第一章 ?蛋白質(zhì)化學(xué)

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教學(xué)目標(biāo)：

1.掌握蛋白質(zhì)的概念、重要性和分子組成。

2.掌握α-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式和20種氨基酸的名稱、符號(hào)、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(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其重要化學(xué)鍵。

4.了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系。

5.熟悉蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)和分類

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導(dǎo)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(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的概念和重要性？

1839年荷蘭化學(xué)家馬爾德（G.J.Mulder）研究了乳和蛋中的清蛋白,并按瑞典化學(xué)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(yǔ)，意指 “第一重要的” ）。德國(guó)化學(xué)家費(fèi)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(xué)。英國(guó)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(cè)出胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)。佩魯茨(M.F.Perutz)和肯德魯(J.C.kendrew) 在1960年測(cè)定血紅蛋白和肌紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。1965年，我國(guó)生化學(xué)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-α-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(dòng)所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生物體中含量最豐富的大分子。

單細(xì)胞的大腸桿菌含有3000多種蛋白質(zhì)，而人體有10萬(wàn)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(yùn)動(dòng)的高級(jí)形式，是通過蛋白質(zhì)的多種功能來實(shí)現(xiàn)的。新陳代謝的所有的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的，已發(fā)現(xiàn)的酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)。生命活動(dòng)所需要的許多小分子物質(zhì)和離子，它們的運(yùn)輸由蛋白質(zhì)來完成。生物的運(yùn)動(dòng)、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(xì)胞膜的通透性，以及高等動(dòng)物的記憶、識(shí)別機(jī)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(xué)的興起和發(fā)展，人們對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識(shí)越來越深刻。

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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)×6.25×100=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（amino acid），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(diǎn)：

1．氨基連接在α- C上，屬于α-氨基酸（脯氨酸為α-亞氨基酸）。

2．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(jià)鍵的斷裂和重新形成。旋光性是異構(gòu)體的光學(xué)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

（二）氨基酸的分類

1．按R基的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。

2．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(fù)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(gè)為酸性氨基酸，后三個(gè)是堿性氨基酸。

蛋白質(zhì)分子中的胱氨酸是兩個(gè)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)

α-氨基酸為無色晶體，熔點(diǎn)一般在200 oC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(jī)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265 nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)含Tyr、Trp殘基，所以測(cè)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(jiǎn)便的方法。

2．兩性解離和等電點(diǎn)（isoelectric point, pI）

????氨基酸在水溶液或晶體狀態(tài)時(shí)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(guān)。

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)和程度相等，成為兼性離子，呈電中性，此時(shí)溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解離常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)pK1和pK2決定的。計(jì)算公式為：pI=1/2(pK1+ pK2)。

若1個(gè)氨基酸有3個(gè)可解離基團(tuán)，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(diǎn)（酸性氨基酸的等電點(diǎn)取兩羧基的pK值的平均值，堿性氨基酸的等電點(diǎn)取兩氨基的pK值的平均值）。

3．氨基酸的化學(xué)反應(yīng) ??

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??氨基酸的化學(xué)反應(yīng)是其基團(tuán)的特征性反應(yīng)。重要的有：

（1）茚三酮反應(yīng)

????所有具有自由α-氨基的氨基酸與過量茚三酮共熱形成藍(lán)紫色化合物（脯氨酸和羥脯氨酸與茚三酮反應(yīng)產(chǎn)生黃色物質(zhì)）。用分光光度法可定量測(cè)定微量的氨基酸。藍(lán)紫色化合物的最大吸收峰在570nm波長(zhǎng)處，黃色在440nm波長(zhǎng)下測(cè)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(yīng)

????在弱堿性溶液中，氨基酸的α-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(yīng)在蛋白質(zhì)化學(xué)的研究史上起過重要作用，Sanger等人應(yīng)用它測(cè)定胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)。

多肽順序自動(dòng)分析儀是根據(jù)相類似的原理設(shè)計(jì)的，即利用多肽鏈N端氨基酸的α-氨基與異硫氰酸苯酯PITC反應(yīng)（Edman降解法）。

三、肽（peptide）

1．肽鍵與肽鏈

一個(gè)氨基酸的α-羧基和另一個(gè)氨基酸的α-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α-碳原子相連所形成的長(zhǎng)鏈骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα…稱為多肽主鏈，—CαCN—是重復(fù)單位。肽鍵是蛋白質(zhì)分子中的主要共價(jià)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。

2．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γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含γ-肽鍵）。Cys的-SH是主要功能基團(tuán)，GSH是一種抗氧化劑，是某些酶的輔酶，可保護(hù)蛋白質(zhì)分子中的-SH免遭氧化，保護(hù)巰基蛋白和酶的活性。在GSH過氧化物酶的作用下，GSH還原細(xì)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(gè)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(dòng)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(dǎo)過程中起信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的肽類。如腦啡肽（5肽）、β-內(nèi)啡肽（31肽）、強(qiáng)啡肽（17肽）等。隨著腦科學(xué)的發(fā)展，會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的生物活性肽。

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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(fù)雜，人們用4個(gè)層次來描述，包括蛋白質(zhì)的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)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(jià)連接的氨基酸殘基的序列，又稱初級(jí)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。二級(jí)以上的結(jié)構(gòu)稱高級(jí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)象（conformation）。

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primary structure）

1953年，英國(guó)科學(xué)家F. Sanger首先測(cè)定了胰島素（insulin）的一級(jí)結(jié)構(gòu)，有51個(gè)氨基酸殘基，由一條A鏈和一條B鏈組成，分子中共有3個(gè)二硫鍵，其中兩個(gè)在A、B鏈之間，另一個(gè)在A鏈內(nèi)。

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)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(xué)方法，比較復(fù)雜。首先要純化一定量的待測(cè)蛋白質(zhì)，分別作分子量測(cè)定、氨基酸組成分析、N-末端分析、C-末端分析；要應(yīng)用不同的化學(xué)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(cè)出它們的序列，對(duì)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(xué)方法，比較簡(jiǎn)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(cè)定DNA中核苷酸的序列，再按三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸的原則推測(cè)蛋白質(zhì)的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補(bǔ)充。

目前，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)已有3千多種一級(jí)結(jié)構(gòu)清楚。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。

二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure）

蛋白質(zhì)的二級(jí)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(tuán)）。

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(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價(jià)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(shí)際構(gòu)象自由度是非常有限的，在生理?xiàng)l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(jì)30年代末，L.Panling 和R.B.Corey應(yīng)用X射線衍射分析測(cè)定了一些氨基酸和寡肽的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了一組標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角，提出了肽單元（peptide unit）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（α-螺旋）和（β-折疊）。

1．肽單位

????肽鍵及其兩端的α-C共6個(gè)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(zhǎng)為0.132nm，比相鄰的單鍵（0.147nm）短，而較C=N雙鍵（0.128nm）長(zhǎng)，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(guān)系，肽鍵平面上的O、H以及2個(gè)α-碳原子為反式構(gòu)型（trans configuration）。

主鏈中的Cα—C和Cα—N單鍵可以旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角φ、ψ決定了兩個(gè)相鄰的肽鍵平面相對(duì)關(guān)系。由于肽鍵平面的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，使主鏈可以以非常多的構(gòu)象出現(xiàn)。事實(shí)上，肽鏈在構(gòu)象上受到很大限制，因?yàn)橹麈溕嫌?/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。

2.α-螺旋(α-helix)

α-螺旋是肽鍵平面通過α-碳原子的相對(duì)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(diǎn)是：

① 螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個(gè)氨基酸殘基，螺距約0.54nm（每個(gè)殘基上升0.15nm，旋轉(zhuǎn)100O）。

② 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α-螺旋一對(duì)氫鍵O與N之間共有13個(gè)原子（3.613），前后間隔3個(gè)殘基。

③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(tuán)的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對(duì)α-螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。

3.β-折疊(β-pleated sheet)

β-折疊是一種肽鏈相當(dāng)伸展的周期性結(jié)構(gòu)。

① ???相鄰肽鍵平面間折疊成110O角，呈鋸齒狀。

② ???兩個(gè)以上具β-折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列，形成β-折疊片層，其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。

③ ???逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。

α-螺旋和β-折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。毛發(fā)中的α-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α-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。

4．β-轉(zhuǎn)角（β-turn）

為了緊緊折疊成球蛋白的緊密形狀，多肽鏈180O回折成發(fā)夾或β-轉(zhuǎn)角。其處由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成，常有Gly和Pro存在，穩(wěn)定β-轉(zhuǎn)角的作用力是第一個(gè)氨基酸殘基羰基氧（O）與第四個(gè)氨基酸殘基的氨基氫（H）之間形成的氫鍵。β-轉(zhuǎn)角常見于連接反平行β-折疊片的端頭。

5．無規(guī)卷曲（random coil）

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?zhǔn)沁@樣的構(gòu)象。

6．超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)二級(jí)至三級(jí)結(jié)構(gòu)層次的一種過渡態(tài)構(gòu)象。

超二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中兩個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)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αα，ββ，βαβ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(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步繞曲折疊有獨(dú)特構(gòu)象和部分生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。對(duì)于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)意思，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的；對(duì)于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域締合成三級(jí)結(jié)構(gòu)。

三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure）

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(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵（疏水相互作用、靜電力、氫鍵等）。在序列中相隔較遠(yuǎn)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(tuán)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(cè)定它的三級(jí)結(jié)構(gòu)（153個(gè)氨基酸殘基和一個(gè)血紅素輔基，相對(duì)分子質(zhì)量為17800）。由A→H 8段α-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(gè)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(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure)

有些蛋白質(zhì)的分子量很大，由2條或2條以上具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵相互結(jié)合而成，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基 (subunit)，亞基單獨(dú)存在時(shí)一般沒有生物學(xué)功能，構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)亞基可以相同或不同。如血紅蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個(gè)α-亞基和兩個(gè)β-亞基形成的四聚體（α2β2）。

五、蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)鍵

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由共價(jià)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(jià)的次級(jí)鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

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第三節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ) ??

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)科學(xué)家C.Anfinsen進(jìn)行牛胰核糖核酸酶的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)，提出了蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)的命題。

核糖核酸酶由124個(gè)氨基酸殘基組成，有4對(duì)二硫鍵。用尿素和β-巰基乙醇處理該酶溶液，分別破壞次級(jí)鍵和二硫鍵，肽鏈完全伸展，變性的酶失去催化活性；當(dāng)用透析方法去除變性劑后，酶活性幾乎完全恢復(fù)，理化性質(zhì)也與天然的酶一樣。

????概率計(jì)算表明，8個(gè)半胱氨酸殘基結(jié)合成4對(duì)二硫鍵，可隨機(jī)組合成105種配對(duì)方式，而事實(shí)上只形成了天然酶的構(gòu)象，這說明一級(jí)結(jié)構(gòu)未破壞，保持了氨基酸的排列順序就可能回復(fù)到原來的三級(jí)結(jié)構(gòu)，功能依然存在。

（二）種屬差異

????大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，一級(jí)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(jìn)化起源，通過比較可以揭示進(jìn)化關(guān)系。

????例如哺乳動(dòng)物的胰島素，其一級(jí)結(jié)構(gòu)僅個(gè)別氨基酸差異（A鏈5、6、10位，B鏈30位），它們對(duì)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(xì)胞色素C(cytochrome c ) 的一級(jí)結(jié)構(gòu)分析，可以了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。進(jìn)化中越接近的生物，它們的細(xì)胞色素c的一級(jí)結(jié)構(gòu)越近似。

（三）分子病

分子病是指機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致機(jī)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(xì)胞貧血病。大約化費(fèi)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β-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(guān)系 ?

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎(chǔ)，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(jìn)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(yùn)氧；Mb是單體，可以儲(chǔ)存氧，并且可以使氧在肌肉內(nèi)很容易地?cái)U(kuò)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(O2)下，肌紅蛋白比血紅蛋白對(duì)氧親和性高很多，p(O2)為2.8torr(1torr≈133.3Pa)時(shí)，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(shí)，兩者幾乎都被飽和。其差異形成一個(gè)有效的將氧從肺轉(zhuǎn)運(yùn)到肌肉的氧轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

Hb未與氧結(jié)合時(shí)，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(gè)亞基與氧結(jié)合，就能使4個(gè)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(duì)調(diào)節(jié)Hb運(yùn)氧的功能有重要作用。一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后能促進(jìn)另一亞基與配體的結(jié)合是正協(xié)同效應(yīng)，其理論解釋是Hb是別構(gòu)蛋白，有別構(gòu)效應(yīng)。

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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(diǎn)、紫外吸收和呈色反應(yīng)。作為生物大分子，還有膠體性質(zhì)、沉淀、變性和凝固等特點(diǎn)。要了解和分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)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(duì)分子質(zhì)量在1萬(wàn)~100萬(wàn)，其顆粒平均直徑約為4.3 nm（膠粒范圍是1~100nm）。準(zhǔn)確可靠的測(cè)定方法是超離心法，蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量可用沉降系數(shù)（S）表示。

在球狀蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成時(shí)，親水基團(tuán)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pI、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(dá)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(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。pH＞pI時(shí)，該蛋白質(zhì)顆粒帶負(fù)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(diǎn)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pI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(dǎo)致理化性質(zhì)改變，生物學(xué)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(jí)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(yīng)，去除變性因素，有些蛋白質(zhì)原有的構(gòu)象和功能可恢復(fù)或部分恢復(fù)，稱為復(fù)性（denaturation）。

蛋白質(zhì)變性的主要表現(xiàn)是失去生物學(xué)活性，如酶失去催化能力、血紅蛋白失去運(yùn)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(shí)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(jī)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(shí)，用丙酮沉淀蛋白質(zhì)，可保留原有的生物學(xué)活性。但用乙醇，時(shí)間較長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致變性。重金屬鹽（Hg2+、Cu2+、Ag+），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(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用變性后仍然能溶解于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液中，將pH調(diào)至等電點(diǎn)，出現(xiàn)絮狀物，仍可溶解于強(qiáng)酸、強(qiáng)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(yīng)

蛋白質(zhì)含芳香族氨基酸，在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰，用于定量測(cè)定。

蛋白質(zhì)分子中的多種化學(xué)基團(tuán)具有特定的化學(xué)性能，與某些試劑產(chǎn)生顏色反應(yīng)，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(yīng)產(chǎn)生紅紫色絡(luò)合物（雙縮脲反應(yīng)）。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(yīng)生成藍(lán)色。色氨酸與乙醛酸反應(yīng)，慢慢注入濃硫酸，出現(xiàn)紫色環(huán)。

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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(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(jiǎn)單蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)。

簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)完全水解的產(chǎn)物僅為α-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(jiǎn)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(xì)胞核中的核蛋白是DNA與組蛋白結(jié)合而成，細(xì)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(jià)鍵相連而成；脂蛋白由蛋白質(zhì)與脂類通過非共價(jià)鍵相連，存在生物膜和動(dòng)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)。

活性蛋白質(zhì)包括有催化功能的酶、有調(diào)節(jié)功能的激素、有運(yùn)動(dòng)、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)。

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第二章 核酸的化學(xué)

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教學(xué)目標(biāo)：

1.掌握DNA和RNA在化學(xué)組分、分子結(jié)構(gòu)和生物功能上的特點(diǎn)。

2.掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和t-RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)，了解核酸的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

3.熟悉核酸的性質(zhì)（一般性質(zhì)、DNA熱變性、復(fù)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(diǎn)。了解DNA測(cè)序的原理。

導(dǎo)入：核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。它的發(fā)現(xiàn)和研究進(jìn)展如何？

1868年瑞士青年醫(yī)生Miescher從膿細(xì)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(dòng)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（nucleic acid）這一名稱。早期核酸研究因“四核苷酸假說”的錯(cuò)誤進(jìn)展緩慢。

1943年Chargaff等揭示了DNA的堿基配對(duì)規(guī)律，1944年美國(guó)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(chǔ)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(guān)系，奠定了分子生物學(xué)基礎(chǔ)。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(cè)序生物技術(shù)，90年代提出人類基因組計(jì)劃，21世紀(jì)進(jìn)入后基因組時(shí)代。核酸的研究成了生命科學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。

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第一節(jié) ??核酸的化學(xué)組成

天然存在的核酸有兩類，即脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。DNA分子是生物體的遺傳信息庫(kù)，分布在原核細(xì)胞的核區(qū)，真核細(xì)胞的核和細(xì)胞器以及病毒中；RNA分子參與遺傳信息表達(dá)的一些過程，主要存在于細(xì)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β-D-2-脫氧核糖，RNA含β-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：嘌呤堿和嘧啶堿。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中常見的兩種嘌呤堿是腺嘌呤（adenine，A）、鳥嘌呤（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、黃嘌呤核苷X、二氫尿嘧啶核苷D、假尿苷Ψ等。注意符號(hào)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(xì)胞功能的調(diào)節(jié)分子和信號(hào)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(diǎn)。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＇→ ?3＇。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(gè)沒有分支的線性大分子，兩個(gè)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(tuán)，主鏈上的磷酸基是酸性的，在細(xì)胞pH下帶負(fù)電荷；而堿基有疏水性。

討論：列表說明DNA和RNA在化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和生物功能方面的主要特點(diǎn)。

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第二節(jié) ???DNA的分子結(jié)構(gòu)

一、 ?DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary stucture)

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指分子中脫氧核苷酸的排列順序，常被簡(jiǎn)單認(rèn)為是堿基序列（base sequence）。堿基序有嚴(yán)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(jí)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(bǔ)鏈上一段反向重復(fù)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。

→ GCTA GTTCA CTC TGAAC AATT →

← CGAT CAAGT GAG ACTTG TTAA ←

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tRNAala 76nt 序列測(cè)定；1977年Sanger利用雙脫氧法（酶法）測(cè)定了φX174單鏈DNA5386b的全序列。1990年實(shí)施的人類基因組計(jì)劃（HGP），用15年，投資30億美元，完成人類單倍體基因組DNA3×109bp全序列的測(cè)定。該計(jì)劃由美、英、日、法、德、中六國(guó)科學(xué)家合作，于2003年提前完成，生命科學(xué)進(jìn)入后基因組時(shí)代，研究重點(diǎn)從測(cè)序轉(zhuǎn)向?qū)蚪M功能的研究。

二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋(double helix) ?

????1953年，Watson和Crick根據(jù)Wilkins 和Franklin拍攝的DNA X-射線照片（DNA有0.34nm和3.4nm兩個(gè)周期性變化）以及Chargaff等人對(duì)DNA的堿基組成的分析（A=T，G=C，A+G=C+T），推測(cè)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：

1．兩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）

2．堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)，A與T，G與C配對(duì)，A與T形成兩個(gè)氫鍵，G與C形成三個(gè)氫鍵。糖基-磷酸基骨架在外側(cè)。表面有一條大溝和一小溝。

3．螺距為3.4 nm，含10個(gè)堿基對(duì)（bp），相鄰堿基對(duì)平面間的距離為0.34 nm。螺旋直徑為2 nm。

氫鍵維持雙螺旋的橫向穩(wěn)定。堿基對(duì)平面幾乎垂直螺旋軸，堿基對(duì)平面間的疏水堆積力維持螺旋的縱向穩(wěn)定。

4．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。

5．DNA構(gòu)象有多態(tài)性。

Watson和Crick根據(jù)Wilkins 和Franklin拍攝的DNA X-射線照片是相對(duì)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(xì)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(jí)結(jié)構(gòu)

DNA 雙螺旋進(jìn)一步盤曲所形成的空間構(gòu)象稱DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

某些病毒、細(xì)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(xì)胞核內(nèi)的DNA是很長(zhǎng)的線形雙螺旋，通過組裝形成非常致密的超級(jí)結(jié)構(gòu)。

1．環(huán)形DNA可形成超螺旋

當(dāng)將線性過旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個(gè)環(huán)時(shí)，都會(huì)自動(dòng)形成額外的超螺旋來抵消過旋或欠旋造成的應(yīng)力，目的是維持B構(gòu)象。過旋DNA會(huì)自動(dòng)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(fù)超螺旋）。

一段雙螺旋圈數(shù)為10的B-DNA連接成環(huán)形時(shí)，不發(fā)生進(jìn)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(shí)，解鏈環(huán)形DNA存在的扭曲張力，可導(dǎo)致雙鏈環(huán)向右手方向扭曲形成負(fù)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(fù)超螺旋的形式存在，也就是說，一旦超螺旋解開，則會(huì)形成解鏈環(huán)形DNA，有利于DNA復(fù)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?fù)洚悩?gòu)體。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶切斷一條鏈或兩條鏈，拓?fù)洚悩?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(fù)表示減少。L和T的正負(fù)表示螺旋方向，右手為正，左手螺旋為負(fù)；L值必定是整數(shù)。

2．真核細(xì)胞染色體 ?

真核細(xì)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(gè)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(fù)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(jìn)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。200 bpDNA的長(zhǎng)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(jí)壓縮，每圈含6個(gè)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(jìn)一步形成染色單體，總壓縮近一萬(wàn)倍。典型人體細(xì)胞的DNA理論長(zhǎng)度應(yīng)是180 cm，被包裝在46個(gè)5μm的染色體中。

四、DNA和基因組

1．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。基因組（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）。

2．細(xì)菌、噬菌體、大多數(shù)動(dòng)植物病毒的基因組即指單個(gè)DNA分子。最小病毒如SV40的基因組僅有5226b，含5個(gè)基因。大腸桿菌含4.6×106 bp，有3000~4000個(gè)基因，DNA完全伸展總長(zhǎng)約1.3mm。

原核生物基因組的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guān)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。

3．真核生物基因一般分布在若干條染色體上，其特點(diǎn)是：有重復(fù)序列（按重復(fù)次數(shù)分單拷貝序、中度重復(fù)序和高度重復(fù)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1.35×107bp，含6374個(gè)基因。人類基因組有3×109 bp，含4萬(wàn)個(gè)基因。

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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(gè)至數(shù)千個(gè)核苷酸組成。RNA鏈可以回折且通過A與U，G與C配對(duì)形成局部的雙螺旋，不能配對(duì)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(gè)易發(fā)生不良反應(yīng)的位置，它使RNA的化學(xué)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(diǎn)，RNA主要分為tRNA、rRNA和mRNA三類。此外，細(xì)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(yùn)和加工過程。

一、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）

1．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(yùn)氨基酸的作用。

2．1965年Holley等測(cè)定了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，并提出二級(jí)結(jié)構(gòu)模型。一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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。

3．tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)為“三葉草”形，包括4個(gè)螺旋區(qū)、3個(gè)環(huán)及一個(gè)附加叉。各部分的結(jié)構(gòu)都和它的功能有關(guān)。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(yùn)的氨基酸。3個(gè)環(huán)是二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼子環(huán)、TΨC環(huán)。

4．1973~1975年S.H.Kim的X射線衍射分析表明，tRNA的三級(jí)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（messenger RNA，m RNA）

1．細(xì)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(bǔ)原則轉(zhuǎn)錄至核糖體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

2．種類多，作為不同蛋白質(zhì)合成的模板，其一級(jí)結(jié)構(gòu)差異很大。真核細(xì)胞的mRNA有不同于原核細(xì)胞的特點(diǎn)：3＇- ?末端有多聚A（polyA）尾，5＇-末端加有一個(gè)“帽”式結(jié)構(gòu),（m7 Gppp）。 ??

3．代謝活躍，壽命較短。

三、核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）

1．約占細(xì)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(chǎng)所。

2．核糖體在結(jié)構(gòu)上可分離為大小兩個(gè)亞基。原核細(xì)胞的rRNA有3種，23S與5S rRNA在大亞基，16S在小亞基。真核細(xì)胞有4種rRNA，其中大亞基含28S、5.8S、5S，小亞基只有18S。

3. 各種rRNA的一級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)。

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第四節(jié) ?核酸的性質(zhì)

一、一般理化性質(zhì)

1．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(jī)溶劑。常用乙醇從溶液中沉淀核酸。

2．具有大分子的一般特性。分子大小可用Da、b或bp、S、鏈長(zhǎng)（μm）表示。一個(gè)bp相當(dāng)?shù)暮塑账崞骄肿恿繛?60Da；1μm長(zhǎng)的DNA雙螺旋相當(dāng)3000bp或2×106Da。

3．兩性電解質(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。RNA在室溫下易被稀堿水解，DNA較穩(wěn)定，此特性用來測(cè)定RNA的堿基組成和純化DNA。

4．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(yīng)。

二、核酸的變性和復(fù)性

1．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(tuán)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(jí)鍵的變化。變性的結(jié)果是紫外吸收值明顯增加（增色效應(yīng)），DNA粘度下降，生物學(xué)功能部分或全部喪失。

2．DNA的熱變性和Tm

DNA熱變性過程中，紫外吸收值增高，有一個(gè)特征性曲線稱熔解曲線，通常將熔解曲線的中點(diǎn)，即紫外吸收值達(dá)到最大值50%時(shí)的溫度稱為解鏈溫度，又叫熔點(diǎn)（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(zhǎng)度及變性條件有關(guān)。GC含量越高，Tm越大；DNA越長(zhǎng)，Tm越大；溶液離子強(qiáng)度增高，Tm增加。

3．DNA的復(fù)性與分子雜交 ??

變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條互補(bǔ)鏈可重新配對(duì)，恢復(fù)天然雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火（annealing）。

影響復(fù)性速度的因素很多，如單鏈DNA的起始濃度、溫度（最適復(fù)性溫度是比Tm約低250C）、鹽濃度、片斷長(zhǎng)度、序列復(fù)雜性等。

分子雜交是以核酸的變性和復(fù)性為基礎(chǔ)，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(bǔ)配對(duì)的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA雜化雙鏈，這個(gè)現(xiàn)象稱為核酸分子雜交（hybridization）。

標(biāo)記一個(gè)來源的核酸（放射性同位素或熒光標(biāo)記），通過雜交可以檢測(cè)與其有互補(bǔ)關(guān)系的DNA或RNA，這種標(biāo)記的核酸稱為基因探針（gene probe），也就是一段帶有檢測(cè)標(biāo)記，且順序已知，與目的基因互補(bǔ)的核酸序列?；蛱结樀摹凹苫?就是基因芯片（gene chip）。是把已經(jīng)測(cè)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(xué)研究中已被快速地運(yùn)用。

三、核酸的序列測(cè)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(xué)法，另一種是Sanger的雙脫氧法?，F(xiàn)在一般都采用后者，其基本原理是：

1．用凝膠電泳分離待測(cè)的DNA片段（用作模板）。

2．將模板、引物、4種dNTP、合適的聚合酶置于4個(gè)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(biāo)記。

3．利用ddNTP可特異地終止DNA鏈延長(zhǎng)的特點(diǎn)，4個(gè)試管的聚合反應(yīng)可以得到一系列大小不等、被標(biāo)記的片段。

4．將4個(gè)反應(yīng)管同時(shí)加到聚丙烯凝膠上電泳，標(biāo)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(chǔ)上，通過與計(jì)算機(jī)技術(shù)和熒光技術(shù)的結(jié)合，發(fā)明了自動(dòng)測(cè)序儀。目前，常用的測(cè)序策略是“鳥槍法”，形象地說是將較長(zhǎng)的基因片段打斷，構(gòu)建一系列的隨機(jī)亞克隆，然后測(cè)定每個(gè)亞克隆的序列，用計(jì)算機(jī)分析以發(fā)現(xiàn)重疊區(qū)域，最終對(duì)大片段的DNA定序。

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第三章 ?酶

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教學(xué)目標(biāo)：

1．掌握酶的概念和作用特點(diǎn)，了解酶的分類與命名。

2．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）。

3．熟悉酶的作用機(jī)制。

4．熟悉影響酶促反應(yīng)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(yīng)速度的表示、米氏方程和米氏常數(shù)的意義）。

5．了解酶的制備與應(yīng)用。

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第一節(jié) 概 論

導(dǎo)入：酶學(xué)知識(shí)來源于生產(chǎn)與生活實(shí)踐。我們祖先很早就會(huì)制醬和釀酒。西方國(guó)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(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)家巴斯德（Pasteur）認(rèn)為發(fā)酵是酵母細(xì)胞生命活動(dòng)的結(jié)果，細(xì)胞破裂則失去發(fā)酵作用。1897年，Buchner兄弟首次用不含細(xì)胞的酵母提取液實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵，證明發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，獲得1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1926年，美國(guó)生化學(xué)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(xué)獎(jiǎng)）。1963年測(cè)定第一個(gè)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(xì)胞合成的，對(duì)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(guó)科學(xué)家Cech于1981年在研究原生動(dòng)物四膜蟲的RNA前體加工成熟時(shí)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(xué)獎(jiǎng)）。

二、酶的作用特點(diǎn)

酶所催化的反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。在酶促反應(yīng)中被催化的物質(zhì)稱為底物，反應(yīng)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(yīng)前后酶的質(zhì)和量不變；只催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)，即自由能由高向低轉(zhuǎn)變的化學(xué)反應(yīng)；不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。但是，酶是生物大分子，又具有與一般催化劑不同的特點(diǎn)。

1．極高的催化效率

酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)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7×1012倍；碳酸酐酶每一酶分子每秒催化6×105 CO2與水結(jié)合成H2CO3，比非酶促反應(yīng)快107倍。

2．高度的特異性

酶對(duì)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(xué)反應(yīng)，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(duì)專一性和相對(duì)專一性。前者只催化一種底物，進(jìn)行一種化學(xué)反應(yīng)。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(xué)鍵。如酯酶可水解各種有機(jī)酸和醇形成的酯。在動(dòng)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(duì)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(duì)D-乳酸無作用；L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，對(duì)D-氨基酸無作用。

3．酶活性的可調(diào)節(jié)性

酶促反應(yīng)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(xì)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(duì)關(guān)鍵酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)和共價(jià)修飾來影響整個(gè)酶促反應(yīng)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℃、1atm、pH7）。

三、酶的分類與命名

（一）酶的分類

根據(jù)國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（International Enzyme Commission，IEC）的規(guī)定，按照酶促反應(yīng)的性質(zhì)，分為六大類：

1．氧化還原酶（oxidoreductases）催化底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。如乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等。

2．轉(zhuǎn)移酶（transferases）催化底物之間某些基團(tuán)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。

3．水解酶（hydrolases）催化底物發(fā)生水解反應(yīng)。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。

4．裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基團(tuán)（形成雙鍵的反應(yīng)或其逆反應(yīng)）。如碳酸酐酶、醛縮酶、檸檬酸合成酶等。

5．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。

6．合成酶(ligases) 催化兩分子底物合成一分子化合物，同時(shí)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。

（二）酶的命名

1961年，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)(IEC)主要根據(jù)酶催化反應(yīng)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(gè)系統(tǒng)名稱，它標(biāo)明酶的所有底物與催化反應(yīng)性質(zhì)，底物名稱之間以“：”分隔，同時(shí)還有一個(gè)由4個(gè)數(shù)字組成的系統(tǒng)編號(hào)。如谷丙轉(zhuǎn)氨酶的系統(tǒng)名稱是丙氨酸：α- 酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶（酶表中的統(tǒng)一編號(hào)是EC2.6.1.2）。乳酸脫氫酶的編號(hào)是EC1.1.1.27。

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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(yīng)的種類和性質(zhì)。兩者結(jié)合形成的復(fù)合物稱為全酶（holoenzyme），這兩部分對(duì)于催化活性都是必需的。

酶蛋白有單條肽鏈和多個(gè)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(gè)相同或不同亞基以非共價(jià)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(xì)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(fù)合體，即多酶體系，它利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，如丙酮酸脫氫酶體系、脂肪酸合成酶復(fù)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(guān)鍵酶，關(guān)鍵酶通常催化單向不平衡反應(yīng)，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(jī)化合物（又稱輔酶與輔基）。

1.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(yīng)中的靜電斥力。

2.輔酶與輔基

輔酶與輔基是一些化學(xué)穩(wěn)定的小分子有機(jī)物，是維生素樣的物質(zhì)，參與酶的催化過程，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。

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(xué)反應(yīng)。

維生素（Vitamin）是維持機(jī)體正常生命活動(dòng)所必需的一類小分子有機(jī)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(yíng)養(yǎng)學(xué)的課題。

維生素原意是“生命中必不可少的胺”，波蘭學(xué)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(dú)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

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維生素

?輔酶形式

?反應(yīng)類型

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硫胺素（B1）

?焦磷酸硫胺素（TPP）

?α-酮酸氧化脫羧反應(yīng)

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核黃素（B2）

?黃素單核苷酸（FMN）

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黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

?氧化還原反應(yīng)

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煙酸或煙酰胺（PP）

?煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）

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煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）

?氧化還原反應(yīng)

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泛酸

?輔酶A（CoA-SH）

?酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)

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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

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生物素

?生物胞素

?CO2的固定

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葉酸

?四氫葉酸

?一碳單位轉(zhuǎn)移

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鈷胺素（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（active site）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(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維小區(qū)（為裂縫或?yàn)榘枷荩?。酶活性部位的基團(tuán)屬必需基團(tuán)，有二種：一是結(jié)合基團(tuán)，其作用是與底物結(jié)合，生成酶-底物復(fù)合物；二是催化基團(tuán)，其作用是影響底物分子中某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并促進(jìn)底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，也有的必需基團(tuán)同時(shí)有這兩種功能。還有一些化學(xué)基團(tuán)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(tuán)。

構(gòu)成酶活性中心的常見基團(tuán)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(tuán)的性質(zhì)所決定，與其作用的底物互補(bǔ)。像胰蛋白酶，在它的底物-結(jié)合部位有帶負(fù)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(jìn)入，切斷其羧基側(cè)；彈性蛋白酶有相對(duì)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(shí)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(guān)的酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成和分泌時(shí)，沒有催化活性。胃蛋白酶原在H+作用下，自N端切下幾個(gè)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(jìn)入小腸時(shí)被腸激酶激活，自N端切除一個(gè)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(xì)胞或細(xì)胞器中進(jìn)行。酶原的激活具有重要的生理意義，不僅保護(hù)細(xì)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(xué)反應(yīng)的一組酶稱為同工酶。1959年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)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(gè)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(yīng)，因?yàn)樗鼈兊幕钚圆课辉诮Y(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(cè)確定。

（二）變構(gòu)酶(allosteric enzyme)

變構(gòu)酶又稱別構(gòu)酶，是一類調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)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(jià)結(jié)合的調(diào)節(jié)部位，具有變構(gòu)效應(yīng)。引起變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱為變構(gòu)效應(yīng)劑。降低酶活性的稱變構(gòu)抑制劑或負(fù)效應(yīng)物；反之，稱為變構(gòu)激活劑或正效應(yīng)物。變構(gòu)酶與血紅蛋白一樣，存在著協(xié)同效應(yīng)。

變構(gòu)酶催化的反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系常呈S形曲線，這和非調(diào)節(jié)酶的動(dòng)力學(xué)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(diǎn)或分支點(diǎn)上，對(duì)控制反應(yīng)總速度起關(guān)鍵作用。如異檸檬酸脫氫酶就是一個(gè)變構(gòu)酶，是三羧酸循環(huán)的關(guān)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(xué)家根據(jù)過渡態(tài)理論和免疫學(xué)原理，運(yùn)用單克隆抗體技術(shù)成功地制備了具有酶活性的抗體。這加深了人們對(duì)酶作用原理的理解，而且在臨床醫(yī)學(xué)及制藥業(yè)等方面有很好的應(yīng)用。

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第三節(jié) 酶的作用機(jī)制

一、酶的催化本質(zhì)

現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)速度理論是過渡態(tài)理論。在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系中，反應(yīng)物從“初態(tài)” 到“過渡態(tài)”，轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物即到達(dá)“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(yīng)中間物，它具有最高能量，又處在一個(gè)短暫的分子瞬間，某些化學(xué)鍵正在斷裂和形成并達(dá)到能生成產(chǎn)物或再返回生成反應(yīng)物的程度。

酶催化的反應(yīng)速度快是降低反應(yīng)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(yīng)，其反應(yīng)物和產(chǎn)物間總的標(biāo)準(zhǔn)自由能差是一樣的。

二、中間產(chǎn)物學(xué)說和誘導(dǎo)契合學(xué)說

酶的作用機(jī)制包含酶如何同底物結(jié)合以及怎樣加快反應(yīng)速度兩個(gè)內(nèi)容。

20世紀(jì)初和40年代，科學(xué)家就提出了酶-底物復(fù)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(xué)說已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，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(dǎo)契合模型，底物的結(jié)合在酶的活性部位誘導(dǎo)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(dǎo)、相互變形、相互適應(yīng)的柔性過程。

酶的誘導(dǎo)契合

三、影響酶催化效率的因素

酶促反應(yīng)高效率的原因常常是多種催化機(jī)制的綜合應(yīng)用，除酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說外，還有：

（一）鄰近效應(yīng)與定向排列

在兩個(gè)以上底物參與的反應(yīng)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(guān)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(duì)準(zhǔn)酶的活性中心，實(shí)際上是將分子間的反應(yīng)變成類似于分子內(nèi)的反應(yīng)，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(tuán)，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(shí)都一樣的起作用，對(duì)不同的酶起主要作用的因素不完全相同。

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第四節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶促反應(yīng)的速率和影響此速率的各種因素的科學(xué)。

一、酶反應(yīng)速度的測(cè)量

反應(yīng)的速率也稱速度（velocity），是以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的改變來表示。測(cè)定酶反應(yīng)速度時(shí)，一般要求非常高的底物濃度以使實(shí)驗(yàn)測(cè)定的起始反應(yīng)速率與酶濃度成正比。以產(chǎn)物的生成量對(duì)時(shí)間作圖，繪制反應(yīng)過程曲線，不同時(shí)間的反應(yīng)速度就是時(shí)間為不同值時(shí)曲線的斜率。通常采用反應(yīng)的初速度Vo，即以零時(shí)點(diǎn)為起點(diǎn)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(duì)降低以及反應(yīng)物堆積等因素對(duì)反應(yīng)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(zhǎng)下吸收光的變化用分光光度計(jì)測(cè)定。）

二、酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

當(dāng)研究某一因素對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響時(shí)，體系中的其他因素保持不變，而只變動(dòng)所要研究的因素。

當(dāng)?shù)孜餄舛冗h(yuǎn)大于酶濃度時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度的變化成正比。?

三、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)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(xué)說進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出V與[S]的數(shù)學(xué)方程式，即米-曼氏方程式。1925年Briggs和Haldane提出穩(wěn)態(tài)理論，對(duì)米氏方程做了一項(xiàng)重要的修正。

底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響呈雙曲線。當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，V與[S]呈正比關(guān)系（一級(jí)反應(yīng)）；隨著[S]的增高，V的增加逐步減慢（混合級(jí)反應(yīng)）；增到一定程度，V不再增加而是趨于穩(wěn)定（零級(jí)反應(yīng)）。

當(dāng)[S]＜＜ ???Km 時(shí)，v = Vmax [S] /Km，反應(yīng)速度與底物濃度成正比；當(dāng)[S]＞＞ ????Km 時(shí) ，v≌Vmax，反應(yīng)速度達(dá)到最大速度，再增加[S]也不影響V。

（二）Km的意義

1．當(dāng)V/v =2時(shí), Km =[S] , Km是反應(yīng)速率v等于最大速率V一半時(shí)的底物濃度，單位為摩爾/升（mol/L）。

2．Km =K2+K3/K1，當(dāng)K2＞＞ ?K3時(shí)，Km值可用來表示酶對(duì)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。

3．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(guān)，與酶濃度無關(guān)。

Km和Vmax可用圖解法根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)出。通過測(cè)定在不同底物濃度下的Vo，再用1/Vo對(duì)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(duì)反應(yīng)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(shí)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(tuán)離子化發(fā)生變化而降低酶的活性，較大偏離時(shí)，維護(hù)酶三維結(jié)構(gòu)的許多非共價(jià)鍵受到干擾，導(dǎo)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(dòng)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(duì)pH的關(guān)系圖形是鐘形曲線。

五、溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響

溫度對(duì)Vo關(guān)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(dòng)物的酶最適溫度在37℃左右，植物體內(nèi)酶的最適溫度在50~60℃。也有些微生物的酶適應(yīng)在高溫或低溫下工作。溫度從兩方面影響酶促反應(yīng)速率，是升高溫度提高反應(yīng)速率和酶遇熱易變性失活兩個(gè)相反效應(yīng)間的平衡。

六、激活劑對(duì)反應(yīng)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(jī)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(duì)反應(yīng)速度的影響

使酶活性下降而不導(dǎo)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(jià)鍵與酶活性中心上的必需基團(tuán)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(fù)活性。如農(nóng)藥敵百蟲、敵敵畏、1059等有機(jī)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(dǎo)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(jī)磷化合物對(duì)羥基酶的抑制作用，顯然這類解毒藥物和有機(jī)磷農(nóng)藥結(jié)合的強(qiáng)度大于和酶結(jié)合。重金屬鹽引起的巰基酶中毒，可用絡(luò)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(jià)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(fù)酶活性?？赡嬉种朴懈?jìng)爭(zhēng)、非競(jìng)爭(zhēng)、反競(jìng)爭(zhēng)3種類型，以競(jìng)爭(zhēng)性抑制研究的最多。三種作用的共同點(diǎn)是因Km和Vmax值的變化導(dǎo)致酶促反應(yīng)初速度下降。競(jìng)爭(zhēng)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(shí)才逐漸抵消，顯然Km值要增加，Vmax不變。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑不直接影響酶與底物的結(jié)合，酶同時(shí)和二者結(jié)合生成的中間產(chǎn)物是三元復(fù)合物，也無正常產(chǎn)物生成，所以Km不變，而Vmax減小。反競(jìng)爭(zhēng)抑制劑促進(jìn)酶與底物的結(jié)合，形成的三元復(fù)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(jìng)爭(zhēng)性抑制原理應(yīng)用范例是磺胺藥的研制?；前匪幒图?xì)菌合成葉酸所需的對(duì)氨基苯甲酸僅一個(gè)碳原子之別（變成了S），使細(xì)菌的葉酸不能正常合成，導(dǎo)致細(xì)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(duì)人的核酸合成無影響。

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第五節(jié) ?酶的制備和應(yīng)用

一、酶的制備

酶可以從動(dòng)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(jī)溶劑沉淀、吸附、凝膠過濾、超離心法外，還要注意防止強(qiáng)酸、強(qiáng)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(xì)胞破壞，然后再用適當(dāng)?shù)姆蛛x純化技術(shù)提出。

酶的活力（activity）就是酶加快其所催化的化學(xué)反應(yīng)速度的能力。一般用催化反應(yīng)的起始速率（Vo）表示，Vo的單位是微摩爾/分，也可用國(guó)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=6×107U）。

比較酶制劑的純度可用比活力(specific activity)，即每毫克蛋白質(zhì)中所含的U數(shù)。

二、酶的應(yīng)用

早在19世紀(jì)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(xué)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(yíng)養(yǎng)價(jià)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(yàn)，如酶聯(lián)免疫測(cè)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(yīng)用各種限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行科研和生產(chǎn)。

酶的開發(fā)和利用是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要內(nèi)容。1971年命名了酶工程（enzyme engineering），這是把酶學(xué)原理與化學(xué)工程技術(shù)及基因重組技術(shù)相結(jié)合而形成的新型應(yīng)用技術(shù)。酶工程可分為化學(xué)酶工程和生物酶工程。前者指天然酶、化學(xué)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(yīng)用。

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第四章 ?新陳代謝總論與生物氧化

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教學(xué)目標(biāo)：

1. 掌握新陳代謝的概念與特點(diǎn)，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。

2. 掌握生物氧化的概念、特點(diǎn)、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。

3. 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(jī)制。????????????????????????????????????????????????????????????????

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第一節(jié) ?新陳代謝總論

一、新陳代謝的概念與特點(diǎn)

生物體是一個(gè)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(fù)生物體（按人的一生計(jì),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(dòng)生命運(yùn)動(dòng)，通過信息交換進(jìn)行調(diào)控，保持生物體和環(huán)境的適應(yīng)。

新陳代謝（metabolism）是指生物與外界環(huán)境進(jìn)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(dòng)物的物質(zhì)代謝分為三個(gè)階段：食物、水、空氣進(jìn)入機(jī)體（攝取營(yíng)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(xì)胞中的合成與分解過程，合成是吸能反應(yīng)，分解是放能反應(yīng)。它們是矛盾對(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；將營(yíng)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(jī)體生命活動(dòng)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(xì)菌有光合作用，若干種細(xì)菌有固氮作用，是自養(yǎng)型的；動(dòng)物與人是異養(yǎng)生物，同化作用必須從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過消化吸收進(jìn)入中間代謝。同一生物體的各個(gè)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(fù)雜，卻有共同的特點(diǎn)：

1.生物體內(nèi)的絕大多數(shù)代謝反應(yīng)是在溫和條件下，由酶催化進(jìn)行的。

2.物質(zhì)代謝通過代謝途徑，在一定的部位，嚴(yán)格有序地進(jìn)行。各種代謝途徑彼此協(xié)調(diào)組成有規(guī)律的反應(yīng)體系（網(wǎng)絡(luò)）。

3.生物體對(duì)內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應(yīng)性和靈敏的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

二、新陳代謝的研究方法

代謝途徑的研究比較復(fù)雜，可從不同水平，主要對(duì)中間代謝進(jìn)行研究。新陳代謝途徑的闡明凝集了許多科學(xué)家的智慧與實(shí)驗(yàn)成果。如1904年德國(guó)化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸的β氧化學(xué)說，1937年Krebs提出的檸檬酸循環(huán)。

1.活體內(nèi)（in vivo）和活體外(in vitro)實(shí)驗(yàn)

2.同位素示蹤法和核磁共振波譜法（NMR）

3.代謝途徑阻斷法

三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律

1.服從熱力學(xué)原理。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律指出，熱的傳導(dǎo)自高溫流向低溫。機(jī)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)朝著達(dá)到其平衡點(diǎn)的方向進(jìn)行。

2.生化反應(yīng)最重要的熱力學(xué)函數(shù)是吉布斯自由能G 。自由能是在恒溫、恒壓下，一個(gè)體系作有用功的能力的度量。用于判斷反應(yīng)可否自發(fā)進(jìn)行，是放能或耗能反應(yīng)。

ΔG＜0，表示體系自由能減少，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，但是不等于說該反應(yīng)一定發(fā)生或以能覺察的速率進(jìn)行，是放能反應(yīng)。

ΔG＞0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，吸收能量才推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行。

ΔG＝0，體系處在平衡狀態(tài)。

自由能與另外兩個(gè)函數(shù)有關(guān)，ΔG=ΔH - TΔS（ΔH是總熱量的變化，ΔS是總熵的改變，T是體系的絕對(duì)溫度）。

標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用ΔGO＇表示（25OC，1個(gè)大氣壓，pH為7，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度為1mol/L時(shí)所測(cè)得，單位是kJ/mol）。

3．ΔGO＇和化學(xué)平衡的關(guān)系

ΔG = ΔGO＇+ RT ln[C][D]/[A][B]

??ΔG=0時(shí)，ΔGO＇= - 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(duì)數(shù)。K＞1，ΔGO＇為負(fù)值，反應(yīng)趨于生成物的方向進(jìn)行；K＜1，ΔGO＇為正值。）

注意：ΔG只取決于產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)歷程無關(guān)。總自由能變化等于各步反應(yīng)自由能變化的代數(shù)和。熱力學(xué)上不利的吸能反應(yīng)可以偶聯(lián)放能反應(yīng)來推動(dòng)以保持代謝途徑一連串反應(yīng)的進(jìn)行。

四、高能化合物與ATP的作用

高能化合物（high-energy compound）指化合物含有的自由能特多，且隨水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)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(shí)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(xué)中的“鍵能”完全不同?！版I能”指斷裂一個(gè)化學(xué)鍵需提供的能量。

ATP是細(xì)胞內(nèi)特殊的自由能載體。在標(biāo)準(zhǔn)狀況，ATP水解為ADP和Pi的ΔGO＇=-30kJ/mol，水解為AMP和PPi的ΔGO＇=-32kJ/mol。ATP的ΔGO＇在所有的含磷酸基團(tuán)的化合物中處于中間位置，這使ATP在機(jī)體起作中間傳遞能量的作用，稱之能量的共同中間體。機(jī)體內(nèi)一些在熱力學(xué)上不可能發(fā)生的反應(yīng)，只需與ATP分子的水解相偶聯(lián)，就可使其進(jìn)行。所以說，ATP又是生物細(xì)胞能量代謝的偶聯(lián)劑。

從低等的單細(xì)胞生物到高等的人類，能量的釋放、儲(chǔ)存和利用都是以ATP為中心。ATP是整個(gè)生命世界能量交換的通用貨幣。ATP是能量的攜帶者或傳遞者，而不是儲(chǔ)存者。在脊椎動(dòng)物中起能量?jī)?chǔ)存的是磷酸肌酸（phosphoccreatine，PC），在無脊椎動(dòng)物中是磷酸精氨酸。

ATP和其他的核苷三磷酸——GTP、UTP、CTP常稱作富含能量的代謝物。它們幾乎有相同的水解（或形成）的標(biāo)準(zhǔn)自由能，核苷酸之間的磷?；鶊F(tuán)的轉(zhuǎn)移的平衡常數(shù)接近1.0，所以計(jì)算物質(zhì)代謝能量時(shí)，消耗的其他核苷三磷酸用等價(jià)的ATP表示。

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第二節(jié) 生物氧化

一、生物氧化的概念、特點(diǎn)和部位

1.概念：有機(jī)物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation）。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。

2.特點(diǎn)：生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同。

（1）在細(xì)胞內(nèi)，溫和的環(huán)境中經(jīng)酶催化逐步進(jìn)行。

（2）能量逐步釋放。一部分以熱能形式散發(fā)，以維持體溫，一部分以化學(xué)能形式儲(chǔ)存供生命活動(dòng)能量之需（約40%）。

（3）生物氧化生成的H2O是代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生，H2O也直接參與生物氧化反應(yīng)；CO2由有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生。

（4）生物氧化的速度由細(xì)胞自動(dòng)調(diào)控。

3.部位：在真核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化都是在線粒體內(nèi)進(jìn)行，原核生物則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。

二、生物氧化的酶類和體系

1.酶類：重要的為氧化酶和脫氫酶兩類，脫氫酶尤為重要。

??氧化酶為含銅或鐵的蛋白質(zhì)，能激活分子氧，促進(jìn)氧對(duì)代謝物的直接氧化，只能以氧為受氫體，生成水。重要的有細(xì)胞色素氧化酶，可使還原型氧化成氧化型，亦可將氫放出的電子傳遞給分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外還有過氧化物酶、過氧化氫酶等。

??脫氫酶分需氧脫氫酶和不需氧脫氫酶。前者可激活代謝物分子中的氫，與分子氧結(jié)合，產(chǎn)生過氧化氫。在無分子氧時(shí)，可利用亞甲藍(lán)為受氫體。需氧脫氫酶皆以FMA或FAD為輔酶。不需氧脫氫酶可激活代謝物分子中的氫，使脫出的氫轉(zhuǎn)移給遞氫體或非分子氧。一般在無氧或缺氧環(huán)境下促進(jìn)代謝物氧化。大部分以NAD或NADP為輔酶。

2.體系：有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系。

??不需傳遞體的最簡(jiǎn)單，在微粒體、過氧化酶體及胞液中代謝物經(jīng)氧化酶或需氧脫氫酶作用后脫出的氫給分子氧生成水或過氧化氫。其特點(diǎn)是不伴磷酸化，不生成ATP，主要與體內(nèi)代謝物、藥物和毒物的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。

需傳遞體的最典型的是呼吸鏈。是在線粒體經(jīng)多酶體系催化，即通過電子傳遞鏈完成，與ATP的生成相關(guān)。

三、生物氧化中二氧化碳的生成

生物氧化中CO2的生成是代謝中有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)所致。有直接脫羧和氧化脫羧兩種類型。按脫羧基的位置又有α-脫羧和β-脫羧之分。請(qǐng)判斷以下脫羧反應(yīng)的類型？

四、生物氧化中水的生成

??（一）呼吸鏈的概念和類型

代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后與激活的氧結(jié)合生成水的全部體系，此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈（respiratory chain）或電子傳遞鏈（electron transfer chain）。

在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上。其中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體。遞氫體和電子傳遞體都起著傳遞電子的作用（2H→2H++2e）。

生物體內(nèi)的呼吸鏈有多種型式。人體細(xì)胞線粒體內(nèi)最重要的有兩條，即NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈。它們的初始受氫體、生成ATP的數(shù)量及應(yīng)用有差別。NADH氧化呼吸鏈應(yīng)用最廣，糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)分解代謝中的脫氫氧化反應(yīng)，絕大多數(shù)是通過該呼吸鏈來完成的。琥珀酸氧化呼吸鏈在Q處與上述NADH氧化呼吸鏈途徑交匯。其脫氫黃酶只能催化某些代謝物脫氫，不能催化NADH或NADPH脫氫。

（二）呼吸鏈的組成

??組成呼吸鏈的成分已發(fā)現(xiàn)20余種，分為5大類。

1．輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ

輔酶Ⅰ（NAD+或CoⅠ）為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。輔酶Ⅱ（NADP+或CoⅡ）為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們是不需氧脫氫酶的輔酶，分子中的煙酰胺部分，即維生素PP能可逆地加氫還原或脫氫氧化，是遞氫體。以NAD+作為輔酶的脫氫酶占多數(shù)。

2．黃素酶

黃素酶的種類很多，輔基有2種，即FMN和FAD。FMN是NADH脫氫酶的輔基，F(xiàn)AD是琥珀酸脫氫酶的輔基，都是以核黃素為中心構(gòu)成的，其異咯嗪環(huán)上的第1位及第5位兩個(gè)氮原子能可逆地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)，為遞氫體。

3.鐵硫蛋白

分子中含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫，因而常簡(jiǎn)寫為FeS形式。在線粒體內(nèi)膜上，常與其他遞氫體或遞電子體構(gòu)成復(fù)合物，復(fù)合物中的鐵硫蛋白是傳遞電子的反應(yīng)中心，亦稱鐵硫中心，與蛋白質(zhì)的結(jié)合是通過Fe與4個(gè)半胱氨酸的S相連接。

??4.泛醌（又名輔酶Q）

一類廣泛分布于生物界的脂溶性醌類化合物。分子中的苯醌為接受和傳遞氫的核心，其C-6上帶有異戊二烯為單位構(gòu)成的側(cè)鏈，在哺乳動(dòng)物，這個(gè)長(zhǎng)鏈為10個(gè)單位，故常以Q10表示。

5.細(xì)胞色素類

細(xì)胞色素（cytochrome, Cyt）是一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)，存在于生物細(xì)胞內(nèi)，因有顏色而得名。已發(fā)現(xiàn)的有30多種，按吸收光譜分a、b、c三類，每類又有好多種。

Cyta和a3 結(jié)合緊，迄今尚未分開，故寫成aa3，位于呼吸鏈的終末部位，其輔基為血紅素A，傳遞電子的機(jī)制是以輔基中鐵價(jià)的變化Fe3+ →Fe2+，a3還含有銅離子，把電子直接交給分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又稱細(xì)胞色素氧化酶。a3中的鐵原子可以與氧結(jié)合，也可以與氰化物離子（CN—）、CO等結(jié)合，這種結(jié)合一旦發(fā)生，a3便失去使氧還原的能力，電子傳遞中止，呼吸鏈阻斷，導(dǎo)致機(jī)體不能利用氧而窒息死亡。

（三）呼吸鏈中傳遞體的順序

呼吸鏈中氫和電子的傳遞有著嚴(yán)格的順序和方向。根據(jù)氧化還原原理，氧化-還原電勢(shì)E是物質(zhì)對(duì)電子親和力的量度，電極電位的高低反映電子得失的傾向，E O＇值愈低的氧還對(duì)（A/AH2）釋放電子的傾向愈大，愈容易成為還原劑而排在呼吸鏈的前面。所以NADH還原能力最強(qiáng)，氧分子的氧化能力最強(qiáng)。電子的自發(fā)流向是從電極電位低的物質(zhì)（還原態(tài)）到電位高的氧化態(tài)，目前一致認(rèn)可的是按標(biāo)準(zhǔn)氧還電位遞增值依次排列。

電子由NADH的傳遞到氧分子通過3個(gè)大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，即 NADH脫氫酶、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶到氧（又稱復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ）。電子從FADH2的傳遞是通過琥珀酸-輔酶Q還原酶（復(fù)合體Ⅱ）經(jīng)Q、復(fù)合體Ⅲ、Ⅳ到氧（琥珀酸-輔酶Q還原酶催化的反應(yīng)的自由能變化太?。?。

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第三節(jié) ??氧化磷酸化

一、氧化磷酸化的概念和偶聯(lián)部位

??1.概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型。即ATP生成方式有兩種。一種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布，使無機(jī)磷酸酯化先形成一個(gè)高能中間代謝物，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來自這種方式。

2.偶聯(lián)部位：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定氧的消耗量與ATP的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計(jì)算氧化還原反應(yīng)中ΔGO＇和電極電位差ΔE的關(guān)系可以證明。

P/O比值是指代謝物氧化時(shí)每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)，即合成ATP的摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明， NADH在呼吸鏈被氧化為水時(shí)的P/O值約等于3，即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值約等于2，即生成2分子ATP。

氧-還電勢(shì)沿呼吸鏈的變化是每一步自由能變化的量度。根據(jù)ΔGO＇= - nFΔE O＇(n是電子傳遞數(shù),F是法拉第常數(shù))，從NADH到Q段電位差約0.36V，從Q到Cytc為0.21V，從aa3到分子氧為0.53V，計(jì)算出相應(yīng)的ΔGO＇分別為69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍認(rèn)為下述3個(gè)部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生ATP的部位。

NADH→NADH脫氫酶→‖Q → 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體→‖Cytc →aa3→‖O2

二、胞液中NADH的氧化

??糖代謝中的三羧酸循環(huán)和脂肪酸β-氧化是在線粒體內(nèi)生成NADH（還原當(dāng)量），可立即通過電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化。在細(xì)胞的胞漿中產(chǎn)生的NADH ，如糖酵解生成的NADH則要通過穿梭系統(tǒng)（shuttle system）使NADH的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)膜氧化。

??（一）α-磷酸甘油穿梭作用

??這種作用主要存在于腦、骨骼肌中，載體是α-磷酸甘油。

??胞液中的NADH在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，使磷酸二羥丙酮還原為α-磷酸甘油，后者通過線粒體內(nèi)膜，并被內(nèi)膜上的α-磷酸甘油脫氫酶（以FAD為輔基）催化重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2，后者進(jìn)入琥珀酸氧化呼吸鏈。葡萄糖在這些組織中徹底氧化生成的ATP比其他組織要少，1摩爾G→36摩爾ATP。

（二）蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用

主要存在肝和心肌中。1摩爾G→38摩爾ATP

胞液中的NADH在蘋果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，后者借助內(nèi)膜上的α-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈，生成3分子ATP。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。

三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制

??（一）化學(xué)滲透假說（chemiosmotic hypothesis）

???1961年，英國(guó)學(xué)者Peter Mitchell提出化學(xué)滲透假說（1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），說明了電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度（H+梯度），這種梯度驅(qū)動(dòng)ATP的合成。這一過程概括如下：

1.NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H+ 被3個(gè)H+ 泵，即NADH脫氫酶、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。

2.H+ 泵出，在膜間隙產(chǎn)生一高的H+ 濃度，這不僅使膜外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)低（形成pH梯度），而且使原有的外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位增高，由此形成的電化學(xué)質(zhì)子梯度成為質(zhì)子動(dòng)力，是H+ 的化學(xué)梯度和膜電勢(shì)的總和。

3.H+ 通過ATP合酶流回到線粒體基質(zhì)，質(zhì)子動(dòng)力驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP。 ?

（二）ATP合酶

ATP合酶由兩部分組成（Fo-F1），球狀的頭部F1突向基質(zhì)液，水溶性。亞單位Fo埋在內(nèi)膜的底部，是疏水性蛋白，構(gòu)成H+ 通道。在生理?xiàng)l件下，H+ 只能從膜外側(cè)流向基質(zhì)，通道的開關(guān)受柄部某種蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)。

四、影響氧化磷酸化的因素

??（一）抑制劑

能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為呼吸鏈抑制劑。

魚藤酮、安密妥在NADH脫氫酶處抑制電子傳遞，阻斷NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能進(jìn)行。

??抗霉素A抑制電子在細(xì)胞色素bc1復(fù)合體處的傳遞。

??氰化物、CO、疊氮化物（N3-）抑制細(xì)胞色素氧化酶。

??對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用的物質(zhì)稱氧化磷酸化抑制劑，如寡霉素。

（二）解偶聯(lián)劑

???2，4-二硝基苯酚（DNP）和頡氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶聯(lián)過程，使電子傳遞照常進(jìn)行而不生成ATP。DNP的作用機(jī)制是作為H+的載體將其運(yùn)回線粒體內(nèi)部，破壞質(zhì)子梯度的形成。由電子傳遞產(chǎn)生的能量以熱被釋出。

??（三）ADP的調(diào)節(jié)作用

正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的調(diào)節(jié)，只有ADP被磷酸化形成ATP，電子才通過呼吸鏈流向氧。如果提供ADP，隨著ADP的濃度下降，電子傳遞進(jìn)行，ATP在合成，但電子傳遞隨ADP濃度的下降而減緩。此過程稱為呼吸控制，這保證電子流只在需要ATP合成時(shí)發(fā)生。

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第五章 ??糖代謝

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教學(xué)目標(biāo)：

1.掌握糖類的結(jié)構(gòu)、生理功能和酶促降解有關(guān)酶類。

2.掌握糖酵解、有氧氧化的基本過程、限速酶、ATP的生成、生理意義與調(diào)節(jié)。

3.了解磷酸戊糖途徑的基本過程、生理意義。

4.熟悉糖的合成反應(yīng)基本過程,掌握糖異生的概念與反應(yīng)過程、關(guān)鍵酶、生理意義及調(diào)節(jié)。

導(dǎo)入：糖是自然界分布廣泛，數(shù)量最多的有機(jī)化合物。尤以植物含量最多，約為85%~95%。糖在生命活動(dòng)中主要作用是提供能量和碳源。人體所需能量的50%~70%來自于糖。食物中的糖類主要是淀粉，被機(jī)體消化成其基本組成單位葡萄糖后，以主動(dòng)的方式被吸收入血。本章重點(diǎn)討論葡萄糖在機(jī)體內(nèi)的代謝。

第一節(jié) 概論

一、糖類的結(jié)構(gòu)與功能

1.糖類的結(jié)構(gòu)

糖定義為多羥基醛、酮及其縮聚物和某些衍生物。有單糖、寡糖、多糖和復(fù)合糖類。

單糖是糖結(jié)構(gòu)的單體，可用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（CH2O）n ?表示。一般分為醛糖和酮糖兩類。最簡(jiǎn)單的三碳糖是甘油醛和二羥基丙酮。醛糖中氧化數(shù)最高的碳原子指定為C-1，酮糖中氧化數(shù)最高的碳原子指定為C-2，除最簡(jiǎn)單的二羥丙酮外，都是手性分子。醛糖中手性碳的數(shù)目為n-2，異構(gòu)體的數(shù)目為2n-2。

糖的構(gòu)型有D型和L型。D型糖是指具有最高編號(hào)的手性碳，即離羰基碳最遠(yuǎn)的手性碳連接的- OH在Fischer投影式中是朝向右的。

醛糖和酮糖可以形成環(huán)式的半縮醛。有5員環(huán)或6員環(huán)結(jié)構(gòu)，稱為呋喃糖或吡喃糖。環(huán)化單糖中氧化數(shù)最高的碳原子稱異頭碳，是手性碳，又有α ?、β兩個(gè)新異構(gòu)體（稱為異頭物）。在溶液中，有能力形成環(huán)結(jié)構(gòu)的醛糖和酮糖，它們不同的環(huán)式和開鏈?zhǔn)教幱谄胶庵小?/span>

單糖存在不同的構(gòu)象。對(duì)于每個(gè)吡喃糖，都存在6種不同的船式構(gòu)象和2種不同的椅式構(gòu)象。在椅式構(gòu)象中可以使環(huán)內(nèi)原子的立體排斥減到最小，所以椅式構(gòu)象比船式更穩(wěn)定。

單糖可以通過糖苷鍵形成寡糖和多糖。最常見的糖苷鍵是α-1，4和β-1，4，另一種糖苷鍵α-1，6出現(xiàn)在支鏈淀粉和糖原分子中。4種重要的雙糖有麥芽糖（α-1，4）、纖維二糖（β-1，4）、乳糖和蔗糖。乳糖是纖維二糖的差向異構(gòu)體，是奶中的主要糖分。許多植物可合成蔗糖，它是自然界中發(fā)現(xiàn)的最豐富的糖（無還原性和變旋現(xiàn)象）。

淀粉、糖原是葡萄糖的同多糖。淀粉是植物和真菌中的儲(chǔ)存多糖，糖原是在動(dòng)物和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)存多糖。纖維素和幾丁質(zhì)是結(jié)構(gòu)同多糖。

直鏈淀粉含α-1，4糖苷鍵，支鏈淀粉和糖原中除含α-1，4糖苷鍵外，在分支點(diǎn)上還有α-1，6糖苷鍵。糖原分子一般比淀粉分子大，分支多，但側(cè)鏈含有的葡萄糖殘基較少。纖維素中的葡萄糖殘基通過β-1，4糖苷鍵連接。幾丁質(zhì)的單糖單位是β-1，4糖苷鍵連接的N-乙酰葡萄糖胺。

單糖和大多數(shù)多糖是還原糖。都含有一個(gè)可反應(yīng)的羰基，容易被較弱的氧化劑（如Fe3+或Cu2+）氧化。一個(gè)糖聚合物的還原能力，根據(jù)寡糖和多糖的聚合鏈的還原端和非還原端判斷，在一個(gè)線形的聚合糖中，有一個(gè)還原端殘基（含游離異頭碳的殘基）和一個(gè)非還原端殘基。一個(gè)帶支鏈的多糖含有很多非還原端，但只有一個(gè)還原端。 ????

2.糖的生理功能

1摩爾的葡萄糖完全氧化為CO2和H2O可釋放2840kJ（679kcal）的能量，其中約40%轉(zhuǎn)移至ATP，供機(jī)體生理活動(dòng)能量之需。糖類代謝的中間產(chǎn)物可為氨基酸、核苷酸、脂肪酸、類固醇的合成提供碳原子或碳骨架。如糖的磷酸衍生物可以形成許多重要的生物活性物質(zhì)，如NAD+、FAD、ATP等。

糖決定了人的血型，一個(gè)血球細(xì)胞的表面有50萬(wàn)個(gè)糖蛋白分子。糖是細(xì)胞膜上“受體”分子的組成部分，是細(xì)胞識(shí)別、信息傳遞的參與者。由于單糖有異構(gòu)物、異頭物和多羥基等特點(diǎn)，可以形成種類繁多的不同結(jié)構(gòu)，以致糖鏈的生物信息容量超過肽鏈和多核苷酸鏈。

二、多糖和低聚糖的酶促降解

糖代謝指糖在生物體內(nèi)的分解與合成。是研究最早，代謝途徑了解最祥細(xì)的。分解代謝包括多糖和低聚糖的酶促降解和單糖的氧化放能過程。合成代謝指綠色植物和光合微生物的光合作用合成葡萄糖，進(jìn)而合成淀粉。對(duì)于人和動(dòng)物來說，則是利用葡萄糖合成糖原或利用非糖物轉(zhuǎn)化為糖。

多糖和低聚糖在被生物體利用之前必須水解成單糖。

1.淀粉（或糖原）的酶促降解

人類食物中的糖主要有淀粉、糖原、麥芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖、果糖及纖維素等，一般以淀粉為主。水解淀粉和糖原的酶有α、β淀粉酶（只表示兩種酶，不表示任何構(gòu)型關(guān)系）。α-淀粉酶主要存在于動(dòng)物體（唾液和胰液中），β-淀粉酶主要存在于植物種子和塊根內(nèi)。它們均作用于α-1，4糖苷鍵，但后者只能從非還原端水解。水解產(chǎn)物是麥芽糖。水解淀粉中α-1，6糖苷鍵的酶是α-1，6糖苷鍵酶，如植物中的R-酶和小腸粘膜的α-糊精酶。小腸粘膜細(xì)胞還有寡糖酶和雙糖酶，如麥芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等，屬于糖苷酶類。

淀粉和糖原在細(xì)胞內(nèi)的降解是經(jīng)磷酸化酶的磷酸解作用生成葡糖-1-磷酸，再經(jīng)葡聚糖轉(zhuǎn)移酶和糖原脫支酶除去α-1，6分支，產(chǎn)生的G-1-P由磷酸葡萄糖變位酶轉(zhuǎn)化為G-6-P。G-6-P的命運(yùn)決定于組織，肝臟含G-6-P酶，使其轉(zhuǎn)化為G，葡萄糖是血糖的主要來源，正常人在安靜空腹（停食12～14h）狀態(tài)下，血糖濃度是較恒定的，一般在4.4～6.7mmol/L之間，所以肝糖原用于維持血糖水平。而肌肉組織不含G-6-P酶，肌糖原不能分解成葡萄糖，只能進(jìn)行糖酵解或有氧氧化。

2.纖維素的酶促降解 ??????????

人的消化道無水解纖維素的酶 ( 細(xì)菌、真菌、放線菌、原生動(dòng)物等能產(chǎn)生纖維素酶及纖維二糖酶，水解纖維素成葡萄糖 )，但纖維素促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，有防止便秘的功用。

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第二節(jié) ???糖的分解代謝

一、糖的分解特點(diǎn)和途徑

1.糖的分解在有氧和無氧下均可進(jìn)行,無氧分解不徹底，有氧分解是其繼續(xù),最終分解產(chǎn)物是CO2、H2O和能量。

2.糖的分解先要活化，無氧下的分解以磷酸化方式活化；有氧下，以?；癁橹?。

3.在動(dòng)物和人體內(nèi)，糖的分解途徑主要有3條：糖酵解（葡萄糖→丙酮酸→乳酸）；檸檬酸循環(huán)（丙酮酸 →乙酰輔酶A→CO2+H2O）；戊糖磷酸途徑（葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O）。植物體中乙醛酸循環(huán)是檸檬酸循環(huán)的支路。

二、糖酵解

（一）概念和部位

糖酵解(glycolysis)是無氧條件下，葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的過程。它是生物細(xì)胞普遍存在的代謝途徑，涉及十個(gè)酶催化反應(yīng)，均在胞液。

（二）反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶

1.己糖激酶（hexokinase）催化葡萄糖生成G-6-P，消耗一分子ATP。

己糖激酶（HK）分布較廣，而葡萄糖激酶（GK）只存在于肝臟，這是第一個(gè)關(guān)鍵酶催化的耗能的限速反應(yīng)。若從糖原開始，由磷酸化酶和脫支酶催化生成G-1-P，再經(jīng)變位酶轉(zhuǎn)成G-6-P。

2.G-6-P異構(gòu)酶催化G-6-P轉(zhuǎn)化為F-6-P。

3.磷酸果糖激酶（PFK-Ⅰ）催化F-6-P磷酸化生成F-1，6-DP，消耗一分子ATP。這是第二個(gè)關(guān)鍵酶催化的最主要的耗能的限速反應(yīng)。

4.醛縮酶裂解F-1，6-DP為磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反應(yīng)方向，但在生理?xiàng)l件下甘油醛-3-磷酸不斷轉(zhuǎn)化成丙酮酸，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)向裂解方向進(jìn)行。

5.丙糖磷酸異構(gòu)酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羥丙酮的相互轉(zhuǎn)換。

6.甘油醛-3-磷酸脫氫酶催化甘油醛-3-磷酸氧化為1，3 -二磷酸甘油酸。這是酵解中唯一的一步氧化反應(yīng)，是由一個(gè)酶催化的脫氫和磷酸化兩個(gè)相關(guān)反應(yīng)。反應(yīng)中一分子NAD+被還原成NADH，同時(shí)在 1，3-二磷酸甘油酸中形成一個(gè)高能酸酐鍵，為在下一步酵解反應(yīng)中使ADP變成ATP。

7.磷酸甘油酸激酶催化1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反應(yīng)（6）和反應(yīng)（7）聯(lián)合作用，將一個(gè)醛氧化為一個(gè)羧酸的反應(yīng)與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián)。這種通過一高能化合物將磷?；D(zhuǎn)移ADP形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧，是酵解中形成ATP的機(jī)制。

8.磷酸甘油酸變位酶催化 3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化為2-磷酸甘油酸

9.烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸（PFP）。PFP具有很高的磷?；D(zhuǎn)移潛能，其磷?；且砸环N不穩(wěn)定的烯醇式互變異構(gòu)形式存在的。

10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。這是第三個(gè)關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。也是第二次底物水平磷酸化反應(yīng)。

丙酮酸是酵解中第一個(gè)不再被磷酸化的化合物。其去路：在大多數(shù)情況下，可通過氧化脫羧形成乙酰輔酶A進(jìn)入檸檬酸循環(huán)；在某些環(huán)境條件（如肌肉劇烈收縮），乳酸脫氫酶可逆地將丙酮酸還原為乳酸；在酵母，厭氧條件下經(jīng)丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶催化，丙酮酸轉(zhuǎn)化成乙醇（酒精發(fā)酵）。

葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乳酸+2ATP+2H2O

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O

（三）糖酵解能量的估算和生理意義

在體外，1mol葡萄糖→2mol乳酸，ΔGO＇= －196kJ/mol ?

1mol糖原→2mol乳酸， ?ΔGO＇= －183kJ/mol ?

在機(jī)體內(nèi)，生成 2molATP相當(dāng)捕獲2×30.514=61.028 kJ/mol

葡萄糖酵解獲能效率=2×30.514/196×100% = 31%

糖原酵解獲能效率=3×30.514/196×100% = 49.7%

糖酵解是生物界普遍存在的供能途徑，其生理意義是為機(jī)體在無氧或缺氧條件下（應(yīng)激狀態(tài)）提供能量滿足生理需要。例如，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉內(nèi)ATP大量消耗，糖酵解加速可迅速得到ATP；成熟的紅細(xì)胞沒有線粒體，完全靠糖酵解供能；神經(jīng)細(xì)胞、白細(xì)胞、骨髓、視網(wǎng)膜細(xì)胞代謝極為活躍，不缺氧時(shí)亦由糖酵解提供部分能量。

（四）糖酵解的調(diào)控

糖酵解三個(gè)主要調(diào)控部位，分別是己糖激酶、果糖磷酸激酶（PFK）和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)。

HK被G-6-P變構(gòu)抑制，這種抑制導(dǎo)致G-6-P的積累，酵解作用減弱。但G-6-P可轉(zhuǎn)化為糖原及戊糖磷酸，因此HK不是最關(guān)鍵的限速酶。

PFK被ATP變構(gòu)抑制，但這種抑制作用被AMP逆轉(zhuǎn)，這使糖酵解對(duì)細(xì)胞能量需要得以應(yīng)答。當(dāng)ATP供應(yīng)短缺（和AMP充足）時(shí)，加快速度，生成更多的ATP， ATP足夠時(shí)就減慢速度。檸檬酸可增加ATP對(duì)酶的抑制作用；F-2，6-DP可消除ATP對(duì)酶的抑制效應(yīng)，使酶活化。PFK被H+抑制，可防止肌乳酸過量導(dǎo)致的血液酸中毒。

丙酮酸激酶被F-1，6-DP活化，加速酵解。ATP、丙氨酸變構(gòu)抑制此酶。

三、糖的有氧分解

（一）概念和部位

葡萄糖的有氧分解是從葡萄糖到丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)（TCA），徹底氧化生成CO2、H2O和釋放大量能量的過程。是在細(xì)胞的胞液和線粒體兩個(gè)部位進(jìn)行的。

（二）反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶

整個(gè)過程可分為三個(gè)階段：

第一階段是葡萄糖分解為丙酮酸，在胞液進(jìn)行。與酵解反應(yīng)過程所不同的是3- 磷酸甘油醛脫氫生成的NADH進(jìn)入線粒體氧化。

第二階段是丙酮酸進(jìn)入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA。

丙酮酸脫氫酶系是由3種酶和5種輔助因子組成的多酶復(fù)合體，是關(guān)鍵酶。整個(gè)過程中無游離的中間產(chǎn)物，是個(gè)不可逆的連續(xù)過程。

第三階段是檸檬酸循環(huán)（又稱三羧酸循環(huán)或 Krebs循環(huán)，1937年提出，1953年獲諾貝爾獎(jiǎng)）。此循環(huán)有8步酶促反應(yīng)：

1.檸檬酸合成酶催化乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸和CoASH。是第一個(gè)關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。