课程名称：生物信息臀 第2章生物学基础 授课章节 S2.1细胞S2.2蛋白质的结构和功能(2学时) 目的要求 介绍了基本的生物学知识，包括细胞生物学、蛋白质结构和功能、 重点：蛋白质、 DNA结构 中心法则 重点难点 难点：把这些知识与生物信息学内容密切联系，从生物信息学角度灵活学习基础生 物学知识。 分子生物学是生物信息学的必备基础知识。 生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。 S2.1细胞 尽管生物体的基因组差异很大，但是所有生物体都具有共同的成分一细胞。细胞 是组成生物体的基本单位，是生物体活动的基础，细胞是生物体的遗传控制中心，是生 物体生长发有的基础。 2.1.1细胞的概念 单细胞、多 细胞学说可以归纳为以下两点： 细胞生物 ()所有生物体都由细胞和细胞的产物组成。 (②新的细胞必须经过已存在的细胞的分裂而产生。 有丝分裂 2.1.2细胞的类别 减数分裂 细胞可分为质类】 一类是原核细胞，另一类是真核细胞 原核生物细胞缺乏真正的细胞核。 通常比真核生物细胞小 介绍原核 原核细胞也是地球上起源最早、细胞结构最简单的生命形式 生物细胞 2毛 基本特征 详细介绍 真核生物 图2.1细菌细胞模式图 细胞特征 真核细胞具有真正的细胞核。 其遗传物质DNA包被在双层膜的特殊结构中。细 核包括核仁、核质和核膜等部分。另外真核细胞还具有许多由膜包被或组成的细胞器， 它们包括线粒体、叶绿体、高尔基体和内质网等等。这些以膜为基础分化的结构使得真 核细胞比原核细胞复杂许多，导致了真核细胞功能的多样性
10 课程名称:生物信息学 授课章节 第 2 章 生物学基础 §2.1 细胞 §2.2 蛋白质的结构和功能 （2 学时） 目的要求 介绍了基本的生物学知识，包括细胞生物学、蛋白质结构和功能、 重点难点 重点：蛋白质、DNA 结构；中心法则 难点：把这些知识与生物信息学内容密切联系，从生物信息学角度灵活学习基础生 物学知识。 分子生物学是生物信息学的必备基础知识。 生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。 §2.1 细胞 尽管生物体的基因组差异很大，但是所有生物体都具有共同的成分——细胞。细胞 是组成生物体的基本单位，是生物体活动的基础，细胞是生物体的遗传控制中心，是生 物体生长发育的基础。 2.1.1 细胞的概念 细胞学说可以归纳为以下两点： ⑴ 所有生物体都由细胞和细胞的产物组成。 ⑵ 新的细胞必须经过已存在的细胞的分裂而产生。 2.1.2 细胞的类别 细胞可分为两类，一类是原核细胞，另一类是真核细胞。 原核生物细胞缺乏真正的细胞核，通常比真核生物细胞小。 原核细胞也是地球上起源最早、细胞结构最简单的生命形式。 图 2-1 细菌细胞模式图 真核细胞具有真正的细胞核，其遗传物质 DNA 包被在双层膜的特殊结构中。细胞 核包括核仁、核质和核膜等部分。另外真核细胞还具有许多由膜包被或组成的细胞器， 它们包括线粒体、叶绿体、高尔基体和内质网等等。这些以膜为基础分化的结构使得真 核细胞比原核细胞复杂许多，导致了真核细胞功能的多样性。 单细胞、多 细胞生物 有丝分裂、 减数分裂 介绍原核 生物细胞 基本特征 详细介绍 真核生物 细胞特征
图2-2植物细胞示意图 图23动物细胞示意图 2.13细胞的结构 下面简述细胞的主要构成部分 细胞膜和细胞壁 蛋白乐 图2-4质膜结构 细胞核。细胞核是真核细胞的特征，所有真核细胞都具有细胞核。细胞核包合以染 色质形式而存在的遗传物质。染色质上有处于不同枸象的DNA长链，这些DNA长链 核蛋白所包裹。一层核膜包用着细胞核，使之与细胞的其他部分分离。细胞核在细胞的 代谢、生长和分化中起着重要的作用，它是细胞的控制中心。 图2-5细胞核示意图
11 图 2-2 植物细胞示意图 图 2-3 动物细胞示意图 2.1.3 细胞的结构 下面简述细胞的主要构成部分。 细胞膜和细胞壁。 图 2-4 质膜结构 细胞核。细胞核是真核细胞的特征，所有真核细胞都具有细胞核。细胞核包含以染 色质形式而存在的遗传物质。染色质上有处于不同构象的 DNA 长链，这些 DNA 长链被 核蛋白所包裹。一层核膜包围着细胞核，使之与细胞的其他部分分离。细胞核在细胞的 代谢、生长和分化中起着重要的作用，它是细胞的控制中心。 图 2-5 细胞核示意图
除了细胞核外，细胞膜内是透明粘稠可流动的细胞质基质，细胞器分布在细胞质基 质中。细胞器主要包括线粒体、质体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、微体、液 饱、微管 、微丝等。有的细胞表面还有细胞膜的特征结构如鞭毛或纤毛 线粒体：线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，有能量代谢工厂之称，细胞呼吸中的 电子传递过程及ATP的合成就发生在线粒体内膜的表面。 图2-6线粒体 质体是植物细胞的细胞器，包括白色体和有色体。 叶绿体是另一类最重要的有色体，是植物讲行光合作用产牛食物分子的细胞器 图2-7叶绿体 内质网是细胞质内以脂类双分子层为基础形成的囊状、 泡状和管状结构。内质网 核膜、高尔基体或溶酶体等在发生上或功能上相互联系，构成了细胞质的内膜系统。根 据内质网上是否具有核糖体，可区分出光面内质网和糙面内质网。 图2-8内质网 高尔基体是一些聚集的扁的小囊和小泡
12 除了细胞核外，细胞膜内是透明粘稠可流动的细胞质基质，细胞器分布在细胞质基 质中。细胞器主要包括线粒体、质体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、微体、液 饱、微管、微丝等。有的细胞表面还有细胞膜的特征结构如鞭毛或纤毛。 线粒体：线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，有能量代谢工厂之称，细胞呼吸中的 电子传递过程及 ATP 的合成就发生在线粒体内膜的表面。 图 2-6 线粒体 质体 是植物细胞的细胞器，包括白色体和有色体。 叶绿体是另一类最重要的有色体，是植物进行光合作用产生食物分子的细胞器。 图 2-7 叶绿体 内质网是细胞质内以脂类双分子层为基础形成的囊状、泡状和管状结构。内质网与 核膜、高尔基体或溶酶体等在发生上或功能上相互联系，构成了细胞质的内膜系统。根 据内质网上是否具有核糖体，可区分出光面内质网和糙面内质网。 图 2-8 内质网 高尔基体是一些聚集的扁的小囊和小泡
图2-9高尔基体 溶酶体是动物细胞内的一种细胞器，为单层膜小泡，大小为02-0.8 图2-10溶酶体 微体与溶酶体类似，包括过氧化物酶体和乙醛酸循环体，含有氧化酶、过氧化氢 液泡 细胞骨架 白质纤维为主要成分的立体网络结书 图211细胞骨 S2.2蛋白质的结构和功能 蛋白质是一类结构极其复杂的生物大分子，是生命活动的主要承担者，是生命现多 的主要物质基础。 2.2.1.蛋白质的生物学功能 从物理化 其功能主要有催化功能、运输功能、营养储存功能、收缩和运动功能、结构功能 学性质讲 防御功能和调控功能 解20种氨
13 图 2-9 高尔基体 溶酶体是动物细胞内的一种细胞器，为单层膜小泡，大小为 0.2-0.8µm。 图 2-10 溶酶体 微体与溶酶体类似，包括过氧化物酶体和乙醛酸循环体，含有氧化酶、过氧化氢酶 或其他酶等。 液泡 细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的立体网络结构 图 2-11 细胞骨架 §2.2 蛋白质的结构和功能 蛋白质是一类结构极其复杂的生物大分子，是生命活动的主要承担者，是生命现象 的主要物质基础。 2.2.1. 蛋白质的生物学功能 其功能主要有催化功能、运输功能、营养储存功能、收缩和运动功能、结构功能、 防御功能和调控功能。 从物理化 学性质讲 解 20 种氨
2.2.2蛋白质的基本组成单位 基酸分类 氨基酸是蛋白质分子的基本结构单位」 联系后纯 所有氨基酸的化学结构形式极为相似： 中间为▣碳原子。它以共价键形式一侧与氨 基(-N,)相连，另一侧与羧基(-C00)相连。它的第三个健总与H相连。20种氨 基酸的区别在于各自有不同的R基团。 与其生物 学功能的 关系 2.23多肽链 在蛋白质合成时， ,个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基连接起来成为酰胺键， 通常称为肽链。肽键由第一个氨基酸的羧基和第二个氢基酸的氨基通过脱水反应形成。 HO 3 22.4蛋白质的结构 一级结构、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构。 一级结构指多肽链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多肽链的连接，而不涉及 其空间结构。 蛋白质二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的空间结构」 主要有： 、B-折叠、转角、环形和无规卷曲等。 理解蛋白 级结构和 三级结构之间，还存在一些被公认的过渡的结构层次。一个是超二级 质结构层 构，另一个是结构域。 相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列成想则的、在空间上能铭销 认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件，称为超二级结构。常见的几种超二级结 b.B-a-B c.B-loop-B d.Rossmann折叠， c、【g“希腊 钥匙”拓扑结构 分
14 2.2.2 蛋白质的基本组成单位 氨基酸是蛋白质分子的基本结构单位。 所有氨基酸的化学结构形式极为相似：中间为α碳原子。它以共价键形式一侧与氨 基（-NH2）相连，另一侧与羧基（-COOH）相连。它的第三个键总与 H 相连。20 种氨 基酸的区别在于各自有不同的 R 基团。 2.2.3 多肽链 在蛋白质合成时，一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基连接起来成为酰胺键， 通常称为肽键。肽键由第一个氨基酸的羧基和第二个氨基酸的氨基通过脱水反应形成。 2.2.4 蛋白质的结构 一级结构、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构。 一级结构指多肽链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多肽链的连接，而不涉及 其空间结构。 蛋白质二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的空间结构。 主要有： α-螺旋、β-折叠、转角、环形和无规卷曲等。 二级结构和三级结构之间，还存在一些被公认的过渡的结构层次。一个是超二级结 构，另一个是结构域。 相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列成规则的、在空间上能够辨 认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件，称为超二级结构。常见的几种超二级结 构 a. α-loop-α b. β- α- β c. β- loop- β d. Rossmann 折叠，e、f、g. “希腊 钥匙”拓扑结构 基酸分类 联系后续 内容学习 这些性质 与其生物 学功能的 关系 理解蛋白 质结构层 次