生物化学讲义归纳

第一篇第一篇 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能 生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)是指生物体内由分子量较低的基本结构单位按一定顺序和 方式连接而成的多聚化合物。包括核酸、蛋白质、多糖、蛋白聚糖和复合脂类等。 自然界典型的生物大 分子的分子量在 104以上 第第 一一 章蛋白质的结构与功能章蛋白质的结构与功能 一、蛋白质的生物学重要性一、蛋白质的生物学重要性 1. 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广：蛋白质普遍存在于生物界；所有器官、组织都含有蛋白质； 细胞的各个部分都含有蛋白质。 2. 蛋白质具有重要的生物学功能 1）作为生物催化剂（酶） 2）调节蛋白(激素、酶) 3）防御蛋白(免疫球蛋白) 4）转运蛋白(载体) 5）收缩或运动 (肌动蛋白) 6）营养和储存蛋白（外源蛋白） 7）结构蛋白（胶原、弹性蛋白） 8)其他 ：信息传递、受体识别等 3. 氧化供能 二、蛋白质定义二、蛋白质定义 蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。 protein 一词就是来自 1938 年 Jons J Berzelius 创造的希腊单词 protios，意为第一或最重要的意思 ， 是生命的物质基础 蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 组组 成成 The Molecular Component of Protein 一、蛋白质的元素一、蛋白质的元素 组成主要有 C、H、O、N 和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质 还含有碘 蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近，平均为 16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋 白质的大致含量：100 克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含氮克数 6.25100 二、氨基酸二、氨基酸(amino(amino acidacid，aaAAaaAA) 组成蛋白质的基本结构单位 存在自然界中的氨基酸有 300 余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有 20 种，且均属 L- -氨基酸（甘氨 酸除外） （一）氨基酸的一般结构式 除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为： (1). 分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的 -碳原子上都有一个氨基，因而称为 -氨基酸。 (2). 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的 -碳原子都为不对称碳原子 A. 都具有旋光性；B. 都具有 D-型和 L-型两种立体异构体。 组成人体蛋白质的氨基酸都为 L-型。 （二）氨基酸的分类 根据侧链极性进行分类 非极性 R 基氨基酸：水中溶解度小于极性 R 基氨基酸 不带电荷的极性 R 基氨基酸：水中溶解度大于非极性 R 基氨基酸 带正电荷的 R 基氨基酸：生理条件下带正电荷 带负电荷的 R 基氨基酸：生理条件下带负电荷 2 （三）氨基酸的理化性质 1. 两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点(isoelectric point, pI) 在某一 pH 的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时 溶液的 pH 值称为该氨基酸的等电点。 2. 紫外吸收色氨酸、酪氨酸的苯丙氨酸等芳香族氨基酸最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有 色氨酸、酪氨酸，所以测定蛋白质溶液 280nm 的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。 3. 茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在 570nm 处。由于此吸收峰值与氨基酸 的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 三、肽键和多肽链（一）肽键和肽三、肽键和多肽链（一）肽键和肽(peptide)(peptide) 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽 (polypeptide)。 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链有两端 N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 （二）生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) 2. 多肽类激素及神经肽 多肽和蛋白质的区别：（参照） 氨基酸残基数量100 分子量：10KD 有无严密且相对稳定的空间结构： 四、蛋白质的分类四、蛋白质的分类 （一） 、依据蛋白质的分子形状和空间构型 1.球状蛋白质：外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶大多数蛋白质属于这一类。 2.纤维状蛋白质：分子类似纤维或细棒分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质 （二） 、依据蛋白质的组成分为简单蛋白和结合蛋白 1.简单蛋白：又称为单纯蛋白质 （1）清蛋白和球蛋白：广泛存在于动物组织中，易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。 （2）谷蛋白和醇溶蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于 7080乙醇中。 （3）精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。 （4）硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。 2.结合蛋白：由单纯蛋白与其它非蛋白成分结合而成 （1）色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。 （2）糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。 （3）脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-、-脂蛋白等。 （4）核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。 （5）磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。 （三） 、按功能分为活性蛋白和非活性蛋白 （四） 、家族分类法 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日3 蛋蛋 白白 质质 的的 分分 子子 结结 构构 The Molecular Structure of Protein 蛋白质的分子结构包括:一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 一、蛋白质的一级结构（一、蛋白质的一级结构（primaryprimary structurestructure） 定义 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从 N-端至 C-端的氨基酸排列顺序。主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构(secondary(secondary structure)structure) 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残 基侧链的构象 。 主要的化学键： 氢键 氢键:当氢原子与氧、氮、氟等负电性很大的原子成键时，由于电子云向负电性大的原子作很大偏移，使 氢原子核暴露，于是氢核的正电荷与第二个分子中的负电性强的氟、氧或氮原子产生静电引力，此引力即 为氢键。 它是一种特殊的偶极与偶极间的作用力，其数值约为 21KJ/mol，较一般分子间力 10KJ/mol 大，但只及一 般共价键的 1/101/20。 特点：有方向性和饱和性，可存在于分子间或分子内。 （一）肽单元 参与肽键的 6 个原子 C1、C、O、N、H、C2 位于同一平面，C1 和 C2 在平面上所处的位置为反式 (trans)构型， NH 上的 H 和 CO 上的 O 方向总是相反,此同一平面上的 6 个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。 蛋白质二级结构的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn )卷曲 (coil ) （二） -螺旋 1). 组成人体蛋白质右手螺旋：是从 N 端到 C 端为顺时针方向的右手螺旋结构，肽链骨架由肽键上的 C、N 原子与氨基酸残基中的 碳原子组成(N-C-C )，交替形成了肽链主链，螺旋每圈由 3.6 个氨基酸 残基组成，每圈上下螺距为 0.54nm，每个残基向上移动 0.15nm 2). 稳定力量：氢键，每个肽键平面的 CO 和第 4 个肽键上的 NH 形成氢键，且氢键方向与 螺旋 长轴基本平行 3). 侧链：氨基酸残基侧链 R 在螺旋外侧 （三）-折叠（又称-片层） -折叠特点： 1) 肽键平面充分伸展，呈锯齿状 2）每个肽单元以 碳原子为旋转点，依次折叠。氨基酸残基的侧链交替位于锯齿状结构的上下方。 3）稳定力量：氢键，方向与 -折叠的长轴垂直 4）锯齿状结构一般比较短，只含 5-8 个氨基 酸残基 （四）非重复二级结构-转角和卷曲 Super-secondary structure（超二级结构） Between secondary and tertiary structure 超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或二个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，相互 作用，形成一个有规则的二级结构聚集体，被称为超二级结构。 模体(motif)二个或二个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，其具 有特征性的氨基酸排列顺序，并且同特定的功能相联系. 即具有特殊功能的超二级结构称为基序或模体 4 模体常见的形式 -螺旋- 转角（或环）-螺旋模体 链- 转角-链模体 链- 转角-螺旋- 转角-链模体 J 结构域：大分子蛋白质由于相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多个在空间上具有明显区别的局部 区域，这种局部区域各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能叫做结构域 三、蛋白质的三级结构整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。三、蛋白质的三级结构整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。 即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 主要的化学键 疏水键、离子键、二硫键、氢键和 Van der Waals 力等。 四、蛋白质的四级结构四、蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。 亚基之间的结合力主要是氢键和离子键等非共价键。 蛋白质四级结构内涵：亚基的数目、种类、空间排列方式 自然界蛋白质的亚基数目多为偶数，可有相同或不同的亚基组成。若亚基相同，称为纯聚体；亚基不同， 称为杂聚体，不同亚基一般用 a 、 r 等来命名。 并不是所有的蛋白质都具有四级结构 判断的依据： *两条以上多肽链组成，每一条多肽链都有完整的三级结构 *亚基间的连接键都是非共价键 亚基单独存在时一般不具备此蛋白的生物活性，只有按特定方式组装成具有四级结构时，蛋白质才具有生 物活性 分子伴侣分子伴侣 分子伴侣(chaperon) 是细胞一类保守蛋白质，通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或 形成四级结构。 1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40 和 GreE 族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL 和 GroES 家族 伴侣素的主要作用 为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。 （二）蛋白质一级结构的种属差异 一、蛋白质一级结构与功能的关系 1一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 2氨基酸序列提供重要的生物进化信息 （二）一级结构与分子病由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病” 。 （涉及蛋白质分子结构异 常或氨基酸的缺失、替换等） 1、蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能这种由蛋白质分子发生变异所导致 的疾病，称为“分子病” 。 2、蛋白质分子中一些非关键部位的氨基酸残基改变或缺失则不会影响蛋白的生理活性 二、蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的别构效应 具有两个或两个以上亚基的蛋白质 1、别构效应（allosteric effect） 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日5 指一些小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，引起蛋白质亚基间一些次级键的改变，使蛋白质分子 构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性发生改变的过程。 变构剂：引起变构作用的小分子物质 变构蛋白：能发生变构效应的蛋白 2、意义 具有四级结构蛋白质，通过别构作用，其活性得到不断调整，从而使机体适应千变万化的内、外环 境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。 3、举例:肌红蛋白与血红蛋白的结构与其功能 与氧结合的情况 Hb 与 Mb 一样能可逆地与 O2 结合， Hb 与 O2 结合后称为氧合 Hb。氧合 Hb 占总 Hb 的百分数（称百分饱和 度）随 O2 浓度变化而改变。 * 协同效应(cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称 为协同效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity) 致病机理： 正常的 PrP 富含 -螺旋，称为 PrPc。 PrPc 在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为 -折叠的 PrPsc，从而致病。 症状是：脾气改变，容易紧张、激怒；姿势和步态改变，难以站立，身体平衡障碍，运动失调；产奶量下 降，体重下降。潜伏期长，一般 28 年。症状出现后，进行性加重，一般只需 2 个星期到 6 个月，疯牛 以死亡而告终。患病牛年龄多在 35 岁。 到目前为止，对疯牛病尚无有效的治疗方法，亦无有效的生前检测手段，一般是通过尸检脑组织，经病理 检验而确诊。 疯牛病脑组织病理特征: 广泛海绵状空泡，胶质细胞增生，神经元退行性变，淀粉样蛋白沉积 一、理化性质一、理化性质 （一）蛋白质的两性电离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液 pH 条件下都可解 离成带负电荷或正电荷的基团。 * 蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 当蛋白质溶液处于某一 pH 时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此 时溶液的 pH 称为蛋白质的等电点。 （二）蛋白质的高分子性质 （胶体性质） * 蛋白质胶粒稳定的因素 颗粒表面电荷水化膜 （三）蛋白质的沉淀、变性和凝固 1、蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白质肽链融会相互缠绕继而聚集，从溶液中析出。 引起沉淀的因素 盐析: 中性盐，高浓度硫酸铵 有机溶剂：乙醇，丙酮 (pI) 重金属盐：Cu2+,Ag+,Hg2+ 生物碱试剂:苦味酸，鞣酸等 加热(pI) 2、蛋白质的变性(denaturation) 概念：在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结 构，从而导致其理化性质和生物活性的改变。 变性的本质 6 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。 造成变性的因素（物理、化学） 如紫外线、超声波、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。 应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。 变性后理化性质的改变： 溶解度降低 黏度增加 结晶能力消失 生物活性丧失 易被蛋白酶水解 变性 可逆变性：Pr 变性后如将变性剂除去，该 Pr 分子的天然构象和生物学活性还能恢复。 不可逆变性：若变性条件强烈，作用时间长，构像变化大，理化性质难以恢复。 *复性: 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称 为复性(renaturation) 。 “变性的蛋白质易于沉淀，但不一定沉淀；有时蛋白质发生沉淀，也并不一定变性。 ” * 3、蛋白质的絮凝及凝固作用 强酸强碱使蛋白质变性后，蛋白质仍能溶于强酸强碱中，若将强酸强碱溶液的 PH 调至等电点，则变性的 蛋白质立即结成絮状的不容物，这种现象称为变性蛋白质的絮凝作用（flocculation） 。 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，称为蛋白质的凝固 作用(protein coagulation) 。 是蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果 总结：Pr 变性、沉淀与凝固之间的关系： 变性 Pr 不一定沉淀 沉淀 Pr 不一定变性 变性 Pr 不一定凝固 凝固的 Pr 一定变性 （四）蛋白质的紫外吸收 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在 280nm 波长处有特征性吸收峰。蛋白质的 OD280 与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。 （五）蛋白质的呈色反应 茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。 双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，氨基酸 不出现此反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。 二、蛋白质的分离和纯化二、蛋白质的分离和纯化 根据蛋白质等电点、溶解度、分子量大小及形状、电离性质、生物学功能的差异进行分离纯化 （一）透析及超滤法 * 透析(dialysis) 利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。 操作: Pr 溶液置半透膜袋中，置流动溶剂（如蒸馏水）中，使小分子杂质（如无机盐、单糖、双糖、 AA、小肽等）透出，蛋白质留于袋中而得到分离。 材料：特制的半透膜，截止分子量一般为一万。 * 超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。 （二）有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀 *使用丙酮沉淀时，必须在 04低温下进行，丙酮用量一般 10 倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉 淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。 *盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和 以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日7 * 免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋 白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。 （三）电泳 蛋白质在高于或低于其 pI 的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电 场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳(elctrophoresis) 。 根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。 水平板电泳 四）层析 层析(chromatography)分离蛋白质的原理 待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电 荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白 质的目的 。 蛋白质分离常用的层析方法 凝胶过滤(gel filtration)又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同分离。 * 离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。 凝胶过滤法 离子交换层析法 定义: 利用离子交换树脂作为支持物，将带有不同电荷的 Pr 进行分离的方法。 分类: 阳离子交换树脂,如羧甲基纤维素等阴离子交换树脂,如二乙基氨基乙基 纤维素等 （五）超速离心 蛋白质结构的测定蛋白质结构的测定 蛋白质空间结构测定 * 二级结构测定 通常采用圆二色光谱(circular dichroism，CD)测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。 -螺旋的 CD 峰 有 222nm 处的负峰、208nm 处的负峰和 198 nm 处的正峰三个成分；而-折叠的 CD 谱不很固定。 三聚氰胺（英文名 Melamine） ，是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。简称三 胺 微溶于冷水，极微溶于热乙醇，不溶于醚、苯和四氯化碳，可溶于甲醇、甲醛、乙酸、热乙二醇、甘油、 吡啶等。低毒。在一般情况下较稳定，但在高温下可能会分解放出氰化物。 由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷，三聚氰胺也常被不法商人用作食品添加剂，以提升食品 检测中的蛋白质含量指标，因此三聚氰胺也被人称为“蛋白精” 。 蛋白质主要由氨基酸组成，其含氮量一般不超过 30%，而三聚氰胺的分子式含氮量为 66左右。通用的蛋 白质测试方法“凯氏定氮法”是通过测出含氮量来估算蛋白质含量，因此，添加三聚氰胺会使得食品的蛋 白质测试含量偏高，从而使劣质食品通过食品检验机构的测试。有人估算在植物蛋白粉和饲料中使测试蛋 白质含量增加一个百分点，用三聚氰胺的花费只有真实蛋白原料的 1/5。三聚氰胺作为一种白色结晶粉末， 没有什么气味和味道，掺杂后不易被发现。 第第 二二 章章 核酸的结构和功能核酸的结构和功能 StructureStructure andand FunctionFunction ofof NucleicNucleic AcidAcid 第一节第一节 概述概述 核酸在实践应用方面有极重要的作用，现已发现近 2000 种遗传性疾病都和 DNA 结构有关。 核 酸(anucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 8 第二节第二节 核酸的基本结构单位：核苷酸核酸的基本结构单位：核苷酸 1. 元素组成 C、H、O、N、P 2. 分子组成 核苷(ribonucleoside)的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷） 。 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP 核苷酸的连接 一个核苷酸 3的羟基与另一个核苷酸 5的 -磷酸基团缩合形成 3,5-磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 RNA 也是具有 3,5-磷酸二酯键的线性大分子 第三节第三节 DNADNA 分子的结构与功能分子的结构与功能 一、定义一、定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。 DNA 携带两类遗传信息 1、有功能活性的 DNA 序列携带的信息 2、调控信息 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用碱基(base 或 kilobase,简写 b 或 kb)数目来表示。 小的核酸片段( Km v=VmaxS/S=Vmax 若S= Km 时 v=12Vmax （四）Km 与 Vm 是有意义的酶促反应动力学参数 Km 值的推导 Km 与 Vmax 的意义 Km 值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度单位相同，是 mol/L。 Km 与 Vmax 的意义 Km 值: 米氏常数 定义： Km 等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义： a) Km 是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境（如，温度、pH、离子强度）有关，与 酶的浓度无关 ； b) Km 可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的 Km 值。 *Km 的大小反映该酶对底物亲和力的大小 此时 Km 即为ES的解离常数 Km 的大小代表 E 与 S 的亲和力 Km 大，亲和力小，反应速度慢 Km 小，亲和力大，反应速度快 m 改变引起的生理效应 亚洲人乙醛脱氢酶对乙醇 Km 高于欧洲人 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日15 个别人酒精过敏，乙醛脱氢酶对乙醇 Km 高 反应达最大速率，Et =ES Vmax = k2ES = k2Et Vmax 定义：Vm 是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。 （五）m 值与max 值的测定 1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法 二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响 当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。 关系式为：V = K3 E 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响 双重影响 温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低 。 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。 酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。 四、 pHpH 对反应速度的影响对反应速度的影响 pH 与酶活性中心的必需基团，辅酶及底物的电离有关最适 pH (optimum pH)：酶催化活性最大时的环 境 pH。 最适 pH 也不是酶的特征性常数与底物浓度、缓冲液的种类与浓度以及酶的纯度的有关极度 pH 条件使酶变 性 五、激活剂对反应速度的影响 激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。 必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂 (non-essential activator) 可能机制：作为酶与底物间联系的桥梁作为辅酶或辅基的一部分协助催化与酶中的氨基酸侧链基团结合， 稳定酶的催化 六、抑制剂对反应速度的影响六、抑制剂对反应速度的影响 酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。 抑制作用的类型根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为： (一) 不可逆性抑制作用 * 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。 举例有机磷化合物 羟基酶（专一性抑制） 重金属离子及砷化合物 巯基酶（非专一性抑制） 二） 可逆性抑制作用 * 概念 抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超 滤等方法除去。 . 竞争性抑制作用 定义 抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。 这种抑制作用称为竞争性抑制作用。 * 特点 I 与 S 结构类似，竞争酶的活性中心； 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度； 动力学特点：Vmax 不变，表观 Km 增大。 * 举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶磺胺类药物的抑菌机制 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶 16 非竞争性抑制 抑制剂不改变酶对底物的亲和力 有些抑制剂即可与酶与底物复合物结合也可与游离的酶结合，底物和抑制剂之间无竞争关系（不影响酶与 底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合） 。但酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步释 放出产物，减少了活性酶分子。这种抑制作用称作非竞争性抑制作用。 * 反应模式 * 特点 抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系； 抑制程度取决于抑制剂的浓度； 动力学特点：Vmax 降低，表观 Km 不变。 . 反竞争性抑制 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物 ES 的量下降。这样，既减少从中间产物转化 为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。使有效的活性酶减少，这种抑制作用称为 反竞争性抑制作用。 * 反应模式 * 特点： 抑制剂只与酶底物复合物结合； 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度； 动力学特点：Vmax 降低，表观 Km 降低。 第第 六六 节节 酶酶 的的 调调 节节 TheThe RegulationRegulation ofof EnzymeEnzyme 代谢反应中调节对象 关键酶代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定 。 关键酶催化的反应具有以下特点： 催化反应的速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故常又为限速酶(limiting velocity enzymes)。 催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。 这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。 调节方式 快速调节 缓慢调节 一一 、酶结构的调节、酶结构的调节 （一）别构酶和别构调节小分子化合物与酶分子的非催化部位或亚基可逆地结合，使酶构象改变，从而改 变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。 被调节的酶称为变构酶或别构酶(allosteric enzyme) 使酶发生变构效应的物质，称为别构效应剂 (allosteric effector) 别构激活剂allosteric effector引起酶活性增加的变构效应剂。 别构抑制剂allosteric effector 引起酶活性降低的变构效应剂。 别构部位 (allosteric site)或调节部位变构效应剂与变构酶结合的部位 （二） 酶的化学修饰调节 化学修饰（chemical modificationg）：在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团发生可逆 的共价修饰，从而改变酶的活性，此过程又称为共价修饰(covalent modification) 常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH 与 SS 互变 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日17 3. 化学修饰的特点 被修饰的酶有两种形式（有活性、无活性，活性高、活性低） 酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应， 在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。 具有放大效应，效率较变构调节高。 磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。 二、 酶含量的调节 包括对酶合成与分解速率的调节 （一）酶蛋白合成的诱导和阻遏 诱导作用(induction) 阻遏作用(repression) 对代谢缓慢而长效的调节 （二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同 溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖 ATP 的降解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖 ATP 和泛素的降解途径） 第七节第七节 酶活性的测定酶活性的测定 酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶的活性是指酶 催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。 酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min 或 h）内生 成一定量（mg、g、mol 等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。 第八节第八节 酶的命名与分类酶的命名与分类 TheThe NamingNaming andand ClassificationClassification ofof EnzymeEnzyme 一、酶的命名一、酶的命名 1. 习惯命名法推荐名称 2. 系统命名法系统名称 二、酶的分类 1.氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类 (transferases )3.水解酶类 (hydrolases) 4.裂合酶类 (lyases)5.异构酶类( isomerases)6.连接酶类 (ligases, synthetases) 第十节第十节 酶与医学的关系酶与医学的关系 TheThe RelationRelation ofof EnzymeEnzyme andand MedicineMedicine 一、酶与疾病的关系一、酶与疾病的关系 （一） 酶与疾病的发生 （二） 酶与疾病的诊断 （三） 酶与疾病的治疗 2酶标记测定法 酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来 判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。 3工具酶 除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上 对某些生物大分子进行定向的分割与连接。 （二）酶作为药物用于临床治疗（三）酶的分子工程 将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。 固定化酶在催 化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。 2抗体酶具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme) 。 3模拟酶模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部 位的非蛋白质有机化合物。 18 第第 四四 章章 糖糖 代代 谢谢 MetabolismMetabolism ofof CarbohydratesCarbohydrates 糖的化学糖的化学 （一）糖的概念 糖(carbohydrates)即碳水化合物（CH2O）n ，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。 （二）糖的分类及其结构 根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。单糖 (monosacchride) 寡糖 (oligosacchride)多糖 (polysacchride)结合糖 (glycoconjugate) 1. 单糖 不能再水解的糖。 2. 寡糖能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。麦芽糖 蔗糖 乳糖 3. 多糖 能水解生成多个分子单糖的糖。淀粉 糖原 纤维素 糖原 是动物体内葡萄糖的储存形式 结合糖 糖与非糖物质的结合物。 常见的结合糖有 糖脂 (glycolipid)：是糖与脂类的结合物。 糖蛋白 (glycoprotein)：是糖与蛋白质的结合物。 第第 一一 节节 概概 述述 分布： 植物 含量最多 约占干重 80%，主要是纤维素 微生物 约占干重 1030%，多以糖脂、糖蛋白的形式 存在于外壳中 人体 约占干重 2%，主要是葡萄糖和糖原 一、糖的生理功能一、糖的生理功能 1. 氧化供能 2. 提供合成体内其他物质的原料 3. 作为机体组织细胞的组成成分 4.作为细胞识别的信息分子 二、糖的消化与吸收二、糖的消化与吸收 （一）糖的消化人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以 淀粉为主。消化部位： 主要在小肠，少量在口腔 食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是 维持健康所必需。 （二）糖的吸收 1. 吸收部位小肠上段 2. 吸收形式 单 糖 3. 吸收机制(简单扩散、继发性主动吸收)Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependent glucose transporter, SGLT) 4. 吸收途径 GLUT：葡萄糖转运体(glucose transporter)，已发现有 5 种葡萄糖转运体(GLUT 15)。 三、血糖的来源和去路 * 血糖，指血液中的葡萄糖。 血糖水平，即血糖浓度。正常血糖浓度 ：3.896.11mmol/L（葡萄糖氧化酶法） 血糖水平恒定的生理意义 保证重要组织器官的能量供应，特别是某些依赖葡萄糖供能的组织器官。 兰州大学基础医学院 生物化学讲义 版权所有 翻版必纠 2011 年 12 月 12 日19 脑组织不能利用脂酸，正常情况下主要依赖葡萄糖供能； 红细胞没有线粒体，完全通过糖无氧酵解获能； 骨髓及神经组织代谢活跃，经常利用葡萄糖供能。 第第 二二 节节 糖的分解代谢糖的分解代谢 糖的无氧分解 Glycolysis 一、糖酵解的反应过程一、糖酵解的反应过程 * 糖酵解(glycolysis)的定义在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。 * 糖酵解的反应部位：胞浆 * 糖酵解分为两个阶段 第一阶段由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。 第二阶段由丙酮酸转变成乳酸。 （一）葡萄糖经酵解途径分解为两分子丙酮酸 葡萄糖磷酸化为葡糖-6-磷酸 哺乳类动物体内已发现有 4 种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖 激酶(glucokinase) 葡萄糖激酶的特点是： 对葡萄糖的亲和力很低；受激素调控 这些特性使葡萄糖激酶在维持血糖水平和糖代谢中起着重要的生理作用。 果糖-6-磷酸的生成 果糖-6-磷酸转变为果糖-1,6-二磷酸 磷酸己糖裂解成 2 分子磷酸丙糖 磷酸丙糖的同分异构化 甘油醛 -3-磷酸氧化为 1,3-二磷酸甘油酸 1,3-二磷酸甘油酸转变成甘油酸-3-磷酸 以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程，称为底物水平磷 酸化(substrate level phosphorylation) 。 甘油酸-3-磷酸转变为甘油酸-2-磷酸 甘油酸-2-磷酸转变为磷酸烯醇丙酮酸 磷酸烯醇丙酮酸转变成丙酮酸， 并通过底物水平磷酸化生成 ATP 二）丙酮酸转变成乳酸 (三)糖酵解小结 反应部位：胞浆 糖酵解是一个不需氧的产能过程 反应全过程中有三步不可逆的反应 产能的方式和数量 方式：底物水平磷酸化(2 次) 净生成 ATP 数量：从 G 开始 22-2= 2ATP 从 Gn 开始 22-1= 3ATP 终产物乳酸的去路 释放入血，进入肝脏再进一步代谢： 分解利用 乳酸循环（糖异生） (6)除葡萄糖外，其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。 二、糖酵解的调节二、糖酵解的调节 别构调节 别构激活剂：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P 别构抑制剂：柠檬酸; ATP（高浓度） （一）磷酸果糖激酶-1 对调节酵解途径的流量最重要 20 ATP 对磷酸果糖激酶-1 的调节： 果糖-2,6-二磷酸对磷酸果糖激酶-1 的调节： 果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶-1 最强的变构激活剂； 其作用是与 AMP 一起取消 ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶-1 的变构抑制作用。 （二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点 1、别构调节 别构激活剂：1,6-双磷酸果糖 别构抑制剂：ATP, 丙氨酸 （三）己糖激酶或葡萄糖激酶 6-磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶，但肝葡萄糖激酶不受其抑制。 长链脂肪酰 CoA 可别构抑制肝葡萄糖激酶。 胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成。 三、糖酵解的生理意义三、糖酵解的生理意义 1. 是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。 2. 是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。 无线粒体的细胞，如：红细胞 代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞 3. 糖酵解逆行相似途径（逆向反应）是糖异生途径。 糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate * 概念 糖的有氧氧化(aerobic oxidation)指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成 H2O 和 CO2，并释 放出能量的过程。是机体主要供能方式。 * 部位：胞液及线粒体 一、有氧氧化的反应过程 第一阶段：酵解途径 第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧 第三阶段：三羧酸循环 第四阶段：氧化磷酸化 （一）丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧为乙酰 CoA (acetyl CoA)。丙酮酸脱氢酶复合体的组成 酶 E1：丙酮酸脱氢酶 E2：二氢硫辛酰转乙酰酶 E3：二氢硫辛酰脱氢酶 丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应过程 1. 丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP。 2. 由二氢硫辛酰转乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰-E2。 3. 二氢硫辛酰转乙酰酶(E2)催化生成乙酰 CoA, 同时使硫辛酰上的二硫键还原为 2 个巯基。 4. 二氢硫辛酰脱氢酶(E3)使还原的二氢硫辛酰胺脱氢，同时将氢传递给 FAD。 5. 在二氢硫辛酰脱氢酶(E3)催化下，将 FADH2 上的 H 转移给 NAD+，形成 NADH+H+。 （二）三羧酸循环 三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle, TAC)也称为柠檬酸循环，这是因为循环反应中的第一个中间产 物是一个含三个羧基的柠檬酸。由于 Krebs 正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为 Krebs 循环， 它由一连串反应组成。 1、柠檬酸的生成 Citrate (6C) is formed from the irreversible condensation of acetyl CoA (2C) and oxaloacetate (4C)- catalyzed by citrate synthase. 2、异柠檬酸的生成 Citrate is converted to isocitrate by an isomerization catalyzed by aconitase. This is actually a two step reaction during which cis-aconitate is formed as an intermediate. It is the cis-aconitate which gives the enzyme its name. 3、异柠檬酸氧化脱羧 Isocitrate is oxid