生物化学基础知识整理总结

1、生物化学基础知识整理总结第一章 蛋白质的结构与功能第一节 蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成碳5055%、氢6%7%、氧19%24%、氮13%19%，硫04%。有的蛋白质含有磷、碘。少数含铁、铜、锌、锰、钴、钼等金属元素。蛋白质的含氮量平均为16%，每克样品中含氮克数6.25100=100克样品中蛋白质含量（克%）二、蛋白质的基本组成单位氨基酸（amino acid）1、氨基酸的结构通式天然蛋白质的基本氨基酸共20种。为L-氨基酸（甘氨酸除外）生物界中也发现一些D系氨基酸，主要存在于某些抗菌素以及个别植物的生物碱中。2、氨基酸的分类按其-碳原子上侧链R的结构和理化特性的不同可分为：1）非极性

2、疏水性氨基酸：氨基酸的R基团不带电荷或极性极微弱的，如：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。R基团具有疏水性。2）极性中性氨基酸：R基团有极性，但不解离，或仅极弱地解离，它们的R基团有亲水性。如：丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺。3）酸性氨基酸：R基团有极性，且解离，在中性溶液中显酸性，亲水性强。如天门冬氨酸、谷氨酸。4）碱性氨基酸：R基团有极性，且解离，在中性溶液中显碱性，亲水性强。如组氨酸、赖氨酸、精氨酸。3、氨基酸的理化性质1）两性解离及等电点氨基酸分子都含有碱性的-氨基和酸性的-羧基，因而是一种两性电解质。在溶液中其所带电荷

3、取决于溶液的pH值，当氨基酸分子带有相等正、负电荷，即所带净电荷为零时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。2）紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸吸收峰在280nm左右，苯丙氨酸吸收峰在254nm。 可利用此性质采用紫外分分光度法测定溶液中蛋白质的含量，该法简便快捷。3）茚三酮反应氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。四、蛋白质的分类（一）组成：单纯蛋白质及结合蛋白质（二）蛋白质分子形状：球状蛋白质及纤维状蛋白质（三）蛋白质的功能：活性蛋白质：酶、激素蛋白质、运输和贮存蛋白质等非活性蛋白质：胶原、角蛋白等第二节 蛋白质的分子结构蛋白质为生物

4、高分子物质，具有三维空间结构，执行复杂的生物学功能。蛋白质结构与功能之间的关系密切。将蛋白质分子结构分为一级、二级、三级、四级结构四个层次，后三者统称为高级结构或空间构象（conformation）。一、蛋白质的一级结构1、概念：蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序（sequence）。由基因上遗传密码的排列顺序所决定。氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，肽键是蛋白质结构中的主键。蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构。二、蛋白质的二级结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主

5、要决定于空间结构的完整，蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。（一）蛋白质的二级结构1、概念：蛋白质的二级结构（secondary structure）多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。2、肽键平面（或称肽单位，peptide unit）（1）中的C-N键长0.132nm，比相邻的N-C单键（0.147nm）短，而较一般C=N双键（0.128nm）长，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将固定在一个平面之内（2）肽键的C及N周围三个键角之和均为360，六个原子基本同处一个平

6、面，肽链中能够旋转的只有碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。3、蛋白质主链构象的结构单元蛋白质的二级结构主要包括-螺旋，-折迭，-转角及无规卷曲螺旋（1）多个肽键平面通过碳原子紧密盘曲成稳固的右手螺旋。（2）主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm。（3）相邻两圈螺旋之间借肽键中CO和N-H之间形成许多链内氢健，每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的CO之间形成氢键。（4）肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧。极大的侧链基团（存在空间位阻）；连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基；有Pro等亚氨基酸存在（不能

7、形成氢键）。片层结构-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象。是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的CO与NH之间形成氢键。两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。平行的片层结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的片层结构，则间距为0.7nm。转角蛋白质分子中，肽链经常会出现180的回折，在这种回折角处的构象就是转角（turn或bend）。转角通常有4个氨基酸组成，靠第一个氨基酸残基的CO与第四个残基的NH之间形成氢键，而使结构稳定。无规卷曲多肽主链中除可形成前述

8、螺旋、片层、转角等有规律的构象外，其他部分没有确定规律性的肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，称无规卷曲（random coil）。（二）模序模序是指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构肽段常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成一个具有特殊功能的空间结构。如钙结合蛋白中的结合钙离子模序，锌指结构等。三、蛋白质的三级结构1、概念：一条多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折迭形成具有一定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构（tertiary structure），即整条多肽链中所有原子在三维空间的排布位置。2、维系力：维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范

9、氏引力等，但也有共价键，如二硫键等。3、结构域（domain）结构域也是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。在较大的蛋白质分子中，蛋白质三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，每个区域折叠得较为紧密，有独特的空间构象，各行其功能，称为结构域。四 蛋白质的四级结构1、概念：是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。（quarternary structure）每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基（subunit）。2、维系力：维持蛋白质四级结构稳定的有氢键、疏水键、盐键以及范德华力等次级键。一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。第三节 蛋白质的结构与功能的关系一、蛋

10、白质的一级结构与其构象及功能的关系（一）一级结构是空间结构的基础特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。变性与复性的研究也说明了蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构。（二）一级结构与功能的关系一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似，不同种属的生物体的同一功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小。二、蛋白质空间橡象与功能活性的关系蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白

11、质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。（一）血红蛋白和肌红蛋白的结构Mb的功能主要是在肌肉中储存O2，Hb在体内的主要功能为运输氧气，是含有血红素辅基的蛋白质，血红素的铁原子共有6个配位键，其中4个与血红素的吡咯环的N结合，一个与珠蛋白亚基F螺旋区的第8位组氨酸（F8）残基的咪唑基的N相连接，空着的一个配位键可与O2可逆地结合。血红蛋白的蛋白质部分称为珠蛋白（globin），非蛋白质部分（辅基）称为血红素。Hb分子由四个亚基构成， 结合一分子血红素。正常成人Hb分子的四个亚基为两条链，两条链。链由141个氨基酸残基组成，有7个螺旋区，在E和F螺旋段间的20多个巯水

12、氨基酸侧链构成口袋形的疏水区，血红素就嵌接在其中。链由146个氨基酸残基组成，有8个螺旋区。亚基中亚基和亚基构象相似。四亚基间有8对盐键，它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。（二）血红蛋白的构象变化和结合氧在血红素中，四个吡咯环形成一个平面：1、未与氧结合时Hb的/和/呈对角排列，结构较为紧密，称为紧张态（tense state，T态）Fe+的位置高于平面0.075nm。2、当O2进入某一个亚基的疏水口袋时，与Fe+的结合会使Fe+嵌入四吡咯平面中，也即向该平面内移动约0.075nm，铁的位置的这一微小移动，牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个亚基间盐

13、键断裂，使亚基间结合变松，使/和/的长轴形成15的夹角，结构较为松弛，称为松弛态（relaxed state，R态）并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合，进而使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。协同效应（cooperativity）的定义是指一个亚基与其配体结合后，能影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应，反之称为负协同效应。第四节 蛋白质的理化性质及其分离纯化蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离、等电点、呈色反应、成盐反应等，也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性、变性等。

14、根据蛋白质的理化特性，常采用盐析、透析、电泳、层析及超速离心等方法来分离纯化蛋白质。一、蛋白质的理化特性（一）蛋白质的两性电离蛋白质是由氨基酸组成的，其分子中除两端的游离氨基和羧基外，侧链中尚有一些解离基，如谷氨酸、天门冬氨酸残基中的和-羧基，赖氨酸残基中的-氨基，精氨酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质游离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点（isoelectric point，简写pI）。处于等电点的蛋白质颗粒，在电场中并不移动。蛋白质溶液的pH大于等电点，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电

15、点就偏碱性，如组蛋白、精蛋白等。反之，凡酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性，人体体液中许多蛋白质的等电点在pH5.0左右，所以在体液中以负离子形式存在。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质分子量颇大，介于一万到百万之间，故其分子的大小已达到胶粒1100nm范围之内。球状蛋白质的表面多亲水基团，具有强烈地吸引水分子作用，使蛋白质分子表面常为多层水分子所包围，称水化膜，从而阻止蛋白质颗粒的相互聚集。（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固天然蛋白质的严密结构在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，称之为蛋白质的变性作用（denaturation）。变性蛋白

16、质只有空间构象的破坏，蛋白质变性本质是次级键，二硫键的破坏，并不涉及一级结构的变化。变性蛋白质和天然蛋白质最明显的区别是溶解度降低，同时蛋白质的粘度增加，结晶性破坏，生物学活性丧失，易被蛋白酶分解。蛋白质变性的原因：物理因素：加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波等；化学因素：强酸、强碱、乙醇、尿素、重金属盐、十二烷基磺酸钠（SDS）等。在临床医学上，变性因素常被应用于消毒及灭菌。反之，注意防止蛋白质变性就能有效地保存蛋白质制剂。蛋白质变性后，疏水基团外露，肽链融合相互缠绕继而聚集，因而从溶液中沉淀析出，此称蛋白质的沉淀。引起蛋白质沉淀的方法主要有：盐析、有机溶剂沉淀，重金属盐沉淀，

17、生物碱试剂沉淀等。将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热，可使蛋白质可形成比较坚固的凝块，称蛋白质凝固。加热首先是加热使蛋白质变性，有规则的肽链结构被打开呈松散状不规则的结构，分子的不对称性增加，疏水基团暴露，进而凝聚成凝胶状的蛋白块。如煮熟的鸡蛋，蛋黄和蛋清都凝固。蛋白质的变性、沉淀，凝固相互之间有很密切的关系。但蛋白质变性后并不一定沉淀，变性蛋白质只在等电点附近才沉淀，沉淀的变性蛋白质也不一定凝固。例如，蛋白质被强酸、强碱变性后由于蛋白质颗粒带着大量电荷，故仍溶于强酸或强碱之中。但若将强碱和强酸溶液的pH调节到等电点，则变性蛋白质凝集成絮状沉淀物，若将此絮状物加热，则分子间相互盘缠而变成较为坚

18、固的凝块。（四）蛋白质的紫外吸收蛋白质中含有Tyr和Trp，因此在280nm处有特征性紫外吸收峰，且在一定浓度范围内，其A280nm与蛋白浓度呈正比，可用于蛋白质定量。（五）蛋白质的呈色反应1、茚三酮反应氨基酸与水化茚三酮（苯丙环三酮戊烃）作用时，产生蓝色反应，由于蛋白质是由许多氨基酸组成的，所以也呈此颜色反应。2、双缩脲反应蛋白质在碱性溶液中与硫酸铜作用呈现紫红色，称双缩脲反应。凡分子中含有两个以上CONH键的化合物都呈此反应。二、蛋白质的分离纯化（一）丙酮沉淀及盐析用丙酮沉淀时，必须在0-4的低温条件下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白体积。在蛋白质溶液中加入大量的中性盐以破坏蛋白质的胶体稳定

19、性而使其析出，这种方法称为盐析。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。调节蛋白质溶液的pH至等电点后，再用盐析法则蛋白质沉淀的效果更好。（二）电泳带电粒子在电场中移动的现象称为电泳。蛋白质分子在溶液中可带净的负电荷或带净的正电荷，故可在电场中发生移动。不同的蛋白质分子所带电荷量不同，且分子大小也不同，故在电场中的移动速度也不同，据此可互相分离。（三）透析与超滤与低分子物质比较，蛋白质分子扩散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，在分离提纯蛋白质过程中，可利用透析袋将生物大分子物质与小分子物质分开的方法称为透析（dialysis）。利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

20、白质的目的称超滤 。（四）层析层析（chromatography）是一种利用混合物中各组分理化性质的差异，在相互接触的两相（固定相与流动相）之间的分布不同而进行分离分析的技术方法。主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层析，吸附层析及亲和层析等。图1-26（五）超速离心超速离心可用来分离纯化蛋白质，也可用来测定蛋白质的分子量。蛋白质分子在强大的离心力作用下，在溶液中回发生沉降，直至其所受的浮力与离心力相等，此时沉降停止。此时，不同的蛋白质分子分布于不同的液层而分离。（六）分子筛又称凝胶过滤，是层析的一种，利用多孔状的凝胶颗粒根据蛋白质的分子大小进行分离的一种层析技术。第二章 核酸的结构与功能第一节

21、核酸的化学组成核酸包括DNA和RNA两大类。组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，P含量恒定，约占910%。测定P含量来代表核酸量。核酸经水解可得到核苷酸，核苷酸水解产生核苷和磷酸，核苷水解，产生戊糖和含氮碱基。一、核苷酸中的碱基成分核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱（purine）主要是鸟嘌呤（guanine，G）和腺嘌呤（adenine，A），嘧啶碱（pyrimidine）主要是胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA都含有鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）；胸腺嘧啶

22、（T）只存在于DNA，而尿嘧啶（U）只存在于RNA。嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析。二、戊糖与核苷核酸中的戊糖有核糖（ribose）和脱氧核糖（deoxyribose）两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C-1与嘧啶碱的N-1或嘌呤碱的N-9相连接。第二节核酸的一级结构核酸（DNA和RNA）的一级结构是指其中的核苷酸的排列顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的3-OH与下一位核苷酸的5位磷酸形成3，5磷酸二酯键，构成不分支

23、的线性大分子，核酸具有方向性，末端分别称为5末端和3末端。DNA的书写应从5到3。RNA与DNA的差别主要有：1）DNA中核苷酸的戊糖是脱氧核糖；2）RNA中的嘧啶碱基不含胸腺嘧啶。表示一个核酸分子结构的方法有多种。碱基序列的书写是由左向右书写，左侧是5末端，右侧为3末端。寡核苷酸（oligonucleotide）是指二至十个甚至更多个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。目前多由仪器自动合成而用作DNA合成的引物（Primer）、基因探针（probe）等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。第三节DNA的空间结构与功能一、DNA的二级结构 双螺旋结构模型（double heli

24、x model）（一）DNA的碱基组成Chargaff规则：（1）几乎所有的DNA，无论种属来源如何，A=T，G=C，AG=CT；（2）不同生物来源的DNA碱基组成不同，即AT/GC比值不同；（3）同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同;（4）一种生物DNA碱基组成不随年龄、营养状态、环境变化而改变、（二）DNA双螺旋结构模型的要点1953年，Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNA的X-射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：反平行的右手双螺旋结构，螺距为3、4nm，直径为2、0nm。每圈10对碱基，存在大沟、小

25、沟主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧两链间A与T互补形成两个氢键，G与C三个氢键螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。二、DNA的超螺旋结构（一）DNA超螺旋-原核生物DNA的高级结构HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter3/3_9.swf环状和超螺旋示意图双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环（covalently closed circle，CCC）分子，这种双螺旋

26、环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构（superhelix或supercoil），研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。（二）DNA在真核细胞内的组装1、染色质（chromatin）染色质的基本单位是核小体（nucleosome）。由DNA和组蛋白组成。组蛋白（histones）分为五种类型，即H1、H2A、H2B、H3和H4。H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体，以及缠绕其长度为146bp的DNA链；核心颗粒间约60bp的连接DNA和组蛋白H1有构成的连接区连接起来形成串珠样结构（图2-8）。三、DNA的功能DNA是遗传信息的载体，基因就是DNA分子中的某一区段

27、。DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。第四节RNA的空间结构与功能DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现，但DNA并非蛋白质合成的直接模板，合成蛋白质的模板是RNA。正常细胞遗传信息的流向是：DNARNA蛋白质。与DNA相比，RNA种类繁多，分子量相对较小，一般以单股链存在，但可以有局部二级结构，其碱基组成特点是含有尿嘧啶（uridin，U）而不含胸腺嘧啶，碱基配对发生于C和G与U和A之间，RNA碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。此外，tRNA还具有明确的三级结构。一、信使RNA

28、（mRNA）的结构与功能1）mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。2）mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA3）5-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子4）3-端的多聚腺苷酸（polyA）尾5）mRNA分子中带有遗传密码二、转运RNA（tRNA）1）分子最小，含有稀有碱基最多（10%20%）2）二级结构：局部双螺旋的形成“三叶草”结构。包括：氨基酸臂（3末端CCA-OH）、DHU环、反密码环、T环等。功能：转运氨基酸tRNA（transfer RNA）在假尿嘧啶核苷中，不是通常嘧啶环中1位氮原子，而是嘧啶环中的5位碳原子与戊糖的1位碳原子之间形成糖苷键。tRNA的共同三级结构均呈倒

29、L形，其中3末端含CCA-OH的氨基酸臂位于一端，反密码子环位于另一端，DHU环和T环虽在二级结构上各处一方，但在三级结构上却相互邻近。三三、核蛋白体RNA（rRNA）核蛋白体RNA（ribosomal RNA）：是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，核蛋白体（ribosome）是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核蛋白体：小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5S、23S rRNA和31种蛋白质构成。真核生物核蛋白体：小亚基含18S rRNA和30多种蛋白质，大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA，近50种蛋白质。四、其它RNA分子小核RNA（snRNA，smal

30、l nuclear RNA）存在于真核细胞的细胞核内，其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的剪接，在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中起着十分重要的作用。小胞浆RNA（scRNA，small cytosol RNA）：存在于细胞浆中，是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体的组成成分。核仁小RNA（snoRNA，small nucleolar RNA）：催化性小RNA（small catalytic RNA）小片段干扰RNA（siRNA，small interfering RNA）：与外源基因表达的相mRNA结合，并诱发其mRNA降解。五、核酶某些RNA分子本身具

31、有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接.这种具有催化作用的RNA被称为核酶。第五节 核酸的理化性质及其应用一、核酸的一般理化性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。DNA是线状高分子，粘度很大，RNA分子较小，因此粘度也小得多。DNA分子在机械力的作用下易发生断裂。DNA和RNA都具有紫外吸收特性，最大吸收峰在260nm。二、DNA的变性、复性与分子杂交1、DNA变性（denaturation）在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变。变性的因素：高温强酸强碱有机溶剂等变性后的性质改变：增色效应：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸

32、收度增加的现象、旋光性下降粘度降低生物学功能丧失或改变DNA解链温度：加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度（融解温度，Tm），G+C的含量越高，则Tm越高。2、DNA复性（renaturation）指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火（annealing）。3、分子杂交：（hybridization）两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子

33、杂交。HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter3/3_16.swfDNA变性、复性与分子杂交核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，形成所谓的杂化双链这个过程称为杂交。酶第一节 酶的分子结构与功能一、酶的分子组成根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。单纯酶（simple

34、enzyme）是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。结合酶（conjugated enzyme）的催化活性，除蛋白质部分（酶蛋白）外，还需要非蛋白质的物质，即酶的辅助因子（cofactors）。全酶（结合蛋白质）=酶蛋白（蛋白质部分）+辅助因子（非蛋白质部分）酶的辅助因子：金属离子，小分子有机化合物。与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶。与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅基。酶蛋白决定反应的特异性，辅酶与辅基运载氢原子、电子、基团。金属离子稳定构象、构成酶的活性中心、连接作用。现知大多数维生素（特别是

35、B族维生素）是组成许多酶的辅酶或辅基的成分，体内酶的种类很多，而辅酶（基）的种类却较少，通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合。二、酶的活性中心酶的分子中存在有许多功能基团例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但并不是这些基团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团（essential group）。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心（active center），对于结合酶来说，辅酶或辅基上的一部分结构往往是活性中心的组成成分。构成酶活性中心的

36、必需基团可分为两种，与底物结合的必需基团称为结合基团，促进底物发生化学变化的基团称为催化基团 。还有些必需基团虽然不参加酶的活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶的活性中心以外的必需基团。不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。第二节 酶促反应的特点与机制酶是生物催化剂（biological catalyst），具有两方面的特性，既有与一般催化剂相同的催化性质，又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。酶与一般催化剂的共同点包括：能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应；能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点； 一般

37、情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能，因为酶是蛋白质，所以酶促反应又固有其特点：一、酶促反应的特点1、高度的催化效率酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率。酶促反应速度比非催化反应高107-13倍，例如，反应2H2O22H2O+O2在无催化剂时，需活化能18，000卡/克分子；胶体钯存在时，需活化能11，700卡/克分子；有过氧化氢酶存在时，仅需活化能2，000卡/克分子以下。2、高度的专一性一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性。（1）绝对特异性（absol

38、ute specifictity）：有的酶只作用于一种底物产生一定的反应，称为绝对专一性，如脲酶，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。（2）相对特异性（relative specificity）：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类。（3）立体异构特异性（stereopecificity）：酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构专一性或特异性。如-淀粉酶只能水解淀粉中-1，4-糖苷键，不能水解纤维素中的-1，4-糖苷键。3、酶活性的可调节性酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内

39、新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。4、酶活性的不稳定性酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。二、酶促反应的机制（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合学说当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。酶催化某一反应时，首先在酶的活性中心与底物结合生成酶底物复合物，此复合物再进行分解而释放出酶，同时生成一种或数种产物，此过程可用下式表示：E代表酶，S代表底物，ES代表酶底物复合物（中间产物）（二）酶促反应的机制1、临

40、近效应酶在反应中将底物结合到它的活性中心使他们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系，酶与底物间的靠近具有一定的取向，这样反应物分子才被作用，大大增加了ES复合物进入活化状态的机率。2、张力作用底物的结合可诱导酶分子构象发生变化，比底物大得多的酶分子的三、四级结构的变化，也可对底物产生张力作用，使底物扭曲，促进ES进入活性状态。3、酸碱催化作用酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团往往是良好的质子供体或受体，在水溶液中这些广义的酸性基团或广义的碱性基团对许多化学反应是有力的催化剂。4、共价催化作用某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复合物，这些复合物比无酶存在时更容易进行化学

41、反应。第三节 酶促反应的动力学酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactions）主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。一、底物浓度对反应速度的影响在酶的浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线（rectangular hyperbola）。在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反应。随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为0级反应。（一）米曼

42、氏方程式解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最合理学说是中间产物学说。酶首先与底物结合生成酶底物复合物（中间产物），此复合物再分解为产物和游离的酶。Michaelis和Menten，1913年提出了反应速度和底物浓度关系的数学方程式，即著名的米-曼氏方程。Vmax指酶促反应的最大速度，S为底物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓度时相应的反应速度。当底物浓度很低时，SKm，此时VVmax，反应速度达最大速度，底物浓度再增高也不影响反应速度。米-曼氏方程的推导基与两个假设： 测定的确反应速度为初速度 S超过EES的生成速度：dESdt=K1（E-ES）SES的分解速度：-dES dt=K2E

43、S+K3ES当反应处与稳态时：ES的生成速度=ES的分解速度：即K1（E-ES）S= K2ES+K3ES经整理：令：Km为米氏常数，则ES-ESS=KmES由于反应速度取决于单位时间内P产物的生成量，所以V=K3ES代入上式得：当底物浓度很高，所有的酶都与底物生成中间产物（即E=ES）时，反应达到最大速度、即：Vmax=K3ES=K3E代入上式得：米式方程：（二）Km及Vm的意义1当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：进一步整理可得到：Km=S可知，Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。因为Km=K2+K3K1，当K2K3，即ES解离成E和S的速度大大超过分离成E和P的速

44、度时，K3可以忽略不计，此时Km值近似于ES解离常数KS，此时Km值可用来表示酶对底物的亲和力。Km值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。3Km值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件（如温度、pH、有无抑制剂等）有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同，同一种酶与不同底物作用时，Km值也不同。各种酶的Km值范围很广，大致在10-110-6M之间。4如果Km值已知，任何底物浓度时酶的饱和度（形成中间产物的酶占总酶的比例，saturation fraction fEs）fE

45、s便可计算出来。5Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。如果酶的总浓度已知，便可从Vmax计算酶的转换数、例如， 10-6molL的碳酸酐酶溶液在一秒钟内可催化生成0、6molL的碳酸，则每秒钟可催化生成6*105个分子的碳酸。K3又称为酶的转换数，其定义是：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数、（三）Km和Vmax的求法底物浓度曲线是矩形双曲线。从图中很难精确地测出Km和Vmax。为此人们将米氏方程进行种种变换，将曲线作图转变成直线作图。1、双倒数作图将米氏方程两边取倒数，可转化为下列形式：1/V对1/S的作图得一直线，其斜率是Km/V，在纵轴上

46、的截距为1/Vmax，横轴上的截距为-1/Km。（图3-4）HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_5.swf图3-4 双倒数作图法2、Hanes作图法将米氏方程经移项整理后可写成：以S/V为纵坐标对S横坐标作图，所得直线，其纵轴的截距为Km/Vm，斜率为1/Vm 。（图3-5）HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_6.swf图3-5 Hanes作图法二、酶浓度对反应速度的影响在一定的温度和pH条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正比关系。三、温度对反应速度的影响化学反应的速

47、度随温度增高而加快。但酶是蛋白质，可随温度的升高而变性。一般地说，温度每升高10，反应速度大约增加一倍。但温度超过一定数值后，酶受热变性的因素占优势，反应速度反而随温度上升而减缓，形成倒V形或倒U形曲线。在此曲线顶点所代表的温度，反应速度最大，称为酶的最适温度（optimum temperature）。从动物组织提取的酶，最适温度多在3540之间，酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不破坏酶。温度回升后，酶又恢复活性。临床上低温麻醉就是利用酶的这一性质以减慢组织细胞代谢速度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受体，有利于进行手术治疗。四、pH对反应速度的影响反应介质的pH可影响酶分子，特别是

48、活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。只有在特定的pH条件下，酶、底物和辅酶的解离情况，最适宜于它们互相结合，并发生催化作用，使酶促反应速度达最大值，这种pH值称为酶的最适pH。动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约1、8，肝精氨酸酶最适pH约为9、8。最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素的影响。五、抑制剂对反应速度的影响凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称做酶的抑制剂。分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。（一）不可逆性抑制

49、作用（irreversible inhibition）抑制剂通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性，按其作用特点，又有专一性及非专一性之分。1、非专一性不可逆抑制抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，不论是必需基团与否，皆可共价结合，由于其中必需基团也被抑制剂结合，从而导致酶的失活。某些重金属（Pb+、Cu+、Hg+）及对氯汞苯甲酸等，能与酶分子的巯基进行不可逆适合，许多以巯基作为必需基团的酶（通称巯基酶），会因此而遭受抑制，属于此种类型。（图3 -T15）用二巯基丙醇（British anti-Lewisite，BAL）或二巯基丁二酸钠等含巯基的化合物可使酶复活。（图3 -

50、T16）HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p59_1.swf图3 -T15 路易士气对酶的影响HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p59_2.swf图3 -T16 二巯基丙醇的解毒作用2、专一性不可逆抑制抑制剂专一地作用于酶的活性中心或其必需基团，进行共价结合，从而抑制酶的活性。有机磷杀虫剂能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基，使其磷酰化而不可逆抑制酶的活性。（图3 -T17）当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，胆碱能神经末稍分泌的乙酰胆碱不能及时分解，过多的乙酰胆碱会导致胆碱能神经过度兴

51、奋的症状。解磷定等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p58_1.swf图3 -T17 有机磷杀虫剂对酶的作用（二）可逆性抑制（reversible inhibition）抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。这类抑制剂大致可分为以下三类。1、竞争性抑制（competitive inhibition）（1）含义和反应式抑制剂I在化学结构上与底物S个相似，能与底物S竞争酶E分子活性中心的结合基团，因此，抑制作用大小取决于抑制剂

52、与底物的浓度比，加大底物浓度，可使抑制作用减弱。例如，丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p59_3.swf图 丙二酸、苹果酸及草酰乙酸和琥珀酸的结构式（2）反应速度公式及作图抑制剂、底物和反应速度之间的动力学关系及其双倒数方程式为：以1/V、1/S分别为横坐标和纵坐标作图，绘成竞争性抑制作用的特性曲线。磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构，而对氨基苯甲酸、二氢喋呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料，后者能转变为四氢叶酸，它是细菌合成核酸不可缺少的辅酶。由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，进而减少菌体

53、内四氢叶酸的合成，使核酸合成障碍，导致细菌死亡。抗菌增效剂-甲氧苄氨嘧啶（TMP）能特异地抑制细菌的二氢叶酸还原为四氢叶酸，故能增强磺胺药的作用。HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p60_3.swf图 磺胺药物与对氨基苯甲酸的结构特点： 竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物； 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同； 抑制剂浓度越大，抑制作用越大；增加底物浓度使抑制程度减小； 动力学参数：Km值增大，Vm值不变。2、非竞争性抑制（non-competitive inhibition）（1）含义和反应式I和S在结构上一般无相似之处

54、，I常与酶分子上结合基团以外的化学基团结合，这种结合并不影响底物和酶的结合，增加底物浓度并不能减少I对酶的抑制程度。（2）反应速度公式及作图抑制剂、底物浓度和反应速度之间动力学关系：以1/V、1/S为横坐标和纵坐标作图，绘成非竞争性抑制作用的特性曲线。中性氨基酸（如丙氨酸）则是非竞争性抑制剂。特点： 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合； 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响； 动力学参数：Km值不变，Vm值降低。3、反竞争性抑制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

55、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。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。特点： 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合； 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加； 动力学参数：Km减小，Vm降低。（表3-3）HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_p62_tab1.swf表3-3 各种可逆性抑制作用的比较HYPERLINK 82/biochemistry/flash/charpter4/4_10.swf可逆性抑制六、激活剂对酶促反应

56、速度的影响能使酶活性提高的物质，都称为激活剂（activator），可分为必须激活剂和非必须激活剂两类。其中大部分是离子或简单的有机化合物。如Mg+是多种激酶和合成酶的激活剂，动物唾液中的-淀粉酶则受Cl-的激活。第四节 酶的调节一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前身物称为酶原（zymogen）。酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改

57、变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶。酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。（二）变构酶有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价地结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性，酶的这种调节作用称为变构调节（allosteric regulation），受变构调节的酶称变构酶（allosteric enzyme），这些特异性分子称为效应剂。变构酶分子组成，一般是多亚基的，分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部位 ，凡与效应剂相结合的部位称为调节部位，这二部位可

58、以在不同的亚基上，或者位于同一亚基。（三）酶的共价修饰调节酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称酶的共价修饰调节。包括磷酸化和去磷酸化、乙酰化和去乙酰化、甲基化和去甲基化以及腺苷化和去腺苷化等，其中以磷酸化和去磷酸化最为常见。酶的共价修饰是体内快速调节酶活性的有一种重要方式。二、酶含量的调节除通过别构调节和共价修饰调节来改变体内现有酶的活性外，机体还可以通过诱导与阻遏酶的合成或改变酶的降解速度来调节体内酶的含量。三、同工酶同工酶（isoenzyme）是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同

59、一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。第五节 酶的分类和命名一、酶的分类国际酶学委员会（I、E、C）规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类：1、氧化还原酶类（oxidoreductases）指催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。2、转移酶类（transferases）指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。3、水解酶类（hydrolases）指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。4、裂解酶类（lyases）指催化一个底物分解为两个化合物或两个化

60、合物合成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。5、异构酶类（isomerases）指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。6、合成酶类（连接酶类，ligases）指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸：tRNA连接酶等。二、酶的命名（一）习惯命名法1、一般采用底物加反应类型而命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。2、对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等。3、有时在底物名称前冠以酶的来源，如血清谷氨酸丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等。习惯命名法简单，应用历史长