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蛋白質(zhì)工程第一章——緒論蛋白質(zhì)工程的定義?狹義定義:蛋白質(zhì)工程就是通過(guò)基因重組技術(shù)改變或設(shè)計(jì)合成具有特定生物功能的蛋白質(zhì)廣義定義:蛋白質(zhì)工程是通過(guò)物理、化學(xué)、生物和基因重組等技術(shù)改造蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)合成具有特定功能的新蛋白質(zhì)(簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō):蛋白質(zhì)工程就是一門(mén)改造設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的學(xué)科)蛋白質(zhì)工程的基本研究?jī)?nèi)容?研究?jī)?nèi)容總體可分為四大部分:蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)知識(shí)——結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、生物功能、功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系蛋白質(zhì)的物質(zhì)準(zhǔn)備——表達(dá)、純化蛋白質(zhì)的研究方法——結(jié)構(gòu)解析、分析鑒定、蛋白質(zhì)組學(xué)研究蛋白質(zhì)的改造應(yīng)用——設(shè)計(jì)改變、功能應(yīng)用、蛋白質(zhì)生物信息學(xué)或者可分為三大部分:(1)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析——基礎(chǔ)(關(guān)系學(xué))(2)結(jié)構(gòu)、功能的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)——基礎(chǔ)的應(yīng)用與驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)科學(xué))(3)創(chuàng)造和/或改造蛋白質(zhì)——新蛋白質(zhì)——終目標(biāo)(工程學(xué))蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用(1)蛋白質(zhì)工程應(yīng)用蛋白質(zhì)多肽藥物、新型疫苗、工業(yè)用酶……蛋白質(zhì)工程意義1)在醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等方面應(yīng)用前景廣泛2)對(duì)揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動(dòng)的規(guī)律具有重要意義3)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成和功能表達(dá)的關(guān)系研究中不可替代的手段(3)蛋白質(zhì)工程的支持技術(shù)定點(diǎn)突變等遺傳操作技術(shù);蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù);生物信息學(xué)分析技術(shù);蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)、表達(dá)、生產(chǎn)技術(shù)第二章——蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能調(diào)節(jié)功能、防御/攻擊、支架作用、信息傳遞、運(yùn)動(dòng)功能、轉(zhuǎn)運(yùn)功能、儲(chǔ)存功能、催化功能、結(jié)構(gòu)成分蛋白質(zhì)基本化學(xué)組件
(1)氨基酸(amino)氨基酸種類(lèi):二十種天然氨基酸、稀有氨基酸、非天然蛋白質(zhì)氨基酸氨基酸的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu):①均含有C、H、O、N、S,以一定比例存在。有些含有微量的金屬元素(如鐵、鋅、鉬、鎳等)②易被酸、堿和蛋白酶催化水解為胨、肽。共同的化學(xué)結(jié)構(gòu)(除脯氨酸)氨基酸的性質(zhì)極性氨基酸:Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr——二硫鍵疏水氨基酸:Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro、Met、Trp——疏水內(nèi)核荷電氨基酸:Arg、Lys、His(+);Asp、Glu(-)——PI,蛋白分離譜特性、紫外線(xiàn)吸收特性——檢測(cè)肽單位、多肽鏈1)肽鍵定義:由一個(gè)氨基酸的α-羧基與另一個(gè)氨基酸的α-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。具有反式(trans)和順式(cis)兩種構(gòu)型。2)肽鍵平面:由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì),使參與肽鍵構(gòu)成的六個(gè)原子被束縛在同一平面上,這一平面稱(chēng)為肽鍵平面或肽單位(peptideunit)。三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)組件(1)種類(lèi):α螺旋、β折疊、轉(zhuǎn)角、環(huán)肽鏈1)α螺旋:多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn),形成螺旋結(jié)構(gòu).穩(wěn)定性好,原因:肽鏈內(nèi)形成氫鍵,氫鍵的取向幾乎與軸平行;中心無(wú)空腔。相關(guān)信息:螺旋一周,沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)氨基酸殘基;兩個(gè)氨基酸之間的距離為0.15nm特點(diǎn):蛋白質(zhì)分子為右手α-螺旋β折疊:伸展的構(gòu)象,每圈只有2個(gè)氨基酸殘基的特殊螺旋。α-碳原子處于折疊的角上,兩個(gè)氨基酸之間的軸心距為0.35nm特點(diǎn):氫鍵是在片層間而不是片層內(nèi)形成3)轉(zhuǎn)角:由四個(gè)AA組成;第一個(gè)AA的-C=O和第四個(gè)AA的–N-H之間形成氫鍵特點(diǎn):一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。4)環(huán)肽鏈:通過(guò)一段短的環(huán)鏈將2條相鄰的β鏈或者α鏈連接在一起四、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)層次(1)超二級(jí)結(jié)構(gòu)(super-secondarystructure)(2)結(jié)構(gòu)域domain1)定義:是在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級(jí)結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū),它是相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體。2)特點(diǎn):特點(diǎn)是在三維空間可以明顯區(qū)分和相對(duì)獨(dú)立,并且具有一定的生物功能如結(jié)合小分子。通常由2~3二級(jí)結(jié)構(gòu)單位組成,一般為α螺旋、β折疊和環(huán)(loop)。①結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的基本單位。②對(duì)于較大的球狀蛋白質(zhì)或亞基,其三級(jí)結(jié)構(gòu)往往由兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)域締合而成。③有獨(dú)特的空間構(gòu)象并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能,因此結(jié)構(gòu)域有時(shí)也指功能域(3)亞基1)定義:蛋白質(zhì)分子的最小共價(jià)單位、具有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)、是四級(jí)結(jié)構(gòu)的基本組件2)空間結(jié)構(gòu):亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局;亞基之間不含共價(jià)鍵,次級(jí)鍵的結(jié)合也比二、三級(jí)結(jié)構(gòu)疏松(4)四級(jí)締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性1)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性——蛋白質(zhì)的表面積與體積之比降低?!獊喕喓线€可以屏蔽亞基表面上的疏水殘基以避開(kāi)溶劑水。2)提高遺傳經(jīng)濟(jì)性和效率——所需的DNA比編碼一條相對(duì)分子質(zhì)量相同的多肽鏈要少。3)使催化基團(tuán)匯集在一起——使不同單體亞基的催化基團(tuán)匯集在一起以形成完整的催化部位。使寡聚蛋白具有別構(gòu)效應(yīng)和協(xié)同性——結(jié)合在蛋白質(zhì)分子的特定部位上的配體對(duì)該分子的其他結(jié)合部位所產(chǎn)生的影響稱(chēng)為別構(gòu)效應(yīng)?!獏f(xié)同性(正、負(fù))五、維系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力(1)種類(lèi):肽鍵、二硫鍵、氫鍵、離子鍵、金屬離子配位鍵、疏水鍵、范德華力六、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(lèi)(1)種類(lèi):反平行α螺旋結(jié)構(gòu)域(全α—結(jié)構(gòu))、平行或混合型β折疊片結(jié)構(gòu)域(α,β—結(jié)構(gòu))、反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域(全β—結(jié)構(gòu))、富含金屬或二硫鍵結(jié)構(gòu)域(不規(guī)則小蛋白結(jié)構(gòu))1)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型——α型——主要由α螺旋組成,60-80%,較剛性的棍狀結(jié)構(gòu),但足夠靈活α/β型——是已知數(shù)量最多的一類(lèi)結(jié)構(gòu)、均具有βαβ模體,右手型。TIM桶式折疊(TIMbarrele)、扭轉(zhuǎn)開(kāi)放式折疊(Rossmanfold)、馬蹄式折疊(horseshoefold)①TIM桶式折疊(TIMbarrele)——該結(jié)構(gòu)域的中間部分由若干平行排列的β-鏈繞成內(nèi)筒,而α-螺旋則以右手交叉連接方式形成外筒②扭轉(zhuǎn)開(kāi)放式折疊(Rossmanfold)——由若干段β-片層平行交叉盤(pán)繞成馬鞍形雙層結(jié)構(gòu),并與若干段α-螺旋交叉連接而成。平行的β-片層鏈在內(nèi)部,α-螺旋在兩側(cè)③馬蹄式折疊(horseshoefold)——以α-螺旋和β-片層的重復(fù)單位從頭至尾盤(pán)繞成馬蹄狀結(jié)構(gòu)。其β-片層鏈只有輕微的傾斜,并幾乎與中心軸平行3)全β—結(jié)構(gòu)(反平行β折疊片)——這類(lèi)結(jié)構(gòu)域由4—10個(gè)β折疊股構(gòu)成。它又可分為兩個(gè)主要類(lèi)型:反平行β桶、反平行β片。①反平行β桶——通常由偶數(shù)β折疊股組成。與單繞平行β桶類(lèi)似。但對(duì)稱(chēng)性差,氫鍵強(qiáng)度小。②反平行β片——它是含3—15個(gè)β折疊股的單層反平行β折疊片,雖然也是扭曲的,但不閉合成桶。在β片的一側(cè)有一層α螺旋和回環(huán),片的另一側(cè)暴露溶劑。4)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型——α+β型——這類(lèi)結(jié)構(gòu)中既含α螺旋又含β層結(jié)構(gòu),但α螺旋與β層在空間上彼此不混雜,分別處于分子的不同部位,有時(shí)α螺旋和β層分別形成兩個(gè)結(jié)構(gòu)域。5)富含二硫鍵和金屬離子型——一類(lèi)小蛋白質(zhì)分子,它們沒(méi)有典型的二級(jí)結(jié)構(gòu),或者所含二級(jí)結(jié)構(gòu)的組成和組織沒(méi)有明顯的規(guī)律可循。這類(lèi)蛋白質(zhì)分子不大,但含有較多的二硫鍵或金屬離子以穩(wěn)定其三維結(jié)構(gòu),所以在有的分類(lèi)中稱(chēng)它們?yōu)楦缓蜴I和金屬離子型蛋白。七、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系(1)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)2)一級(jí)結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)3)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異與分子進(jìn)化(同種蛋白質(zhì)的種屬差異是分子進(jìn)化的結(jié)果)4)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與疾?。?)蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象與功能的關(guān)系功能的發(fā)揮有賴(lài)于特定空間構(gòu)象的形成、不同的組件(域)功能不一功能=結(jié)構(gòu)+運(yùn)動(dòng)第三章——蛋白質(zhì)折疊一、Anfinsen經(jīng)典變性蛋白重折疊實(shí)驗(yàn)——20世紀(jì)60年代,Anfinsen基于還原變性的牛胰RNase在不需其他任何物質(zhì)幫助下,僅通過(guò)去除變性劑和還原劑就使其恢復(fù)天然結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了“多肽鏈的氨基酸序列包含了形成其熱力學(xué)上穩(wěn)定的天然構(gòu)象所必需的全部信息”的“自組裝學(xué)說(shuō)”。二、蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)(1)熱力學(xué)——研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系,以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。(2)熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定量、熱力學(xué)第二定量、熱力學(xué)第三定律、熱力學(xué)第零定律1)熵判據(jù)和蛋白質(zhì)折疊未折疊的狀態(tài)包含很多具有不同構(gòu)象的分子——疏水作用是多肽鏈折疊的主要驅(qū)動(dòng)力,疏水作用的主要?jiǎng)恿?lái)自于蛋白質(zhì)溶液體系的熵值的增加。2)吉布斯自由能判據(jù)和蛋白質(zhì)折疊吉布斯自由能變化應(yīng)同時(shí)考慮多肽鏈和溶劑兩者對(duì)體系焓值變化和熵值變化的貢獻(xiàn)熱力學(xué)假說(shuō)天然蛋白質(zhì)多肽采取的構(gòu)象是在一定環(huán)境條件下熱力學(xué)上最穩(wěn)定的構(gòu)象,采取天然構(gòu)象的多肽鏈和它所處的一定環(huán)境條件(如溶液組分、pH、溫度、離子強(qiáng)度等)整個(gè)系統(tǒng)的自由能最低,所以處于變性狀態(tài)的多肽鏈在一定的環(huán)境條件下能夠自發(fā)折疊成天然構(gòu)象三、蛋白質(zhì)折疊的動(dòng)力學(xué)牛頓第一定律(慣性定律)——一切物體在沒(méi)有受到力的作用時(shí),總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)牛頓第二定律(質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)定律)——物體在受到合外力的作用會(huì)產(chǎn)生加速度,加速度的方向和合外力的方向相同,加速度的大小與合外力的大小成正比,與物體的慣性質(zhì)量成反比。牛頓第三定律(作用和反作用定律)——兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力,在同一條直線(xiàn)上,大小相等,方向相反(1)重折疊與新生肽鏈折疊的區(qū)別①完整肽鏈在試管內(nèi)的重折疊相當(dāng)于翻譯完成后才折疊,與新生肽鏈的合成延伸與折疊同時(shí)進(jìn)行不同。②細(xì)胞內(nèi)新生肽鏈折疊是一個(gè)比蛋白質(zhì)體外重折疊快得多的過(guò)程。③溫度、濃度、pH值不同④細(xì)胞和試管另一個(gè)重要差別是“大分子擁擠”問(wèn)題。四、幫助蛋白質(zhì)和新生肽鏈折疊的生物大分子分子伴侶(molecularchaperone)折疊酶:催化與折疊直接有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的酶?!鞍踪|(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase,PDI)——肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶(peptidylprolylcis-transisomerase,PPI)(1)分子伴侶(molecularchaperone)
1)發(fā)現(xiàn)和定義分子伴侶的發(fā)現(xiàn)和定義1978年,Laskey發(fā)現(xiàn)DNA和組蛋白體外重組為核小體時(shí)需要核質(zhì)素(nucleoplasmin)的幫助。(一大類(lèi)相互之間沒(méi)有關(guān)系的蛋白質(zhì),它們具有的共同功能是幫助其他含蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)在體內(nèi)進(jìn)行非共價(jià)的組裝和卸裝,但不是這些結(jié)構(gòu)在發(fā)揮其正常的生物學(xué)功能時(shí)的永久組成部分)2)分子伴侶與酶的異同點(diǎn)①分子伴侶的定義完全是功能上的。②分子伴侶與酶的異同點(diǎn)——相同點(diǎn)參與促進(jìn)一個(gè)反應(yīng)而本身并不在最終產(chǎn)物中出現(xiàn)——不同點(diǎn)分子伴侶對(duì)靶蛋白不具有高度專(zhuān)一性分子伴侶的催化效率很低分子伴侶有時(shí)只是阻止肽鏈的錯(cuò)誤折疊而不是促進(jìn)其正確折疊。3)分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊中的作用分子伴侶首先會(huì)識(shí)別折疊過(guò)程中形成的折疊中間物的非天然構(gòu)象,而不會(huì)去理會(huì)天然構(gòu)象。(2)折疊酶催化與折疊直接有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的酶。蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase,PDI)肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶(peptidylprolylcis-transisomerase,PPI)1)蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)催化新生肽鏈的巰基氧化形成二硫鍵。PDI在動(dòng)力學(xué)錯(cuò)配折疊中間體加速二硫鍵的交換中起到非常重要的作用。2)肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶(PPI)蛋白質(zhì)的肽鍵幾乎都是反式的(99.95%),但脯氨酰亞氨基的肽鍵有6%是順式的。(3)動(dòng)力學(xué)假說(shuō)細(xì)胞內(nèi)新生肽段的折疊一般意義上說(shuō)是需要幫助的,而不是自發(fā)進(jìn)行的。幫助蛋白質(zhì)折疊的生物大分子主要是分子伴侶和折疊酶。不僅僅受“熱力學(xué)”控制,也受到“動(dòng)力學(xué)”的控制。五、折疊機(jī)制的理論模型(1)框架模型(FrameworkModel)
定義:框架模型假設(shè)蛋白質(zhì)的局部構(gòu)象依賴(lài)于局部的氨基酸序列。在多肽鏈折疊過(guò)程的起始階段,先迅速形成不穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元;隨后這些二級(jí)結(jié)構(gòu)靠近接觸,從而形成穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)框架;最后,二級(jí)結(jié)構(gòu)框架相互拼接,肽鏈逐漸緊縮,形成了蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型認(rèn)為即使是一個(gè)小分子的蛋白也可以一部分一部分的進(jìn)行折疊,其間形成的亞結(jié)構(gòu)域是折疊中間體的重要結(jié)構(gòu)。(2)疏水塌縮模型(HydrophobicCollapseModel)
在疏水塌縮模型中,疏水作用力被認(rèn)為是在蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中起決定性作用的力的因素。在形成任何二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之前首先發(fā)生很快的非特異性的疏水塌縮?!杷畠?nèi)核包埋
(3)擴(kuò)散-碰撞-粘合機(jī)制(Diffusion-Collision-AdhesionModel)
(4)成核-凝聚-生長(zhǎng)模型(Nuclear-Condensation-GrowthModel)
(5)拼版模型(Jig-SawPuzzleModel)
六、折疊密碼蛋白質(zhì)中氨基酸序列與其三維結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,稱(chēng)之為第二遺傳密碼或折疊密碼(1)第一遺傳密碼的特點(diǎn):①方向性:從AUG或GUG到UAA,UGA或UAG②連續(xù)性:密碼子之間沒(méi)有空格,閱讀mRNA時(shí)是連續(xù)的③簡(jiǎn)并性:兩個(gè)或者多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸④擺動(dòng)性:原核和真核細(xì)胞都只合成約30種帶有反密碼子的tRNA,密碼子和反密碼子配對(duì)時(shí)前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)法則,但第三對(duì)堿基有一定的自由度可以“擺動(dòng)”。⑤通用性:所有的生物都有相同的遺傳密碼。(2)折疊密碼(第二遺傳密碼)的特點(diǎn):簡(jiǎn)并性:氨基酸序列不同的肽鏈可以有極為相似甚至相同的三維結(jié)構(gòu)。多意性:相同的氨基酸序列可以在不同的條件下決定不同的三維結(jié)構(gòu)。全局性和復(fù)雜性:在肽鏈上相距很遠(yuǎn)的殘基可以在空間上彼此靠近而相互作用,并對(duì)分子總體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響;后形成的肽段可以影響已經(jīng)形成的肽段的構(gòu)象從而造成對(duì)分子整體的影響等。(這些情況稱(chēng)之為第二密碼的全局性)蛋白質(zhì)折疊質(zhì)量控制過(guò)程蛋白質(zhì)折疊失敗情形——新生肽鏈的不完整性形成最終成熟蛋白分子中不存在也不應(yīng)該有的瞬間結(jié)構(gòu)。——在大分子擁擠的環(huán)境下經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤折疊?!郫B中間態(tài)的正確途徑與錯(cuò)誤途徑競(jìng)爭(zhēng)失敗時(shí)?!煞肿影閭H和靠消耗三磷酸腺苷的能量而發(fā)揮作用的特定的蛋白水解酶組成?!肿影閭H幫助新生肽正確折疊;而特定的蛋白水解酶把不能繼續(xù)正確折疊的或錯(cuò)誤折疊的“垃圾”水解成小分子。分診治療機(jī)制(triage)細(xì)胞內(nèi)新生肽“病人”的命運(yùn)主要是由分子伴侶處理“病人”的能力和速度在動(dòng)力學(xué)上來(lái)決定的。八、蛋白質(zhì)折疊研究意義(1)生物工程應(yīng)用“瓶頸”問(wèn)題:在簡(jiǎn)單的微生物細(xì)胞內(nèi)引入異體DNA后所合成的多肽鏈往往不能正確折疊成為有生物活性的蛋白質(zhì)而形成不溶解的包含體或被降解。(2)與折疊有關(guān)的疾病1)“分子病”:由于基因突變?cè)斐傻鞍踪|(zhì)分子中僅僅一個(gè)氨基酸殘基的變化就引起疾病的情況,如地中海鐮刀狀紅血球貧血癥2)“折疊病”:蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列沒(méi)有改變,只是其結(jié)構(gòu)或者說(shuō)構(gòu)象有所改變引起的疾病。由于蛋白質(zhì)折疊異常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常轉(zhuǎn)運(yùn)到位3)常見(jiàn)折疊病:老年性癡呆癥(Alzheimersyndrome)——病人腦中充滿(mǎn)了由錯(cuò)誤折疊蛋白形成的雜亂的蛋白
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