专题八生物化学

专题八生物化学 解贻连

一蛋白质的结构和生物学功能 （一）蛋白质的概述 • 蛋白质（protein）是最基本的生命物质之一。 • 1、元素组成：平均含N量约＝16%（特征代表） • 2、基本结构单位：氨基酸 • 3、大小：蛋白质是大分子化合物 • 4、空间结构：一级结构、二级结构、三级结构、四级结构…… • 5、重要性：数量多、种类多、功能多 • 6、蛋白质的合成：AA顺序的遗传编码

不变部分 可变部分（二）氨基酸 • 1.结构通式 • -氨基酸各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸

2.氨基酸的性质 （1）、天然蛋白质仅有20种AA、均为-AA （2）、旋光性：＋、－（除甘氨酸没有旋光性）（3）、构型：D－、L－（除甘氨酸，天然蛋白质的AA均为L－AA）。（4）、构象人类8种必需AA：（人体体内不能自身合成，必须从食物中获得）赖、色、甲硫、苯丙、苏、缬、亮、异亮

3.氨基酸的分类 • 法一：按R基化学结构特点分为四大类： • 1、脂肪AA（15种） • 2、芳得族AA（2种）：苯丙氨酸、酪氨酸 • 3、杂环族AA（2种）：组氨酸、色氨酸 • 4、杂环亚AA（1种）：脯氨酸 • 法二：按R基极性分两类： • 极性AA：11种 • 非极性AA：9种 • 法三： • 1、中性AA（有极性与非极性15种） • 2、酸性AA（2种）：天冬氨酸、谷氨酸 • 3、碱性AA（3种）：组、赖、精

4.理化性质 • （1）、物理性质：无色晶体、有味（甜、鲜、苦）或无味，不同强度溶于水、稀酸、稀碱，但不溶于任何有机溶剂，酒精可使AA发生沉淀。 • （2）、光学性质：具旋光性，有紫外吸收现象，波长为280nm，但仅有酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸有此性质。 • 除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。

（3）、两性解离：等电点PI－AA分子所带的净电荷为零（即分子内正电＝负电）时溶液的PH值。 • PH 1 7 10 • 净电荷 +1 0 -1 • 　正离子两性离子负离子 • 等电点PI

（三）肽与肽键 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。

1.肽键（peptide bond）： 0.127nm 键长=0.132nm 0.148nm • 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 • 组成肽键的原子处于同一平面。

2.肽链中AA的排列顺序和命名 • 在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。 • 通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。 • 氨基酸的顺序是从N端的氨基酸残基开始，以C端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln

3.肽的颜色反应 • 多肽可与多种化合物作用，产生不同的颜色反应。这些显色反应，可用于多肽的定性或定量鉴定。 • 如黄色反应，是由硝酸与氨基酸的苯基（酪氨酸和苯丙氨酸）反应生成二硝基苯衍生物而显黄色。 • 多肽的双缩脲反应是多肽特有的颜色反应;双缩脲是两分子的尿素经加热失去一分子NH3而得到的产物。 • 双缩脲能够与碱性硫酸铜作用，产生兰色的铜-双缩脲络合物，称为双缩脲反应。含有两个以上肽键的多肽，具有与双缩脲相似的结构特点，也能发生双缩脲反应，生成紫红色或蓝紫色络合物。这是多肽定量测定的重要反应。

（四）蛋白质的分子结构 1.蛋白质一级结构 • 蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目. • 多肽链的氨基酸数目、种类和顺序。 • 以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 • 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。

2.蛋白质二级结构 • 蛋白质的二级(Secondary)结构是指多肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。 • 主要有-螺旋、-折叠、-转角。

（1）、-螺旋 • （1）螺旋走向，稳定以氢键连接，氢键与轴平行。 • （2）侧基R伸向螺旋外侧。 • （3）棒状结构，高度压缩，紧密排列。 • （4）规律排列 • （5）由1条充分伸展的肽链的肽键平面折叠成的右手螺旋。 • （6）每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm。 • （7）1个螺圈内有13个原子。

3.蛋白质三级结构 • 蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。 • 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。

4.蛋白质四级结构 • 蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。 • 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性； • 维持亚基之间的化学键主要是疏水力。 • 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；

（五）蛋白质的性质 • 1.蛋白质的两性解离和等电点 • 蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。 • 在电场中，如果蛋白质分子所带正电荷多于负电荷，净电荷为正，则向负电极移动，反之，净电荷为负，向正极移动，这种泳动现象称电泳。 • 蛋白质在等电点PH条件下，不发生电泳现象，利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质的电泳现，可以将蛋白质进行分离纯化。

2.这是蛋白质特有的性质-------胶体。 • 由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。 • 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去 3.蛋白质的沉淀作用 • 蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。 • 改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质 • 在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。 • 蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。

4.蛋白质的变性作用 • 天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，分子构象发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学功能随之发生变化，但一级结构未遭破坏，这种现象称为变性作用。 • 变性后的蛋白质称为变性蛋白。 • 导致蛋白质变性的因素：热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。 • 类型：不可逆变性、可逆变性（可复性）

（六）蛋白质的生物学功能 （1）作为酶，蛋白质具有催化功能。（2）作为结构成分，它规定和维持细胞的构造。（3）作为代谢的调节者（激素或阻遏物），它能协调和指导细胞内的化学过程。（4）作为运输工具，它能在细胞内或者透过细胞膜传递小分子或离子。（5）作为抗体，它起着保护有机体，防御外物入侵的作用。

二核酸的结构和生物学功能 核酸是生物体内极其重要的生物大分子，是生命的最基本的物质之一。最早是瑞士的化学家米歇尔于1870年从脓细胞的核中分离出来的，由于它们是酸性的，并且最先是从核中分离的，故称为核酸。核酸的发现比蛋白质晚得多。核酸分为脱氧核糖核酸（简称DNA）和核糖核酸（简称RNA）两大类，基本结构单位都是核苷酸

（一）核甘酸 • 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。

1.核甘 • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键

2.组成核甘的戊糖 • 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。

3.组成核甘的碱基 腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤guanine 尿嘧啶uracil 胸腺嘧啶thymine 胞嘧啶cytosine

（二）核酸的分子结构 1.DNA的分子结构 • （1）DNA的一级结构 • 概念：DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。 • 不同的DNA分子（或片段）其一级结构不同，即脱氧核苷酸排列顺序不同，也就是碱基排列顺序不同。 • 意义：遗传信息 • 基本结构单位：脱氧核糖核苷酸 • 连接键：3’，5’－磷酸二酯键 • 书写及阅读方向：从5端到3端

（2）DNA的二级结构 概念：DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。 • DNA双螺旋结构 • DNA分子由两条DNA单链组成。 • DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 • 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。

.DNA双螺旋结构的特点 a.DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。

b.嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角b.嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角 • C.螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为3.4 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为34 nm。 • d.两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。 • 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。

(3)核酸的紫外吸收 • 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据

(4)核酸的变性与复性 • A. 核酸的变性 • 核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。 • 能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有DNA那样明显。

利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。 • 而RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应。

变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。 • DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。 • 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。

三酶的特点及功能 酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，又叫生物催化剂Biocatalysts 。绝大多数的酶都是蛋白质(Enzyme)。（一）酶的作用特点 • （1）酶和一般催化剂的共性 • 用量少而催化率高。 • 它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。酶本身在反应前后也不发生变化。 • 酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。

（2）酶作为生物催化剂的特性 A、高效性 B、专一性 C、反应条件温和 D、酶易失活 E、酶活力可调节控制 F、某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。

（二）酶的化学本质 通过对酶的性质、组成和结构等等方面的研究证实，酶是蛋白质（也有RNA）。这些酶除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质，前者称酶蛋白，后者称辅因子。此完整的酶分子称为全酶（全酶＝酶蛋白十辅因子）。有的酶的辅因子是金属离子，有的是小分子有机化合物。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。

（三）酶的活性中心和必需基团 • 酶的活性中心（active center）：是指酶分子中与底物直接结合并使之转变出产物的小区，也称活性部位(active site)。 • 酶的活性中心有两个功能部位：结合部位和催化部位。 1．结合部位（ Binding site）酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此部位决定酶的专一性。 2．催化部位（ catalytic site ）酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。此部位决定酶所催化反应的性质。

酶的活性中心具有以下特点： • （1）活性中心是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和特殊的构象，但它们不是刚性的，在与底物接触时表现一定的柔性。 • （2）构成活性中心的大多数氨基酸残基为疏水性，使此小区形成一个非极性的微环境，有利于与底物结合。 • （3）有活性中心，底物以弱键与酶结合。

酶的活性中心的必需基团可分为两种： 一种是与作用物结合的必需基团，称为结合基团，它决定酶的专一性；另一种是促进作用物发生化学变化的基团，称为催化基团，它决定酶的催化能力。

（四）酶的催化机理 • （1）酶反应的过渡态学说 • 1931年Michaelis和Menten假设酶（E）与底物（S）先形成中间复合物（ES），再转变成反应产物（P），释放出游离酶： • E＋S　　ES　　P＋E • 过渡态学说： • E + S === ES === ES*EP E + P • 式中：ES为米氏复合物；ES*为过渡态中间物；EP为酶－产物中间物。

（2）邻近和定向效应 • 邻近效应：在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子向酶的活性中心靠近，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应。 • 定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。 • 以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。

（3）诱导楔合学说 • 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状，从而有利于底物折结合。

（四）影响酶反应速度的因素 （1）酶浓度对酶反应速度的影响  [E] 酶浓度对反应速度的影响

（2）底物浓度与酶促反应的关系 • 在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 • 当底物浓度达到一定值，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。

（3）温度对酶反应速度的影响 • 一方面是温度升高,酶促反应速度加快。 • 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 • 因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。

（4）PH值对酶反应速度的影响 • 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

（5）激活剂对酶反应速度的影响 凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂（activator）（1）无机离子：金属离子(K+ Na+ Mg2+ Zn2+ Fe2+ Ca2+、阴离子(Cl- Br-)、氢离子（2）中等大小的有机分子：某些还原剂、乙二胺四乙酸（EDTA） (3)某些酶类：酶原激活过程中的酶类原理：a.酶活性中心的必需基团 b.酶-底络合物形成的桥梁 c.作为某些酶的辅助因子 d.保护-SH酶不被氧化

1、抑制作用与抑制剂 • 凡使酶的活性降低或丧失，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用（inhibition）。 • 能够引起抑制作用的化合物则称为抑制剂(inhibitor)。（抑制剂不同于变性剂） • 2、抑制作用的类型 • （1）不可逆抑制作用（irreversible inhibition) • （2）可逆抑制作用(reversible inhibition) 　

（1）不可逆抑制作用（irreversibleinhibition) 抑制剂与酶蛋白中的必需基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活,不能用透析或超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。专一性不可逆抑制作用：这类抑制剂只作用于与酶活性部位有关的氨基酸残基或一类酶。非专一性不可逆抑制作用：这类抑制剂作用于酶分子上不同的基团或作用于几类不同的酶。如：酰化剂酸酐和磺酰氯等可使酶蛋白的-OH、 SH、NH2等发生酰化。

（2）可逆抑制作用 (reversibleinhibition) • 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，又可以分为三类： • a.竞争性抑制作用 • b.非竞争性抑制作用 • C.反竞争性抑制作用

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