細胞生物學/細胞的分子基礎

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細胞的概念與分子基礎 - 細胞的基本概念 - 細胞的分子基礎 - 細胞的起源與進化
組成細胞的物質稱為原生質(protoplasm) , 不同細胞的原生質在化學成分上雖有差異,但其化學元素基本相同。原生質的化學元素有50多種,其中主要的是C、H、0、N四種元素,約佔90%, 其次為S、P、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe等元素,這12種元素約佔細胞總量的99.9%以上。此外,在細胞中還含有數量極少的微量元素,如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、C1、Si、F、Br、I、Li、Ba等。這些元素並非單獨存在,而是相互結合,以無機化合物和有機化合物形式存在於細胞中。有機化合物為有機小分子和生物大分子,是組成細胞的基本成分。

生物小分子[編輯]

細胞內有無機化合物和有機化合物兩類生物小分子。

水和無機鹽是細胞內的無機化合物[編輯]

無機化合物包括水和無機鹽。水是細胞中含蜇最多的一種成分,是良好的溶劑,細胞內各種代謝反應都是在水溶液中進行的。細胞中的水除以游離形式存在之外,還能以氫鍵與蛋白質分子結合,成 為結合水,構成細胞結構的組成部分。無機鹽在細胞中均以離子狀態存在,陽離子如Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+等,陰離子有Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-等。這些無機離子中,有的游離於水中,維持細胞內外液的滲透壓和pH,保障細胞的正常生理活動;有的直接與蛋白質或脂類結合,組成具有特定功能的結合蛋白(如血紅蛋白)或類脂(如磷脂)。

有機小分子是組成生物大分子的亞單位[編輯]

有機小分子是分子量在100~1000範圍內的碳化合物,分子中的碳原子可多達30個左右。細胞中含有4種主要的有機小分子:單糖(monosaccharide)、 脂肪酸(fatty acid)、胺基酸(amino acid )和核苷酸(nucleotide)。糖主要由碳、氫、氧三種元素組成,其化學組成為(CH2O)n, 其中n通常等於3、4、5、6或7,故又稱碳水化合物(carbohydrate), 是細胞多糖的亞基和能源的主要來源化合物;脂肪酸分子由兩個不同的部分組成,一端是疏水性的長烴鏈,另一端是親水性的羧基(—COOH),其衍生物如磷脂由一個以2條脂肪酸鏈組成的疏水的尾和一個親水性的頭組成,它們是細胞膜的組分;胺基酸是一類多樣化的分子,但均有一個共同的特點,都有一個羧基和一個氨基,兩者均與一個α碳原子連接,它們是蛋白質的亞基;核苷酸分子由一個含氮環的化合物與一個五碳糖(戊糖)相連而成,該戊糖是含有多個磷酸基團的核糖或脫氧核糖,核苷酸是核酸的亞基。

生物大分子[編輯]

生物大分子是由有機小分子構成的,細胞的大部分物質是大分子,大約有數萬種生物大分子,分子量從10 000到1 000 000不等。細胞內大分子由小分子組裝而成,分子變大,具有與小分子截然不同的生物學特性。細胞內主要的大分子有核酸、蛋白質、多糖和脂肪,其分子結構複雜,在細胞內各自執行獨特的功能。

核酸攜帶遺傳信息[編輯]

核酸(nucleic acid)是生物遺傳的物質基礎,目前已知的所有生物體,包括病毒、細菌、真菌、植物、動物及人體細胞中均含有核酸。核酸是生物的生長、發育、繁殖、遺傳和變異的基礎。細胞內的核酸分為核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)和脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)兩大類。其中DNA攜帶着控制細胞生命活動的全部遺傳信息,RNA則參與遺傳信息的表達。
1、核酸的化學組成 核酸分子由幾十個乃至幾百萬個單核甘酸聚合而成,因此核苷酸是核酸的基本組成單位。核苷酸由戊糖、鹼基(含氮有機鹼)和磷酸三部分組成。戊糖有兩種,即D-核糖和D-2-脫氧核糖。鹼基也有兩類:嘌呤和嘧啶。嘌呤有腺嘌呤(adenine, A)和鳥嗦呤(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分子中還發現有一些修飾鹼基,即在鹼基的某些位置附加或取代某些基團,如6-甲基嘌呤、5-甲基胞嘧啶和5-羥基胞嘧啶等,因它們的含量很少,又稱稀有鹼基。絕大部分稀有鹼基分佈在 RNA分子上。
核苷酸的產生過程是首先形成核苷。核昔由鹼基與核糖或脫氧核糖縮合而成。核糖的第1位碳原子與嘧啶第1位氮原子或與嘌呤第9位氮原子形成N—C鍵,即糖苷鍵。由於核糖有兩種,因此核苷又分為核糖核苷(簡稱核苷)及脫氧核糖核苷(簡稱脫氧核苷)。核苷的戊糖羥基與磷酸形成酯鍵,即成為核苷酸。一般生物體內存在的大多是5'-核昔酸,即磷酸與核糖第5位上羥基形成酯鍵,如腺苷酸(AMP)、鳥苷酸(GMP)、胞苷酸(CMP)、尿苷酸(UMP),以及脫氧腺苷酸(dAMP)、脫氧鳥苷酸(dGMP)、脫氧胞苷酸(dCMP)、脫氧胸苷酸(dTMP)。此外,有時磷酸可同時與核苷上2個羥基形成酯鍵,這就形成了環化核苷酸。常見的有3',5'-環化腺苷酸(3',5'-cyclic adenylic acid, cAMP)和3',5'-環化鳥苷酸(3',5'-cyclicguanylic acid, cGMP)。
核酸由大量的單核苷酸聚合而成,單核苷酸間的連接方式為:一個核苷酸中戊糖的5'碳原子上連接的磷酸基以酯鍵與另一個核甘酸戊糖的3'碳原子相連,而後者戊糖的5'碳原子上的磷酸基又以酯鍵再與另一個核苷酸戊糖的3'碳原子相連,由此通過3'、5'磷酸二酯鍵重複相連而形成的多聚核苷酸鏈即為核酸。從化學組成上看,DNA可視為由脫氧核苷酸線性排列組成,由於各種脫氧核苷酸中脫氧核糖和磷酸都是相同的,只有鹼基是不同的,因此,可用鹼基的排列順序來代表DNA 的脫氧核苷酸組成順序。DNA分子中的脫氧核苷酸或鹼基的排列順序也稱DNA的一級結構。RNA則由核糖核苷酸線性排列組成。
2、DNA 20世紀50年代初,有關DNA樣品的X-射線繞射分析結果提示,DNA分子是由兩條鏈組成的螺旋狀多聚體。對來源於不同生物細胞的DNA分子的鹼基含量進行分析,證明[A]=[T],[C]=[G]([ ]表示摩爾濃度)。1953年Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋結構模型, 該模型認為,DNA分子由兩條相互平行而方向相反的多核苷酸鏈組成,即一條鏈中磷酸二酯鍵連接的核苷酸方向是5'→3', 另一條是3'→5',兩條鏈圍繞着同一個中心軸以右手方向盤繞成雙螺旋結構。螺旋的主鏈由位於外側的間隔相連的脫氧核糖和磷酸組成,雙螺旋的內側由鹼基構成,即一條鏈上的A通過兩個氫鍵與另一條鏈上的T相連,一條鏈上的G通過三個氫鍵與另一條鏈上的C相連,或者說A總是與T配對,G總是與C配對,這種鹼基間的配對方式稱為鹼基互補原則。螺旋內每一對鹼基均位於同一平面上,並且垂直於螺旋縱軸,相鄰鹼基對之間距離為0.34nm , 雙螺旋螺距為3.4nm。構成DNA分子的兩條鏈稱為互補鏈。由於組成DNA的兩條鏈是互補的,即A=T、C≡G,因此,如果知道一條鏈中的鹼基排列順序,依據鹼基互補原則,便可知道另一條鏈上的鹼基排列順序。
DNA的雙螺旋結構易受環境因素特別是濕度所影響,在低濕度時呈A型,高濕度時呈B型,分別稱為A-DNA和B-DNA,其中B-DNA即Waston和Crick描述的DNA雙螺旋結構。A-DNA所形成的右手螺旋與B-DNA不同,比B-DNA較大而且較平。此外,還有人發現呈左手螺旋的DNA,稱為Z-DNA。
DNA的主要功能是儲存、複製和傳遞遺傳信息。在組成DNA分子的線性核苷酸序列中蘊藏着大量的遺傳信息。雖然DNA分子中只有四種核苷酸,但核苷酸的數量卻非常巨大,並可隨機排列,這就決定了DNA分子的複雜性和多樣性。如果一個DNA分子由n個核苷酸組成,則其可能的排列順序為4n。如此多的排列順序展示了遺傳信息的多樣性,即生物種類的多樣性。
細胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質稱為基因組,它是所有染色體上全部基因和基因間 的DNA的總和。迄今包括人類在內的多個生物的DNA序列分析已經完成,人類基因組DNA含有的鹼基數為2.91×l06~3.2×l06kb(3×l09bp), 其中: (A+T)和(G+C)分別佔54%和38%;編碼蛋白質序列(外顯子)佔DNA的l.1%~1.4%, 內含子序列佔24%,基因間序列佔75%;基因的數目約2萬~3萬個,每個基因的長度平均為2~30kb, 其中功能未知的佔60%以上;DNA中含有大量的重複序列,約佔50%以上;每個人約有0.1%的核苷酸差異。
DNA分子中所攜帶的遺傳信息傳遞給後代細胞靠DNA複製來實現,DNA雙螺旋結構模型很好地解釋了這一信息傳遞過程的普遍機制。組成雙螺旋DNA的兩條鏈是互補的,每一條鏈都含有與其互補鏈精確配對的鹼基序列,因此,兩條鏈中的每一條都可以攜帶相同的信息。DNA複製從兩條互補的DNA鏈局部分離(分叉)開始,以每條鏈為模板,在DNA聚合酶作用下將脫氧核糖核昔酸加在 DNA鏈的3'末端,所加上去的核昔酸是與模板鏈上的鹼基互補的,從而產生與模板鏈序列互補的 DNA子鏈。如此,可將遺傳信息全盤複製出來,最終形成完整的DNA分子。新形成的雙鏈DNA分子 在核苷酸或鹼基序列上與充當模板的親代DNA分子完全相同,由於每條親代DNA單鏈成為子代DNA雙鏈中的一條鏈,故稱為DNA半保留複製(semiconservative replication)。
DNA分子所攜帶的遺傳信息的流向是先形成RNA,這種以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉錄(transcription)。DNA轉錄和DNA複製不同,它以一條鏈的特定部分為模板合成一條互補的RNA 鏈,在RNA合成之後,DNA重新形成雙螺旋結構,並釋放出RNA分子,然後,形成的RNA被翻譯成體現遺傳信息的蛋白質,後者決定細胞的生物學行為。
近些年研究發現,不依賴於DNA序列(鹼基排列順序)的遺傳信息,如DNA甲基化、組蛋白修飾等也可遺傳給子代即表觀遺傳,這使基因組信息更加複雜,為詮釋細胞的功能奠定了分子基礎。
3、RNA DNA轉錄來的RNA分子也是由四種核苷酸通過3',5'磷酸二酯鍵連接而成的。組成RNA的四種核苷酸為腺苷酸、鳥苷酸、胞苷酸和尿苷酸,與DNA分子的區別僅在於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,而不是脫氧核糖。大部分RNA分子以單鏈形式存在,但在RNA分子內的某些區域,RNA單鏈仍可摺疊,並按鹼基互補原則形成局部雙螺旋結構這種雙螺旋結構呈髮夾樣,也稱為RNA的髮夾結構。RNA的結構和功能的研究是近些年來飛速發展的領域,新的RNA特別是不編碼蛋白質的非編碼 RNA(noncoding RNA, ncRNA)被不斷地發現。
(l)mRNA: mRNA (messenger RNA)約佔細胞內總RNA的1%~5%。含量雖少,但種類甚多而且極不均一,例如每個哺乳類動物細胞可含有數千種大小不同的mRNA。原核細胞與真核細胞的mRNA不同,原核細胞沒有真核細胞mRNA所特有的5'端7-甲基三磷酸鳥苷(m7G5'ppp)帽子結構,也沒有3'端的由30~300個腺苷酸組成的多聚腺苷酸尾巴(3'polyadenylate tail, poly A) 結構。在高等真核生物,不同組織細胞中mRNA的種類相差極大。mRNA在遺傳信息流向過程中起重要作用,即攜帶着來源於DNA遺傳信息的mRNA與核糖體結合,作為合成蛋白質的模板。mRNA分子中每三個相鄰的鹼基組成一個密碼子(codon), 由密碼子確定蛋白質中胺基酸的排列順序。因此,整個mRNA鏈即是由一個串聯排列的密碼子組成。
mRNA指導特定蛋白質合成的過程稱為翻譯(translation)。在原核生物,mRNA在合成的同時可直接翻譯為蛋白質,而真核細胞則不同,其mRNA在合成之後需經過一系列的加工,然後才能成為合 成蛋白質的模板。
原核細胞的mRNA為多順反子(polycistron), 即一分子RNA有時可攜帶幾種蛋白質的遺傳信息,能 指導合成幾種蛋白質,而真核細胞中的mRNA是單順反子(monocistron), 每分子RNA只攜帶一種蛋白質遺傳信息,只能作為一種蛋白質合成的模板。此外,不論是原核細胞的多順反子rnRNA,還是真核細胞的單順反子mRNA,在其5'端和3'端都各有一段由30到數百個核苷酸組成的非翻譯區(untranslated region, UTR), 中間則是具有編碼蛋白質功能的編砃區(coding region)。UTR 是蛋白質翻譯調控的重要靶點之一。
(2)rRNA: rRNA(ribosomal RNA)在細胞中的含盤較豐富,約佔RNA總量的80%~90%, 其分子量在三種RNA中也最大。rRNA的大小一般用沉降系數S表示。rRNA通常也呈單鏈結構,其主要功 能是參與核糖體(ribosome)的形成。核糖體是合成蛋白質的機器,由大小兩個亞基組成,在原核生物中核糖體為70S,其大小亞基分別為50S和30S,50S大亞基中含23S和5SrRNA,30S小亞基中含有 16SrRNA。在16SrRNA的3'端有一個與mRNA翻譯起始區互補的保守序列,是mRNA的識別結合位點。而真核生物的核糖體為80S,40S的小亞基含18SrRNA,60S大亞基則含有28S、5.8S和5S三種rRNA。rRNA約佔核糖體總量的60%,其餘的40%為蛋白質。
(3)tRNA: tRNA (transfer RNA)的含量約佔細胞 總RNA的5%~10%,分子較小,由70到90 個核苷酸組成。tRNA化學組成的最大特點是含有稀有鹼基。tRNA分子為單鏈結構,但有部分摺疊成假雙鏈結構,以至整個分子結構呈三葉草形: 靠近柄部的一端,即游離的3'端有CCA三個鹼 基,它能以共價鍵與特定胺基酸結合;與柄部相對應的另一端呈球形,稱為反密碼環,反密碼環上的三個鹼基組成反密碼子(anticodon), 反密碼子能夠與mRNA上密碼子互補結合,因此每種 tRNA只能轉運一種特定的胺基酸,參與蛋白質合成。
近些年研究發現,tRNA還可以作為反轉錄時的引物。當反轉錄病毒在宿主細胞內複製時,需要 細胞內的tRNA為引物,反轉錄成與其互補的DNA鏈 (cDNA)。可以作為引物的常見tRNA是色氨酸-tRNA、脯氨酸-tRNA。
(4)snRNA: 在真核細胞的細胞核中存在一類獨特的RNA,它們的分子相對較小,約含70~300個核苷酸,故被稱為小核RNA(small nuclear RNA, snRNA)。snRNA在細胞內的含量雖不及總RNA的1%,但其拷貝(copy)數多得驚入,如Hela細胞的snRNA分子可達100萬~200萬個。現已發現的snRNA至少有20多種,其中有10多種分子中都富含尿甘酸(U),且含量可高達總核昔酸的35%,故這些snRNA也稱為U-snRNA。U-snRNA的一級結構也是單股多核苷酸鏈,二級結構中也含若干個髮夾式結構。U-snRNA分子中還含有少量的甲基化稀有鹼基,並且都集中在多核苷酸鏈的5'端,形成U-snRNA 5'端特有的帽子結構,常見的為2,2,7-三基三磷酸鳥苷(m32,2,7Gppp)。U-snRNA的主要功能是參與基因轉錄產物的加工過程,在該過程中U-snRNA與一些特異蛋白結合成剪接體UsnRNP(small nuclear ribonucleoprotein particle)。
(5)miRNA: 微小RNA(microRNA, miRNA):是一類長約21~25nt的非編碼RNA, 其前體為70~90nt, 具有髮夾結構(即莖環結構)。miRNA最先在研究秀麗隱小杆線蟲(C.elegan )的發育過程中發現,後來一個個新的miRNA在高等哺乳動物中不斷被發現。越來越多的研究資料顯示,哺乳動物基因的近1%可能編碼miRNA。目前文獻上通常以miR-#表示miRNA,其中miR表示miRNA,"#"代表其序號,用斜體的miR-#來表示其相應的基因 。例如,在造血組織細胞中發現的小RNA是miR-181,則表達該小RNA的基因記作miR-181 。miRNA普遍存在於生物界,具有高度的保守性。
miRNA的形成與作用機制是:在細胞核內編碼rniRNA的基因轉錄成miRNA初級產物(pri-miRNA), 在Drosha(RNaseⅢ家族的成員)的作用下,剪切為約70~90個核苷酸長度、具有莖環結構的 miRNA前體(pre-miRNA)。miRNA前體在細胞核-細胞質轉運蛋白的作用下,從核內運輸到胞質 中。然後,在Dicer酶(雙鏈RNA專一性RNA內切酶)的作用下,miRNA前體被剪切成21~25個核苷酸長度的成熟雙鏈miRNA。起初,成熟miRNA與其互補序列互相結合成所謂「雙螺旋結構」;隨後,雙螺旋解旋,其中一條結合到RNA誘導基因沉默複合物(RNA-induced silencing complex, RISC)中,形成非對稱RISC複合物(asymmetric RISC assembly)。非對稱RISC複合物通過與靶基因mRNA 3'端UTR互補結合 ,抑制靶基因的蛋白質合成或促使靶基因的mRNA降解,從而參與細胞分化與發育的基因表達調控。
需要指出的是,Dicer酶除了在miRNA形成過程中起重要作用之外,還可將一些外源雙鏈RNA加工成為22nt左右的小干擾RNA(small interferencing RNA, siRNA)。同miRNA的作用機制類似,這些siRNA也能夠以序列同源互補的mRNA為靶點,通過促使特定基因的mRNA降解來高效、特異地阻斷體內特定基因表達,這種現象稱為RNA干擾(RNA inte1ference, RNAi)。
(6)piRNA: piRNA(Piwi-interacting RNA), 是一類小型RNA分子,長度大約是29到30個核苷酸。主要存在於哺乳動物睾丸的生殖細胞中,與Piwi蛋白結合形成piRNA複合物(piRNA complex, piRC), 發揮RNA沉默(RNA silencing)效應。
(7)核酶:核酶 (ribozyme)是具有酶活性的RNA分子,由T. Cech首次發現。Cech在研究原生動物喜熱四膜蟲(Tetrahymena thermophila)的rRNA剪接時觀察到,在除去所有的蛋白質之後,剪接仍可完成。在rRNA剪接過程中,前體rRNA能釋放出一個內含子短鏈L19RNA(linear minus 19 intervening sequence, L-19 IVS或L19RNA),它能以一種高度專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剪接為較長的和較短的寡聚體:C5被降解為C4和C3,而同時又形成C6和更長的寡聚體。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)和六鳥苷酸G6上則一 點也不起作用。這說明核酶的高度專一性。此外,核酶還遵循Michaelis-Menton酶促反應動力學方程。因此,核酶的發現,對酶的本質就是蛋白質這一傳統概念提出了新的挑戰,同時也為生命起源問題的探索提出了新的見解。
核酶的底物是RNA分子,它們通過與序列特異性的靶RNA分子配對而發揮作用。目前已發現了具有催化活性的多種類型的天然核酶,其中錘頭狀(hammerhead)核酶和髮夾狀核酶已被人工合成,並顯示出很好的功能。可以根據錘頭結構的模式設計能破壞致病基因的轉錄產物,從而為基因治療提供新途徑。

蛋白質是遺傳信息的功能載體[編輯]

蛋白質(protein)是構成細胞的主要成分,約佔細胞乾重的50%以上。蛋白質是呈現DNA遺傳信息的物質,決定細胞的形狀和結構,擔負細胞的功能。自然界中蛋白質的種類繁多,通常由20種氨基 酸組成排列組合而成。
1、蛋白質的組成 蛋白質是高分子化合物,分子量大多在10000以上,基本單位為胺基酸,由幾十個至幾百個以上胺基酸組成的多聚體。自然界中有很多種胺基酸,組成蛋白質的有20種L-α-胺基酸;蛋白質胺基酸序列由mRNA上的遺傳密碼所編輯。每一個胺基酸都含有一個鹼性的氨基 (—NH2)和一個酸性的羧基(—COOH),以及一個結構不同的側鏈(—R)。從胺基酸的結 構式可知,胺基酸為兩性電解質。按胺基酸側鏈—R的帶電性和極性不同,可將胺基酸分為四類:即帶負電荷的酸性胺基酸,帶正電荷的鹼性胺基酸,不帶電荷的中性極性胺基酸,以及不帶電荷的中性非極性胺基酸。酸性胺基酸有穀氨酸、天冬氨酸;鹼性胺基酸有精氨酸、賴氨酸、組氨酸;其餘胺基酸則為中性胺基酸。細胞生命活動過程中胺基酸的修飾是常見現象,如蛋白質序列中的酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸磷酸化與去磷酸化在蛋白質執行信息傳遞功能過程中起重要作用;組蛋白序列中賴氨酸、精氨酸的乙醯化和甲基化等行使表觀遺傳功能,調控基因轉錄等作用。
組成蛋白質的各種胺基酸按一定的排列順序,以肽鍵連接而成。肽鍵是一個胺基酸分子上的羧基與另一個胺基酸分子上的氨基經脫水縮合而成的化學鍵。胺基酸通過膚鍵而連接成的化合物稱為肽(peptide), 由兩個胺基酸連接而成的稱為二肽,三個胺基酸連接而成的稱為三肽,以多個胺基酸連接而成的稱為多肽。多肽鏈是蛋白質分子的骨架,其中的每個胺基酸稱為胺基酸殘基,組成蛋白的胺基酸殘基的差異體現蛋白質的特徵。因此,20種胺基酸的不同排列組合順序反映出蛋白質的結構與功能的多樣性。
2、蛋白質的結構 胺基酸的排列順序是蛋白質的結構基礎,但蛋白質不只是其組成胺基酸的延伸,它是以獨特的三維構象(conformation)形式存在。通過對蛋白質晶體的X-射線繞射圖譜分析,可以了解到蛋白質的三維結構。1958年J.Kendrew首先確定了 由153個胺基酸組成的肌紅蛋白的三維結構。迄今已經有數千種蛋白質的三維結構被分析出來。這些蛋白質結構反映出來的共同特徵是其多肽鏈的摺疊(folding)。事實上,蛋白質的摺疊與核糖體上蛋白質的合成同步進行,即邊合成邊摺疊,新生肽鏈在合成過程中結構不斷發生調整,合成、延伸、摺疊、構象調 整直至最後三維結構的形成。除一類可溶性蛋白分子伴侶(molecular chaperone)參與輔助或陪伴蛋白質的摺疊之外,蛋白質三維構象的形成主要由其胺基酸的順序決定,是其胺基酸組分間相互作用的結果。
根據蛋白質的摺疊程度不同,通常將蛋白質的分子結構分為四級,即蛋白質的一級結構、蛋白質的二級結構、蛋白質的三級結構和蛋白質的四級結構。蛋白質的一級結構是指蛋白質分子中胺基酸的排列順序。一級結構中胺基酸排列順序的差異使蛋白質摺疊成不同的高級結構。
大部分蛋白質分子結構中往往有兩種主要的摺疊形式,即α-螺旋(helix)和β-片層(sheet)結構,這兩種結構被認為是蛋白質的二級結構。二級結構是在蛋白質一級結構基礎上形成的,是由於肽鏈主鏈內的胺基酸殘基之間有規則地形成氫鍵相互作用的結果。在α-螺旋中,多肽鏈沿着螺旋軌道盤旋,每3.6個胺基酸盤旋一周,相鄰的兩個螺旋之間借肽鍵的亞氨基(>N—H)的氫原子與碳基(>C=O)的氧原子間形成氫鍵,氫鍵與螺旋長軸平行。細胞內的多膚在合成之後可自發地形成α-螺旋,α螺旋是多膚鏈最穩定的構象,主要存在於球狀蛋白分子中,如肌紅蛋白分子中約有75%的肽鏈呈α螺旋。在β-片層結構中,多肽鏈分子處於伸展狀態,多肽鏈來回摺疊,呈反向平行,相鄰肽段肽鍵之間形成的氫鍵,使多肽鏈牢固結合在一起。β-片層結構主要存在於纖維狀蛋白如角蛋白中,但在大部分蛋白質中這兩種結構同時存在。
多肽鏈在二級結構的基礎之上進一步摺疊,形成蛋白質的三級結構。三級結構是由不同側鏈間相 互作用形成的,相互作用的方式有氫鍵、離子鍵和疏水鍵等。具有三級結構的蛋白即表現出生物學活性,但某些蛋白質的結構較複雜,由一條以上的多肽鏈所組成,需要構成四級結構才能表現出生物活性。蛋白質四級結構是在三級結構基礎之上形成的,在四級結構中每個獨立的三級結構的膚鏈成為亞單位,多肽鏈亞單位之間通過氫鍵等非共價鍵的相互作用,即形成了更為複雜的空間結構。這樣,只有亞單位集結在一起的四級結構才顯示出蛋白質的生物學活性,機體中的大部分酶類在發揮作用時即表現為四級結構。
蛋白質摺疊成穩定的三維結構即構象的過程已在實驗室中得到較深入的研究。某些溶劑,如尿素可以破壞摺疊蛋白中的非共價鍵,使蛋白質去摺疊成失去自然構象的鬆散肽鏈,這個過程稱為蛋白質的變性。這種變性是可逆的,當去掉尿素、並加入適量的還原劑如-巰基乙醇時,變性的蛋白質重新摺疊並恢復為原來的構象,該過程謂之復性。目前蛋白質的這種摺疊與去摺疊的可塑性已被廣泛用於基因工程過程中表達蛋白的提取與提取後的復性。
3、蛋白質的結構與功能的關係 蛋白質的功能取決於其結構(或構象),可以說有什麼樣的結構就有什麼樣的功能。一級結構是蛋白質功能的基礎,如果胺基酸的排列順序發生變化,將會形成異常的蛋白質分子。例如,在人體的血紅蛋白中,其β鏈上的第六位穀氨酸如果被纈氨酸替代,則形成異常血紅蛋白,導致人體鐮刀形紅細胞貧血。一些常見蛋白如TGF-β(腫瘤轉化生長因子)僅在聚合成蛋白二聚體(dimer)時,才能發揮功能。在生活細胞內,蛋白質亞單位也只有組裝成大的適當的超分子結構,如蛋白質複合物、酶複合物、核糖體、病毒顆粒等,才能更好地完成生命活動過程。
人們通常根據多膚鏈的獨立摺疊單位,即結構域(structural domain)去推斷某些蛋白質的功能。組成一個結構域的胺基酸殘基通常在40~350之間,最小的蛋白僅含有一個結構域,較大的蛋白則含有多個結構域,此時結構域是大分子蛋白質的結構組成單元。一個蛋白質的不同結構域常常與不同的功能相關,例如脊椎動物中具有信號轉導功能的Src蛋白激酶含有四個結構域:起調節作用的SH2和SH3結構域,以及其他兩個具有酶催化活性的結構域。一般情況,具有相同結構域的蛋白,往往有類似功能,例如,具有螺旋-環-螺旋(helix-loop-helix, HLH)和亮氨酸拉鏈(leucine zipper, L-Zip)結構特點的蛋白質多為能與DNA結合的轉錄因子(transcription factor)。
活細胞內蛋白質功能的發揮與其構象的不斷改變密切相關。常見的例子是蛋白質的磷酸化與去磷酸化所引起蛋白質構象的改變,即將一個磷酸基團共價連接至一個胺基酸側鏈上能夠引起蛋 白質較重要的構象改變而改變蛋白的活性,去除磷酸基團,將使蛋白質恢復原始構象並恢復原始狀態。蛋白質磷酸化包括通過酶催化把ATP末端磷酸基團轉移到蛋白質的絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸側鏈的羥基基團上,該反應由蛋白激酶催化,而其逆反應的去磷酸化則由蛋白質磷酸酶完成。細胞內包含數百種不同的蛋白激酶,每一種蛋白激酶負責不同蛋白質或不同系列蛋白質的磷酸化;同時細胞內還有許多高度特異性的磷酸酶,它們負責從一個或幾個蛋白質中去除磷酸基 團。對許多種蛋白質而言,磷酸基團總是不斷重複地被加到一特定的側鏈上,然後被移去,從而使蛋白質的構象不斷改變,這是真核細胞完成信息傳遞過程的分子基礎之一。
此外,磷酸基團的丟失還可驅動一類胞內重要蛋白-GTP結合蛋白構象的巨大變化。這類蛋白的活化受控於其與三磷酸鳥苷(GTP)或二磷酸鳥昔(GDP)的結合:當蛋白質與GTP結合時呈現活性構象,而其與GDP結合時則變成一種非活性構象。如同蛋白質的磷酸化作用,該過程也是可逆的。這些GTP結合蛋白的活化與去活化起分子開關的作用,在真核細胞生命活動的信息傳遞過程中起重要作用。
4、酶是類特殊類型的蛋白質 酶(enzyme)是由生物體細胞產生的具有催化劑作用的蛋白質。機體內的許多代謝反應乃至信息傳遞過程均是在酶催化下完成的。酶具有很高的催化效率,比一般催化劑高106~1010倍,和一般催化劑一樣,酶只能加快反應速度,其本身在反應前後沒有結構和性質上的改變。酶具有高度的專一性,即一種酶只能催化一種或一類反應,由於大部分酶具有蛋白質四級結構特點,因此,酶具有高度不穩定性,很容易受機體內各種因素影響。酶催化的特異性和高效性是由酶分子中某些胺基酸殘基的側鏈基團所決定的,這些胺基酸殘基在酶蛋白的多肽鏈中處於不同部位,但通過多肽鏈摺疊可使這些胺基酸殘基彼此接近形成特定的區域,以識別和催化底物,這就是所謂酶的活性中心。有些酶除了具有活性中心之外,還有一個可結合變構劑的變構位點這類酶稱為變構酶。一些物質通過與變構位點結合,調節酶蛋白構象,從而達到對酶活性的調節作用。

多糖存在於細胞的膜結構表面和細胞間的間質中[編輯]

糖在細胞中佔有很大比例,細胞中的糖除了以單糖的形式存在之外,還廣泛分佈着多糖和寡糖。線形大分子和分支的大分子糖類可以由簡單而重複的單元組成,短鏈稱為寡糖,長鏈稱為多糖。例如,糖原是一種多糖,它完全由葡萄糖連接在一起形成。但細胞中大部分的寡糖和多糖的序列是非重複的,由許多不同的單糖分子組成,這類複雜的寡糖或多糖通常與蛋白質或脂質連接在一起,形成細胞表面的一部分,例如,正是這些寡糖確定了一個特定的血型。因此,細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,這些複合產物也稱為複合糖。
糖蛋白(glycoproteins)是共價結合糖的蛋白質,其中的糖鏈和肽鏈的連接是有規律的,常見的連接方式是N-糖肽鍵和0-糖肽鍵(carbohydrate-peptide linkage)。N-糖肽鍵是指糖碳原子上的羥基與組成肽鏈的天冬醯胺殘基上的醯胺基之間脫水而形成的糖苷鍵;O-糖肽鍵則是糖碳原子上的羥基與組成肽鏈的胺基酸殘基上的輕基脫水而形成的,具有這種性質的胺基酸有絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、羥賴氨酸和羥脯氨酸等。
糖脂(glycolipids)是含有糖類的脂質。根據組成不同,可把糖脂分為4類,即鞘糖脂、甘油糖 脂、磷酸多萜醇衍生糖脂和類固醇衍生糖脂。哺乳動物細胞中主要存在的是鞘糖脂,在鞘糖脂中含中性糖類的稱為中性鞘糖脂,有些除了含有中性糖類之外,還含有唾液酸或硫酸化的單糖,其中 含唾液酸的鞘糖脂又稱為神經節苷脂(gangliosides), 含磷酸化單糖的鞘糖脂則稱為硫甘脂(sulfatides)。
近年來在不同種類細胞的質膜上還發現了一類新的複合糖類,即糖基磷脂醯肌醇(glycosylphosphatidylinositol, GPI), 一些蛋白可與GPI的寡糖鏈結合從而錨定在質膜上。
糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖等複合糖主要存在於細胞的膜結構表面和細胞間的間質中。復 合糖中糖鏈結構的複雜性提供了大晨的信息,糖鏈在構成細胞抗原、細胞識別、細胞黏附及信息傳遞中起重要作用。如人類ABO血型抗原、免疫球蛋白IgG、黏附分子整聯蛋白(integrin)等在發揮作用過程中均離不開糖鏈的參與。