱基序列上与充当模板的亲代DNA分子完全相同,由于每条亲代DNA单链成为子代DNA双链中的一条链,故称为DNA半保留复制(semiconservative replication)。
DNA分子所携带的遗传信息的流向是先形成RNA,这种以DNA为模板合成RNA的过程称为转录(transcription)。DNA转录和DNA复制不同,它以一条链的特定部分为模板合成一条互补的RNA 链,在RNA合成之后,DNA重新形成双螺旋结构,并释放出RNA分子,然后,形成的RNA被翻译成体现遗传信息的蛋白质,后者决定细胞的生物学行为。
近些年研究发现,不依赖于DNA序列(碱基排列顺序)的遗传信息,如DNA甲基化、组蛋白修饰等也可遗传给子代即表观遗传,这使基因组信息更加复杂,为诠释细胞的功能奠定了分子基础。
3、RNA DNA转录来的RNA分子也是由四种核苷酸通过3',5'磷酸二酯键连接而成的。组成RNA的四种核苷酸为腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和尿苷酸,与DNA分子的区别仅在于RNA中的尿嘧啶替代了DNA中的胸腺嘧啶。此外,RNA分子中的戊糖是核糖,而不是脱氧核糖。大部分RNA分子以单链形式存在,但在RNA分子内的某些区域,RNA单链仍可折叠,并按碱基互补原则形成局部双螺旋结构这种双螺旋结构呈发夹样,也称为RNA的发夹结构。RNA的结构和功能的研究是近些年来飞速发展的领域,新的RNA特别是不编码蛋白质的非编码 RNA(noncoding RNA, ncRNA)被不断地发现。
(l)mRNA: mRNA (messenger RNA)约占细胞内总RNA的1%~5%。含量虽少,但种类甚多而且极不均一,例如每个哺乳类动物细胞可含有数千种大小不同的mRNA。原核细胞与真核细胞的mRNA不同,原核细胞没有真核细胞mRNA所特有的5'端7-甲基三磷酸鸟苷(m7G5'ppp)帽子结构,也没有3'端的由30~300个腺苷酸组成的多聚腺苷酸尾巴(3'polyadenylate tail, poly A) 结构。在高等真核生物,不同组织细胞中mRNA的种类相差极大。mRNA在遗传信息流向过程中起重要作用,即携带着来源于DNA遗传信息的mRNA与核糖体结合,作为合成蛋白质的模板。mRNA分子中每三个相邻的碱基组成一个密码子(codon), 由密码子确定蛋白质中氨基酸的排列顺序。因此,整个mRNA链即是由一个串联排列的密码子组成。
mRNA指导特定蛋白质合成的过程称为翻译(translation)。在原核生物,mRNA在合成的同时可直接翻译为蛋白质,而真核细胞则不同,其mRNA在合成之后需经过一系列的加工,然后才能成为合 成蛋白质的模板。
原核细胞的mRNA为多顺反子(polycistron), 即一分子RNA有时可携带几种蛋白质的遗传信息,能 指导合成几种蛋白质,而真核细胞中的mRNA是单顺反子(monocistron), 每分子RNA只携带一种蛋白质遗传信息,只能作为一种蛋白质合成的模板。此外,不论是原核细胞的多顺反子rnRNA,还是真核细胞的单顺反子mRNA,在其5'端和3'端都各有一段由30到数百个核苷酸组成的非翻译区(untranslated region, UTR), 中间则是具有编码蛋白质功能的编砃区(coding region)。UTR 是蛋白质翻译调控的重要靶点之一。
(2)rRNA: rRNA(ribosomal RNA)在细胞中的含盘较丰富,约占RNA总量的80%~90%, 其分子量在三种RNA中也最大。rRNA的大小一般用沉降系数S表示。rRNA通常也呈单链结构,其主要功 能是参与核糖体(ribosome)的形成。核糖体是合成蛋白质的机器,由大小两个亚基组成,在原核生物中核糖体为70S,其大小亚基分别为50S和30S,50S大亚基中含23S和5SrRNA,30S小亚基中含有 16SrRNA。在16SrRNA的3'端有一个与mRNA翻译起始区互补的保守序列,是mRNA的识别结合位点。而真核生物的核糖体为80S,40S的小亚基含18SrRNA,60S大亚基则含有28S、5.8S和5S三种rRNA。rRNA约占核糖体总量的60%,其余的40%为蛋白质。
(3)tRNA: tRNA (transfer RNA)的含量约占细胞 总RNA的5%~10%,分子较小,由70到90 个核苷酸组成。tRNA化学组成的最大特点是含有稀有碱基。tRNA分子为单链结构,但有部分折叠成假双链结构,以至整个分子结构呈三叶草形: 靠近柄部的一端,即游离的3'端有CCA三个碱 基,它能以共价键与特定氨基酸结合;与柄部相对应的另一端呈球形,称为反密码环,反密码环上的三个碱基组成反密码子(anticodon), 反密码子能够与mRNA上密码子互补结合,因此每种 tRNA只能转运一种特定的氨基酸,参与蛋白质合成。
近些年研究发现,tRNA还可以作为反转录时的引物。当反转录病毒在宿主细胞内复制时,需要 细胞内的tRNA为引物,反转录成与其互补的DNA链 (cDNA)。可以作为引物的常见tRNA是色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA。
(4)snRNA: 在真核细胞的细胞核中存在一类独特的RNA,它们的分子相对较小,约含70~300个核苷酸,故被称为小核RNA(small nuclear RNA, snRNA)。snRNA在细胞内的含量虽不及总RNA的1%,但其拷贝(copy)数多得惊入,如Hela细胞的snRNA分子可达100万~200万个。现已发现的snRNA至少有20多种,其中有10多种分子中都富含尿甘酸(U),且含量可高达总核昔酸的35%,故这些snRNA也称为U-snRNA。U-snRNA的一级结构也是单股多核苷酸链,二级结构中也含若干个发夹式结构。U-snRNA分子中还含有少量的甲基化稀有碱基,并且都集中在多核苷酸链的5'端,形成U-snRNA 5'端特有的帽子结构,常见的为2,2,7-三基三磷酸鸟苷(m32,2,7Gppp)。U-snRNA的主要功能是参与基因转录产物的加工过程,在该过程中U-snRNA与一些特异蛋白结合成剪接体UsnRNP(small nuclear ribonucleoprotein particle)。
(5)miRNA: 微小RNA(microRNA, miRNA):是一类长约21~25nt的非编码RNA, 其前体为70~90nt, 具有发夹结构(即茎环结构)。miRNA最先在研究秀丽隐小杆线虫(C.elegan )的发育过程中发现,后来一个个新的miRNA在高等哺乳动物中不断被发现。越来越多的研究资料显示,哺乳动物基因的近1%可能编码miRNA。目前文献上通常以miR-#表示miRNA,其中miR表示miRNA,"#"代表其序号,用斜体的miR-#来表示其相应的基因 。例如,在造血组织细胞中发现的小RNA是miR-181,则表达该小RNA的基因记作miR-181 。miRNA普遍存在于生物界,具有高度的保守性。
miRNA的形成与作用机制是:在细胞核内编码rniRNA的基因转录成miRNA初级产物(pri-miRNA), 在Drosha(RNaseⅢ家族的成员)的作用下,剪切为约70~90个核苷酸长度、具有茎环结构的 miRNA前体(pre-miRNA)。miRNA前体在细胞核-细胞质转运蛋白的作用下,从核内运输到胞质 中。然后,在Dicer酶(双链RNA专一性RNA内切酶)的作用下,miRNA前体被剪切成21~25个核苷酸长度的成熟双链miRNA。起初,成熟miRNA与其互补序列互相结合成所谓“双螺旋结构”;随后,双螺旋解旋,其中一条结合到RNA诱导基因沉默复合物(RNA-induced silencing complex, RISC)中,形成非对称RISC复合物(asymmetric RISC assembly)。非对称RISC复合物通过与靶基因mRNA 3'端UTR互补结合 ,抑制靶基因的蛋白质合成或促使靶基因的mRNA降解,从而参与细胞分化与发育的基因表达调控。
需要指出的是,Dicer酶除了在miRNA形成过程中起重要作用之外,还可将一些外源双链RNA加工成为22nt左右的小干扰RNA(small interferencing RNA, siRNA)。同miRNA的作用机制类似,这些siRNA也能够以序列同源互补的mRNA为靶点,通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特异地阻断体内特定基因表达,这种现象称为RNA干扰(RNA inte1ference, RNAi)。
(6)piRNA: piRNA(Piwi-interacting RNA), 是一类小型RNA分子,长度大约是29到30个核苷酸。主要存在于哺乳动物睾丸的生殖细胞中,与Piwi蛋白结合形成piRNA复合物(piRNA complex, piRC), 发挥RNA沉默(RNA silencing)效应。
(7)核酶:核酶 (ribozyme)是具有酶活性的RNA分子,由T. Cech首次发现。Cech在研究原生动物喜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)的rRNA剪接时观察到,在除去所有的蛋白质之后,剪接仍可完成。在rRNA剪接过程中,前体rRNA能释放出一个内含子短链L19RNA(linear minus 19 intervening sequence, L-19 IVS或L19RNA),它能以一种高度专一的方式催化寡核苷酸底物的剪接(splicing)。例如,五胞苷酸(C5) 可被L19RNA剪接为较长的和较短的寡聚体:C5被降解为C4和C3,而同时又形成C6和更长的寡聚体。L19RNA在C6上的作用比在六尿苷酸(U6)上快得多,而在六腺苷酸(A6)和六鸟苷酸G6上则一 点也不起作用。这说明核酶的高度专一性。此外,核酶还遵循Michaelis-Menton酶促反应动力学方程。因此,核酶的发现,对酶的本质就是蛋白质这一传统概念提出了新的挑战,同时也为生命起源问题的探索提出了新的见解。
核酶的底物是RNA分子,它们通过与序列特异性的靶RNA分子配对而发挥作用。目前已发现了具有催化活性的多种类型的天然核酶,其中锤头状(hammerhead)核酶和发夹状核酶已被人工合成,并显示出很好的功能。可以根据锤头结构的模式设计能破坏致病基因的转录产物,从而为基因治疗提供新途径。

蛋白质是遗传信息的功能载体[编辑]

蛋白质(protein)是构成细胞的主要成分,约占细胞干重的50%以上。蛋白质是呈现DNA遗传信息的物质,决定细胞的形状和结构,担负细胞的功能。自然界中蛋白质的种类繁多,通常由20种氨基 酸组成排列组合而成。
1、蛋白质的组成 蛋白质是高分子化合物,分子量大多在10000以上,基本单位为氨基酸,由几十个至几百个以上氨基酸组成的多聚体。自然界中有很多种氨基酸,组成蛋白质的有20种L-α-氨基酸;蛋白质氨基酸序列由mRNA上的遗传密码所编辑。每一个氨基酸都含有一个碱性的氨基 (—NH2)和一个酸性的羧基(—COOH),以及一个结构不同的侧链(—R)。从氨基酸的结 构式可知,氨基酸为两性电解质。按氨基酸侧链—R的带电性和极性不同,可将氨基酸分为四类:即带负电荷的酸性氨基酸,带正电荷的碱性氨基酸,不带电荷的中性极性氨基酸,以及不带电荷的中性非极性氨基酸。酸性氨基酸有谷氨酸、天冬氨酸;碱性氨基酸有精氨酸、赖氨酸、组氨酸;其余氨基酸则为中性氨基酸。细胞生命活动过程中氨基酸的修饰是常见现象,如蛋白质序列中的酪氨酸、丝氨酸和苏氨酸磷酸化与去磷酸化在蛋白质执行信息传递功能过程中起重要作用;组蛋白序列中赖氨酸、精氨酸的乙酰化和甲基化等行使表观遗传功能,调控基因转录等作用。
组成蛋白质的各种氨基酸按一定的排列顺序,以肽键连接而成。肽键是一个氨基酸分子上的羧基与另一个氨基酸分子上的氨基经脱水缩合而成的化学键。氨基酸通过肤键而连接成的化合物称为肽(peptide), 由两个氨基酸连接而成的称为二肽,三个氨基酸连接而成的称为三肽,以多个氨基酸连接而成的称为多肽。多肽链是蛋白质分子的骨架,其中的每个氨基酸称为氨基酸残基,组成蛋白的氨基酸残基的差异体现蛋白质的特征。因此,20种氨基酸的不同排列组合顺序反映出蛋白质的结构与功能的多样性。
2、蛋白质的结构 氨基酸的排列顺序是蛋白质的结构基础,但蛋白质不只是其组成氨基酸的延伸,它是以独特的三维构象(conformation)形式存在。通过对蛋白质晶体的X-射线衍射图谱分析,可以了解到蛋白质的三维结构。1958年J.Kendrew首先确定了 由153个氨基酸组成的肌红蛋白的三维结构。迄今已经有数千种蛋白质的三维结构被分析出来。这些蛋白质结构反映出来的共同特征是其多肽链的折叠(folding)。事实上,蛋白质的折叠与核糖体上蛋白质的合成同步进行,即边合成边折叠,新生肽链在合成过程中结构不断发生调整,合成、延伸、折叠、构象调 整直至最后三维结构的形成。除一类可溶性蛋白分子伴侣(molecular chaperone)参与辅助或陪伴蛋白质的折叠之外,蛋白质三维构象的形成主要由其氨基酸的顺序决定,是其氨基酸组分间相互作用的结果。
根据蛋白质的折叠程度不同,通常将蛋白质的分子结构分为四级,即蛋白质的一级结构、蛋白质的二级结构、蛋白质的三级结构和蛋白质的四级结构。蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。一级结构中氨基酸排列顺序的差异使蛋白质折叠成不同的高级结构。
大部分蛋白质分子结构中往往有两种主要的折叠形式,即α-螺旋(helix)和β-片层(sheet)结构,这两种结构被认为是蛋白质的二级结构。二级结构是在蛋白质一级结构基础上形成的,是由于肽链主链内的氨基酸残基之间有规则地形成氢键相互作用的结果。在α-螺旋中,多肽链沿着螺旋轨道盘旋,每3.6个氨基酸盘旋一周,相邻的两个螺旋之间借肽键的亚氨基(>N—H)的氢原子与碳基(>C=O)的氧原子间形成氢键,氢键与螺旋长轴平行。细胞内的多肤在合成之后可自发地形成α-螺旋,α螺旋是多肤链最稳定的构象,主要存在于球状蛋白分子中,如肌红蛋白分子中约有75%的肽链呈α螺旋。在β-片层结构中,多肽链分子处于伸展状态,多肽链来回折叠,呈反向平行,相邻肽段肽键之间形成的氢键,使多肽链牢固结合在一起。β-片层结构主要存在于纤维状蛋白如角蛋白中,但在大部分蛋白质中这两种结构同时存在。
多肽链在二级结构的基础之上进一步折叠,形成蛋白质的三级结构。三级结构是由不同侧链间相 互作用形成的,相互作用的方式有氢键、离子键和疏水键等。具有三级结构的蛋白即表现出生物学活性,但某些蛋白质的结构较复杂,由一条以上的多肽链所组成,需要构成四级结构才能表现出生物活性。蛋白质四级结构是在三级结构基础之上形成的,在四级结构中每个独立的三级结构的肤链成为亚单位,多肽链亚单位之间通过氢键等非共价键的相互作用,即形成了更为复杂的空间结构。这样,只有亚单位集结在一起的四级结构才显示出蛋白质的生物学活性,机体中的大部分酶类在发挥作用时即表现为四级结构。
蛋白质折叠成稳定的三维结构即构象的过程已在实验室中得到较深入的研究。某些溶剂,如尿素可以破坏折叠蛋白中的非共价键,使蛋白质去折叠成失去自然构象的松散肽链,这个过程称为蛋白质的变性。这种变性是可逆的,当去掉尿素、并加入适量的还原剂如-巯基乙醇时,变性的蛋白质重新折叠并恢复为原来的构象,该过程谓之复性。目前蛋白质的这种折叠与去折叠的可塑性已被广泛用于基因工程过程中表达蛋白的提取与提取后的复性。
3、蛋白质的结构与功能的关系 蛋白质的功能取决于其结构(或构象),可以说有什么样的结构就有什么样的功能。一级结构是蛋白质功能的基础,如果氨基酸的排列顺序发生变化,将会形成异常的蛋白质分子。例如,在人体的血红蛋白中,其β链上的第六位谷氨酸如果被缬氨酸替代,则形成异常血红蛋白,导致人体镰刀形红细胞贫血。一些常见蛋白如TGF-β(肿瘤转化生长因子)仅在聚合成蛋白二聚体(dimer)时,才能发挥功能。在生活细胞内,蛋白质亚单位也只有组装成大的适当的超分子结构,如蛋白质复合物、酶复合物、核糖体、病毒颗粒等,才能更好地完成生命活动过程。
人们通常根据多肤链的独立折叠单位,即结构域(structural domain)去推断某些蛋白质的功能。组成一个结构域的氨基酸残基通常在40~350之间,最小的蛋白仅含有一个结构域,较大的蛋白则含有多个结构域,此时结构域是大分子蛋白质的结构组成单元。一个蛋白质的不同结构域常常与不同的功能相关,例如脊椎动物中具有信号转导功能的Src蛋白激酶含有四个结构域:起调节作用的SH2和SH3结构域,以及其他两个具有酶催化活性的结构域。一般情况,具有相同结构域的蛋白,往往有类似功能,例如,具有螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix, HLH)和亮氨酸拉链(leucine zipper, L-Zip)结构特点的蛋白质多为能与DNA结合的转录因子(transcription factor)。
活细胞内蛋白质功能的发挥与其构象的不断改变密切相关。常见的例子是蛋白质的磷酸化与去磷酸化所引起蛋白质构象的改变,即将一个磷酸基团共价连接至一个氨基酸侧链上能够引起蛋 白质较重要的构象改变而改变蛋白的活性,去除磷酸基团,将使蛋白质恢复原始构象并恢复原始状态。蛋白质磷酸化包括通过酶催化把ATP末端磷酸基团转移到蛋白质的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸侧链的羟基基团上,该反应由蛋白激酶催化,而其逆反应的去磷酸化则由蛋白质磷酸酶完成。细胞内包含数百种不同的蛋白激酶,每一种蛋白激酶负责不同蛋白质或不同系列蛋白质的磷酸化;同时细胞内还有许多高度特异性的磷酸酶,它们负责从一个或几个蛋白质中去除磷酸基 团。对许多种蛋白质而言,磷酸基团总是不断重复地被加到一特定的侧链上,然后被移去,从而使蛋白质的构象不断改变,这是真核细胞完成信息传递过程的分子基础之一。
此外,磷酸基团的丢失还可驱动一类胞内重要蛋白-GTP结合蛋白构象的巨大变化。这类蛋白的活化受控于其与三磷酸鸟苷(GTP)或二磷酸鸟昔(GDP)的结合:当蛋白质与GTP结合时呈现活性构象,而其与GDP结合时则变成一种非活性构象。如同蛋白质的磷酸化作用,该过程也是可逆的。这些GTP结合蛋白的活化与去活化起分子开关的作用,在真核细胞生命活动的信息传递过程中起重要作用。
4、酶是类特殊类型的蛋白质 酶(enzyme)是由生物体细胞产生的具有催化剂作用的蛋白质。机体内的许多代谢反应乃至信息传递过程均是在酶催化下完成的。酶具有很高的催化效率,比一般催化剂高106~1010倍,和一般催化剂一样,酶只能加快反应速度,其本身在反应前后没有结构和性质上的改变。酶具有高度的专一性,即一种酶只能催化一种或一类反应,由于大部分酶具有蛋白质四级结构特点,因此,酶具有高度不稳定性,很容易受机体内各种因素影响。酶催化的特异性和高效性是由酶分子中某些氨基酸残基的侧链基团所决定的,这些氨基酸残基在酶蛋白的多肽链中处于不同部位,但通过多肽链折叠可使这些氨基酸残基彼此接近形成特定的区域,以识别和催化底物,这就是所谓酶的活性中心。有些酶除了具有活性中心之外,还有一个可结合变构剂的变构位点这类酶称为变构酶。一些物质通过与变构位点结合,调节酶蛋白构象,从而达到对酶活性的调节作用。

多糖存在于细胞的膜结构表面和细胞间的间质中[编辑]

糖在细胞中占有很大比例,细胞中的糖除了以单糖的形式存在之外,还广泛分布着多糖和寡糖。线形大分子和分支的大分子糖类可以由简单而重复的单元组成,短链称为寡糖,长链称为多糖。例如,糖原是一种多糖,它完全由葡萄糖连接在一起形成。但细胞中大部分的寡糖和多糖的序列是非重复的,由许多不同的单糖分子组成,这类复杂的寡糖或多糖通常与蛋白质或脂质连接在一起,形成细胞表面的一部分,例如,正是这些寡糖确定了一个特定的血型。因此,细胞中寡糖或多糖存在的主要形式有糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖等,这些复合产物也称为复合糖。
糖蛋白(glycoproteins)是共价结合糖的蛋白质,其中的糖链和肽链的连接是有规律的,常见的连接方式是N-糖肽键和0-糖肽键(carbohydrate-peptide linkage)。N-糖肽键是指糖碳原子上的羟基与组成肽链的天冬酰胺残基上的酰胺基之间脱水而形成的糖苷键;O-糖肽键则是糖碳原子上的羟基与组成肽链的氨基酸残基上的轻基脱水而形成的,具有这种性质的氨基酸有丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸等。
糖脂(glycolipids)是含有糖类的脂质。根据组成不同,可把糖脂分为4类,即鞘糖脂、甘油糖 脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和类固醇衍生糖脂。哺乳动物细胞中主要存在的是鞘糖脂,在鞘糖脂中含中性糖类的称为中性鞘糖脂,有些除了含有中性糖类之外,还含有唾液酸或硫酸化的单糖,其中 含唾液酸的鞘糖脂又称为神经节苷脂(gangliosides), 含磷酸化单糖的鞘糖脂则称为硫甘脂(sulfatides)。
近年来在不同种类细胞的质膜上还发现了一类新的复合糖类,即糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol, GPI), 一些蛋白可与GPI的寡糖链结合从而锚定在质膜上。
糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖等复合糖主要存在于细胞的膜结构表面和细胞间的间质中。复 合糖中糖链结构的复杂性提供了大晨的信息,糖链在构成细胞抗原、细胞识别、细胞黏附及信息传递中起重要作用。如人类ABO血型抗原、免疫球蛋白IgG、黏附分子整联蛋白(integrin)等在发挥作用过程中均离不开糖链的参与。