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第一篇 生物分子：结构和功能 1

第1章 生命的分子基础 1

一、生命属性与生物化学 1

（一）化学成分复杂而同一、结构错综而有序 1

（二）利用环境的能量和物质进行自我更新 2

（三）自我复制和自我装配是生命状态的精华 3

二、生物化学与分子生物学 4

（一）现代生物化学的发展和分子生物学的兴起 4

（二）现代生物化学发展中的一些重要学术中心和学者 5

（三）发展中的我国生物化学 6

三、生命物质的化学组成 7

（一）生命元素 7

（二）生物分子是碳的化合物 9

（三）生物小分子与代谢物 10

（四）生物大分子及其单体亚基 11

四、生物分子的三维结构：构型与构象 12

（一）生物分子的大小 12

（二）立体异构与构型 12

（三）构型的命名系统 15

（四）构象 15

（五）三维结构的分子模型 16

（六）生物分子间的相互作用是立体专一的 17

五、生物系统中的非共价相互作用 17

（一）离子相互作用 18

（二）氢键 18

（三）范德华力 18

（四）疏水相互作用 19

（五）非共价相互作用对大分子的结构和功能是关键的 20

六、水和生命 20

（一）水的结构和性质 20

（二）水是生命的介质 21

（三）溶质影响水的依数性 22

（四）水、弱酸和弱碱的电离 23

七、生命的基本单位——细胞 28

（一）生物三域——细菌、古菌和真核生物 28

（二）细胞是所有生物的结构和功能单位 29

（三）原核细胞的代表——大肠杆菌 30

（四）真核细胞含有多种膜质细胞器 31

八、生物分子的起源与进化 32

（一）最初的生物分子是通过化学进化产生的 33

（二）RNA或相关前体可能是最早的基因和催化剂 34

（三）原始细胞的出现——生物学进化的开始 35

（四）真核细胞是从原核细胞进化而来的 36

提要 36

习题 38

主要参考书目 38

第2章 氨基酸、肽和蛋白质 40

一、氨基酸——蛋白质的单体亚基 40

（一）蛋白质的水解 40

（二）α－氨基酸的一般结构 40

二、氨基酸的分类 41

（一）常见的蛋白质氨基酸 42

（二）不常见的蛋白质氨基酸 44

（三）非蛋白质氨基酸 46

三、氨基酸的酸碱性质 46

（一）氨基酸的解离 46

（二）氨基酸的等电点 48

四、氨基酸的化学反应 50

（一）α－羧基参加的反应 50

（二）α－氨基参加的反应 50

（三）α－羧基和α－氨基共同参加的反应 50

（四）侧链官能团参加的反应 52

五、氨基酸的旋光性和光谱性质 53

（一）氨基酸的旋光性和立体化学 53

（二）氨基酸的光谱性质 54

六、氨基酸混合物的分析和分离 55

（一）分配层析 55

（二）离子交换层析 58

七、肽 60

（一）肽和肽键的结构 60

（二）肽的物理和化学性质 62

（三）天然存在的活性肽 63

八、蛋白质的组成、分类、分子大小和结构层次 64

（一）蛋白质的化学组成和分类 64

（二）蛋白质分子的形状和大小 65

（三）蛋白质分子结构的组织层次 67

九、蛋白质的一级结构 68

（一）蛋白质的氨基酸［残基］序列决定蛋白质的功能 68

（二）蛋白质一级结构的举例 68

（三）蛋白质序列数据库 69

（四）蛋白质化学测序的策略 70

十、蛋白质测序的一些常用方法 70

（一）末端残基分析 70

（二）二硫键的断裂 71

（三）氨基酸组成的分析 72

（四）多肽链的部分裂解 72

（五）肽段氨基酸序列的测定 73

（六）肽段在原多肽链中的次序的确定（氨基酸全序列的重建） 77

（七）二硫键位置的确定 78

十一、氨基酸序列与生物进化 78

（一）序列的同源性、同源蛋白质和蛋白质家族 78

（二）同源蛋白质氨基酸序列的物种差异 79

（三）同源蛋白质具有共同的进化起源 81

十二、肽和蛋白质的化学合成：固相肽合成 82

提要 84

习题 85

主要参考书目 86

第3章 蛋白质的三维结构 88

一、蛋白质三维结构概述 88

（一）蛋白质构象主要由弱相互作用稳定 88

（二）肽键具有刚性和平面的性质 90

（三）多肽主链的折叠受到空间位阻的限制 91

二、测定蛋白质三维结构的方法 93

（一）X射线衍射可用于晶体结构的测定 93

（二）核磁共振可用于生物大分子动态结构的研究 94

（三）研究溶液中蛋白质构象的其他方法 97

三、蛋白质的二级结构 100

（一）α螺旋是常见的蛋白质二级结构 100

（二）氨基酸序列影响α螺旋的稳定性 103

（三）β构象把多肽链组织成片层结构 104

（四）β转角和Ω环是蛋白质中部分规正的二级结构 105

（五）无规卷曲也有确定的构象 106

四、纤维状蛋白质 106

（一）α－角蛋白是α螺旋蛋白质 106

（二）丝心蛋白和β－角蛋白是β折叠片蛋白质 108

（三）胶原蛋白是一种三股螺旋 109

（四）弹性蛋白是结缔组织中的另一种硬蛋白 111

（五）血纤蛋白原在凝血中起作用 112

五、蛋白质超二级结构和结构域 114

（一）超二级结构是二级结构的组合体 114

（二）结构域是三级结构中相对独立的局部折叠区 116

六、球状蛋白质与三级结构 117

（一）三级结构的形成 117

（二）球状蛋白质三级结构的特征 118

（三）球状蛋白质三级结构／结构域的解剖学 119

七、膜蛋白的结构 124

（一）膜内在蛋白质 125

（二）脂锚定膜蛋白质 126

八、四级结构和亚基缔合 128

（一）有关四级结构的一些概念 128

（二）四级缔合的驱动力 129

（三）四级结构的对称性 130

（四）亚基相互作用的方式 132

（五）四级缔合在结构和功能上的优越性 134

九、蛋白质的变性、折叠和结构预测 135

（一）蛋白质的变性 135

（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 136

（三）蛋白质肽链折叠的热力学 137

（四）蛋白质肽链折叠的动力学 139

（五）蛋白质结构的预测 141

提要 144

习题 145

主要参考书目 146

第4章 蛋白质的生物学功能 147

一、蛋白质功能的多样性 147

二、氧结合蛋白质——肌红蛋白：贮存氧 150

（一）氧与血红素辅基结合 150

（二）肌红蛋白是珠蛋白家族的成员 151

（三）肌红蛋白与O2结合是蛋白质与配体相互作用的实例 152

（四）蛋白质结构是如何影响配体结合的 155

三、氧结合蛋白质——血红蛋白：转运氧 156

（一）血红蛋白是在血液中转运O2的 156

（二）血红蛋白的结构 157

（三）结合氧时血红蛋白发生构象变化 158

（四）血红蛋白与氧结合是协同的 160

（五）协同性配体结合可以定量描述 161

（六）协同性结合机制的两个模型 162

（七）血红蛋白还转运H＋和CO2 163

（八）2，3－二磷酸甘油酸降低血红蛋白对O2的亲和力 164

四、血红蛋白分子病 165

（一）分子病是遗传的 165

（二）镰状细胞贫血 166

（三）α－和β－地中海贫血 168

五、免疫系统和免疫球蛋白 169

（一）免疫应答涉及一系列特化的细胞和特化的蛋白质 169

（二）免疫系统能识别自我和非我 171

（三）细胞表面上的分子相互作用触发免疫应答 172

（四）抗体具有两个相同的抗原结合部位 174

（五）抗体与抗原结合是专一而紧密的 176

（六）抗体－抗原相互作用是一些重要生化分析的基础 176

六、肌动蛋白、肌球蛋白和分子马达 178

（一）肌肉的主要蛋白质是肌球蛋白和肌动蛋白 178

（二）细丝和粗丝被组织成有序的结构 181

（三）肌球蛋白粗丝沿肌动蛋白细丝滑动 183

提要 185

习题 186

主要参考书目 187

第5章 蛋白质的性质、分离纯化和鉴定 189

一、蛋白质在水溶液中的行为 189

（一）蛋白质的酸碱性质 189

（二）蛋白质的胶体性质 190

（三）蛋白质的沉淀 191

二、蛋白质分离纯化的一般程序 191

三、蛋白质分离纯化的方法 193

（一）分离纯化方法的根据 193

（二）等电点沉淀和盐析 193

（三）有机溶剂分级分离 195

（四）透析和超滤 195

（五）密度梯度超速离心 196

（六）凝胶过滤——大小排阻层析 196

（七）凝胶电泳 198

（八）等电聚焦和双向电泳 199

（九）离子交换层析 200

（十）疏水相互作用层析 201

（十一）亲和层析 202

（十二）高效液相层析 202

四、蛋白质相对分子质量的测定 203

（一）凝胶过滤法测定相对分子质量 203

（二）SDS-PAGE测定相对分子质量 204

（三）沉降速度法测定相对分子质量 204

（四）质谱法 207

五、蛋白质的含量测定与纯度鉴定 208

（一）总蛋白质含量的测定 208

（二）特定蛋白质含量的测定 208

（三）蛋白质纯度鉴定 209

提要 209

习题 210

主要参考书目 211

第6章 酶的催化作用 212

一、酶研究的简史 212

二、酶是生物催化剂 213

（一）酶与一般催化剂的共同点 213

（二）反应速率理论与活化能 213

（三）酶通过降低活化自由能提高反应速率 215

（四）酶作为生物催化剂的特点 217

三、酶的化学本质及其组成 219

（一）酶的化学本质 219

（二）酶的化学组成 219

（三）单体酶、寡聚酶、多酶复合物 220

四、酶的命名和分类 222

（一）习惯命名法 222

（二）国际系统命名法 222

（三）国际系统分类法及酶的编号 222

五、酶的专一性 224

（一）酶对底物的专一性 224

（二）关于酶作用专一性的假说 226

六、酶的活力测定和分离纯化 227

（一）酶活力的测定 227

（二）酶的分离纯化 229

七、非蛋白质生物催化剂——核酶 231

（一）核酶的发现 231

（二）核酶的种类 231

（三）核酶的研究意义及应用前景 233

八、抗体酶 234

九、酶工程简介 235

（一）化学酶工程 236

（二）生物酶工程 237

提要 239

习题 239

主要参考书目 240

第7章 酶动力学 241

一、化学动力学基础 241

（一）化学反应速率及其测定 241

（二）反应分子数和反应级数 242

（三）各级反应的特征 243

二、底物浓度对酶促反应速率的影响 245

（一）中间复合物学说 245

（二）酶促反应的动力学方程式 246

（三）多底物的酶促反应动力学 255

三、酶的抑制作用 259

（一）抑制程度的表示方法 259

（二）抑制作用的类型 260

（三）可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别 261

（四）可逆抑制作用动力学 261

（五）一些酶的可逆与不可逆抑制剂 266

四、温度对酶促反应的影响 272

五、pH对酶促反应的影响 273

六、激活剂对酶促反应的影响 274

提要 274

习题 275

主要参考书目 277

第8章 酶作用机制和酶活性调节 278

一、酶的活性部位 278

（一）酶活性部位的特点 278

（二）研究酶活性部位的方法 279

二、酶催化反应的独特性质 282

三、酶促反应机制 282

（一）基元催化反应 282

（二）酶具有高催化能力的原因 286

四、酶催化反应机制的实例 289

（一）溶菌酶 289

（二）碳酸酐酶 293

（三）丝氨酸蛋白酶 295

（四）天冬氨酸蛋白酶 300

五、酶活性的别构调节 303

（一）酶的别构效应和别构酶的性质 303

（二）别构模型 305

（三）别构酶的调节功能 306

（四）别构酶的实例 307

六、酶活性的共价调节 312

（一）酶的可逆共价修饰 312

（二）酶原的激活——不可逆共价调节 317

七、同工酶 320

提要 322

习题 323

主要参考书目 324

第9章 糖类和糖生物学 325

一、引言 325

（一）糖类的生物学作用 325

（二）糖类的化学本质 325

（三）糖类的命名和分类 326

二、单糖的结构和性质 326

（一）单糖的开链结构 326

（二）单糖的立体化学 327

（三）单糖的环状结构 328

（四）单糖的构象 331

（五）单糖的物理和化学性质 333

三、重要的单糖和单糖衍生物 337

（一）单糖 337

（二）单糖磷酸酯 339

（三）糖醇 339

（四）糖酸 341

（五）脱氧糖 341

（六）氨基糖 341

（七）糖苷 343

四、寡糖 344

（一）寡糖的结构 344

（二）常见的二糖 345

（三）其他简单寡糖 345

（四）环糊精 346

五、多糖 346

（一）作为燃料贮存形式的同多糖 347

（二）起结构作用的同多糖 348

（三）影响同多糖折叠的因素 350

（四）植物细胞壁的基质杂多糖 351

（五）细菌细胞壁的结构杂多糖 353

（六）脊椎动物胞外基质的结构杂多糖 356

六、糖缀合物 357

（一）蛋白聚糖 357

（二）糖蛋白 360

（三）糖脂和脂多糖 362

七、糖类作为生物信息分子：糖密码 362

（一）糖链的生物学功能是多种多样的 363

（二）凝集素是阅读糖密码和介导多种生物学过程的蛋白质 364

（三）凝集素－糖相互作用是高专一性和多价的 365

（四）血型决定簇是寡糖 366

八、聚糖的结构分析 367

（一）聚糖结构分析的策略 367

（二）用于聚糖分析的一些方法 368

提要 370

习题 372

主要参考书目 373

第10章 脂质和生物膜 375

一、贮存脂质——三酰甘油和蜡 375

（一）脂肪酸是烃的衍生物 375

（二）三酰甘油是甘油的脂肪酸酯 380

（三）油脂酸败与脂质过氧化 381

（四）烹调油的部分氢化产生反式脂肪酸 383

（五）三酰甘油提供储能和保温 384

（六）蜡及其用作储能和防水 384

二、膜结构脂质——磷脂、糖脂和固醇 385

（一）甘油磷脂是磷脂酸的衍生物 385

（二）某些甘油磷脂含醚键连接的脂肪酰链 387

（三）叶绿体含半乳糖脂和硫脂 388

（四）古菌具有独特的膜脂 389

（五）鞘脂是鞘氨醇的衍生物 389

（六）细胞表面上的鞘脂是生物识别的位点 391

（七）类固醇具有四个稠合的碳环 391

三、活性脂质——作为信号、辅因子和色素 394

（一）类二十烷酸是局部性的激素 395

（二）磷脂酰肌醇和鞘氨醇衍生物是胞内信使 397

（三）类固醇激素在组织之间运载信息 397

（四）许多类异戊二烯（类萜）是活性脂质 398

（五）聚酮化合物是具有强力生物活性的天然产物 400

四、血浆脂蛋白 401

（一）血浆脂蛋白的分类 402

（二）血浆脂蛋白的结构与功能 402

五、生物膜的组成和结构 404

（一）每种膜都有特定的脂质和蛋白质 405

（二）脂双层是膜的基本结构元件 406

（三）膜成分在脂双层两侧的分布是不对称的 406

（四）有三类膜蛋白跟膜结合的方式不同 407

（五）生物膜是动态的 408

（六）质膜的内在蛋白质参与表面黏着、信号传递和其他细胞过程 410

（七）生物膜的流动镶嵌模型 411

六、脂质的提取、分离和分析 411

（一）脂质用有机溶剂提取 412

（二）吸附层析分离不同极性的脂质 412

（三）气－液色谱用于分析挥发性脂质混合物 412

（四）专一性水解有助脂质结构测定 413

（五）质谱与脂质结构测定和脂质组学 413

提要 413

习题 415

主要参考书目 416

第11章 核酸的结构和功能 417

一、核酸的发现和研究简史 417

（一）核酸的发现 417

（二）核酸的早期研究 417

（三）DNA双螺旋结构模型的建立 418

（四）DNA克隆技术的兴起和RNA研究的重大突破 419

（五）人类基因组计划开辟了生命科学新纪元 419

二、核酸的种类和分布 421

（一）脱氧核糖核酸 421

（二）核糖核酸 422

三、核酸的化学组成 423

（一）碱基 423

（二）核苷 425

（三）核苷酸 426

（四）核苷酸的衍生物 426

（五）核苷酸的聚合物 428

四、DNA的结构和功能 428

（一）DNA的一级结构 428

（二）DNA的双螺旋结构 429

（三）DNA的三股螺旋和四股螺旋 432

（四）DNA的超螺旋 433

（五）DNA贮存遗传信息 435

五、RNA的结构与功能 438

（一）RNA的一级结构 438

（二）RNA的高级结构 440

（三）RNA表达遗传信息 444

提要 449

习题 450

主要参考书目 451

第12章 核酸的物理化学性质和研究方法 452

一、核酸的水解 452

（一）酸水解 452

（二）碱水解 452

（三）酶水解 453

二、核酸的酸碱性质 453

（一）碱基的解离 453

（二）核苷的解离 454

（三）核苷酸的解离 454

（四）核酸的滴定曲线 455

三、核酸的紫外吸收 456

四、核酸的变性、复性及杂交 456

（一）变性 456

（二）复性 458

（三）核酸分子杂交 459

五、核酸的分离和纯化 459

（一）核酸的超速离心 459

（二）核酸的凝胶电泳 461

（三）核酸的柱层析 463

（四）DNA的提取和纯化 463

（五）RNA的提取和纯化 464

六、核酸序列的测定 464

（一）第一代测序技术 465

（二）第二代测序技术 469

（三）第三代测序技术 473

七、DNA微阵技术 475

（一）DNA芯片的类型 475

（二）DNA芯片的制作 475

（三）核酸杂交的检测 476

（四）DNA芯片的应用 477

八、核酸的化学合成 477

提要 478

习题 480

主要参考书目 480

第13章 维生素和辅酶 482

一、维生素概论 482

（一）维生素的概念 482

（二）维生素的发现 482

（三）维生素的分类和辅酶的关系 483

二、脂溶性维生素 483

（一）维生素A 483

（二）维生素D 486

（三）维生素E 487

（四）维生素K 488

三、水溶性维生素 490

（一）维生素B1和硫胺素焦磷酸 490

（二）维生素PP和烟酰胺辅酶 491

（三）维生素B2和黄素辅酶 493

（四）泛酸和辅酶A 495

（五）维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺 497

（六）维生素B12及其辅酶 498

（七）生物素和辅酶生物胞素 503

（八）叶酸和四氢叶酸 505

（九）硫辛酸 507

（十）维生素C 508

四、作为辅酶（辅基）的金属离子 512

（一）概论 512

（二）金属酶类与金属激活酶类 513

（三）含铁酶类 513

（四）含铜酶类 514

（五）含锌酶类 514

（六）其他金属酶类 515

提要 515

习题 516

主要参考书目 517

第14章 激素和信号转导 518

一、激素通论 518

（一）激素和其他化学信号 518

（二）激素的分类 519

（三）激素的检测和纯化 519

（四）内分泌腺及其分泌的激素 520

（五）激素释放的分级控制和反馈调节 523

（六）激素通过靶细胞受体起作用 525

二、人和脊椎动物的一些重要激素 526

（一）肽激素 526

（二）儿茶酚胺激素 529

（三）类二十烷酸激素 530

（四）类固醇激素 530

（五）维生素D激素 532

（六）类视黄醇激素 532

（七）甲状腺激素 532

（八）氧化氮 533

三、昆虫激素 534

（一）昆虫的内激素 534

（二）昆虫的外激素 535

四、植物激素 535

（一）生长素 535

（二）细胞分裂素 535

（三）赤霉素 536

（四）脱落酸 537

（五）乙烯 537

五、信号转导概述 537

（一）信号转导的共同特点 537

（二）信号转导的基本过程和基本类型 539

六、G蛋白偶联受体和第二信使 539

（一）G蛋白偶联受体和第二信使 540

（二）β－肾上腺素能受体系统通过第二信使起作用 541

（三）终止β－肾上腺素能应答的几种机制 545

（四）β－肾上腺素能受体由于磷酸化和与β－抑制蛋白缔合而脱敏 545

（五）cAMP是多种调节分子的第二信使 546

（六）二酰甘油、肌醇三磷酸和Ca2＋也是第二信使 547

（七）钙是时空上定位的第二信使 548

七、受体酪氨酸激酶 550

（一）刺激胰岛素受体启动蛋白质磷酸化反应的级联 550

（二）膜磷脂PIP3在胰岛素信号转导的分支点起作用 552

（三）JAK-STAT信号转导也涉及酪氨酸激酶活性 553

（四）信号转导系统之间的通讯是普遍而复杂的 554

八、受体鸟苷酸环化酶、cGMP和蛋白激酶G 555

九、门控离子通道 556

（一）离子通道是可兴奋细胞的基础 556

（二）电压－门控离子通道产生神经元的动作电位 558

（三）乙酰胆碱受体是配体门控离子通道 560

（四）神经元有应答不同神经递质的受体通道 561

（五）毒素靶向离子通道 561

十、整联蛋白——双向黏着受体 561

十一、通过核内受体的信号转导机制 562

提要 564

习题 566

主要参考书目 566

索引 567