生物无机化学复习

绪论生物无机化学的概念在分子水平上研究生物体内与无机元素(金属和非金属及其化合物)有关的各种相互作用生命必需元素常量元素：H、C、O、N、P、S、Na、K、Ca、Mg、Cl微量元素：Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Sn、F、I、B、Si、Se生物配体——氨基酸组成蛋白质的20种氨基酸的化学结构和分类、三字符按氨基酸分子中侧链R基极性不同可分为非极性R基氨基酸、不带电荷的极性R基氨基酸、在pH7带正电荷的R基氨基酸和在pH7带负电荷的R基氨基酸氨基酸的理化性质立体异构和旋光性等电点氨基酸理化性质立体异构：除了甘氨酸外,α氨基酸的α-C都是不对称碳原子，因此有立体异构蛋白质水解产物中的α-氨基酸都属于L-型旋光性:除了甘氨酸外,α-氨基酸都具有光学活性(+)表示右旋体，(-)表示左旋体。氨基酸理化性质当溶液pH等于某一特定值时，氨基酸的酸性电离和碱性电离刚好取消，主要以两性离子的形式存在，氨基酸所带的正负电荷相等，净电荷等于零，在电场中不泳动，这时溶液的pH称为该氨基酸的等电点（pI）氨基酸处于等电点时，主要以偶极离子形式存在，此时氨基酸的溶解度最小，容易析出，利用氨基酸在等电点溶解度最小的性质，通过调节溶液的pH，使不同的氨基酸在各自的等电点分别结晶析出，达到分离和提纯氨基酸的目的。等电点在pH=pI时，氨基酸分子中的羧基和氨基的电离度是相等的，羧基电离出的H+正好被氨基接收。氨基酸以两性离子存在。加碱，使溶液pH>pI时，氨基的电离被抑制，氨基酸主要以阴离子形式存在，在电场中向正极泳动。加酸，使溶液pH<pI时，羧基的电离被抑制，氨基酸主要以阳离子形式存在，在电场中向负极泳动。氨基酸理化性质蛋白质蛋白质元素的组成主要含有C、H、N、O和少量的S，有些还含有P、Fe、Cu、Mn、I等不同来源的蛋白质含氮比例一定，平均值16%蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构、四级结构的定义及维持力蛋白质的结构蛋白质由氨基酸构成，氨基酸连接的基本方式是彼此以肽键结合成肽链，再由一条或多条肽链按各种方式组成成蛋白质分子。一级结构蛋白质的一级结构是是肽链的数目、肽链中氨基酸的连接方式和排列顺序，以及二硫键的数目和位置。一级结构的维系键：肽键（主要）二硫键（次要）蛋白质的二级结构二级结构是指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，从而形成有规律的构象二级结构不涉及氨基酸残基的侧链构象二级结构的构象单元主要有：-螺旋，β-折叠，β-转角和无规卷曲等。二级结构的维系力是氢键，氢键具有方向性和饱和性蛋白质的三级结构一条多肽链在二级结构的基础上，进一步地盘绕、折叠，从而产生特定的空间结构，或者说三级结构是指多肽链中所有原子的空间排布。三级结构的维系力：疏水作用力、氢键、范德华力、盐键蛋白质的四级结构蛋白质由两条多肽链构成，每条肽链均有自己的一、二及三级结构，相互以非共价键(结合)连结。这些肽链称为蛋白质的亚基。由亚基构成的蛋白质称寡聚蛋白质。四级结构就是各个亚基（各条肽链）在蛋白质的天然构象中的排列方式四级结构的维系力：疏水作用(主要)、

离子键、氢键

含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般无生物学功能并不是所有蛋白质分子都有四级结构核酸核酸的组成DNA的分子结构和功能核酸的理化性质核酸的组成核酸降解产生多个核苷酸，核苷酸再分解产生磷酸和核苷，核苷进一步分解生成碱基和戊糖核酸中的戊糖有两种：D-核糖和D-2-脱氧核糖碱基有五种两种嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤三种嘧啶碱：胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶五种碱基

嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine)鸟嘌呤(guanine)(DNAonly)(DNAonly)

嘌呤碱

嘧啶碱

嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine)

尿嘧啶(uracil)

胸腺嘧啶(thymine)

DNA和RNA的组成两者的差别是DNA的胸腺嘧啶代替了RNA的尿嘧啶DNA的分子结构一级结构：指DNA分子中核苷酸的排列顺序及连接方式核苷酸的排列顺序代表了遗传信息四种核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键连接在一起二级结构:是由两条反平行的DNA链，按照严格的碱基配对关系形成双螺旋结构。二级结构的维系力:两条链的碱基之间的氢键和碱基堆积力碱基互补配对碱基互补配对

C≡GT=A

双螺旋结构中碱基组成规则腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即A+C=G+T嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+TDNA双螺旋结构模型示意图

双螺旋结构的特点碱基位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行双螺旋的平均直径为2nm，相邻两对碱基间垂直距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角36o。沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（即螺距)为3.4nm在双螺旋表面有大沟和小沟碱基按A=T,G≡C配对互补，彼此以氢键相连系DNA的主要结构形式结构形式B型A型右手螺旋Z型 嘌呤和嘧啶交替伸展，没有明显的大沟、小沟之间的差异左手螺旋金属配合物与核酸作用方法电子吸收光谱荧光光谱电子吸收光谱(紫外-可见光谱）基本原理：当不同波段的光与处于基态的物质分子发生作用时，分子会吸收能量，从低能级跃迁到高能级产生吸收光谱。配合物的电子光谱分为三种类型：以配体为中心由π-π*跃迁产生的电子转移光谱；以金属离子为中心由d-d跃迁产生的配位场光谱；配体至金属离子(LMCT)或金属离子至配体(MLCT)的电荷迁移光谱金属配合物与DNA结合后，其电子结构会受到DNA的微扰，导致其配体所处的环境发生变化，使吸收光谱波长和强度发生一系列的变化金属配合物通过静电、沟面或者氢键等一些弱的结合方式与DNA作用时，紫外-可见光谱的变化很小。紫外可见光谱当小分子以插入方式结合在双螺旋碱基对之间时，其吸收光谱表现出峰位的红移及明显的减色效应减色效应的强弱，红移的程度与其插入结合力大小有关，通常吸收峰红移越大，减色效应越明显，表明插入程度越强插入配体与DNA的碱基对发生π电子堆积后，使其π*空轨道与碱基的π电子轨道发生耦合，能级下降，从而导致π-π*跃迁能减小，产生红移现象。耦合后的π轨道因部分填充电子，使跃迁几率减小，伴随着减色效应。稳态荧光发射光谱自身具有荧光的金属配合物，当与DNA发生嵌插作用时，常伴随着配合物荧光强度的增强及其荧光寿命的增加荧光淬灭光谱常温下没有荧光的配合物，借助于荧光探针对配合物与DNA的作用模式进行判断。时间分辨发射光谱配合物与DNA键合的模式不止一种时，可通过分解其时间分辨发射光谱，可得到不同的激发态寿命，从而推断出配合物与DNA可能的键合模式溴化乙锭本身产生的荧光强度很弱，但作为具有共轭平面的分子，能专一性地插入到DNA双螺旋或三螺旋的碱基对之间，致使EB-DNA荧光强度大大增加，但是当目标配合物分子加入后，溴化乙锭被置换出来，这种增强的荧光能够被部分或全部淬灭荧光淬灭程度越明显，表明目标配合物与DNA作用越强酶促反应动力学米氏方程当反应速度等于最大速度一半时，即υ=1/2υ

max,km=[S]米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度，km的单位为mol/Lkm是酶的一个重要的特征物理常数，只与酶的性质有关，与酶浓度无关。酶促反应动力学米氏常数km的意义km值表示酶与底物之间的亲和程度：km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;km值小表示亲和程度大，酶的催化活性高km值是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的km值酶促反应动力学-1/km1/Vmax斜率=km/Vmax温度对反应速率的影响各种酶都有各自的最适温度，此时反应速度最快。低于最适温度，温度升高，反应速率加快高于最适温度，酶活性逐步变性，反应速率降低，直至完全失活最适温度不是特征常数，当酶的反应时间延长，将相应降低pH对反应速率的影响在一定的pH下，酶具有最大的催化活性，通常称此pH为最适pH每种酶都有特定的最适pH，偏离了这个值，反应速率降低，甚至导致酶变性失活pH影响反应速率，是因为它会改变底物和酶分子的带电状态最适pH不是特征常数，受酶来源和纯度、底物、缓冲剂等因素影响激活剂对反应速率的影响可以提高酶活性的物质都称为激活剂有些酶在分泌时无活性，需打断个别特定的肽键，使构象发生一定变化才具有活性有些酶需要加入某种无机离子或简单有机物，活性才提高Mg2+是糖激酶的激活剂动物唾液中的α-淀粉酶需Cl-激活胰蛋白酶原切去N-末端一段六肽，变成胰蛋白酶才有活性抑制剂对反应速率的影响使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂a.不可逆抑制抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。b.可逆抑制抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为竞争性抑制和非竞争性抑制竞争性抑制某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。无抑制剂竞争性抑制剂1/Vmax加入竞争性抑制剂后，km

变大，酶促反应速度减小竞争性抑制非竞争性抑制如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。无抑制剂非竞争性抑制剂-1/km加入非竞争性抑制剂后，km

虽然不变，但由于Vmax减小，所以酶促反应速度也下降非竞争性抑制氧载体天然氧载体血红蛋白肌红蛋白蚯蚓血红蛋白血蓝蛋白金属FeFeFeCu金属﹕O2Fe﹕O2Fe﹕O22Fe﹕O22Cu﹕O2脱氧蛋白的金属氧化态Fe(II)Fe(II)Fe(II)Cu(I)金属键合部位卟啉卟啉蛋白质侧链蛋白质侧链亚基数目418可变相对分子质量650001750010800(4-90)×105载氧颜色红红紫红蓝脱氧颜色紫红紫红无色无色主要生物功能输送氧储存氧输送氧输送氧氧载体血红素是铁卟啉这类配合物的总称血红蛋白和肌红蛋白的辅基是铁原卟啉IX，即原卟啉IX的铁配合物血红蛋白、肌红蛋白血红蛋白、肌红蛋白的概念和功能波尔效应血红蛋白、肌红蛋白的氧合曲线血红蛋白氧合的影响因素血红蛋白、肌红蛋白血红蛋白一种含有血红素的寡聚体蛋白，由四个亚基组成生理功能：运输O2和CO2肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质，由一条多肽链和一个血红素辅基组成功能：储存氧波尔效应CO2浓度的增加，降低细胞内的pH，能够提高血红蛋白亚基的协同效应，引起红细胞内血红蛋白氧亲和力下降的现象。波尔效应主要描述pH及CO2分压的变化对血红蛋白结合氧的影响，提高血液运输O2能力，具有重要的生理意义肌红蛋白没有波尔效应血红蛋白、肌红蛋白的氧合曲线血红蛋白的氧合曲线呈S型，S型曲线说明Hb与氧的结合具有协同性Hb与氧的结合显著改变了Hb的空间结构，导致Hb构象从T态向R态转换肌红蛋白的氧合曲线呈双曲线Mb的氧合过程几乎不受体系pH、离子强度的影响脱氧血红蛋白氧合血红蛋白