生物化學(xué)

一、生物化學(xué)的概念

生物化學(xué)是研究生命現(xiàn)象化學(xué)本質(zhì)的學(xué)科。生物化學(xué)就是生命的化學(xué)。生物化學(xué)是研究生

物體內(nèi)的化學(xué)分子構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能及其在體內(nèi)代謝過程的學(xué)科。——代謝包括

物質(zhì)和能量?jī)煞矫妗?/p>

生物化學(xué)是研究生物的化學(xué)組成和化學(xué)變化的，所以生物化學(xué)也可以分作兩大部分內(nèi)容：

化學(xué)組成部分，也稱為靜態(tài)生物化學(xué)，主要探討構(gòu)成生物體的分子類型、分子結(jié)構(gòu)、

化學(xué)性質(zhì)及生物功能；

②化學(xué)變化部分，討論的是生物體內(nèi)的化學(xué)分子之間如何進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即研究生物體內(nèi)

的化學(xué)反應(yīng)，以及這些反應(yīng)發(fā)生的部位和反應(yīng)機(jī)理，以及相伴這些反應(yīng)所產(chǎn)生的能量變化。

簡(jiǎn)單講—生物化學(xué)就研究生物體的化學(xué)組成和生命中的化學(xué)變化。

二、生物化學(xué)的發(fā)展史

生物化學(xué)的研究始于18世紀(jì)下半葉，但作為一門獨(dú)立的學(xué)科是在20世紀(jì)初。

1629年荷蘭人海爾蒙特進(jìn)行了柳枝試驗(yàn)，100磅土，2磅重柳枝，只澆水，5年后土和柳枝

共重169磅，土減少了二兩，論文發(fā)表于1648年（死后2年）。

1775年拉瓦錫進(jìn)行定量試驗(yàn)，證明呼吸過程和化學(xué)氧化是相同的。并估量呼吸形成的C02

也是由于吸入了氧氣，與體內(nèi)的有機(jī)物結(jié)合并氧化為C02,從而將呼吸氧化與燃燒聯(lián)系在

一起。

1783年拉瓦錫和拉普拉斯在法國科學(xué)院院報(bào)發(fā)表論文，提出動(dòng)物熱理論一一呼吸相當(dāng)于不

發(fā)光的燃燒。并測(cè)定了開釋C02和釋熱的關(guān)系。現(xiàn)在一樣把這一年稱為生化開始年。并把

拉瓦錫稱為生物化學(xué)之父。但在這同一時(shí)期的開拓者還有普利斯特列和舍勒（Scheele）,

前者發(fā)覺了光合現(xiàn)象；后者在1770年發(fā)覺了灑石酸，之后又從膀胱結(jié)石中分離出尿酸，并

對(duì)蘋果酸、檸檬酸，甘油等進(jìn)行了大量研究。舍勒是瑞典人，學(xué)徒工出身，非常熱愛化學(xué),

最后成為化學(xué)家。

進(jìn)入十九世紀(jì)，科學(xué)發(fā)展大大加快，成就不斷涌現(xiàn)，例如

1828年維勒（李比西的學(xué)生）人工合成了第一個(gè)有機(jī)物一一尿素，證明有機(jī)物可以人造。

1838年施來登與施旺發(fā)表細(xì)胞學(xué)說。（在1839年）細(xì)胞是有機(jī)體，整個(gè)動(dòng)物和植物乃是

細(xì)胞的集合體。它們按照一定的規(guī)律排列在動(dòng)植物體內(nèi)。這一學(xué)說把植物和動(dòng)物統(tǒng)一起來。

*1842年李比西（德國人）在《有機(jī)化學(xué)在生理學(xué)與病理學(xué)上的應(yīng)用》一書中首次提出新陳

代謝一詞。

*1860年巴斯德又對(duì)灑精發(fā)酵進(jìn)行了研究一一首次提出發(fā)酵是由酵母菌或細(xì)菌引起的，此研

究為后來的糖代謝和呼吸作用研究奠定了基礎(chǔ)。

1871年米切爾（Miescher霍佩的學(xué)生-瑞典人）發(fā)表文章分離出核素，即DNA。當(dāng)時(shí)年僅

24歲，是首次從膿細(xì)胞中分離出脫氧核糖核蛋白。實(shí)際分離在1868年完成，論文在1871

年發(fā)表。

1877年德國生理學(xué)家一一醫(yī)生霍佩?賽勒，首次提出生物化學(xué)一詞Biochemie,英文為

Biochemistryo并且首次提出蛋白質(zhì)一詞。

1897年Buchner用酵母無細(xì)胞提取液發(fā)酵成功，證明酶的存在。許多人開始提取酶，但都

未成功。二十世紀(jì)初，在維生素、激素、酶的研究方面發(fā)展較快。

1902年艾貝爾（Abel美國人）在德國學(xué)習(xí)七年，1903年制成腎上腺素晶體；后來又在1926

年制成胰島素晶體。

1905年Knoop提出了脂肪酸的b-氧化作用。同年Starling提出激素（1formere）一詞。

1907年霍克（池延登的學(xué)生，美國人）發(fā)表《實(shí)驗(yàn)生理化學(xué)》一書，實(shí)際上就是生物化學(xué)

的前身。這就標(biāo)志著生物化學(xué)已經(jīng)形成，已經(jīng)從生理學(xué)中獨(dú)立出來。

1911年波蘭科學(xué)家Funk結(jié)晶出抗神經(jīng)炎維生素，并命名為Vitamine,意為生命的胺，實(shí)

際是復(fù)合維生素B。

1913年米利切斯和曼頓研究了酶的動(dòng)力學(xué)提出了米曼方程。同年Wilstatter和Stoll分離出

了葉綠素。

1930年Northrop分離出胃蛋白酶，并證明是蛋白質(zhì)。1933年Krebs和Henselen發(fā)覺尿素

循環(huán)；同年Embdem和Meyerhof初步完成了糖酵解途徑的中間產(chǎn)物研究。提出了糖酵解

途徑。

1937年Krebs提出了三竣酸循環(huán)的假說；同年Lohmann和Selitser證明硫胺素是丙酮酸竣

化酶輔基的組成成分;在此期間Kalcker及Belitser各自對(duì)氧化磷酸化作用進(jìn)行了定量研究。

1944年Avery,Maeleod和McCarty完成了肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。

1948年Calvin和Bessen發(fā)覺磷酸甘油酸是光合作用中CO2固定的最初產(chǎn)物，并用了十年

時(shí)間完成了卡爾文循環(huán)的整個(gè)代謝途徑研究。同年Leloir等人發(fā)覺了尿甘酸在碳水化合物

代謝中的作用。

1953年Watson和Criek利用X-射線衍射分析了DNA結(jié)構(gòu)，提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)

構(gòu)模型。這一發(fā)覺為生物的遺傳研究奠定了分子基礎(chǔ)。通常把這一年確定為分子生物學(xué)的

產(chǎn)生年。同年（1953年），Sanger和Trhompson完成了胰島素A鏈及B鏈的氨基酸序列測(cè)

定，二年后報(bào)道了胰島素中二硫鍵位置。

1956年A.Kornberg發(fā)覺了DNA聚合酶。與此同年Ubarger發(fā)覺了從蘇氨酸合成異亮氨酸

時(shí)終產(chǎn)物異亮氨酸能抑制合成鏈中的第一個(gè)酶，即發(fā)覺了生物合成過程的反饋?zhàn)饔谩?/p>

1958年S.B.Weiss和Hurwitz等人發(fā)覺了DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶；同在此年Crik提出分

子遺傳的中心法則；Meselson和Stahl用同位素標(biāo)記方法證明了DNA的半保留復(fù)制假說。

1961年Jacob和Monod提出了操縱子學(xué)說,并指出了mRNA的功能；同年Weiss和Hurwitz

從大腸桿菌中發(fā)覺了DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶；同年M.Nirenberg和H.Mallhei發(fā)覺了遺傳

密碼（苯丙氨酸的）。為三連體核甘酸。

1965中國首次人工全合成了牛胰島素。從七十年代后，生物化學(xué)的發(fā)展主要集中在分子生

物學(xué)方面。關(guān)于中國的生物化學(xué)發(fā)展，也做一簡(jiǎn)略回顧。

第一聿蛋白質(zhì)化學(xué)

（一）.把握蛋白質(zhì)的概念與生物學(xué)意義

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)固的構(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)所依靠的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生物體中含量最

豐富的大分子。

生物學(xué)意義

單細(xì)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(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)覺的酶絕大多數(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)、生物體的防備體系離不開蛋白質(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。

（二）氨基酸

基本結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

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%）

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a-C上，屬于a-氨基酸（脯氨酸為a-亞氨基酸）.

2.R是到］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。

1.一樣物理性質(zhì)

a-氨基酸為無色晶體，熔點(diǎn)一樣在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）。一樣溶解于稀酸或稀堿，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）有共規(guī)雙鍵，在近紫外區(qū)有光吸取能力，Tyr、Trp的

吸取峰在280nm,Phe在265nm。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的光吸取值，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)（isoelectricpoint,pl）

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pl是由a-竣基和a-氨基的解

離常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)pKl和pK2決定的。運(yùn)算公式為：pI=l/2（pKl+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)取兩竣基的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)

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

（1）荀三酮反應(yīng)

所有具有自由a-氨基的氨基酸與過量苗三酮共熱形成藍(lán)紫色化合物（脯氨酸和羥脯氨

酸與荀三酮反應(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

最大吸取峰在570nm波長(zhǎng)處，黃色在440nm波長(zhǎng)下測(cè)定。吸取峰值的大小與氨基酸開釋的

氨量成正比。

（2）與2,4-二硝基氟苯（DNFB）的反應(yīng)（sanger反應(yīng)）

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)固的黃色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)。

（3）Edman反應(yīng)

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a一氨基與

異硫氟酸苯酯PITC反應(yīng)（Edman降解法）。

氨基酸的分類）一根據(jù)R基團(tuán)對(duì)20種蛋白質(zhì)氨基酸的分類及其三字符的縮寫

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（一基、甲硫基、呼I噪環(huán)等，共9種）：甘（Gly）、丙（Ala）、.（Vai）、

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、筑基、酰胺基等，共6種）：絲（Ser）,蘇（Thr）、天

胺（Asn）、谷胺（Gin）、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，凝血酶原中的竣基谷氨酸是蛋白質(zhì)加工修飾而成。

（三）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

1.肽（peptide）

概念：由氨基酸通過肽鍵相連而成的化合物稱為肽。

2.肽的理化性質(zhì)（與氨基酸相似）

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure）（蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)構(gòu)有時(shí)也稱蛋白質(zhì)的一級(jí)

結(jié)構(gòu)或稱化學(xué)結(jié)構(gòu)）

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)只指肽鏈中的氨基酸序列。

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。而堅(jiān)持空間構(gòu)象穩(wěn)固的是非共

價(jià)的次級(jí)鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

1953年，英國科學(xué)家F.Sanger第一測(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。第一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中核甘酸的序列，再按三個(gè)核甘酸編碼一個(gè)氨基酸的原則估量蛋白質(zhì)的完

整序列。這兩種方法可以相互印證和補(bǔ)充。

目前，國際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫已有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)（secondarystructure）

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)鍵情形下是可以改變的。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)好像是出現(xiàn)出稱為天然構(gòu)象

的單一穩(wěn)固形狀。

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（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(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

0、H以及2個(gè)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。、中決定了兩個(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)象顯現(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.a-螺旋（a-helix）

a-螺旋是肽鍵平面通過a-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)1000）。

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a-螺旋一對(duì)氫鍵0

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)a-螺旋的形成及穩(wěn)固有影響。

3.B-折疊（B-pleatedsheet）

B-折疊是一種肽鏈相當(dāng)舒展的周期性結(jié)構(gòu)。

①相鄰肽鍵平面間折疊成1100角，呈鋸齒狀。

②兩個(gè)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)固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)固。

a-螺旋和B-折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。毛發(fā)中的a一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)不同于一樣的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堅(jiān)持其穩(wěn)固性。

4.0-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)固B-轉(zhuǎn)角的作用力是第一個(gè)氨基酸殘基

皴基氧（0）與第四個(gè)氨基酸殘基的氨基氫（H）之間形成的氫鍵。轉(zhuǎn)角常見于連接反平

行折疊片的端頭。

5.無規(guī)卷曲（randomcoil）

多肽鏈的主鏈出現(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，形成一特別

的組合體，又稱為模體(motif)。通常有aa,BB,Ba|3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)一步繞曲折疊有特殊構(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)(tertiarystructure)

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-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(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)(quaternarystructure)

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)一樣沒有生物學(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)a-亞基和兩個(gè)B-亞基形成的四聚體(a202)?

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

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

(―)種屬差異

(三)分子病

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(02)為2.8torr(ltorr』33.3Pa)時(shí):肌紅蛋白

處于半飽和狀態(tài)。在高p(02)下，如在肺部(大約lOOtorr)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，變成放松的構(gòu)象(放松態(tài),

R型)。T型和R型的相互轉(zhuǎn)換對(duì)調(diào)劑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)，其理論說明是Hb是別構(gòu)蛋白，有別構(gòu)效應(yīng)。

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)、紫外吸取和呈色反應(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

要利用其特別的理化性質(zhì)，采取鹽析、透析、電泳、層析及離心等不傷害蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的

物理方法分離純化蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量

蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量在1萬~100萬，其顆粒平均直徑約為4.3nm(膠粒范疇是

l~100nm)?準(zhǔn)確可靠的測(cè)定方法是超速離心法，蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量可用沉降系數(shù)(S)

表示。

二、蛋白質(zhì)的兩性解離及等電點(diǎn)

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。

蛋白質(zhì)的紫外吸取

蛋白質(zhì)含芳香族氨基酸，在280nm波長(zhǎng)處有特點(diǎn)性吸取峰，用于定量測(cè)定。(主要是酪

氨酸、苯丙氨酸、色氨酸中的R基團(tuán)有苯環(huán)共軌雙鍵系統(tǒng))

蛋白質(zhì)的變性及復(fù)性

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)是多肽鏈從卷曲到舒展的過程，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)象和功能可復(fù)原或部分復(fù)原，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)劑血糖的生理功能等。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)的分離、純化

第二章核酸的化學(xué)

DNA的分子結(jié)構(gòu)

一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystucture)

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指分子中脫氧核甘酸的排列順序，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。一樣將5'-磷酸端作為多核甘酸鏈的“頭”,

寫在左側(cè)，如pACUGA(5'f3')。

在DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)中，有一種回文結(jié)構(gòu)的特別序列，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。

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(cè)定；1977年Sanger利用雙脫氧法(酶法)測(cè)定了6X174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DNA3X109bp全序列的測(cè)定。該計(jì)劃由美、英、日、法、德、中六國科學(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(doublehelix)

1953年，Watson和Crick根據(jù)Wilkins和Franklin拍照的DNAX-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）,估量出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甘酸鏈形成右手螺旋。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3.4nm,含10個(gè)堿基對(duì)（bp）,相鄰堿基對(duì)平面間的距離為0.34nm。螺旋

直徑為2nm?

氫鍵堅(jiān)持雙螺旋的橫向穩(wěn)固。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

堅(jiān)持螺旋的縱向穩(wěn)固。

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拍照的DNAX-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)覺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)一步盤旋所形成的空間構(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，目的是堅(jiān)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，稱放松環(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=-l）?

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Hl。20（）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，總壓縮近一萬倍。典型人體細(xì)胞的DNA理論長(zhǎng)度應(yīng)

是180cm,被包裝在46個(gè)5Hm的染色體中。

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)核昔酸組成。RNA

徒可以回折且通過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)

一、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,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)：核甘酸殘基數(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,端卜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

尿嚏咤環(huán)(D環(huán))、反密碼子環(huán)、TWC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(messengerRNA,mRNA)

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),(m7Gppp)?

3.代謝活躍，壽命較短。

三、核糖體RNA(ribosomalRNA,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5srRNA

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18So

3.各種rRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中的核昔酸殘基數(shù)及其順序都不相同，且有特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

核酸的性質(zhì)

一、一樣理化性質(zhì)

1.DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末；都微溶于水，不溶于一樣有機(jī)溶劑。

常用乙醇從溶液中沉淀核酸。

2.具有大分子的一樣特性。分子大小可用Da、b或bp、S、鏈長(zhǎng)(Um)表示。一個(gè)

bp相當(dāng)?shù)暮烁仕崞骄肿恿繛?60Da；1um長(zhǎng)的DNA雙螺旋相當(dāng)3000bp或2X106Da?

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)固，此特性用來測(cè)定RNA的堿基組成和純化DNA。

4.紫外吸取，最大吸取峰在260nm處，核酸的變性或降解，吸光度A升高，稱為增色效應(yīng)。

核酸的分離純化

第三章酶

酶的概念和作用

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)

覺的有兩類：主要的一類是蛋白質(zhì)酶(enzyme),生物體內(nèi)已發(fā)覺4000多種，數(shù)百種酶得

到結(jié)晶。美國科學(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)覺核

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，具有一樣催化劑的共性，如在反應(yīng)前后酶的質(zhì)和量不變；只催化熱

力學(xué)答應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，即臼由能由高向低轉(zhuǎn)變的化學(xué)反應(yīng)；不改變反應(yīng)的平穩(wěn)點(diǎn)。但是，酶

是生物大分子，又具有與一樣催化劑不同的特點(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，比一樣催化劑高107?1013倍。例如，

版酶催化尿素的水解速度是H+催化作用的7X1012倍;碳酸酊酶每一酶分子每秒催化6X

105C02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挑選性，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恍浴Ｓ薪Y(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)。

如胭酶僅催化尿素水解。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竣基形成

的肽鍵；胰凝乳蛋白酶水解芳香氨基酸及其它疏水氨基酸竣基形成的肽鍵。

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)劑性

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)劑酶的含量；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)劑;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)劑和共價(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)劑元件，酶水平的調(diào)劑是代謝調(diào)控的基本方式。

4.酶的不穩(wěn)固性

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。

酶催化作用一樣需要比較溫順的條件(37℃、latm、pH7)?

三、酶的國際分類與命名

(-)酶的分類

根據(jù)國際酶學(xué)委員會(huì)(InternationalEnzymeCommission,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.裂解前(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

酢酶、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的分說明能。

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)明前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：a-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?

酶的作用機(jī)制

1酶的活性中心酶的活性部位

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(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維小區(qū)(為裂縫或?yàn)榘枷?。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)固性，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，為堅(jiān)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)有組氨酸的咪口坐基、絲氨酸的羥基、半胱氨酸的疏基等。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，切斷其竣基側(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，切斷其竣基但的彈

性蛋白酶有相對(duì)大的Vai和Thr不帶電荷的氨基酸俱I］鏈，凸出在它的底物-結(jié)合部位，阻止

了除Ala和Gly小仰］鏈以外的所有其他氨基酸。

2酶的專一性和高效性機(jī)制

影響酶促反應(yīng)速度的主要因素

底物濃度、酶濃度、溫度、pH,激活劑、抑制劑

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

(-)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)固（零級(jí)反應(yīng)）。

當(dāng)兇<VKm時(shí)，v=Vmax［S］/Km,反應(yīng)速度與底物濃度成正比；當(dāng)網(wǎng)>>

Km時(shí)，v絲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）o

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是酶的特點(diǎn)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范疇內(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)，保護(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。一樣酶的最適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」，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)間的平穩(wěn)。

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，C1-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。

（-）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，一樣不能用透

析、超濾等物理方法去除。這類抑制作用可用某些藥物解毒，使酶復(fù)原活性。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)興奮出現(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，明顯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。

重金屬鹽引起的筑基酶中毒，可用絡(luò)合劑或加入其他過量的疏基化合物，如二筑基丙醇

（BAD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，復(fù)原酶活性。可逆抑制有競(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)才逐步抵消，明顯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。磺胺藥和細(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)

菌的核甘酸合成受阻而死亡。而人以攝入葉酸為主，故磺胺藥對(duì)人的核酸合成無影響。

別構(gòu)酶變構(gòu)酶(allostericenzyme)

變構(gòu)酶又稱別構(gòu)酶，是一類調(diào)劑代謝反應(yīng)的酶。一樣是寡聚酶，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)劑部位，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)。

共價(jià)修飾酶

同工酶同工酶(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)覺的第

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?/p>

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

死的情形可通過血液LDH同工酶的類型的檢測(cè)確定。

酶的分離與提純

除了采用分離純化蛋白質(zhì)的一樣方法，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、高溫順劇烈攪拌等，以避免酶活力的缺失。

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。

維生素和輔酶P186

第五章糖代謝

-生物體內(nèi)的糖類

二單糖的分解作用

1.糖酹解

(-)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。

（-）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-Po

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-l,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-l,6-DP為磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸。平穩(wěn)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酸-3-磷酸氧化為1,3-二磷酸甘油酸。這是酵解中唯獨(dú)

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)高能酸酎鍵，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)竣酸的反應(yīng)與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián)。這種通過一高能

化合物將磷酰基轉(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，

是酹解中形成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具有很高的磷酰基轉(zhuǎn)

移潛能，其磷酰基是以一種不穩(wěn)固的烯醇式互變異構(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)情形下，可通過氧化

脫段形成乙酰輔酶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)丙酮酸脫竣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++2H20

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+f2乳酸+2ATP+2H20

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+-2乙醇+2CO2+2ATP+2H20

（三）糖酵解能量的估算和生理意義

在體外,Imol葡萄糖f2moi乳酸,AGO'=_196kJ/mol

1mol糖原f2moi乳酸，AGO'=-183kJ/mol

在機(jī)體內(nèi)，生成2moiATP相當(dāng)捕捉2X30.514=61.028kJ/mol

葡萄糖酵解獲能效率=2X30.514/196X100%=31%

糖原酵解獲能效率=3X30.514/196X100%=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的積存，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