生物无机化学(第二章)-2009

1、第二章第二章 重要的生物配体及其金属配合物重要的生物配体及其金属配合物 对于没有学习过生物化学的同学，简略地了解氨基酸、蛋 白质、核酸、酶等重要生物化合物的结构和功能是十分必要的。 在大多数情况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式 存在，而是与配体形成生物金属配位化合物。 这些在生物体内与金属配位并具有生物功能的配位体称为 生物配体(biological ligand)。 大分子生物配体包括蛋白质、多糖、核酸等，其相对分子 质量从几千到数百万；小分子生物配体包括氨基酸、羧酸、卟 啉、咕啉等。 一一. 氨基酸、肽和蛋白质及其金属配合物氨基酸、肽和蛋白质及其金属配合物 （一）、氨基酸及其金属配合

2、物氨基酸及其金属配合物 1. 氨基酸氨基酸 氨基酸(amino acids)是蛋白质的基本结构单位。 已发现自然界有百多种氨基酸，但从蛋白质水解产物中分离 出来的氨基酸通常只有20种 。 除脯氨酸外，这些氨基酸在结构上都有共同点，即与羧基相 邻的碳原子上都有一个氨基，因此称为氨基酸。 不带电形式 H2NCH COOH R +H3NCH COO- R 两性离子形式 氨基酸的分类氨基酸的分类 根据根据R的化学结构的化学结构 （1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、 Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、 Gln、Ser、Thr （2）芳香

3、族氨基酸：Phe、Tyr （3）杂环氨基酸：Trp、His （4）杂环亚氨基酸：Pro 根据根据R的极性的极性 （1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、 Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电： Asp、Glu （2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、 Met、Pro、Trp 硒代半胱氨酸（Sec）可能是蛋白质中天然存在 的第21种氨基酸。 Cys： CH COO NH3 - CH2 + HS 人体内的硒以含硒酶和含硒蛋白2 种生物活性物质的形式存 在。硒的功能主要是通过各种硒酶( selenoenzyme)和硒蛋白 (

4、 selenoprotein)实现的。 在硒酶和硒蛋白中，硒总是以硒代半胱氨酸(selenocysteine， Sec) 的形式存在并位于硒酶的活性中心。Sec 是由密码子U GA 介导经复杂而特殊的翻译过程参入到蛋白质中的。目前已从动 物的器官和组织中检测出含硒蛋白有13 种。 R基带可配位基团氨 基酸在金属蛋 白和金属酶活性中 心与金属离子配位。 可形成二硫键的氨基 酸在蛋白质高级 结构中，维持其构象； 影响金属蛋白和金属 酶构象易变性。 特别值得关注的氨基酸：特别值得关注的氨基酸： 非极性R基氨基酸在蛋白质高级结构中，维持其构象的疏 水作用；可能是对疏水性底物分子识别的基础。 R基带可成

5、氢键基团氨基酸在蛋白质高级结构中，维持其构 象；在金属蛋白和金属酶活性中心周围的氢键网络。 2、氨基酸的金属配合物、氨基酸的金属配合物 在生物体内存在的微量金属元素，当它们以自由离子存在时 并不表现出生物活性或活性不强，只有当它们与特定结构的配体 结合在一起、以配合物的形式存在时，才能表现出某种生物活性。 在人体的血桨中已经分离出了铜氨基酸配合物，Cu(his)(thr)。 研究蛋白质和金属离子键合的问题，更多的是借助于研究金 属离子与氨基酸或缩氨酸键合的作用模式来加以研究的。因此， 金属氨基酸配合物的研究已经引起了人们的广泛关注。 就氨基酸而言，最常见是作为二齿配体，以碳上的 氨基和羧基作为

6、配体基团同金属离子配位，形成具有五元环结 构的较稳定的螯合物，如下图。 Zn ( Gly )2 2H2O Zn O O N O C C O H2 N H2 H2C O H2 O H2 CH2 氨基酸是否都是二齿配体? 碳上的羧基具有多变的配位模式。 碳上的氨基和羧基是否同时与金属离子配位? 在一定条件下,氨基酸侧链的某些基团可与金属离子配位。 化合物Zn(dl-histinato)25H2O (15) 中金属离子的配位环 境如图所示， 化合物化合物15的金属离子配位环境的金属离子配位环境 在化合物Zn(dl-histinato)25H2O (1515)中，羧基的氧原子与 氨基氢原子间形成强的氢

7、键作用，通过这些氢键的作用，形 成了通道结构。在通道中填充着水分子，这些水分子通过氢 键作用与主体分子结合在了一起。 . 化合物化合物 15 的堆积图的堆积图 如果不画出这些客体水分子，则可以清晰看到孔洞结构。 化合物化合物 15 的的孔洞结构孔洞结构 将化合物Zn(dl-histinato)25H2O（15）在120条件下加热2 h，获得失去所有的结晶水分子（理论值19.33%, 实验值19.42%） 而且其整体分子框架结构可以稳定到240的化合物(15),然后 将化合物15暴露在水蒸气氛围下数天，15通过固-汽反应吸附 水分子从而恢复为化合物15。 即化合物Zn(dl-histinato)

8、2 5H2O（15）孔洞中的结晶水分子 通过加热或者吸附的方法能够可逆的失去和获得。 100200300400500600 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 Tempertature/ 0 TG% c 2:H2O 3:CH3OH 4:CH3COCH3 1 化合物 15； 2 化合物 15 ，与水蒸气的加合物； 3 化合物 15 ，与甲醇气体的加合物； 4 化合物 15，与丙酮气体的加合物。 10203040 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 2theta/ 15 powder 15 , obtained by heating

9、 15 15 , exposed to H 2O simulated by crystal structure of 15 PXRD 测试化合物测试化合物 15 与化合物与化合物 15 ，的相互转化过程 的相互转化过程 羧基是有趣的配体，具有多变的配位模式。一定条件下， 通过羧基桥连配位模式形成多核结构，形成独立的双核配合物或 一维、二维、三维多种超分子网状配合物。 羧酸基团与金属离子可能采用的多种配位模式。 OO MM O O M M OOMM M M O O O O M M O O 含有镍离子的尿酶存在于大量的植物和微生物中，在尿酶催化作用下， 尿素可以水解为氨和氨基甲酸，甲酰胺、乙酰胺等

10、氨基化合物可以水解为二 氧化碳和氨气。 尿酶活性中心的结构是通过甲氨酰化赖氨酸羧基氧原子以及溶剂水分子 （或者氢氧根离子）双桥联起来双核结构。金属离子Ni1为五配位，呈现变形 的四方棱锥型几何形状，金属离子Ni2则为六配位的变形八面体形状。 (1)Ni Ni(2) O H(2) OO NH Lys217 N NH His136 N N H His134O O Asp360 H2O HN N N HN His272 His246 H2O 尿素酶活性中心的结构示意图尿素酶活性中心的结构示意图 配合物Fe2(-O)( -L)(tpa)24+(tpa = 三（2- 吡啶甲基）胺；L = (s)-缬氨酸

11、，(s)-脯氨酸，(s)-丙氨酸)，两个铁离子分别与两个tpa 的氮原子配位,同时两个铁离子通过一个氨基酸羧基氧原子（- O,O）和一个氢氧离子（-OH）桥连起来，形成双桥连结构。 Fe Fe O O O CH NH3+ R N N N N N N N N Fe2(-O)( -amino acid)(tpa)24+结构示意图结构示意图 脯氨酸配合物SmNi(pro)63+结构特点是钐离子和镍离子 通过脯氨酸的羧基的两个氧原子桥联起来。 脯氨酸配合物脯氨酸配合物SmNi(pro)63+结构图结构图 （二）、肽、蛋白质及其金属配合物（二）、肽、蛋白质及其金属配合物 1、 肽肽 肽是由-氨基酸按一定

12、的序列通过肽键（酰胺键）缩合而成 的生物大分子。 肽链中的肽键是由一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基缩合 去一分子水而成。多个氨基酸以这种方式首尾相接则成为肽链。 氨基末端或N末端； 羧基末端或C末端；肽链的主干称为主链； 肽链上各残基的R基称为侧链。 少于10个残基的肽称为寡肽(oligopeptide)，超过10个残基的肽 称为多肽(polypeptide)。 肽的命名通常以肽链的N末端氨基酸残基开始，按残基出现顺 序逐一记载。习惯把N末端写在结构式的左侧。C末端写在最后。 甘氨酸的羧基与丙氨酸的氨基缩合形成肽键, 生成甘氨酰丙氨酸。 如果是丙氨酸的羧基与甘氨酸的氨基形成肽键，则生成的二肽

13、 命名为丙氨酰甘氨酸。 H2N CH2 C OH H N CH C OH + CH3O H 丙氨酸 O 甘氨酸 肽键 H2N CH2 C N CH C OH O O CH3H 甘氨酰丙氨酸 H2O (22) CHCNHCOH O O H2N CH3 CH2 多肽是否就是蛋白质？ 2、 蛋白质的分类蛋白质的分类 根据化学组成可分为简单蛋白(simple protein) 和结合蛋白 (conjugated protein)。 简单蛋白只由氨基酸组成。简单蛋白按溶解性、沉淀所 需盐类浓度、分子大小及来源不同，又可分为七类：清蛋白 (albumin)、球蛋白(globulin )、谷蛋白(glute

14、lin)、醇溶谷蛋白 (prolamine)、精蛋白(spermatine)、组蛋白(histone) 和硬蛋白 (albuminoid)。 结合蛋白由单纯蛋白质与非蛋白物质结合而成，如血红蛋 白。非蛋白质部分称为辅基(prosthetic group)。结合蛋白按辅基 不同可分为五类：色蛋白(chromoprotein)、糖蛋白(glucoprotein)、 磷蛋白(phosphoprotein)、核蛋白(nucleoprotein)、脂蛋白 (lipoprotein)。 3、 蛋白质的结构蛋白质的结构 蛋白质是由一条或多条肽链按各种特殊方式组合成生物大分子。 蛋白质的结构可以分为四级。 蛋

15、白质的一级结构(primary structure) 就是指肽链的数目、肽链 中氨基酸的连接方式和排列顺序，以及二硫键(disulfide bond) 的数 目与位置。二级以上是指空间结构。 （1）、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨 基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由 mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键主要 指肽键（peptide bond）和二硫键（disulfide bond） HGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu

16、-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH 15102015 A链 711621 HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His- Leu-Val- Glu- Ala- Leu- Tyr Leu -Val-Cys-Gly Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOH B链 157101519 20 212530 SS S S S S 牛胰岛素的化学结构 （2）、）、 蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构 A. 维持蛋白质空间构象的作用力维持蛋白质空间构象的作用力 一条任意形状的多肽链不具有生物活性。蛋白质分子有特 定的三维结

17、构，在主链之间，侧链之间和主链与侧链之间存在 着复杂的交互作用，使蛋白质分子在三维水平上形成一个有机 整体。维持蛋白质空间构象的作用力可归纳为以下几种。 氢键氢键 (hydrogen bond) 蛋白质分子内的氢键有多种形式，而主要的是肽链上的羰 基与亚氨基之间形成的氢键。氢键存在于肽链之间，也存在于 同一条肽链之中，对维持蛋白质的构象十分重要。 二硫键二硫键 (disulfide bond) 蛋白质分子中二硫键结合比较牢固，是稳定蛋白质空间结 构的一种因素。二硫键的数目越多，蛋白质越稳定。 酯键酯键 (ester bond) 一般由氨基酸残基的羟基与二羧酸的或羧基脱水缩合而成。 磷蛋白分子中

18、的磷酸也可与羟基氨基酸残基形成磷酸酯键，酯 键在蛋白质分子中不多。 疏水键疏水键 (hydrophobic bond) 蛋白质分子中疏水性较强的氨基酸(Val、Leu、Ile、Phe等) 残 基的侧链避开水相彼此粘附在一起, 在分子内部形成孔穴，同时又 使亲水性侧链留在分子表面。这是一种使体系能量趋于最低的有 利过程。疏水键对维持蛋白质分子空间结构有一定作用。详细机 理仍不太清楚。 盐键盐键 (salt linkage) 在适当条件下，蛋白质分子中的自由氨基和自由羧基可分别 以正负离子形式存在，它们相互结合形成盐键。盐键的结合力比 较牢固。但在蛋白质分子中盐键数量不多，且易受酸碱作用而破 坏。

19、 范德华力范德华力 (Van der Waals force) 蛋白质分子中还存在非极性基团的偶极与偶极间的相互作用， 以及极性基团的偶极与偶极间的相互作用。 配位键配位键 (coordinate bond) 许多蛋白质还需要金属离子参与维持其三、四级结构。这些 金属离子通过配位键与肽链结合。当金属离子被除去时，蛋白质 的结构会受到局部破坏，生理活性就减弱或丧失。 B 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式 （1）-螺旋（螺旋（-helix） Pauling和Corey于1965年提出。 结构要点： 1）肽键内CONH的4 个原子和相邻的两个碳原子处 于同一个平面

20、上；它的键长和键角与酰胺及二肽一样。 2) 肽键中的CN键比一般CN键短，具有部分双键性质，不 能自由旋转；与CN键相连的原子是反式的。螺旋的每圈有3.6 个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100。 3）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢 键，氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形 成。 4) R侧链基团伸向螺旋的外侧。 5）Pro(脯氨酸)的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在- 螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。 R R R R R R R R R 螺旋的横截面 （2）. 折叠折叠 折叠片( pleated sheet )模型。在折叠

21、结构中， 肽链采取较为伸展的形式，称为构象。 各条肽链的长轴平行，相邻肽链之间借助氢键连成如图 的片状结构。这种链间氢键由一条肽链的羰基和另一条肽链 的亚氨基形成。在折叠片中，所有肽键参与构成链间氢 键。氢键与肽链长轴接近垂直。 折叠片在长轴方向具有重复单位，因此也是一种二 级结构。 C 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure ) 指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间 的分布。即指肽链在二级结构基础上进一步折叠。 它主要由盐键、氢键、疏水键，某些情况下还有配位键 来维持。蛋白质的三级结构实质是由氨基酸排列顺序决定的， 是多肽链主链上各个单键旋转自由度

22、受到限制的总结果。 D 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构(quaternary structure) 多肽亚单位（subunit）的空间排布和相互作用。亚单位 间以非共价键连接。四级结构就是各个亚单位在寡聚蛋白质 的天然构象中的排布方式。 四级结构由氢键、盐键、疏水键、范德华力等维持。 E、 蛋白质的变性作用蛋白质的变性作用 天然蛋白质受物理或化学因素影响，使氢键等非共价键 受到破坏，分子内部原有的高度规律性的空间排列发生变化， 部分或全部失去原有的理化性质和生理活性，这种作用称为 蛋白质的变性作用。 使蛋白质变性的因素很多。加热、紫外光、X射线、超声 波、高压、剧烈振荡等物理因素，重金属、酸

23、碱、有机溶剂、 尿素等化学物质，都可以破坏蛋白质的空间结构而使它变性。 不同的蛋白质对各种变性因素的敏感性不一致。 变性蛋白质主要标志是生物学功能的丧失。溶解度降低， 易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散， 反应基团增加，易被酶消化。 有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定 限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。 4、肽和蛋白质的金属配合物、肽和蛋白质的金属配合物 （1）、肽的金属配合物）、肽的金属配合物 金属离子与肽形成的配 合物分子的结构比较复杂。 右图为二肽GlyGly与锌络合 生成的Zn2 (GlyGly)42H2O。 O O C NH NH H2C CH

24、2 Zn C O O C H2C H2NNH2 C O O H2O NH Zn C O O H2C H2NNH2 C O O C CH2 H2C HN CH2 CH2 C O O OH2 Zn2 (Gly-Gly)42H2O 的结构 肽的可配位基团：肽的可配位基团： 末端氨基 末端羧基 氨基酸残基侧链的某些基团 肽键中的羰基 肽键中的亚氨基 （2）、）、 蛋白质的金属配合物蛋白质的金属配合物 可配位基团：与肽相同肽相同。 蛋白质分子中有很多氨基酸残基，还有众多的肽键。 在一定的条件下，蛋白质是否可生成多种多样的配合物？在一定的条件下，蛋白质是否可生成多种多样的配合物？ 羧肽酶羧肽酶A含有一个Z

25、n2+ 作为辅基，酶蛋白为单一的多肽链，有 307个氨基酸残基。 1 Ala-Arg-Ser-Thr-Asn-Thr-Phe-Asn-Tyr-Ala-Thr-Tyr-His-Thr-Leu-Asp-Glu-Ile-Tyr-Asp- 21 Phe-Met-Asp-Leu-Leu-Val-Ala-Gln-His-Pro-Glu-Leu-Val-Ser-Lys-Leu-Gln-Ile-Gly-Arg- 41 Ser-Tyr-Glu-Gly-Arg-Pro-Ile-Tyr-Val-Leu-Lys-Phe-Ser-Thr-Gly-Gly-Ser-Asn-Arg-Pro- 61 69 72 Ala-Ile

26、-Trp-Ile-Asp-Leu-Gly-Ile-His-Ser-Arg-Glu-Trp-Ile-Thr-Gln-Ala-Thr-Gly-Val- 81 Trp-Phe-Ala-Lys-Lys-Phe-Thr-Glu-Asn-Tyr-Gly-Gln-Asn-Pro-Ser-Phe-Thr-Ala-Ile-Leu- 101 Asp-Ser-Met-Asp-Ile-Phe-Leu-Glu-Ile-Val-Thr-Asn-Pro-Asn-Gly-Phe-Ala-Phe-Thr-His- 121 Ser-Glu-Asn-Arg-Leu-Trp-Arg-Lys-Thr-Arg-Ser-Val-Thr-S

27、er-Ser-Ser-Leu-Cys-Val-Gly- 141 Val-Asp-Ala-Asn-Arg-Asn-Trp-Asp-Ala-Gly-Phe-Gly-Lys-Ala-Gly-Ala-Ser-Ser-Ser-Pro- 161 Cys-Ser-Glu-Thr-Tyr-His-Gly-Lys-Tyr-Ala-San-Ser-Glu-Val-Glu-Val-Lys-Ser-Ile-Val- 181 196 Asp-Phe-Val-Lys-Asn-His-Gly-Asn-Phe-Lys-Ala-Phe-Leu-Ser-Ile-His-Ser-Tyr-Ser-Gln- 201 Leu-Leu-L

28、eu-Tyr-Pro-Tyr-Gly-Tyr-Thr-Thr-Gln-Ser-Ile-Pro-Asp-Lys-Thr-Glu-Leu-Asn- 221 Gln-Val-Ala-Lys-Ser-Ala-Val-Ala-Ala-Leu-Lys-Ser-Leu-Tyr-Gly-Thr-Ser-Tyr-Lys-Tyr- 241 248 Gly-Ser-Ile-Ile-Thr-Thr-Ile-Tyr-Gln-Ala-Ser-Gly-Gly-Ser-Ile-Asp-Trp-Ser-Tyr-Asn- 261 270 Gln-Gly-Ile-Lys-Tyr-Ser-Phe-Thr-Phe-Glu-Leu-Ar

29、g-Asp-Thr-Gly-Arg-Tyr-Gly-Phe-Leu- 281 Leu-Pro-Ala-Ser-Gln-Ile-Ile-Pro-Thr-Ala-Gln-Glu-Thr-Trp-Leu-Gly-Val-Leu-Thr-Ile- 301 Met-Glu-His-Thr-Val-Asn-Asn Zn2+ 与多肽链的两个组氨酸(69和196)的咪唑基氮原子， 以及谷氨酸(72) 的羧基氧原子以配位键结合，第4个配位位 置则与一个水分子松驰地连接。Zn2+ 处于畸变四面体配位状 态。 在蛋白质分子中，只有处在有利的配位位置，并具有较强 的配位能力的可配位基团如组氨酸残基的咪唑基和半胱氨酸残

30、 基的巯基等，它们对金属离子的配位作用才能占主导地位，这 就降低或避免了生成多种多样的配合物的可能性。 当然要确定蛋白质分子同金属离子配位的基团以及它们所 处的位置和配位情况也不是轻而易举的。 金属离子和蛋白质形成配合物后，金属可影响蛋白质电子结 构和反应能力，并对蛋白质结构起稳定作用。 大多数金属离子与蛋白质的结合可分为两类。 一类是金属和蛋白质牢固地结合在一起，金属离子是蛋白质 的组成部分，用强烈的化学反应或其它方法将金属离子移去或 用其它离子取代时，金属蛋白的活性也就随之失去。在这一类 金属蛋白质中，金属与蛋白质之比为一恒定常数，金属与蛋白 质组成一个稳定的配合物。 另一类是金属和蛋白质

31、结合较弱，金属极易通过渗析法被除 去，且金属与蛋白质之比不恒定。 二、二、 核酸及其金属配合物核酸及其金属配合物 （一）、（一）、核酸的组成成分核酸的组成成分 核酸 nucleic acid 核苷酸 nucleotide 核苷 nucleoside 磷酸 phosphate 嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base （碱基 base） 核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar） （二）、（二）、核酸降解产物的化学结构核酸降解产物的化学结构 1.核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖 O HOH2C OHOH OH 1

32、 2 O HOH2C OH OH 1 2 -D-2-核糖 -D-2-脱氧核糖 O 2. 嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱 N N N N H H H H N N N N H H H H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 嘌呤 NH2 腺嘌呤 adenine（A） N N N N H H H H O H2N 鸟嘌呤 guanine （G） N N H H H H 嘧啶 1 2 3 4 5 6 N N H H H H NH2 O H 胞嘧啶 Cytosine （C） N N H H H H O O H H 尿嘧啶 uracil （U） N N H H H H O O H H CH3 胸腺嘧啶 thy

33、mine （T） 3. 核苷核苷 O HOH2C OHOH OH 1 23 4 5 核 糖 N N O O H H H 尿嘧啶 H 1 尿苷 各种常见核苷各种常见核苷 核糖核苷核糖核苷 脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷 腺嘌呤核苷 (adenosine, A) 腺嘌呤脱氧核苷 (deoxyadenosine, dA) 鸟嘌呤核苷 (guanosine, G) 鸟嘌呤脱氧核苷 (deoxyguanosine, dG) 胞嘧啶核苷 (cytidine, C) 胞嘧啶脱氧核苷 (deoxycytidine, dC) 尿嘧啶核苷 (uridine, U) 胸腺嘧啶脱氧核苷 (deoxythymidine, d

34、T) 4. 核苷酸核苷酸 常见的核苷酸常见的核苷酸 核糖核苷酸核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤核苷酸 ( adenosine monophosphate, AMP ) 腺嘌呤脱氧核苷酸 ( deoxyadenosine monophosphate, dAMP ) 鸟嘌呤核苷酸 (guanosine monophosphate, GMP ) 鸟嘌呤脱氧核苷酸 ( deoxyguanosine monophosphate, dGMP ) 胞嘧啶核苷酸 ( cytidine monophosphate, CMP ) 胞嘧啶脱氧核苷酸 ( deoxycytidine monophosp

35、hate, dCMP ) 尿嘧啶核苷酸 ( uridine monophosphate, UMP ) 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 ( deoxythymidine monophosphate, dTMP ) OHOH O P O O O CH2 N N N N NH2 O5 腺嘌呤核苷酸 （三）、核酸的结构（三）、核酸的结构 1. 核酸的一级结构核酸的一级结构 核酸的一级结构是指组成核酸的核苷酸之间连键的性质和 排列的顺序。 RNA和DNA分子中的核苷酸皆以3，5 磷酸二酯键 (phosphodiester bond) 连结，即一个核苷酸的戊糖环第 3 位羟基， 与另一个核苷酸的戊糖环第 5 位的磷酸

36、以酯键相连。 RNA和DNA的多核苷酸都没有支链。 因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别， 所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列碱基序列（base sequence)。 通常碱基序列由DNA链的53方向写。 d（ 5-ACGT-3 ） d（ 5-GTCGAC-3）2 2. DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 1953年，Watson 和Crick 提出。 双螺旋结构的主要依据：双螺旋结构的主要依据： Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射 线衍射图谱。 Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成

37、2个氢键、C与G生成3个氢键。 电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。 双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （1）DNA分子由两条多脱氧核糖核苷酸链组成。两条多核 苷酸链以相反方向 (习惯上以磷酸二酯键的C3 C5 为正 向) 盘绕同一条轴，形成右旋的双螺旋结构 。螺旋直径为 2 nm, 每转一圈的高度是 3.4 nm，含10个核苷酸单位， 每个核苷酸单位高 0.34 nm。两条多核苷酸链反向平行。 链间的两条螺旋形成凹槽，一条较深，而另一条较浅，分 别称为大沟和小沟。 （2）两条多核苷酸链骨架是脱氧核糖和磷酸，链的内侧是嘌 呤碱和嘧啶碱。两条链通过碱基之间的氢键相连而维持双 螺旋

38、结构。 （3）一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相匹配， 才能形成双螺旋结构，其中A与T以两个氢键连结，G与C 以三个氢键连结 ，这称为碱基互补 (base complementary)。 在DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶，鸟嘌呤与胞嘧啶的 含量相等，即A = T，G = C。 C 4 5 1 3 2 G A T - - - - - - - - - - G C T P P P P P A P 1 2 3 4 5 P P P P DNA分子多核苷酸链的方向 右旋的DNA有：有： B-DNA：接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的 模型相似。 A-DNA：与溶液中DNA-

39、RNA杂交分子的构象相似，推测转 录时发生BA。 C-DNA：可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。 D-DNA：DNA中A、T序列交替的区域。 除了右旋的双螺旋结构，1979年美国科学家发现细胞中还 存在左旋的双螺旋结构。 左旋的DNA 为：为： Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm， 只有小沟。B-DNA与Z-DNA的可相互转换，这可能和基因的调控 有关。 维持双螺旋结构的作用力维持双螺旋结构的作用力 （1）氢键氢键（太弱）； （2）碱基堆积力碱基堆积力（base stacking force)，由芳香族碱基电子 间的相互作用引起的，能形成疏水核

40、心，是稳定DNA最重 要的因素； （3）离子键离子键（减少双链间的静电斥力）。 3. DNA的三级结构的三级结构 在双螺旋结构在双螺旋结构 (二级结构二级结构) 的基础上，的基础上，DNA还可以形成三还可以形成三 级结构。级结构。DNADNA的三级结构的三级结构指的是指的是DNADNA双螺旋的进一步扭曲双螺旋的进一步扭曲。 除了链状结构之外，生物体普遍采取除了链状结构之外，生物体普遍采取双链环型双链环型DNA (double-stranded cyclic DNA) 的形式。完整的双链环型的形式。完整的双链环型DNA在在 某些情况下可以扭曲成麻花状的某些情况下可以扭曲成麻花状的超螺旋超螺旋(s

41、uperhelix) 或或超卷曲超卷曲 (supercoil) 结构。结构。 c.共价闭环超螺旋结构, 为DNA一种三级结 构模式 4. RNA的二、三级结构的二、三级结构 除少数病毒(virus) 的RNA以外，大多数RNA分子都是单 链。 RNA分子有局部双螺旋结构，它是由核苷酸链自身回折 形成的。链的回折使可以配对的碱基A与U、G与C相遇形成 氢键；碱基不能配对的链段形成突环。因此RNA的碱基组成 没有严格规律，除了A、G、C、U之外，还有几十种稀有碱 基。 (四四) 核酸的金属配合物核酸的金属配合物 1.核酸的可核酸的可配位基团 核苷酸分子中的磷酸基 核苷酸分子中的碱基 核苷酸分子中的

42、戊糖 都可以作为金属离子的配位基团。 碱基配位能力最强，戊糖的羟基最弱，磷酸基居中。 以碱基作为配位基团时，通常是嘧啶碱的N3和嘌呤碱的 N7为配位原子。 计亮年等与瑞士巴塞尔大学H. Sigel 等对金属离子与核 酸的相互作用开展合作研究时发现，虽然腺嘌呤N1位置邻近 的氨基会产生位阻效应， 但在一定的条件下， 金属离子可与 其N1配位。 2.与核苷酸作用的金属离子 主要有Ca2、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+和Zn2+，其中以 Ca2+ 和Mg2+ 尤为重要。 在与ATP作用时, Ca2+ 、Mg2+只与磷酸基成键；而Cu2+、 Mn2+、Ni2+、Zn2+ 则既与磷酸成键，又与腺

43、嘌呤的N7配 位。 二价金属离子与ATP (ADP、AMP) 形成配合物的稳定 常数顺序为: Cu () Zn () Co () Mn () Mg () Ca () Sr () Ba ()。 3. 3. 金属离子与金属离子与ATP的磷酸基和腺嘌呤的磷酸基和腺嘌呤N7配位的两种形式配位的两种形式 1987年H. Sigel 首次报道Cu2+、Ni2+、Co2+和Cd2+等与ATP的 磷酸基和腺嘌呤N7配位时有两种形式大螯合环内配位层 (macrochelated inner sphere) 和大螯合环外配位层(macrochelated outer sphere)。前者腺嘌呤N7直接与M2+ 配

44、位，而磷酸基 通过H2O与金属M2+ 配位；后者腺嘌呤N7通过H2O与金属M2+ 配位，而,磷酸基直接与金属M2+ 配位。 A B O O OHOH O CH2 OHOH O CH2 M II O P O O P O O M II O P O O O H H O O PO O P OO P O O O O N N N N NH2 N N N N NH2 O H H 三、酶，三、酶，金属离子与酶的配合物金属离子与酶的配合物 （一）、（一）、 酶的化学本质酶的化学本质 1. 酶是生物催化剂 酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂，或者 说，酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控

45、制的具有催化能力的生物催化剂。 酶具有一般催化剂的特征：酶具有一般催化剂的特征：1.只能进行热力学上允许进行的只能进行热力学上允许进行的 反应；反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平 衡点；衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度。通过降低活化能加快化学反应速度。 2、酶的化学本质、酶的化学本质 1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋 白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。 由于酶的化学本质是蛋白质，因此酶和其他蛋白质一样，主 要由氨基酸构成，具有一、二、三、四级结构，也具有蛋白质的 各种理化性质。

46、酶可以被蛋白酶(protease, proteinase )催化水解， 受某些物理因素(加热、紫外线照射等)及化学因素(酸、碱、有机 溶剂)作用而变性和失活(deactivation )。 1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNA ribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的 RNA催化剂。 核酶的发现表明， 酶不一定都是蛋白质， 但大多数酶是蛋白但大多数酶是蛋白 质质。 。 3、酶的组成、酶的组成 酶 单纯酶单纯酶 结合酶结合酶 （全酶）= 酶蛋白 + 辅因子 辅因子辅因子 辅酶辅酶 ：与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 辅基辅基：与膜蛋白结合紧

47、密的小分子有机物及其配合物。 金属离子金属离子：金属离子作为辅助因子。 酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分，辅因子通常是 作为电子、原子或某些化学基团的载体。 （二）、酶的国际系统分类法（二）、酶的国际系统分类法 酶的六大类： 氧化还原酶类（oxido-reductases) 转移酶类（transferases) 水解酶类（hydrolases) 裂合酶类（lyases) 异构酶类（isomerases) 合成酶类（ligases) 1. 氧化还原酶类氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化 还原反应。 AH2 + B（O2）A + BH2（H2O2，H2O） （1）脱氢酶类）脱氢酶类

48、：催化直接从底物上脱氢的反应。 AH2 +BA +BH2（需辅酶或辅酶） （2）氧化酶类）氧化酶类 催化底物脱氢，氧化生成H2O2： AH2 + O2A + H2O2（需FAD或FMN） 2AH2 + O22A + 2H2O 催化底物脱氢，氧化生成H2O： （3）过氧化物酶）过氧化物酶 ROO + H2O2RO + H2O + O2 （4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶） O2 + OH OH C=O C=O OH OH （顺，顺-已二烯二酸） RH + O2 + 还原型辅助因子ROH + H2O + 氧化型辅助因子 （又称羟化酶羟化酶） 2. 转移酶类转移酶类：催化化

49、合物中某些基团的转移。 AX + BA +BX 根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、 烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。 3. 水解酶类水解酶类：催化加水分解作用。 AB + H2OAOH + BH 4. 裂解酶类：裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的反应 或逆反应。 CH3 C=O COOH CC键 CH3 C=O H + CO2 CO键CH2COOH HOCHCOOH HCCOOH HOOCCH + H2O CN键 COOH CHNH2 CH2 COOH COOH CH HC COOH + NH3 5. 异构酶异构酶：催化 各种异构体之间的互变。 AB A + B

50、 + ATPAB + ADP +Pi 6. 合成酶类合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。 （三）、酶的结构与功能（三）、酶的结构与功能 必需基团必需基团 活性部位 维 持 酶 的 空 间 结 结合基团 催化基团 专一性 催化性质 必需基团必需基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。 活性部位活性部位是 酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。 l结合部位：专一性结合部位：专一性 空间形状和氨基酸残基组成上，利于酶底物复合物的形成。 l催化部位：高效性催化部位：高效性 与结合部位重叠或非常靠近； 含有多种具有活性侧链的氨基酸残基； 有的含有辅酶或金属离子； 激活底物或降低过渡态

51、活化能。 （四）、酶的催化特点（四）、酶的催化特点： （1）.高效性：通常要高出非生物催化剂催化活性的1061013 倍。 2H2O22H2O + O2 1mol过氧化氢酶过氧化氢酶 5106molH2O2 1mol离子铁离子铁 610-4molH2O2 （2）.专一性：酶对底物具有严格的选择性。 反应专一性反应专一性(reaction specificity) 只催化一种或一类反应，几乎不产生副反应 底物专一性底物专一性(substrate specificity) 结构专一性结构专一性(structure specificity) 如：脲酶：只催化水 解尿素 立体专一性立体专一性(ster

52、eo specificity) 手性底物，如：淀粉酶 只水解D葡萄糖形成的1,4-糖苷键 几何专一性几何专一性(geometric specificity) 只催化某种几何异构 体底物的反应 （3）.敏感性：反应条件温和，但对环境条件极为敏感。 （4）.可调性：酶活性的调节和酶合成速度的调节。 （五）、（五）、 酶促反应动力学酶促反应动力学 酶促反应(enzymecatalyzed reactions) 速度可用单位时间 与单位体积内底物减少量来表示。典型酶促反应可表示如下： S + EESE + P k1 k2 k3 K为有关反应常数。酶促反应动力学的研究对象是酶促反应 速度及它的各种影响因

53、素。 1. 底物浓度对反应速度的影响及米氏方程底物浓度对反应速度的影响及米氏方程 当酶浓度、温度、pH等恒定时，在底物低浓度范围内，反 应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应。随底物浓度进一 步增加，反应速度与底物浓度不再呈线性关系，表现为混合级 反应。当底物浓度大到一定限度，所有酶已被底物饱和，反应 速度趋于极限，这时表现为零级反应。 Michaelis 和Menten根据中间产物理论，提出了表示酶促反 应速度与底物浓度的关系式，称为Michaeli-Menten方程，简称 米氏方程。 式中，vmax 为最大反应速度，S 为底物浓度，km为米氏常数。 若已知vmax 及km , 则可确定v和

54、S的定量关系。 当v = vmzx / 2时，km = S。即km值是反应速度达到最大速 度一半时的底物浓度。 km的单位是mol / L。km值是酶的特征常数之一，它只与酶 的性质有关，与酶浓度无关。各种酶的km 值不同。同一种酶对 不同底物的km值也不同。 米氏常数可根据实验数据作图法直接求得。 米氏方程两边取倒数可得： V为vmax ，从v与S的关系曲线 求得。以1 / v为纵标，1 / S 为 横标，按实验数据作图，并把 直线外推，从横轴截距和纵轴 截距可分别求出1 / km 和1 / vmax。 这种方法称为双倒数图法。 1 v = km V S 1 + V 1 （y = ax +

55、b） 斜率= km/Vmax 1/ S 1/v 1/Vmax -1/km 2. 酶浓度、温度、酶浓度、温度、pH对反应速度的影响对反应速度的影响 在底物足够而其他条件恒定时，反应速度与酶浓度成正比。 各种酶的反应有各自的最适温度(optimum temperature ), 这 时的反应速度最快。低于最适温度时，温度升高，反应速度加 快。若高于最适温度，随温度升高，酶蛋白逐步变性，反应速 度下降，直致完全失活。温血动物的酶的最适温度为3540， 植物酶为4050。最适温度不是特征常数，当酶反应时间延 长，它相应降低。 每种酶都有其特定的最适pH。偏离这个数值，反应速度降 低，甚至导致酶变性失活

56、。动物酶的最适pH多在6.58。 pH 变化影响反应速度，是因为它会改变底物和酶分子的带电状态。 最适pH也不是特征常数。它受酶来源和纯度、底物、缓冲剂 等多种因素影响。 3. 激活剂对反应速度的影响激活剂对反应速度的影响 可以提高酶活性的物质都称为激活剂(activator)。 有些酶需要加入某种无机离子(金属离子、阴离子、H+)或简单 有机物，它的活性才能提高。有些酶在分泌时只是无活性的酶原 (proenzyme)，需要在一定条件下打断个别特定肽键，使构象发生 一定变化后才具有活性。这种过程称为酶原激活作用。 4. 抑制剂对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响 凡是使酶活力下降，但不引起酶

57、蛋白变性的作用称为抑制作用。 能引起抑制作用的物质称为抑制剂。 不可逆抑制，抑制剂通常以较牢固的共价键与酶的活性基团结 合而使酶失活。不能用透析等物理方法除去抑制剂而使酶活性恢复。 可逆抑制，抑制剂与酶的活性基团结合是可逆的。可以用透析 法除去抑制剂，恢复酶的活性。 竞争性抑制是可逆抑制的一种类型。这类抑制剂的结构与底物 相似，能同底物竞争酶的活性中心，从而阻碍底物与酶结合。通过 增加底物浓度可以减弱或消除竞争性抑制。如果抑制剂及底物与酶 结合的部位不同，这种可逆抑制称为非竞争性抑制。 （六）、（六）、 几种重要的辅酶或辅基几种重要的辅酶或辅基 全酶全酶 = 酶蛋白酶蛋白 + 辅助因子辅助因子

58、 （辅酶或辅基）（辅酶或辅基） 1. 血红素血红素 铁卟啉，是一种重要的辅基。血红素蛋白。将在第五章介绍。 2. 黄素核苷酸黄素核苷酸 黄素单核苷酸(flavin mononucleotide, FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD) FMN和FAD作为辅基与酶蛋白结合较牢，主要功能是传递 氢原子和电子。 FMN和FAD氧化时接受的两个氢原子，分别与异咯嗪 (isoalloxazine) 环第1和第10位N原子结合（式中R为FMN和FAD分子的其余部分 ）。 OCH2(CHOH)3CH2 H3C 7 89 6 45 1 3 10 N N

59、 NH N O O 2 CH2(CHOH)3CH2 7 6 3N N O 2 H3C PO3 2 OH O NH2 N N N N OH O CH2OP O OH OP O OH O O N N NH NH3C H3C CH2(CHOH)3CH2 O e.H+ e.H+ O H O O H O N N R O N NN R NH H NH N FAD FADH FADH2 N N R NH N (25) 4. 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotineamide adenine dinucleotide，NAD+) ， 又称为辅酶 (Co )， 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

60、(nicotineamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+)，又称为辅酶 (Co )。 OHOH O CH2 OH OOP O OH C N + OP O OH O NH2 O CH2N N N N NH2 OH OO OH P O P O OH OHOH O CH2 C N + O NH2 O O P O OH O CH2N N N N NH2 OH O NAD 和NADP 都是脱氢酶 (dehydrogenase) 的辅酶，与酶蛋白结 合很松驰，主要功能也是传递氢和电子。它们的氧化还原反应可 用下列两种形式表示： NAD(P) NAD(P) N