生物化學筆記(整理版)

第一章蛋白質(zhì)化學教學目標：掌握蛋白質(zhì)的概念、重要性和分子組成。2?掌握a-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式和20種氨基酸的名稱、符號、結(jié)構(gòu)、分類；掌握氨基酸的重要性質(zhì)；熟悉肽和活性肽的概念。3?掌握蛋白質(zhì)的一、二、三、四級結(jié)構(gòu)的特點及其重要化學鍵。了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能間的關系。熟悉蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)和分類導入：100年前，恩格斯指出“蛋白體是生命的存在形式”；今天人們?nèi)绾握J識蛋白質(zhì)的概念和重要性？1839年荷蘭化學家馬爾德（G.J.Mulder）研究了乳和蛋中的清蛋白，并按瑞典化學家Berzelius的提議把提取的物質(zhì)命名為蛋白質(zhì)（Protein,源自希臘語，意指“第一重要的”）德國化學家費希爾（E.Fischer）研究了蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，在1907年奠立蛋白質(zhì)化學。英國的鮑林（L.Pauling）在1951年推引出蛋白質(zhì)的螺旋；桑格（F.Sanger）在1953年測出胰島素的一級結(jié)構(gòu)。佩魯茨（M.F.Perutz）和肯德魯（J.C.kendrew）在1960年測定血紅蛋白和肌紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。1965年，我國生化學者首先合成了具有生物活性的蛋白質(zhì)胰島素（insulin）。蛋白質(zhì)是由L-a-氨基酸通過肽鍵縮合而成的，具有較穩(wěn)定的構(gòu)象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白質(zhì)是生命活動所依賴的物質(zhì)基礎，是生物體中含量最豐富的大分子。單細胞的大腸桿菌含有3000多種蛋白質(zhì)，而人體有10萬種以上結(jié)構(gòu)和功能各異的蛋白質(zhì)，人體干重的45%是蛋白質(zhì)。生命是物質(zhì)運動的高級形式，是通過蛋白質(zhì)的多種功能來實現(xiàn)的。新陳代謝的所有的化學反應幾乎都是在酶的催化下進行的，已發(fā)現(xiàn)的酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)。生命活動所需要的許多小分子物質(zhì)和離子，它們的運輸由蛋白質(zhì)來完成。生物的運動、生物體的防御體系離不開蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)在遺傳信息的控制、細胞膜的通透性，以及高等動物的記憶、識別機構(gòu)等方面都起著重要的作用。隨著蛋白質(zhì)工程和蛋白質(zhì)組學的興起和發(fā)展，人們對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的認識越來越深刻。第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成一、蛋白質(zhì)的元素組成經(jīng)元素分析，主要有C（50%?55%）、H（6%?7%）、O（19%?24%）、N（13%?19%）、S（0%?4%）。有些蛋白質(zhì)還含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。因此，可以用定氮法來推算樣品中蛋白質(zhì)的大致含量。每克樣品含氮克數(shù)X6.25X100=100g樣品中蛋白質(zhì)含量（g%）二、蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸蛋白質(zhì)在酸、堿或蛋白酶的作用下，最終水解為游離氨基酸（aminoacid），即蛋白質(zhì)組成單體或構(gòu)件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅20種（稱編碼氨基酸），最先發(fā)現(xiàn)的是天門冬氨酸（1806年），最后鑒定的是蘇氨酸（1938年）。（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)通式組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸有共同的結(jié)構(gòu)特點：1?氨基連接在a-C上，屬于a-氨基酸（脯氨酸為a-亞氨基酸）。R是側(cè)鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型。注意：構(gòu)型是指分子中各原子的特定空間排布，其變化要求共價鍵的斷裂和重新形成。旋光性是異構(gòu)體的光學活性，是使偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，（-）表示左旋，（+）表示右旋。構(gòu)型與旋光性沒有直接對應關系。（二）氨基酸的分類按R基的化學結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。按R基的極性和在中性溶液的解離狀態(tài)分為非極性氨基酸、極性不帶電荷、極性帶負電荷或帶正電荷的四類。帶有非極性R（烴基、甲硫基、吲哚環(huán)等，共9種）：甘（Gly）、丙（Ala）、纈（Val）、亮（Leu）、異亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp）帶有不可解離的極性R（羥基、巰基、酰胺基等，共6種）：絲（Ser）、蘇（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys）帶有可解離的極性R基（共5種）：天（Asp）、谷（Glu）、賴（Lys）、精（Arg）、組（His），前兩個為酸性氨基酸，后三個是堿性氨基酸。蛋白質(zhì)分子中的胱氨酸是兩個半胱氨酸脫氫后以二硫鍵結(jié)合而成，膠原蛋白中的羥脯氨酸、羥賴氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白質(zhì)加工修飾而成。（三）氨基酸的重要理化性質(zhì)1．一般物理性質(zhì)a-氨基酸為無色晶體，熔點一般在200oC以上。各種氨基酸在水中的溶解度差別很大（酪氨酸不溶于水）。一般溶解于稀酸或稀堿，但不能溶解于有機溶劑，通常酒精能把氨基酸從其溶液中沉淀析出。芳香族氨基酸（Tyr、Trp、Phe）有共軛雙鍵，在近紫外區(qū)有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm，Phe在265nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)含Tyr、Trp殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。兩性解離和等電點（isoelectriepoint,pl）氨基酸在水溶液或晶體狀態(tài)時以兩性離子的形式存在，既可作為酸（質(zhì)子供體），又可作為堿（質(zhì)子受體）起作用，是兩性電解質(zhì)，其解離度與溶液的pH有關。在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢和程度相等，成為兼性離子，呈電中性，此時溶液的pH稱為該氨基酸的等電點。氨基酸的pl是由a-羧基和a-氨基的解離常數(shù)的負對數(shù)pK1和pK2決定的。計算公式為：pI=l/2（pKl+pK2）。若1個氨基酸有3個可解離基團，寫出它們電離式后取兼性離子兩邊的pK值的平均值，即為此氨基酸的等電點（酸性氨基酸的等電點取兩羧基的pK值的平均值，堿性氨基酸的等電點取兩氨基的pK值的平均值）。氨基酸的化學反應氨基酸的化學反應是其基團的特征性反應。重要的有：（1）茚三酮反應所有具有自由a-氨基的氨基酸與過量茚三酮共熱形成藍紫色化合物（脯氨酸和羥脯氨酸與茚三酮反應產(chǎn)生黃色物質(zhì)）。用分光光度法可定量測定微量的氨基酸。藍紫色化合物的最大吸收峰在570nm波長處,黃色在440nm波長下測定。吸收峰值的大小與氨基酸釋放的氨量成正比。（2）與2，4-二硝基氟苯（DNFB）的反應在弱堿性溶液中，氨基酸的a-氨基很容易與DNFB作用生成穩(wěn)定的黃色2,4-二硝基苯氨基酸（DNP-氨基酸），這一反應在蛋白質(zhì)化學的研究史上起過重要作用，Sanger等人應用它測定胰島素一級結(jié)構(gòu)。多肽順序自動分析儀是根據(jù)相類似的原理設計的，即利用多肽鏈N端氨基酸的a-氨基與異硫氰酸苯酯PITC反應（Edman降解法）。三、肽（peptide）肽鍵與肽鏈一個氨基酸的a-羧基和另一個氨基酸的a-氨基脫水形成的酰胺鍵稱為肽鍵。由氨基酸通過肽鍵相連而成的化合物稱為肽。肽鍵及其兩端的a-碳原子相連所形成的長鏈骨架，即一Ca—C—N—Ca—C—N—Ca—C—N—Ca…稱為多肽主鏈，一CaCN—是重復單位。肽鍵是蛋白質(zhì)分子中的主要共價鍵。多肽鏈的方向性是從N末端指向C末端。肽分子中不完整的氨基酸稱為氨基酸殘基。肽按其序列從N端到C端命名。一般10肽以下屬寡肽，10肽以上為多肽。生物活性肽（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）是由Glu、Cys、Gly組成的一種三肽，又叫Y-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含Y-肽鍵）。Cys的-SH是主要功能基團，GSH是一種抗氧化劑，是某些酶的輔酶，可保護蛋白質(zhì)分子中的-SH免遭氧化，保護巰基蛋白和酶的活性。在GSH過氧化物酶的作用下，GSH還原細胞內(nèi)產(chǎn)生的H2O2，生成H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH還原酶催化下，又生成GSH。（2）多肽類激素和神經(jīng)肽人體內(nèi)有許多激素屬寡肽或多肽，如下丘腦—垂體分泌的催產(chǎn)素（9肽）、加壓素（9肽）、促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH，39肽）等。催產(chǎn)素和加壓素結(jié)構(gòu)僅第3、第8位兩個氨基酸殘基不同，前者使平滑肌收縮，有催產(chǎn)和使乳腺泌乳的作用；后者能使小動脈收縮，增高血壓，也有減少排尿的作用。神經(jīng)肽是在神經(jīng)傳導過程中起信號轉(zhuǎn)導作用的肽類。如腦啡肽（5肽）、B-內(nèi)啡肽（31肽）、強啡肽（17肽）等。隨著腦科學的發(fā)展，會發(fā)現(xiàn)更多的生物活性肽。第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是生物大分子，結(jié)構(gòu)比較復雜，人們用4個層次來描述，包括蛋白質(zhì)的一級、二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)描述的是蛋白質(zhì)的線性（或一維）結(jié)構(gòu)，即共價連接的氨基酸殘基的序列，又稱初級或化學結(jié)構(gòu)。二級以上的結(jié)構(gòu)稱高級結(jié)構(gòu)或構(gòu)象（conformation）。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）1953年，英國科學家F.Sanger首先測定了胰島素（insulin）的一級結(jié)構(gòu)，有51個氨基酸殘基，由一條A鏈和一條B鏈組成，分子中共有3個二硫鍵，其中兩個在A、B鏈之間，另一個在A鏈內(nèi)。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)測定或稱序列分析常用的方法是Edman降解和重組DNA法。Edman降解是經(jīng)典的化學方法，比較復雜。首先要純化一定量的待測蛋白質(zhì)，分別作分子量測定、氨基酸組成分析、N-末端分析、C-末端分析；要應用不同的化學試劑或特異的蛋白內(nèi)切酶水解將蛋白質(zhì)裂解成大小不同的肽段，測出它們的序列，對照不同水解制成的兩套肽段，找出重疊片段，最后推斷蛋白質(zhì)的完整序列。重組DNA法是基于分子克隆的分子生物學方法，比較簡單而高效，不必先純化該種蛋白質(zhì)，而是先要得到編碼該種蛋白質(zhì)的基因（DNA片段），測定DNA中核苷酸的序列，再按三個核苷酸編碼一個氨基酸的原則推測蛋白質(zhì)的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補充。目前，國際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫已有3千多種一級結(jié)構(gòu)清楚。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學功能的基礎。二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指其分子中主鏈原子的局部空間排列，是主鏈構(gòu)象（不包括側(cè)鏈R基團）。構(gòu)象是分子中原子的空間排列，但這些原子的排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象不同于構(gòu)型，一個蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價鍵情況下是可以改變的。但是蛋白質(zhì)中任一氨基酸殘基的實際構(gòu)象自由度是非常有限的，在生理條件下，每種蛋白質(zhì)似乎是呈現(xiàn)出稱為天然構(gòu)象的單一穩(wěn)定形狀。20世紀30年代末，L.Panling和R.B.Corey應用X射線衍射分析測定了一些氨基酸和寡肽的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了一組標準鍵長和鍵角，提出了肽單元（peptideunit）的概念，還提出了兩種主鏈原子的局部空間排列的分子模型（a-螺旋）和（B-折疊）。1．肽單位肽鍵及其兩端的a-C共6個原子處于同一平面上，組成了肽單位（所在的平面稱肽鍵平面）。肽鍵C—N鍵長為0.132nm，比相鄰的單鍵（0.147nm）短，而較C=N雙鍵（0.128nm）長，有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵平面上各原子呈順反異構(gòu)關系，肽鍵平面上的0、H以及2個a-碳原子為反式構(gòu)型（transconfiguration）。主鏈中的Ca—C和Ca—N單鍵可以旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角?、2決定了兩個相鄰的肽鍵平面相對關系。由于肽鍵平面的相對旋轉(zhuǎn)，使主鏈可以以非常多的構(gòu)象出現(xiàn)。事實上，肽鏈在構(gòu)象上受到很大限制，因為主鏈上有1/3不能自由旋轉(zhuǎn)的肽鍵，另外主鏈上有很多側(cè)鏈R的影響。蛋白質(zhì)的主鏈骨架由許多肽鍵平面連接而成。a-螺旋（a-helix）a-螺旋是肽鍵平面通過a-碳原子的相對旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點是：螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個氨基酸殘基，螺距約0.54nm（每個殘基上升0.15nm，旋轉(zhuǎn)1000）。相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。典型a-螺旋一對氫鍵0與N之間共有13個原子（3.613），前后間隔3個殘基。螺旋的走向絕大部分是右手螺旋，殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)。R基團的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對a-螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。B-折疊（B-pleatedsheet）B-折疊是一種肽鏈相當伸展的周期性結(jié)構(gòu)。相鄰肽鍵平面間折疊成1100角，呈鋸齒狀。兩個以上具B-折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列，形成B-折疊片層，其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。a-螺旋和B-折疊是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要形式。毛發(fā)中的a-角蛋白和蠶絲中的絲心蛋白是其典型，在許多球蛋白中也存在，但所占比例不一樣。膠原蛋白中存在的螺旋結(jié)構(gòu)不同于一般的a-螺旋，是由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋分子。鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性。B-轉(zhuǎn)角（B-turn）為了緊緊折疊成球蛋白的緊密形狀，多肽鏈1800回折成發(fā)夾或B-轉(zhuǎn)角。其處由4個連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成，常有Gly和Pro存在，穩(wěn)定B-轉(zhuǎn)角的作用力是第一個氨基酸殘基羰基氧（0）與第四個氨基酸殘基的氨基氫（H）之間形成的氫鍵°B-轉(zhuǎn)角常見于連接反平行B-折疊片的端頭。無規(guī)卷曲（randomcoil）多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無確定規(guī)律的卷曲。典型球蛋白大約一半多肽鏈是這樣的構(gòu)象。超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)二級至三級結(jié)構(gòu)層次的一種過渡態(tài)構(gòu)象。超二級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中兩個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段在空間上相互接近，形成一特殊的組合體，又稱為模體（motif）。通常有aa，BB，BaB等，例如鈣結(jié)合蛋白質(zhì)中的螺旋-環(huán)-螺旋模序及鋅指結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位，是在超二級結(jié)構(gòu)基礎上進一步繞曲折疊有獨特構(gòu)象和部分生物學功能的結(jié)構(gòu)。對于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是一個意思，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的；對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上的相對獨立的結(jié)構(gòu)域締合成三級結(jié)構(gòu)。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（tertiarystrueture）指一條多肽鏈中所有原子的整體排布，包括主鏈和側(cè)鏈。維系三級結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級鍵（疏水相互作用、靜電力、氫鍵等）。在序列中相隔較遠的氨基酸疏水側(cè)鏈相互靠近，形成“洞穴”或“口袋”狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基往往鑲嵌其內(nèi)，形成功能活性部位，而親水基團則在外，這也是球狀蛋白質(zhì)易溶于水的原因。1963年Kendrew等從鯨肌紅蛋白的X射線衍射圖譜測定它的三級結(jié)構(gòu)（153個氨基酸殘基和一個血紅素輔基，相對分子質(zhì)量為17800）。由A-H8段a-螺旋盤繞折疊成球狀，氨基酸殘基上的疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部形成一個袋形空穴，血紅素居于其中，富有極性及電荷的則在分子表面形成親水的球狀蛋白。四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）有些蛋白質(zhì)的分子量很大，由2條或2條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價鍵相互結(jié)合而成，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基（subunit），亞基單獨存在時一般沒有生物學功能，構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的幾個亞基可以相同或不同。如血紅蛋白（hemoglobin,Hb）是由兩個a-亞基和兩個B-亞基形成的四聚體（a2B2）。五、蛋白質(zhì)分子中的化學鍵蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是由共價鍵形成的，如肽鍵和二硫鍵。而維持空間構(gòu)象穩(wěn)定的是非共價的次級鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關系一、蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關系（一）一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎20世紀60年代初，美國科學家C.Anfinsen進行牛胰核糖核酸酶的變性和復性實驗，提出了蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)的命題。核糖核酸酶由124個氨基酸殘基組成，有4對二硫鍵。用尿素和B-巰基乙醇處理該酶溶液，分別破壞次級鍵和二硫鍵，肽鏈完全伸展，變性的酶失去催化活性；當用透析方法去除變性劑后，酶活性幾乎完全恢復，理化性質(zhì)也與天然的酶一樣。概率計算表明，8個半胱氨酸殘基結(jié)合成4對二硫鍵，可隨機組合成105種配對方式，而事實上只形成了天然酶的構(gòu)象，這說明一級結(jié)構(gòu)未破壞，保持了氨基酸的排列順序就可能回復到原來的三級結(jié)構(gòu)，功能依然存在。（二）種屬差異大量實驗結(jié)果證明，一級結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)和功能也相似，不同種屬的同源蛋白質(zhì)有同源序列，反映其共同進化起源，通過比較可以揭示進化關系。例如哺乳動物的胰島素，其一級結(jié)構(gòu)僅個別氨基酸差異（A鏈5、6、10位，B鏈30位），它們對生物活性調(diào)節(jié)糖代謝的生理功能不起決定作用。從各種生物的細胞色素C（cytochromee）的一級結(jié)構(gòu)分析，可以了解物種進化間的關系。進化中越接近的生物，它們的細胞色素e的一級結(jié)構(gòu)越近似。（三）分子病分子病是指機體DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子異常和蛋白質(zhì)生物合成的異常，進而導致機體某些功能和結(jié)構(gòu)隨之變異的遺傳病。在1904年，發(fā)現(xiàn)鐮刀狀紅細胞貧血病。大約化費了40多年才清楚患病原因，患者的血紅蛋白（HbS）與正常人的（HbA）相比，僅B-鏈的第6位上，Val取代了正常的Glu。目前全世界已發(fā)現(xiàn)有異常血紅蛋白400種以上。二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關系蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎，空間結(jié)構(gòu)變化，其功能也隨之改變。肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）是典型的例子。肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）都能與氧進行可逆的結(jié)合，氧結(jié)合在血紅素輔基上。然而Hb是四聚體分子，可以轉(zhuǎn)運氧；Mb是單體，可以儲存氧，并且可以使氧在肌肉內(nèi)很容易地擴散。它們的氧合曲線不同，Mb為一條雙曲線，Hb是一條S型曲線。在低p（02）下，肌紅蛋白比血紅蛋白對氧親和性高很多，p（02）為2.8torr（ltorr~133.3Pa）時，肌紅蛋白處于半飽和狀態(tài)。在高p（O2）下，如在肺部（大約100torr）時，兩者幾乎都被飽和。其差異形成一個有效的將氧從肺轉(zhuǎn)運到肌肉的氧轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。Hb未與氧結(jié)合時，其亞基處于一種空間結(jié)構(gòu)緊密的構(gòu)象（緊張態(tài)，T型），與氧的親和力小。只要有一個亞基與氧結(jié)合，就能使4個亞基間的鹽鍵斷裂，變成松弛的構(gòu)象（松弛態(tài)，R型）。T型和R型的相互轉(zhuǎn)換對調(diào)節(jié)Hb運氧的功能有重要作用。一個亞基與其配體結(jié)合后能促進另一亞基與配體的結(jié)合是正協(xié)同效應，其理論解釋是Hb是別構(gòu)蛋白，有別構(gòu)效應。第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和氨基酸相似，有兩性解離及等電點、紫外吸收和呈色反應。作為生物大分子，還有膠體性質(zhì)、沉淀、變性和凝固等特點。要了解和分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關系就要利用其特殊的理化性質(zhì)，采取鹽析、透析、電泳、層析及離心等不損傷蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的物理方法分離純化蛋白質(zhì)。一、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量在1萬~100萬，其顆粒平均直徑約為4.3nm（膠粒范圍是l~100nm）。準確可靠的測定方法是超離心法，蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量可用沉降系數(shù)（S）表示。在球狀蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)形成時，親水基團位于分子表面，在水溶液中與水起水合作用，因此，蛋白質(zhì)的水溶液具有親水膠體的性質(zhì)。顆粒表面的水化膜和電荷是其穩(wěn)定的因素，調(diào)節(jié)pH至pl、加入脫水劑等，蛋白質(zhì)即可從溶液中沉淀出來。透析法是利用蛋白質(zhì)不能透過半透膜的性質(zhì)，去掉小分子物質(zhì)，達到純化的目的。大小不同的蛋白質(zhì)分子可以通過凝膠過濾分開。又稱分子篩層析。二、蛋白質(zhì)的兩性解離蛋白質(zhì)和氨基酸一樣是兩性電解質(zhì)，在溶液中的荷電狀態(tài)受pH值影響。當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點°pH>pI時，該蛋白質(zhì)顆粒帶負電荷，反之則帶正電荷。在人體體液中多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點接近pH5,所以在生理pH7.4環(huán)境下，多數(shù)蛋白質(zhì)解離成陰離子。少量蛋白質(zhì)，如魚精蛋白、組蛋白的pl偏于堿性，稱堿性蛋白質(zhì)，而胃蛋白酶和絲蛋白為酸性蛋白。三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固蛋白質(zhì)在某些理化因素的作用下，空間結(jié)構(gòu)被破壞，導致理化性質(zhì)改變，生物學活性喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性（denaturation）。蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)是多肽鏈從卷曲到伸展的過程，不涉及一級結(jié)構(gòu)的改變（如加熱破壞氫鍵，酸堿破壞鹽鍵等）。變性作用不過于劇烈，是一種可逆反應，去除變性因素，有些蛋白質(zhì)原有的構(gòu)象和功能可恢復或部分恢復，稱為復性（denaturation）。蛋白質(zhì)變性的主要表現(xiàn)是失去生物學活性，如酶失去催化能力、血紅蛋白失去運輸氧的功能、胰島素失去調(diào)節(jié)血糖的生理功能等。變性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析出；易被蛋白水解酶消化。蛋白質(zhì)變性具有重要的實際意義。蛋白質(zhì)自溶液中析出的現(xiàn)象，稱為蛋白質(zhì)的沉淀。鹽析、有機溶劑、重金屬鹽、生物堿試劑都可沉淀蛋白質(zhì)。鹽析沉淀蛋白質(zhì)不變性，是分離制備蛋白質(zhì)的常用方法。如血漿中的清蛋白在飽和的硫酸銨溶液中可沉淀，而球蛋白則在半飽和硫酸銨溶液中發(fā)生沉淀。乙醇、丙酮均為脫水劑，可破壞水化膜，降低水的介電常數(shù)，使蛋白質(zhì)的解離程度降低，表面電荷減少，從而使蛋白質(zhì)沉淀析出。低溫時，用丙酮沉淀蛋白質(zhì)，可保留原有的生物學活性。但用乙醇，時間較長則會導致變性。重金屬鹽（Hg2+、Cu2+、A計），生物堿（如三彔乙酸、苦味酸、鞣酸）與蛋白質(zhì)結(jié)合成鹽而沉淀，是不可逆的。蛋白質(zhì)變性不一定沉淀（如強酸、強堿作用變性后仍然能溶解于強酸、強堿溶液中，將pH調(diào)至等電點，出現(xiàn)絮狀物，仍可溶解于強酸、強堿溶液，加熱則變成凝塊，不再溶解）。凝固是蛋白質(zhì)變性發(fā)展的不可逆的結(jié)果。沉淀的蛋白質(zhì)不一定變性（如鹽析）。四、蛋白質(zhì)的紫外吸收和呈色反應蛋白質(zhì)含芳香族氨基酸，在280nm波長處有特征性吸收峰，用于定量測定。蛋白質(zhì)分子中的多種化學基團具有特定的化學性能，與某些試劑產(chǎn)生顏色反應，可用于定性、定量分析。如蛋白質(zhì)分子中含有許多和雙縮脲結(jié)構(gòu)相似的肽鍵，在堿性溶液與硫酸銅反應產(chǎn)生紅紫色絡合物（雙縮脲反應）。酪氨酸含酚基，與米倫試劑生成白色沉淀，加熱后變紅色。Folin-酚試劑與酪氨酸反應生成藍色。色氨酸與乙醛酸反應，慢慢注入濃硫酸，出現(xiàn)紫色環(huán)。第五節(jié)蛋白質(zhì)的分類自然界蛋白質(zhì)分布廣泛，種類繁多，有1012~1013種。目前仍無法按蛋白質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)進行精確的分類，一般按蛋白質(zhì)的分子形狀、分子組成、生物功能進行分類。1．按分子形狀分為球狀蛋白質(zhì)和纖維狀蛋白質(zhì)。2．按分子組成分為簡單蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)。簡單蛋白質(zhì)完全水解的產(chǎn)物僅為a-氨基酸。這類蛋白質(zhì)按其溶解度等理化性質(zhì)分為7類。包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、精蛋白、組蛋白和硬蛋白。結(jié)合蛋白質(zhì)由簡單蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)（輔基）組成。根據(jù)輔基的不同，這類蛋白質(zhì)可分為5類。如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白和磷蛋白。細胞核中的核蛋白是DNA與組蛋白結(jié)合而成，細胞質(zhì)中的核糖體是RNA與蛋白質(zhì)組成的，已知的病毒也是核蛋白。免疫球蛋白是一類糖蛋白，由蛋白質(zhì)與糖以共價鍵相連而成；脂蛋白由蛋白質(zhì)與脂類通過非共價鍵相連，存在生物膜和動物血漿中。3．按蛋白質(zhì)功能分為活性蛋白質(zhì)和非活性蛋白質(zhì)?；钚缘鞍踪|(zhì)包括有催化功能的酶、有調(diào)節(jié)功能的激素、有運動、防御、接受和傳遞信息的蛋白質(zhì)以及毒蛋白、膜蛋白等。膠原、角蛋白、彈性蛋白、絲心蛋白等是非活性蛋白質(zhì)。第二章核酸的化學教學目標：掌握DNA和RNA在化學組分、分子結(jié)構(gòu)和生物功能上的特點。掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和t-RNA二級結(jié)構(gòu)的要點，了解核酸的三級結(jié)構(gòu)。3?熟悉核酸的性質(zhì)（一般性質(zhì)、DNA熱變性、復性與分子雜交）。4?掌握基因組的概念，原核生物和真核生物基因組的特點。了解DNA測序的原理。導入：核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎。它的發(fā)現(xiàn)和研究進展如何？1868年瑞士青年醫(yī)生Miescher從膿細胞核中分離出一種含磷量很高的酸性化合物，稱為核素。其繼任者Altman發(fā)展了從酵母和動物組織中制備不含蛋白質(zhì)的核酸的方法，于1889年提出核酸（nucleicacid）這一名稱。早期核酸研究因“四核苷酸假說”的錯誤進展緩慢。1943年Chargaff等揭示了DNA的堿基配對規(guī)律，1944年美國Avery利用致病肺炎球菌中提取的DNA使另一種非致病性的肺炎球菌的遺傳性狀發(fā)生改變而成為致病菌，發(fā)現(xiàn)正是DNA攜帶遺傳信息。Astbury、Franklin和Wilkins用X射線衍射法研究DNA分子結(jié)構(gòu)，得到清晰衍射圖。Watson和Crick在此基礎上于1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，說明了基因結(jié)構(gòu)、信息和功能三者之間的關系，奠定了分子生物學基礎。1958年Crick提出“中心法則”60年代破譯遺傳密碼，闡明3類RNA參與蛋白質(zhì)生物合成的過程；70年代誕生了基因重組和DNA測序生物技術，90年代提出人類基因組計劃，21世紀進入后基因組時代。核酸的研究成了生命科學中最活躍的領域之一。第一節(jié)核酸的化學組成天然存在的核酸有兩類，即脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）。DNA分子是生物體的遺傳信息庫，分布在原核細胞的核區(qū)，真核細胞的核和細胞器以及病毒中；RNA分子參與遺傳信息表達的一些過程，主要存在于細胞質(zhì)。一、核酸的基本組成單位核酸是一種多聚核苷酸，用不同的降解法得到其組成單位——核苷酸。而核苷酸又由堿基、戊糖和磷酸組成。（一）戊糖DNA含B-D-2-脫氧核糖，RNA含B-D-核糖。這是核酸分類的依據(jù)。核糖中的C記為1，……5\（二）堿基（base）核酸中的堿基有兩類：嘌吟堿和嘧啶堿。有5種基本的堿基外，還有一些含量甚少的稀有堿基。DNA和RNA中常見的兩種嘌吟堿是腺嘌吟（adenine，A）、鳥嘌吟（guanine，G）。而嘧啶堿有所不同：RNA主要含胞嘧啶（cytosine,C）、尿嘧啶（uracil,U）,DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine,T）。tRNA中含有較多的稀有堿基（修飾堿基），多為甲基化的。（三）核苷是堿基和戊糖生成的糖苷。通過C1'-N9或C1'-N1糖苷鍵連接，用單字符表示，脫氧核苷則在單字符前加d。常見的修飾核苷有：次黃苷或肌苷為I、黃嘌吟核苷X、二氫尿嘧啶核苷D、假尿苷甲等。注意符號的意義，如m5dC。（四）核苷酸是核苷的磷酸酯。生物體內(nèi)游離存在的多是5'-核苷酸（如pA、pdG等）。常見的核苷酸為AMP、GMA、CMP、UMP。常見的脫氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要輔酶的結(jié)構(gòu)成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；環(huán)化核苷酸（cAMP/cGMP）是細胞功能的調(diào)節(jié)分子和信號分子。ATP在能量代謝中起重要作用。核苷酸是兩性電解質(zhì),有等電點。核苷酸有互變異構(gòu)和紫外吸收。（含氧的堿基有酮式和烯醇式兩種互變異構(gòu)體，在生理pH條件下主要以酮式存在）二、核苷酸的連接方式RNA和DNA鏈都有方向性，從5'f3\前一位核苷酸的3'-OH與下一位核苷酸的5/位磷酸基之間形成3'，5'-磷酸二酯鍵，從而形成一個沒有分支的線性大分子，兩個末端分別稱為5'末端和3'末端。大分子的主鏈由相間排列的戊糖和磷酸構(gòu)成，而堿基可看作主鏈上的側(cè)鏈基團，主鏈上的磷酸基是酸性的，在細胞pH下帶負電荷；而堿基有疏水性。討論：列表說明DNA和RNA在化學組成、分子結(jié)構(gòu)和生物功能方面的主要特點。第二節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)一、DNA的一級結(jié)構(gòu)（primarystucture）DNA的一級結(jié)構(gòu)是指分子中脫氧核苷酸的排列順序，常被簡單認為是堿基序列（basesequence）。堿基序有嚴格的方向性和多樣性。一般將5'-磷酸端作為多核苷酸鏈的“頭”寫在左側(cè)，如pACUGA（5、3'。在DNA一級結(jié)構(gòu)中，有一種回文結(jié)構(gòu)的特殊序列，所謂回文結(jié)構(gòu)即DNA互補鏈上一段反向重復順序，正讀和反讀意義相同，經(jīng)反折可形成“十字形”結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)錄成RNA后可形成“發(fā)夾”樣結(jié)構(gòu)，有調(diào)控意義。fGCTAGTTCACTCTGAACAATT——CGATCAAGTGAGACTTGTTAA—DNA分子很大，最小的病毒DNA約含5000b。1965年Holley用片段重疊法完成酵母tRNAala76nt序列測定；1977年Sanger利用雙脫氧法（酶法）測定了?X174單鏈DNA5386b的全序列。1990年實施的人類基因組計劃（HGP）,用15年，投資30億美元，完成人類單倍體基因組DNA3X109bp全序列的測定。該計劃由美、英、日、法、德、中六國科學家合作，于2003年提前完成，生命科學進入后基因組時代，研究重點從測序轉(zhuǎn)向?qū)蚪M功能的研究。二、DNA的二級結(jié)構(gòu)雙螺旋（doublehelix）1953年，Watson和Crick根據(jù)Wilkins和Franklin拍攝的DNAX-射線照片（DNA有0.34nm和3.4nm兩個周期性變化）以及Chargaff等人對DNA的堿基組成的分析（A二T,G=C，A+G=C+T），推測出DNA是由兩條相互纏繞的鏈形成。Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型如下圖：兩條反向平行的多核苷酸鏈形成右手螺旋。一條鏈為5'—3'另一條為3'—5'（某些病毒的DNA是單鏈分子ssDNA）堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)，A與T，G與C配對，A與T形成兩個氫鍵，G與C形成三個氫鍵。糖基-磷酸基骨架在外側(cè)。表面有一條大溝和一小溝。螺距為3.4nm,含10個堿基對（bp），相鄰堿基對平面間的距離為0.34nm。螺旋直徑為2nm。氫鍵維持雙螺旋的橫向穩(wěn)定。堿基對平面幾乎垂直螺旋軸，堿基對平面間的疏水堆積力維持螺旋的縱向穩(wěn)定。堿基在一條鏈上的排列順序不受限制。遺傳信息由堿基序所攜帶。DNA構(gòu)象有多態(tài)性。Watson和Crick根據(jù)Wilkins和Franklin拍攝的DNAX-射線照片是相對濕度92%的DNA鈉鹽所得的衍射圖，因此Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)稱B-DNA。細胞內(nèi)的DNA與它非常相似。另外還有A-DNA、C-DNA、D-DNA。1979年Rich發(fā)現(xiàn)Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直徑1.8nm）三、DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋進一步盤曲所形成的空間構(gòu)象稱DNA的三級結(jié)構(gòu)。某些病毒、細菌、真核生物線粒體和葉綠體的DNA是環(huán)形雙螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物細胞核內(nèi)的DNA是很長的線形雙螺旋，通過組裝形成非常致密的超級結(jié)構(gòu)。環(huán)形DNA可形成超螺旋當將線性過旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個環(huán)時，都會自動形成額外的超螺旋來抵消過旋或欠旋造成的應力，目的是維持B構(gòu)象。過旋DNA會自動形成額外的左手螺旋（正超螺旋），而欠旋形成額外的右手螺旋（負超螺旋）。一段雙螺旋圈數(shù)為10的B-DNA連接成環(huán)形時，不發(fā)生進一步扭曲，稱松弛環(huán)形DNA（雙螺旋的圈數(shù)=鏈繞數(shù)，即T=L，超螺旋數(shù)W=0；L=T+W），但將這一線形DNA的螺旋先擰松一圈再連接成環(huán)時，解鏈環(huán)形DNA存在的扭曲張力，可導致雙鏈環(huán)向右手方向扭曲形成負超螺旋（T=10,L=9,W=-1）。在生物體內(nèi)，絕大多數(shù)超螺旋DNA以負超螺旋的形式存在，也就是說，一旦超螺旋解開，則會形成解鏈環(huán)形DNA，有利于DNA復制或轉(zhuǎn)錄。螺旋具有相同的結(jié)構(gòu)，但L值不同的分子稱為拓撲異構(gòu)體。DNA拓撲異構(gòu)酶切斷一條鏈或兩條鏈，拓撲異構(gòu)體可以相互轉(zhuǎn)變。W的正表示雙鏈閉環(huán)的螺旋圈在增加，W的負表示減少。L和T的正負表示螺旋方向，右手為正，左手螺旋為負；L值必定是整數(shù)。2．真核細胞染色體真核細胞DNA是線形分子，與組蛋白結(jié)合，其兩端固定也形成超螺旋結(jié)構(gòu)。DNA被緊密地包裝成染色體來自三個水平的折疊：核小體、30nm纖絲和放射環(huán)。核小體是染色體的基本結(jié)構(gòu)單位，是DNA包裝的第一步，它由DNA結(jié)合到組蛋白上形成復合物，在電鏡下顯示為成串的“念珠”狀。組蛋白是富含精氨酸和賴氨酸的堿性蛋白質(zhì)，其氨基酸序列在進化中是高度保守的。組蛋白有5種，H2A、H2B、H3和H4各兩分子組成的八聚體是核小體核心顆粒，DNA纏繞其上，相鄰核小體間的DNA稱為連接DNA且結(jié)合H1。200bpDNA的長度約為68nm，被壓縮在10nm的核小體中。壓縮比約為7。30nm纖絲是第二級壓縮，每圈含6個核小體，壓縮比是6。30nm螺旋管再纏繞成超螺旋圓筒，壓縮比是40。再進一步形成染色單體，總壓縮近一萬倍。典型人體細胞的DNA理論長度應是180cm，被包裝在46個5口m的染色體中。四、DNA和基因組DNA分子中的最小功能單位稱作基因，為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因稱結(jié)構(gòu)基因，DNA中具調(diào)節(jié)功能而不轉(zhuǎn)錄生成RNA的片段稱調(diào)節(jié)基因?；蚪M（genome）是某生物體所含的全部基因，即全部DNA或完整的單套遺傳物質(zhì)（配子中的整套基因）。細菌、噬菌體、大多數(shù)動植物病毒的基因組即指單個DNA分子。最小病毒如SV40的基因組僅有5226b，含5個基因。大腸桿菌含4.6X106bp，有3000~4000個基因，DNA完全伸展總長約1.3mm。原核生物基因組的特點是：結(jié)構(gòu)簡煉，絕大部分為蛋白質(zhì)編碼（結(jié)構(gòu)基因）；有轉(zhuǎn)錄單元，即功能相關的基因常串聯(lián)一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA（多順反子mRNA）中；有基因重疊現(xiàn)象，即同一段DNA攜帶兩種不同蛋白質(zhì)的信息。真核生物基因一般分布在若干條染色體上，其特點是：有重復序列（按重復次數(shù)分單拷貝序、中度重復序和高度重復序）；有斷裂基因（由不編碼的內(nèi)含子和編碼的外顯子組成）。酵母基因組有1.35X107bp，含6374個基因。人類基因組有3X109bp，含4萬個基因。第三節(jié)RNA的分子結(jié)構(gòu)RNA通常以單鏈形式存在，比DNA分子小得多，由數(shù)十個至數(shù)千個核苷酸組成。RNA鏈可以回折且通過A與U,G與C配對形成局部的雙螺旋，不能配對的堿基則形成環(huán)狀突起，這種短的雙螺旋區(qū)和環(huán)稱為發(fā)夾結(jié)構(gòu)。RNA的C2/位羥基是游離的，是一個易發(fā)生不良反應的位置，它使RNA的化學性質(zhì)不如DNA穩(wěn)定，能較DNA產(chǎn)生更多的修飾組分。RNA的種類、大小、結(jié)構(gòu)都比DNA多樣化，按照功能的不同和結(jié)構(gòu)的特點，RNA主要分為tRNA、rRNA和mRNA三類。此外，細胞的不同部位還存在著另一些小分子RNA，如核內(nèi)小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞質(zhì)小RNA（scRNA）等，分別參與mRNA的前體（hnRNA）和rRNA的轉(zhuǎn)運和加工過程。一、轉(zhuǎn)運RNA（transferRNA，tRNA）分子量最小的RNA，約占總RNA的15%。主要功能是在蛋白質(zhì)生物合成過程中，起著轉(zhuǎn)運氨基酸的作用。2.1965年Holley等測定了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級結(jié)構(gòu)，并提出二級結(jié)構(gòu)模型。一級結(jié)構(gòu)特點：核苷酸殘基數(shù)在73~95；含有較多的稀有堿基（如mG、DHU等）；5/-末端多為pG,3/-末端都是-CCA。tRNA的二級結(jié)構(gòu)為“三葉草”形，包括4個螺旋區(qū)、3個環(huán)及一個附加叉。各部分的結(jié)構(gòu)都和它的功能有關。5＇端1~7位與近3＇端67~72位形成的雙螺旋區(qū)稱氨基酸臂，似“葉柄”，3＇端有共同的-CCA-OH結(jié)構(gòu)，用于連接該RNA轉(zhuǎn)運的氨基酸。3個環(huán)是二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼子環(huán)、T甲C環(huán)。1973~1975年S.H.Kim的X射線衍射分析表明，tRNA的三級結(jié)構(gòu)呈倒L字母形，反密碼環(huán)和氨基酸臂分別位于倒L的兩端。二、信使RNA（messengerRNA，mRNA）細胞內(nèi)含量較少的一類RNA，約占總RNA的3%。其功能是將核內(nèi)DNA的堿基順序（遺傳信息）按堿基互補原則轉(zhuǎn)錄至核糖體，指導蛋白質(zhì)的合成。種類多，作為不同蛋白質(zhì)合成的模板，其一級結(jié)構(gòu)差異很大。真核細胞的mRNA有不同于原核細胞的特點：3'-末端有多聚A（polyA）尾，5'-末端加有一個“帽”式結(jié)構(gòu)，（m7Gppp）。代謝活躍，壽命較短。三、核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）約占細胞總RNA的80%。主要功能是與多種蛋白質(zhì)組成核糖體，是蛋白質(zhì)合成的場所。核糖體在結(jié)構(gòu)上可分離為大小兩個亞基。原核細胞的rRNA有3種，23S與5SrRNA在大亞基，16S在小亞基。真核細胞有4種rRNA，其中大亞基含28S、5.8S、5S,小亞基只有18S。各種rRNA的一級結(jié)構(gòu)中的核苷酸殘基數(shù)及其順序都不相同，且有特定的二級結(jié)構(gòu)。第四節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般理化性質(zhì)DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末；都微溶于水，不溶于一般有機溶劑。常用乙醇從溶液中沉淀核酸。具有大分子的一般特性。分子大小可用Da、b或bp、S、鏈長（口m）表示。一個bp相當?shù)暮塑账崞骄肿恿繛?60Da；1口m長的DNA雙螺旋相當3000bp或2X106Da。兩性電解質(zhì)。各種核酸的大小及所帶的電荷不同，可用電泳和離子交換法分離ORNA在室溫下易被稀堿水解，DNA較穩(wěn)定，此特性用來測定RNA的堿基組成和純化DNA。紫外吸收，最大吸收峰在260nm處，核酸的變性或降解，吸光度A升高，稱為增色效應。二、核酸的變性和復性變性的概念在理化因素作用下，核酸的雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈無規(guī)線團狀態(tài)的過程。變性的因素有熱、酸、堿、乙醇、尿素等。變性的本質(zhì)是次級鍵的變化。變性的結(jié)果是紫外吸收值明顯增加（增色效應），DNA粘度下降，生物學功能部分或全部喪失。DNA的熱變性和TmDNA熱變性過程中，紫外吸收值增高，有一個特征性曲線稱熔解曲線，通常將熔解曲線的中點，即紫外吸收值達到最大值50%時的溫度稱為解鏈溫度，又叫熔點（Tm）。DNA的熱變性是爆發(fā)式的，像結(jié)晶的溶解一樣，只在很狹窄的溫度范圍內(nèi)完成，一般在70~800C之間。變性溫度與堿基組成、DNA長度及變性條件有關。GC含量越高，Tm越大；DNA越長，Tm越大；溶液離子強度增高，Tm增加。DNA的復性與分子雜交變性DNA在適當條件下，兩條互補鏈可重新配對，恢復天然雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復性。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火（annealing）。影響復性速度的因素很多，如單鏈DNA的起始濃度、溫度（最適復性溫度是比Tm約低250C）、鹽濃度、片斷長度、序列復雜性等。分子雜交是以核酸的變性和復性為基礎，只要不同來源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成堿基互補配對的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA雜化雙鏈，這個現(xiàn)象稱為核酸分子雜交（hybridization）。標記一個來源的核酸（放射性同位素或熒光標記），通過雜交可以檢測與其有互補關系的DNA或RNA,這種標記的核酸稱為基因探針（geneprobe），也就是一段帶有檢測標記，且順序已知，與目的基因互補的核酸序列?；蛱结樀摹凹苫?就是基因芯片（genechip）。是把已經(jīng)測序的基因固定在硅片或玻璃片上制成的。在醫(yī)療診斷和科學研究中已被快速地運用。三、核酸的序列測定DNA序列是指攜帶遺傳信息的DNA分子中的A、C、G、T的序列。分析方法主要有兩種，一種是Maxam-Gilbert化學法，另一種是Sanger的雙脫氧法。現(xiàn)在一般都采用后者，其基本原理是：用凝膠電泳分離待測的DNA片段（用作模板）。將模板、引物、4種dNTP、合適的聚合酶置于4個試管，每一試管按精確比例各加入一種ddNTP，用同位素或熒光物質(zhì)標記。利用ddNTP可特異地終止DNA鏈延長的特點，4個試管的聚合反應可以得到一系列大小不等、被標記的片段。將4個反應管同時加到聚丙烯凝膠上電泳，標記片段按大小分離，放射自顯影后可按譜型讀出DNA序列。在以上兩種方法的基礎上，通過與計算機技術和熒光技術的結(jié)合，發(fā)明了自動測序儀。目前，常用的測序策略是“鳥槍法”，形象地說是將較長的基因片段打斷，構(gòu)建一系列的隨機亞克隆，然后測定每個亞克隆的序列，用計算機分析以發(fā)現(xiàn)重疊區(qū)域，最終對大片段的DNA定序。第二章酶教學目標：掌握酶的概念和作用特點，了解酶的分類與命名。熟悉酶的分子組成、結(jié)構(gòu)與功能（單純酶和結(jié)合酶，酶的輔因子、維生素的類別與功能，酶的活性部位，酶原激活，同工酶、變構(gòu)酶和抗體酶）。熟悉酶的作用機制。熟悉影響酶促反應的因素（酶濃度、底物濃度、溫度、pH、激活劑與抑制劑；掌握酶促反應速度的表示、米氏方程和米氏常數(shù)的意義）。了解酶的制備與應用。第一節(jié)概論導入：酶學知識來源于生產(chǎn)與生活實踐。我們祖先很早就會制醬和釀酒。西方國家于1810年發(fā)現(xiàn)酵母可將糖轉(zhuǎn)化為酒精；1833年，Payen及Persoz從麥芽的水抽提物中用酒精沉淀得到一種熱不穩(wěn)定物，可使淀粉水解成可溶性糖；1878年德國科學家屈內(nèi)（Kuhne）首先把這類物質(zhì)稱為酶（enzyme，其意“在酵母中”）。1860年法國科學家巴斯德（Pasteur）認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果，細胞破裂則失去發(fā)酵作用。1897年，Buchner兄弟首次用不含細胞的酵母提取液實現(xiàn)了發(fā)酵，證明發(fā)酵是酶作用的化學本質(zhì)，獲得1911年諾貝爾化學獎。1926年，美國生化學家Sumner第一次從刀豆得到脲酶結(jié)晶，并證明是蛋白質(zhì)。1930年，Northrop得到胃蛋白酶的結(jié)晶（1946年二人共獲諾貝爾化學獎）。1963年測定第一個牛胰RNaseA序列（124aa）；1965年揭示卵清溶菌酶的三維結(jié)構(gòu)（129aa）。一、酶的概念酶是由活細胞合成的，對其特異底物起高效催化作用的生物催化劑（biocatalyst）。已發(fā)現(xiàn)的有兩類：主要的一類是蛋白質(zhì)酶（enzyme），生物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)4000多種，數(shù)百種酶得到結(jié)晶。美國科學家Cech于1981年在研究原生動物四膜蟲的RNA前體加工成熟時發(fā)現(xiàn)核酶“ribozyme”，為數(shù)不多，主要做用于核酸（1989年的諾貝爾化學獎）。二、酶的作用特點酶所催化的反應稱為酶促反應。在酶促反應中被催化的物質(zhì)稱為底物，反應的生成物稱為產(chǎn)物。酶所具有的催化能力稱為酶活性。酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的共性，如在反應前后酶的質(zhì)和量不變；只催化熱力學允許的化學反應，即自由能由高向低轉(zhuǎn)變的化學反應；不改變反應的平衡點。但是，酶是生物大分子，又具有與一般催化劑不同的特點。1．極高的催化效率酶的催化效率通常比非催化反應高108?1020倍，比一般催化劑高107?1013倍。例如，脲酶催化尿素的水解速度是H+催化作用的7X1012倍；碳酸酐酶每一酶分子每秒催化6X105CO2與水結(jié)合成H2CO3,比非酶促反應快107倍。2．高度的特異性酶對催化的底物有高度的選擇性，即一種酶只作用一種或一類化合物，催化一定的化學反應，并生成一定的產(chǎn)物，這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。有結(jié)構(gòu)專一性和立體異構(gòu)專一性兩種類型。結(jié)構(gòu)專一性又分絕對專一性和相對專一性。前者只催化一種底物，進行一種化學反應。如脲酶僅催化尿素水解。后者可作用一類化合物或一種化學鍵。如酯酶可水解各種有機酸和醇形成的酯。在動物消化道中幾種蛋白酶專一性不同，胰蛋白酶只水解Arg或Lys羧基形成的肽鍵；胰凝乳蛋白酶水解芳香氨基酸及其它疏水氨基酸羧基形成的肽鍵。立體異構(gòu)專一性指酶對底物立體構(gòu)型的要求。例如乳酸脫氫酶催化L-乳酸脫氫為丙酮酸，對D-乳酸無作用；L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，對D-氨基酸無作用。3．酶活性的可調(diào)節(jié)性酶促反應受多種因素的調(diào)控，通過改變酶的合成和降解速度可調(diào)節(jié)酶的含量；酶在胞液和亞細胞的隔離分布構(gòu)成酶的區(qū)域化調(diào)節(jié)；代謝物濃度或產(chǎn)物濃度的變化可以抑制或激活酶的活性；激素和神經(jīng)系統(tǒng)的信息，可通過對關鍵酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)和共價修飾來影響整個酶促反應速度。所以酶是催化劑又是代謝調(diào)節(jié)元件，酶水平的調(diào)節(jié)是代謝調(diào)控的基本方式。4．酶的不穩(wěn)定性酶主要是蛋白質(zhì)，凡能使蛋白質(zhì)變性的理化因素均可影響酶活性，甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比較溫和的條件(37°C、1atm、pH7)。三、酶的分類與命名酶的分類根據(jù)國際酶學委員會(InternationalEnzymeCommission，IEC)的規(guī)定，按照酶促反應的性質(zhì)，分為六大類：氧化還原酶(oxidoreductases)催化底物進行氧化還原反應。如乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細胞色素氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等。轉(zhuǎn)移酶(transferases)催化底物之間某些基團的轉(zhuǎn)移或交換。如甲基轉(zhuǎn)移酶、氨基轉(zhuǎn)移酶、磷酸化酶等。水解酶(hydrolases)催化底物發(fā)生水解反應。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。裂解酶(lyases)催化底物裂解或移去基團(形成雙鍵的反應或其逆反應)。如碳酸酐酶、醛縮酶、檸檬酸合成酶等。異構(gòu)酶(isomerases)催化各種同分異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)化。如磷酸丙糖異構(gòu)酶、消旋酶等。合成酶(ligases)催化兩分子底物合成一分子化合物，同時偶聯(lián)有ATP的分解釋能。如谷氨酰胺合成酶、氨基酸-RNA連接酶等。酶的命名1961年，國際酶學委員會(IEC)主要根據(jù)酶催化反應的類型，把酶分為6大類，制定了系統(tǒng)命名法。規(guī)定每一酶只有一個系統(tǒng)名稱，它標明酶的所有底物與催化反應性質(zhì)，底物名稱之間以“：”分隔，同時還有一個由4個數(shù)字組成的系統(tǒng)編號。如谷丙轉(zhuǎn)氨酶的系統(tǒng)名稱是丙氨酸：a-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶(酶表中的統(tǒng)一編號是EC2.6.1.2)。乳酸脫氫酶的編號是EC1.1.1.27。第二節(jié)酶的分子組成、結(jié)構(gòu)和功能一、酶的分子組成(一)單純酶和結(jié)合酶單純酶是僅由肽鏈構(gòu)成的酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。結(jié)合酶由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成，前者稱為酶蛋白(apoenzyme)，決定酶的特異性和高效率；后者稱為輔助因子(cofactor),決定反應的種類和性質(zhì)。兩者結(jié)合形成的復合物稱為全酶(holoenzyme)，這兩部分對于催化活性都是必需的。酶蛋白有單條肽鏈和多個亞基組成的。前者稱為單體酶，為數(shù)不多，均為水解酶，如胰蛋白酶、核糖核酸酶、溶菌酶等；多個相同或不同亞基以非共價鍵連接的酶稱為寡聚酶，如磷酸化酶a,3-磷酸甘油醛脫氫酶等。細胞內(nèi)存在著許多由幾種不同功能的酶彼此嵌合形成的多酶復合體，即多酶體系，它利于一系列反應的連續(xù)進行，如丙酮酸脫氫酶體系、脂肪酸合成酶復合體。在多酶體系中，能影響整條代謝途徑方向和速度的酶稱為關鍵酶，關鍵酶通常催化單向不平衡反應，或者是該多酶體系中催化活性最低的限速酶。（二）酶的輔因子酶的輔助因子指金屬離子或小分子有機化合物（又稱輔酶與輔基）。金屬離子約2/3的酶含有金屬離子，常見的是K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。金屬離子的作用是多方面的：參與酶的活性中心；在酶蛋白與底物之間起橋梁作用；維持酶分子發(fā)揮催化作用所必需的構(gòu)象；中和陰離子，降低反應中的靜電斥力。輔酶與輔基輔酶與輔基是一些化學穩(wěn)定的小分子有機物，是維生素樣的物質(zhì)，參與酶的催化過程，在反應中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團。輔酶與酶蛋白的結(jié)合疏松，可以用透析或超濾方法除去；輔基則與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用上述方法除去。一種酶蛋白只能與一種輔助因子結(jié)合成一種特異的酶，但一種輔助因子可以與不同的酶蛋白結(jié)合構(gòu)成多種特異性酶，以催化各種化學反應。維生素（Vitamin）是維持機體正常生命活動所必需的一類小分子有機物，基本不能在體內(nèi)合成，即使有幾種能自行合成，也因合成量不足而必須從食物中攝取。維生素的需要量及缺乏癥是營養(yǎng)學的課題。維生素原意是“生命中必不可少的胺”，波蘭學者凡克把從米糠中提取出治療腳氣病有效的成分命名為維生素，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)13種，按溶解性分為水溶性和脂溶性兩大類。脂溶性維生素以獨立發(fā)揮作用為主，A、D、E、K具有一些特殊的生理功能。以下8種水溶性的維生素都以輔酶的形式參與結(jié)合酶的組成。也有些本身就是輔酶，如硫辛酸、抗壞血酸。含維生素的輔酶及其主要功能維生素輔酶形式反應類型硫胺素（B1）焦磷酸硫胺素（TPP）a-酮酸氧化脫羧反應核黃素（B2）黃素單核苷酸（FMN）黃素腺嘌吟二核苷酸（FAD）氧化還原反應煙酸或煙酰胺（PP）煙酰胺腺嘌吟二核苷酸（NAD+）煙酰胺腺嘌吟二核苷酸磷酸（NADP+）氧化還原反應泛酸輔酶A（CoA-SH）酰基轉(zhuǎn)移反應吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺（B6）磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺轉(zhuǎn)氨基作用、脫羧作用生物素生物胞素CO2的固定葉酸四氫葉酸一碳單位轉(zhuǎn)移鉆胺素（B12）5＇-脫氧腺苷鈷胺素甲鈷胺素1，2--氫原子轉(zhuǎn)移甲基轉(zhuǎn)移二、酶的活性部位酶的活性部位（activesite）是它結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，又稱活性中心。它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠的氨基酸殘基形成的三維小區(qū)（為裂縫或為凹陷）。酶活性部位的基團屬必需基團，有二種：一是結(jié)合基團，其作用是與底物結(jié)合，生成酶-底物復合物；二是催化基團，其作用是影響底物分子中某些化學鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學反應并促進底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，也有的必需基團同時有這兩種功能。還有一些化學基團位于酶的活性中心以外的部位，為維持酶活性中心的構(gòu)象所必需，稱為酶活性中心以外的必需基團。構(gòu)成酶活性中心的常見基團有組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、半胱氨酸的巰基等。如絲氨酸蛋白酶家族的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶，都催化蛋白質(zhì)的肽鍵使之水解，但底物的專一性由它們的底物-結(jié)合部位中氨基酸基團的性質(zhì)所決定，與其作用的底物互補。像胰蛋白酶，在它的底物-結(jié)合部位有帶負電荷的Asp殘基，可與底物側(cè)鏈上帶正電荷的Lys和Arg相互作用，切斷其羧基側(cè)；胰凝乳蛋白酶在它的底物-結(jié)合部位有帶小側(cè)鏈的氨基酸殘基，如Gly和Ser，使底物龐大的芳香的和疏水氨基酸殘基得以進入，切斷其羧基側(cè)；彈性蛋白酶有相對大的Val和Thr不帶電荷的氨基酸側(cè)鏈，凸出在它的底物-結(jié)合部位，阻止了除Ala和Gly小側(cè)鏈以外的所有其他氨基酸。三、酶原激活沒有活性的酶的前體稱為“酶原”，酶原轉(zhuǎn)變成酶的過程稱為酶原激活。其實質(zhì)是酶活性部位形成或暴露的過程。一些與消化作用有關的酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成和分泌時，沒有催化活性。胃蛋白酶原在H+作用下，自N端切下幾個多肽碎片，形成酶催化所需的空間結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為胃蛋白酶。胰蛋白酶原隨胰液進入小腸時被腸激酶激活，自N端切除一個6肽，促使酶的構(gòu)象變化，形成活性中心，轉(zhuǎn)變成有活性的胰蛋白酶。酶原的生物合成和酶原激活一般不在同一組織、細胞或細胞器中進行。酶原的激活具有重要的生理意義，不僅保護細胞本身不受酶的水解破壞，而且保證酶在特定的部位與環(huán)境中發(fā)揮催化作用。四、同工酶、變構(gòu)酶、抗體酶（一）同工酶（isozymes）具有不同的分子形式但卻催化相同的化學反應的一組酶稱為同工酶。1959年發(fā)現(xiàn)的第一個同工酶是乳酸脫氫酶（LDH）,它在NADH存在下，催化丙酮酸的可逆轉(zhuǎn)化生成乳酸。它是一個寡聚酶，由兩種不同類型的亞基組成5種分子形式：H4、H3M、H2M2、HM3、M4，它們的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和電泳行為不同，但催化同一反應，因為它們的活性部位在結(jié)構(gòu)上相同或非常相似。M亞基主要存在骨骼肌和肝臟，而H亞基主要在心肌。心肌梗死的情況可通過血液LDH同工酶的類型的檢測確定。（二）變構(gòu)酶（allostericenzyme）變構(gòu)酶又稱別構(gòu)酶，是一類調(diào)節(jié)代謝反應的酶。一般是寡聚酶，酶分子有與底物結(jié)合的活性部位和與變構(gòu)劑非共價結(jié)合的調(diào)節(jié)部位，具有變構(gòu)效應。引起變構(gòu)效應的物質(zhì)稱為變構(gòu)效應劑。降低酶活性的稱變構(gòu)抑制劑或負效應物；反之，稱為變構(gòu)激活劑或正效應物。變構(gòu)酶與血紅蛋白一樣，存在著協(xié)同效應。變構(gòu)酶催化的反應速度與底物濃度的關系常呈S形曲線，這和非調(diào)節(jié)酶的動力學曲線——雙曲線不同。變構(gòu)酶多為限速酶。在多酶體系，限速酶一般位于代謝途徑的起點或分支點上，對控制反應總速度起關鍵作用。如異檸檬酸脫氫酶就是一個變構(gòu)酶，是三羧酸循環(huán)的關鍵酶，NAD+、ADP和檸檬酸是該酶的變構(gòu)激活劑，而NADH和ATP是變構(gòu)抑制劑。（三）抗體酶（abzyme）既是抗體又具有催化功能的蛋白質(zhì)稱為“抗體酶或催化性抗體”，其本質(zhì)是免疫球蛋白，但是在易變區(qū)賦予了酶的屬性。1986年科學家根據(jù)過渡態(tài)理論和免疫學原理，運用單克隆抗體技術成功地制備了具有酶活性的抗體。這加深了人們對酶作用原理的理解，而且在臨床醫(yī)學及制藥業(yè)等方面有很好的應用。第三節(jié)酶的作用機制一、酶的催化本質(zhì)現(xiàn)代化學反應速度理論是過渡態(tài)理論。在一個化學反應體系中，反應物從“初態(tài)”到“過渡態(tài)”，轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物即到達“終態(tài)”?！斑^渡態(tài)”是底物分子被激活的不穩(wěn)定態(tài)，不同于反應中間物，它具有最高能量，又處在一個短暫的分子瞬間，某些化學鍵正在斷裂和形成并達到能生成產(chǎn)物或再返回生成反應物的程度。酶催化的反應速度快是降低反應的能壘，即降低底物分子所必須具有的活化能。催化和非催化反應，其反應物和產(chǎn)物間總的標準自由能差是一樣的。二、中間產(chǎn)物學說和誘導契合學說酶的作用機制包含酶如何同底物結(jié)合以及怎樣加快反應速度兩個內(nèi)容。20世紀初和40年代，科學家就提出了酶-底物復合物的形成和過渡態(tài)概念，即E+S-ES-E+P。酶和底物形成中間產(chǎn)物的學說已為實驗所證實，且分離到若干種ES結(jié)晶。已有兩種模型解釋酶如何結(jié)合它的底物。1894年Fischer提出鎖和鑰匙模型，底物的形狀和酶的活性部位彼此相適合，這是一種剛性的和固定的組合。1958年Koshland提出誘導契合模型，底物的結(jié)合在酶的活性部位誘導出構(gòu)象變化；酶也可使底物變形，迫使其構(gòu)象近似于它的過渡態(tài)。這種作用是相互誘導、相互變形、相互適應的柔性過程。酶的誘導契合三、影響酶催化效率的因素酶促反應高效率的原因常常是多種催化機制的綜合應用，除酶-底物結(jié)合的誘導契合假說外，還有：（一）鄰近效應與定向排列在兩個以上底物參與的反應中，由于酶的作用，底物被聚集到酶分子表面，彼此相互靠近并形成正確的定向關系，大大提高了底物的局部濃度，底物被催化的部位定向地對準酶的活性中心，實際上是將分子間的反應變成類似于分子內(nèi)的反應，從而大大提高催化效率。（二）多元催化酶分子中含有多種不同功能基團，如氨基、羧基、巰基、酚羥基、咪唑基等。既可作質(zhì)子供體，又可作質(zhì)子受體，使同一酶分子常可起廣義酸催化和堿催化；即可起親核催化，又可起親電子催化。這些因素并不是在所有的酶中同時都一樣的起作用，對不同的酶起主要作用的因素不完全相同。第四節(jié)酶促反應動力學酶促反應動力學是研究酶促反應的速率和影響此速率的各種因素的科學。一、酶反應速度的測量反應的速率也稱速度（velocity）,是以單位時間內(nèi)反應物或生成物濃度的改變來表示。測定酶反應速度時，一般要求非常高的底物濃度以使實驗測定的起始反應速率與酶濃度成正比。以產(chǎn)物的生成量對時間作圖，繪制反應過程曲線，不同時間的反應速度就是時間為不同值時曲線的斜率。通常采用反應的初速度Vo,即以零時點為起點作一與曲線的線性部分相切的直線，這一直線的斜率即等于Vo,這可以避免底物濃度因被消耗而相對降低以及反應物堆積等因素對反應速度的抑制作用。（產(chǎn)物出現(xiàn)的速率或底物消失速率可根據(jù)特殊波長下吸收光的變化用分光光度計測定。）二、酶濃度對反應速度的影響當研究某一因素對酶促反應速度的影響時，體系中的其他因素保持不變，而只變動所要研究的因素。當?shù)孜餄舛冗h大于酶濃度時，酶促反應速度與酶濃度的變化成正比。三、底物濃度對酶反應速度的影響（一）米-曼氏方程式1913年，Michaelis和Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說進行數(shù)學推導，得出V與［S］的數(shù)學方程式，即米-曼氏方程式。1925年Briggs和Haldane提出穩(wěn)態(tài)理論，對米氏方程做了一項重要的修正。底物濃度對酶促反應速度的影響呈雙曲線。當?shù)孜餄舛容^低時，V與［S］呈正比關系（一級反應）；隨著［S］的增高，V的增加逐步減慢（混合級反應）；增到一定程度，V不再增加而是趨于穩(wěn)定（零級反應）。當［S］VVKm時，v=Vmax［S］/Km，反應速度與底物濃度成正比；當［S］>>Km時,v竺Vmax，反應速度達到最大速度，再增加［S］也不影響V。（二）Km的意義當V/v=2時，Km=［S］,Km是反應速率v等于最大速率V—半時的底物濃度，單位為摩爾/升（mol/L）。Km=K2+K3/K1，當K2>>K3時，Km值可用來表示酶對底物的親和力。Km值越小，酶與底物的親和力越大；反之，則越小。Km是酶的特征性常數(shù)，它只與酶的結(jié)構(gòu)和酶所催化的底物有關，與酶濃度無關。Km和Vmax可用圖解法根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測出。通過測定在不同底物濃度下的V0，再用1/Vo對1/［S］的雙倒數(shù)作圖，又稱Lineweaver-BurK作圖法，即取米氏方程式倒數(shù)形式。四、pH對反應速度的影響每一種酶只能在一定限度的pH范圍內(nèi)才表現(xiàn)活力，酶表現(xiàn)最大活力時的pH稱為酶的最適pH。最適pH的微小偏離可使酶活性部位的基團離子化發(fā)生變化而降低酶的活性，較大偏離時，維護酶三維結(jié)構(gòu)的許多非共價鍵受到干擾，導致酶蛋白的變性。酶的最適pH不是固定的常數(shù)，受酶的純度、底物的種類和濃度、緩沖液的種類和濃度等的影響。一般酶的最適pH在4~8之間，植物和微生物體內(nèi)的酶最適pH多在4.5~6.5,而動物體內(nèi)的最適pH多在6.5~8,多在6.8左右。但也有例外，如胃蛋白酶最適pH為1.9,胰蛋白酶的最適pH為8.1,肝精氨酸酶的最適pH為9.0。Vo對pH的關系圖形是鐘形曲線。五、溫度對反應速度的影響溫度對Vo關系的圖形是一條曲線，它可清楚地表示出最適溫度。多數(shù)哺乳動物的酶最適溫度在37°C左右，植物體內(nèi)酶的最適溫度在50~60C。也有些微生物的酶適應在高溫或低溫下工作。溫度從兩方面影響酶促反應速率，是升高溫度提高反應速率和酶遇熱易變性失活兩個相反效應間的平衡。六、激活劑對反應速度的影響凡能使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)稱為酶的激活劑（activator）。必需激活劑常是金屬離子，如Mg2+、K+、Mn2+等，Mg2+是多種激酶和合成酶的必需激活劑；非必需激活劑是有機化合物和Cl-等，如膽汁酸鹽是胰脂肪酶，Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活劑。七、抑制劑對反應速度的影響使酶活性下降而不導致酶變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。抑制劑作用有可逆和不可逆抑制兩類。以可逆抑制最為重要。（一）不可逆抑制作用這類抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心上的必需基團相結(jié)合，使酶失活，一般不能用透析、超濾等物理方法去除。這類抑制作用可用某些藥物解毒，使酶恢復活性。如農(nóng)藥敵百蟲、敵敵畏、1059等有機磷化合物能特異地與膽堿酯酶活性中心的絲氨酸羥基結(jié)合，使酶失活，導致乙酰膽堿不能水解而積存。迷走神經(jīng)興奮呈現(xiàn)中毒狀態(tài)。解磷定（PAM）可解除有機磷化合物對羥基酶的抑制作用，顯然這類解毒藥物和有機磷農(nóng)藥結(jié)合的強度大于和酶結(jié)合。重金屬鹽引起的巰基酶中毒，可用絡合劑或加入其他過量的巰基化合物，如二巰基丙醇（BAL）來解毒。（二）可逆抑制作用這類抑制劑通常以非共價鍵與酶可逆性結(jié)合，使酶活性降低或失活，采用透析、超濾的方法可去除抑制劑，恢復酶活性?？赡嬉种朴懈偁帯⒎歉偁?、反競爭3種類型，以競爭性抑制研究的最多。三種作用的共同點是因Km和Vmax值的變化導致酶促反應初速度下降。競爭性抑制劑的結(jié)構(gòu)與底物類似，且在酶的同一部位（活性中心）和酶結(jié)合，僅在加大底物濃度時才逐漸抵消，顯然Km值要增加，Vmax不變。非競爭性抑制劑不直接影響酶與底物的結(jié)合，酶同時和二者結(jié)合生成的中間產(chǎn)物是三元復合物，也無正常產(chǎn)物生成，所以Km不變，而Vmax減小。反競爭抑制劑促進酶與底物的結(jié)合，形成的三元復合物也不能形成正常產(chǎn)物，所以Km變小，Vmax也變小。藥物是酶的抑制劑。競爭性抑制原理應用范例是磺胺藥的研制。磺胺藥和細菌合成葉酸所需的對氨基苯甲酸僅一個碳原子之別（變成了S）,使細菌的葉酸不能正常合成，導致細菌的核苷酸合成受阻而死亡。而人以攝入葉酸為主，故磺胺藥對人的核酸合成無影響。第五節(jié)酶的制備和應用一、酶的制備酶可以從動物、植物、微生物等各種原料中提取或用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)酶制劑。酶在生物體內(nèi)與大量其他物質(zhì)共同存在，含量很少，又是有催化活性蛋白質(zhì)，除了采用分離純化蛋白質(zhì)的一般方法，如鹽析、有機溶劑沉淀、吸附、凝膠過濾、超離心法外，還要注意防止強酸、強堿、高溫和劇烈攪拌等，以避免酶活力的損失。胞內(nèi)酶和胞外酶的提取在處理方法上有所不同。胞內(nèi)酶需要先用搗碎、砂磨、凍融、或自溶等方法將細胞破壞，然后再用適當?shù)姆蛛x純化技術提出。酶的活力（activity）就是酶加快其所催化的化學反應速度的能力。一般用催化反應的起始速率（Vo）表示，Vo的單位是微摩爾/分，也可用國際單位（U）和“開特”（Kat）表示。1分鐘內(nèi)催化1微摩爾的作用物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的酶量為1U；1秒鐘內(nèi)催化1摩爾的作用物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的酶量為1Kat°1微摩爾/分=1U=16.67nKat（1Kat=6X107U）。比較酶制劑的純度可用比活力（specificactivity），即每毫克蛋白質(zhì)中所含的U數(shù)。二、酶的應用早在19世紀末，就有酶制劑的商品生產(chǎn)，目前已有1千多種，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥以及科學研究中日益發(fā)揮它的巨大作用。例如淀粉酶用于紡織品的退漿，可節(jié)約大量的堿并提高棉布的質(zhì)量。處理飼料以增加其營養(yǎng)價值。脂肪酶用于食品增香、羊毛洗滌。蛋白酶用于皮革業(yè)的脫毛、蠶絲脫膠、肉類嫩化、酒類澄清、洗滌劑去污等。葡萄糖異構(gòu)酶用來制造果糖漿，葡糖氧化酶用來除去罐頭中殘余的氧。酶可作為試劑用于臨床檢驗，如酶聯(lián)免疫測定；作為藥物用于臨床治療，如胃蛋白酶、胰蛋白酶助消化，鏈激酶、尿激酶治療血栓的形成；基因工程中應用各種限制性核酸內(nèi)切酶進行科研和生產(chǎn)。酶的開發(fā)和利用是現(xiàn)代生物技術的重要內(nèi)容。1971年命名了酶工程（enzymeengineering），這是把酶學原理與化學工程技術及基因重組技術相結(jié)合而形成的新型應用技術。酶工程可分為化學酶工程和生物酶工程。前者指天然酶、化學修飾酶、固定化酶及人工模擬酶的研究和生產(chǎn)；后者指克隆酶、突變酶和合成新酶等內(nèi)容的研究和應用。第四章新陳代謝總論與生物氧化教學目標：掌握新陳代謝的概念與特點，了解新陳代謝研究方法。了解生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律。掌握生物氧化的概念、特點、部位，主要酶類和體系。熟悉生物氧化中二氧化碳、水的生成，掌握呼吸鏈的組成、類型和傳遞體順序。掌握氧化磷酸化的概念、類型、偶聯(lián)部位和P/O比值，熟悉影響氧化磷酸化因素、胞液中NADH的氧化和偶聯(lián)機制。第一節(jié)新陳代謝總論一、新陳代謝的概念與特點生物體是一個與環(huán)境保持著物質(zhì)、能量和信息交換的開放體系。通過物質(zhì)交換建造和修復生物體（按人的一生計,交換物質(zhì)的總量約為體重的1200倍,人體所含的物質(zhì)平均每10天更新一半）。通過能量交換推動生命運動，通過信息交換進行調(diào)控，保持生物體和環(huán)境的適應。新陳代謝（metabolism）是指生物與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換和能量交換的全過程。包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用（即同化作用和異化作用）。人和動物的物質(zhì)代謝分為三個階段：食物、水、空氣進入機體（攝取營養(yǎng)物的消化和吸收）、中間代謝和代謝產(chǎn)物的排泄。中間代謝是指物質(zhì)在細胞中的合成與分解過程，合成是吸能反應，分解是放能反應。它們是矛盾對立和統(tǒng)一的。所以，新陳代謝的功能是：從周圍環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)；將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件；將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子；形成或分解生物體特殊功能所需的生物分子；提供機體生命活動所需的一切能量。各種生物具有各自特異的新陳代謝類型，這決定于遺傳和環(huán)境條件。綠色植物及某些細菌有光合作用，若干種細菌有固氮作用，是自養(yǎng)型的；動物與人是異養(yǎng)生物，同化作用必須從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過消化吸收進入中間代謝。同一生物體的各個器官或不同組織還具有不同的代謝方式。各種生物的新陳代謝過程雖然復雜，卻有共同的特點：生物體內(nèi)的絕大多數(shù)代謝反應是在溫和條件下，由酶催化進行的。物質(zhì)代謝通過代謝途徑，在一定的部位，嚴格有序地進行。各種代謝途徑彼此協(xié)調(diào)組成有規(guī)律的反應體系（網(wǎng)絡）。生物體對內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應性和靈敏的自動調(diào)節(jié)。二、新陳代謝的研究方法代謝途徑的研究比較復雜，可從不同水平，主要對中間代謝進行研究。新陳代謝途徑的闡明凝集了許多科學家的智慧與實驗成果。如1904年德國化學家Knoop提出的脂肪酸的B氧化學說，1937年Krebs提出的檸檬酸循環(huán)。活體內(nèi)（invivo）和活體外（invitro）實驗同位素示蹤法和核磁共振波譜法（NMR）代謝途徑阻斷法三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律服從熱力學原理。熱力學第一定律是能量守恒定律，熱力學第二定律指出，熱的傳導自高溫流向低溫。機體內(nèi)的化學反應朝著達到其平衡點的方向進行。2?生化反應最重要的熱力學函數(shù)是吉布斯自由能G。自由能是在恒溫、恒壓下，一個體系作有用功的能力的度量。用于判斷反應可否自發(fā)進行，是放能或耗能反應。AGV0,表示體系自由能減少，反應可以自發(fā)進行，但是不等于說該反應一定發(fā)生或以能覺察的速率進行，是放能反應。AG>0,反應不能自發(fā)進行，吸收能量才推動反應進行。AG=0,體系處在平衡狀態(tài)。自由能與另外兩個函數(shù)有關，AG=AH-TAS（AH是總熱量的變化，AS是總熵的改變，T是體系的絕對溫度）。標準自由能變化用AGO,表示（25OC,1個大氣壓，pH為7,反應物和產(chǎn)物濃度為1mol/L時所測得，單位是kj/mol）。AGO,和化學平衡的關系AG=AGO，+RTln[C][D]/[A][B]AG=0時，AGO，=-RTln[C][D]/[A][B]=-RTlnK=-2.303RTlgK（R為氣體常數(shù)，lnK為平衡常數(shù)的自然對數(shù)。K>1,AGO,為負值，反應趨于生成物的方向進行；KV1,AGO，為正值。）注意：AG只取決于產(chǎn)物與反應物的自由能之差，與反應歷程無關?？傋杂赡茏兓扔诟鞑椒磻杂赡茏兓拇鷶?shù)和。熱力學上不利的吸能反應可以偶聯(lián)放能反應來推動以保持代謝途徑一連串反應的進行。四、高能化合物與ATP的作用高能化合物（high-energycompound）指化合物含有的自由能特多，且隨水解反應或基團轉(zhuǎn)移反應釋放。最重要的有高能磷酸化合物，還有硫酯類和甲硫類高能化合物。高能磷酸化合物的酸酐鍵常用?P表示，水解時釋放的自由能大于20kJ,稱為高能磷酸鍵。生化中“高能鍵”的含義與化學中的“鍵能”完全不同。“鍵能”指斷裂一個化學鍵需提供的能量。ATP是細胞內(nèi)特殊的自由能載體。在標準狀況，ATP水解為ADP和Pi的AGO，=-30kJ/mol，水解為AMP和PPi的AGO,=-32kJ/moloATP的AGO，在所有的含磷酸基團的化合物中處于中間位置，這使ATP在機體起