生物化学--杨荣武教授.ppt

20142014年暑期生物学奥林匹克年暑期生物学奥林匹克 竞赛理论培训辅导竞赛理论培训辅导 南京大学南京大学 杨荣武杨荣武 一、氨基酸 氨基酸的结构通式 不同的侧链基团，不同的理化性质 蛋白质氨基酸，即标准氨基酸在蛋白质 生物合成中，由专门的tRNA携带，直接参入 到蛋白质分子之中 共22种：20种常见+2种不常见 非蛋白质氨基酸不能直接参入到蛋白质 分子之中，或者是蛋白质氨基酸翻译后修饰 产物 例如：瓜氨酸、鸟氨酸和羟脯氨酸 蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸 ?根据侧链基团的水溶性，氨基酸可以分为： （1）疏水aa非极性R基团 （2）亲水aa极性的R基团 ?根据对动物的营养价值，氨基酸又可以分为 ： （1）必需aa （2）非必需aa 氨基酸的分类 亲水氨基酸，即极性氨基酸，其R基团呈极性，一般能 和水分子形成氢键，故对水分子具有一定的亲和性。它 们包括：Ser、Thr、Tyr、Cys、Sec、Asn、Gln、Asp、 Glu、Pyl、Arg、Lys、His； 疏水氨基酸，即非极性氨基酸，其R基团呈非极性，对 水分子的亲和性不高或者极低，但对脂溶性物质的亲和 性较高。它们包括：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、 Met、Phe和Trp。 亲水氨基酸VS疏水氨基酸 词记亲水氨基酸与疏水氨基酸 J 西湖景，紫竹为骨水潺潺 横笛相伴，闲听天簌静思禅 流苏落，心比双丝郁中缠 亲水氨基酸：西-硒代半胱氨酸；景-精氨酸；竹-组氨酸 ；骨-谷氨酸 谷氨酰胺；伴-半胱氨酸；天-天冬氨酸 天冬酰胺；籁-赖氨酸；苏-苏氨酸；落-酪氨酸；比-吡咯 赖氨酸；丝-丝氨酸 J 孤雁本色，一行斜去浮生转 两鬓白，异家龙井难为甘 疏水氨基酸：本-苯丙氨酸；色-色氨酸；斜-缬氨酸；浮- 脯氨酸；两-亮氨酸；鬓-丙氨酸；异-异亮氨酸；家-甲硫 氨酸；甘-甘氨酸 必需氨基酸VS非必需氨基酸 必需氨基酸是指人体必不可少，而机体内又不能合成、 必须从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们 ，就会影响健康。必需氨基酸共有10种：Lys、Trp、Phe 、Met、Thr、Ile、Leu、Val、Arg和His。人体虽能够合 成Arg和His，但合成的量通常不能满足正常的需要，因 此这两种氨基酸又被称为半必需氨酸。-Tip MTV Hall 余下的氨基酸则属于非必需氨基酸，动物体自身可以进 行有效的合成，它们包括：Ala，Asn、Asp、Gln、Glu、 Pro、Ser、Cys、Tyr和Gly。 一组（组氨酸）笨（苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）精 （精氨酸）来（赖氨酸）宿（苏氨酸）舍（色氨 酸）住（组氨酸）亮（亮氨酸）凉（异亮氨酸） 鞋（缬氨酸） 氨基酸的缩合反应与肽的形成 氨基酸的手性：D型与L型氨基酸 22种蛋白质氨基酸分子中，除了甘氨酸，均至少含 有一个不对称碳原子，因此除甘氨酸以外的21种蛋 白质氨基酸都具有手性性质。如果以L型甘油醛为参 照物，具有不对称碳原子的氨基酸就有D型和L型两 种对映异构体。实验证明，蛋白质分子中的不对称 氨基酸都是L型。D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗 菌肽和某些细菌的细胞壁成分之中，它们不能参入 到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。 氨基酸的构型与其旋光方向没有必然的联系。 E由于氨基酸既含有碱性的氨基又含有酸性的羧 基，因此氨基酸具有特殊的解离性质，但氨基 算的碱性和酸性分别弱于单纯的胺和羧酸。一 个氨基酸分子内部的酸碱反应使氨基酸能同时 带有正负两种电荷，以这种形式存在的离子被 称为兼性离子（zwitterions）或两性离子。 特殊的酸碱性质与等电点 E对于任何一种氨基酸来说，总存在一定的pH值，使其净 电荷为零，这时的pH值被称为等电点。pI是一个氨基酸 的特征常数。在等电点pH时，氨基酸在电场中，不向两 极移动，并且绝大多数处于兼性离子状态，少数可能解 离成阳离子和阴离子，但解离成阴、阳离子的趋势和数 目相等。 等电点（pI） 氨基酸的主要反应性质 所有氨基酸及具有游离-氨基的肽与茚三 酮反应都产生蓝紫色物质，只有脯氨酸和 羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质。 氨基酸与茚三酮的反应 芳香族氨基酸的紫外吸收性质 半胱氨酸的氧化与二硫键的形成 二、蛋白质的结构 组成的多样性 大小的多样性 结构的多样性 功能的多样性 蛋白质的多样性 蛋白质可能含有一条或多条肽链 1. 一条多肽链-单体蛋白 2. 不止一条多肽链-寡聚蛋白:同源寡聚体-同种肽链异 源寡聚体-两种或多种不同的肽链;血红蛋白是一种 异源四聚体：2条链，2条链。 蛋白质可能含有非蛋白质成分 1. 多肽链 +可能是辅助因子（金属离子、辅酶或辅 基），也可能是其他修饰。 2. 例如，羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅 酶是辅酶I；血红蛋白的辅基是血红素。 蛋白质组成的多样性 蛋白质结构的多样性 1.一级结构 (1) : 独特的氨基酸序列，由基因决定。 2.二级结构 (2) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团 ）在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基 非侧链基团之间的氢键决定的。 3.三级结构 (3) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一 步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次 级键以及二硫键维系的完整的三维结构。 4.四级结构 (4)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白 质或多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的 种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。 蛋白质的结构层次 是蛋白质的共价（肽键）结构 对于每一种蛋白质而言，都是独特的。 由编码它的基因的核苷酸序列决定。 是遗传信息的一种形式。 书写总是从N端到C端。 例如，胰岛素A链的一级结构是： Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys- Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn 蛋白质的一级结构 DNA: GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGT mRNA: GGC AUU GUG GAA CAA UGC UGU 蛋白质: Gly- Ile- Val- Glu Gln - Cys- Cys 一种蛋白质的一级结构由编码 它的基因的核苷酸序列决定 具有部分双键的性质（40），其键长为0.133nm，介 于一个典型的单键和一个典型的双键之间。 具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的6个 原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面或 肽平面 与C相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋 转角 多为反式，但是X-Pro是例外。 N带部分正电荷，O带部分负电荷。 肽键的结构与性质 肽平面及二面角 螺旋及其他螺旋 折叠 转角 突起 环与无规则卷曲 前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图 上具有相对固定的二面角 蛋白质的二级结构 亲水-螺旋 疏水-螺旋 两亲-螺旋 螺旋的种类 肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状； 肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键， 其中的每一股肽段被称为股； 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布 在折叠片层的两侧； 肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽 段的N-端位于同侧，较为少见，后者正好相反。由于 反平行折叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同 一直线上，因此，反平行-折叠更稳定。 折叠的主要内容 两种折叠的结构比较 肽链骨架以180 回折而改变 了肽链的方向； 由肽链上四个连续的氨基酸 残基组成，其中n位氨基酸残 基的-C=O与n3位氨基酸残 基的-NH形成氢键； Gly和Pro经常出现在这种结构 之中； 有利于反平行折叠的形成， 这是因为转角改变了肽链的 走向，促进相邻的肽段各自 作为股，形成折叠。 转角的主要内容 凸起是由于 折叠的1个股中额外插入1个氨基酸残基， 使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯 曲凸起结构。凸起主要发现在反平行折叠之中，只有约 5%出现在平行的折叠结构之中。凸起也能轻微地改变 多肽链的走向。 突起的主要内容 在蛋白质分子中，除了 上述四种有规则的二级 结构以外，还有一些极 不规则的二级结构，这 些结构统称为无规则卷 曲。一般说来，无规则 卷曲无固定的走向，有 时以环的形式存在，但 也不是任意变动的，它 的2个二面角（,）也 有个变化范围。 将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色） 环与无规则卷曲 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲 和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键（有时还有二硫键 和金属配位键）维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体 和结构域组成。稳定三级结构主要包括氢键、疏水键、离子键 、范德华力。 蛋白质的三级结构 X-射线晶体衍射 核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。 X射线衍射的 电子密度图 蛋白质晶体 被还原出来 的三维结构 确定蛋白质三级结构的方法 是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能 模块，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单 位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相 关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些 蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。 根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五类： （1）结构域完全由螺旋组成；（2）结构域只含 有折叠、转角和不规则环结构；（3）/结构域由 股和起连接的螺旋片段组成；（4）+-结构域由独立 的螺旋区和折叠区组成；（5）交联结构域缺乏特定 的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用 。 结构域（domain） 具有两条和两条以上 多肽链的寡聚或多聚 蛋白质才会有四级结 构。组成寡聚蛋白质 或多聚蛋白质的每一 个亚基都有自己的三 级结构。 四级结构内容包括亚 基的种类、数目、空 间排布以及亚基之间 的相互作用。 四级结构的优势 四级结构 一级结构决定高级结构； 蛋白质的折叠伴随着自由能的降低； 驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力 是疏水键，其他次级键也有作用； 体内绝大多数蛋白质折叠需要分子伴侣的帮助 蛋白质的折叠 帮助体内球状蛋白折叠的 一类蛋白质 最常见的分子伴侣有 HSP70和伴侣蛋白家族。 HSP70通过与部分折叠的 蛋白质的疏水区域的临时 结合而促进蛋白质的正确 折叠。 伴侣蛋白则形成大的桶状 结构容纳部分折叠的蛋白 质完成折叠。一旦蛋白质 折叠好，分子伴侣即被释 放，然后再参与另一个新 生蛋白质的折叠。 分子伴侣 谁是分子 伴侣？ L海绵状脑病 L囊性纤维变性 L阿尔茨海默氏病 L帕金森氏病 与蛋白质错误折叠相关的疾病 ? SE是一种致命性神经退化性疾病，因受感染的动物在脑病 某些部位出现海绵状的空洞而得名。 ? SE的致病因子是一种折叠异常的朊蛋白PrPsc 。正常动物 含有PrPc。两者的一级结构完全一样，但构象不同。 ? 如果正常PrPc折叠发生错误，可变成PrPsc。 PrPsc一旦形成 后，自身可以作为模板，催化更多的PrPc向PrPsc转变。 ? PrPc 与PrPsc被认为具有相同的能量状态。但PrPc自发重折 叠成PrPsc的可能性很低，这是因为两者的转变需要非常大 的活化能。 ? 家族型朊蛋白疾病是PrPc基因突变造成的。突变降低了 PrPc重折叠成PrPsc的活化能。 ? PrPc基因被敲除的小鼠不会再得SE。 海绵状脑病（SE） 三、蛋白质的性质 紫外吸收：最大吸收峰为280nm 两性解离：蛋白质的pI值不能直接计算，只能使用等 电聚焦等方法进行测定 胶体性质 沉淀反应：盐析、pI 沉淀、有机溶剂引起的沉淀和重 金属盐作用造成的沉淀 变性、复性 水解:酸水解、碱水解和酶促水解 颜色反应 蛋白质的理化性质 L 蛋白质受到某些理化因素的作用，其高级结构受到破坏 、生物活性随之丧失的现象。 L 导致蛋白质变性的物理因素有：加热、冷却、机械作用 、流体压力和辐射；化学因素有强酸、强碱、高浓度盐 、尿素、重金属盐、疏水分子和有机溶剂。 L 蛋白质变性以后，其理化性质发生一系列的变化。这些 变化可以作为检测蛋白质变性的指标。主要变化包括： （1）溶解度降低。（2）黏度增加。（3）生物活性丧失 。（4）更容易被水解。（5）结晶行为发生变化。 蛋白质变性 蛋白质的各种颜色反应 四、核苷酸 嘧啶 胞嘧啶 (DNA, RNA) 尿嘧啶 (RNA) 胸腺嘧啶 (DNA) 嘌呤 腺嘌呤 (DNA, RNA) 鸟嘌呤 (DNA, RNA) 碱基 ?碱基几乎不溶于水，这与其芳香族的杂 环结构有关。 ?互变异构 ?酸碱解离 ?强烈的紫外吸收，其最大吸收值在 260nm。 碱基的性质 碱基的互变异构 ?D-核糖 存在于RNA ?2-脱氧-D-核糖 存在于DNA ?差别：- 2-OH vs 2-H ?这种差别影响到二级结构和稳定性。 核糖和脱氧核糖 核苷是由戊糖和碱基通过-N糖苷键形成的糖苷。 核苷中的戊糖有D-核糖和2-脱氧-D-核糖两种。核 苷中的糖苷键由戊糖的异头体C原子与嘧啶碱基的 N1或嘌呤碱基N9形成。 为了避免碱基环上原子的编号与呋喃糖环上原子编 号混淆，在呋喃环上各原子编号的阿拉伯数字后需 加“”。 核苷 核苷酸是核苷的戊糖羟基的磷酸酯。核糖核苷的 磷酸酯为核糖核苷酸，脱氧核苷的磷酸酯为脱氧 核苷酸。理论上，核苷的5-OH、3-OH和2-OH 均可以被磷酸化而分别形成核苷-5-磷酸、核苷- 3-磷酸和核苷-2-磷酸。但是，自然界的核苷酸 多为核苷-5-磷酸。 核苷单磷酸（NMP）是指核苷的单磷酸酯。核 苷单磷酸可以通过一次成酐反应形成核苷二磷酸 （NDP）。核苷二磷酸再通过一次成酐反应生成 核苷三磷酸（NTP）。为了将核苷二磷酸和核苷 三磷酸上不同的磷酸根区分开来，将直接与戊糖 5-羟基相连的磷酸定为磷酸根，其余两个磷酸 根从里到外依次被称为磷酸根和磷酸根。 核苷酸 环核苷酸的化学结构 能量货币，通常是ATP，有时使用UTP（糖原合成）、CTP（ 磷脂合成）和GTP（蛋白质合成）； 核酸合成的前体：NTPRNA，dNTPDNA； 信号转导，例如cAMP和cGMP作为某些激素的第二信使，鸟苷 酸能够调节G蛋白的活性； 作为其他物质的前体或辅酶/辅基的成分，如ADP为辅酶I和II的 组分，鸟苷酸作为第一类内含子的辅酶； 活化的中间物，如UDPGlc和CDP-乙醇胺分别参与糖原和磷脂 酰乙醇胺的合成； 作为酶的别构效应物参与代谢的调节，如ATP为磷酸果糖激酶- 1的负别构效应物，AMP作为糖原磷酸化酶的正别构效应物; 调节基因表达。例如ppGpp和pppGpp参与调节原核细胞蛋白质 的合成。 核苷酸的生物功能 五、核酸的结构与功能 ?DNA 一种类型，一种功能 ?RNA 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA) 核酸的分类 DNA和RNA的结构异同 LC自发脱氨基变成U L修复酶能够识别这些突变，以用C取代这些U。 L如何区分正常的U和突变而来的U? L使用T就很容易解决以上问题。 CU 为什么DNA的第四个碱基通常是T? LRNA临近的-OH使其更容易 LDNA缺乏2-OH更加稳定 L遗传物质必须更加稳定 LRNA需要的时候合成，不需要的时候需要 迅速降解。 为什么DNA 2-脱氧，RNA不是? RNA处于单链状态，使其能够自我折叠成可以 和蛋白质相媲美的各种类型的二级结构和三级 结构，这是形成RNA结构多样性的基础，否则 所有的RNA与DNA一样，只能形成千篇一律的 双螺旋。 RNA在三维结构的多样性使其在细胞内能行使 多项生物学功能。DNA通常是双链的，使其能 够充分地行使作为遗传物质这项唯一的功能 为什么RNA通常单链，DNA通常双链？ 不同类型的RNA的功能和分布 不同类型的RNA的功能和分布 定义：核苷酸或碱基的排列顺序 写法：从左到右，5端到3端 意义：DNA一级结构贮存各种遗传信息 核酸的一级结构 DNA的二级 结构主要是 各种形式的 螺旋，特别 是B-型双螺 旋，此外还 有A-型双螺 旋、Z-型双 螺旋、三链 螺旋和四链 螺旋等 DNA的二级结构 DNA二级结构的主要形式为Watson和Crick于1953 年提出的B型双螺旋，其主要内容是： DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠 绕形成右手双螺旋； 组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基 对结合在一起，一条链上的A总是与另一条链的T，G总是 和C配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱基对有3个氢 键； 碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖 磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在 一起，对双螺旋的稳定起一定的作用； 双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（其宽度分别为 2.2nm和1.2nm； 双螺旋的其他常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差 约36。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱 基对，其高度为3.4nm。 B型双螺旋 AT和GC碱基对的配对性质 X射线衍射数据 Chargaff 规则 碱基的互变异构 DNA双螺旋结构的证据 1.氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性， 而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定 起决定性作用的是碱基的堆集力。 2.碱基堆集力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力 。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强 度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是 嘌呤与嘌呤之间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之间。 另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。 3.阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和 双螺旋稳定的因素 A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于 或少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果 这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，则DNA 会因张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。 DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手 超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺 旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起。 DNA的三级结构超螺旋 RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性 可以和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷 酸链组成，它的二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组 成，它们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互 补的碱基可以相互作用形成链内A型双螺旋，非互补的碱基则游 离在双螺旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内常常可以 发现GU碱基对。 RNA的二级结构 RNA分子中的GU碱基对 RNA的多种二级结构 第八章 脂代谢 DNA+蛋白质染色质 RNA+蛋白质：snRNP、snoRNP、信号识别颗粒（ SRP）、端粒酶、核糖体、核糖核酸酶P和RNA病 毒 核酸与蛋白质形成的复合物 从DNA双螺旋到染色体 六、六、核酸的性质核酸的性质 1.紫外吸收 2.酸碱解离 3.变性 4.复性和杂交 核酸的理化性质 DNA的变性和复性 定义：是指核酸受到加热、极端的pH或离子强度降 低等因素或特殊的化学试剂的作用，其双螺旋区的 氢键断裂，变成单链的过程。其中并不涉及共价键 断裂。 表征：核酸在变性时，紫外吸收和浮力密度升高， 黏度降低，生物活性不变、降低或丧失，其中紫外 吸收增加的现象称为增色效应。 Tm：双链DNA热变性是在很窄的温度内发生的，与 晶体在熔点时突然熔化的情形相似，因此DNA也具 有“熔点”，用Tm表示。Tm实际是DNA的双螺旋有 一半发生热变性时相应的温度。 DNA的Tm值受到DNA的均一性、G-C含量、离子强 度和特殊的化学试剂的影响。 变性 核酸变性在一定条件下也是可逆的。当各种变性因素 不复存在的时候，变性时解开的互补单链全部或部分 恢复到天然双螺旋结构的现象称为复性。热变性DNA 一般经缓慢冷却后即可复性，此过程被称为退火。 伴随着DNA复性的是其浮力密度和紫外吸收的减少、 粘度的增加和生物活性的恢复，其中紫外吸收减少的 现象被称为减色效应。 影响DNA复性的因素有温度、离子强度、DNA浓度和 DNA序列的复杂度等。 复性 1.酸水解 核酸分子内的糖苷键和磷酸二酯键对酸的敏感 性不同：糖苷键磷酸酯键；而嘌呤糖苷键 嘧啶糖苷键 2.碱水解 RNA的磷酸二酯键对碱异常敏感，得到2-或3- 核苷酸的混合物；DNA对碱的作用并不敏感， 其抗碱水解的生理意义在于作为遗传物质的 DNA应更稳定，不易水解。而RNA（主要是 mRNA）是DNA的信使，完成任务后应该迅速 降解。 3.酶促水解 核酸的水解 核酸的抽取 两种核蛋白的分离 蛋白质的去除 核酸的沉淀 电泳 离心 层析 核酸的纯度的检测和定量 核酸的分离、纯化和定量 Sanger发明的末端终止法或双脱氧法 Maxam和Gilbert 发明的化学断裂法 焦磷酸测序与深度测序 DNA一级结构的测定 除了焦磷酸测序法，近几年来，科学家还发明了一些 新的测序方法，例如单分子测序法。建立在这些新的 测序方法基础之上的高通量测序技术堪称测序技术发 展历程的一个里程碑，该技术可以对数百万个DNA分 子同时进行测序，操作极为简便，大大节约了成本和 时间。这使得对一个物种基因组和转录组进行细致全 面的分析成为可能，因此也称其为深度测序（deep sequencing） 深度测序 七、酶学 酶就是由细胞合成的，在机体内行使催化功能 的生物催化剂。 没有酶的反应 有酶催化的反应 酶的定义 主要是蛋白质，极少数是RNA（核酶）。 酶的化学本质 只能催化热力学允许的反应 反应完成后本身不被消耗或变化，即可以重复使用 对正反应和逆反应的催化作用相同 不改变平衡常数，只加快到达平衡的速度或缩短到达 平衡的时间。 酶与非酶催化剂的共同性质 高效性 酶在活性中心与底物结合 专一性 反应条件温和 对反应条件敏感，容易失活 受到调控 许多酶的活性还需要辅助因子的存在，作为 辅助因子的多为维生素或其衍生物。 酶特有的催化性质 酶的活性中心也称为活性部位，是指酶分子上直接与 底物结合，并与催化作用直接相关的区域。 活性中心由结合基团和催化基团组成。前者负责与底 物结合，决定酶的专一性，后者参与催化，负责底物 旧键的断裂和产物新键的形成，决定酶的催化能力。 但也可能有某些基团两者兼而有之。 酶的活性中心与酶促反应的专一性 属于单纯蛋白质的酶为单纯酶，属于缀合蛋白质的酶 为缀合酶或结合酶。 缀合酶除了蛋白质以外，还结合某些对热稳定的非蛋 白质小分子或金属离子，它们统称为辅助因子。丧失 辅助因子的酶被称为脱辅酶，与辅助因子结合在一起 的酶被称为全酶。 辅助因子包括辅酶、辅基和金属离子三类。辅酶专指 那些与脱辅酶结合松散、使用透析的方法就容易去除 的有机小分子。辅基专指那些与脱辅酶结合紧密、使 用透析或超滤的方法难以去除的有机小分子。 单纯酶VS缀合酶 影响酶促反应速率的主要因素包括：酶浓度、底物 浓度、反应温度、反应介质的pH和离子强度以及有 无抑制剂的存在等。 最重要的因素：酶浓度和底物浓度 影响酶促反应的因素 米氏方程推导设定的3个条件： 反应速率为初速率，因为此时反应速率与酶浓度呈正比 关系，避免了反应产物以及其他因素的干扰 酶底物复合物处于稳态即ES浓度不发生变化 符合质量作用定律 米氏方程 米氏反应动力学 1. 解读米氏常数Km Km是酶反应初速率为Vmax一半时底物的浓度。在一定条件下，可以使用 它来表示酶与底物的亲和力。一个酶的Km越大，意味着该酶与底物的亲 和力越低；反之，Km越小，该酶与底物的亲和力越高。 Km可以帮助判断体内一个可逆反应进行的方向。如果酶对底物的Km值小 于对产物的Km值，则反应有利于正反应。否则，有利于逆反应。 2. 解读Vmax Vmax也是酶的特征常数，但随着酶浓度的变化而变化。 3. 解读kcat kcat称为酶的催化常数或转换数或周转数，具体是指在单位时间内，一个 酶分子将底物转变成产物的分子总数。kcat的单位是s-1。如果一个酶遵守 米氏方程，则kcatk2Vmax/Et。 4. 解读kcat/Km kcat/Km通常被用来衡量酶的催化效率,还可以反映一个酶的完美程度。大的 kcat和（或）小的Km将给出大的kcat/Km值。 解读米氏方程 L酶抑制剂的类型 可逆性抑制剂。以次级键与酶可逆结合，使用透析 或超滤就可去除它们，让酶恢复活性； 不可逆性抑制剂。也被称为酶灭活剂，以强的化学 键（通常是共价键）与酶不可逆结合，可导致酶有 效浓度的降低，因此一旦失活就不可逆转。如果想 恢复酶的活性，唯一的手段只能是补充新酶。 L酶抑制剂对米氏酶动力学性质的影响 酶抑制剂作用的动力学 几种常见的酶抑制剂药物 可分为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制剂。 1.竞争性抑制剂 性质：有两类，一类与底物在结构和化学上具有很强的相似 性； 第二类与底物无结构和化学性质的相似性。 动力学： Km值提高，但Vmax不变。 2.非竞争性抑制剂 性质：既能与ES结合，又能与游离的酶结合。而一旦它们与E结 合，将导致酶活性受到抑制。 动力学：Km不变,Vmax降低。 3.反竞争性抑制剂 性质：只能与ES结合，但不能与游离的酶结合。一旦它们与ES结 合，将导致与活性中心结合的底物不再能够转变为产物。 动力学： Km降低,Vmax降低。 可逆性抑制剂 八、酶活性的调节机制 提纲 一、酶的“量变” 1. 酶的“量变”和“质变”的主要差别 2. 酶的合成和降解 二、酶的“质变” 1. 别构调节 2. 共价修饰调节 3. 水解激活 4. 调节蛋白的激活或抑制 5. 聚合与解离 不合适的表达 或激活导致细 胞的癌变或死 亡！ 酶需要在正确的时间 和正确的地点有活性 别构调节的原理在于一些酶除了活性中心以外，还含有别构中心，该中 心能够结合一些特殊的配体分子（有时为底物）。当别构中心结合配体 以后，酶构象发生改变，从而影响到活性中心与底物的亲和力，并最终 导致酶活性发生变化。 能够进行别构调节的酶称为别构酶，与别构中心结合调节酶活性的配体 分子称为别构效应物。起抑制作用的别构效应物称为别构抑制剂，起激 活作用的别构效应物称为别构激活剂。由底物作为别构效应物产生的别 构效应称为同促效应，否则，就称为异促效应。许多别构酶具有多个别 构中心，能够与不同的别构效应物结合。 别构调节 是指酶活性因其分子内的某些氨基酸残基发生共价 修饰而发生变化的过程。这种调节方式比别构调节 要慢。共价修饰的方式有：磷酸化、腺苷酸化、尿 苷酸化、ADP-核糖基化和甲基化，其中磷酸化是最 为常见的形式。 酶的共价修饰调节 蛋白质的“可逆磷酸化” 大多数蛋白酶以无活性的酶原形式被合成，需要通过 水解（由其他蛋白酶催化或自我催化）去除一些氨基 酸序列以后才会有活性，这种调节酶活性的方式被称 为水解激活。 实例：消化道内的酶原激活和与细胞凋亡的Caspase的 水解激活。 水解激活 胰蛋白酶和其他蛋白酶的水解激活 某些蛋白质能够作为配体与特定的酶结合而调节 被结合酶的活性，这些调节酶活性的蛋白质称为 调节蛋白，其中，激活酶活性的调节蛋白称为激 活蛋白，抑制酶活性的蛋白称为抑制蛋白。抑制 蛋白通常结合在酶的活性中心阻止底物与活性中 心结合而达到抑制的效果。 调节蛋白的激活或抑制 各种CDK与其周期蛋白搭档 维生素、辅酶和缺乏症 糖类考点糖类考点 4分类：单糖、寡糖和多糖。能判断一直糖类化 合物属于哪一类 4糖类性质：旋光性（绝大多数有），还原性（ 单糖都有，寡糖有的有，多糖都没有），变旋 （可以成环的有），颜色反应 4糖蛋白（一般是分泌蛋白和细胞膜蛋白）、蛋 白聚糖（动物细胞外基质主要成分）、肽聚糖( 细菌细胞壁的主要成分）、糖脂（细胞膜的成 分）和脂多糖（革兰氏阴性细菌外膜的一种主 要成分也是细菌内毒素的主要成分） 常见二糖的名称、结构、来源和生理功能 常见多糖的结构和性质 糖类的呈色反应 Molish（莫立许）反应：糖类化合物与-萘酚/乙 醇在试管中混合，摇匀后沿管壁滴加浓硫酸，在 两液面交界处出现紫红色环。使用此反应，可以 将非糖类与糖类化合物区分开。 Seliwanoff（谢里瓦诺夫）反应。糖类化合物与浓 酸作用后再与间苯二酚反应，若是酮糖就显鲜红 色，若是醛糖就显淡红色。根据此反应可鉴别酮 糖和醛糖。 间苯三酚反应：戊糖与间苯三酚/浓盐酸反应生成 朱红色物质，其他单糖与间苯三酚/浓盐酸生成黄 色物质；此外，戊糖还可以和甲基间苯二酚即地 衣酚/浓盐酸反应，生成蓝绿色物质。利用这两个 反应可以将戊糖和其他单糖区分开来。 糖蛋白中寡糖基与蛋白质之间的连接方式 脂质与生物膜考点 4必需脂肪酸与非必需脂肪酸；不饱和脂肪酸中 的双键一般是顺式的； 4简单脂、复脂和异戊二烯类脂 4脂肪、糖原和蛋白质三大能源贮备之比较 4两性脂类（磷脂、糖脂和胆固醇）与生物膜 4磷脂分子在水溶液中自组装形成的几种结构 4驱动和稳定生物膜结构形成的化学键 4三类膜蛋白与脂双层结构的结合方式 磷脂分子在水溶液中自组装形成的几种结构 膜蛋白 膜蛋白是生物膜