結構生物學：從原子到生命(原書第二版)

系列名：生命科學名著

ISBN13：9787030737885

出版社：科學出版社

作者：(瑞典)A.利亞斯等

出版日：2023/03/01

裝訂：平裝

頁數：401頁

規格：28.5cm*21cm (高/寬)

版次：一版

內容介紹

《結構生物學：從原子到生命：原書第二版》以生物學功能為主線，以生物大分子及其複合物的三維原子結構為中心，全面深刻地解析了重要生命活動過程的結構基礎及由此闡述的分子機理，內容涵蓋了從蛋白質、核酸、脂類到生物膜的基本結構資訊與知識，以及從遺傳訊息DNA到RNA到蛋白質的傳遞，基因產物蛋白質的合成與降解，從各類生物訊號傳導、細胞運動、物質輸運與相互作用，到免疫系統的結構生物學與病毒結構與功能。 《結構生物學：從原子到生命：原書第二版》涉及的知識系統深入，內容豐富翔實，圖文並茂，既整合了迄今*新的研究成果和學科知識，又展現了從生物大分子的原子結構到重要生命活動的內在聯繫和基本原理。

目錄

第1章　導論　1

第2章　蛋白質結構基礎　8

第3章　蛋白質的摺疊過程、摺疊類型與功能　27

第4章　膜蛋白基礎　48

第5章　核酸基礎　72

第6章　脂類和膜結構基礎　108

第7章　碳水化合物基礎　139

第8章　酶　149

第9章　基因組結構、DNA複製與重組　178

第10章　轉錄　204

第11章　蛋白質的合成－翻譯　237

第12章　蛋白質摺疊與降解　261

第13章　跨膜運輸　288

第14章　訊號傳導　306

第15章　細胞的運動與物質運輸　327

第16章　細胞間互作的結構基礎　347

第17章　免疫系統　356

第18章　病毒的結構與功能　367

第19章　結構生物學中的生物資訊工具　380

索引　397

精彩書摘

第1章導論

1.1生命

我們的周圍充滿了微生物、植物與動物這些我們一眼就能夠辨識出的生命體（圖1.1）。但是給生命下一個簡潔的定義並非易事。就本書的目的來說，或許可以將生命定義為具有化學活性且能進行繁殖和演化的單元。

化學活性又稱代謝，涉及能量與物質轉換。這些活性使生命機體以不同形式獲得能量與化學物質。上千種化學活性可以在活著的機體中同時發生，這些反應必須很好地協調以確保生命單元的穩定性。

這些生命單元在繁殖（產生新的單元）過程中同時產生延續性和□異性這兩種重要的生命特徵。繁殖、資訊的水平轉移及「出錯」複製的組合構成了演化的基礎。換句話說，生命單元的組成應該能夠隨時間□化以更好地適應□化中的環境條件。生命機體看起來有著非常不同的外形和生活方式，然而，生命的基本特徵（包括代謝、繁殖和演化）卻是由非常相似的次結構－生物大分子和細胞組成及掌控的。

1.2生命組織的層次

生命世界由小到大具有幾個等級層次。 □□層是分子，其次是無機化合物、有機化合物及生物大分子的混合體，然後是亞細胞結構、細胞、組織、器官、機體、種群、群落及生物圈，這些構成了地球上的所有生物群。

大分子是所有生命機體的核心。它們是由重複單元構成的巨大多聚物。這些重複單元可能相同也可能不同，以共價鍵或非共價鍵相連。大分子執行眾多功能，是代謝、繁殖和演化的基礎，這些功能包括能量或資訊的儲存、反應的催化、協作與調控、通訊、結構支持、防禦、運動與運輸。以其化學組成為基礎，我們講述三種類型的大分子：①多肽和蛋白質，是由胺基酸殘基組成的多聚體；②核酸，是由核苷酸組成的多聚體；③碳水化合物，由糖組成的多聚體（圖1.2）。這裡需要提到的其他與生命活動相關的核心分子是脂質。雖然脂質不是大分子，但會自己組裝成為大分子尺度的聚合體，包括脂質雙分子層（細胞膜的重要組成部分）、含有膽汁分子的膠束聚合物，以及在血液中運輸膽固醇和脂肪的脂蛋白的聚合物。在接下來的章節，我們將嘗試理解生物大分子的結構，並將它們與功能以及更高層次的生命世界連結在一起。

生命的基本單元是細胞（圖1.3）。細胞被質膜包圍，從而與外部環境分離並形成分開的空間以保持可控的內部環境。細胞一般具有兩種組織模式：①細菌和古菌的原核生物特徵；②真核生物的真核生物特徵。原核細胞一般以單細胞形式存在，比真核細胞小，平均直徑為1^m。原核細胞的基本結構為：細胞膜；包含DNA的細胞內類核體及包含剩餘胞內物質的胞質，胞質中含有核醣體、酵素和細胞骨架元件等。真核細胞有分離間隔和細胞器的內膜，一般至少比原核細胞大10倍，也更加複雜，細胞器包括：①細胞核，儲存遺傳物質，並且是複製和基因轉錄系統；②胞質，蛋白質合成和許多重要生化反應的發生地；③線粒體，「發電廠」和能量儲存室；④內質網和高爾基體，蛋白質成熟和進一步分送的場所；⑤溶酶體及液泡，蛋白質等多聚大分子降解成可用的代謝物的場所。

人們相信地球上所有生物體都起源於一種（原始的）單細胞生物。儘管有許多其他可能性，「所有生物都起源於相同的細胞」這種說法主要是因為所有生物物種都使用相同的核苷酸和氨基酸，同時也擁有相同的遺傳密碼（由核酸語言翻譯為蛋白質語言的「字典」）。此外，像轉錄和翻譯這樣的中心分子系統也是緊密相關的。儘管原則上有許多其他可能的選擇，像ATP這樣的小分子卻成了所有生物體中能量的通用貨幣。

今天，我們發現了幾百萬種不能互相交配繁殖的生命機體，它們被稱為物種（圖1.4）。在某種意義上，它們似乎是完美的，因為它們都成功地適應了其所處的不同環境。但是，一種特定的生命形式可能明天就因不再適應環境而滅絕，就像之前廣泛分佈在地球上而今已經滅絕的物種。由於環境的□化，較適應環境的物種不斷演化出來，這種演化主要透過大分子結構的不斷改變□而實現。

導致目前生物多樣性的一系列事件可以被表述為一棵“演化樹”，它展示了一個物種分叉演化□□物種的（時間）順序。這棵「樹」記錄了生活在過去不同時間的祖先演化為後代的足跡。換句話說，「演化樹」顯示了現代及古代物種之間的演化關係。當我們比較不同物種相似生物過程中的大分子結構時，理解這些物種間的演化關係是至關重要的。由於沒有足夠的化石記錄，一些早期的分支是很難重建的。然而，基於現存生命機體的分子（序列）證據，我們可以把所有活著的生命分為三個「界」（domain），它們在十多億年以前就已經各自分離演化出來了：①古細菌；②細菌；③真核生物。儘管表面上看來古細菌和細菌的形態很相似，其實它們在演化□□的很早期就已經分成截然不同的譜係了。

古細菌常在極端環境中，如酸性溫泉、海底、鹽井等地方被發現，不過在相對「正常」的環境中也會存在。它們的複製、轉錄和翻譯的機器與真核生物的類似，但是古細菌的代謝及能量轉換系統與細菌的更為相似。

細菌由十多種亞家族組成，也被稱為演化枝（clade），最重要的有：□形菌族（Protobacteria）、藍細菌族（Cyanobacteria）、螺旋菌族（Spirochete）、衣原體菌族（Chlamydias）和厚壁菌族（Firutemics）。 □形菌

族是□□且非常多樣化的亞家族，其中包括目前被研究得最為深入的物種－大腸桿菌（Escherichiacoli）。有些時候，細菌會依其細胞壁的組成分為革蘭氏陽性菌[如枯草桿菌（Bacillussubtilis）]和革蘭氏陰性菌如大腸桿菌。細菌在生化代謝上展現出極大的多樣性。

真核生物可分為四大類：原生生物界、植物界、真菌界及動物界。原生生物界主要包括單細胞生物，且具有多重起源，其中有一些是非常初級的真核生物，如鞭毛蟲（Giardia）；另一些則與動物類聯繫密切，如盤基網柄菌屬（以ctyoste"謂）紅藻（redalgae）等則與植物類聯繫密切。吞噬（phagotrophyphy）是一種包裹由「真包」的主要生物來組成特徵。

1.3地球上的生命簡史

化學演化理論認為，第一批生物分子出現在約40億年前的原始地球上。奧巴林（Oparin）和霍爾丹（Haldane）在20世紀20年代各自獨立地提出，如果地球*初的大氣是還原性的並且有外界能量輸入，那麼一系列的有機化合物是有可能被合成的。在1950年代，史丹利 米勒（StanleyMiller）和哈羅德 尤里（HaroldUrey）在實驗室模擬了這些條件。他們將水蒸氣、氫氣、氨氣和甲烷氣體混合併給予其電擊，幾天以後便可以在此系統中觀察到好幾種複雜分子，如氨基酸、核酸等構成今天生命的基本物質。在得到這些單體之後，即使在非生命條件下進行多聚化也並不困難。但是，*早的多肽和核酸是怎麼「活起來」的？換句話說，它們是怎麼開始繁殖、演化的呢？

「複製子」（replicator）是指一種結構，這種結構僅當周圍預先存在同種類型結構時才能形成。例如，將一個微小晶種引入過飽和的鹽溶液時會造成結晶。然而，這個例子僅表示一個基於單一結構的簡單「複製子」。更複雜的「複製子」應該存在幾種可遺傳的形式。在永續的演化中，遺傳需要接近無限多的結構形式和可遺傳的□。首*人造的「複製子」是一個無需酶來複製的脫氧六核苷酸（由單體聚合而成），由馮 凱德羅夫斯基（von Kiedrowski）在1986年合成。現在，我們認為*早期的短鏈RNA分子能催化其子代分子的多聚化。 *早期複製的RNA分子需要與它自己的其他錯誤拷貝及低效率的複製系統競爭，以成功得到複製所需的單體。即使能夠自我複製的RNA分子滿足了上述生命起源的需求，通往第一個細胞的道路仍然是艱難曲折的。其中主要的步驟是引入多肽和蛋白質從而建立RNA-蛋白質世界，然後引入膜系統從而與外部環境分離形成原始細胞。

作為目前所有生命體共同祖先的第一個細胞，其起源可以追溯到大約35億年前，那時，簡單的複製和翻譯機器就已經存在。有一個假說提出，大約在接下去的20億年中，單細胞系統就已經演化到具有精細的代謝反應網絡，該代謝反應網絡聯結越來越多的複雜分子機器，這些分子機器用於核酸複製和RNA到蛋白質的翻譯，同時可以維持細胞較大的可塑性以適應複雜多□的外界環境的要求。在這段時期，初始活細胞的主要能量來源仍然依賴非生物起源的有機化合物。後來，在大約25億年前，一個重要步驟是演化了利用太陽光作為代謝能量的能力。光合作用提供了獨立的能量來源，並且很快就產生了大量的有機物質和氧氣。有氧代謝的演化顯著地改□了細胞的生化反應。許多酵素反應□得直接或間接依賴氧。有氧代謝使得細胞長得更大。其他一些重要的演化步驟包括兩性的起源、多細胞生命的起源和社會群體的起源。所有這一切演化事件背後都是蛋白質、核酸、醣類及脂類的結構與功能的演化過程。

1.4結構生物學是什麼、始於何時?

結構生物學領域聚焦在一個經典共識：要真正理解某事，我們需要看見它（的結構）。正如中西方常用楬語“眼見為實”或“百聞不如一見（A picture says more than a thousand words）”，這個共識對於宇觀研究對象（如天文學與天體物理學）、宏觀研究對象（如鳥和魚）、微觀研究對象（如生物化學系統或粒子）都是如此物理）。結構生物學是試圖使生物學中的亞細胞及分子客體（結構）可視化並以此來理解機理的科學。

要精確指出結構生物學的起點是困難的。其發展的一個重要步驟是提純大分子的組成。弗雷德里希 米歇爾（Friedrich Miescher）於1869年發現並分離了脫氧核糖核酸（DNA）。而對其生物學功能則一直要到1944年在艾弗里（Avery）、麥克勞德（MacLeod）和麥卡蒂（McCarty）提出DNA是遺傳物質之後才得到詮釋。 1953年對DNA結構的揭示是結構生物學的重大里程碑。弗朗西斯 克里克（Francis Crick）和詹姆斯 沃森（James Watson）利用羅莎琳德 富蘭克林（Rosalind Franklin）和莫里斯 威爾金斯（Maurice Wilkins）測得的衍射數據搭建了DNA結構模型。這個模型使我們詳細了解了DNA的複製、DNA到RNA的轉錄，以及翻譯這些分子生物學的關鍵步驟。

在1964年的一篇綜述裡，James Watson指出：「不幸的是，除非我們先知道其結構，否則不可能在化學層面精確描述一個分子的功能」。這的確在很大程度上點中了問題的要害，這個觀點也不斷被生物學的發展所證實。

人們很早之前就知道蛋白質了，但一直不太清楚其分子本質。瑞典著名化學家永斯 雅各 貝採利烏斯（J6ns Jacob Berzelius）（1779—1848）引入了「蛋白質」一詞。當時，蛋白質被歸類為沒有確定形狀與結構的膠體。 *早期被結晶的蛋白質可能是1840年由許內費爾德（Htinefeld）得到的血紅素晶體。在當時，該晶體被稱為“血晶”，人們還沒有意識到這個紅色的晶體是由蛋白質組成的。其他幾種蛋白質也在早期被結晶。當特奧多爾 （特） 斯韋德貝裡[Theodor（The）Svedberg]利用他發明的分析型超速離心法證明了蛋白質具有特定的分子質量之後，蛋白質的性質也□更好理解。

在19世紀，人們深入研究了胃液對固體蛋白質的降解作用。其中的一種活性成分被稱為胃蛋白酶，但是它的性質並不清楚。漸漸地，這種催化物質被命名為「酵素」或「酵素」。當時許多人包括諾貝爾獎得主維爾施泰特（Willstatter）都認為酵素與脂質、醣類和蛋白質性質不同，只在動植物中以很低的濃度存在。