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第一章 绪论,一、生物化学的概念 生物化学就是生命的化学，是研究微生物、植物、动物及人 体等的化学组成和生命过程的化学变化的一门科学。,二、发展概况和近代成就 1、18世纪下半叶前：“燃素说”； 2、18世纪下半叶： （1）拉瓦锡：证明燃烧是氧的作用； （2）舍勒：发现柠檬酸、苹果酸等生物中间代谢产物；,3、19世纪以后： （1）李比希（18031873，德国化学家）：首创大学化学 实验的教学，首次提出新陈代谢； （2）霍佩-赛勒（1825-1895，德国医生）：建成独立的生 物化学学科，并提出“Biochemie”和“蛋白质”一词； （3）寇南（1837-1900，德国化学家）：提出胰酶的名词， 研究血红蛋白和胰液对蛋白质的消化；,4、20世纪以后生物化学的发展 （1）1902年德国艾贝尔首次获得结晶肾上腺素； （2）1904年英国哈顿分离出“辅酶”，还发现了磷酸基在 生化中的重要作用； （3）19021907年德国埃费歇证明蛋白质由氨基酸组成 ，开始了蛋白质结构研究的时代； （4）1909年丹麦威约翰逊在精密遗传学原理一书中 首次提出基因是遗传单位的概念； （5）1912年波兰的丰克分离出维生素B结晶，首次提出 维生素的概念； （6）1925年英国凯林发现细胞色素，并指出生物氧化过 程中的电子传递作用； （7）1926年美国萨姆纳首次制成尿素酶，开辟了酶化学 的研究。同年美国的摩尔根发表基因论，使基 因遗传理论系统化；,（8）1929年美籍俄国人勒温发现核酸中的核糖和脱氧核糖， 认识到核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类；同年 德国罗曼发现ATP。 （9）1937年美国罗思发现组成蛋白质的氨基酸分为两类， 其中一类对营养无效，另一类是20余种基本氨基酸； 同年英籍德国人克勒勃斯发现三羧酸循环； （10）1941年德国李普曼发现ATP高能键在代谢过程中的重 要作用；并在1947-1951年发现乙酰CoA在TCA循环中 的重要地位； （12）1953年美国华特森和英国克里克根据维尔肯做DNA 的X光衍射资料，提出DNA一级双螺旋的分子结构模 型；,（13）1954年美籍俄国人伽莫夫首次提出一个核苷酸编成 一个遗传密码的“三联密码说”。1961年克里克加以 了证实； （14）19551956年美籍西班牙人奥巧阿和美国孔勃首次 用酶促法人工合成核糖核酸RNA和DNA； （15）1961年法国雅各布和莫诺首次提出mRNA的存在， 证实mRNA与DNA的碱基互补以及蛋白质的合成场 所-核糖体，同时发现了操纵子的基因集团； （16）80年代发展了生物工程和生物技术。,第一章 蛋白质 第一节 蛋白质通论 一、蛋白质的化学组成 碳、氢、氧，还有氮和少量硫等，其中含C量约为50%，含 N量为16% 凯氏定氮法测定蛋白质含量： 蛋白质含量=蛋白氮6.25 蛋白质是由20种L-型氨基酸组成的长链分子， 包括： 1、简单（单纯）蛋白质：完全由氨基酸构成； 2、结合（缀合）蛋白质：还有非蛋白质成份的辅基或配 基。,二、蛋白质构象 每一种天然的蛋白质都有自己特有的空间结构，这称为蛋白质构象。 蛋白质结构的不同组织层次： 1、一级结构：多肽链共价主链的氨基酸顺序； 2、二级结构：多肽链以氢键排列成沿一维方向的周期性结构的构 象，如纤维状蛋白质中的-螺旋和-折叠片； 3、三级结构：多肽链以各次级键（非共价键）盘绕成具有特定走 向的紧密球状构象； 4、四级结构：寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互结合方 式。,第二节 氨基酸 一、氨基酸的通式结构： 常见有20种氨基酸参与蛋白质组成。它们的结构模式是：,与羧基相邻的-碳（C）上都有一个氨基，因此称为-氨基酸。-碳上还连着一个H和一个可变的侧链R基，各种氨基酸的区别在于R基的不同。 必需氨基酸： Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr “假 设 来 借 一 两 本 书”,二、氨基酸的分类 （一）按R基的化学结构分： 1、脂肪族氨基酸 1）含一氨基一羧基的中性氨基酸： （1）甘氨酸（氨基乙酸）：Gly（唯一含对称C原子的氨基酸，不具旋光性） （2）丙氨酸（-氨基丙酸）：Ala （3）缬氨酸（-氨基异戊酸）：Val （4）亮氨酸（-氨基异己酸）：Leu （5）异亮氨酸（-氨基-甲基戊酸）：Ile 2）含羟基氨基酸： （6）丝氨酸（-氨基-羟基丙酸）：Ser （7）苏氨酸（-氨基-羟基丁酸）：Thr ,Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Ser,Thr,3）含硫氨基酸： （8）半胱氨酸（-氨基-巯基丙酸）：Cys 常见胱氨酸型式 （9）甲硫氨酸（-氨基-甲硫基丁酸）：Met 4）含酰氨基氨基酸： （10）天冬酰氨：Asn （11）谷氨酰氨：Gln 5）含一氨基二羧基的酸性氨基酸： （12）天冬氨酸（-氨基丁二酸）：Asp （13）谷氨酸（-氨基戊二酸）：Glu 6）含二氨基一羧基的碱性氨基酸： （14）赖氨酸（、-二氨基己酸）：Lys （15）精氨酸（-氨基-胍基戊酸）：Arg ,Cys,Met,Asn,Gln,Asp,Glu,Lys,Arg,2、芳香族氨基酸： （16）苯丙氨酸（-氨基-苯基丙酸）：Phe （17）酪氨酸（-氨基-对羟基苯基丙酸）：Tyr 3、杂环族氨基酸： （18）色氨酸（-氨基-吲哚丙酸）：Trp （19）组氨酸（-氨基-咪唑基丙酸）：His （20）脯氨酸（-吡咯烷基-羧酸）：Pro 无自由的 -氨基，只有-亚氨。 ,（二）按R基的极性分： （1）非极性R基（脂肪烃侧链）的氨基酸：在水中的溶解度较小，如 （2）不带电荷的极性R基（羟基、酰胺基、巯基）氨基酸：侧链含有不解 离的极性基，能与水形成氢键，如 （3）带正电荷的R基（-氨基、胍基、咪唑基）氨基酸：碱性氨基酸， 如 （4）带负电荷的R基（羧基）氨基酸：酸性氨基酸，如,Pro,His,Trp,Tyr,Phe,二、氨基酸的旋光性 除甘氨酸外，其余的-碳原子为不对称碳原子，其结合的四个不同的取代基在空间的排列可有两种形式：L型和D型。 L型：氨基在左边 D型：氨基在右边 D- -氨基酸 L- -氨基酸 它们互为光学异构体（p.143，图3-14）。 此外，苏氨酸、异亮氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸等还有一个不对 称碳原子，所以可存在4种光学异构体（p.143，图3-15）。,三、氨基酸的酸碱性质 （一）氨基酸的兼性离子形式： 氨基酸能使水的介电常数增高，这是因为氨基酸在晶体和水中主要以兼性离子（偶极离子）的形式存在： 偶极离子形式的氨基酸是强极性分子，这就增加了水的介电常数。,(二）氨基酸的两性解离： 酸与碱的关系：HA（酸）A-（碱）+H+（质子） 酸是质子（H+）的供体，碱是质子的受体。 氨基酸在水中的偶极离子既起酸（质子供体）的作用，也起碱（质子 受体）的作用： 因此是一类两性电解质。 （三）氨基酸的等电点： 氨基酸的带电状况与溶液的pH有关，改变pH可使氨基酸带上正电荷或负电荷，也可使其处于正负电荷数相等，即净电荷为零的兼性离子状态。这时的溶液pH值即为该氨基酸的等电点（pI）（见p.131，图3-9）。,四、氨基酸的化学反应 （一）-氨基参加的反应 1、与亚硝酸反应：生成氮气 可根据氮气体积，进行氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定 （生成的氮气只有一半来自氨基酸） 2、与酰化试剂反应：氨基被酰基化 酰化试剂可被用作氨基的保护剂,3、烃基化反应：氨基中的H原子被烃基取代 可用来鉴定N-末端氨基酸 4、形成西佛碱反应：氨基与醛类反应形成弱碱 是某些酶促反应的中间产物（如转NH2反应）,（二）-羧基参加的反应 1、成盐和成酯反应：与碱作用生成盐；与醇反应生成酯 2、成酰氯反应：在氨基被保护下，羧基与五氯化磷等作用生 成酰氯 可使羧基活化，易与另一氨基酸的氨基结合，在人工多肽合成中使用。,3、脱羧反应：在氨基酸脱羧酶作用下，放出CO2而生成相应的一级胺,（三）-氨基和-羧基共同参加的反应 1、与茚三酮反应：在弱酸中与茚三酮共热，引起脱氧、脱 羧反应，最后茚三酮再与产生的NH3和还原茚三酮作用 生成紫色物质 可定性或定量测定各种氨基酸。脯氨酸和羟脯氨酸反应 生成黄色物质 2、成肽反应：氨基酸与氨基酸之间的氨基与羧基可缩合成 肽，形成肽键,第三节 蛋白质的共价结构 一、肽和肽键结构 蛋白质中氨基酸以共价键连接的两种方式： （1）肽键： 形成蛋白质的一级结构 （2）二硫键： 两个半胱氨酸残基的侧链之间形成， 分链间二硫键和链内二硫键，形成 二、三级结构。,1）肽链的结构特点是： （1）肽链中的骨干是 单位规则地重复排列，称 之为共价主链： （2）每个肽键的形成都丢失一个水分子，故肽键中的氨基酸称氨基酸 残基。 （3）各种肽链的主链结构一样，但侧链R基即氨基酸残基的顺序不同。 （4）一条多肽链通常在一端含有一个游离的末端氨基，称N端；另一端 含一个游离的末端羧基，称C端。 2）肽的命名：从N端氨基酸开始，称某氨基酰某氨基酰 某氨基酸，如简写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu。,3）肽键的平面结构： 顺式构型中的两个 C彼此接近，引起 各R基之间的空间位 阻，造成结构不稳； 反式构型中两者相 距较远，结构比较稳 定。肽链中的肽键全 是反式构型。,4）肽键共振（p.164，图4-2）： 肽键是一种酰胺键，通常在羰基碳和酰胺氮之间是单键，这样肽链主链上的3种键（N-C键，C-C键，C-N肽键）都是单键，所以原则上多肽主链上的任何共价键都可发生旋转。,但在酰胺氮和羰基氧之间会发生共振相互作用，其结果表现两种极端形式： 一是C和O之间有一个键和一个键连接，而酰胺N上留有一个孤电子 对，这种结构允许C-N键自由旋转（A）； 二是C和N原子参与键的形成，在羰基O上留下一个孤e-对，带负电荷， 酰胺N带正电荷，这样C-N键就成为一个双键，阻绕C-N键的自由旋 转（B）。 肽键共振的结果： （1）阻绕肽键C-N的自由旋转，只保留N-C键和C-C键的 旋转； （2）组成肽基的4个原子和2个相邻的C原子倾向于共平 面，形成多肽主链的酰胺平面。,二、肽的物理和化学性质 1、物理性质 在水溶液中以偶极离子存在，这决定与游离末端-NH2 ，-COOH 以及酸性和碱性氨基酸侧链R基团上可解离的功能团。肽键中的亚氨 基不解离。 2、化学反应 （1）游离的-NH2和-COOH及R基团可发生与氨基酸中相应的基团类似的 反应； （2）N末端的氨基酸残基也能与茚三酮发生定量呈色反应； （3）双缩脲反应为肽和蛋白质所特有、而氨基酸所没有的一种颜色反应 （紫红色或紫蓝色，与CuSO4碱性液反应），借助分光光度计可定 量分析。,一、蛋白质的一级结构与功能 一级结构的局部断裂与蛋白质激活 有些蛋白质分子的部分肽链按特定方式断裂后才能呈 现生物活性。 1、血液凝固的机理： 凝血酶致活物 交联的纤维蛋白（血凝块） 纤维蛋白溶解致活物 凝血酶原 不溶性纤维蛋白 纤维蛋白溶酶原 凝血酶（活性） 纤维蛋白原 纤维蛋白溶酶（活性） 纤维蛋白溶解 致活因子作用凝血酶原，使其分子中的二肽键断裂。释放出一个N端片段后成为有活性的凝血酶（p.187，图4-21）；纤维蛋白原由2条链、2条链和2条链组成，在凝血酶作用下，从2条链和2条链的N端各断裂一个-Arg-Gly-键，释放出2个纤维肽A和2个纤维肽B，而剩下的纤维蛋白分子成为形成网状结构的不溶性纤维蛋白（p.188，图4-22，23）。,2、胰岛素原的激活： 胰岛素原可分三部分：中间的连接肽（C肽），两侧的A链和B链。 C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基（62、63位）与A链的N末端相连，另一端通过另两个碱性氨基酸残基（31、32位）与B链的C末端相连： B链-C肽-A链 在高尔基体内，特异的肽酶断裂二个特定的肽键，释放包括C肽的一段中间肽链后成为有活性的胰岛素（A链和B链以二个二硫键相连着）。,第四节 蛋白质的二级结构 一、构型与构象 构型：立体异构体中取代原子或基团在空间的取向 构象：取代基团当单键旋转时可能形成的不同的立体结构 一个碳原子和四个不同的基团相连时，只可能有两种不同的空间排列，即构型，两种构型的互变需要共价键的断裂；而构象的改变不涉及共价键的断裂，构象可以是无数种，其中交叉型的构象最稳定，重叠型的最不稳定。,二、二级结构的基本类型 主链肽基为酰胺平面，C-N键不旋转，平面内C=O与N-H呈反式排列，而C-N和C-C键能自由旋转。因此C成为两个相邻酰胺平面的连接点，两个平面之间的位置可以任意取向（p.164，图4-2）。 蛋白质的二级结构实际上就是肽键的一级结构的基础上，由于主链上C-N和C-C键一定程度的旋转而使得肽键上的羰基（C=O）和酰氨基（-NH）规则排列，由此在链内或链间形成周期性氢键产生的一系列折叠。,（一）-螺旋（p.208，图5-14）： 多肽主链按右手或左手方向盘绕成右手或左手螺旋。每个螺圈占3.6个氨基酸残基，螺距0.45nm，每个残基绕轴旋转100o，沿轴上升0.15nm。-螺旋中氨基酸残基的侧链外伸。相邻螺圈之间形成氢键，并与中心轴平行。 氢键由肽键上的N-H氢和它后面（N-端）第四个残基上的C=O氧之间形成： 蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋（稳定），原因见p.207-208。,（二）-折叠（p.210，图5-17,18）： 两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，相邻的肽键主链上的-NH和C=O之间形成有规则的氢键，这样的多肽构象就是-折叠片。在此构象中，所有的肽键都参与链间氢键的交联，氢键与肽键的长轴接近垂直。 两种类型：（1）平行式：肽链的排列极性（N-C）是一顺 的，即N末端都朝同一方向； （2）反平行式：肽链的极性一顺一倒，N末端 间隔同向。 纤维状蛋白质中-折叠主要是反平行式，且氢键主要是链间形成；球状蛋白质中两种形式都有，且氢键可以是链间和链内形成，甚至可以是不同分子间形成。,（三）-转角（回折、-弯曲或发夹结构）（p.211，图5-19）： 在球状蛋白质中发现，有三种类型，每种类型都有4个氨基酸残基。 在-转角中，弯曲处的第一个残基的C=O和第四个残基的NH之间形成41氢键，产生一种不很稳定的结构。 脯氨酸和甘氨酸常在这种结构中存在。脯氨酸具有环状结构和固定的角，能迫使转角的形成；甘氨酸缺少侧链，在转角中能很好地调整其他残基的空间阻碍。,三、超二级结构 若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的组体，这称为超二级结构。 有三种基本组合方式： （1）：有两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离约140。螺旋链之间是由向着超螺旋内部的非极性侧链相互作用，而极性侧链处于蛋白质分子表面，与水接触。超螺旋的稳定性主要是非极性侧链间的范德华相互作用的结果（p.221，图5-29A）。 （2）：最简单的组合是由二段平行式的-链和一段连接链组成。连接链是-螺旋或无规则卷曲，大体上反平行于-链。最常见的组合是由三段平行式的-链和二段-螺旋链构成。连接链都是以右手交叉连接方式处于-折叠片的一侧（p.221，图5-29B,C）。,（3）：有-曲折和回形拓扑结构二种组合形式。 -曲折是由一级结构上连续、在-折叠中相邻的三条反平行式-链通过紧凑的-转角连接而成（p.221，图5-29D, E）。 回形拓扑结构也是反平行式-折叠片通过紧凑的-转角连接形成，但构成的是回形结构（p.221，图29F）。,第五节 蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构决定于氨基酸的顺序。 一、维持蛋白质三级结构的作用力 主要是弱相互作用（非共价键或次级键）。 1、氢键： 多肽主链上的羰基氧和酰氨氢之间形成的氢键是维持蛋白质二级结构的主要作用力。此外，在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成氢键。 电负性原子（N、O、S）与氢形成的基团（N-H、O-H）具有很大的偶极距，成键电子云分布偏向负电性大的重原子核，而氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核就在外侧裸露，所以遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键： XH-Y X、Y是负电性强的原子，XH是共价键，H-Y是氢键，X是氢（质子）供体，Y是氢（质子）受体。,2、范德华力： 包括三种较弱的作用力： （1）定向效应：发生在极性分子或基团之间，是永久偶极间的 静电相互作用，氢键属于这种范德华力。(-OH-HO-) （2）诱导效应：发生在极性物质与非极性物质之间，是永久偶 极与由它诱导而来的诱导偶极之间的相互作用。(-OH- -CH3-) （3）分散效应：为主要的范德华力，是非极性分子或基团间的 相互作用。这是瞬时偶极，即偶极方向瞬时变化，是由其 所在的分子或基团中电子电荷密度的波动所造成的。 (-CH3-CH3-) 范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用。因此，范德华力（吸引力）只有当两个非键原子处于一定距离时才达到最大，这称范德华距离（=两个原子的范德华半径之和）。,3、疏水相互作用： 水介质中球状蛋白质总是倾向把疏水残基埋藏在分子的 内部，这称疏水相互作用（疏水效应）。 疏水相互作用是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要 而被迫接近。 4、盐键（离子键）： 是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。 在生理pH下，酸性氨基酸（Asp、Glu）的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸（Lys、Arg、His）的侧链可解离成正离子。大多数情况下，这些基团分布在球状蛋白分子表面，与介质水分子发生电荷-偶极之间的相互作用形成排列有序的水化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。(负电荷-H+-OH，正电荷-HO-H+),5、二硫键： 是肽链内部或肽链间的半胱氨酸的巯基之间形成的共价 键，它对稳定构象起作用。 大多数二硫键在-转角附近形成。,二、蛋白质的三级结构和结构域 多肽链在超二级结构的基础上进一步折叠成近乎球状的结 构，就是三级结构。 结构域：对于较小的蛋白质分子或亚基-其三级结构 =结构域； 对于由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合 而成的三级结构-三维实体=结构域。 所以，结构域是球状蛋白质的折叠单位。 结构域的意义： （1）从结构形成来看，一条长的多肽链先分别折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构在动力学上更为合理； （2）从功能来看，多结构域的蛋白质活性中心往往位于结构域之间，这样容易构建具有特定三维排布的活性中心。结构域之间常有一段肽链相连，形成“铰链区”使结构域容易发生相对运动，有利于别构中心结合调节物和发生别构效应。,第六节 蛋白质的四级结构 一、四级结构的概念 三级结构的球状蛋白之间通过非共价键彼此缔合在一起，形成聚集体，这种聚集体称为蛋白质的四级结构。 亚基（亚单位、单体）：即每个三级结构的球状蛋白质。一般只是一条多肽 链，但有的由二条或多条多肽链组成，多肽链间以二硫键 相连。 单体蛋白质：无四级结构的蛋白质； 多体蛋白质（寡聚蛋白质）：由二个多个亚基组成的蛋白质（如二体蛋白质 、四体蛋白质）。 对称的寡聚蛋白质：由二个或多个不对称的等同结构（原体）组成。 原体一般是一个亚基，也可以是二个或多个原体的聚集 体（p.244，图5-53）。 如：血红蛋白分子由二个原体对称组成，每个原体由一 个亚基和一个亚基构成（）。这里，如果把原 体看作单体，则是二体；如果把亚基看作单体，则是四 体。 四级结构包括：亚基的种类和数目，亚基或原体在整个分子中的空间 排列（亚基间的接触点和相互作用）。,二、寡聚蛋白质与别构效应 1、别构蛋白的结构和效应： 别构蛋白质就是调节蛋白质，具有别构效应，即蛋白质与配基结合可改变蛋白质构象，进而改变其生物活性。 别构蛋白质都是寡聚蛋白质。分子中每个亚基都有活性部位或者还有别构部位（调节部位）。这样别构蛋白质分子中至少含有二个活性部位或者还有别构部位，各部位之间可通过构象变化传递发生的过程，构象变化可以从一个原体传递给另一个原体，引起协同的相互作用。 同位效应：相互作用的都是活性部位，即一个亚基与配基的结合会影响另一个亚基与配基的结合。如果这种影响是促进作用，则是正协同效应；如果这种影响是降低作用，则是负协同效应。 异位效应：别构部位与活性部位之间的相互影响。,2、血红蛋白的结构和功能： 血红蛋白由4个亚基组成（22），每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位（p.260，图6-10）。 O2在这里是正协同效应物，血红蛋白的氧合具有正协同效应：一个O2的结合会增加同一血红蛋白分子中其余的氧结合部位对O2的亲和力。 （具体参阅p.261-263）。,第七节 蛋白质的理化性质 一、胶体性质 由于蛋白质分子量大，分散在溶液中所形成的颗粒直径约为1100nm，在水中形成胶体溶液。 蛋白质颗粒大，在溶液中具有大的表面，且表面分布着各种极性和非极性基团，因此对许多物质都有吸附能力，一般极性基团易与水溶性物质结合，非极性基团易与脂溶性物质结合。,蛋白质的水溶液是一种比较稳定的亲水胶体，这是因为： （1）蛋白质颗粒表面带有很多极性基团（-NH3+、-CONH2、-OH、-SH等），和水有高度亲和性，当蛋白质与水相遇时，易在蛋白质颗粒外面形成一层密度较厚的水膜（水化层），这样使蛋白质颗粒相互隔开，颗粒之间不会碰撞而聚成大颗粒沉淀下来； （2）在非等电状态时蛋白质颗粒上带有同性的电荷，使蛋白质颗粒之间相互排斥，保持一定距离，不致相互凝聚沉淀。,二、蛋白质的等电点 由于蛋白质分子上除了肽链两端有自由的-NH2和-COOH外，在侧链上还有很多解离基团（-NH2、-COOH、-COOH、咪唑基、胍基（精氨酸），在一定的pH条件下都能解离成带电基团，而使蛋白质带电。 蛋白质在水溶液中解离的程度是由各种蛋白质分子中可解离的基团数和溶液的pH值所决定。一般在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电荷。当某一pH值时蛋白质颗粒上所带的正负电荷正好相等，在电场中既不向阴极也不向阳极移动，这时溶液的pH值即为该蛋白质的等电点。 在等电点时，蛋白质颗粒上所点总的正负电荷数目相等，即总净电荷为零，蛋白质失去胶体的稳定条件，颗粒之间相互碰撞而成大颗粒，会出现沉淀现象。所以等电点时蛋白质的溶解度最小。,三、蛋白质的沉淀作用 如果使蛋白质成为胶体的稳定条件发生变化，就很容 易使蛋白质变得不稳定而发生沉淀现象。 这种稳定条件变化方法有： （1）在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏它的水膜或中 和它的电荷。如无机盐（硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等 ，中和电荷作用）、有机溶剂（乙醇、丙酮等，破坏 水膜作用）； （2）调节溶液的pH值，使达到蛋白质的等电点而失去电荷； （3）加热法（失去活性）； （4）重金属盐（汞、银、铜盐等）、磷钨酸、三氯醋酸和生 物碱等沉淀剂可使蛋白质沉淀（失去活性）。,四、蛋白质的变性 当天然蛋白质受到物理或化学因素影响后，改变其分子内部结构，失去原有的生物活性，并伴随着物理和化学性质的改变，但并不导致蛋白质一级结构的破坏，这种现象称为变性作用。变性后的蛋白质称为变形蛋白质。 各种变性现象： （1）失去生物活性；（2）结晶能力丧失；（3）溶解度降低而沉淀，有时发生结絮凝固现象；（4）分子形状改变；（5）黏度增加；（6）分子大小发生改变和分子内部构型改变。,第二章 酶 第一节 概论 一、催化反应的原理 一个化学反应体系中的各个分子所含的能量高低不同，只有那些具有较高能量、处于活化态的活化分子才能在分子碰撞中发生化学反应。反应物中活化分子越多，反应速度越快。 活化分子比一般分子高出一定的能量称为活化能：在一定温度下1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能（kJ/mol）。 催化剂能瞬时地与反应物结合成过渡态，因而降低了反应所需的活化能。,二、酶的化学本质 所有的酶都是蛋白质。 简单蛋白质：活性仅决定于蛋白质结构的酶-脲酶、蛋 白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等； 结合蛋白质：活性决定于蛋白质结构和辅助因子的酶 （p.324，表8-4, 5）。 酶的辅助因子包括金属离子及有机化合物。其本身无催化作用，而是在酶促反应中起传递电子、原子或某些功能团的作用。,三、酶的催化特性 1、 催化效率高：酶促反应的反应速度比非催化反应高108-1020 倍，比其他催化反应高107-1013倍。 2、 具有高度的专一性：一种酶只能作用于某一类或某一种特定 的物质。 3、 易失活：凡使蛋白质变形的因素都能使酶完全失去活性。 4、 活性调控：有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原 调控、激素调控等。 5、 催化活力与辅酶、辅基、及金属离子有关。 四、酶的分类 1、单体酶：只有一条多肽链，一般是催化水解反应的酶，如溶 菌酶、胰蛋白酶等； 2、寡聚酶：由几个甚至几十个亚基组成，每个亚基可以是相同 或不同的多肽链。亚基之间非共价键结合，易分开。如磷酸 化酶a和3-磷酸甘油醛脱氢酶等。 3、多酶体系：由几个酶彼此嵌合形成的复合体，它有利于一系 列反应的连续进行。如脱氢酶体系。,第二节 酶的命名与分类 一、酶的命名 每一种酶都有一个习惯名称和一个系统名称。 （一）习惯命名法： 1、大多数酶依据其底物命名，如淀粉酶、蛋白酶； 2、依据所催化的反应性质命名，如水解酶、转氨酶； 3、结合上述两个原则命名，如琥珀酸脱氢酶； 4、依据酶来源或其他特点命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱 性或酸性磷酸酯酶。 （二）国际系统命名法： 明确标明酶的底物及催化反应的性质，两种底物都列 出（若底物之一是水时，则可略去） 习惯名称 系统名称 催化的反应 谷丙转氨酶 丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶 丙氨酸+-酮戊二酸谷氨酸+丙酮酸 己糖激酶 ATP:己糖磷酸基转移酶 ATP+葡萄糖6-磷酸葡萄糖+丙酮酸,二、国际系统分类法及编号 按反应性质分为六大类，分别用1，2，3，4，5，6的编 号表示； 按底物被作用的基团或键的特点再分为若干亚类，又按 顺序编成1，2，3，.； 按更精确的底物或反应物性质再分若干亚-亚类，仍用数 字编号； 最后再用数字编号表示在亚-亚类中的排号。 1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应 A2H+BA+B2H 例：NAD+氧化还原酶（EC11127，乳酸脱氢酶） 2、转换酶类：催化功能基团的转移反应 AB+CA+BC 例：丙酮酸:酮戊二酸氨基转换酶（EC2612，谷丙转氨酶）,3、水解酶类：催化水解反应 AB+HOHAOH+BH 例：亮氨酸氨基肽水解酶（EC3411，亮氨酸氨肽酶） 4、裂合酶类：催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应 或逆反应 例：二磷酸酮糖裂合酶（EC4127，醛缩酶） 柠檬酸裂合酶（EC4137，柠檬酸合成酶） 5、异构酶类：催化各种同分异构体的相互转变 AB 例：葡萄糖-6-磷酸己酮醇异构酶（EC5319，6-磷酸葡萄 糖异构酶） 6、合成酶：催化一切必须与ATP分解相偶联，并由两种物质 （双分子）合成一种物质的反应 例：UTP氨连接酶（EC6342，CTP合成酶）,第三节 酶的活力 酶的活力是指其在一定条件下催化某一特定反应的能力。 一、酶活力与酶反应速度 酶活力大小可用其在一定条件下催化某一化学反应的反应速度来表示，即酶催化的反应速度越快，活力就越高。 反应速度（v）的单位：浓度/单位时间，即单位时间内单位体积中底物的减少量或产物的增加量。 产物浓度对反应时间作图，其曲线的斜率就是反应速度。反应速度只在最初一段时间内保持恒定，随反应时间延长，反应速度逐渐下降。因此研究酶反应速度应该以初速度为准（p.335，图8-7）。,二、酶的活力单位 1个酶活力单位：指在特定条件下，在1分钟内能转化1mol底物的酶量，或是转化底物中1mol的有关基团的酶量（温度25，pH和底物浓度等均最适）。 习惯用法：如淀粉酶，以每小时催化1g可溶性淀粉液化所需的酶量为1个酶活力单位；也可以每小时催化1ml 2%可溶性淀粉液化所需的酶量表示。 三、酶的比活力 每mg酶蛋白所具有的酶活力。 单位：单位/毫克蛋白（U/mg蛋白质） 也可：单位/克 或 单位/毫升 比活力可用来比较每单位重量酶蛋白的催化活力。 四、酶的转换数kcat 为每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数（mol）。相当于一旦底物-酶中间物ES形成后，酶将底物转换为产物的效率（相当于米氏方程中的k3）。,第四节 酶促反应的动力学 一、化学动力学的基础 1、反应速率： 反应速率是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来表示。 瞬时dt内反应物浓度的改变为dc： v= dc/dt 瞬时dt内生成物浓度的改变为dc： v=dc/dt,2、反应分子数和反应级数： 反应分子数是在反应中真正相互作用的分子的数目。 （1）反应分子数： 仅有1个反应物分子参加的反应称为单分子反应： v= dc/dt=kc 有两个反应物分子参加的反应称为双分子反应: v= dc/dt=kc1c2 （2）反应级数“ 一级反应：其总反应速率与浓度的关系以单分子反应 的速率方程式表示 dc/dt=kc 二级反应：其总反应速率与两种反应物浓度的乘积成 正比 dc/dt=kc1c2 零级反应：反应速率与反应物浓度无关而受其它因素 影响的反应 dc/dt=k,二、底物浓度对酶促反应速度的影响 1、“中间产物”假说与米氏方程 在一定的酶浓度下将初速度（v）对底物浓度S作图时（p.355， 图 9-6）： 一级反应：当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度呈正比关系； 混合级反应：随着底物浓度的增加，反应速度不再按正比升高； 零级反应：继续增大底物浓度，反应速度递增为零，这时反应速度已 趋向一个极限，说明酶已被底物饱和。,解释这种现象的是“中间产物”假说：酶与底物先络合成一个络合物，它是作为过渡态物质，然后络合物进一步分解，成为产物和游离态酶。 这个假说的前提是酶与底物反应的“快速平衡”，即在反应的开始阶段，两者反应速度很快，迅速建立平衡关系。 按照“稳态平衡”假说，推论酶促反应分两步进行： 第一步：酶（E）与底物（S）作用，形成酶-底物中间产物 （ES）： E+SES (k1和k2是正、逆反应的速度常数) 第二步：中间产物分解，形成产物（P），释放出游离酶(E)： ESP+E 经公式推导，得出米氏方程： v=VmaxS/(Km+S) （v=酶促反应的速度，Vmax=在E与ES相等时的酶促反应达到的最大速度，Km=(k2+k3)/k1）。,该方程表明在已知Km及Vmax时，酶反应速度与底物浓度之间的定量关系。 从米氏方程可看出，当反应速度相当于最大速度一半时，v=Vmax/2，可得：1/2=S/(Km+S)，Km=S，即Km表示为反应达到最大速度一半时的底物浓度。这表明：Km较小，则只要较低的底物浓度就能使酶促反应达到最大速度；Km较大，则需要较高的底物浓度才能达到最大速度。,1）米氏常数Km的意义： （1）Km是酶的一个特性常数： Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。Km值随测定的底物 种类、反应温度、pH及离子强度而改变。 （2）Km值可判断酶的专一性和天然底物： 有的酶可作用于几种底物，因此就有几个Km值，其中Km值最小的底 物称为该酶的最适底物（天然底物）。 Km值越小，与底物的亲和力越大。 （3）当k3k2时，Km=k2/k1=Ks。因此，Ks可以作为酶和底物结合紧密程 度的一个度量，表示酶和底物结合的亲和力大小。 （4）若已知某个酶的Km值，就可计算出在某一底物浓度时，其反应速率 相当于Vmax的百分率。 （5）Km值可帮助推断某一代谢反应的方向和途径：催化可逆反应的酶， 对正逆两向底物的Km值往往是不同的。 （）Km和米氏方程的实际意义：了根据所需要的反应速度（应达到 Vmax的百分率），求出应当加入底物的合理浓度；也可根据已知的 底物浓度，求出该条件下的反应速度。,2）利用作图法测定Km和Vmax值： （1）Lineweaver-Burk双例数作图法： 将米氏方程两侧取双倒数，得： 1/v=(Km/Vmax)(1/S)+(1/Vmax) 以1/v1/S作图，如图9-10。横轴截距 =- 1/Km，纵轴截距=1/Vmax。 （2）Eadie-Hofstee作图法： 将米氏方程改成： v=Vmax-Km(v/S) 以vv/S作图，纵轴截距=Vmax，斜率= - Km。 （3）Hanes-Woolf作图法： 将Lineweaver-Burk方程两边均乘以S，得： S/v=(S/Vmax)+(Km/Vmax) 以S/vS作图，横轴截距= - Km，斜率=1/Vmax。,3、多种底物的反应 大多数酶反应包含一种以上的底物，至少是双底物反应： A+BP+Q 双底物反应的三种机理（注意：下图不完整，请对照笔记 和参考书）： 1) 依次反应机理： B P E+A EA EAB EPQ EQ E+Q 需要NAD+或NADH+的脱氢酶的反应属于这类型。 2) 随机机理： E+AEA B Q EPE+P EABEPQ E+BEB A P EQE+Q 3) 乒乓反应机理： A P B Q E E 转氨酶的反应属于这类型。,三、pH对酶反应速度的影响 在一定pH下，酶反应具有最大速度，此pH为酶反应的最适pH。最适pH不是一个常数，随底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度的不同而改变（p.379，图9-29）。 pH影响酶活力的原因： 1、过酸、过碱会影响酶蛋白的构象，甚至使酶变性失活； 2、pH会影响底物分子的解离状态，也影响酶分子的解离状 态，最终影响ES的形成； 3、pH影响分子中活性中心基团的解离，它们的离子化状态 与酶的专一性和活力中心构象有关。,四、温度对酶反应速度的影响 1、最适温度：酶促反应有一个最适温度，在最适温度的两侧，反应速度 都比较低，表现为钟形曲线； 2、温度系数：在达到最适温度之前提高温度，可增加反应速度。反应温 度提高10，其反应速度与原来的反应速度之比称为反应 的温度系数（Q10）； 温度的两方面影响：一方面温度升高而反应速度加快；另一方面随温度升高而使酶逐步变性，减少活性而降低反应速度。低于最适温度时，前一种效应为主；高于最适温度时，后一种效应为主。,五、酶浓度对酶反应速度的影响 在底物浓度足够大时，反应速度则与酶浓度成正比： Vmax=k3E v=k3ES/(Km+S)=k3S/(Km+S)E 当S维持不变时，v与E成正比关系。 六、激活剂对酶反应速度的影响 能提高酶活性的物质称激活剂。有无机离子类的金属离子、阴离子、 氢离子，中等有机分子类的还原剂、EDTA（乙二胺四乙酸），大分 子蛋白质类（对酶原起作用的酶）。,七、抑制剂对酶反应速度的影响 凡使酶活力下降，但并不使其变性的作用称为抑制作 用。 那些不引起酶蛋白变性，而使酶分子的某些必需基团 （活性中心上的一些基团）发生变化，引起酶活力下降， 甚至丧失的物质称为酶的抑制剂。 （一）抑制作用的类型： 1、不可逆的抑制作用：抑制剂以较牢固的共价键与酶 蛋白中的基团结合而使酶失活，不能用透析、超滤 等物理方法除去抑制剂。又可分： （1）专一性的不可逆抑制：抑制剂仅仅和酶活性部位的 有关基团反应； （2）非专一性的不可逆抑制：抑制剂可和一类或几类基 团反应。,2、可逆的抑制作用：抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，可用 透析法除去抑制剂，恢复酶的活性（p.369，图9-17）。 （1）竞争性抑制：抑制剂与底物结构相似而与酶形成可逆的 EI复合物，阻止底物与酶活性中心的结 合。这可通过增加底物加以消除； （2）非竞争性抑制：酶可同时与底物及抑制剂结合： EI+SESI或ES+IESI， 但中间物ESI不能进一步分解为产物。 这类抑制剂是与酶活性中心以外的基团 结合； （3）反竞争性抑制：酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂 结合：ES+IESI，而ESI不能进一步分解为产物。,（二）可逆抑制作用的动力学： 1、竞争性抑制： 底物或抑制剂与酶的结合是可逆的，存在如下平衡： E + S = ES E+P + I EI Ki=ki2/ki1，为抑制剂常数（EI的解离常数） 得公式： v=(Km/Vmax)(1+(I/Ki)(1/S)+(1/Vmax) 作图如9-20A。 竞争性抑制后，Vmax不变，Km变大，KmKm，而且 Km随I的增加而变大。,2、非竞争性抑制： 在非竞争性抑制中存在如下平衡： E + S = ES E+P + + I I EI + S = EIS 得公式： v=(VmaxS)/(Km+S)(1+(I/Ki) 作图如9-21A。 非竞争性抑制后，Km不变，Vmax变小，而且Km=Km， Vmax随I的增加而减小。,3、反竞争性抑制： 存在如下平衡： E + S ES E+P + I ESI 得公式： v=(VmaxS)/(Km+S(1+(I/Ki) 作图如9-22A。 反竞争性抑制后，Km和Vmax都变小，而且KmKm， VmaxVmax，即表观Km和表观Vmax都随I的增加而 减小。,第五节 酶的专一性及活性中心 一、底物专一性 1、结构专一性： （1）绝对专一性：只作用于一个底物。与底物结构类似 的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响。 （2）相对专一性：作用对象不只一种底物，要求略低一 些。可分： （1）基团专一性：对键两端的基团要求程度不同， 一个要求严，另一个不严； （2）键专一性：只作用于键，对键两端的基团无严 格要求。 2、立体异构专一性： （1）旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只 作用于其中的一种。如L-氨基酸氧化酶； （2）几何异构专一性：当底物具有正反几何异构体时， 酶只作用于其中的一种。,二、酶作用专一性的假说 1、锁与钥匙学说：认为底物分子或其中的部分专一地楔入 到酶的活性中心部位，即底物分子的化学部位与酶分子 催化基团间有紧密互补的关系； 2、三点附着学说：认为立体对映的一对底物虽然基团相同 ，但空间排列不同，这样就存在这些基团与酶分子活性 中心的结合基团是否匹配的问题，只有三点都互补匹配 时，酶才作用于这个底物； 3、诱导楔合学说：认为当酶分子与底物分子接近时，酶蛋 白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变 化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。,三、酶的活性中心 （一）概念： 1、对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近 的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上 可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕，折叠而在空 间构象上相互靠近； 2、对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或其某一部分往往就是活性中心的组 成部分。 （二）功能部位： 活性中心有两个功能部位： 1、结合部位：一定的底物 靠此部位结 合到酶分子 上； 2、催化部位：底物的键在 此部位被打 断或形成新 的键， 从而 发生一定的 化学变化。,（三）酶活性中心的特点： 1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分：往往只由几个氨基酸残 基组成（p.384，表10-1）； 2、酶的活性部位是一个三维实体：活性部位的三维结构是由酶的一级结构 所决定的。活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，但在肽 链的盘绕、折叠而在空间结构上相互靠近； 3、酶活性部位的诱导契合：酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的， 而是在酶和底物结合过程中，底物分子或/和酶分子构象发生一定变化后 才互补的，即“诱导契合”； 4、酶活性部位是一个疏水区域：酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂 缝内，这是相当疏水区域，非极性基团较多，产生一个微环境，提高与 底物的结合能力；而其内少量的极性氨基酸残基可与底物结合而发生催 化作用； 5、底物通过次级键较弱的力结合到酶上：酶与底物结合成ES复合物主要 靠次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用； 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。,第六节 酶的作用机理 一、底物与酶的“靠近”与定向 酶促反应速度与底物浓度成正比。在反应系统的关键区域底物浓度增高，反应速度也增加。因此，底物与酶活性中心的靠近，提高活性中心的底物有效浓度能大大提高酶促反应速度。 除了“靠近”效率外，当底物与活性中心结合时，酶蛋白经诱导而发生构象变化，底物反应部位（基团或键）与酶的催化部位发生楔合，即“定向”作用，从而造成活性中心局部的底物浓度大大提高。,二、酶使底物分子的敏感键发生“变形”（张力），使其易断裂 底物分子受酶的作用也发生构象变化，使其敏感键中的某些基团的电子云密度发生变化，产生“电子张力”而引起敏感键的一端更加敏感，发生反应（p.390，图10-3）。,三、共价催化 底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，反应活化能由此大大降低。 这是酶的亲核基团（如羟基、巯基和咪唑基）对底物的亲电子中心进行攻击。亲核基团含有可提供电子的原子，向底物亲电子的原子提供电子，由此形成不稳定的共价中间物。但酶的亲核基团易变，所形成的共价中间物不稳定，在随后步骤中被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物，由此可加快中间物的分解而释放出产物（p.392，图10-7）。 酶蛋白分子上的主要亲核基团：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基。,四、酸碱催化 是通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。 1、狭义酸碱催化剂：通过水分子的H+与OH-离子进行的催 化。由于酶反应的最适pH接近中性，故作用不大； 2、广义酸碱催化剂：即质子供体和质子受体。在酶反应中 有重要作用。 酶蛋白中起广义酸碱催化作用的功能基：氨基、羰基、羧基、硫氢基、酚羟基和咪唑基。 组氨酸的咪唑基（p.391，图10-6）：既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基。1）其解离常数约6.0，即其解离下来的质子浓度与水中的H