目录十一、硫辛酸参与物质代谢及抗氧化三、Cdk抑制蛋白..298·282第五节细胞增殖异常与疾病..·300第三节微量元素·283一、增殖异常是肿瘤发生的重要细胞学基础一、铁是多种蛋白质和酶的组成部分....300..283二、某些心血管疾病也存在细胞增殖异常二、锌与多种酶的活性有关...284..301.·284三、其他三、铜是多种酶的辅助因子·301四、锰是多种酶的成分或激活剂285五、硒具有多种生理功能.285E第十九章组学与医学303六、碘是甲状腺激素的主要成分…·286第一节基因组学303七、氟参与维持骨骼和牙齿的正常一、基因组学包括结构基因组学、功能结构与功能286基因组学和比较基因组学303二、人类基因组DNA序列的确定是第十八章细胞增殖调控分子结构基因组学研究的基础·304·290三、从基因表达角度寻找、鉴定与注释基因功能是功能基因组学研究第一节癌基因.·*.290的主要任务..305一、癌基因是一类促进细胞增殖的四、基因组比较研究是探索生物进化、正常基因组成分··290推测人类遗传疾病发生机制的重要二、已发现多个癌基因家族..·291手段、：·305三、原癌基因通过多种方式活化为癌五、人类基因组的新特点为认识疾病基因.·291提供丰富资料·305四、癌基因有多种表达产物与功能第二节转录组学，.306·292第二节肿瘤抑制基因·293一、转录组学从RNA水平研究基因表达情况及转录调控规律....·306一、肿瘤抑制基因是一类负调控细胞二、基因芯片等技术是转录组学研究增殖的正常基因组成分....293的重要手段..306二、p53与Rb是两类常见的肿瘤抑制三、转录谱提供特定条件下某些基因基因..293.的表达信息306三、肿瘤抑制基因具有多种功能…·295第三节蛋白质组学··306第三节生长因子:295一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质一、生长因子是调控细胞生长、增殖的组成及其活动规律...307的多肽类物质....295二、二维电泳和质谱是蛋白质组学研究二、生长因子具有多种功能....295的常规技术·307三、生长因子通过受体介导的细胞三、蛋白质组学是寻找疾病分子标记、信号转导途径调节细胞的生长发现和鉴别药物新靶点的有效途径和分化·296·307第四节细胞周期相关蛋白·296第四节代谢组学:307一、细胞周期蛋白..296一、代谢组学的任务是分析细胞代谢二、周期蛋白依赖性蛋白激酶··2989
9 目 录 十一、硫辛酸参与物质代谢及抗氧化 .282 第三节 微量元素. 283 一、铁是多种蛋白质和酶的组成部分 .283 二、锌与多种酶的活性有关 .284 三、铜是多种酶的辅助因子 .284 四、锰是多种酶的成分或激活剂 .285 五、硒具有多种生理功能 .285 六、碘是甲状腺激素的主要成分 .286 七、氟参与维持骨骼和牙齿的正常 结构与功能 .286 第十八章 细胞增殖调控分子 .290 第一节 癌基因. 290 一、癌基因是一类促进细胞增殖的 正常基因组成分 .290 二、已发现多个癌基因家族 .291 三、原癌基因通过多种方式活化为癌 基因 .291 四、癌基因有多种表达产物与功能 .292 第二节 肿瘤抑制基因. 293 一、肿瘤抑制基因是一类负调控细胞 增殖的正常基因组成分 .293 二、p53 与 Rb 是两类常见的肿瘤抑制 基因 .293 三、肿瘤抑制基因具有多种功能 .295 第三节 生长因子. 295 一、生长因子是调控细胞生长、增殖 的多肽类物质 .295 二、生长因子具有多种功能 .295 三、生长因子通过受体介导的细胞 信号转导途径调节细胞的生长 和分化 .296 第四节 细胞周期相关蛋白. 296 一、细胞周期蛋白 .296 二、周期蛋白依赖性蛋白激酶 .298 三、Cdk 抑制蛋白 .298 第五节 细胞增殖异常与疾病. 300 一、增殖异常是肿瘤发生的重要细胞 学基础 .300 二、某些心血管疾病也存在细胞增殖 异常 .301 三、其他 .301 第十九章 组学与医学 .303 第一节 基因组学. 303 一、基因组学包括结构基因组学、功能 基因组学和比较基因组学 .303 二、人类基因组 DNA 序列的确定是 结构基因组学研究的基础 .304 三、从基因表达角度寻找、鉴定与注 释基因功能是功能基因组学研究 的主要任务 .305 四、基因组比较研究是探索生物进化、 推测人类遗传疾病发生机制的重要 手段 . 305 五、人类基因组的新特点为认识疾病 提供丰富资料 .305 第二节 转录组学. 306 一、转录组学从 RNA 水平研究基因 表达情况及转录调控规律 .306 二、基因芯片等技术是转录组学研究 的重要手段 .306 三、转录谱提供特定条件下某些基因 的表达信息 .306 第三节 蛋白质组学. 306 一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质 的组成及其活动规律 .307 二、二维电泳和质谱是蛋白质组学研究 的常规技术 .307 三、蛋白质组学是寻找疾病分子标记、 发现和鉴别药物新靶点的有效途径 .307 第四节 代谢组学. 307 一、代谢组学的任务是分析细胞代谢
目录第三节生物芯片技术…·产物的全貌..307..318二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学一、基因芯片实现了基因信息的大规模的主要分析工具·308检测·319三、代谢组学是从整体研究复杂生命二、蛋白质芯片是一种快速、高通量的现象·308可同时对多种蛋白质分析的技术第五节基因诊断308319、基因诊断是通过直接检测基因结构第四节生物大分子相互作用研究技术或表达水平对疾病作出诊断308320二、基因诊断具有特异性强、灵敏度高、酵母双杂交、免疫共沉淀等技术用等特点：308于研究蛋白质相互作用......·320三、基因诊断常应用核酸分子杂交、二、染色质免疫沉淀、凝胶迁移实验等DNA序列分析、PCR等技术··309用于研究DNA-蛋白质相互作用第六节基因治疗·309322、基因治疗包括基因矫正、基因置换、第五节转基因与基因敲除技术324基因增补等多种策略..310一、转基因技术是对生物基因组进行二、基因治疗过程包括多个环节**310可遗传性修饰324三、基因治疗具有广阔应用前景，但仍二、核转移技术即动物整体克隆技术存在众多挑战:311·324三、基因鼓除是专一性去除某种目的第二十章常用分子生物学技术的基因的技术....324四、基因转移和基因敲除技术对医学原理与应用.·313.发展有重大推动作用..325第一节 PCR技术313一、PCR是体外快速扩增DNA的常用名词注解327技术313二、PCR技术应用广泛·314三、由PCR衍生了多种新技术….315中英文专业词汇索引339第二节印迹技术··317一、印迹技术以分子杂交为基础..317主要参考文献·344二、印迹技术广泛应用于DNA、RNA及蛋白质的定性及定量检测..31710
10 目 录 产物的全貌 .307 二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学 的主要分析工具 .308 三、代谢组学是从整体研究复杂生命 现象 .308 第五节 基因诊断. 308 一、基因诊断是通过直接检测基因结构 或表达水平对疾病作出诊断 .308 二、基因诊断具有特异性强、灵敏度高 等特点 .308 三、基因诊断常应用核酸分子杂交、 DNA 序列分析、PCR 等技术 .309 第六节 基因治疗. 309 一、基因治疗包括基因矫正、基因置换、 基因增补等多种策略 .310 二、基因治疗过程包括多个环节 .310 三、基因治疗具有广阔应用前景，但仍 存在众多挑战 .311 第二十章 常用分子生物学技术的 原理与应用 .313 第一节 PCR 技术 . 313 一、PCR 是体外快速扩增 DNA 的常用 技术 .313 二、PCR 技术应用广泛 .314 三、由 PCR 衍生了多种新技术 .315 第二节 印迹技术. 317 一、印迹技术以分子杂交为基础 .317 二、印迹技术广泛应用于 DNA、RNA 及蛋白质的定性及定量检测 .317 第三节 生物芯片技术. 318 一、基因芯片实现了基因信息的大规模 检测 .319 二、蛋白质芯片是一种快速、高通量的 可同时对多种蛋白质分析的技术 .319 第四节 生物大分子相互作用研究技术 . 320 一、酵母双杂交、免疫共沉淀等技术用 于研究蛋白质相互作用 .320 二、染色质免疫沉淀、凝胶迁移实验等 用于研究 DNA- 蛋白质相互作用 .322 第五节 转基因与基因敲除技术. 324 一、转基因技术是对生物基因组进行 可遗传性修饰 .324 二、核转移技术即动物整体克隆技术 .324 三、基因敲除是专一性去除某种目的 基因的技术 .324 四、基因转移和基因敲除技术对医学 发展有重大推动作用 .325 名词注解 .327 中英文专业词汇索引 .339 主要参考文献 .344
第一篇生物大分子的结构与功能众所周知，生物体，包括人体，是由数以亿万计的、分子量各不相同的物质按严格规律而组成的。据测定，人体的物质组成含有水55%～67%，蛋白质15%～18%，脂类10%～15%，无机盐3%～4%，糖类1%~2%。此外，还有核酸以及维生素、激素等。人们通常将蛋白质、核酸、糖类、脂质等统称为生物分子，而又将蛋白质、核酸称为生物大分子。几乎一切有生命的物体均含有这两类生物大分子，因此它们是生命的标志。生物大分子通常都有一定的分子结构规律，即由一定的基本结构单位按一定的排列顺序和连接方式而形成多聚体。例如，蛋白质是以氨基酸为基本结构单位，通过肽键相连而成的多肽链结构；而核酸是以核苷酸为基本结构单位，通过3,5磷酸二酯键相连而成的多核苷酸结构。生物大分子的结构决定着它的功能，即结构是功能的基础，而功能则是特定结构的体现。本篇介绍蛋白质、核酸、酶三类生物大分子的结构与功能。蛋白质是生命活动的物质基础，具有多种重要的生物学功能；核酸是遗传物质，决定着遗传信息的传递；而绝大多数酶是具有生物催化活性的蛋白质，催化体内各种物质代谢的进行，是生物体新陈代谢的基本保证。研究生物大分子的结构与功能是近代分子生物学的重要内容。学习本篇知识对理解多种生命过程的本质，包括生长、遗传运动、物质代谢等具有重要意义，也为后续课程的学习打下基础。学习本篇时，要重点掌握上述生物大分子的结构特点、重要功能、结构与功能的关系，以及基本理化性质及其在医学中的应用。同时注意将各章内容进行横向联系、比较，这样既便于记忆，也便于理解。（倪菊华）
众所周知，生物体，包括人体，是由数以亿万计的、分子量各不相同的物 质按严格规律而组成的。据测定，人体的物质组成含有水 55% ～ 67%，蛋白质 15% ～ 18%，脂类 10% ～ 15%，无机盐 3% ～ 4%，糖类 1% ～ 2%。此外，还 有核酸以及维生素、激素等。人们通常将蛋白质、核酸、糖类、脂质等统称为生 物分子，而又将蛋白质、核酸称为生物大分子。几乎一切有生命的物体均含有这 两类生物大分子，因此它们是生命的标志。 生物大分子通常都有一定的分子结构规律，即由一定的基本结构单位按一定 的排列顺序和连接方式而形成多聚体。例如，蛋白质是以氨基酸为基本结构单位， 通过肽键相连而成的多肽链结构；而核酸是以核苷酸为基本结构单位，通过 3′,5′- 磷酸二酯键相连而成的多核苷酸结构。生物大分子的结构决定着它的功能，即结 构是功能的基础，而功能则是特定结构的体现。 本篇介绍蛋白质、核酸、酶三类生物大分子的结构与功能。蛋白质是生命活 动的物质基础，具有多种重要的生物学功能；核酸是遗传物质，决定着遗传信息 的传递；而绝大多数酶是具有生物催化活性的蛋白质，催化体内各种物质代谢的 进行，是生物体新陈代谢的基本保证。研究生物大分子的结构与功能是近代分子 生物学的重要内容。学习本篇知识对理解多种生命过程的本质，包括生长、遗传、 运动、物质代谢等具有重要意义，也为后续课程的学习打下基础。 学习本篇时，要重点掌握上述生物大分子的结构特点、重要功能、结构与功 能的关系，以及基本理化性质及其在医学中的应用。同时注意将各章内容进行横 向联系、比较，这样既便于记忆，也便于理解。 （倪菊华） 第一篇 生物大分子的结构与功能
第一章蛋白质的结构与功能学习目标1.了解蛋白质在生命活动中的重要性，掌握蛋白质的重要生理功能。2.掌握蛋白质的化学组成及结构单位：元素组成及特点：基本结构单位氨基酸及其结构特点。3.掌握蛋白质分子结构的基本概念及结构要点。4.掌握蛋白质结构与功能的关系：一级结构与功能的关系；空间结构与功能的关系。5.熟悉蛋白质的重要理化性质：两性电离及等电点；高分子性质；变性、沉淀等概念及其在医学上的应用。蛋白质（protein）广泛存在于生物界，从最简单的生物到人类，都以蛋白质为重要的组成物质。人体内蛋白质含量占人体干重的45%。生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也越繁多。最简单的单细胞生物，如大肠杆菌含有约3000种不同的蛋白质，人体约有10万种以上不同的蛋白质，不同的蛋白质各有特异的生物学功能。蛋白质是各种组织的基本组成成分，维持组织的生长、更新和修复。此外，蛋白质还具有许多特殊功能，例如催化功能（酶）、调节功能（蛋白质、多肽类激素）、收缩和运动功能（肌肉蛋白）、运输和储存功能（白蛋白、血红蛋白）、保护和免疫功能（凝血酶原、免疫球蛋白）以及生长、发育、繁殖和遗传等，都与蛋白质的生理功能有关。因此，蛋白质是生命活动的物质基础。由于不同细胞在不同生理或病理状态下所表达的蛋白质种类不尽相同，因此从生物整体蛋白质水平研究生命活动的规律及重要的生理病理现象，已成为21世纪生命科学的重点，并由此诞生了一门新的学科一一蛋白质组学。第一节蛋白质的分子组成一、碳、氢、氧、氮是组成蛋白质的基本元素组成蛋白质的主要元素有碳（50%～55%）、氢（6%~8%）、氧（19%～24%）、氮（13%～19%），有些蛋白质还含有少量硫、磷、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钻、钼等，2
2 第一章 蛋白质的结构与功能 学习目标 1．了解蛋白质在生命活动中的重要性，掌握蛋白质的重要生理 功能。 2．掌握蛋白质的化学组成及结构单位：元素组成及特点；基本结构 单位氨基酸及其结构特点。 3．掌握蛋白质分子结构的基本概念及结构要点。 4．掌握蛋白质结构与功能的关系：一级结构与功能的关系；空间结 构与功能的关系。 5．熟悉蛋白质的重要理化性质：两性电离及等电点；高分子性质； 变性、沉淀等概念及其在医学上的应用。 蛋白质（protein）广泛存在于生物界，从最简单的生物到人类，都以蛋白质为重要的组 成物质。人体内蛋白质含量约占人体干重的 45%。生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能 也越繁多。最简单的单细胞生物，如大肠杆菌含有约 3000 种不同的蛋白质，人体约有 10 万 种以上不同的蛋白质，不同的蛋白质各有特异的生物学功能。蛋白质是各种组织的基本组成 成分，维持组织的生长、更新和修复。此外，蛋白质还具有许多特殊功能，例如催化功能 （酶）、调节功能（蛋白质、多肽类激素）、收缩和运动功能（肌肉蛋白）、运输和储存功能 （白蛋白、血红蛋白）、保护和免疫功能（凝血酶原、免疫球蛋白）以及生长、发育、繁殖和 遗传等，都与蛋白质的生理功能有关。因此，蛋白质是生命活动的物质基础。由于不同细胞 在不同生理或病理状态下所表达的蛋白质种类不尽相同，因此从生物整体蛋白质水平研究生 命活动的规律及重要的生理病理现象，已成为 21 世纪生命科学的重点，并由此诞生了一门 新的学科——蛋白质组学。 第一节 蛋白质的分子组成 一、碳、氢、氧、氮是组成蛋白质的基本元素 组成蛋白质的主要元素有碳（50% ～ 55%）、氢（6% ～ 8%）、氧（l9% ～ 24%）、氮 （13% ～ 19%），有些蛋白质还含有少量硫、磷、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼等
第一章蛋白质的结构与功能个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近且恒定，平均约为16%，即1克氮相当于6.25（100一16）克蛋白质。由于生物体内的氮元素主要存在于蛋白质中，因此，可以通过测定生物样品的含氮量推算出它的蛋白质含量。计算式如下：每克样品中蛋白质的含量=每克样品的含氮量×6.25二、氨基酸是蛋白质分子的基本结构单位蛋白质是高分子化合物，可以受酸、碱或蛋白酶作用水解为小分子物质。蛋白质彻底水解后，用化学分析方法证明其基本组成单位为氨基酸（aminoacid）。（一）氨基酸的结构特点存在于自然界中的氨基酸有300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种。这20种氨基酸在结构上有共同的特点（表1-1)。1.蛋白质水解所得到的氨基酸都是α-氨基酸（脯氨酸为α-亚氨基酸），即氨基都是连接在α碳原子上，其结构通式如下（R为氨基酸的侧链基团）。COOHR—CNH2H2.不同氨基酸主要体现在R基团的不同，除R基团为H的甘氨酸外，其他氨基酸的α碳原子连接的4个原子或基团都不同，即为不对称碳原子，也称手性碳原子，故氨基酸具有旋光异构性，存在L-型和D-型两种异构体。组成天然蛋白质的氨基酸均为L-型（图1-1）。CHOCOOHHO-C—HH2NC—H1RHCH2OHL-型甘油醛L-型α-氨基酸（R为侧链）图1-1L-型甘油醛与L-型α-氨基酸（二）氨基酸的分类根据氨基酸R基团的结构和性质不同，将20种氨基酸分为四类（表1-1)。1.酸性氨基酸其R基团含有羧基，在生理条件下带负电荷。这类氨基酸有谷氨酸和天冬氨酸。2.碱性氨基酸其R基团分别含氨基、胍基和咪唑基，在生理条件下带正电荷。这类氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸。3．不带电荷的极性氨基酸共有7种，其特征是具有极性R侧链，且在中性溶液中很少电离，故具有亲水性，如丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸等。4．非极性疏水性氨基酸其特征是具有非极性R侧链，它们显示出不同程度的疏水性，如丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸等。3
3 第一章 蛋白质的结构与功能 个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近且恒定，平均约为 16%，即 1 克氮相当于 6.25（100÷16）克蛋白质。由于生物体内的氮元素主要存在于蛋白质中，因此，可以通过测 定生物样品的含氮量推算出它的蛋白质含量。计算式如下： 每克样品中蛋白质的含量 = 每克样品的含氮量 × 6.25 二、氨基酸是蛋白质分子的基本结构单位 蛋白质是高分子化合物，可以受酸、碱或蛋白酶作用水解为小分子物质。蛋白质彻底水 解后，用化学分析方法证明其基本组成单位为氨基酸（amino acid）。 （一）氨基酸的结构特点 存在于自然界中的氨基酸有 300 余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有 20 种。这 20 种氨基 酸在结构上有共同的特点（表 1-1）。 1．蛋白质水解所得到的氨基酸都是 α- 氨基酸（脯氨酸为 α- 亚氨基酸），即氨基都是连 接在 α 碳原子上，其结构通式如下（R 为氨基酸的侧链基团）。 COOH R N C H2 H 2．不同氨基酸主要体现在 R 基团的不同，除 R 基团为 H 的甘氨酸外，其他氨基酸的 α 碳原子连接的 4 个原子或基团都不同，即为不对称碳原子，也称手性碳原子，故氨基酸具有 旋光异构性，存在 L- 型和 D- 型两种异构体。组成天然蛋白质的氨基酸均为 L- 型（图 1-1）。 （二）氨基酸的分类 根据氨基酸 R 基团的结构和性质不同，将 20 种氨基酸分为四类（表 1-1）。 1．酸性氨基酸 其 R 基团含有羧基，在生理条件下带负电荷。这类氨基酸有谷氨酸和 天冬氨酸。 2．碱性氨基酸 其 R 基团分别含氨基、胍基和咪唑基，在生理条件下带正电荷。这类 氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸。 3．不带电荷的极性氨基酸 共有 7 种，其特征是具有极性 R 侧链，且在中性溶液中很 少电离，故具有亲水性，如丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸等。 4．非极性疏水性氨基酸 其特征是具有非极性 R 侧链，它们显示出不同程度的疏水性， 如丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸等。 CHO CHO H CH2OH L-ۋၲෳᧉ COOH 2N H CH RH L-ۋα-ත۲ᦺḸR˝Ξᩖḹ 图 1-1 L- 型甘油醛与 L- 型 α- 氨基酸