第一章蛋白质的结构与功能〖重点〗：
1．蛋白质的生物学重要性。
2．蛋白质的分子组成特点和基本单位。3．蛋白质的分子结构及其与功能的关系。
〖难点〗：
蛋白质的分子结构及其与功能的关系。〖主要外文专业词汇〗：
protein
amino acid
isoelectric point polypeptide
glutathione(GSH)
β-pleated sheat
motif
chaperon
domain
subunit
fibronectin
cytochrome c
myoglubin
hemoglobin(Hb)
ACTH
protein
denature electrophoresis c hromatography allosteric effect 〖思考题〗:
1．复习下列名词
肽键蛋白质一级结构蛋白质的
空间结构结构域等电点蛋白质变性与复性协同效应变构效应分子伴侣 2．蛋白质在生命活动中有哪些重要的生理功用？
3．蛋白质的元素组成中，哪一种
是蛋白质的特征元素？其含量在蛋白
质样品检测上有何意义？
4．试述蛋白质空间结构的含义和
层次？
5．举例说明蛋白质一级结构与功
能的关系，一级结构与空间结构的关
系？
6．举例说明空间结构与功能的关
系？
7．维系蛋白质空间结构的键或作
用力有哪些？
8．蛋白质为什么具有两性解离的
性质？
9．一般采用什么方法分离蛋白
质？
10．蛋白质变性的实质是什么？在
医学上有何意义？
第一节蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
组成蛋白质的元素除含有C、H、O
外都含有N。有些蛋白质还含有少量S、
P、Fe、 Mn、Zn、Cu、I等。
大多数蛋白质含氮量比较接近，平
均为16%，这是蛋白质元素组成的一个
特点。
蛋白质的元素组成中含有氮，是碳
水化物、脂肪在营养上不能替代蛋白质
的原因。
二、氨基酸
氨基酸（amino acid）是组成蛋白
质的基本单位。组成人体蛋白质的氨基
酸仅有20种。其化学结构式有一个共
同特点，即在连接羧基的α碳原子上
还有一个氨基，故称α氨基酸(除甘氨
酸外)。
（一）氨基酸的结构
组成人体蛋白质的20种氨基酸，
其结构可由下列通式表示、L-甘油醛和
L-氨基酸通式。（见课本P8）
各种氨基酸在结构上有下列特点。
1．组成蛋白质的氨基酸，除甘氨
酸外，均属L-α-氨基酸。
2．不同的L-α-氨基酸，其侧链（R）
不同。
（二）氨基酸的分类
根据氨基酸侧链R基团的结构和性
质，可将20种氨基酸分成四类。
1. 非极性疏水性氨基酸（Gly、
Ala、Val、Leu、Ile、Pro）
2．极性中性氨基
3．酸性氨基酸
4．碱性氨基酸
在蛋白质的修饰过程中，蛋白质分
子中20种氨基酸残基的某些基团还可
被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯
化和磷酸化等。
（三）氨基酸的理化性质
1.两性解离及等电点：所有氨基
酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-
羧基，因此氨基酸是一种两性电解质，
具有两性解离的特性。
2.紫外吸收性质根据氨基酸的
吸收光谱，含有共轭双键的色氨酸、酪
氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近
(图1-3)。
3.茚三酮反应：可作为氨基酸定
量分析方法。
三、肽（peptides）
㈠肽(peptide)
在蛋白质分子中由一分子氨基酸
的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨
基脱水生成的键称为肽键（peptide
bond）。肽键是蛋白质分子中基本的化
学键。如由二个氨基酸以肽键相连形
成的肽称为二肽，相互之间以肽键相
连。二肽还可通过肽键与另一分子氨基
酸相连生成三肽。此反应可继续进行，
依次生成四肽、五肽……。由10个以
内的氨基酸由肽键相连生成的肽称为
寡肽（oligopeptide），由更多的氨基
酸借肽键相连生成的肽称为多肽
（polypeptide）。多肽是链状化合物，
故称多肽链（polypeptide chain）。
多肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而
基团不全，故称为氨基酸残基
（residue）。多肽链中形成肽键的4
个原子和两侧的α-碳原子成为多肽链
的骨架或主链。构成多肽链骨架或主链的原子称为主链原子或骨架原子，而余下的R基团部分，称为侧链。多肽链的左端有自由氨基称为氨基末端（aminoterminal）或N-端，右端有自由羧基称为羧基末端（carboxylterminal）或C-端。把含有51个氨基酸残基、分子量为5733的胰岛素称作蛋白质。这似乎是习惯上的多肽与蛋白质的分界线（见六版图1-4）。
㈡生物活性肽
⒈谷胱甘肽(glutathione,
GSH) GSH是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般不同，由谷氨酸γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成(图1-5)，分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。
（见六版图1-5和图1-6）。
⒉多肽类激素及神经肽
第二节蛋白质的分子结构
一、蛋白质的一级结构
蛋白质中氨基酸的排列顺序称为
蛋白质的一级结构（primary structure）。肽键是一级结构的主要化学键。有些蛋白质还包含二硫键，即由两个半胱氨酸巯基脱氢氧化而成。图2-3为牛胰岛素的一级结构。（见六版教材图1-8）。
图1-8 牛胰岛素的一级结构
目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增长。国际互联网有若干重要的蛋白质数据
库（updated protein databases），收集了大量最新的蛋白质一级结构及
其他资料,为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。二、蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构（secandary
structure）是指蛋白质分子中某一段
肽链的局部空间结构，也就是该段肽链
主链骨架原子的相对空间位置。不涉及
氨基酸残基侧链的构象。蛋白质的二级
结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-
转角和无规卷曲。
（一）肽单元
构成肽键的4个原子和与其相邻的
两个α碳原子（C
α）构成一个肽单元
（peptide unit）。由于参与肽单元的
6个原子——C
α1、C、O、N、H、Cα2位
于同一平面，故又称为肽平面（见六
版教材图1-9）。
图1-9 肽单元
（二）α-螺旋
α-螺旋（α-helix）：蛋白质分
子中多个肽单元通过氨基酸α-碳原子
的旋转，使多肽链的主链围绕中心轴呈
有规律的螺旋上升，盘旋成稳定的α-
螺旋构象（见六版教材图1-10）。α
螺旋靠氢键维持。若氢键破坏，则α-
螺旋构象即遭破坏。
图1-10 α-螺旋
（三）β-折叠（β-pleated sheet）
每个肽单元以Cα为旋转点，依次
折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链
交替地位于锯齿状结构的上下方。（图
2-6 见六版教材图1-11），氢键是维持
β-折叠结构的主要次级键。
图2-6 β-折叠
（四）β-转角（β-turn）和无规卷
曲（random coil）
β-转角伸展的肽链形成180°回
折，即U形转角结构（图1-7 见六版教
材图1-11B）。无规卷曲系指没有确定
规律性的那部分肽链构象。
图1-7 β-转角
（五）模体(motif)
在许多蛋白质分子中，可发现二个
或三个具有二级结构的肽段，在空间上
相互接近，形成一个特殊的空间构象，
被称为模体。一个模序总有其特征性的
氨基酸序列，并发挥特殊的功能。如在
许多钙结合蛋白分子中通常有一个结
合钙离子的模序。它由α-螺旋-环-α-
螺旋三个肽段组成(图1-12A)。锌指结
构(zinc finger)也是一个常见的模体
例子。此模体由1个α-螺旋和2个反
平行的β-折叠三个肽段组成(图
1-12B)。由于Zn2+可稳固模体中α-螺
旋结构，致使此α-螺旋能镶嵌于DNA
的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都
能与DNA或RNA结合。可见模体的特征
性空间构象是其特殊功能的结构基础。
图1-12 模体
（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形
成的影响
蛋白质二级结构是以一级结构为
基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链
适合形成α-螺旋或β-折叠，它就会
出现相应的二级结构。
三、蛋白质的三级结构
(一)蛋白质的三级结构（tertiary
structure）是指整条肽链中全部氨基
酸残基的相对空间位置，也就是整条肽
链所有原子在三维空间的排布位置。
例:Mb（肌红蛋白）是由153个氨
基酸残基构成的单条肽链的蛋白质，含
有1个血红素辅基。可进行可逆的氧合
和脱氧，图1-13（见六版教材图1-13）显示Mb的三级结构。
图1-13 肌红蛋白的三维结构
蛋白质三级结构的形成和稳定主
要靠次级键——疏水键、离子键（盐键）、氢键和Van der Waals力等。疏水性氨基酸的侧链R基为疏水基团，有避开水，相互聚集而藏于蛋白质分子内部的自然趋势，这种结合力叫疏水键（图1-11 见六版教材图1-14）。
图1-11 维持蛋白质分子构象的各种化学键
（二）结构域
分子量大的蛋白质三级结构常可
分割成1个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域(domain)。如纤连蛋白(fibronectin)，它由二条多肽链通过近C-端的两个二硫键相连而成，含有6个结构域，各个结构域分别执行一种功能，有可与细胞、胶原、DNA和肝素等配体结合的结构域(图1-15)。
（三）分子伴侣
除一级结构为决定因素外，蛋白质空间构象的正确形成还需要一类称为
分子伴侣(chaperon)的蛋白质参与。分子伴侣通过提供一个保护环境从而加
速蛋白质折叠成天然构象或形成四级
结构。分子伴侣广泛地存在于从细菌到人的生物体中，其中有很大一部分被称之为热休克蛋白（heat shock protein）。
四、蛋白质的四级结构
在体内有许多蛋白质分子含有二
条或多条多肽链，才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit），这种蛋白质分子中各个亚基的空间排
布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构（quaternary
structure）。
在四级结构中，各个亚基间的结合
力主要是氢键和离子键维持四级结构。
含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一
般没有生物学功能，只有完整的四级结
构寡聚体才有生物学功能。亚基分子结
构相同,称之为同二聚体(homodimer),
若亚基分子结构不同,则称之为异二聚
体(heterodimer)。血红蛋白
(hemoglobin,Hb)是由2个α亚基和2
个β亚基组成的四聚体，两种亚基的
三级结构颇为相似，且每个亚基都结合
有1个血红素（heme）辅基（图1-16 见
六版教材图1-16）。
图1-16 蛋白质的四级结构：Hb结构示
意图
五、蛋白质的分类
（一）根据蛋白质组成成分可分成
单纯蛋白质和结合蛋白质，单纯蛋白质
只含氨基酸；结合蛋白质，除蛋白质部
分外，还含有非蛋白质部分，为蛋白质
的生物活性或代谢所依赖。结合蛋白质
中的非蛋白质部分被称为辅基，绝大部
分辅基通过共价键方式与蛋白质部分
相连。辅基的种类也很广，常见的有色
素化合物、寡糖、脂类、磷酸、金属离
子甚至分子量较大的核酸。
（二）蛋白质还可根据其形状分为
纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。
第三节蛋白质的结构与功能的关系
Relationship of Protein Structure
and Function
一、蛋白质的一级结构与功能的关系
（一）蛋白质的一级结构是空间构象的
基础
Anfinsen在研究核糖核酸酶时已
发现，蛋白质的功能与其三级结构密切
相关，而特定三级结构是以氨基酸顺序
为基础的。核糖核酸酶是由124个氨基
酸残基组成的一条多肽链，分子中8个
半胱氨酸的巯基构成四对二硫键
(Cys26和Cys84, Cys40和Cys95,
Cys58和Cys110, Cys65和Cys72)(图
1-17A)。进而形成具有一定空间构象的
球状蛋白质。用变性剂和还原剂β-巯
基乙醇处理该酶溶液，分别破坏二硫键
和次级键，使其空间结构被破坏。但肽
键不受影响，一级结构仍保持完整，酶
变性失去活性。如用透析方法除去尿素
和β-巯基乙醇后，核糖核酸酶又从无
序的多肽链卷曲折叠成天然酶的空间
结构，酶从变性状态复性，酶的活性又
恢复至原来水平（图1-17B见六版教材
图1-17）。这充分证明，只要其一级结
构未被破坏，就可能恢复原来的三级结
构，功能依然存在，所以多肽链中氨基
酸的排列顺序是蛋白质空间结构的基
础。
图1-17 牛核糖核酸酶一级结构与空间
结构的关系
（二）一级结构与功能的关系
已有大量的实验结果证明，一级结
构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以
及功能也相似。
例如不同哺乳类动物的胰岛素分
子结构都由A和B两条链组成，且二硫
键的配对和空间构象也极相似，它们都
执行着相同的调节糖代谢等的生理功
能（表1-2）。
又例如垂体前叶分泌的促肾上腺
皮质激素(ACTH)和促黑激素(α-MSH,
β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列
(图1-18)，因此，ACTH也可促进皮下
黑色素生成，但作用较弱。
又例存在于生物界的蛋白质如细
胞色素C(cytochrome C)，比较它们的
一级结构，可以帮助了解物种进化间的
关系(图1-19)。
图1-18
但有时蛋白质分子中起“关键”作
用的氨基酸残基缺失或被替代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。例如正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形贫血患者的血红蛋白中，谷氨酸变成了缬氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，仅此一个氨基酸之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生镰刀形红细胞性贫血（sickle cell anemia）。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称之为“分子病”，其病因为基因突变所致。
二、蛋白质空间结构与功能的关系
体内蛋白质所具有的特定空间构
象都与其发挥特殊的生理功能有着密
切的关系。
（一）肌红蛋白和血红蛋白结构
肌红蛋白(myoglubin， Mb)与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁卟啉化合物(图1-20)，它由4个吡咯环通过4个甲炔基相连成为一个环形，Fe2+居于环中。从X线衍射法分析获得的肌红蛋白的三维结构(图1-13)中，可见它是一个只有三级结构的单链蛋白质，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部，富极性及电荷的则在分子表面，因此其水溶性较好。Mb分子内部有一个袋形空穴，血红素居于其中。
血红蛋白(hemoglubin，Hb)具有四个亚基组成的四级结构(图1-16)，每个亚基结构中间有一个疏水局部，可结合1个血红素并携带1分子氧，因此一分子Hb共结合4分子氧。成年人红细胞中的Hb主要由两条α肽链和两条β肽链(α
2
β2)组成，α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。胎儿
期主要为α
2
γ2，胚胎期为α2ε2。Hb 各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb 亚基之间通过8对盐键(图1-21)，使四个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。（二）血红蛋白的构象变化与结合氧
Hb与Mb一样可逆地与O
2
结
合，氧合Hb占总Hb的百分数(称百分
饱和度)随O
2
浓度变化而变化。图1-22
为Hb和Mb的氧解离曲线，前者为S状
曲线，后者为直角双曲线。可见，Mb
易与O
2
结合，而Hb与O
2
的结合在O
2
分
压较低时较难。为什么？根据S形曲线
的特征可知，Hb中第一个亚基与O
2
结
合以后，促进第二及第三个亚基与O
2
的结合，当前三个亚基与O
2
结合后，又
大大促进第四个亚基与O
2
结合，这种效
应称为正协同效应(positive
cooperativity)。协同效应的定义是指
一个亚基与其配体(Hb中的配体为O
2
)
结合后，能影响此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
; 反之则为负协同效应。
还可根据Perutz等利用X线衍射技术
分析Hb和氧合Hb结晶的三维结构图
谱，提出了解释O
2
与Hb结合的正协同
效应的理论。未结合O
2
时，Hb的α
1
/β
1
和α
2
/β
2
呈对角排列，结构较为紧密，
称为紧张态(tense state, T态)，T态
Hb与O
2
的亲和力小。随着O
2
的结合，4
个亚基羧基末端之间的盐键（图1-21）
断裂，其二级、三级和四级结构也发生
变化，使α
1
/β
1
和α
2
/β
2
的长轴形成
15°的夹角(图1-23)，结构显得相对松
弛，称为松弛态(relaxed state, R态)。
图1-24显示Hb氧合与脱氧时T态和R
态相互转换的可能方式。此种一个氧分
子与Hb亚基结合后引起亚基构象变化，
称为变构效应(allosteric effect)。
小分子O
2
称为变构剂或效应剂，Hb则
被称为变构蛋白。变构效应具有普遍生
物学意义。
（三）蛋白质构象改变与疾病
一级结构不变，但蛋白质的构象发生改
变，仍可影响其功能，严重时可导致疾
病发生，有人将此类疾病称为蛋白构象
疾病。有些蛋白质错折叠后相互聚集，
常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉
淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀
粉样纤维沉淀的病理改变，这类疾病包
括人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、
亨丁顿舞蹈病（Huntington disease）、
疯牛病等。
第四节蛋白质的理化性质及其分
离纯化
一、蛋白质的理化性质
（一）蛋白质的两性电离
蛋白质是由氨基酸组成，其分子末
端除有自由的α-NH2和α-COOH外，
许多氨基酸残基的侧链上尚有可解离
的基因，这些基团在溶液一定pH条件
下可以解离成带负电荷或正电荷的基
团。当蛋白质溶液在某一pH时，蛋白
质解离成正负离子的趋势相等，即成兼
性离子，净电荷为零，此时溶液的pH
称为蛋白质的等电点（isoelectric
point,PI）。蛋白质溶液的pH大于等
电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，小于
等电点时则带正电荷。
（二）蛋白质的胶体性质
蛋白质是生物大分子，分子量可自
1万至100万之巨，其分子的直径可达
1～100nm，为胶粒范围之内。
（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固
在某些物理和化学因素作用下，其
特定的空间构象被破坏，也即有序的空
间结构变成无序的空间结构，从而导致
其理化性质的改变和生物活性的丧失，
称为蛋白质的变性(denaturation)。
1．蛋白质变性的特征：蛋白质变
性的主要特征是生物活性丧失。
2．蛋白质变性的本质：一般认为
蛋白质的变性主要发生二硫键和非共
价键的破坏，蛋白质变性是蛋白质空间
构象的改变或破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变。
3．蛋白质变性的意义：在临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂(如疫苗等)的必要条件。
4. 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)。图1-17所示。但是许多蛋白质变性后，空间构象严重被破坏，不能复原，称为不可逆性变性。
5. 蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用(protein coagulation)。
（四）蛋白质的紫外吸收
蛋白质在280nm波长处有特征性的紫外吸收，可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应
⒈茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨
基酸也可发生茚三酮反应，详见本章第一节。
⒉双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液
中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应。氨基酸不出现此反应。
二、蛋白质的分离和纯化
（一）透析及超滤法
（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀（三）电泳
（四）层析
（五）分子筛
（六）超速离心
小结
Summary
蛋白质是重要的生物大分子，在体
内分布广泛，含量丰富，种类繁多。每
一种蛋白质都有其特定的空间构象和
生物学功能。
组成蛋白质的基本单位为L-α-氨
基酸，共有20种，可分为非极性疏水
性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基
酸和碱性氨基酸四类。氨基酸属于两性
电解质，在溶液的pH等于其pI时，氨
基酸呈兼性离子。氨基酸可通过肽键相
连而成肽。小于10个氨基酸组成的肽
称为寡肽，大于10个则称为多肽。体
内存在许多如GSH、促甲状腺释放激素
和神经肽等重要的生物活性肽。
复杂的蛋白质结构可分成一级、二
级、三级和四级结构四个层次。蛋白质
一级结构是指蛋白质分子中氨基酸自N
端至C端的排列顺序，即氨基酸序列，
其连接键为肽键，还包括二硫键的位
置。形成肽键的6个原子处于同一平面，
构成了所谓的肽单元。二级结构是指蛋
白质主链局部的空间结构，不涉及氨基
酸残基侧链构象。主要为α-螺旋、β-
折叠、β-转角和无规卷曲，以氢键维
持其稳定性。在蛋白质分子中，空间上
相互邻近的二个或三个具有二级结构
的肽段，完成特定的生物学功能，称之
为模体。三级结构是指多肽链主链和侧
链的全部原子的空间排布位置。三级结
构的形成和稳定主要靠次级键。一些蛋
白质的三级结构可形成1个或数个球状
或纤维状的区域，各行其功能，称为结
构域。四级结构是指蛋白质亚基之间的
缔合，也主要靠次级键维系。根据蛋白
质的形状，可分成球状蛋白质和纤维状
蛋白质。根据组成成分，还可分成单纯
蛋白质和结合蛋白质，前者仅含有氨基
酸，后者除氨基酸外，还含有非蛋白质
的辅基成分。
一级结构是空间构象的基础，也是
功能的基础。一级结构相似的蛋白质，
其空间构象及功能也相近。若蛋白质的
一级结构发生改变则影响其正常功能，
由此引起的疾病称为分子病。
生物体内蛋白质的合成、加工和成
熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正
确折叠对其正确构象形成和功能发挥
至关重要。蛋白质折叠成正确的空间构
象过程，除一级结构是其决定因素外，
还需要分子伴侣参与。若蛋白质的折叠
发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋
白质的构象发生改变，仍可影响其功
能，严重时可导致疾病发生，有人将此
类疾病称为蛋白构象疾病。
蛋白质空间构象与功能有着密切
关系。血红蛋白亚基与O
2
结合可引起另
一亚基构象变化，使之更易与O
2
结合，
所以血红蛋白的氧解离曲线呈S型。这
种变构效应是蛋白质中普遍存在的功
能调节方式之一。蛋白质的空间构象发
生改变，可导致其理化性质变化和生物
活性的丧失，称之为蛋白质变性。蛋白
质发生变性后，只要其一级结构未遭破
坏，仍可在一定条件下复性，恢复原有
的空间构象和功能。
分离、纯化蛋白质是研究单个蛋白
质结构与功能的先决条件。通常利用蛋
白质的理化性质，采取不损伤蛋白质结
构和功能的物理方法来纯化蛋白质。常
用的技术有电泳法、层析法、超速离心
法等。
第二章核酸的结构与功能
重点：
1、掌握核酸的分类、分布及生物学意
义。
2、掌握DNA和RNA的化学组成。
3、掌握DNA的一级结构、空间结构及其功能，RNA的一级结构以及三种RNA 的功能。
4、掌握DNA的变性、复性、分子杂交的概念。
难点：
核酸的结构（DNA的一级结构、空间结构，几种重要的RNA的结构）
思考题
1、试比较两类核酸的化学组成、分子结构、分布及生物学功能。
2、简述DNA双螺旋结构的碱基组成的Chargaff规则。
3、简述真核细胞的mRNA的结构特点和功用。
4、简述tRNA的分子组成、结构特点和功能。
5、什么是TM值？他有何生物学意义？
6、什么是核酶？他在医学发展中有何意义？
7、什么是DNA变性、复性、分子杂交和增色效应？有何实际意义？
第一节核酸的化学组成及一级结构
核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide或deoxynucleotide），RNA的基本组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。
一、核苷酸的结构
（一）碱基的种类：构成核苷酸的五种碱基（base）分别属于嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）两类含氮杂环化合物（见图2-1）。DNA分子中的碱基成分为A、G、C和T四种；而RNA分子则主要由A、G、C和U四种碱基组成。
图2-1 参与组成核酸的主要碱基
（二）戊糖与核苷：是核苷酸的另一重要成分。脱氧核糖核苷酸中的戊糖是
–D–2–脱氧核糖；核糖核苷酸中的戊糖为 –D–核糖。这一结构上的差异使得DNA分子较RNA分子在化学上更为稳定，从而被自然选择作为生物遗传信息的储存载体。为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子
标以C–1′、C–2′（图2–2）等。
碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷
键（glycosidic bond）缩合形成核苷
或脱氧核苷，连接位置是C–1′。DNA
和RNA中的核苷组成及其中英文对照见
表2–1。
（三）核苷与磷酸通过酯键结合即构成
核苷酸或脱氧核苷酸。生物体内多数核
苷酸都是5′核苷酸，即磷酸基团位于核
糖的第五位碳原子C–5′上（图2–3）。
根据磷酸基团的数目不同，有核苷一磷
酸（nucleoside monophosphate，NMP）、
核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，
NDP）、核苷三磷酸（nucleoside
triphosphate，NTP）的命名方式；根
据碱基成分的不同，有AMP（adenosine
monophosphate）、ADP（adenosine
diphosphate）、ATP（adenosine
triphosphate）等命名。
（四）核苷酸除了构成核酸大分子以
外，还参加各种物质代谢的调控和多种
蛋白质功能的调节。例如ATP和UTP在
能量代谢中均为重要的底物或中间产
物；环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP）和
环鸟苷酸（cyclic GMP， cGMP）等则
在细胞信号转导过程中具有重要调控
作用。
二、核酸的一级结构
(一)定义:核酸的一级结构是指DNA和
RNA分子中核苷酸的排列顺序，
也称核苷酸序列。由于核酸分子
中不同核苷酸之间的差异仅在于
碱基的不同，因此也称为碱基序
列。
(二)连接方式: 磷酸二酯键。四种脱氧
核苷酸按照一定的排列顺序以化
学键：3′, 5′磷酸二酯键
（phosphodiester linkage）相
连形成的多聚脱氧核苷酸
（polydeoxynucleotides）链称
为DNA。多聚核苷酸
（polynucleotides）链则称为
RNA。这些脱氧核苷酸或核苷酸的
连接具有严格的方向性，由前一
位核苷酸的3′–OH与下一位核
苷酸的5′位磷酸基之间形成3′,
5′磷酸二酯键，从而构成一个没
有分支的线性大分子（图2-4）。
它们的两个末端分别称为5′末端
（游离磷酸基）和3′末端（游离
羟基）。书写规则应从5′末端到
3′末端。（见六版教材图2-4）
(三)DNA和RNA一级结构的差异：
RNA是生物体内另一大类核酸。它
与DNA的差别是：① 组成它的核苷酸
的戊糖不是脱氧核糖而是核糖；② RNA
中的嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶，而不
含有胸腺嘧啶，所以构成RNA的基本四
种核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP，其
中U代替了DNA中的T。
DNA和RNA对遗传信息的携
带和传递，是依靠碱基排列顺序变化而
实现的。
第二节 DNA的空间结构与功能
一、DNA的二级结构——双螺旋结构模
型
（一）双螺旋结构的研究背景
1．碱基组成的Chargaff规则：
①A=T，C=G；②不同种属的DNA碱基组
成不同；③同一个体不同器官、不同组
织的DNA具有相同的碱基组成。
2．DNA纤维的X线图谱分析显示
DNA是螺旋型分子，且为双链分子。
3．Rosalind Franklin获得了高质
量的DNA的X线衍射照片，显示出DNA
是螺旋形分子，而且从密度上提示DNA
是双链分子。1953年Watson和Crick
总结前人的研究成果，提出了DNA的双
螺旋结构模型。
（二）DNA双螺旋结构模型的要点
1． DNA是一反向平行的互补双链
结构: DNA分子是由两条反向平行的脱
氧多核苷酸链组成，一条链的走向是
5′→3′，另一条链的走向是
3′→5′。在DNA双链结构中，外侧是
由亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成的
骨架，内侧是碱基，两条链的碱基之间
以氢键结合即A与T配对；C与G配对。
两个配对的碱基结构几乎在一个平面
上，并且此平面与线性分子的长轴相垂直（图2–5）。
2．DNA是右手螺旋结构 DNA线性长分子通过初始的折叠形成一个右手
螺旋式结构，螺旋直径为2nm，螺旋一周包含了10对碱基，螺距为3.4nm。外观上，DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟，此沟状结构可能与蛋白质和
DNA间的识别有关(图2–5）。
3．疏水力和氢键维系DNA双螺旋结构的稳定 DNA双螺旋结构的稳定性横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，由以后者更为重要。
（三）DNA结构的多样性
不同的环境条件下，DNA的结构不同，自然界存在的DNA有：
B-DNA 右手螺旋（Watson-Crick
模型结构）
Z-DNA 左手螺旋
A-DNA 右手螺旋
体内不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。（见六版教材图2-6）
图2-6 不同类型的DNA双螺旋结构
二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
DNA是十分巨大的信息高分子，DNA 的长度要求其必须形成紧密折叠扭转
的方式才能够存在于很小的细胞核内。（一）DNA的超螺旋结构
DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构（superhelix 或supercoil）。盘绕方向与DNA双螺旋方同相同为正超螺旋（positive supercoil）；盘绕方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋（negative supercoil）。自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在。
（二）原核生物DNA的高级结构
绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。在细胞内进一步盘绕，并形成类核（nucleoid）结构，以保证其以较致密的形式存在于细胞内。在细菌基因组中，超螺旋可以相互独立存在，形成超螺旋区（图2–7），各区域间的DNA可以有不同程度的超螺
旋结构。
（三）DNA在真核生物细胞核内的组装
在真核生物，DNA以非常致密的形
式存在于细胞核内。在细胞周期的大部
分时间里以分散存在的染色质
（chromatin）形式出现，在细胞分裂
期形成高度组织有序的染色体
（chromosome）染色质的基本组成单位
被称为核小体（nucleosome），由DNA
和5种组蛋白（histone，H）共同构成。
核小体中的组蛋白分别称为H1，H2A，
H2B，H3和H4。各两分子的H2A，H2B，
H3和H4共同构成八聚体的核心组蛋
白，DNA双螺旋链缠绕在这一核心上形
成核小体的核心颗粒（core particle）。
核小体的核心颗粒之间再由DNA（约60
bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起
来形成串珠样的结构（图2–8）。
核小体是DNA在核内形成致密结
构的第一层次折叠，使得DNA的整体体
积减少约6倍。第二层次的折叠是核小
体卷曲（每周6个核小体）形成直径30
nm、在染色质和间期染色体中都可以见
到的纤维状结构和襻状结构，DNA的致
密程度增加约40倍。第三层次的折叠
是30 nm纤维再折叠形成柱状结构，致
密程度增加约1000倍，在分裂期染色
体中增加约10 000倍，从而将约1米
长的DNA分子压缩，容纳于直径只有数
微米的细胞核中（图2-9）。
人类的基因组 2.8×109bp
DNA的结构特点是具有高度的复杂
性和稳定性，可以满足遗传多样性和稳
定性的需要。
第三节 RNA的空间结构与功能
RNA在生命活动中同样具有
重要作用。它和蛋白质共同负责基因的
表达和表达过程的调控。
RNA分子远小于DNA分子，分子
大小的差异变化大，小的仅有数十个核
苷酸，大的由数千个核苷酸组成。
RNA分子通常以单链形式存在，局
部有二级结构或三级结构。
RNA的种类具有多样性，同时RNA
的功能也是多样性的。（表2－2）
表2-2 动物细胞内主要RNA的种类及
功能
一、信使RNA（messenger RNA，mRNA）
的结构与功能
mRNA的长短差异很大，半期最短，
由几分钟到数小时不等,在细胞核内合
成的mRNA初级产物比成熟的mRNA分子
大得多，此种初级产物称为不均一
RNA(heterogeneous nuclear
RNA,hnRNA),经过剪接成为成熟的
mRNA
并移位至细胞质。
结构特点：
1．5′端具有帽子结构：大多数
真核生物的mRNA在转录后5′–末端以
7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷为起始结
构，这种m7GpppN结构被称为帽结构
（cap sequence）。5′–帽结构是由
鸟苷酸转移酶加到转录后的mRNA分子
上的，与mRNA中所有其他核苷酸呈相
反方向。帽结构中的鸟苷酸及相邻的A
或G都可以发生甲基化，由于甲基化位
置的差别可产生数种不同的帽结构。
mRNA的帽结构可以与一类称为帽
结合蛋白（cap binding proteins，
CBPs）的分子结合。这种mRNA和CBPs
复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的
转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始
因子的结合、以及mRNA稳定性的维系
等均有重要作用。
2．3′末端有poly A尾巴：真核
生物mRNA3′末端有数十至一百多个腺
苷酸连接而成，称为多聚A尾
[poly(A)]。。poly（A）结构也是在mRNA
转录完成以后额外加入的，催化这一反
应的酶为poly(A)转移酶。poly(A)在细
胞内与poly(A)结合蛋白
（poly(A)-binding protein，PABP）
相结合而存在。这种3′-末端多聚A尾
结构和5′–帽结构共同负责mRNA从核
内向胞质的转位、mRNA的稳定性维系以
及翻译起始的调控。去除多聚A尾和帽结构是细胞内mRNA降解的重要步骤。
3. mRNA的功能：是转录核内DNA 遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。mRNA分子从5′–末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码（triplet code）或密码子（codon）。
二、转运RNA（transfer RNA，tRNA）的结构与功能
细胞内分子量最小的一类核酸，由74到95个核苷酸构成。
1．结构特点：
（1）tRNA分子中含有10%—20%的稀有碱基如：双氢尿嘧啶（DUH）、假尿嘧啶（ψ，pseudouridine）、甲基化的嘌呤（m G，m A）
（2）tRNA能形成茎环结构：组成tRNA的几十个核苷酸中存在着一些能局部互补配对的区域，可以形成局部的双链。这些局部双链呈茎状，中间不能配对的部分则膨出形成环或襻状结构，称为茎环（stem-loop）结构或发夹结构。由于这些茎环结构的存在，使得tRNA整个分子的形状类似于三叶草形（cloverleaf pattern）。此结构称为三叶草结构。
（3）tRNA分子末端有氨基酸接纳茎：所有tRNA的3′端的最后3个核苷酸序列均为CCA，是氨基酸的结合部位，称为氨基酸接纳茎（acceptor stem）。
（4）tRNA序列中有反密码子：每个tRNA分子中都有3个碱基与mRNA上编码相应氨基酸的密码子具有碱基反
向互补关系，可以配对结合，这3个碱基被称为反密码子（anticodon），位于反密码环内。
tRNA的三级结构：X射线衍射结构分析表明，tRNA的共同三级结构是倒L型。（图2–11b）
2.tRNA的功能：在蛋白质合成过程中作为氨基酸的载体并将其转呈给mRNA 三、核蛋白体RNA（ribosomal RNA，
rRNA）的结构与功能
核蛋白体RNA（ribosomal RNA，
rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占
RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体
蛋白（ribosomal protein）共同构成
核蛋白体或称为核糖体（ribosome）。
原核生物和真核生物的核蛋白体均由
易于解聚的大、小两个亚基组成。
原核生物的rRNA共有5S，16S，23S
三种；而真核生物的rRNA有18S，5S，
5.8S，28S四种，它们分别与蛋白质一
起组成核蛋白体的大亚基和小亚基，然
后由大小亚基共同构成核蛋白体完成
其功能。真核生物的18S rRNA的二级
结构成花状（图2-12）
图2-12 真核生物18S rRNA的二级结
构示意图
rRNA的功能: rRNA与核蛋白
体蛋白共同构成核蛋白体,为蛋白质的
合成提供场所。
四、其他小分子RNA及RNA组学
除了上述三种RNA外，细胞的不同
部位还存在着许多其他种类的小分子
RNA，这些小RNA被统称为非mRNA小RNA
（small non-messenger RNA，
snmRNAs）。有关snmRNAs的研究近年
来受到广泛重视，并由此产生了RNA组
学（RNomics）的概念。
SnmRNAs主要包括核内小RNA
（small nuclear RNA，snRNA）、核仁
小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）、
胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，
scRNA）、催化性小RNA（small
catalytic RNA）、小片段干扰 RNA
（small interfering RNA，siRNA）等。
这些小RNA在hnRNA和rRNA的转录后
加工、转运以及基因表达过程的调控等
方面具有非常重要的生理作用
核酶：某些小RNA分子具有催化特
定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪
接修饰中具有重要作用。这种具有催化
作用的小RNA亦被称为核酶（ribozyme）
或催化性RNA（catalytic RNA）。
小片段干扰 RNA：近年siRNA的研
究受到了特别关注。siRNA是生物宿主
对于外源侵入的基因所表达的双链RNA
进行切割所产生的、具有特定长度（21
个核苷酸）和序列的小片段RNA。它可
以与外源基因表达的mRNA相结合，并
诱发这些mRNA的降解。
第四节核酸的理化性质
一、核酸的一般理化性质：
1．核酸是多元酸，有较强的酸性
2．DNA是线性高分子，机械作用下
易发生断裂，而RNA分子远小于DNA
3．DNA粘度较大，而RNA的粘度要
小得多
4．DNA和RNA溶液均具有260nm
紫外吸收峰（图2–13），因此可进行
定量分析。
二、DNA的变性：
1．变性：在某些理化因素作用下，
DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，
使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即
为DNA变性。DNA变性只改变其二级结
构，不改变它的核苷酸排列。
变性的方法：强酸、强碱、加热以
及变性试剂（如尿素、乙醇、丙酮等）
变性的本质：双链间氢键的断裂，
即空间结构的破坏，不涉及一级结构的
变化。
理化因素的变化：A
260
的值增加、
粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、
酸碱滴定曲线改变、生物活性丧失
2．增色效应（hyperchromic
effect）：在DNA解链过程中，由于更
多的共轭双键得以暴露，DNA在紫外区
260 nm处的吸光值增加，并与解链程度
有一定的比例关系，这种关系称为DNA
的增色效应（hyperchromic effect）。
(可通过测A
260
的变化来监测DNA是否发
生变性)
3．解链曲线：在连续加热DNA的
过程中以温度对A
260
的关系作图，所得的曲线称为解链曲线（图2–14）。
图2-14 DNA的解链曲线
从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的。在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度（melting temperature，Tm）又称融解温度。
4．Tm值：核酸分子内的50%双链结构被解开时的温度
Tm值的大小与碱基中的G+C比例有关，G+C比例越高，Tm值越大。
计算公式为：Tm=4（G+C）+2(A+T)
三、DNA的复性与分子杂交
1．复性：变性的DNA分子在适当条件下,两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象,称为复性。DNA的复性速度受温度的影响，只有温度缓慢下降才可使其重新配对复性。一般认为，比Tm 低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。 2．退火(annealing)：热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,此过程称为退火。
注意：DNA受热变性后,温度缓慢冷却才能复性,如迅速冷却至4℃以下，则几乎不能复性。一般认为，比Tm值低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。
3．分子杂交（hybridization）：在DNA复性过程中，不同来源的DNA单链分子或者DNA和RNA分子之间，序列完全互补或者不完全互补的两个单链
核酸分子之间能形成双链，这种现象称为分子杂交。（见六版教材图2-15）
图2-15 核酸分子杂交原理示意图
第五节核酸酶一、核酸酶（nucleases）是指所有可以水解核酸的酶。常用于DNA重组技术中。
二、分类：
1．按作用的底物分：DNA酶（DNase）和RNA酶（RNase）
2．按作用的部位分：
核酸外切酶：作用于多核苷酸链的5′末端或3′末端（5′末端外切酶和3′末端外切酶）
核酸内切酶：作用于多核苷酸链的内部，如有严格的序列依赖性则称为限制性核酸内切酶。
核酶的底物是核酸，因此从功能上来讲也属于核酸内切酶，且为序列特异性的核酸内切酶。人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段也具有序列特异性降解RNA 的作用，称为催化性DNA（DNAzyme）。催化性DNA与催化性RNA相比，具有更好的化学稳定性和生物学稳定性，在疾病治疗方面的将有更好的前景。尚未发现天然的催化性DNA的存在。
小结
Summary
核酸是以核苷酸为组成单位的线性多聚生物信息分子，分为DNA和RNA两大类。DNA由脱氧核糖核苷酸连接而形成，RNA的基本组成单位则是核糖核苷酸。DNA分子中的脱氧核糖核苷酸的碱基成分为A、G、C和T四种；而RNA分子中核糖核苷酸的则由A、G、C 和U四种碱基组成。碱基与戊糖结合形成核苷。脱氧核苷中的戊糖是
–D–2–脱氧核糖；核苷中的戊糖为 –D–核糖。核苷与磷酸通过酯键连接形成核苷酸。
DNA的一级结构是指DNA分子中的核苷酸的碱基排列顺序，DNA对遗传信息的贮存正是利用碱基排列方式变
化而实现的。DNA是双链结构，两条链呈反向平行走向。DNA双链中的腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对存在，形成两个氢键；鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对存在，形成三个氢键。DNA双链是右手螺旋结构。DNA在形成双链螺旋式结构的基础上在细胞内还将进一步折叠成为超螺旋结构，并且在蛋白质的参与下构成核小体。DNA的基本功能是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。
RNA是生物体内的另一大类核酸。mRNA以DNA为模板合成后转位至胞质，在胞质中作为蛋白质合成的模板。成熟的mRNA的结构特点是含有特殊
5′–末端帽和3′–末端的多聚A尾结构。mRNA分子上每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码或密码子。tRNA的结构特点包括存在反密码子、茎环结构和含有稀有碱基等。tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的运载体并将其
转呈给mRNA。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体，核蛋白体是细胞合成蛋白质的场所。核蛋白体中的rRNA和蛋白质共同为mRNA、tRNA和肽链合成所需要的多种蛋白因子提供结合位点
和相互作用所需要的空间环境。RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一种细胞在不同时间、不同状态下SnmRNAs的表达具有时间和空间特异性。
核酸具有多种重要理化性质。核酸的紫外吸收特性被广泛用来对核酸、核苷酸、核苷和碱基进行定性定量分析。核酸的沉降特性用于超速离心法纯化核酸。DNA的变性和复性是核酸最重要的理化性质之一。
DNA变性的本质是双链的解链。DNA的变性从开始解链到完全解链，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度（Tm）。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。热变性的DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对而复性。在DNA 变性后的复性过程中，只要不同的单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，就可以在不同的分子间杂交形成杂化双链。DNA与DNA及 RNA与DNA间的分子杂交在核酸研究中的应用十分广泛。
核酸酶是可以降解核酸的酶。依据核酸酶底物的不同可以将其分为DNA 酶和RNA酶两类；依据切割的部位分为核酸内切酶和核酸外切酶；具有序列特
异性的核酸酶称为限制性核酸内切酶。
第三章酶Enzyme
重点：
1、掌握酶活性中心的概念；
2、酶促反应的特点与机制；
3、酶动力学的概念及影响酶促
反应的因素。
难点：抑制剂对酶活性的影响
思考题
1. 试述酶能加速化学反应的机制。
2. 试述在酶促反应中酶蛋白与辅酶
（辅基）的相互关系。
3. 比较三种可逆性抑制作用的特点。
4. 试述竞争性抑制的特点及磺胺类药
物抑菌的机制。
5. 别构调节有何生理意义？
概述Introduction
一．酶的生物学重要性
一切生物都须不断地进行新陈代
谢过程，以维持它们的生命活动，而酶
是生物用以进行代谢过程的工具。因为
物质代谢过程都需要酶的催化作用，在
体内只有极少数不需酶参加而自发进
行的化学反应。有些在体外能自发进行
的化学反应例：H
2
O+CO
2
= H
2
CO
3
。在体
内也要依赖特殊的酶---碳酸酐酶的催
化。在酶的作用下，生物体内复杂的化
学反应，能在温和的条件下迅速，准确，
平稳而且有规律的进行。
我们来看看食物蛋白质在体内外
的分解情况：在体内温和的条件（近中
性pH。37℃）下食物蛋白质就能迅速彻
底水解成AA，而且AA不会遭破坏。而
在体外实验室中食物蛋白质需加入30%
的硫酸，100℃，24h，才能彻底水解成
氨基酸，但在这一过程中有些AA会遭
破坏，因而不能得到全部AA。
因为物质代谢过程都需要酶的催
化作用，所以从总体来说：没有酶催化
就没有新陈代谢。
酶不仅是生物进行代谢过程的工
具，而且酶也是生物自身产生的特殊蛋
白质，所以还可以通过改变酶的活性，
控制和调节代谢过程的强度，使代谢过
程能经常地与周围环境保持平衡。
例：在温带生活的人，每日三餐以
糖为主食造成体内糖代谢过程的酶类
活性比较强。而在寒带生活的爱斯基摩
人，每天摄取动物性食品为主，随脂肪
摄入引起有关脂肪代谢的酶类活性比
较强，同时不易产生酮症。
二、生物催化剂的定义
迄今为止，人们已发现了两类生物
催化剂（biocatalyst）
（一）酶：酶是一类由生物活细胞所
产生的以蛋白质为主要成分，对其特异
底物（substrate）起高效催化作用的
蛋白质。是机体内催化各种代谢反应最
主要的催化剂。
（二）核酶（ribozyme）：是具有高
效、特异催化作用的核酸。是近年来发
现的一类新的生物催化剂，其主要作用
是参于RNA的剪接。
第一节酶的分子结构与功能
Molecular structure and function of
enzymes
酶是蛋白质，同样具有一，二，三，
级结构，有些酶还具有四级结构。
只由一条多肽链构成的酶称为单
体酶（monomeric enzyme）。由多个相
同或不同亚基以非共价键连接的酶称
为寡聚酶（oligomeric enzyme）。在
细胞内存在着许多不同功能的酶彼此
聚合形成的多酶复合物，即多酶体系
（multienzyme system）。由一条多肽
链组成却具有多种不同催化功能的酶，
称为多功能酶（multifunctional
enzyme）。
一、酶的分子组成
（一）酶的分子组成（图4-1）
有的酶就是简单蛋白质，即单纯酶
（simple enzyme）仅由氨基酸组成。
例如：胃蛋白酶，淀粉酶，核糖核酸酶，脲酶。
有的酶属于结合蛋白质，即结合酶（conjugated enzyme）我们重点讨论结合蛋白酶的组成。例如：乳酸脱氢酶，己糖激酶。
全酶（holoenzyme）：指结合酶的酶蛋白和辅助因子结合后形成的复合物。
酶蛋白（apoenzyme）：指结合酶的蛋白质部份。
辅酶（coenzyme）：指结合酶的非蛋白质部分，它与蛋白质结合的方式比较疏松。
辅基（prosthetic group）：也是结合酶的非蛋白质部分，它与酶蛋白结合比较牢固，不能用透析法或超滤法除去。
图4-1 蛋白酶的组成
各部分有什么作用呢？
酶促反应的特异性及高效率取决
于酶蛋白。
辅助因子则起对电子，原子或某些化学基团的传递作用
体内酶的种类很多，而辅酶（辅基）的种类却较少，通常一种酶蛋白只能与一种辅酶（辅基结合）成为一种专一性的酶，但一种辅基往往能与不同的酶蛋白结合构成许多专一性
酶。
（二）辅酶与辅基
1．小分子有机化合物
几乎全是B族维生素类衍生物。有的属于辅酶，有的属于辅基。
酶分子中氨基酸残基侧链上的功能
基种类不多，不足以催化体内众多的化学反应。各种辅酶（辅基）的结构中都具有某些能进行可逆变化的基团，从而弥补了单纯酶蛋白酶中，活性基团的不足。
例：吡哆醛转移氨基
四氢叶酸转移-碳基团
FMN（FAD）递氢 NAD（NADP）递氢
一些与酶结合疏松的辅酶，在接受
某些基团后不能籍该酶恢复原有结构，
实际上该辅酶起了第二底物的作用。
（后面进一步介绍）
2．金属离子
金属离子与酶有什么关系呢？
有的金属离子与酶蛋白结合非常
紧密，是酶的重要组成成份，此类酶称
为金属酶（metalloenzyme）。这些金
属离子对维持酶蛋白构象具有一定作
用，它们参于酶活性中心组成，对底物
的结合及完成酶的催化功能，起了重要
作用。
例：碳酸酐酶（Zn）
谷胱甘肽过氧化物酶（Se）
酪氨酸酶（Cu）
有些酶与金属离子结合疏松，但需
要该种金属离子才能发挥最大活性，金
属离子起激活剂的作用。
例：丙酮酸激酶需 K+，Mg2+激活。
各种磷酸酶需 Mg2+
精氨酸酶需 Mn2+
金属离子在酶促反应中的作用是
什么？（图4-2）
（1）催化作用：
金属离子与酶及底物形成三元络
合物，不仅保证了酶与底物的正确定向
结合，而且金属离子还可作为催化基
团，参于各种方式的催化作用。
例：丙酮酸激酶，通过Mg2+架桥，
不仅稳定了酶的构象，也激活了ATP，
使其更容易在酶活性中心上使丙酮酸
磷酸化。
（2）氧化还原作用
Fe、Cu、Mo等金属离子可以氧化还
原改变其原子价，在酶分子中它们可以
通过氧化还原而传递电子完成多种物
质的氧化。
图4-2 金属离子在酶中的作用
二、酶的活性中心与必需基因
为什么酶有催化活性?
1．酶活性中心的定义
酶与底物的结合，一般是通过非共
价键，如氢键，离子键，疏水作用（乃
至Van der waels力来完成的），因此
需要酶与底物之间参与结合乃至催化
作用的各基因之间有一定的空间立体
对应，及恰当的距离，并且能达到快速
的结合与解离平衡。
酶分子量在104-106之间是具有一
定空间结构的大分子，它的表面分布着
许多化学基因，其中有些化学基因与酶
活性有密切关系，有些与酶活性没有直
接关系。
与酶活性有关的基因，在酶分子表
面的一定区域形成一定的空间结构，直
接参与将作用物（底物）转变为产物的
反应过程，这个区域叫做酶的活性中心
（active center）。（图4-3）
图4-3 酶的活性中心
2．活性中心的形成
活性中心的功能基团主要由氨基
酸残基的侧链所提供，在结合蛋白酶类
中还有辅酶的功能基团参加。一个酶的
活性中心的氨基酸残基，并不是密集于
某段肽链内，而是通过肽链弯曲拆叠才
使分散的氨基酸残基相互接近。
例1：核糖核酸酶的活性中心所含
的两个咪唑基，是来自His-12和
His-119，共同位于酶分子的一个裂缝
内。
例2：木爪蛋白酶的活性中心由
Asp-174，His-158和Cys-25提供的羧
基，咪唑基和硫氢基组成，它位于酶
分子两半中间的一个裂隙内（分子一半
含有1-100，另一半含有111-209氨基
酸残基）
3．必需基团（图4-4）
（1）定义：酶分子上与酶活性有关
的化学基团，称为酶的必需基团
（essential group）。
（2）分类：
结合基团（binding group）：指
在活性中心内能与作用物结合的必需
基团。
催化基团（catalytic group）：指在活性中心内能促进作用物发生化
学变化的必需基团。
活性中心以外的必需基团：指在活性中心以外，维持整个酶分子的空间构象的必需基团。
（3）常见的必需基团
组氨酸残基上的咪唑基。
丝氨酸残基上的羟基。
半胱氨酸残基上的疏基。
酸性氨基酸残基上的羧基。
图4-4 必需基团的组成
第二节酶促反应的特点与机
制
Machanism and Character of Enzyme
Reaction
一、酶促反应的特点
（一）酶与一般催化剂的共同点
1．作为催化剂，需要量都很少，在化学反应前后没有质和量的改变。
2．只能催化热力学上允许的化学反应。
3．能加速可逆反应进程，而不改变反应平衡点。
4．催化可逆反应的酶，对正，反都有催化作用。
（二）酶作用的特点：
1．酶促反应要求严格的环境条件（酶的主要成份是蛋白质）最适温度、PH、常压。
2．酶促反应具有极高的催化效率酶的催化效率通常比非催化剂高108—1020倍，比一般催化剂高107—1013倍。例：碳酸酐酶催化效率比非酶促反应要快107倍。
3．酶促反应具有高度的特异性一种酶要从繁多的化合物中选定它所催化的化合物就是酶特异性的表现。酶有高度的特异性，就是指酶对所有作用物有严格的选择性。 4．酶促反应没有副反应
例：淀粉水解（图4-5）
图4-5 淀粉水解
5．酶的催化作用可受调控的（指
关键酶）（图4-6）
图4-6 酶的催化作用的调控
二、酶作用的特异性
（一）特异性的类型
1．绝对特异性（absolute
specificity）：只能作用于特定结构
的底物，进行一种专一的反应，生成一
种特异结构的产物。
2．相对特异性（relative
specificity）：作用于一类化合物或
一种化学键，
3．立体异构特异性
（stereospecificity）：一种酶只作
用于立体异构体中的一种
（二）酶作用特异性的学说
1．锁钥学说（模板学说）
这个学说强调指出，只有固定的底
物才能契入与它互补的酶表面，尤如：
锁与钥匙的关系。
2.“三点附着”学说
乳酸脱氢酶的专一性。
此学说认为酶分子表面，按顺序排
列着三个基团，底物的基因必需与酶的
三个基团互补配合时，酶才作用于这个
底物，否则底物就不能与酶结合，受其
催化。
3.”诱导契合”学说（induced-fit
hypothesis）
该学说保留了底物和酶之间的互
补概念，但认为酶分子本身不是固定不
变的，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
利于同底物结合的变化，酶与底物在此
基础上互补契合，所以酶分子与底物的
契合是动态契合。近年来X-衍射分析的
实验结果支持了这一学说。
什么是诱导契合？
诱导契合（图4-7）。酶活性中心
的某些氨基酸残基或基团，可以在底物
诱导下获得正确空间定位，以利于底物
的结合与催化。
图4-7 诱导契合
三、酶促反应的机制
在讨论酶促反应之前先复习一下
自由能的概念
（一）一般催化剂加速化学反应的机
制
（二）酶的催化作用
1．酶的催化机制：酶与一般催化
剂一样可以降低活化能从而提高化学
反应速度但酶比一般催化剂有更高的
催化效率，下面我们来看一个例子
活化能：由18000卡/mol 降到
2000卡/mol （图4-8）
图4-8 酶促反应活化能的改变
只要活化能稍有降低，反应速度就
会发生数百倍或千倍、万倍、百万倍的
增加，这就是酶能加速化学反应的根本
所在。
酶为什么能如此多的降低活化能
呢？（图4-9）
图4-9 酶促反应降低反应活化能
2.酶促反应的机制
（1）中间产物学说
（2）酶催化作用高效率的机制
酶降低活化能的几个重要因素：
1）邻近效应（proximity effect）
与定向作用（orientation arrange）：
趋近效应是指两个底物分子结合
于酶活性中心后增加了两者接触频率，
从而降低了进入过渡状态所需的活化
能，实验证明趋近效应大大增加了反应
物的有效浓度，有人曾测定某底物在溶
液中浓度为0.001 M时，而在某酶分子
表面局部范围浓度高达100M 比溶液中
浓度高出一万倍。（图4-10)
定向效应是指反应物在酶表面对
着特定的基团几何地定向。因而反应物就可以用一种“正确的方式”互相碰撞而发生反应。
总之，酶可以通过“接近”效应，和“定向”效应使一种分子间的反应变成类似于分子内的反应，因而使反应高速进行。
图4-10 邻近效应 2）多元催化（multielement catalysis）
一般催化剂通常仅有一种解离状态，只有碱催化或只有酸催化，酶是两性电解质，所含的多种功能基团有不同的解离常数。即使同一种功能基在不同的蛋白质分子中处于不同的微环境，解离度也有差异。因此同一种酶常常蒹有酸、碱双重催化作用。这种多功能基团（包括辅酶或辅基的协同作用，可极大地提高酶的催化效能。
3）表面效应（surface effect）；酶活性中心，多为疏水性口袋，疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团
的干扰性吸引或排斥，防止在底物与酶之间形成水化膜。有利于酶与底物密切接触。
值得注意的是：一种酶催化的反应常常是多种催化机制的综合作用，这正是酶促反应具有高效率的重要原因
第三节酶动力学
Kinetics of Enzyme
什么是酶动力学？
酶动力学是研究酶催化反应的速度，以及研究各种因素对酶促反应速度的影响，这些因素包括酶浓度，底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
*研究某一因素的影响时，其他条件必须固定不变。
一、底物浓度对酶促反应速度的影响
研究的前提
I. 单底物、单产物反应
II. 酶促反应速度一般在规定的
反应条件下，用单位时间内底物的消耗
量和产物的生成量来表示
III. 反应速度取其初速度，即底
物的消耗量在5%以内的反应速度
IV. 底物浓度远远大于酶浓度
底物浓度对酶促反应速度的影响
曲线可以人为的为分三段：
第一段：反应速度与底物浓度呈正
比关系表现为一级反应。（图4-11）
图4-11 底物浓度较低时的
酶促反应
第二段：介于零级及一级之间的混
合级反应。（图4-12）
图4-12 底物浓度中等时的
酶促反应
第三段：当底物浓度[Ｓ]远远超过
酶浓度反应速度达极限值：Ｖ=Ｖmax
零级反应。（图4-13）
图4-13 底物浓度较高时的
酶促反应
这和一般均相催化剂的作用结果
不同。
1913年前后Micheelis和Menten
（米孟氏）在前人工作基础上发表了上
述单底物酶促反应的特殊现象的动力
学分析结果，提出了酶促反应动力学的
基本原理并归纳为一个数学公式：
(一) 米氏方程：
Ｖ=Ｖmax[Ｓ]/Ｋm+[Ｓ]
它表明了底物浓度与酶促反应速
度间的定量关系。
Ｋm：米氏常数；
(二) 米氏方程的推导
酶促反应模式可以表示为：（图
-14）
图4-14 酶促反应模式
<三个假设>
（1）测定的速度为反应的初速度，
此时底物的消耗很少，只占Ｓ原始浓度
的极小部分（通常在５%）。Ｐ+Ｅ→Ｅ
Ｓ的可能性不予考虑。
（2）底物浓度[Ｓ]显著超过酶浓度
[Ｅ]。所以[ＥＳ]形成不会明显降低
[Ｓ]，所以[Ｓ]的降低可忽略不计。
（3）ＥＳ解离成Ｅ+Ｓ的速度显著
于ＥＳ→Ｐ+Ｅ的速度，或者说Ｅ+Ｓ
====ＥＳ→Ｐ+Ｓ的可逆反应在测定初
速度Ｖ的时间内已达平衡而小量Ｐ的
生成不影响这个平衡即在恒态（稳态）。
<推导> 见教材54-55
(三) Ｋm与Ｖmax的意义及应用
１．Ｋm的意义：
Ｋm就是当Ｖ=１/２Ｖmax时的底
物浓度（图4-15）
Ｖ=Ｖmax/２=Ｖmax[Ｓ]/ Ｋ
m+[Ｓ]
等式两边同除Ｖmax
Ｋm的意义：（a）Km是酶的特征
性常数之一；（b）1/Km可近似表示酶
对底物的亲和力；（c）同一酶对于不
同底物有不同的Km值。
图4-15 Ｋm值
2．Vmax （maximum velocity）：
（1）定义：Vmax是酶完全被底物饱
和时的反应速度，与酶浓度成正比。
（2）意义：Vmax=K
3
[E]
如果酶的总浓度已知，可从Ｖmax
计算酶的转换数，即动力学常数Ｋ
3
（3）计算：Ｖmax=K
3
[ＥT]
单位μmol./min?mg
3．酶的转换数（turnover number）
定义：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。
意义：可用来比较每单位酶的催化
能力；可用来计算每分钟每毫克酶催化
底物反应的值。即酶的比活（specific activity）。
(四) Ｋm及Ｖmax测定法
理论上可绘图求Ｋm，Ｖmax，但实际上不可能得到正确Ｋm，因为只能在[Ｓ]极高时才能得近似Ｖmax。
1．<双倒数作图法>（double reciprocal plot）（图4-16）
图4-16 双倒数作图法
2．
（2）某些酶在行为上有背于米氏方程，很易察觉。
图4-17 Hanes作图法
二、酶浓度对反应速度的影响 当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。（图4-18）关系式为：V = K
3
[E]
可通过测定酶促反应速度的大小
来算出酶浓度，在一定条件下即表示酶活性。
什么是酶活性？
酶的活性是指酶催化化学反应的
能力，其衡量的标准是酶促反应速度。
如何衡量酶活性的大小？
酶活力大小的衡量尺度是酶的活
性单位
酶活性的国际单位（IU）：
在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。
酶活性的催量单位（katal）：
１催量是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。
图4-18 酶浓度对反应速度的影响
三、pH对反应速度的影响（图4-19）
1. 酶反应介质的pＨ可影响酶分子活性中心上必需基团的解离程度，如
催化基团质子供体或质子受体所需的
离子化状态。
2. 可影响底物和辅酶的解离程
度，从而影响酶与底物结合。
所以只有在特定的pＨ条件下，酶，
底物，和辅酶解离情况，最适宜它们互
相结合，并发生催化作用。
(一) 最适pＨ（optimum pH）
酶催化活性最大时的pＨ值称为该
酶的最适pＨ（optimum pH）
(二) 如何确定一个酶的最适pＨ
目前只能实验确定，因为pＨ对酶
稳定性受多方面因素的影响，如：温度，
底物浓度，酶浓度和酶纯度，保护剂的
存在等。
图4-19 pH对酶促反应速度的影
响
四、温度对反应速度的影响
1．温度的影响（图4-20）
与其他化学反应一样速度随温度
增加而加速，凡温度每升高１０℃反应
速度大约增加1-2倍。
但酶的主要成分是蛋白质可随温
度升高而变性。
在温度较低时前一影响较大，但温
度超过一定值后，酶受热变性的因素占
优势。
图4-20 温度对酶促反应速度的
影响
2．最适温度（optimum temperature）
酶促反应最快时的温度称为该酶
的最适温
度。
五、抑制剂对反应速度的影响
什么是酶的抑制作用? 酶分子中
心的必需基团（主要是指酶活性中心上
的一些基团）的性质受到某种化学物质
的影响而发生改变，导致酶活性的降低
或丧失称为抑制作用（inhibition）。
什么是酶抑制剂 ? 能引起酶抑制
作用的物质称为酶抑制剂
（inhibitor）。
抑制剂有什么特点? 抑制剂对酶
有一定选择性只能引起某一类或某几
类酶的抑制。所以与一般蛋白质变性剂
不同。
抑制作用的类型有哪些? 抑制作
用分为不可逆性抑制作用和可逆性抑
制作用，而可逆性抑制作用又分为竞争
性抑制作用、非竞争性抑制作用、反竞
争性抑制作用和混合性抑制作用等四
种。（图4-21）
图4-21 抑制作用的分类
（一）不可逆抑制作用（irreversible
inhibition）：一般均为非生物来源
1．抑制剂与酶的必需基因以共价
键结合，而引起酶活性丧失，不能用透
析、超滤等物理方法除去抑制剂，而恢
复酶活力。
2．抑制作用随抑制剂浓度的增加
而逐渐增加，当抑制剂的量大到足以和
所有的酶结合，则酶的活性完全被抑
制。
如果不可逆抑制剂的结构与酶的
底物类似，则其抑制专一性大为加强；
类似物可能首先结合在活性中心上。然
后与其邻近基团起反应形成共价结合。
（二）可抑性抑制作用（reversible
inhibition）
抑制剂与酶以非共价键结合，而引
起酶活性的降低或丧失，可用透析等物
理方法除去抑制剂，恢复酶活性。
可逆性抑制又分竞争性
（competitive），反竞争性
（uncompetitive），非竞争性
（non-competitive）抑制与混合性抑
制。它们之间的差别在于抑制剂和酶的
结合方式。从而对恒态动力学参数及值
的影响也不同。
1．竞争性抑制作用（competitive
inhibition）
这是较常见而重要的可逆性抑制
作用。它指抑制剂（Ｉ）和底物（Ｓ）对游离酶（Ｅ）的结合有竞争作用，互相排斥酶分子结合Ｓ就不能结合Ｉ，结合Ｉ就不能结合Ｓ。（图4-22）
图4-22 竞争性抑制作用竞争抑制作用往往是抑制剂和底
物的结构相类似能同时竞争酶的活性
中心，使酶活性降低，此外还有些因素可能形成两者和酶的结合互相排斥，所以不可能存在ＩＥＳ三联复合体。（图4-23）
图4-23 竞争性抑制作用的反应模式
竞争性抑制作用的动力学特点：（图4-24）
(１) 抑制剂和底物的结构相类似能同时竞争酶的活性中心。
*有竞争性抑制剂存在时，Km增大，且Km值随[Ｉ]的增加而增加，称为表现Km。
(２) 抑制程度与[Ｉ]成正比，而与[Ｓ]成反比，故当底物浓度极大时，同样可达到最大应速度。
(３) Km增大，Ｖmax不变
图4-24 竞争性抑制的动力学特点
竞争性抑制作用的经典例子
例１．琥珀酸脱氢酶可受丙二酸及草酰乙酸抑制（图4-25）
图4-25 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制
例２．磺胺药与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心，DFH的合成受抑，FH
4
随之减少。使核酸合成障碍。（图4-26）
图4-26 磺胺药对二氢叶酸合
成酶的抑制
磺胺类药物是最型的例子之一。对
磺胺敏感的细菌在生长和繁殖时不能
利用现成的叶酸，只能利用对氨基苯甲
酸等合成二氢叶酸，而磺胺类药物与对
氨基苯甲酸结构类似，竞争结合细菌体
内二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长
所必需的二氢叶酸的合成。二氢叶酸可
再还原为四氢叶酸，后者是合成核酸所
必需的，磺胺抑制了细菌二氢叶酸的合
成，使细菌核酸的合成受阻，从而抑制
了细菌的生长和繁殖。而人体能直接利
用食物中叶酸，故其代谢不受磺胺的影
响。因此，研究病原体与人体代谢差异
对新药设计具有重大意义（详见抗代谢
物一节）。
抗菌增效剂ＴＭＰ可增强磺胺药
的药效，因为它的结构与二氢叶酸有类
似之处，是二氢叶酸还原酶的强烈抑制
剂，它与磺胺药配合使用，可使细菌的
四氢叶酸合成受到阻碍，因而严重影响
细菌的核酸及蛋白质合成。
利用竞争性抑制是药物设计的根
据之一，如抗癌药阿拉伯糖胞苷，５-
氟尿嘧啶等都是利用竞争性抑制而设
计出来的（详见抗核酸代谢物一节）。
2．反竞争性抑制作用
（uncompetitive inhibition）
抑制剂Ｉ不与游离酶Ｅ结合，却和
ＥＳ中间复合体结合而成ＥＩＳ，但Ｅ
ＩＳ不能释出产物。所以，此种抑制主
要影响催化功能，而与底物结合位点无
关，为什么称为反竞争性抑制?
由于抑制剂作用于ＥＳ复合物，增
加底物浓度[Ｓ]时不能消除抑制，反而
抑制作用更强，因为增加了恒态中的Ｅ
Ｓ，有利于Ｉ的结合。底物浓度远小于
Ｋm值时抑制作用不明，故与竞争性抑
制相反。（图4-27）
图4-27 反竞争性抑制作用的反
应模式
[动力学特点] （图4-28）
(1) 当Ｉ存在时，Ｋm和Ｖmax都
减少。
(2)有Ｉ时，Ｋm和Ｖmax都随[Ｉ]
的增加而减少。
(3) 抑制程度即与[Ｉ]成正比，也
和[Ｓ]成正比。
图4-28 反竞争性抑制作用的动
力学特点
3．非竞争性抑制作用
（non-competitive inhibition）与混
合性抑制作用。
底物Ｓ和抑制剂Ｉ与酶的结合完
全地互不相关，既不排斥，也不促进，
Ｓ可与游离Ｅ结合，也可和ＩＥ复合体
结合。同样Ｉ可和游离Ｅ结合，也可和
ＥＳ复合物结合，但ＩＥＳ不能释放出
产物。[反应模式]（图4-29）
此种抑制既影响酶对底物结合，又
阻碍其催化功能，影响程度视Ki及Ki
′的大小而定。
如果Ki=Ki′：则Ｖmax值减小而Ki
及Ki′不变，通常称为非竞争性抑制。
实际上Ki常不等于Ki′，Km值常
出现变化。故一般将其视为竞争性抑制
与反竞争性抑制的混合情况，称为混合
性抑制。
图4-29 非竞争性抑制作用的反
应模式
[动力学特点] （图4-30）
(１) 当不Ｉ存在时，Ｋm不变而Ｖ
max减小，Ｋm/Ｖm增大。
(２) Ｖ随[Ｉ]的加大而减小。
(３) 抑制程度只与[Ｉ]成正比，
而与[Ｓ]无关。
图4-30 非竞争性抑制作用的动
力学特点
第四节酶的调节
Regulation of Enzymes
调节的意义是什么?
新陈代谢是生命的特征，人体需不断进行新陈代谢维持生命，新陈代谢过程中的一系列化学反应必须协调进行适合机体需要，并适应内外环境的变化，要达到上述要求就必须调节酶的活性。
酶的调节大体上可分为酶活性调节（涉及酶结构变化）及酶含量调节（与酶的合成降解有关）。
细胞内物质代谢需由一系列酶催化，依次进行连续反应而完成
Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ
当反应总速度改变时，往往并不需要全部酶活性改变而仅限于某些，甚至个别关键酶（Key enzyme）活性变化，就能达到调节该物质代谢的要求。
关键酶常决定代谢的速度和方向。
特点：
(１) 只催化单向不平衡反应，或者是该连续反应中，催化活性最低的限速酶（rate limiting enzyme）。
(２) 常处于代谢的分支点上。
(３) 可以被调节。
一、酶活性调节
（一）酶原与酶原的激活
1．酶原（zymogen）：无活性的酶的前身称为酶原。
2．酶原激活：
指酶原在一定条件下转化成有活性的酶的过程称为酶原激活
3．酶原激活的机制：
分子内肽键的一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度的改变，从而形成酶的活性中心（或活性中心暴露），则酶表现出催化活性。
4．酶原激活的意义：
在于避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并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
1.什么是变构调节（allosteric regulation）？是指某些物质与酶的非
催化部位呈非共价结合而改变酶的构
象从而改变酶的活性，调节方式方式称
为变构调节。
2.什么是变构酶（allosteric
enzyme）？指可受变构调节的酶。
3.什么是变构效应剂（allosteric
effector）？指导致变构效应的代谢物
如果某效应剂引起的协同效应使酶
对底物的亲和力增加，从而加速反应速
度，此效应称为变构激活效应。效应剂
称为变构激活剂（allosterec
activator）。反之为变构抑制剂。（图
4-31）
4. 什么是变构部位（allosteric
site）？指变构效应剂结合的部位。
图4-31 酶的变构效应
（三）酶的共价修饰：（图4-32）
1.定义：什么是酶的共价修饰?
酶的共价修饰：是指有些酶，尤其
是一些限速酶，在其它酶的作用下，使
其结构中某些特殊基团进行可逆的共
价修饰（ovalent modification），从
而改变其活性。
２.共价修饰的类型：
甲基化和脱甲基化；腺苷化和脱腺
苷化；磷酸化与脱磷酸化；乙酰化和脱
乙酰化；－SH与－S－S互变。
最常见的化学修饰是磷酸化修饰。
图4-32 酶的共价修饰
二、酶含量调节——慢速调节
酶的合成与酶降解的相对速率控
制着细胞内的酶含量。
由于酶的生物合成受特异转录及
翻译过程限制，耗能也较多，属于慢速
调节。
（一）酶蛋白合成的诱导与阻遏
多种调节信号能影响有关酶蛋白
的合成。
例如：底物浓度能有效地诱导其代
谢通路中的限速酶。蛋白质食物增多：
尿素循环中有关酶含量普遍增加。
代谢通路的最终产物对限速酶的
合成往往具有阻遏作用：如胆固醇阻抑
HMG-CoA还原酶合成。
什么是诱导剂？一般在转录水平
上促进酶生物合成的化合物。
什么是诱导作用？指诱导剂诱发
酶蛋白生物合成的作用。
什么是辅阻遏剂？指在转录水平
上减少酶生物合成的物质。
什么是阻遏作用？辅阻遏剂与无
活性的阻遏蛋白结合，影响基因的转
录，此过程称为阻遏作用。
（二）酶的降解
细胞内各种酶的半寿期相差很大。
可以通过改变酶分子的降解速度来调
节细胞内酶含量。
三、同工酶（isoenzyme）：
(一) 定义：
在同种生物体内，催化相同的化学
反应，但分子结构和理化性质不同的一
组酶，称为同工酶。
同工酶由不同基因或等位基因编
码的多肽链组成。
也可将同一基因转录生成不同
mRNA所翻译出来的不同酶蛋白列入同
工酶。
酶蛋白经翻译、修饰后形成的结构
差异的一组酶，称为次级同工酶。
(二) 特点：
同工酶的产生主要是基因分化的
产物。由于分子结构的差异，虽然催化
同一种反应，但其底物专一性与亲和
力，甚至酶的动力学都可能存在差异，
在代谢过程中的功能也有所不同。
(三) 乳酸脱氢酶同工酶
1．种类
2．分布
3．功能
同工酶虽然催化相同的化学反应，
但可有不同功能。
例：心肌富含LDH
1
（H
4
）对NAD+有
较大亲和力易受丙酮酸抑制。便于心肌
利用乳酸氧化供能。
骨骼肌富含LDH
5
（M
4
）对NAD+亲和
力弱不易受丙酮抑制。有利于骨骼肌产
生乳酸。
第五节酶的命名与分类
Classificatio of Enzymes
一、酶的命名
1．习惯命名法
仅用底物命名：例蛋白酶，淀粉酶
底物+反应类型：例乳酸脱氢酶，磷酸丙糖异构酶
底物+来源：例胃蛋白酶，唾液淀粉酶
2．系统命名法
按国际酶学委员会制定的与分类
相应的系统命名法。
例：ATP + D-葡萄糖→ADP + D-葡萄糖-6-磷酸
催化该反应的酶为ATP；葡萄糖：磷酸基转移酶
系统命名：EC 2.7.1.1
* ATP：葡萄糖磷酸基转移酶。（图4-33）
图4-33 ATP：葡萄糖磷酸基转移酶
二、酶的分类（图4-34）
* EC的含意?
表示：国际酶学委员会制定的分类法
* 酶分为几大类，各类酶的名称及作用?
图4-34 酶的分类
* 已知编号如何能在表上找到该酶例 EC 1.1.1.1 醇脱氢酶
* 如何按顺序记六大类酶
1.氧化还原酶（oxidoreductases）
2.转移酶（transferases）
3.水解酶（hydrolases）
4.裂解酶（lyases）
5.异构酶（isomerases）
6.合成酶（ligases）
氧，转，水，裂，异，合
第六节酶与医学的关系
Relationship of Enzymes and
Medicine
一、酶与疾病的关系
（一）酶与疾病的发生
（二）酶与疾病的诊断
（三）酶与疾病的治疗
二、酶在医学上的应用
（一）酶作为试剂用于临床检验（二）酶作为药物用于临床治疗（三）酶作为工具用于科学研究和生产
小结
Summary
酶是由活细胞合成的对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。单纯酶是仅由氨基酸残基组成的蛋白质，结合酶除含有蛋白质部分外，还含有非蛋白质辅助因子。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物，根据其与酶蛋白结合的紧密程度可分为辅酶与辅基。许多B 族维生素参与辅酶或辅基的组成。酶蛋白决定酶促反应的特异性，辅酶（或辅基）参与酶的活性中心，决定酶促反应的性质。
酶分子中一些在一级结构上可能相距很远的必需基团，在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异的结合并将底物转化
为产物，这一区域称为酶的活性中心。酶促反应具有高效率、高度特异性和可调节性。其催化机理是酶与底物诱导契合形成酶-底物复合物，通过邻近效应、定向排列、多元催化及表面效应等使酶发挥高效催化作用。
酶促反应动力学研究影响酶促
反应速度的各种因素，包括底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂和激活剂等。底物浓度对反应速度的影响可用米氏
方程式表示：Ｖ=Ｖmax[Ｓ]/Ｋm+[Ｓ]。
其中，Km为米氏常数，等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度，具有重要意义。Vmax和Km 可用米氏方程式的双倒数作图来求取。酶促反应在最适pH和最适温度时活性最高，但它们不是酶的特征性常数，受许多因素的影响。酶的抑制作用包括不可逆性抑制与可逆性抑制两种。可逆性抑制中，竞争性抑制作用的表观Km值增大，Vmax不变；非竞争性抑制作用的Km值不变，Vmax减小，反竞争性抑制作用的Km值和Vmax均减小。
酶活性测定是测量酶量的简便
方法。酶活性单位是衡量酶催化活力的尺度，在适宜条件下以单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。在规定条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为1 IU。
机体内对酶的活性与含量的调
节是调节代谢的重要途径。体内有些酶以无活性的酶原形式存在，只有在需要发挥作用时才转化为有活性的酶；变构酶是与一些效应剂可逆地结合，通过改变酶的构象而影响其活性的一组酶。多亚基的变构酶具有协同效应，是体内快速调节酶活性的重要方式之一。酶的共价修饰使酶在相关酶的催化下可逆地
共价结合某些化学基团，实现有活性酶与无活性酶的互变。这是体内实现对代谢快速调节的另一重要方式。酶量的调节包括酶生物合成的诱导与阻遏，以及对酶降解的调节。同工酶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，是
由不同基因或等位基因编码的多肽链，
或同一基因转录生成的不同mRNA翻译
的不同多肽链组成的蛋白质。同工酶在
不同的组织与细胞中具有不同的代谢
特点。
酶可分为六大类，分别是氧化还
原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶
类、异构酶类和合成酶类。酶的名称包
括系统名称和推荐名称，酶的系统名称
按酶的分类而定，每一酶均含有四位数
字的编号。
酶与医学的关系十分密切。许多疾
病的发生与发展与酶的异常或酶受到
抑制有关。血清酶的测定可协助对某些
疾病的诊断。许多药物可通过作用于细
菌或人体内的某些酶以达到治疗目的。
酶可以作为诊断试剂和药物对某些疾
病进行诊断与治疗。酶还可作为工具酶
或制成固定化酶用于科学研究和生产
实践。抗体酶是人工制造的兼有抗体和
酶活性的蛋白质；模拟酶是人工合成的
具有催化活性的非蛋白质有机化合物。
抗体酶和模拟酶均具有广阔的开发前
景。
第四章糖代谢
Metabolism of carbohydrates
重点：糖的氧化分解代谢，糖原的
合成与分解代谢，糖异生的反应过程及
其关键酶
难点：各代谢的调节
本章要求掌握的英文单词
1.glycolysis
2.glycolytic pathway
3.
tricarboxylic acid cycle（TAC）
4.citric acid cycle
5.Pasteur effect
6.
pentose phosphate pathway
7.glycogen
8.glycogenesis
9.gluconeogenesis
10.substrate cycle
https://www.doczj.com/doc/e85425204.html,ctric acid cycle
12.blood sugar
13.hexokinase(HK)
14.aerobic oxidation 15.UDPG
16.glycogenolysis
17.hyperglycemia
18.hypoglycemia
19.insulin
20.glucagons
思考题
1.一分子葡萄糖是如何分解生成
乳酸的？关键酶有那些？（提示：糖酵
解的反应过程）
2.蚕豆黄的发病机理是什么？（提
示；蚕豆黄患者缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢
酶而发生溶血性黄疸）
3.肌糖原的合成与分解为什么不
能参与血糖水平的调节呢？又是如何
为肌肉收缩提供能量的呢？（提示：缺
乏葡萄糖-6-磷酸酶，并把糖原分解过
程与糖酵解过程联系起来）
4.详细论述乳酸循环的反应过程？2
分子乳酸异生成葡萄糖消耗几分子
ATP？（提示：糖酵解和糖异生的反应
过程及其关键酶）
5.谷氨酸是如何异生成糖的？（提
示：谷氨酸脱氢生成α-酮戊二酸，α-
酮戊二酸以苹果酸方式出线粒体，再异
生成糖）
概述Introduction
糖是一大类有机化合物，其化
学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物
或多聚物。糖是自然界最丰富的物质之
一，广泛分布于几乎所有的生物体内，
其中以植物中含量最多，约为85%~95%。
单糖：醛糖：葡萄糖（glucose）、
半乳糖（galactose）、甘露糖（mannose）
酮糖：果糖（fructose）
双糖：麦芽糖（maltose）、蔗糖
（sucrose）、乳糖（lactose）、纤维
二糖
多糖：淀粉（starch）、纤维素
（cellulose）糖原（glycogen）
结合糖：糖与非糖物质的结合物：如糖蛋白、糖脂等
第一节概述
Introduction
一、糖的生理功能：
1．氧化供能：人体所需能量的50%~70%来自于糖。1mol葡萄糖完全氧化成CO2和H2O可释放679kcal的能量，其中约40%转化为ATP。
2．细胞的结构成分：如糖蛋白、糖脂构成细胞膜成分；蛋白聚糖、糖蛋白构成结缔组织、软骨和骨基质。
3．体内重要物质的原料：葡萄糖在体内还可转变成多种非糖物质，如类固醇激素、血红素、核酸等
二、糖的消化吸收：
人类食物中的糖主要有植物淀粉
和动物糖原以及少量二糖。食物中含有的大量纤维素，因人体内无β-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用。
（一）糖的消化
人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。
消化部位：主要在小肠，少量在口腔
消化产物：单糖（以葡萄糖为主，少量半乳糖、果糖）
（二）糖的吸收
部位：空肠
吸收形式：单糖
吸收机理：主动吸收
载体：钠离子依赖型葡萄糖转运体
耗能：在吸收过程中同时伴有Na+的转运并消耗能量以维持K+-Na+
泵的运转
三、糖代谢概况
葡萄糖吸收入血后，除肝脏外依赖一类葡萄糖转运体进入不同的组织细胞。
第二节糖的无氧分解
Anaerobic catabolism of
carbohydrates
一、糖酵解(glycolysis)研究历史
1897年Biichner兄弟用细砂研磨
酵母细胞压取汁液，再加入蔗糖——酒
精。（第一贡献）
1915年A.Harder将酵母加入葡萄
糖，发酵仍然进行；加入无机磷酸盐，
发酵作用增强。发酵液提取到二磷酸果
糖，同时发现发酵作用必需两类物质
“酿酶”和“辅酶”。（第二贡献）
随后，从研究肌肉生成乳酸许多反
应表明：糖酵解和生醇发酵作用反应序
列基本相似。
1940年糖酵解全过程（12步反应，
11种酶）均清楚。
二、糖酵解定义
在缺氧或无氧条件下，葡萄糖或糖
原分解成乳酸并释放出部分能量的过
程，称为糖酵解。
三、糖酵解的反应过程及其关键酶：
第一阶段：葡萄糖的磷酸化：己糖
激酶（hexokinase）
第二阶段：磷酸丙糖的生成：6-磷
酸果糖激酶-1
（6-phosphofructo-kinase-1）
第三阶段：丙酮酸的生成：丙酮酸
激酶（pyruvate kinase）
第四阶段：乳酸的生成
整个反应过程见图4-1，（六版教
材图4-1）
图4-1 糖酵解的代谢途径
从图中可知糖酵解的特点：
1．糖酵解全部反应及其关键酶。
（用图示加以重复阐明）
2．整个反应仅均在胞浆中进行，
无需氧参与。肌肉组织以糖酵解供能更
为重要。
3．三步不可逆反应，三种关键酶：
己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸
激酶。
4．第一阶段、第二阶段为消耗阶
段；第三阶段为生成能量阶段。能量生
成方式为底物水平磷酸化
（substrate-level
phosphorylation），即底物分子内部
能量重新分布，形成高能键，使ADP磷
酸化生成ATP的过程。一分子葡萄糖经
糖酵解生成二分子乳酸，生成四分子
ATP，净生成二分子ATP。
5．NADH+H+的生成与利用：3-磷酸
甘油醛脱氢生成1,3-二磷酸甘油酸，生
成二分子NADH+H+；而第三阶段丙酮酸
还原成乳酸需要还原当量NADH+H+。所
以NADH+H+去路：在无氧情况下用于丙
酮酸还原；而在有氧情况下，就必须经
线粒体内膜进行氧化磷酸化。
6．葡萄糖或糖原分解成丙酮酸的
过程称之为糖酵解途径。
7．乳酸去路：①可以经乳酸循环
在肝脏进行糖异生；②乳酸彻底氧化分
解生成CO
2
、H
2
O和ATP；③随尿液排出
四、糖酵解的生理功能
1．迅速、有限地供给能量（胞浆，
净生成二分子ATP）
2．成熟红细胞没有线粒体，完全
依赖糖酵解供应能量。神经、白细胞、
骨髓等代谢极为活跃，即使不缺氧也常
由糖酵解供应能量。
第三节糖的有氧氧化
Aerobic oxidation of carbohydrates
一、定义：在有氧条件下，葡萄糖和糖
原氧化成H
2
O和CO
2
，并释放出大量能量
的过程。
二、反应过程
第一阶段：糖酵解途径：葡萄糖分
解成两分子丙酮酸（见前所述）
第二阶段：丙酮酸氧化脱羧
丙酮酸+NAD++HS-CoA→乙酰
CoA+NADH+H++CO
2
丙酮酸脱氢酶复合体：丙酮酸脱氢
酶（E
1
）：TPP
转乙酰化酶（E
2
）：硫辛酸、CoA
二氢硫辛酰胺脱氢酶（E
3
）：FAD、NAD+
反应机理：见图4-2 （六版教材图4-4）
1．丙酮酸在丙酮酸脱氢酶（E
1
）脱
羧形成羟乙基-TPP，产生CO
2
2．由转乙酰化酶（E
2
）催化使羟乙基被氧化成乙酰基，同时转移给硫辛酰胺，再转移给辅酶A生成乙酰CoA后，离开酶复合体，并使硫辛酰胺还原成二氢硫辛酰胺。
3．在二氢硫辛酰胺脱氢酶（E
3
）催化下，使还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，以进行下一轮反应。同
时将氢传递给FAD，生成FADH
2
，再将
2H转移给NAD+，形成NADH+H+。
在整个反应过程中，中间产物并不离开酶复合体，这就使得上述各步反应得以迅速完成。
图4-2 丙酮酸脱氢酶复合体作用机制
第三阶段：三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）
1．三羧酸循环的反应过程：
⑴柠檬酸的形成：乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸。
⑵异柠檬酸的形成：柠檬酸与异柠檬酸的异构化可逆互变反应由顺乌头
酸酶催化。
⑶第一次氧化脱羧：异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下氧化脱羧转变为
α-酮戊二酸，脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+。
⑷第二次氧化脱羧：α-酮戊二酸经α-酮戊二酸脱氢酶复合体作用氧化脱羧生成琥珀酰CoA，其组成和催化反应与前述的丙酮酸脱氢酶复合体类似。
⑸底物水平磷酸化反应：琥珀酰CoA的高能硫酯键水解时，可与GDP的磷酸化偶联生成高能磷酸键，由琥珀酰CoA合成酶催化。
⑹琥珀酸脱氢生成延胡索酸：反应由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶为FAD。
⑺延胡索酸加水生成苹果酸:延胡索酸酶催化此可逆反应。
⑻苹果酸脱氢生成草酰乙酸：由苹
果酸脱氢酶催化，脱下的氢由NAD+接
受。
三羧酸循环的反应过程可归纳如
图4-3，（见六版教材图4-5）：
图4-3 三羧酸循环
2．三羧酸循环的特点：
（1）三羧酸循环定义：从2个碳
原子的乙酰CoA与4个碳原子的草酰乙
酸缩合成6个碳原子的柠檬酸开始，反
复地脱氢脱羧的过程。
（2）三羧酸循环运转一周，氧化
了1分子乙酰CoA。
（3）三羧酸循环二次脱羧反应，
四次氧化脱氢反应和一次底物水平磷
酸化反应。
（4）三羧酸循环反应过程是在线
粒体中进行的，为不可逆反应。其关键
酶为异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱
氢酶复合体。
（5）一分子乙酰CoA进入三羧酸
循环和氧化磷酸化生成12分子ATP。
（6）三羧酸循环的中间产物包括
草酰乙酸在内起着催化剂的作用，本身
并无量的变化，这些中间产物也不可能
直接在三羧酸循环中被氧化，必须要生
成乙酰CoA才能进入三羧酸循环被氧
化。
3．三羧酸循环的生理意义：
（1）三羧酸循环为呼吸链提供还
原当量。
（2）三羧酸循环是三大营养素的
最终代谢通路。
（3）三羧酸循环是糖、脂肪、氨
基酸代谢联系的枢纽。
（4）三羧酸循环在提供生物合成
的前体中起重要作用。
第四阶段：以上阶段物质脱下的氢
进入氧化磷酸化生成H
2
O，释放的能量
使ADP磷酸化生成ATP。
（三）有氧氧化的生理意义
有氧氧化细胞定位于胞浆和线粒
体，是机体氧化供能的主要方式。1mol
的葡萄糖彻底氧化生成CO
2
和H
2
O，可净
生成36或38mol ATP。表4-1，（见六
版教材表4-1）
净生成ATP分子数：生成ATP分
子数减去消耗ATP分子数
表4-1 葡萄糖有氧氧化生成的ATP
二、糖酵解与有氧氧化的调节
（一）糖酵解的调节
糖酵解途径中有三个调节酶：己
糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激
酶。
1．6-磷酸果糖激酶-1
目前认为调节酵解途径最重要的
是6-磷酸果糖激酶-1的活性。6-磷酸
果糖激酶-1为一四聚体，它不仅具有与
作用物6-磷酸果糖和ATP结合的部位,
尚有与别构激活剂和抑制剂结合的部
位。高浓度ATP和柠檬酸是此酶的别构
抑制剂； 6-磷酸果糖激酶-1的别构激
活剂有AMP、ADP、1,6-双磷酸果糖和
2,6-双磷酸果糖。
2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激
酶-1最强的别构激活剂，2,6-双磷酸果
糖由6-磷酸果糖激酶-2催化6-磷酸果
糖C
2
磷酸化而成；果糖双磷酸酶-2则
可水解其C
2
位磷酸，使其转变成6-磷
酸果糖图4- 4（见六版教材图4-2）。
随后的研究发现：6-磷酸果糖激酶-2
实际上是一种双功能酶，同时具有6-
磷酸果糖激酶-2和果糖双磷酸酶-2二
种活性。
图4-4 2,6-双磷酸果糖的合成与分
解
6-磷酸果糖激酶-2/果糖双磷酸
酶-2还可在激素作用下，以共价修饰方
式进行调节。
2．丙酮酸激酶
1,6-双磷酸果糖是丙酮酸激酶的
别构激活剂，而ATP和丙氨酸则有抑制
作用。
丙酮酸激酶还受共价修饰方式调
节。
3．己糖激酶
生化 ：氨基酸的排列顺序，肽键维系，不属于空间结构 蛋白质二级结构：局部主链的空间结构，a螺旋 蛋白质三级结构：肽键中残基相对空间位置，三维空间结构，疏水、盐、二硫、氢键维系 蛋白质四级结构：亚基间的相对空间位置，疏水、氢键、离子键维系 蛋白质的含氮量平均为16%。 氨基酸是蛋白质的基本组成单位，除甘氨酸外属L-α-氨基酸。 半胱氨酸巯基是GSH的主要功能基团。 维系蛋白质二级结构的因素是氢键 并不是所有的蛋白质都有四级结构。 丝氨酸不参与营养物质构成。 溶液pH>pI时蛋白质带负电，溶液pH 《生物化学》绪论 生物化学可以认为是生命的化学，是研究微生物、植物、动物及人体等的化学组成和生命过程中的化学变化的一门科学。 生命是发展的，生命起源，生物进化，人类起源等，说明生命是在发展，因而人类对生命化学的认识也在发展之中。 20世纪中叶直到80年代，生物化学领域中主要的事件： （一）生物化学研究方法的改进 a. 分配色谱法的创立——快捷、经济的分析技术由Martin.Synge创立。 b. Tisellius用电泳方法分离血清中化学构造相似的蛋白质成分。吸附层析法分离蛋白质及其他物质。 c. Svedberg第一台超离心机，测定了高度复杂的蛋白质。 d. 荧光分析法，同位素示踪，电子显微镜的应用，生物化学的分离、纯化、鉴定的方法向微量、快速、精确、简便、自动化的方向发展。 （二）物理学家、化学家、遗传学家参加到生命化学领域中来 1． Kendrew——物理学家，测定了肌红蛋白的结构。 2． Perutz——对血红蛋白结构进行了X-射线衍射分析。 3． Pauling——化学家，氢键在蛋白质结构中以及大分子间相互作用的重要性，认为某些protein具有类似的螺旋结构，镰刀形红细胞贫血症。 （1．2．3．都是诺贝尔获奖者） 4．Sanger―― 生物化学家 1955年确定了牛胰岛素的结构，获1958年Nobel prize化学奖。1980年设计出一种测定DNA内核苷酸排列顺序的方法，获1980年诺贝尔化学奖。 5．Berg―― 研究DNA重组技术，育成含有哺乳动物激素基因的菌株。 6．Mc clintock―― 遗传学家发现可移动的遗传成分，获1958年诺贝尔生理奖。 7．Krebs―― 生物化学家 1937年发现三羧酸循环，对细胞代谢及分生物的研究作出重要贡献，获1953年诺贝尔生理学或医学奖。 8．Lipmann―― 发现了辅酶A。 9． Ochoa——发现了细菌内的多核苷酸磷酸化酶 10．Korberg——生物化学家，发现DNA分子在细菌内及试管内的复制方式。（9．10．获1959年的诺贝尔生理医学奖） 11．Avery―― 加拿大细菌学家与美国生物学家Macleod,Carty1944年美国纽约洛克菲勒研究所著名实验。肺炎球菌会产生荚膜，其成分为多糖，若将具荚膜的肺炎球菌（光滑型）制成无细胞的物质，与活的无荚膜的肺炎球菌（粗糙型）细胞混合 －>粗糙型细胞也具有与之混合的光滑型的荚膜－>表明，引起这种遗传的物质是DNA 1 / 29 生化总结 1。蛋白质的pI：在某一pH溶液中，蛋白质解离为正离子和解离为负离子的过程和趋势相等，处于兼性离子状态，该溶液的pH值称蛋白质的pI。 2。模体：在蛋白质分子中，二个或二个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间现象，具有特殊的生物学功能。 3。蛋白质的变性：在某些理化因素的作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质的改变和生物学活性丧失的现象。 4。试述蛋白质的二级结构及其结构特点。 (1)蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。主要包括，α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲四种类型，以氢键维持二级结构的稳定性。 (2)α-螺旋结构特点：a、单链、右手螺旋；b、氨基酸残基侧链位于螺旋的外侧；c、每一个螺旋由3.6个氨基酸残基组成，螺距0.54nm；d、每个残基的-NH和前面相隔三个残基的-CO之间形成氢键；e、氢键方向与螺距长轴平行，链内氢键是α-螺旋的主要因素。 (3)β-折叠结构特点：a、肽键平面充分伸展，折叠成锯齿状；b、氨基酸侧链交替位于锯齿状结构的上下方；c、维系依靠肽键间的氢键，氢键方向与肽链长轴垂直；d、肽键的N末端在同一侧---顺向平行，反之为反向平行。 (4)β-转角结构特点：a、肽链出现180转回折的“U”结构；b、通常由四个氨基酸残基构成，第二个氨基酸残基常为脯氨酸，由第1个氨基酸的C=O与第4个氨基酸残基的N-H形成氢键维持其稳定性。 (5)无规则卷曲：肽链中没有确定的结构。 5。蛋白质的理化性质有：两性解离；蛋白质的胶体性质；蛋白质的变性；蛋白质的紫外吸收性质；蛋白质的显色反应。 6。核小体(nucleosome)：是真核生物染色质的基本组成单位，有DNA和5种组蛋白共同组成。A、B、和共同构成了核小体的核心组蛋白，长度约150bp的DNA双链在组蛋白八聚体上盘绕1.75圈形成核小体的核心颗粒，核心颗粒之间通过组蛋白和DNA连接形成的串珠状结构称核小体。 7。解链温度/融解温度(melting temperature,Tm)：在DNA解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度称为DNA的解链温度，或称熔融温度(Tm值)。 8。DNA变性(DNA denaturation)：在某些理化因素(温度、pH、离子强度)的作用下，DNA双链间互补碱基对之间的氢键断裂，使双链DNA解离为单链，从而导致DNA理化性质改变和生物学活性丧失，称为DNA的变性作用。9。试述细胞内主要的RNA类型及其主要功能。 (1)核糖体RNA(rRNA)，功能：是细胞内含量最多的RNA，它与核蛋白体蛋白共同构成核糖体，为mRNA，tRNA 及多种蛋白质因子提供相互结合的位点和相互作用的空间环境，是细胞合成蛋白质的场所。 (2)信使RNA(mRNA)，功能：转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成。是蛋白质合成模板。成熟mRNA的前体是核内不均一RNA(hnRNA)，经剪切和编辑就成为mRNA。 (3)转运RNA(tRNA)，功能：在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体，将氨基酸转呈给mRNA。转运氨基酸。 (4)不均一核RNA(hnRNA)，功能：成熟mRNA的前体。 (5)小核RNA(SnRNA)，功能：参与hnRNA的剪接、转运。 (6)小核仁RNA(SnoRNA)，功能：rRNA的加工和修饰。 (7)小胞质RNA(ScRNA/7Sh-RNA)，功能：蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分。 10。试述Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型的要点。 (1)DNA是一反向平行、右手螺旋的双链结构。两条链在空间上的走向呈反向平行，一条链的5’→3’方向从上向下，而另一条链的5’→3’是从下向上；脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧，碱基位于内侧，两条链的碱基之间以氢键相接触，A与T通过两个氢键配对，C与G通过三个氢键配对，碱基平面与中心轴相垂直。 (2)DNA是一右手螺旋结构。螺旋每旋转一周包含了10.5碱基对，每个碱基的旋转角度为36。DNA双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm。DNA双螺旋分子存在一个大沟和小沟。(3)DNA双螺旋结构稳定的维系横向靠两条链之间互补碱基的氢键，纵向则靠碱基平面间的碱基堆积力维持。11。酶的活性中心：酶分子的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心。 12。同工酶：是指催化相同的化学反应，而酶的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。 13。何为酶的Km值？简述Km和Vm意义。 核 苷 酸 一级要求 单选题 1 用 A 嘧啶环的N1 嘌呤环的N1和N7 E 肌酸 在嘌呤核苷酸的合成中,第4位及5位的碳原子和第7位氮原子主要来源于: 15 N 标记谷氨酰胺的酰胺氮喂养鸽子后, 在鸽子体内下列主要哪种化合物中含 15 N ？ B GSH C D 嘌呤环的N3和N9 D E 2 A 天冬氨酸 C 谷氨酰胺 E 甘氨酸 B 谷氨酸 D 丙氨酸 3 下列对嘌呤核苷酸合成的描述哪种是正确的? A 利用氨基酸、一碳单位和CO 2合成嘌呤环,再与5'-磷酸核糖结合而成 B 利用天冬氨酸、一碳单位、CO 2 和5'-磷酸核糖为原料直接合成 C 嘌呤核苷酸是在5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)提供磷酸核糖分子的 基础上与氨基酸、CO 2及一碳单位作用逐步形成 D 在氨基甲酰磷酸的基础上逐步合成 E 嘌呤核苷酸是先合成黄嘌呤核苷酸(XMP),再转变为AMP 、GMP 4 AMP 分子中第六位碳原子上的氨基来源于: C A 谷氨酰胺的酰胺基 B 谷氨酸 C E 天冬酰胺的酰胺基 天冬氨酸 D 甘氨酸 E 5 6 人体嘌呤核苷酸分解代谢的特征性终产物是: A C E NH3 B D CO 2 黄嘌呤 尿酸 次黄嘌呤 E 下列对嘧啶核苷酸从头合成途径的描述哪种是正确的? A 先合成嘧啶环,再与PRPP 中 的磷酸核糖相连 B 在PRPP 的基础上,与氨基酸及 CO 2作用逐步合成 C UMP 的合成需要有一碳单位的参加 D 主要是在线粒体内合成 E 需要有氨基甲酰磷酸合成酶I 参加 A D 7 嘧啶环中的第一位N 原子来源于: A 游离的氨 B 谷氨酸 C 谷氨酰胺的酰胺基 E 天冬酰胺的酰胺基 D 天冬氨酸 8 dTMP 的嘧啶环中第五位碳原子上的甲基来源于: A S-腺苷蛋氨酸 C N5-CH3FH4 B N5N10-CH2-FH4 D N10-CHOFH4 E N5N10=CH-FH4 B C 9 下列哪种氨基酸为嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的共同原料? A 谷氨酸 D 丙氨酸 B 甘氨酸 C 天冬氨酸 E 天冬酰胺 10 下列关于嘌呤核苷酸从头合戒的叙述哪项是正确的 第一章绪论 一、生物化学的的概念： 生物化学（biochemistry)是利用化学的原理与方法去探讨生命的一门科学，它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。 二、生物化学的发展： 1．叙述生物化学阶段：是生物化学发展的萌芽阶段，其主要的工作是分析和研究生物体的组成成分以及生物体的分泌物和排泄物。 2．动态生物化学阶段：是生物化学蓬勃发展的时期。就在这一时期，人们基本上弄清了生物体内各种主要化学物质的代谢途径。 3．分子生物学阶段：这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。 三、生物化学研究的主要方面： 1．生物体的物质组成：高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质。 2．物质代谢：物质代谢的基本过程主要包括三大步骤：消化、吸收→中间代谢→排泄。其中，中间代谢过程是在细胞内进行的，最为复杂的化学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。 3．细胞信号转导：细胞内存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导网络，调控细胞的代谢、生理活动及生长分化。 4．生物分子的结构与功能：通过对生物大分子结构的理解，揭示结构与功能之间的关系。 5．遗传与繁殖：对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。 第二章蛋白质的结构与功能 一、氨基酸： 1．结构特点：氨基酸(amino acid)是蛋白质分子的基本组成单位。构成天然蛋白质分子的氨基酸约有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均为L-α-氨基酸。 2．分类：根据氨基酸的R基团的极性大小可将氨基酸分为四类：①非极性中性氨基酸(8种)；②极性中性氨基酸(7种)；③酸性氨基酸(Glu和Asp)；④碱性氨基酸(Lys、Arg和His)。 二、肽键与肽链： 肽键(peptide bond)是指由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基经脱水而形成的共价键(-CO -NH-)。氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而结构不完整，称为氨基酸残基。每条多肽链都有两端：即自由氨基端(N端)与自由羧基端(C端)，肽链的方向是N端→C端。 三、肽键平面(肽单位)： 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转；组成肽键的四个原子及其相邻的两个α碳原子处在同一个平面上，为刚性平面结构，称为肽键平面。 四、蛋白质的分子结构： 绪论 掌握：生物化学、生物大分子和分子生物学的概念。 【复习思考题】 1. 何谓生物化学？ 2. 当代生物化学研究的主要内容有哪些 蛋白质的结构与功能 掌握：蛋白质元素组成及其特点；蛋白质基本组成单位--氨基酸的种类、基本结构及主要特点；蛋白质的分子结构；蛋白质结构与功能的关系；蛋白质的主要理化性质及其应用；蛋白质分离纯化的方法及其基本原理。 【复习思考题】 1. 名词解释：蛋白质一级结构、蛋白质二级结构、蛋白质三级结构、蛋白质四级结构、肽单元、模体、结构域、分子伴侣、协同效应、变构效应、蛋白质等电点、电泳、层析 2. 蛋白质变性的概念及本质是什么有何实际应用？ 3. 蛋白质分离纯化常用的方法有哪些其原理是什么？ 4. 举例说明蛋白质结构与功能的关系 核酸的结构与功能 掌握：核酸的分类、细胞分布，各类核酸的功能及生物学意义；核酸的化学组成；两类核酸（DNA与RNA）分子组成异同；核酸的一级结构及其主要化学键；DNA 右手双螺旋结构要点及碱基配对规律；mRNA一级结构特点；tRNA二级结构特点；核酸的主要理化性质（紫外吸收、变性、复性），核酸分子杂交概念。 第三章酶 掌握：酶的概念、化学本质及生物学功能；酶的活性中心和必需基团、同工酶；酶促反应特点；各种因素对酶促反应速度的影响、特点及其应用；酶调节的方式；酶的变构调节和共价修饰调节的概念。 第四章糖代谢 掌握：糖的主要生理功能；糖的无氧分解（酵解）、有氧氧化、糖原合成及分解、糖异生的基本反应过程、部位、关键酶（限速酶）、生理意义；磷酸戊糖途径的生理意义；血糖概念、正常值、血糖来源与去路、调节血糖浓度的主要激素。 【复习思考题】 1. 名词解释：.糖酵解、糖酵解途径、高血糖和糖尿病、乳酸循环、糖原、糖异生、三羧酸循环、活性葡萄糖、底物水平磷酸化。 2．说出磷酸戊糖途径的主要生理意义。 3．试述饥饿状态时，蛋白质分解代谢产生的丙氨酸转变为葡萄糖的途径。 生物化学与分子生物学重点(1) https://www.doczj.com/doc/e85425204.html, 2006-11-13 23:44:37 来源：绿色生命网 第一章绪论 一、生物化学的的概念： 生物化学（biochemistry)是利用化学的原理与方法去探讨生命的一门科学，它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。 二、生物化学的发展： 1．叙述生物化学阶段：是生物化学发展的萌芽阶段，其主要的工作是分析和研究生物体的组成成分以及生物体的分泌物和排泄物。 2．动态生物化学阶段：是生物化学蓬勃发展的时期。就在这一时期，人们基本上弄清了生物体内各种主要化学物质的代谢途径。 3．分子生物学阶段：这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。 三、生物化学研究的主要方面： 1．生物体的物质组成：高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质。 2．物质代谢：物质代谢的基本过程主要包括三大步骤：消化、吸收→中间代谢→排泄。其中，中间代谢过程是在细胞内进行的，最为复杂的化学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。 3．细胞信号转导：细胞内存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导网络，调控细胞的代谢、生理活动及生长分化。 4．生物分子的结构与功能：通过对生物大分子结构的理解，揭示结构与功能之间的关系。 5．遗传与繁殖：对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的 一个重要内容。 第二章蛋白质的结构与功能 一、氨基酸： 1．结构特点：氨基酸(amino acid)是蛋白质分子的基本组成单位。构成天然蛋白质分子的氨基酸约有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均为L-α-氨基酸。 2．分类：根据氨基酸的R基团的极性大小可将氨基酸分为四类：① 非极性中性氨基酸(8种)； ② 极性中性氨基酸(7种)；③ 酸性氨基酸(Glu和Asp)；④ 碱性氨基酸(Lys、Arg和His)。 二、肽键与肽链： 肽键(peptide bond)是指由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基经脱水而形成的共价键(-CO-NH-)。氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而结构不完整，称为氨基酸残基。每条多肽链都有两端：即自由氨基端(N端)与自由羧基端(C端)，肽链的方向是N端→C端。 三、肽键平面(肽单位)： 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转；组成肽键的四个原子及其相邻的两个α碳原子处在同一个平面上，为刚性平面结构，称为肽键平面。 四、蛋白质的分子结构： 蛋白质的分子结构可人为分为一级、二级、三级和四级结构等层次。一级结构为线状结构，二、三、四级结构为空间结构。 1．一级结构：指多肽链中氨基酸的排列顺序，其维系键是肽键。蛋白质的一级结构决定其空间结构。 2．二级结构：指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要有以下几种类型： ⑴α-螺旋：其结构特征为：①主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋；②螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；③ 相邻螺旋圈之间形成许多氢键；④ 侧链基团位于螺旋的外侧。 影响α-螺旋形成的因素主要是：① 存在侧链基团较大的氨基酸残基；② 连续存在带相同电荷的氨基酸残基；③ 存在脯氨酸残基。 ⑵β-折叠：其结构特征为：① 若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片；② 所有肽键的C=O和 第一篇生物大分子的结构与功能 第一章氨基酸和蛋白质 一、组成蛋白质的20种氨基酸的分类 １、非极性氨基酸 包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸 ２、极性氨基酸 极性中性氨基酸：色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸 碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸 其中：属于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸 属于亚氨基酸的是：脯氨酸 含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸 注意：在识记时可以只记第一个字，如碱性氨基酸包括：赖精组 二、氨基酸的理化性质 １、两性解离及等电点 氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的ＰＨ称为该氨基酸的等电点。 ２、氨基酸的紫外吸收性质 芳香族氨基酸在280nm波长附近有最大的紫外吸收峰，由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基，氨基酸残基数与蛋白质含量成正比，故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。 ３、茚三酮反应 氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。 三、肽 两分子氨基酸可借一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去１分子水缩合成最简单的二肽。二肽中游离的氨基和羧基继续借脱水作用缩合连成多肽。10个以内氨基酸连接而成多肽称为寡肽；39个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽；51个氨基酸残基组成的胰岛素归为蛋白质。 多肽连中的自由氨基末端称为Ｎ端，自由羧基末端称为Ｃ端，命名从Ｎ端指向Ｃ端。 人体内存在许多具有生物活性的肽，重要的有： 谷胱甘肽（GSH）：是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免被氧化，使蛋白质或酶处于活性状态。 四、蛋白质的分子结构 １、蛋白质的一级结构：即蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。 主要化学键：肽键，有些蛋白质还包含二硫键。 ２、蛋白质的高级结构：包括二级、三级、四级结构。 １）蛋白质的二级结构：指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链骨架原子的 等电点：在某PH的溶液中，氨基解离呈阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的P H称为该氨基酸的等电点 DNA变性：某些理化因素会导致氢键发生断裂，使双链DNA解离为单链，称为DNA变性 解链温度（Tm）：在解链过程中，紫外吸收值得变化达到最大变化值的一半时所对应的温度 酶的活性中心：酶分子中一些必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能和底物特异结合，并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心 同工酶：指催化相同化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质、免疫学性质不同的一组酶 诱导契合：在酶和底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变性、相互适应，这一过程为酶底物结合的诱导契合 米氏常数（Km值）：等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度 酶原的激活：酶的活性中心形成或暴露，酶原向酶的转化过程即为。。 有氧氧化：葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳的反应过程称为有氧氧化 三羧酸循环：是指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含3个羧基的柠檬酸，再4次脱氢，2次脱羧，又生成草酰乙酸的循环反应过程 糖异生：从非糖化合物转化为葡萄糖或糖原的过程称为。。 脂肪动员：指储存在脂肪细胞中的甘油三酯，被酯酸逐步水解为游离脂酸和甘油并释放入血，通过血液运输至其他组织，氧化利用的过程 酮体：是脂酸在肝细胞线粒体中β-氧化途径中正常生成的中间产物：乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮脂蛋白：血浆中脂类物质和载脂蛋白结合形成脂蛋白 呼吸链：线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链或电子传递链 营养必需氨基酸：体内需要而又不能自身合成，必须由食物提供的氨基酸 一碳单位：指某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的基因 半保留复制：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模极，按碱基配对规律，合成与模极互补的子链、子代细胞的DNA。一股单链从亲代完整的接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致，这中复制方式称为半保留复制 生物转化：机体对内外源性的非营养物质进行代谢转变，使其水溶性提高，极性增强，易于通过胆汁或尿液排出体外，这一过程为生物转化 氧化磷酸化：代谢物脱氢进入呼吸链，彻底氧化成水的同时，ADP磷酸化生成ATP，称为氧化磷酸化 底物水平磷酸化：底物由于脱氢脱水作用，底物分子内部能量重新分布生成高能键，使ATP磷酸化生成ATP的过程 密码子：在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸。这种三联体形成的核苷酸行列称为密码子 盐析：在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出称为盐析 糖酵解：葡萄糖或糖原在组织中进行类似的发酵的降解反应过程，最终形成乳酸或丙酮酸，同时释放出部分能量，形成ATP供组织利用 蛋白质的一级结构：指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序 蛋白质的二级结构：多肽链主链骨架原子的相对空间位置。 蛋白质的三级结构：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 蛋白质的四级结构：蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用 DNA的空间结构与功能 教学目标： 1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组成。 2.掌握α-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名称、符号、结构、分类；掌握氨基酸的重要性质；熟悉肽和活性肽的概念。 3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点及其重要化学键。 4.了解蛋白质结构与功能间的关系。 5.熟悉蛋白质的重要性质和分类 导入：100年前，恩格斯指出“蛋白体是生命的存在形式”；今天人们如何认识蛋白质的概念和重要性？ 1839年荷兰化学家马尔德（G.J.Mulder）研究了乳和蛋中的清蛋白,并按瑞典化学家Berzelius的提议把提取的物质命名为蛋白质（Protein，源自希腊语，意指“第一重要的”）。德国化学家费希尔(E.Fischer)研究了蛋白质的组成和结构，在1907年奠立蛋白质化学。英国的鲍林(L.Pauling)在1951年推引出蛋白质的螺旋；桑格(F.Sanger)在1953年测出胰岛素的一级结构。佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁(J.C.kendrew) 在1960年测定血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构。1965年，我国生化学者首先合成了具有生物活性的蛋白质——胰岛素（insulin）。 蛋白质是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的，具有较稳定的构象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰富的大分子。 单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质，而人体有10万种以上结构和功能各异的蛋白质，人体干重的45%是蛋白质。生命是物质运动的高级形式，是通过蛋白质的多种功能来实现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进行的，已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许多小分子物质和离子，它们的运输由蛋白质来完成。生物的运动、生物体的防御体系离不开蛋白质。蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构等方面都起着重要的作用。随着蛋白质工程和蛋白质组学的兴起和发展，人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻。 第一节蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成 经元素分析，主要有C（50%～55%）、H（6%～7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S（0%～4%）。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此，可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。 每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量（g%） 二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸 蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下，最终水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是天门冬氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨酸（1938年）。 （一）氨基酸的结构通式 组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点： 1．氨基连接在α- C上，属于α-氨基酸（脯氨酸为α-亚氨基酸）。 2．R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。 注意：构型是指分子中各原子的特定空间排布，其变化要求共价键的断裂和重新形成。旋光性是异构体的光学活性，是使偏振光平面向左或向右旋转的性质，（-）表示左旋，（+）表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。 （二）氨基酸的分类 1．按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。 2．按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。 带有非极性R（烃基、甲硫基、吲哚环等，共9种）：甘（Gly）、丙（Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp） 带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：丝（Ser）、苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys）带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）、谷（Glu）、赖（Lys）、精（Arg）、组（His），前两个为酸性氨基酸，后三个是碱性氨基酸。 蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。 （三）氨基酸的重要理化性质 1．一般物理性质 α-氨基酸为无色晶体，熔点一般在200 oC以上。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大（酪氨酸不溶于水）。一般溶解于稀酸或稀碱， 第1章蛋白质的结构与功能 1.等电点：氨基酸分子所带正、负电荷相等，呈电中性时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point, pI） 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。 结构域：分子量大的蛋白质三级结构 常由几个在功能上相对独立的，结构较为紧凑的区域组成，称为结构域（domain）。亚基：有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。 别构效应：蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。 蛋白质变性：在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。 2.蛋白质的组成单位、连接方式及氨基酸的分类，酸碱性氨基酸的名称。 组成单位：氨基酸. 连接方式：肽键 氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类：非极性脂肪族氨基酸、极性中性氨基酸、芳香族氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸、非极性侧链氨基酸、极性中性/非电离氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸 酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸 碱性氨基酸：精氨酸，组氨酸 3.蛋白质一-四级结构的概念的稳定的化学键。 一级结构：蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 二级结构：蛋白质分子中多肽主链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。 主要的化学键：氢键 三级结构：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 主要的化学键:疏水键、离子键、氢键和范德华力等。 四级结构：蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。 主要的化学键：氢键和离子键。 4.蛋白质的构象与功能的关系。 一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构 生物化学 占执业2.7%，16分 第一节蛋白质的结构与功能 一、氨基酸与多肽 （一）氨基酸结构与分类 1、蛋白质的基本机构：氨基酸，氨基酸------L-α-氨基酸（“拉氨酸”）；---手拉手组成 唯一不具有不对称碳原子——甘氨酸； 含有巯基的氨基酸——半胱氨酸-------记忆：半巯 2、氨基酸的分类 （1）非极性、疏水性氨基酸：记忆：携（缬氨酸）一（异亮氨酸）本（苯丙氨酸）书，两（亮氨酸） 饼（丙氨酸）干（甘氨酸），补（脯氨酸）点水（2）极性、中性氨基酸：记忆：古（谷氨酰胺）天（天冬酰胺）乐（酪氨酸）是（丝氨酸）伴（半 胱氨酸）苏（苏氨酸）三（色氨酸）的（蛋氨酸） （3）酸性氨基酸：记忆：天（天冬氨酸）上的谷（谷氨酸）子是酸的 （4）碱性氨基酸：记忆：地上的麦（赖氨酸）乳（组氨酸）精（精氨酸）是碱的 (二)肽键与肽链 氨基酸结合键：肽键，肽键由-CO-NH-组成。 二、蛋白质结构 2、3、4级：高级结构/空间构象-----氢键 1、二级结构一圈（α-螺旋---稳定）------3.6个氨基酸，右手螺旋方向-----外侧。 2、维持三级结构的化学键-----疏水键。 一级结构：-----肽键；序列。 二级结构：一段弹簧，----氢键（稳定）；---亲，你真棒 三级结构：-----亚基，整条肽链。化学键-----疏水键 四级结构：----一堆亚基。---聚合 ※记忆：一级排序肽键连，二级结构是一段，右手螺旋靠氢键，三级结构是亚基，亚基聚合是四级考题和亚基有关-----四级结构 三、蛋白质结构与功能的关系 1、蛋白质结构与功能：一级结构是基础，二三四级：表现功能的形式。 复旦大学生物化学笔记完整版 第一篇生物大分子的结构与功能 第一章氨基酸和蛋白质 一、组成蛋白质的20种氨基酸的分类 １、非极性氨基酸 包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸 ２、极性氨基酸 极性中性氨基酸：色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸 碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸 其中：属于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸 属于亚氨基酸的是：脯氨酸 含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸 注意：在识记时可以只记第一个字，如碱性氨基酸包括：赖精组 二、氨基酸的理化性质 １、两性解离及等电点 氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的ＰＨ称为该氨基酸的等电点。 ２、氨基酸的紫外吸收性质 芳香族氨基酸在280nm波长附近有最大的紫外吸收峰，由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基，氨基酸残基数与蛋白质含量成正比，故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。 ３、茚三酮反应 氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。 三、肽 两分子氨基酸可借一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去１分子水缩合成最简单的二肽。二肽中游离的氨基和羧基继续借脱水作用缩合连成多肽。10个以内氨基酸连接而成多肽称为寡肽；39个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽；51个氨基酸残基组成的胰岛素归为蛋白质。 多肽连中的自由氨基末端称为Ｎ端，自由羧基末端称为Ｃ端，命名从Ｎ端指向Ｃ端。 人体内存在许多具有生物活性的肽，重要的有： 谷胱甘肽（GSH）：是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免被氧化，使蛋白质或酶处于活性状态。 四、蛋白质的分子结构 １、蛋白质的一级结构：即蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。 主要化学键：肽键，有些蛋白质还包含二硫键。 ２、蛋白质的高级结构：包括二级、三级、四级结构。 第一章蛋白质的结构与功能 第一节蛋白质的分子组成 一、蛋白质的主要组成元素：C、H、O、N、S 特征元素：N（16%）特异元素：S 凯氏定氮法：每克样品含氮克数×6.25×100＝100g样品中蛋白质含氮量（g%） 组成蛋白质的20种氨基酸 （名解）不对称碳原子或手性碳原子：与四个不同的原子或原子基团共价连接并因而失去对称性的四面体碳 为L-α-氨基酸，其中脯氨酸（Pro）属于L-α-亚氨基酸 不同L-α-氨基酸，其R基侧链不同 除甘氨酸（Gly）外，都为L-α-氨基酸，有立体异构体 组成蛋白质的20种氨基酸分类 非极性氨基酸：甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、 亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、脯氨酸（Pro） 极性中性氨基酸：丝氨酸（Ser）、半胱氨酸（Cys）、蛋氨酸（Met） 天冬酰胺（Asn）、谷氨酰胺（Gln）、苏氨酸（Thr） 芳香族氨基酸：苯丙氨酸（Phe）、色氨酸（Trp）、酪氨酸（Tyr） 酸性氨基酸：天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu） 碱性氨基酸：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His） 其中：含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸 四、氨基酸的理化性质 1、两性解离及等电点 ①氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。 ②氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 ③（名解）等电点（pI点）：在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。 pH Pro含N16%，AA残基平均M=110，残基数<50称多肽。 主链构象角：肽键中N－Cα转动角为φ，Cα－C转动角为ψ；C－N转动角为ω。 肽链构象为反式构象ω=180 (脯氨酸除外)。Ramachandran图：φ和ψ角。 α-螺旋几乎都是右手，3.6残基/圈，第i残基C＝O和第i+4残基N-H形成氢键。Ala,Glu,Leu,Met 对螺旋有倾向，Pro,Gly,Ser不参加。//几乎所有β折叠片均存在链扭曲，大部分是右手。β-折叠片中，β-折叠股处于伸展状态，一股的C＝O与另一股的N-H形成氢键。所有β-折叠股有相同的N-C方向称为平行；相互靠近的两股有相反方向为反平行。 不规则二级结构：转角及环。规则的比不规则的稳定，新功能往往由不规 则的二级结构区域来体现，——蛋白质的“结合部位”或酶的“活性中心”。氨基酸残基序列——一级结构(共价键)；α-螺旋，β-折叠，环状区域——二级结构(氢键)； 超二级结构(花样)：TIM桶，β-回折片……其他各种未写明的；// TIM桶：αβ-barrel八个β被//八段α围绕，短的环连接交替的β和α。酶活中心的残基位于TIM桶β片的C端和连接α的环状区。结构域：一个Pro可包含一个或多个，是能够独立折叠成稳定的三级结构的多肽链的一部分或者全部。三级结构(二硫键等连接的多条多肽链)；四级结构(多亚基结构)；分子聚合体； 胃：胃蛋白酶。胰→小肠(肠激酶激活)：羧肽酶原，糜蛋白酶原，胰蛋白酶原，胰凝乳蛋白酶原。蛋白酶家族按照催化部位的残基分：巯基(半胱氨酸)蛋白酶家族；天冬氨酸~；丝氨酸~；金属~。 胰凝乳蛋白酶（丝氨酸蛋白酶家族）：共价修饰催化。水解位于C端，芳香基团或大侧链残基的肽键。 很多蛋白酶（枯草杆菌蛋白酶，小麦羧肽酶-II，乙酰胆碱酯酶及脂肪酶） 有催化三联体，特异性由三联体附近的亲水凹隙形成底物结合口袋决定。溶酶体和蛋白酶体：溶酶体涉及内吞作用到胞内的蛋白降解；蛋白酶体主要涉及细胞自身蛋白的降解。 (转录因子、病毒编码的蛋白、折叠错误的蛋白) 自噬泡with溶酶体：内为酸性，有半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、含锌金属蛋白酶等水解酶。 泛素with蛋白酶体：泛素——多肽，多泛素化的蛋白质被特异性识别并在蛋白酶体中迅速降解。 蛋白酶体：一个桶状结构的26S复合物。核心复合物20S，盖子结构19S。 泛素的C端连到泛素激活酶E1上(耗ATP)，然后转移到泛素结合酶E2的巯基，泛素连接酶E3转移被激活的泛素到一个被选择蛋白(E3识别)的赖氨酸侧链上。E3具有底物特异性，关系到N-end rule(蛋白半衰期与其N-端序列相关)。不断重复，Pro被绑了一批泛素分子，被运送到蛋白酶体中切成短链。 氨基酸的N代谢：脱氨基、氮原子代谢、最终形成尿素/尿酸。！谷氨酸有核心地位 ⑴氧化脱氨：(仅少数AA) 谷氨酸+NAD++H2O→NADH+NH4++α-酮戊二酸谷氨酸脱氢酶 //变构酶in MIT，ATP/GTP抑制剂，ADP/GDP激活剂。能利用NAD+/NADP+作电子受体。 ⑵联合脱氨：(主要) 转氨常与谷氨酸氧化脱氨偶联——由谷氨酸完成脱氨。 //转氨酶——催化氨基在氨基酸& α-酮酸之间可逆的转移。 ⑶其它途径：嘌呤核苷酸循环，丝氨酸脱水酶；过氧化物体中的氨基酸氧化酶。 高氨血症，NH+4浓度升高尤其对大脑有毒：将驱使谷氨酸→谷氨酰胺，耗尽神经递质谷氨酸；谷氨酸脱氢酶反方向催化α-酮戊二酸→谷氨酸，α-酮戊二酸的耗尽削弱了脑中能量代谢TCAC。氨以丙氨酸、谷氨酰胺形式运输；主要在肝脏合成尿素以解毒（或在肾合成铵盐）。 尿素循环{鸟氨酸循环by Krebs}（完整的尿素循环仅在肝脏）： 总：2NH3+CO2+4ATP+天冬AA→Urea+延胡索酸+4ADP+4Pi 线粒体内膜中有鸟氨酸/瓜氨酸转运体，瓜氨酸离开&鸟氨酸进入MIT基质。 0. 循环前的关键——氨基甲酰磷酸的合成：（HCO-3+NH3不可逆反应耗2ATP） 氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（in MIT）是别构酶，N-乙酰谷氨酸是激活剂。 1. 鸟+氨基甲酰磷酸→瓜鸟氨酸转氨甲酰酶MIT 2. 瓜+天冬→精氨基琥珀酸精氨琥珀酸合酶胞质 3. 精氨基琥珀酸→精+延胡索酸精氨琥珀酸酶胞质 4. 精→尿素+鸟；精氨酸酶胞质 胰脂肪酶选择1,3位酯键水解为甘油单酯+脂肪酸，甘油单酯被甘油单酯脂肪酶水解得甘油+脂肪酸。甘油代谢：⑴甘油+ATP→α-磷酸甘油甘油激酶(in肝脏) ⑵α-磷酸甘油→二羟丙酮磷酸（糖酵解/糖异生）脱氢酶，脱氢 脂肪酸代谢：(脂肪动员：脂肪组织贮存的脂肪释放出游离脂肪酸并转移到肝脏) 长链脂肪酸的活化（内质网膜，线粒体外膜）：总：脂肪酸+ATP+HS-CoA→脂酰-CoA+AMP+2Pi ⑴脂肪酸+ATP→酰基腺苷酸+PPi ；PPi→2Pi //脂酰-CoA有高能硫酯键 ⑵酰基腺苷酸+HS-CoA→脂酰-CoA+AMP 脂酰-CoA合酶 脂酰-CoA能透过MIT外膜但不能透过内膜到基质，肉碱介导脂酰基转运到线粒体基质： 1.肉碱软脂酰转移酶I（在MIT外膜）：脂酰基从脂酰-CoA转移到肉碱→脂酰肉碱 2.线粒体内膜上的的运输体：介导内膜内外两个肉碱/脂酰肉碱的脂酰基交换 3.肉碱软脂酰转移酶II（在MIT基质）：脂酰基从肉碱转移到CoA→脂酰-CoA 脂肪酸的β-氧化（MIT基质）： ⑴脂酰-CoA脱氢酶：脂酰-CoA中的脂肪酸氧化出双键(C2=C3)，FAD→FADH2 ⑵烯酰-CoA水合酶：反式双键水合反应产生L-羟脂酰-CoA ⑶羟脂酰-CoA脱氢酶：氧化β位(C3)的羟基为酮基，NAD+→NADH ⑷β-酮脂酰硫解酶：硫解产物为乙酰-CoA及少了2C的脂酰-CoA（直到乙酰-CoA） 总：脂酰-CoA+FAD+NAD++HS-CoA→脂酰-CoA（少2C）+FADH2+NADH+H++乙酰-CoA 脂肪酸氧化的控制主要在脂酰基转运：丙二酸单酰-CoA（脂肪酸合成前体）抑制肉碱软脂酰转移酶I。低ATP高AMP时丙二酸单酰-CoA减少，则脂肪酸氧化增加：产生乙酰-CoA进入TCAC补充ATP。脂肪酸的合成（细胞溶胶）：合成时的H-载体是NADPH，增2C的直接前体是丙二酸单酰-CoA。 ⑴乙酰-CoA羧化酶：形成丙二酸单酰-CoA ⑵脂肪酸合酶：经历启动,装载,缩合,还原,脱水,还原,释放过程，加上2C。// 动物停在16C 血浆脂蛋白（用于运输脂类）：乳糜颗粒，LDL低密度脂蛋白，VLDL极低~，HDL高~。 LDL是胆固醇载体，在细胞表面与LDL受体结合并经内吞作用进入细胞。 高胆固醇血症（引起动脉粥样硬化，冠心病）：LDL受体合成缺陷；受体从内质网 到高尔基体的转运缺陷；LDL与受体的结合缺陷；细胞膜凹陷处受体不能聚集缺陷。生物化学笔记(整理版)1
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