生物化学讲义归纳

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1、第一篇 生物大分子的结构与功能生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)是指生物体内由分子量较低的基本结构单位按一定顺序和方式连接而成的多聚化合物。包括核酸、蛋白质、多糖、蛋白聚糖和复合脂类等。 自然界典型的生物大分子的分子量在104以上第 一 章蛋白质的结构与功能一、蛋白质的生物学重要性1. 蛋白质是生物体重要组成成分分布广：蛋白质普遍存在于生物界；所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。2. 蛋白质具有重要的生物学功能 1）作为生物催化剂（酶）2）调节蛋白(激素、酶)3）防御蛋白(免疫球蛋白)4）转运蛋白(载体)5）收缩或运动 (肌动蛋白)6）营养

2、和储存蛋白（外源蛋白）7）结构蛋白（胶原、弹性蛋白）8)其他 ：信息传递、受体识别等3. 氧化供能二、蛋白质定义蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思 ，是生命的物质基础蛋 白 质 的 分 子 组 成The Molecular Component of Protein 一、蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘

3、 蛋白质元素组成的特点各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量 ( g % )= 每克样品含氮克数 6.25100二、氨基酸(amino acid，aaAA) 组成蛋白质的基本结构单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L- a-氨基酸（甘氨酸除外）（一）氨基酸的一般结构式除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为：(1). 分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的-碳原子上都有一个氨基，因而称为-氨基酸。(

4、2). 除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的-碳原子都为不对称碳原子 A. 都具有旋光性；B. 都具有D-型和L-型两种立体异构体。 组成人体蛋白质的氨基酸都为L-型。（二）氨基酸的分类根据侧链极性进行分类非极性R基氨基酸：水中溶解度小于极性R基氨基酸不带电荷的极性R基氨基酸：水中溶解度大于非极性R基氨基酸带正电荷的R基氨基酸：生理条件下带正电荷带负电荷的R基氨基酸：生理条件下带负电荷（三）氨基酸的理化性质1. 两性解离及等电点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。等电点(isoelectric point, pI) 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

5、，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。2. 紫外吸收色氨酸、酪氨酸的苯丙氨酸等芳香族氨基酸最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有色氨酸、酪氨酸，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。3. 茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。三、肽键和多肽链（一）肽键和肽(peptide)肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的化学键。肽是由氨基酸通过肽键缩合

6、而形成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。多肽链有两端N 末端：多肽链中有自由氨基的一端C 末端：多肽链中有自由羧基的一端（二）生物活性肽1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)2. 多肽类激素及神经肽多肽和蛋白质的区别：（参照）氨基酸残基数量100 分子量：10KD有无

7、严密且相对稳定的空间结构：四、蛋白质的分类（一）、依据蛋白质的分子形状和空间构型1.球状蛋白质：外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶大多数蛋白质属于这一类。2.纤维状蛋白质：分子类似纤维或细棒分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质（二）、依据蛋白质的组成分为简单蛋白和结合蛋白1.简单蛋白：又称为单纯蛋白质（1）清蛋白和球蛋白：广泛存在于动物组织中，易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。 （2）谷蛋白和醇溶蛋白：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于7080乙醇中。（3）精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。（4）硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分

8、为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。2.结合蛋白：由单纯蛋白与其它非蛋白成分结合而成（1）色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。（2）糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。（3）脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清a-、b-脂蛋白等。（4）核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。（5）磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。（三）、按功能分为活性蛋白和非活性蛋白（四）、家族分类法蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protei

9、n蛋白质的分子结构包括:一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure)三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)一、蛋白质的一级结构（primary structure）定义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。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。二、蛋白质的二级结构(secondary structure)蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子

10、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 氢键:当氢原子与氧、氮、氟等负电性很大的原子成键时，由于电子云向负电性大的原子作很大偏移，使氢原子核暴露，于是氢核的正电荷与第二个分子中的负电性强的氟、氧或氮原子产生静电引力，此引力即为氢键。它是一种特殊的偶极与偶极间的作用力，其数值约为21KJ/mol，较一般分子间力10KJ/mol大，但只及一般共价键的1/101/20。特点：有方向性和饱和性，可存在于分子间或分子内。（一）肽单元参与肽键的6个原子Ca1、C、O、N、H、Ca2位于同一平面，Ca1和Ca2在平面上所处的位置为反式(trans)构型， NH上的H和CO上的O

11、方向总是相反,此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。蛋白质二级结构的主要形式a-螺旋 ( a -helix ) b-折叠 ( b-pleated sheet ) b-转角 ( b-turn )卷曲 (coil ) （二） a-螺旋1). 组成人体蛋白质右手螺旋：是从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构，肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的碳原子组成(N-C-C )，交替形成了肽链主链，螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，每圈上下螺距为0.54nm，每个残基向上移动0.15nm2). 稳定力量：氢键，每个肽键平面的CO和第4个肽键上的NH形成氢键，且氢键

12、方向与螺旋长轴基本平行3). 侧链：氨基酸残基侧链R在螺旋外侧 （三）b-折叠（又称b-片层）b-折叠特点：1) 肽键平面充分伸展，呈锯齿状2）每个肽单元以碳原子为旋转点，依次折叠。氨基酸残基的侧链交替位于锯齿状结构的上下方。3）稳定力量：氢键，方向与b -折叠的长轴垂直4）锯齿状结构一般比较短，只含5-8个氨基 酸残基（四）非重复二级结构b-转角和卷曲Super-secondary structure（超二级结构）Between secondary and tertiary structure超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或二个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，相互作用，形

13、成一个有规则的二级结构聚集体，被称为超二级结构。模体(motif)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构象，其具有特征性的氨基酸排列顺序，并且同特定的功能相了解.即具有特殊功能的超二级结构称为基序或模体模体常见的形式-螺旋-转角（或环）-螺旋模体链-转角-链模体链-转角-螺旋-转角-链模体J结构域：大分子蛋白质由于相邻的超二级结构紧密了解，形成两个或多个在空间上具有明显区别的局部区域，这种局部区域各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能叫做结构域三、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。主要的化学键疏水

14、键、离子键、二硫键、氢键和 Van der Waals力等。 四、蛋白质的四级结构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)。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。亚基之间的结合力主要是氢键和离子键等非共价键。蛋白质四级结构内涵：亚基的数目、种类、空间排列方式 自然界蛋白质的亚基数目多为偶数，可有相同或不同的亚基组成。若亚基相同，称为纯聚体；亚基不同，称为杂聚体，不同亚基一般用a 、b、 r等来命名。并不是所有的蛋白质都具有四级结构判断的依据： *两条以上多肽链组成，每一条多肽链都有完整的

15、三级结构 *亚基间的连接键都是非共价键亚基单独存在时一般不具备此蛋白的生物活性，只有按特定方式组装成具有四级结构时，蛋白质才具有生物活性分子伴侣分子伴侣(chaperon) 是细胞一类保守蛋白质，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。1. 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 2. 伴侣素(chaperonins) GroEL和GroES家族伴侣素的主要作用为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。 （二）蛋白质一级结构的种属差异一、蛋白质一级结构与功能的关系 1一级结构相似的蛋白质具有相似的高

16、级结构与功能2氨基酸序列提供重要的生物进化信息（二）一级结构与分子病由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。（涉及蛋白质分子结构异常或氨基酸的缺失、替换等） 1、蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。2、蛋白质分子中一些非关键部位的氨基酸残基改变或缺失则不会影响蛋白的生理活性二、蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的别构效应具有两个或两个以上亚基的蛋白质1、别构效应（allosteric effect）指一些小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，引起蛋白质亚基间一些次级键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包

17、括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性发生改变的过程。变构剂：引起变构作用的小分子物质变构蛋白：能发生变构效应的蛋白2、意义 具有四级结构蛋白质，通过别构作用，其活性得到不断调整，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。3、举例:肌红蛋白与血红蛋白的结构与其功能 与氧结合的情况Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。* 协同效应(cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同

18、效应。 如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity)如果是抑整理用则称为负协同效应 (negative cooperativity)致病机理：正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。症状是：脾气改变，容易紧张、激怒；姿势和步态改变，难以站立，身体平衡障碍，运动失调；产奶量下降，体重下降。潜伏期长，一般28年。症状出现后，进行性加重，一般只需2个星期到6个月，疯牛以死亡而告终。患病牛年龄多在35岁。到目前为止，对疯牛病尚无有效的治疗方法，亦无有效的生前检测手段，一般是通过尸检脑组织，经病理

19、检验而确诊。疯牛病脑组织病理特征: 广泛海绵状空泡，胶质细胞增生，神经元退行性变，淀粉样蛋白沉积一、理化性质 （一）蛋白质的两性电离 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 * 蛋白质的等电点( 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。（二）蛋白质的高分子性质 （胶体性质） * 蛋白质胶粒稳定的因素 颗粒表面电荷水化膜（三）蛋白质的沉淀、变性和凝固 1、蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白质肽

20、链融会相互缠绕继而聚集，从溶液中析出。引起沉淀的因素盐析: 中性盐，高浓度硫酸铵有机溶剂：乙醇，丙酮 (pI)重金属盐：Cu2+,Ag+,Hg2+生物碱试剂:苦味酸，鞣酸等加热(pI)2、蛋白质的变性(denaturation)概念：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和生物活性的改变。变性的本质 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。 造成变性的因素（物理、化学）如紫外线、超声波、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。 应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外, 防止蛋白质变

21、性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。 变性后理化性质的改变： 溶解度降低 黏度增加 结晶能力消失 生物活性丧失 易被蛋白酶水解变性可逆变性：Pr变性后如将变性剂除去，该Pr分子的天然构象和生物学活性还能恢复。不可逆变性：若变性条件强烈，作用时间长，构像变化大，理化性质难以恢复。*复性: 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，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) 。 “变性的蛋白质易于沉淀，但不一定沉淀；有时蛋白质发生沉淀，也并不一定变性。”* 3、蛋白质的絮凝及凝固作用强酸强碱使蛋白质变性后，蛋白质仍能溶于强酸强碱中，若将强酸强碱溶液的P

22、H调至等电点，则变性的蛋白质立即结成絮状的不容物，这种现象称为变性蛋白质的絮凝作用（flocculation）。 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，称为蛋白质的凝固作用(protein coagulation) 。是蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果 总结：Pr变性、沉淀与凝固之间的关系：变性Pr不一定沉淀 沉淀Pr不一定变性变性Pr不一定凝固 凝固的Pr一定变性（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。（五）蛋白质的呈色反应茚

23、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。 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，此反应称为双缩脲反应，氨基酸不出现此反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。二、蛋白质的分离和纯化根据蛋白质等电点、溶解度、分子量大小及形状、电离性质、生物学功能的差异进行分离纯化（一）透析及超滤法* 透析(dialysis)利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。操作: Pr溶液置半透膜袋中，置流动溶剂（如蒸馏水）中，使小分子杂质（如无机盐、单糖、双糖、AA、小肽等）透出，蛋白

24、质留于袋中而得到分离。材料：特制的半透膜，截止分子量一般为一万。* 超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。（二）有机溶剂沉淀、盐析及免疫沉淀*使用丙酮沉淀时，必须在04低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。 *盐析(salt precipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。 * 免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物

25、的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。 （三）电泳蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳(elctrophoresis) 。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。 水平板电泳四）层析层析(chromatography)分离蛋白质的原理待分离蛋白质溶液（流动相）经过一个固态物质（固定相）时，根据溶液中待分离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力等，使待分离的蛋白质组分在两相中反复分配，并以不同速度流经固定相而达到分离蛋白质的目的 。蛋白质分离常用的层析方法凝胶过滤(gel filtra

26、tion)又称分子筛层析，利用各蛋白质分子大小不同分离。* 离子交换层析：利用各蛋白质的电荷量及性质不同进行分离。凝胶过滤法离子交换层析法定义: 利用离子交换树脂作为支持物，将带有不同电荷的Pr进行分离的方法。分类: 阳离子交换树脂,如羧甲基纤维素等阴离子交换树脂,如二乙基氨基乙基 纤维素等（五）超速离心蛋白质结构的测定蛋白质空间结构测定* 二级结构测定通常采用圆二色光谱(circular dichroism，CD)测定溶液状态下的蛋白质二级结构含量。 a-螺旋的CD峰有222nm处的负峰、208nm处的负峰和198 nm处的正峰三个成分；而b-折叠的CD谱不很固定。 三聚氰胺（英文名Mela

27、mine），是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。简称三胺 微溶于冷水，极微溶于热乙醇，不溶于醚、苯和四氯化碳，可溶于甲醇、甲醛、乙酸、热乙二醇、甘油、吡啶等。低毒。在一般情况下较稳定，但在高温下可能会分解放出氰化物。由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷，三聚氰胺也常被不法商人用作食品添加剂，以提升食品检测中的蛋白质含量指标，因此三聚氰胺也被人称为“蛋白精”。蛋白质主要由氨基酸组成，其含氮量一般不超过30%，而三聚氰胺的分子式含氮量为66左右。通用的蛋白质测试方法“凯氏定氮法”是通过测出含氮量来估算蛋白质含量，因此，添加三聚氰胺会使得食品的蛋白质测试含量偏高，从而使劣

28、质食品通过食品检验机构的测试。有人估算在植物蛋白粉和饲料中使测试蛋白质含量增加一个百分点，用三聚氰胺的花费只有真实蛋白原料的1/5。三聚氰胺作为一种白色结晶粉末，没有什么气味和味道，掺杂后不易被发现。第 二 章核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid第一节 概述核酸在实践应用方面有极重要的作用，现已发现近2000种遗传性疾病都和DNA结构有关。核 酸(anucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。第二节 核酸的基本结构单位：核苷酸1. 元素组成C、H、O、N、P2. 分子组成 核苷(ribonucle

29、oside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP核苷酸的连接一个核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成3,5-磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子第三节DNA分子的结构与功能一、定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。DNA携带两类遗传信息1、有功能活性的DNA序列

30、携带的信息2、调控信息5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase,简写b或kb)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。 DNA的空间结构(spatial structure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构（三级结构）。二、 DNA的二级结构双螺旋结构（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick,

31、 1953）：两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。：脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。：碱基配对：碱基平面垂直螺旋轴, 与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 螺旋旋转一周正好为10个碱基对，螺距为3.4nm，这样相邻碱基平面间隔为0.34nm并有一个36的夹角。螺旋直径为2nm。：稳定力量： 互补碱基对的氢键维持双链横向稳定性疏水性的碱基堆积力维持双链纵向稳定性。：DNA双螺旋的表面存在大沟（major groove）和小沟（minor groove），蛋白质分子通过这些沟与碱基相识别或

32、结合（三）DNA双螺旋结构的多样性三、DNA的三级结构超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同，双螺旋绕数增加。 负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反，双螺旋绕数减少。 意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4四、

33、DNA是遗传信息的物质基础DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。第四节 RNA分子的结构与功能RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA比DNA小的多。其种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。一 、信使RNA(messenger RNA,mRNA)的结构与功能*特征：种类最多，占总RNA1%5% 分子量大小不一 半衰期短1、大部分真核细胞mRNA的5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构 帽子结构:m7GpppNpmRNA的帽

34、结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。 2. 大多数真核mRNA的3末端有一个长短不一多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。帽子结构和多聚A尾的功能 ：mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控 3、成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成4、三联体密码(triplet coden)：mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号5、真核生物是单顺反子* 原核生物mRNA结构特点1、原核生物是多顺反子：每分子mRNA带有编码几种蛋白质的遗传信息。编码区的序列之间有

35、间隔序列，间隔序列含有核糖体识别、结合部位，有5、3非编码区2、无帽子与多聚A结构3、一般没有修饰碱基* mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。二、转运RNA (transfer RNA, tRNA)的结构与功能* 特征：分子量小,由7393核苷酸组成,占总RNA15%具有较好的稳定性* tRNA的结构特点含 1020% 稀有碱基，如 DHU， Ty 3末端为 CCA-OH 5末端核苷酸往往是G 30%碱基是保守的* tRNA的二级结构三叶草形（4环4臂） 氨基酸臂(接纳茎) DHU环(814b) 反密码环 额外

36、环(可变环) (421) T环(大小相对恒定)tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。 tRNA的反密码子识别mRNA的密码子* tRNA的三级结构 倒L形* tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。三、核蛋白体RNA (ribosomal RNA, rRNA)结构与功能* 特征：含量最多，占总RNA80%以上* rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。* rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA

37、18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA 第 五 节 核 酸 的 理 化 性 质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid一、核酸的一般理化性质1、核酸的大小和测定核酸分子大小的表示方法：分子量： 道尔顿， Da 碱基数： 单链（base ,b）;双链(base pair,bp)沉降系数：S 链长： 1um长DNA双螺旋相当于3000bp或2106Da 测定方法：电泳法、离心法2、溶解度和粘度 微溶于水，不溶于有机溶剂；细胞内以钠盐的形式存在3、核酸的水解DNA和RNA中的糖苷键和磷酸二酯键都可以用化

38、学法或酶法水解4、核酸的两性电解核酸为多元酸，具有较强的酸性碱基为可水解的碱性基团二、核酸的紫外吸收核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。三、DNA的变性、复性和杂交1、变性(denaturation)：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高解链曲线解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance）值作图，所得的曲线称为解链曲线。 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成

39、，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，又称融解温度(melting temperature, Tm)。1）其大小与G+C含量成正比，G+C含量越高，Tm越高2）DNA链越长Tm越高2、DNA的复性与分子杂交 DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在

40、着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。探针 (probe) 一小段用同位素、生物素或荧光染料标标记其末端或全链的已知序列的多聚核苷酸。与固定在NC膜上的核苷酸结合，判断是否有同源的核酸分子存在。 探针技术在遗传性疾病诊断上已开始应用。 例如诊断地中海贫血或血红蛋白病，可以由已确诊的病人白细胞中提取DNA，这就是诊断探针。用诊断探针检查，不但可以对有症状患者进行确诊，还可以发现一些没

41、有症状的隐性遗传性疾病。从胎儿的羊水也可以提取到少量DNA。 由于探针技术比较灵敏，就使遗传性疾病的产前诊断较为容易办得到了。杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，在生物学和医学的研究中，以及临床诊断中得到了日益广泛的应用。核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置测定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础 第 六 节 核 酸 酶 Nuclease核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解RNA。

42、依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶。核酸酶的功能参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。体外重组DNA技术中的重要工具酶 。 核 酶催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。 催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 第 三 章 酶本章重点：酶的化学结构和其催化活性之间的关系酶促反应动力学第 一 节 生物催化剂在生命活动中的重要性酶的概念现代科学认为酶是由活细

43、胞所产生，能在体内或体外发挥相同催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子，包括核酸和蛋白质等根据生物催化剂的化学本质分类：蛋白质类酶 :核酸类的酶：核酶和脱氧核酶蛋白质非核酸类的生物催化剂: 模拟酶一般意义酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。酶的不同形式:单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctional enzyme)或串联

44、酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。第二节酶的分子结构The Molecular Structure一、 酶的分子组成结合酶 (conjugated enzyme)*各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的专一性和高效性辅助因子决定反应的种类与性质金属离子是最多见的辅助因子 金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属活化酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。 金属离子的作用稳定酶的构象； 参与催化反

45、应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用其主要作用是在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。辅助因子分类按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶 (coenzyme):与酶蛋白非共价结合，较疏松，可用透析或超滤的方法除去。 辅基 (prosthetic group):与酶蛋白共价键结合，较紧密，不能用透析或超滤的方法除去，在反应中不能离开酶蛋白二、酶的活性中心必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。酶的活性中心(active center)或称活性部位(active

46、 site)，指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，能与底物特异结合并将底物转化为产物。活性中心内的必需基团三、酶原与酶原的激活酶原 (zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。 酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化， 使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。四、 同工酶* 定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学

47、性质不同的一组酶。根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。 * 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5)*生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。第三节 酶促反应的特点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；只能催化热

48、力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。一、 酶促反应的特点（一）酶的催化效率极高(高效性) 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。（二）酶促反应具有高度的特异性（高度的特异性）一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：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，生成一种特定结构的产物 。eg: 脲酶只催化尿素的水解。相对特异性(relative spec

49、ificity)：作用于一类化合物或一种化学键。eg: 酯酶立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中的一种。eg:L-乳酸脱氢酶只作用于L-乳酸。（三）酶活性的可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。第四节 酶促反应的机制1、诱导契合假说(induced-fit hypothesis)酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。 酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态 2、邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 3、

50、表面效应使底物分子去溶剂化酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surface effect)。 4、酶的催化机制呈多元催化作用第五节酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。酶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。可以用在一定条件下它所催化的某一化学反应的速度表

51、示。酶促反应速度可用单位时间内、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。通常测定产物的增加量，故反应速度的单位为：浓度/单位时间。酶催化的反应速度越大，则酶的活力也越大影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。一、底物浓度对反应速率影响单底物、单产物反应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反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度底物浓度远远大于酶浓度当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，

52、达最大速度；反应为零级反应（二） 酶促反应模式中间产物（三）、米曼氏方程式S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) （揭示单底物反应的动力学特性）米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率 = ES的分解速率用米氏方程解释矩形双曲线 :当底物浓度很低，即S Km v=VmaxS/S=Vmax若S= Km时v=12Vmax （四）Km与Vm是有意义的酶促反应动力学参数Km值的推导Km与Vmax的意义Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度单位相同，是mol/L。Km与V

53、max的意义 Km值: 米氏常数定义： Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义：a) Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境（如，温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关 ；b) 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。 *Km的大小反映该酶对底物亲和力的大小 此时Km即为ES的解离常数 Km的大小代表E与S的亲和力 Km大，亲和力小，反应速度慢 Km小，亲和力大，反应速度快m改变引起的生理效应亚洲人乙醛脱氢酶对乙醇Km高于欧洲人个别人酒精过敏，乙醛脱氢酶对乙醇Km高反应达最大速率，Et =ESVmax = k2ES = k

54、2EtVmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。（五）m值与max值的测定1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法二、酶浓度对反应速度的影响当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V = K3 E三、温度对反应速度的影响双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低 。 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。

55、 四、 pH对反应速度的影响pH与酶活性中心的必需基团，辅酶及底物的电离有关最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。最适pH也不是酶的特征性常数与底物浓度、缓冲液的种类与浓度以及酶的纯度的有关极度pH条件使酶变性五、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。 必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂 (non-essential activator)可能机制：作为酶与底物间了解的桥梁作为辅酶或辅基的一部分协助催化与酶中的氨基酸侧链基团结合，稳定酶的催化六、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(i

56、nhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。抑整理用的类型根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑整理用分为： (一) 不可逆性抑整理用* 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。举例有机磷化合物 羟基酶（专一性抑制） 重金属离子及砷化合物 巯基酶（非专一性抑制）二） 可逆性抑整理用* 概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。. 竞争性抑整理用定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑整理用称为竞争性抑整

57、理用。 * 特点I与S结构类似，竞争酶的活性中心；抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。 * 举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶非竞争性抑制抑制剂不改变酶对底物的亲和力 有些抑制剂即可与酶与底物复合物结合也可与游离的酶结合，底物和抑制剂之间无竞争关系（不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合）。但酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步释放出产物，减少了活性酶分子。这种抑整理用称作非竞争性抑整理用。* 反应模式* 特点抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无

58、竞争关系；抑制程度取决于抑制剂的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。 . 反竞争性抑制抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物ES的量下降。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。使有效的活性酶减少，这种抑整理用称为反竞争性抑整理用。* 反应模式* 特点：抑制剂只与酶底物复合物结合；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。 第 六 节 酶 的 调 节 The Regulation of Enzyme 代谢反应中调节对象 关键酶代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定

59、 。关键酶催化的反应具有以下特点： 催化反应的速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故常又为限速酶(limiting velocity enzymes)。 催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。 这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。调节方式 快速调节 缓慢调节一 、酶结构的调节（一）别构酶和别构调节小分子化合物与酶分子的非催化部位或亚基可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。 被调节的酶称为变构酶或别构酶(allosteric enzyme) 使酶发生变构效应的物质，称为别构效应剂(allosteric effector) 别构激活剂(allosteric effector)引起酶活性增加的变构效应剂。别构抑制剂(allosteric effector) 引起酶活性降低的变构效应剂。别构部位 (allosteric site)或调节部位变构效应剂与变构酶结合的部位（二） 酶的化学修饰调节化学修饰（chemical modificationg）：在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团发生可逆的共价修饰，从而改变酶的活性，此过程又称为共价修饰(covalent modification)常见类型磷酸化