第二章 细胞的分子基础

• 宏量元素：宏量元素： CC 、、 HH 、、 OO 、、 NN 、、 SS 、、 P —— 90P —— 90%% 以上以上• 微量元素：微量元素： NaNa 、、 KK 、、 CaCa 、、 ClCl 、、 MgMg 、、 FeFe 、、CuCu 、、 ZnZn 、、 MnMn 、、 MoMo 、、 CoCo 、、 CrCr 、、 SiSi 、、FF 、、 BrBr 、、 II 、、 Li Li

原生质（原生质（ protoplasmprotoplasm ）：）：构成细胞的物质。构成细胞的物质。

• 原生质

无机化合物无机化合物水

无机盐

有机化合物有机化合物

糖类

脂类

蛋白质

核酸

生物小分子生物小分子

生物大分子生物大分子

原生质（ protoplasm ）：构成细胞的物质。

• 1.1. 水（水（ waterwater ）：占细胞总量的）：占细胞总量的 7575 ％ ％ ~ 80~ 80 ％ ％

存在方式：游离水——存在方式：游离水—— 95%95% ，溶剂，溶剂

结合水—— 结合水—— 5%5% ，细胞的组成成分 ，细胞的组成成分

（一）无机化合物（一）无机化合物

一、 生物小分子一、 生物小分子

随着细胞的衰老，细胞的含水量逐渐下降，活细胞的含水量不低于 75 ％。作用 : 溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和形成细胞有序结构。

生物小分子的结构与功能生物小分子的结构与功能

• 2. 无机盐：含量很少，约占细胞干重 2 ％ ~5% 。

主要的阴离子： Cl －、 SO42 － 、 PO4

3 －和 HCO3－ ；

主要的阳离子： Na+ 、 K+ 、 Ca+ 、 Mg2+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除具有调节渗透压

和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。

3. 有机小分子：单糖；脂肪酸；氨基酸；核苷酸。

有机小分子：单糖；脂肪酸；氨基酸；核苷酸。生物大分子：多糖；脂类；蛋白质；核酸。

(( 二二 )) 有机化合物有机化合物

生物小分子的结构与功能生物小分子的结构与功能

单糖单糖六碳糖：如葡萄糖，是细胞内能源物质。五碳糖： 核 糖 脱氧核糖 是核酸的组成成分

寡糖寡糖

多糖多糖

1.1. 糖类糖类分子式：分子式： (CH2O)n n= 3 ~ 7 —— 碳水化合物

生物小分子的结构与功能生物小分子的结构与功能

：含 3 ~ 十几个糖分子，是构成细胞膜的成分糖原淀粉

生物小分子的结构与功能生物小分子的结构与功能

2.2. 脂类脂类

• 功能：功能：

• 脂类包括：脂类包括：脂肪酸脂肪酸、类固醇、磷 脂、糖脂等。、类固醇、磷 脂、糖脂等。• 特点：难溶于水，而易溶于有机溶剂。特点：难溶于水，而易溶于有机溶剂。 ① ① 脂肪酸：以甘油三酯或脂肪形式储存，贮存能量；脂肪酸：以甘油三酯或脂肪形式储存，贮存能量； ② ② 磷脂：是构成生物膜的基本成分。磷脂：是构成生物膜的基本成分。

– 细胞膜的主要成分 细胞膜的主要成分 – 能量储存形式 能量储存形式 – 信号分子信号分子

（一 ）核酸携带遗传信息（一 ）核酸携带遗传信息

核糖核酸（核糖核酸（ RNARNA ）：）：与遗传信息的表达有关与遗传信息的表达有关

脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（ DNADNA ）：）：是遗传物质是遗传物质

二、生物大分子二、生物大分子

核酸核酸（（ nucleic acidnucleic acid ））的种类的种类

1. 核酸的化学组成

核酸的组成单位 核

苷

酸

戊 糖戊 糖

磷 酸磷 酸

含氮碱基含氮碱基

ββ-D--D- 核糖　　

β-D-2- 脱氧核糖

嘧 啶：Ｔ Ｃ Ｕ

嘌 呤：Ａ Ｇ

携带遗传信息的核酸

嘧 啶

嘌 呤

胞嘧啶 C

胸腺嘧啶 T 尿嘧啶 U

鸟嘌呤 G 腺嘌呤 A

碱

碱

基基

携带遗传信息的核酸

脱氧核糖脱氧核糖 磷酸磷酸

携带遗传信息的核酸

核糖核糖

糖苷键

糖苷键

核　苷

核　苷

酯

键

单 核 苷 酸单 核 苷 酸

核苷酸的分子结构：核苷酸的分子结构：

55´́

33´́

核酸的分子结构：核酸的分子结构：

33′′55′′— — 磷酸二酯键磷酸二酯键

2.DNA2.DNA 的结构与功能的结构与功能

DNADNA 分子中脱氧核苷酸的排列顺序。分子中脱氧核苷酸的排列顺序。

WatsonWatson 和和 CrickCrick 提出的提出的 DNADNA 双螺双螺旋结构模型。旋结构模型。

二级结构：二级结构：

一级结构：一级结构：

（（ 11 ）） DNADNA 的分子结构的分子结构 ::

基本组成单位是 脱氧核糖核酸。含基本组成单位是 脱氧核糖核酸。含 A T G CA T G C 四种碱基。四种碱基。

携带遗传信息的核酸

（（ 22 ）） DNADNA 的结构特征：的结构特征：

⑴⑴ DNADNA 分子由两条脱氧核糖核苷酸链组成，两条链分子由两条脱氧核糖核苷酸链组成，两条链 逆向平行逆向平行⑵⑵ 碱基位于内侧，磷酸和戊糖位于外侧碱基位于内侧，磷酸和戊糖位于外侧⑶ ⑶ 碱基之间进行互补配对，碱基之间进行互补配对， A=T CA=T C≡≡G G 且且 A+G=T+A+G=T+

CC

⑷ ⑷ 碱基平面垂直于螺旋中心轴，螺旋一周包含碱基平面垂直于螺旋中心轴，螺旋一周包含 1010 个个 碱基，螺距碱基，螺距 3.4nm3.4nm

携带遗传信息的核酸

DNADNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型

3.4nm3.4nm

含含1010

个碱基对

个碱基对

360°

A

G

3′

5′3′TT

CC

5′

DNADNA 的双链形成的双链形成

DNADNA 的三种主要构的三种主要构象象

http://www.hbcnc.edu.cn/~swx/mb/jan.htmhttp://www.hbcnc.edu.cn/~swx/mb/jan.htm

• 储存、复制和传递遗传信息。储存、复制和传递遗传信息。

（ 3 ） DNA 的功能：

DNA → RNA → 蛋白质

携带遗传信息的核酸

携带遗传信息的核酸

3.RNA3.RNA 的结构与功能的结构与功能

1.1. RNARNA 的分子结构的分子结构 ::

基本组成单位是 核糖核酸。基本组成单位是 核糖核酸。 含含 A U G C A U G C 四种碱基。四种碱基。 RNARNA 为单链，但有的可自身回折形成局部为单链，但有的可自身回折形成局部

发夹结构。发夹结构。

RNA

mRNA （信使 RNA ）：携带遗传信息，作为 蛋白质的合成的模板 .

tRNA （转运 RNA ）：运输活化的氨基酸 .

rRNA （核糖体 RNA ）：是核糖体的组成成分 .

2. RNA2. RNA 的种类与功能：的种类与功能：

携带遗传信息的核酸

snRNA （小核 RNA ）：含 70-300 核苷酸，参与基因转录产物的加工。miRNA ( 微小 RNA ）：长约 21-25nt 的非编码RNA 。参与细胞分化与发育的基因表达的调控。

携带遗传信息的核酸

核酶和脱氧核酶核酶和脱氧核酶

核酶核酶（（ ribozymeribozyme ）：是具有酶活性的）：是具有酶活性的 RNARNA 。。

脱氧核酶脱氧核酶（（ deoxyribozymedeoxyribozyme ）：具有特定生）：具有特定生物物 催化功能的催化功能的 DNADNA 分子，也叫酶性分子，也叫酶性 DNADNA 。。

mRNA tRNA rRNAmRNA tRNA rRNA

细胞中含量细胞中含量 1%~5% 5%~10% 80%~90%1%~5% 5%~10% 80%~90%

分子量分子量 大小悬殊 分子量最小 大小悬殊 分子量最小 (0.36~1.1) × 10(0.36~1.1) × 1066

74~9574~95 个核苷酸个核苷酸

沉降系数沉降系数 6S~25S6S~25S 4S 5.8S 18S 28S4S 5.8S 18S 28S

结构特征结构特征

存在场所存在场所胞核、质或核糖体 细胞质或核糖体 核糖体胞核、质或核糖体 细胞质或核糖体 核糖体

功能作用功能作用

三种三种 RNARNA 分子的结构特征和功能作用分子的结构特征和功能作用

基本上呈线形，基本上呈线形，局部呈双链，形局部呈双链，形成发夹式结构。成发夹式结构。

呈三叶草形 线形，某些节线形，某些节段可能呈双螺段可能呈双螺旋结构。旋结构。

作为合成蛋白作为合成蛋白质的模板质的模板

运输活化的氨基运输活化的氨基酸到核糖体上酸到核糖体上

为核糖体的为核糖体的组成成分组成成分

tRNAtRNA 分子结构模式分子结构模式

反密码子反密码子

氨基酸氨基酸连接的位置连接的位置

反密码环反密码环

DNA DNA

RNARNA

戊 糖 戊 糖 脱氧核糖 核 糖脱氧核糖 核 糖碱 基碱 基 A G C T A G C UA G C T A G C U

磷 酸磷 酸 磷 酸磷 酸 磷 酸磷 酸

结 构结 构 双 链 单 链双 链 单 链存在部位存在部位 主要在细胞核 主要在细胞质主要在细胞核 主要在细胞质

功 能功 能 储存、复制和传递 与遗传信息表达储存、复制和传递 与遗传信息表达 遗传信息 有关遗传信息 有关

DNADNA 与与 RNARNA 的区别的区别

dAMPdAMP 、、 dGMP AMPdGMP AMP 、、 GMPGMP 、 、 dCMPdCMP 、、 dTMP CMPdTMP CMP 、、 UMP UMP 核苷酸种类核苷酸种类

1.1. 蛋白质蛋白质（（ proteinprotein ））分子的化学组成分子的化学组成 蛋白质的基本单位——蛋白质的基本单位——氨基酸氨基酸（（ amino acid)amino acid)

构成蛋白质的氨基酸有构成蛋白质的氨基酸有 2020 种种，结构的共同特点：，结构的共同特点：

含有含有碱性氨基（碱性氨基（ -NH-NH22 ））和 和 酸性羧基（酸性羧基（ -COOH-COOH ）），，

为为两性化合物两性化合物。。

组成蛋白质的主要元素—— 组成蛋白质的主要元素—— C H O NC H O N ；少量的；少量的SS

（二）蛋白质表达遗传信息（二）蛋白质表达遗传信息生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能

R C +NH3

COO-

H

侧链侧链——

— — 酸性的羧基酸性的羧基

碱性的氨基碱性的氨基

氨基酸——两性化合物氨基酸——两性化合物

COOCOO--_

NHNH33++

2.2. 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构由遗传信息表达的蛋白质

• 蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过蛋白质分子是由许多氨基酸分子通过肽键肽键，依次，依次 缩合而形成多肽链。缩合而形成多肽链。

肽 键

氨基端氨基端（（ NN端）端）

羧基端羧基端（（ CC端）端）

NH2-CH-C

H

O

OH甘氨酸

NH2-CH-C

H

O

OH甘氨酸

+ -H2O

甘氨酰甘氨酸肽键

肽键的形成肽键的形成

NH2-CH-C-N-CH-CO

OHHHH

ONH2-CH-C-N-CH-C

O

OHHHH

ONN

HH

NH-CH-C

H OH

OO

H甘氨酸

HH

NHNH

蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构

蛋白质的蛋白质的一级结构：一级结构：指多肽链中氨基酸的排列顺序。指多肽链中氨基酸的排列顺序。 主要的化学键：主要的化学键： 肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。

牛核糖核酸酶的一级结构

二二硫硫键键

蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构

蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构

蛋白质的蛋白质的二级结构二级结构：：是在一级结构的基础上，肽链是在一级结构的基础上，肽链

主链内的氨基酸残基之间有规则地形成氢键相互作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。用的结果。 主要形式主要形式：即：即 α-螺旋和和 β-β-片层折叠结构。 　片层折叠结构。 　

主要的化学键： 氢键

-螺旋

蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构

蛋白质的蛋白质的三级结构三级结构：不同侧链间相互作用形成的，：不同侧链间相互作用形成的，是在二级结构的基础上进一步折叠形成的。是在二级结构的基础上进一步折叠形成的。

主要的主要的化学键化学键：：氢键、离子键、 疏水作用和 氢键、离子键、 疏水作用和 VanVan

der Waalsder Waals 力。 力。

蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构

蛋白质的蛋白质的四级结构四级结构：每条独立的三级结构的多肽链：每条独立的三级结构的多肽链

构成蛋白质的构成蛋白质的亚基亚基，若干亚基通过非共价键而 相互，若干亚基通过非共价键而 相互

连接形成的复合体。（非共价键）连接形成的复合体。（非共价键）

亚基之间的亚基之间的结合力结合力主要是：疏水作用，其次是氢键主要是：疏水作用，其次是氢键 和离子键。和离子键。

蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构

3. 蛋白质的结构与功能的关系

4.酶

蛋白质的功能取决于其结构（或构象），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。结构域（ structural domains) 是大分子蛋白质的结构组成单元。组成一个结构域的氨基酸残基通常在 40-350 之间。通常通过结构域去推断某些蛋白质的功能。具有相同结构域的蛋白具有类似的功能。

本章节重点本章节重点

1.DNA1.DNA 的双螺旋结构的特征与功能的双螺旋结构的特征与功能 2.RNA2.RNA 结构与功能结构与功能 3.3. 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构