生物化学笔记二
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二.蛋白质的一级结构及其测定1.蛋白质的结构层次：1、2、超2、结构域、3、42.一级结构：即蛋白质的共价结构或平面结构，核心内容就是aa的排列顺序，它的改变涉及到蛋白质共价键的破坏和重建。一级结构的全部内容包括：肽链的个数、aa的顺序、二硫键的位置、非aa成分。3.蛋白质一级结构的测定间接法：通过测定蛋白质之基因的核苷酸顺序，用遗传密码来推断aa的顺序。这是因为核苷酸的测序比蛋白质的测序工作要更方便、更准确。直接法：用酶和特异性试剂直接作用于蛋白质而测定出aa顺序。&1&第一步：前期准备分离纯化蛋白质：纯度要达到97％以上才能分析准确。蛋白质分子量的测定：渗透压法、凝胶电泳法（聚丙烯酰胺、SDS）、凝胶过滤法、超离心法等aa组成的测定：氨基酸自动分析仪肽链拆分：非共价键的如氢键、离子键、疏水键、范德华力4种，可用尿素或盐酸胍等有机溶液来拆分。共价键的仅二硫键1种，可用巯基乙醇、碘代乙酸、过甲酸来拆分。&2&第二步：肽链的端点测定N端测定：Sanger法，DNFB→DNP-肽→水解→乙醚萃取→层析鉴定Edman法，PITC→PTC-肽→PTH-aa→层析鉴定C端测定：肼解法，P83，唯有C端aa与众不同，酰肼化合物与游离aa，再通过Sanger法来鉴定。Asn、Gln、Cys、Arg将被肼破坏，不能分析。羧肽酶法：配合动力学控制。羧肽酶A：Arg、Lys、Pro除外的氨基酸残基羧肽酶B：仅Arg、Lys羧肽酶C：所有的氨基酸残基&3&每条肽链aa顺序的测定：aa顺序自动分析仪只能准确测定50aa以下的肽链，而一般的蛋白质都含有100以上的aa残基，所以，事先要将蛋白质打断成多肽甚至寡肽，再上机分析，而且要2套以上，便于以后拼接。常用的工具酶和特异性试剂有：胰蛋白酶：仅作用于Arg、Lys的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。糜蛋白酶：仅作用于含苯环的氨基酸的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。 Trp、Tyr、PheCNBr：仅作用于Met的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。拼接：将2套多肽的aa顺序对照拼接，举例：
69845 23→69 84523&4&第四步：二硫键位置的确定：包括链内和链间二硫键的位置，用对角线电泳来测。在肽链未拆分的情况下用胃蛋白酶水解之，可以得到被二硫键连着的多肽产物。先进行第一向电泳，将产物分开。再用过甲酸、碘代乙酸、巯基乙醇处理，将二硫键打断。最后进行第二向电泳，条件与第一向电泳完全相同。选取偏离对角线的样品（多肽或寡肽），它们就是含二硫键的片段，上机测aa顺序，根据已测出的蛋白质的aa顺序，把这些片段进行定位，就能找到二硫键的位置. 蛋白质一级结构测定的意义&1&分子进化：将不同生物的同源蛋白质的一级结构进行比较，以人的为最高级，从而确定其它物种的进化程度，也可以制成进化树，由于这是由数据决定的，因此比形态上确定的进化更加科学和精确。&2&证明了一个理论，即蛋白质的一级结构决定高级结构，最终决定蛋白质的功能。&3&疾病的分子生物学：镰刀型贫血症的内因是血红蛋白的β6Val，正常的血红蛋白的β6Glu三.蛋白质的二级结构1.二级结构概论&1&二级结构的定义：肽链主干在空间的走向。主干指的是肽平面与α-C构成的链子，见P95。&2&二级结构的内容：空间走向以及维持这种走向的力量：氢键和R基团的影响（离子键、疏水键、空间障碍等）&3&二级结构的描述：ф角：肽平面绕N-Cα单键旋转的角度ψ角：肽平面绕Cα-C羧基单键旋转的角度，见P95。至于+-方向的规定，0度角的规定太复杂，不作要求。这样，一个肽平面的空间位置可以被2个二面角来确定，如果每个肽链的两个二面角（ф,ψ）都相同，则构成了规则的空间走向，所以可以用（ф,ψ）来描述肽链的二级结构。2.二级结构的常见类型Pauling的贡献，X光衍射法是研究蛋白质构象的最好技术，羊毛蛋白和蚕丝蛋白，单调一致，诺贝尔化学奖。&1&α-右手螺旋α-螺旋即像弹簧一样的螺旋，有右手与左手之分，自然选择蛋白质的α-螺旋为右手螺旋。示范。α-右手螺旋的数据：每一圈含有3.6个aa残基（或肽平面），见P96的b，每一圈高5.4&A，即每一个aa残基上升1.5&A，旋转了100度，2个二面角（ф,ψ）＝（-570，-480）。维持α-右手螺旋的力量是链内氢键，它产生于一个肽平面的C=O与相邻一圈的在空间上邻近的另一个肽平面的N-H之间，见P96b，它的方向平行于螺旋轴，因此，α-右手螺旋的外观是个筒状的帘子，见P96c。每个氢键串起的长度为3.6个肽平面或3.6个aa残基，被氢键串起来的这个环上含有13个原子，故α-右手螺旋也被称为3.613螺旋。R基团对α-右手螺旋的影响：破坏者Pro，该处折断，因为亚氨基不能形成氢键；不稳定者酸性、碱性、太大、太小：Glu、Asp、Arg、Lys、Gly、Ile。其它都是起稳定作用的。分布：毛发中的α-角蛋白，例如头发中的α-角蛋白。见沈同P155。&2&β-折叠：肽链在空间的走向为锯齿折叠状，见P97。跟纤维素的相似。二面角（ф,ψ）＝（-119℃，+113℃）。维持β-折叠的力量：链间的氢键，它产生于一个肽平面的C=O与相邻肽链的在空间上邻近的另一个肽平面的N-H之间，见P98，两条肽链上的肽平面互相平行，形成片层结构。见P97。β-折叠有平行式和反平行式两种见P98。平行式：两条链的走向相同，N-CN-C反平行式：两条链的走向相反，N-CC-N反平行式的β-折叠比平行式的更稳定一条肽链回折后就可形成两条走向相反肽段，就可以形成反平行式的β-折叠，β-折叠不限于两条肽链之间，多条肽链可以形成很宽的β-折叠片层，片层与片层之间以范德华力相互作用，形成厚厚的垫子。α-右手螺旋与β-折叠相比更具弹性，不易拉断，β-折叠易拉断，α-右手螺旋经加热后可变成β-折叠，长度增加，毛衣越洗越长也是这种变化。&3&左手螺旋：存在于胶原蛋白中，aa残基组成为（-Gly-Pro-Y-），Y为 HyPro或HyLys靠链间氢键和范德华力来维持。见沈同P158。&4&U型回折：也叫β-转角，肽链在某处回折1800所形成的结构。这个结构包括的长度为4个aa残基，其中的第三个为Gly，稳定该结构的力量是第一和第四个aa残基之间形成的氢键。在黑板上演示。&5&310螺旋：是α-右手螺旋的过渡形式，又廋又长，每个氢键串起的长度为3个肽平面或3.6个aa残基，被氢键串起来的这个环上含有10原子。&6&无规卷曲：无固定的走向，但也不是任意变动的，它的2个二面角（ф,ψ）有个变化范围。从结构的稳定性上看α-右手螺旋&β-折叠& U型回折&无规卷曲，而从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，α-右手螺旋和β-折叠一般只起支持作用。3.超二级结构：空间相邻的几个2级结构形成的更复杂的结构，其类型有&1&左手超螺旋：3根α-右手螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋，如头发中的角蛋白，见沈同P155。&2&右手超螺旋：3根左手螺旋拧到一起形成一个右手超螺旋，如胶原蛋白，见沈同P158。本教材P103有误。&3&αα：相邻的2根α-右手螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋，见P98。&4&β×β：一个连接链连着2个β折叠，平行式，这个连接链可以很长。见P98。&5&βαβ：3段β折叠和2段α螺旋相间形成，见P98。&6&βββ：以2段U-型回折连接着的3段β折叠，反平行式。见P98。4.结构域：长肽链（多于150个aa），在二级结构的基础上通过多次折叠，在空间上形成一些半独立的球状结构，叫结构域，它是三级结构的一部分，结构域之间靠无规卷曲连接。也就是说将三级结构拆开后首先看到的结构。草图显示。四.蛋白质的三级结构和四级结构1.三级结构：即蛋白质的三维结构、构象，指其中所有原子的空间排布，是结构域再经过卷曲和折叠后形成的。如果蛋白质是单条肽链，则三级结构就是它的最高级结构，三级结构由二硫键和次级键（氢键、疏水键、离子键、范德华力）维持。P99是肌红蛋白的三级结构。2.四级结构：多条肽链通过非共价键（氢键、疏水键、离子键、范德华力）形成的聚合体的结构就是四级结构，注意，由二硫键连接的几条肽链不具有四级结构。每条肽链都有自己的三级结构，称为亚基或亚单位，一般情况下，具有四级结构的蛋白质含有的肽链不会太多，故称这类蛋白质为寡聚蛋白，如寡聚酶等。五.蛋白质的结构与功能1.蛋白质的结构与功能的关系&1&每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。&2&蛋白质的结构决定了蛋白质的功能。&3&蛋白质的功能直接由其高级结构（构象）决定。例子，蛋白质的变性现象。&4&蛋白质的一级结构决定高级结构（构象），因此，最终决定了蛋白质的功能。例子，人工合成胰岛素，A、B链分别合成，等比例混合后就有活性。而生物合成胰岛素则是先合成一条长肽链，形成正确的二硫键，而后再剪去中间的C肽才形成胰岛素的。草图显示。2.蛋白质结构与功能实例&1&免疫球蛋白G：即抗体G，IgG（Immuno globe），由免疫细胞B分泌出的蛋白质，可以特异的结合抗原并消灭之，这就是免疫反应。IgG的一级结构：四条肽链，2重2轻（L2H2），对称排列，LHHL，有12条链内二硫键，4条链间二硫键，见草图。对其aa的分析发现，IgG分为V区（可变区）和C区（恒定区）。二级结构：几乎全是β折叠，由无规卷曲连接。结构域：有12个球体，每个均被二硫键锁住。三级结构：T型和Y型，属于球蛋白。没有四级结构。IgG的功能：V区负责结合抗原，像钳子一样夹住抗原，体现了IgG的特异性，2价。C区负责结合补体（一种酶，可以水解抗原），也是2价，结合部位在寡糖链处的铰链区。IgG的动态作用过程用人体演示。&2&肌红蛋白：Mb（Myoglobin），哺乳动物的肌肉中储存氧气的蛋白质，水生的哺乳动物体内尤为发达（如鲸鱼），因此，它们可以憋气很长时间，研究用Mb一般由鲸鱼提供。一级结构：单条肽链，153个aa，其中的83个aa为保守序列（即同源蛋白质均相同，是决定功能的最重要序列），含有一分子血红素辅基，见P104，其中保持Fe2+，血红素通过Fe2+以配位键吊在肽链的His的咪唑基上，示意。O2将结合在Fe2+上。二级结构：几乎全是α-右手螺旋，中间由无规卷曲和结来连接。三级结构：扁平的菱形，见P99或沈同P172，属于球蛋白。功能：储存氧气。其三级结构在分子表面形成一个疏水的空穴，血红素即藏在其中，该空穴允许O2进入而拒绝水的进入，保证了Fe2+结合O2而避免了Fe2+→Fe3+。Mb结合氧气的特征可以由氧合曲线来描述，见P104，为双曲线形。其中的氧饱和度（饱和百分数）为Mb O2/（Mb O2+ Mb），P O2为氧的分压。从图中可以看出，Mb倾向于结合氧气而不愿意放出氧气，所以它的功能是储存氧气，只有在P O2极低的时候（体内缺氧的时候）它才释放出氧气。另外，C O可以与O2竞争性的结合Mb。&3&血红蛋白：Hb（Hemoglobin），在人体中有三种，HbA，HbA 2，HbF（仅存于胎儿中），三者的结构和功能大同小异，此处以HbA为例。一级结构：4条链，α2β2。α141，β146，每条肽链都结合着一分子的血红素，两条β链之间还夹着一分子DPG（二磷酸甘油酸），每条肽链都有保守序列。二级结构：4条链均同Mb, 几乎全是α-右手螺旋，中间由无规卷曲和结来连接。三级结构：4条链均同同Mb, 扁平的菱形，见沈同P181，属于球蛋白。四级结构：4个亚基占据着4面体的4个角，链间以离子键结合，一条α链与一条β链形成二聚体，Hb可以看成是由2个二聚体组成的（αβ）2，在二聚体内结合紧密，在二聚体之间结合疏松。功能：运输氧气，4价。其三级结构在每个肽链的分子表面形成一个疏水的空穴，血红素即藏在其中，该空穴允许O2进入而拒绝水的进入，保证了Fe2+结合O2而避免了Fe2+→Fe3+。其氧合曲线见P104，为S形曲线，只有在PO2很高的情况下（在肺部）Hb才结合氧气，而PO2一降低（在外周血管中），它就释放O2，而此时的Mb却纹丝不动。就结合O2的能力而言，4价的Hb还不如1价的Mb。Hb的氧合曲线形状与Mb不同是因为它有着Mb所不具有的一些特性，如：协同效应：Hb分子中一条链结合O2后，可以导致其构象的变化，使其它几条链结合O2的结合能力突然增强，表现出其氧合曲线为S形曲线。对Hb协同效应的解释为：在没有结合氧气时，Hb的四条链之间结合紧密，这种构象称为T态，这种紧密是由离子键和DPG（位于2条β链之间）造成的，屏蔽了分子表面疏水的空穴，使Hb分子结合O2的能力降低（游离的α链和β链结合氧气的能力与Mb相同）。当一条链结合了氧气之后，铁卟啉把His的咪唑基向下一扯，导致该肽链的三级结构发生变化（牵一发而动全局），肽链之间的离子键被破坏，Hb的四级结构也随之改变，2个二聚体（αβ）之间发生错位，挤出DPG，四级结构进一步变化，每条链表面疏水的空穴暴露在外，这种构象称为R态，结合氧气的能力得以增强。别构效应：是某些寡聚蛋白质特有的现象。是指蛋白质与效应物结合改变蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性。Hb的活性中心：Hb每个亚基上血红素存在的那个疏水空穴是结合氧气的地方，称之为活性中心，也叫活性部位。别构中心：在Hb分子的其它地方还有结合效应物的部位，如结合H+、CO2、DPG甚至O2，这些部位结合了效应物之后，可以改变蛋白质的构象，进而影响到活性中心与氧气的结合，这些部位就叫别构中心。活性中心与别构中心可以重合也可以不重合，在Hb中是不重合的。因此，别构效应可以说成是别构中心结合了效应物之后影响了活性中心与氧气的结合。协同效应实际上就是一种别构效应。Mb只有活性中心没有别构中心，它的氧合曲线就是双曲线形的。Hb的另一个别构效应是波尔效应：H+和CO2对Hb与氧气结合的影响。具体的影响见P105的方程式，叙述为H+和CO2促进Hb释放O2，这也解释了Hb为什么在肺中吸氧排CO2,而在肌肉中吸CO2排氧。另外，DPG降低Hb与O2的结合能力。关于镰刀形细胞贫血症：红细胞减少，只有正常人的1/2，无力，剧烈运动会导致死亡。Hbs与Hb在结合O2的能力方面并没有区别，区别在于Hbs造成红细胞溶血，溶血后的Hb不能像红细胞中的Hb一样正常运输O2。Hbs导致溶血的原因在于其β6Val，正常的血红蛋白的β6Glu，红细胞表面的Hbs由于疏水键而聚集，使细胞膜破裂。镰刀形细胞贫血症在非洲某些地区居然是自然选择的结果，是与疟疾抗争的产物。Hbs纯合子：β6Valβ6Val Hbs杂合子：β6Gluβ6Val 正常人β6Gluβ6Glu童年死，抗疟疾 死亡分布年龄广，抗疟疾 长寿，一得疟疾立即死疟疾杆菌只能利用正常人的Hb，不能利用Hbs，所以Hbs者是不感染疟疾的。在该地，Hbs纯合子和正常人都经不起自然选择，只有Hbs杂合子存活了下来。六.多肽的固相合成1.多肽的液相合成：aa1-aa2-aa3-aa4-aa5aa1+aa2→aa1-aa2+aa2-aa1+aa1+aa2，得率很低而且分离出2肽aa1-aa2很烦，合成越到后面，分离工作越困难。2.经过保护和活化处理的多肽的液相合成：保护氨基aa1活化羧基+aa2保护羧基→保护氨基aa1 -aa2保护羧基+保护氨基aa1活化羧基+aa2保护羧基分离2肽“保护氨基aa1 -aa2保护羧基”，去掉氨基保护，再与“保护氨基aa3活化羧基”反应。得率提高，分离简化，但仍然很烦。3.多肽的固相合成：主要就是解决了分离提取方面的难题。整个过程见草图，其中□表示保护，△表示活化，合成的方向为C→N，与生物合成多肽的方向相反。多肽的固相合成思路诞生于洛克菲勒大学主教学楼的电梯中，该大学的教授、诺贝尔奖金获得者与其老板洛克菲勒的一段对话。因此，现在人们还能在电梯的内壁上看到“Solid-phase peptide synthesize was born here!”布置本章作业：1.用下列实验数据推导某肽链的一级结构：&1&完全酸水解后产生的aa组成为：Ala、Arg、2Ser、Lys、Phe、Met、Pro&2&用DNFB处理并水解得到DNP-Ala和ε-DNP-Lys&3&羧肽酶A和B都对此肽不作用&4&用CNBr处理获得2个片段，其中一个片段含有Pro、Trp、Ser &5&用糜蛋白酶作用产生3个片段，1个含有Pro、Ser；另1个含有Met、Trp；最后一个含有Phe、Lys、Ser、Ala、Arg&6&用胰蛋白酶处理产生3个片段，1个含有Ala、Arg；另1个含有Lys、Ser；最后一个含有Phe、Trp、Met、Ser、Pro2.根据书上P59给出的PK’值，计算正常的二肽Glu-Lys以及Lys-Glu的PI值。若有时间就介绍一下参考书。见本讲义P2第五章 酶§1.酶的概论一.酶是生物催化剂二.酶的特点1.效率高：用转换数来衡量，即每个酶分子每秒钟催化底物的量（uM），比其它催化剂高出107～1013倍。2.具有专一性：每一种酶只能作用与一种或一类相似的物质，称为底物。专一性表现在对某一种键的催化上（如水解糖苷键、肽键），高度专一性的酶不仅对化学键有要求，对该键两侧的基团也有要求（胰蛋白酶），甚至对基团的构型也有严格要求（体内所有蛋白质合成或分解的酶都只认L型AA）3.条件温和：室温、常压、温和的PH，剧烈条件反而使酶失活。对比蛋白质的酸碱水解。三.酶的化学本质1.是蛋白质：酶的性质符合蛋白质的特性，为主，80年代以前的书籍都认为酶的本质就是蛋白质。2.是RNA：新发现的某些酶的成分是RNA，称为核糖酶。对比而言，蛋白质作为的酶种类多，数量大，效率高，是酶中的主力。核糖酶仅限于水解酶类，且效率低。四.酶的分类1.按组成成分分：简单蛋白质：只有蛋白质成分。结合蛋白质：蛋白质+非蛋白成分＝全酶，蛋白质部分称为酶蛋白。非蛋白成分称为辅酶：与酶蛋白结合疏松或辅基：与酶蛋白结合紧密通过透析可以鉴别两者。2.按分子结构分：单体酶：酶蛋白只是一条单肽链，如胃蛋白酶、胰蛋白酶、溶菌酶等。寡聚酶：酶蛋白是具有4级结构的蛋白质，有几条～几十条彼此非共价连接的肽链，如糖原磷酸化酶等。这种酶便于进行调节。多酶体系：由几种独立的酶彼此结合形成的聚合体，后一种酶的底物正好是前一种酶的产物，多酶体系的效率极高，很像是流水作业。3.按反应性质分：6大类，很重要。&1&氧化还原酶类：催化氧化还原反应的酶，以催化脱氢为主加氧为次（包括其逆反应：就是加氢脱氧）。用方程式表示就是：A·2H + B ←→ A + B·2H这类酶通常都需要辅酶帮忙，辅酶有下列几种：NAD（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）、NADP（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸），这些都是维生素的衍生物。具体例子：乳酸发酵的最后一步，见草图。&2&转移酶类（移换酶类）：催化基团转移反应的，用方程式表示为：AB + CD ←→ AC + BD具体例子：aa代谢中的转氨反应：见草图。&3&水解酶类：催化水解反应。用方程式表示为：AB + HOH → AOH + BH 例子太多。&4&裂解酶类：从底物中移去一个基团并形成双键的反应，无方程式可表示。例子：见草图。&5&异构酶：催化同分异构反应。用方程式表示为：A ←→ B 例子：见草图。&6&合成酶：催化2种物质合成一种物质，又必须由ATP水解提供能量的反应，无方程式可表示。例子：见草图。六大类酶的记忆诀窍：Z字诀：O2 + H2 ←→ H2O 氧转水，裂亦合。思考题：催化ATP + G ←→ G-6-P + ADP 反应的酶是那一类酶。五.酶的命名1.习惯名：规律性不强，抢先原则，比较乱，会出现一酶多名或一名多酶，优点是简单明了。2.系统命名：酶与名一一对应，要求标名所有底物的名称以及反应的性质，例如上述的谷氨酰氨合成酶是习惯名，其系统名为：Glu：NH3合成酶，优点是明确，缺点是罗嗦。3.酶的编号：为了对酶进行有效的分类和查询，国际酶学委员会对每一种酶都编有一个号，其形式是：EC □·□·□·□，其中EC＝Enzyme Commission，第一个□为6大类之一，第二个□为该大类中的亚类，依此类推。§2.酶的作用机制：关于酶的高效性和专一性的理论一.中间复合物学说：解释酶的高效性的理论，即酶为什么能催化生化反应。1.内容：（以单底物单产物的生化反应为例：S←→P），酶先与底物形成过渡态的中间复合物，进而分解成为底物和酶，从而降低了反应的活化能。用方程式表示为：E+S←→［ES］←→E+P2.用图来描述上述过程：见草图，隧道效应。3.证据：&1&理论证据：用该理论推导出的酶促反应动力学方程（米氏方程）与实验数据极为相符。&2&直接证据：寻找过渡态中间复合物［ES］，这是一种极不稳定的物质，寿命只有10-12～10-10秒，正常情况下是找不到的，通过低温处理（-50℃），使［ES］的寿命延长至2天，弹性蛋白酶，切片的电镜照片以及X光衍射图都证明了［ES］的存在。二.锁钥学说：解释酶专一性的理论，已经过时，但是解释得很形象。1.酶的活性中心：酶与底物直接接触和作用的部位。一般而言，底物比酶要小得多。2. 锁钥学说：酶的活性中心的构象与底物的结构（外形）正好互补，就像锁和钥匙一样是刚性匹配的，这里把酶的活性中心比作钥匙，底物比作锁。在此理论的基础上还衍生出一个三点附着学说，专门解释酶的立体专一性。3.缺陷：酶促反应多数是可逆反应，S←→P，这就产生了一只钥匙开2把锁的情况，是荒唐的。三.诱导锲合理论：这是为了修正锁钥学说的不足而提出的一种理论。它认为，酶的活性中心与底物的结构不是刚性互补而是柔性互补。当酶与底物靠近时，底物能够诱导酶的构象发生变化，使其活性中心变得与底物的结构互补。就好像手与手套的关系一样。该理论已得到实验上的证实，电镜照片证实酶“就像是长了眼睛一样”。四.关于酶与底物具体作用的方式：全部用于说明酶的高效性，不同的酶适用于不同的类型，但第一种类型是共有的。1.邻近与定向效应：邻近指底物汇聚于酶的活性中心，使酶的活性中心的底物浓度高于其它处，定向则指底物的敏感化学键与酶的催化基团正好对准，使反应加速进行。见P198。2.张力与变形效应：酶的活性中心与底物结合后，底物分子中的敏感键被拉扯而变形，易于断裂。见P198。3.广义的酸碱催化：释放与吸收H+的物质分别称为广义的酸碱，用得失H+来催化反应是广泛存在的，酶的广义的酸碱催化机理与有机化学中的相同。酸性氨基酸和碱性氨基酸常常作为这类酶的活性中心，酶蛋白中的His的咪唑基也很特别，它即能行酸催化，又能行碱催化。4.共价催化：当酶与底物形成［ES］时是以共价键相连的，导致底物的敏感键发生断裂，又导致新的共价键形成，最后［ES］中的共价键断裂而释放出E。§3.酶促反应动力学：研究反应条件对反应速度的影响，这里仅研究最简单的酶促反应，即单底物单产物的反应：S←→P一.酶促反应的速度：仅指初速度，即刚开始反应不久的速度，举例，3Mol→2Mol→1.9Mol与2Mol→1.9Mol。v=d[P]/dt=- d[S]/dt，单位Mol/L*s，各个符号的意义，考虑到测定的难易程度，最好用v=d[P]/dt二.各种因素对v的影响1.［E］的影响：保持其它因素不变，则［E］与v成正比，见P214，其斜率就是酶的转换数。2.［S］的影响：保持其它因素不变，如［E］、T、PH，对于单底物单产物的酶促反应而言，［S］对v的影响见图P203，分析之。Michaelis和Menten两人总结出了一个经验公式，这就是米氏方程，它与根据中间复合物学说推导出的方程是一致的（P204，请大家回去自己看懂）。互相证明了其正确性。该方程的形式为P204，各个符号的意义。&1&Vm：最大速度，是当［S］→∞时的速度，注意，［E］恒定了，Vm就是常数，但不同的［E］Vm不同。&2&Km：米氏常数，是研究酶促反应动力学最重要的常数。它的意义如下：它的数值等于酶促反应达到其最大速度Vm一半时的底物浓度［S］，图示以及公式推导。它可以表示E与S之间的亲和能力，Km值越大，亲和能力越强，反之亦然。它可以确定一条代谢途径中的限速步骤：代谢途径是指由一系列彼此密切相关的生化反应组成的代谢过程，前面一步反应的产物正好是后面一步反应的底物，例如，EMP途径。限速步骤就是一条代谢途径中反应最慢的那一步，Km值最大的那一步反应就是，该酶也叫这条途径的关键酶。它可以用来判断酶的最适底物，某些酶可以催化几种不同的生化反应，叫多功能酶，其中Km值最小的那个反应的底物就是酶的最适底物。Km是一种酶的特征常数，只与酶的种类有关而与酶的浓度无关，与底物的浓度也无关，这一点与Vm是不同的，因此，我们可以通过Km值来鉴别酶的种类。但是它会随着反应条件（T、PH）的改变而改变。Km的求法：双倒数作图法：将米氏方程两边取倒数就变成了P208的形式，这是一个典型的直线方程，y=kx+b，只要测得［S］和v，就能作出一条直线P208，该直线的X轴截距为-1/Km，Y轴截距为1/Vm，这样就能通过作图求出Km和Vm。之所以要变成直线形式是为了减少误差，也就是说，凡是测量误差较大的点，都很容易剔除掉（偏离直线），若是曲线的话，正确点和误差点是很难区别的。该法的缺点是所测各点过于集中，不利于确定直线的位置。Eadie-Hofstee法：将米氏方程两边乘以（Km+［S］）/［S］就变成了P209的形式，也是一个直线方程，只要测得［S］和v，就能作出一条直线P209，该直线的X轴截距为Vm/Km，Y轴截距为Vm，这样也能通过作图求出Km和Vm。本法的点分布较为均匀，直线位置容易定，但数据处理要麻烦些。3.PH的影响：保持其它条件不变，则PH对v的影响见图P213，其中的纵坐标改为v。最适PH：v最大时的PH。4.T的影响：保持其它条件不变，则T对v的影响见图P212，其中的纵坐标改为v。最适T：v最大时的T。5.抑制剂的影响：抑制剂是使酶活性降低或丧失的物质，用I表示，根据它与酶的结合情况分为两种，结合紧密（一般为共价连接）的不可逆性抑制剂以及结合松弛（一般为非共价连接）的可逆性抑制剂，后者可以通过透析来除去。抗菌素并不能消灭细菌，而是抑制了细菌中某种酶的活性。&1&不可逆性抑制剂实例，酶学研究的探针：DIFP二异丙基氟磷酸：结构见草图，这是一种有机磷农药，杀虫剂，其中的F能够与酶的的Ser的-OH特异性结合（脱HF），形成DIP-酶，从而抑制了酶的活性。Thr和Tyr虽然也有-OH，但不与DIFP作用，所以DIFP可以当探针来研究酶活性中心的结构，看看有没有Ser。对氯汞苯甲酸：结构见草图，能够特异性的结合酶中Cys的SH基（脱HCl），因此也能当探针来研究酶活性中心的结构，看看有没有Cys。&2&可逆性的抑制剂：分为三种，其特点如下竞争性的抑制剂：与底物竞争性的结合酶的活性中心，它的结构与底物的结构相似，这种抑制可以通过提高底物的浓度来消除。其作用方式可以表示为P216。抑制的结果使Km↑，Vm不变。例如：CH2COOH 琥珀酸脱氢酶 CHCOOH COOH｜ ←---------→ ‖ 抑制剂： ｜CH2COOH CHCOOH 是底物的类似物 CH2COOH琥珀酸 延胡索酸 丙二酸非竞争性抑制剂：抑制剂与酶活性中心以外的地方结合，形成IES三元复合物，从而降低了酶活性中心对底物的催化。其作用方式可以表示为P217。抑制的结果使Km不变，Vm↓。反竞争性抑制剂：I不能和E结合，只能和ES结合，形成IES三元复合物，从而降低了酶活性中心对底物的催化。其作用方式可以表示为P218。抑制的结果使Km↓，Vm↓。三种抑制剂对比：Km Vm竞争性的抑制剂 ↑ 不变非竞争性抑制剂 不变 ↓反竞争性抑制剂 ↓ ↓§4.酶的活性及调节一.酶的活性：指酶具有催化生化反应的能力。二.酶的活力：表示具有活性的酶的数量，其单位就叫活力单位，U，其定义为：在最适条件下，单位时间内催化一定量的底物转化成产物的酶的量。国际标准活力单位的定义为：在标准条件（25℃、最适PH、底物过量）下，1分钟催化1uMol底物转化成产物的酶的量，就是1个活力单位，举例。有些情况下用国际标准活力单位不方便，则用习惯单位。刚开始接触这个概念时不大习惯，因为平时我们衡量物质的量都是用重量和体积。关键在于“活性”上，举例，密闭的酶制剂。为了加深理解，做一对比：数量 测定法 单位 单位的定义酶 活力 测反应速度（乘上体积就是活力） U 见上面其它物质 重量 称重 g 使天平扭转某个角度的物质的量三.与酶活力有关的几个概念1. 酶的浓度：［E］，单位体积酶溶液中的酶的活力。2. 比活力：单位重量酶制剂中酶的活力，代表酶制剂的纯度，也反映酶制剂的质量。3. 转换数：每秒钟每个酶分子催化底物转变为产物的量（uMol），反映酶的效率。四.酶活力的测定：严格的测定方法是，在25℃，最适PH，过量［S］（要求大于100Km）下，测定反应的初速度（uMol/L*M），乘以反应体积就是酶的活力。也有特殊情况。五.酶活性的调节：酶活力的改变可以通过增加或减少酶分子的个数，也可以通过提高或降低每一个酶分子的催化能力来实现。前者牵扯到非常复杂的过程（激素→DNA→RNA→蛋白质），是慢反应。后者在现成的酶分子上进行加工，是快反应，是酶活性的调节的内容，这种调节一般有5种方式：别构调节、酶原激活、共价修饰、反馈调节、级联放大。1.别构酶和别构调节&1&什么是别构酶：研究酶的动力学曲线时发现存在2种线型，一是双曲线形，符合米氏方程，叫米氏酶。另一类不是双曲线形而是S形的，不符合米氏方程，这就是别构酶，见P226，它有如下4个特点：是寡聚酶既有活性中心又有别构中心，通常分别位于不同的亚基上，出现了催化亚基和调节亚基具有别构效应：别构中心结合了效应物（效应物）后，导致酶的构象发生改变，影响了活性中心对底物的催化作用，别构效应有下面4种类型：正协同效应：提高了酶的催化活性负协同效应：降低了酶的催化活性同促作用：效应物（效应物）就是S，所有的别构酶都有此效应，它也是导致别构酶动力学曲线为S形的原因。异促作用：效应物（效应物）是其它物质动力学曲线为S形：v-[S]曲线。&2&判断米氏酶和别构酶的简单方法：通过Rs值：Rs＝［S］90％Vm/［S］10％VmRs≈81 米氏酶Rs&&81 别构酶，负协同效应Rs&&81 别构酶，正协同效应通过n值：v=Vm*[S]n/(Km+[S]n)n≈1 米氏酶n&&1 别构酶，正协同效应n&&1 别构酶，负协同效应&2&别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏感。比如：对米氏酶而言，［S］90％Vm/［S］10％Vm＝81，意思是［S］提高了81倍，v才提高9倍，说明酶对［S］的变化很迟钝。而对于一般的别构酶而言，［S］90％Vm/［S］10％Vm＝3，意思是［S］只要提高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对［S］的变化很敏感。&3&别构效应的机制序变模型（KNF）：别构酶中的一条亚基结合了效应物之后，构象发生改变，并导致其相邻的亚基的构象发生改变，这种构象变化依次传递，从而影响酶的催化活性。此模型适应于活性中心和别构中心同处于一条亚基上的别构酶。齐变模型（MWL）：别构酶中的一条亚基结合了效应物之后，构象发生改变，导致其它所有亚基的构象一起变化，从而影响酶的催化活性。此模型适应于活性中心和别构中心分别处于不同亚基上的别构酶。血红蛋白的功能可以用此模型解释。&4&具体例子：Asp氨甲酰磷酸氨甲酰转移酶（ATCase）催化的反应：ATCaseAsp + 氨甲酰磷酸 ――-―-→ 氨甲酰Asp + 磷酸ATP组成：12条亚基，6条催化亚基，C；6条调节亚基，R。对称排列，3R2&#，见草图。动力学特征：双底物反应，固定氨甲酰磷酸，变化［Asp］，其s-v图为S形，是别构酶。效应物：S（同促）、ATP（正协同，异促）、CTP（负协同，异促），见草图。2.反馈调节：在一条代谢途径中，其中间产物，尤其是终产物，对第一步反应的酶活性进行的调节就是反馈调节。有短反馈（D对E 1）、长反馈（G对E1）、正反馈（加速）、负反馈（抑制，默认）A ---E1-→ B ---E2-→ C --- E3-→ D --- E4-→ E --- E5-→ F --- E6-→ G至于反馈调节的方式，可以是别构效应，也可以是其它方式。3.共价修饰：给酶共价结合一个基团或者去掉一个基团，从而改变其活性的调节方式。最常见的共价修饰方式就是磷酸化或去磷酸化：例如糖原磷酸化酶的活性调节糖原磷酸化酶a糖原 ------------------------→ G-1-P激酶ATP + 糖原磷酸化酶b -----------→ 糖原磷酸化酶a + ADP磷酸酶糖原磷酸化酶a ------------------→ 糖原磷酸化酶b + ○P4.级联放大：通过一系列的酶活性的改变，产生一种放大效应。如4秒种放大10000倍（对比40倍）。E2 E1 → ↓ E3 1 E2* → ↓ E4 10 E3* → ↓ E5100 E4* → ↓1000 E5*100005.酶原激活：刚生物合成出来的酶蛋白是没有活性的，叫酶原，经过加工后（剪切，修饰等）才具有活性。例如，胃蛋白酶原要释放到胃液中才被截断一段肽，成为有活性的酶。抗体酶：将过渡态底物的类似物作为抗原，在动物体内诱导出相应抗体，那么这个抗体就是该底物的酶，称为抗体酶。1.思路：根据中间复合物学说，酶要与其底物形成过渡态中间复合物，这个复合物中的底物处于一种旧键将断未断、新键将成未成的状态，叫做过渡态底物。然后，产物才被释放。反过来，如果有一种物质能够与过渡态底物专一接合，那它是否能成为该底物的酶呢？2.抗体与酶的异同都是蛋白质都有特异性酶不能诱导，它不管有没有底物都是存在的，而且它的种类有限。抗体可以诱导，只有在抗原存在时它才产生，抗体的种类无限。3.抗体酶的制造方法：首先要设计出过渡态底物的类似物（用放射性同位素标记），这也是难点。见草图。将其注入动物体内，诱导出抗体，提取抗体，将它与真正的底物反应，看看能不能催化。4.应用前景：可以产生出自然界不存在的酶，具有不可估量的工业应用前景。原则上来说，今后所有的工业都可以被酶促反应来代替。固定化酶：将酶与固体的载体接合，即保持了酶的催化活性，又可连续使用，同时也简化了产物的分离纯化，这就是固定化酶。1.几种固定化方法：见P231&1&吸附法：非共价连接，接合不牢固，少使用。&2&载体偶联法：将酶与固体的载体共价接合，直接或使用交联剂，此法易使酶失活。&3&交联法：使用交联剂将酶分子彼此连接起来形成一个大的不溶性网状复合物。&4&包埋法：将酶卡在固体凝胶网格中，或将酶包在半透膜微囊中。此法最为流行，举例，海藻酸、卡拉胶、甲壳素固定化。见VCD2.固定化酶的特点：活性有所降低（与游离的酶相比）稳定性大大地提高（对酸碱和温度的耐受性）易于保存能够连续使用，所以总的活力远远超过游离酶。第六章 维生素和辅酶Vitamine→Vitamin，生命胺→维生素，维他命定义：生命活动不可缺少的一类有机物，在代谢中起调节作用，缺乏时会导致疾病。特点：植物以及少数微生物能够自我合成，动物以及大多数微生物不能自我合成，故植物是维生素的来源小分子化合物：相对于蛋白质而言调节作用：充当辅酶。分类：水溶性：是大多数，如VC、VB族等脂溶性：少数，如VA、VD、VE、VK重要维生素总结一览表V 结构 辅酶 酶 作用 缺乏病 补充 溶解性 备注VB1 硫胺素 TPP 脱羧酶 去掉CO2 脚气 种皮 水 Thiamine硫胺素，PP焦磷酸VB2 核黄素 FMN、FAD 脱氢酶 传递2H 口角炎 肝、糠 水 Flav黄，Mono单，Nucleartide核苷酸VB5 泛酸 COA 脱氢酶、硫激酶 传递乙酰基 水 Coenzyme AVB6 吡哆醛 磷酸吡哆醛 转氨酶 转移氨基 脂溢性皮炎 水 VB12 钴胺素 VB12辅酶 变位酶 转移H或R基 恶性贫血 肝、肉 水 含Co2+Vpp 尼克酸、尼克酰胺 NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ） 脱氢酶 传递2H 癞皮病 玉米以外的食品 水 抗癞皮病V，Trp是前体，玉米缺Trp，N尼克酰胺，A，D二VH 生物素 生物素 羧化酶 传递CO2 蛋黄 水 生蛋清中有抗VH蛋白，因此，不能生吃鸡蛋Vc 抗坏血酸 抗坏血酸 羟化酶、氧还酶 传递羟基和2H 坏血症 生植物、水果 水 Pro的羟化，胶原蛋白合成，血管脆弱，易出血硫辛酸 硫辛酸 硫辛酰胺 脱氢酶、转乙酰酶 传递2H和乙酰基 水 叶酸 叶酸 THFA、THF、FH4 转移酶 传递一碳单位* 贫血（血球不分裂） 水 其类似物为抗癌药物，T：tetra，F:foli，A：acid泛醌 泛醌 CoQ 呼吸链 传递2e和2H 心脏病 心肝肾 脂溶剂 VA 视黄醇 光信号传递 夜盲、干眼 肝 脂溶剂 抗干眼病VVD 固醇类 Ca、P代谢 鸡胸、佝偻 啤酒、米酒 脂溶剂 抗佝偻病V，胆固醇是前体（紫外线），晒太阳VE 生育酚 抗氧化剂、防衰老 老年斑 脂溶剂 防止不饱和脂肪酸氧化VK 醌类 凝血 流血不止 脂溶剂 凝血V一碳单位：甲基、亚甲基、甲川基、甲酰基、羟甲基等第六章 维生素和辅酶Vitamine→Vitamin，生命胺→维生素，维他命定义：生命活动不可缺少的一类有机物，在代谢中起调节作用，缺乏时会导致疾病。特点：植物以及少数微生物能够自我合成，动物以及大多数微生物不能自我合成，故植物是维生素的来源小分子化合物：相对于蛋白质而言调节作用：充当辅酶。分类：水溶性：是大多数，如VC、VB族等脂溶性：少数，如VA、VD、VE、VK重要维生素总结一览表V 结构 辅酶 酶 作用 缺乏病 补充 溶解性 备注VB1 硫胺素 TPP 脱羧酶 去掉CO2 脚气 种皮 水 Thiamine硫胺素，PP焦磷酸VB2 核黄素 FMN、FAD 脱氢酶 传递2H 口角炎 肝、糠 水 Flav黄，Mono单，Nucleartide核苷酸VB5 泛酸 COA 脱氢酶、硫激酶 传递乙酰基 水 Coenzyme AVB6 吡哆醛 磷酸吡哆醛 转氨酶 转移氨基 脂溢性皮炎 水 VB12 钴胺素 VB12辅酶 变位酶 转移H或R基 恶性贫血 肝、肉 水 含Co2+Vpp 尼克酸、尼克酰胺 NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ） 脱氢酶 传递2H 癞皮病 玉米以外的食品 水 抗癞皮病V，Trp是前体，玉米缺Trp，N尼克酰胺，A，D二VH 生物素 生物素 羧化酶 传递CO2 蛋黄 水 生蛋清中有抗VH蛋白，因此，不能生吃鸡蛋Vc 抗坏血酸 抗坏血酸 羟化酶、氧还酶 传递羟基和2H 坏血症 生植物、水果 水 Pro的羟化，胶原蛋白合成，血管脆弱，易出血硫辛酸 硫辛酸 硫辛酰胺 脱氢酶、转乙酰酶 传递2H和乙酰基 水 叶酸 叶酸 THFA、THF、FH4 转移酶 传递一碳单位* 贫血（血球不分裂） 水 其类似物为抗癌药物，T：tetra，F:foli，A：acid泛醌 泛醌 CoQ 呼吸链 传递2e和2H 心脏病 心肝肾 脂溶剂 VA 视黄醇 光信号传递 夜盲、干眼 肝 脂溶剂 抗干眼病VVD 固醇类 Ca、P代谢 鸡胸、佝偻 啤酒、米酒 脂溶剂 抗佝偻病V，胆固醇是前体（紫外线），晒太阳VE 生育酚 抗氧化剂、防衰老 老年斑 脂溶剂 防止不饱和脂肪酸氧化VK 醌类 凝血 流血不止 脂溶剂 凝血V一碳单位：甲基、亚甲基、甲川基、甲酰基、羟甲基等第七章 核酸前言：核酸是生命最重要的分子，最简单的生命仅含有核酸（病毒）。150亿年宇宙蛋，50亿年太阳，46亿年地球，无机有机生物大分子细胞。美国的Miller在做其PhD时，模拟40亿年前地球的原始大气条件，产生了AA，见（B）P13，有了AA当然就会产生蛋白质。但核苷酸何时产生？据估计也不少于40亿年前，谁先谁后？1868年首次在绷带上的脓细胞核中发现一种富含磷酸呈酸性又不溶于酸溶液的分子，命名为核素，其实是核蛋白，1898年从小牛的胸腺中提取了一种溶于碱性溶液中的纯净物，这才是真正的核酸，从此，对核酸的研究全面展开，揭开了生物化学领域惊天动地的一页。§1.核酸的分子组成一.基苯分子组成：对核酸的水解发现核酸酶 磷酸单酯酶 核苷酶（脱氧）核酸—--→（脱氧）核苷酸—------→○P+（脱氧）核苷----→戊糖+碱基由上面可知，核酸的结构单位是（脱氧）核苷酸，基本组成成分是○P、戊糖、碱基核酸共有2类，脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA，其特点如下○P 戊糖 基本碱基DNA 同 脱氧核糖（2位）P129 A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）RNA 同 核糖P129 A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）二．碱基的结构：基本碱基一共只有5种，从分子骨架上分将碱基分为嘌呤碱基和嘧啶碱基。1.嘌呤碱基：嘌呤（Pu）的结构及编号：P130下A（腺嘌呤）的结构：P130G（鸟嘌呤）的结构：见草图2.嘧啶（Py）碱基：嘧啶（Py）碱基的结构及编号：新系统，P130上C（胞嘧啶）：氨基态，P131U（尿嘧啶）：酮式，P131T（胸腺嘧啶）：见草图以上各具体碱基的结构最好见（B）P61，结合图来记忆。记忆口诀：先将嘌呤和嘧啶的结构式记住，然后再记住下面口诀胸前一滩尿：U + 一碳基团（甲基）＝ T尿里两泡泡：嘧啶中有两个O＝U上面一个是氨气包：U靠上面的一个O换成-NH2就是C鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即O，嘌呤有O又有-NH2 ＝ A线儿将鸟嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2换个位置＝A三.核苷：由戊糖和碱基形成的糖苷，见P132上，反式更稳定，顺式更好认。仍用单字母表示，跟碱基的表示法相同，只是在脱氧时加d，如dA。糖苷键的键型均为β-N型，不是α- N型。解释之。各种核苷的结构均见P132，略。注意核苷中的戊糖的编号要加“’”号，如2’位。碱基中的编号不加“’”号。有一种特殊的核苷叫假尿苷，糖苷键的键型均为β-C型，见P134右。四.核苷酸：核苷与磷酸形成的酯。磷酸出羧基，戊糖出羟基。1.戊糖有2’、3’、5’位自由-OH，因此可以形成2’、3’、5’-核苷酸，其中5’-核苷酸为默认的核苷酸。见133上。2.磷酸的个数可以有1、2、3，这是指TP、DP、MP与核苷形成的酯，见P133下。表示为NMP、NDP、NTP，脱氧时加“d”，如ATP、dATP。3.可以形成环状的核苷酸：一个磷酸以二个羧基与戊糖上的两个-OH形成酯，见P134，称为磷酸二酯键，这种键可以处在3’、5’之间（默认的环核苷酸），也可以处在2’、3’之间，没有处在2’、5’之间的。表示为c，如cAMP环腺苷酸，dcAMP。所以遇到核苷酸时要注意是否脱氧，有几个磷酸，是否成环。核苷酸的性质：是两性电解质，有PI；紫外吸收峰为260nm，是碱基造成的。蛋白质为280nm。§2.核酸的一级结构一．核酸就是多聚核苷酸：是磷酸通过3’、5’磷酸二酯键将核苷连接起来的长链，见P138。其一端点的核苷酸的5’-OH没有参与3’、5’磷酸二酯键的形成，也就是说有游离的5’-OH，这一端点叫5’端，反之另一端就是3’端。这样核酸的写法就具有方向，5’→ 3’或 3’→ 5’，规定标准的书写方法是5’→ 3’，如确有必要写成3’→ 5’则需专门注明。如果核酸的两端也被磷酸二酯键连起来了，则无端点，但仍有方向。二．核酸的一级结构表示法1. 书写的方向5’→ 3’2. 完整结构表示法：见P1383. 线条式缩写法：见P138，碱基、磷酸、戊糖以及酯键的位置都很清楚。4. 字母式缩写法：见P138，碱基、磷酸位置清楚，戊糖以及酯键的位置略掉。三.一级结构测定涉及到的工具酶：水解3’、5’磷酸二酯键酶 类别 底物 特异性 产物牛脾磷酸二酯酶SPDase 外切酶 DNA、RNA 从5’端作用（要求5’端有游离的5’-OH）,切点见P141HO-Np↓…… 3’-NMP蛇毒磷酸二酯酶VPDase 外切酶 DNA、RNA 从3’端作用（要求3’端有游离的3’-OH）, 切点见P141……↓pN-OH 5’-NMP磷酸单酯酶Pmase 外切酶 DNA、RNA 去掉端点核苷酸的游离磷酸根，见P141p↓N……N↓p 端点有游离的-OH牛胰核糖核酸酶RnaseⅠ 内切酶 RNA 左边为Py，切点见P140-Pyp↓N- 3’端Py核苷酸具有游离的3’-○P核糖核酸酶T1Rnase T1 内切酶 RNA 左边为G，切点见P140-Gp↓N- 3’端G核苷酸具有游离的3’-○P核糖核酸酶U2Rnase U2 内切酶 RNA 左边为Pu，切点见P140-Pup↓N- 3’端Pu核苷酸具有游离的3’-○PDNA限制性内切酶 内切酶 DNA双链 高度专一性：迴文对称结构…↓AGCT…………TCGA↑……↓AGCT……↑TCGA… 粘性末端：…… AGCT…………TCGA ……平末端…… AGCT………… TCGA……*** DNA限制性酶是在细菌中发现的专一性很高的DNA内切酶，是基因工程最重要的工具酶，目前已经发现数百种，在特定的DNA上标出各种DNA限制性酶的作用点就是DNA限制性酶图谱。§3.核酸的二级结构和三级结构一. DNA的二级结构：DNA分子骨架在空间的走向1. 二级结构的依据&1&对DNA分子结晶的X衍射数据：由Franklin和Wilkins提供，来源不同的DNA的二级结构非常相似。前者早逝，后者与Watson、Creck分享了诺贝尔奖。&2&Chargaff规则：A与T、G与C在任何DNA分子中的摩尔数都相等。&3&DNA是遗传物质，能够自我复制。&4&大量的电位滴定（探测H键的方法）和其它物化数据2. Watson-Creck的DNA二级结构模型（B-DNA，线状DNA，自然选择）: 美国Watson 、英国Creck在1953/5的《Nature》上合作了一篇文章，第一次科学的提出了DNA二级结构模型，现总结如下：&1&DNA分子是由2条互相缠绕的多聚脱氧核苷酸链组成（简称2条DNA单链），反向平行（一条链为5’→ 3’，另一条链为 3’→ 5’），空间走向为右手螺旋，有一个假想的螺旋轴（见自制模型，手指）。P157&2&2条链靠链间的H键结合，H键的产生符合碱基配对原则：A＝T，G＝C，P157，由电镜照片为证。右手螺旋的维持力主要是碱基堆积力（范德华力？疏水力？），其次是氢键。&3&DNA的骨架为磷酸和脱氧核糖，在分子外面（相当于梯子的扶手，见自制模型），戊糖平面∥螺旋轴，DNA的侧链基团是碱基，在分子内部（相当于梯子的横档，见自制模型），碱基平面⊥螺旋轴。螺距34&A，直径20&A，10bp/圈。分子背部有一条宽沟称为大沟，分子腹部有一条窄沟叫小沟，复制和转录的有关酶就是付在大沟之处的。&4&遗传信息储存在DNA分子的bp序中。&5&意义：能够解释DNA的一切物理化学性质；实现了DNA的结构与生物功能之间的统一：精确的自我复制。3. 其它的DNA二级结构模型&1&A-DNA：B-DNA脱去部分结晶水而形成的，属粗短型DNA，仍为右手双股螺旋，螺距25&A，直径26&A，11bp/圈，进一步脱水可形成C-DNA。&2&Z-DNA：左手双股螺旋，人工合成的d（GC）n，属瘦长型，螺距46&A，直径18&A，12bp/圈，大小沟不明显。用免疫学方法探得人体内有存在，是DNA分子局部的二级结构，意义在于封闭基因表达，使复制和转录的酶找不到大沟。&3&3股右手螺旋模型：人工合成d（Py）、d（Pu），按照1：2或2：1混合就形成了3股右手螺旋。具体过程是，2条链先形成B-DNA，第三条链从大沟处附上。用免疫学方法探得人体内有存在，意义在于形成分子剪刀，即在DNA分子的转弯处局部解链，其单链搭在正常DNA右手双螺旋的大沟处形成三股右手螺旋，该处易被Fe2+或EDTA水解，利于基因表达。见讲义草图P72。&4&环状双链DNA模型：2条反向平行的环状DNA单链按照碱基配对原则形成的右手双螺旋，其数据完全同B-DNA，是原核生物和真核生物细胞器DNA的结构。P159二. RNA的二级结构1. RNA的种类：mRNA：信使RNA，是从基因上转录下来去指导蛋白质合成的RNA。tRNA：转运RNA，在蛋白质合成过程中运输aa。rRNA：核糖体RNA，是核糖体的组成部分。它们都是单链分子2. RNA二级结构的通式：发夹结构或茎环结构RNA单链局部回折形成2条反向平行的片段，2片段中碱基互补的地方就形成右手双股螺旋，符合A-DNA模型，不互补的地方就形成环状结构。P147草图3. tRNA的三叶草结构模型P148，几个发夹结构形成4臂4环，从5’端开始AA臂：特点：包含3’和5’端，其3’端具有CCA-OH序列。功能：这个-OH将和AA中的-COOH形成酯键，携带AA。二氢尿嘧啶环：含有二氢尿嘧啶，稀有碱基，即将U（酮式）环中的唯一双键饱和，P132中右。反密码环：最底部具有反密码子，可以和mRNA上的密码子配对，将携带的AA送到恰当的位置。额外环：显示tRNA特异性的地方，是tRNA分类的依据。TψC环：含有稀有碱基T（本应该在DNA中的）、假尿苷ψ（P134）三. DNA的三级结构：在双螺旋结构基础上形成的超螺旋1. 两种超螺旋及其意义正超螺旋：左手超螺旋，是B-DNA加剧螺旋形成的超螺旋，用绳子示意，非自然选择，不利于基因表达。负超螺旋：右手超螺旋，是B-DNA减弱螺旋形成的超螺旋，用绳子示意，自然选择，利于基因表达。解链环状DNA：将环状双链DNA中的一条链切断，也可加剧或减弱原来的螺旋，进而形成正超螺旋或负超螺旋。P1592. 超螺旋的描述：略RNA的三级结构：P149略§4.核酸的性质一. 一般性质1.两性解离：DNA无，只有酸解离（○P），碱基被屏蔽（在分子内部形成了H键）。RNA有，有PI。2.粘度大：DNA&RNA，粘度由分子长度/直径决定，DNA为线状分子，RNA为线团。3.碱的作用：DNA耐碱RNA易被碱水解。4.显色反应：鉴别DNA和RNA浓HCl 浓HClRNA ------→ 绿色化合物 DNA ------→ 蓝紫色化合物苔黑酚 二苯胺啡啶溴红（荧光染料）和溴嘧啶都可对DNA染色，原理是卡在分子中，DNA的离心和电泳显色可用它们。5.溶解性：都溶于水而不溶于乙醇，因此，常用乙醇来沉淀溶液中的DNA和RNA。DNA溶于苯酚而RNA不溶，故可用苯酚来沉淀RNA。6.紫外吸收：核酸的λm＝260nm，碱基展开程度越大，紫外吸收就越厉害。当A＝1时，DNA：50ug/ml，RNA和单链DNA：40ug/ml，寡核苷酸：20ug/ml。用A260/A280还可来表示核酸的纯度：&1.8，DNA很纯；&2RNA很纯。7.沉降速度：对于拓扑异构体（核苷酸数目相同的核酸），其沉降速度为：RNA & 超螺旋DNA & 解链环状DNA & 松弛环状DNA & 线形DNA也就是在离心管中最上层是线形DNA，最下面是RNA。8.电泳：核苷酸、核酸均可以进行电泳，泳动速度主要由分子大小来决定，因此，电泳是测定核酸分子量的好方法。9.DNA分子量测定最直接的方法：用适当浓度的EB（溴嘧啶）染色DNA，可以将其他形式的DNA变成线形DNA，用电镜测出其长度，按B-DNA模型算出bp数，根据核苷酸的平均分子量就可计算出DNA的分子量。二. DNA的变性与杂交1.DNA的变性：在外界因素的影响下，维持DNA双螺旋的碱基堆积力和氢键遭到破坏，使DNA发生解链，物化性质随之改变，生物活性丧失的现象。这些因素包括：加热、有机试剂等理化性质改变包括：A260增大、粘度下降。2.DNA的热变性：给DNA溶液加热可使其解链。伴随有增色效应：A260增大（原因是暴露了碱基）。DNA的热变性可以用DNA的熔点来描述。DNA的熔点：Tm：加热使一半DNA解链时的温度。在Tm时，A260＝A260最大/2影响Tm的因素：DNA分子中的碱基比：GC/AT↑Tm↑，原因是G＝C，A＝T，经验公式：GC％＝（Tm-69.3）*244介质的离子强度：I↑Tm↑。复杂度↑Tm↑，复杂度指DNA分子中的最小重复单位中的bp个数。例如：d（AT/TA）n，复杂度为2，d（ATTA/TAAT）n的复杂度为4。3.DNA的复性：撤出变性因素后，DNA可以重新形成双螺旋，物化性质随之恢复。其中伴随着减色效应，即A260减低。RNA也具有变性和复性现象，它是指局部双螺旋的破坏和恢复。4.核酸的分子杂交：将不同来源的DNA单链以及将DNA单链和RNA形成双螺旋的方法。产物叫杂交分子。&1&核酸分子杂交的意义：发现原核生物的基因是连续基因，而真核生物的基因是断裂基因。连续基因：基因中的bp序列能够连续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因能够和它的成熟mRNA形成平滑的杂交分子。断裂基因：基因中的bp序列能够断续的在成熟的蛋白质中找到其相应的AA，电镜显示这种基因和它的成熟mRNA只能形成带泡的杂交分子。见讲义草图P78发现癌基因的普遍性：肿瘤病毒的RNA能够与人类正常的DNA分子形成带泡的杂交分子。&2&核酸分子杂交的技术Southern Blotting（南印迹）：用于钓基因，即用已知的DNA单链或RNA，钓取未知DNA分子中的基因，方法如下：未知的DNA --DNA限制性内切酶→ DNA片段 --→ 琼脂糖电泳分离 --→ 碱液变性 --→ 影印在硝酸纤维薄膜上 --→ 与放射性标记的已知DNA单链或RNA杂交 --→ 放射自显影Northern Blotting（北印迹）：用已知的DNA钓mRNA，方法如下：众多未知的RNA --→ 电泳分离 --→ 变性 --→ 影印 --→ 用标记的已知DNA单链杂交 --→ 放射自显影Western Blotting（西印迹）：蛋白质与抗体的杂交，跟核酸无关。Eastern Blotting（东印迹）：？恐龙是？的后裔？&第八章 激素人体中进行代谢调控的2大系统：神经系统和内分泌系统，激素的研究在上个世纪才得到巨大突破，其诺贝尔奖金获得者的人数在生化界数第二（核酸领域第一）§1.激素的概念1.什么是激素：Hormone在希腊语中是刺激的意思。经典定义：生物体内特殊组织产生的，直接分泌到体液中，通过体液运输到特定的部位，起到特殊效应的化学物质。即内分泌激素。几个有关概念：腺体：生物体内产生激素的特殊组织靶细胞：被激素特异性作用的细胞受体：靶细胞上（中）与激素特异性结合的物质旁分泌激素：腺体和靶细胞相邻，不需要体液长途运输。自分泌激素：腺体本身就是靶细胞2.激素的化学本质含氮类激素：蛋白质（胰岛素）、肽（胰高血糖素）、氨基酸及其衍生物（肾上腺素）固醇类激素：甾体类激素，由胆固醇衍生而来（性激素）脂肪酸衍生物：前列腺素3.激素的特点&1&产生激素的生物是多细胞的，生物越高级，内分泌系统就越复杂。单细胞生物不需要激素，在某些细菌中发现了胰岛素，据推测是基因污染的缘故。&2&微量：含氮类激素在体液中的浓度为10-12～10-10mol/L，固醇类激素的浓度为10-10～10-7 mol/L，这曾是抑制激素研究的瓶颈。30万头羊脑只能提取生长素1g，&3&激素的产生和分泌受到严格的调控：分泌的时间、数量、速度、灭活等都受到严格调控，有神经调控的，也有激素之间调控的。后者调控的总关系为：下丘脑 --RF（释放因子）-→ 脑垂体 --SH（促激素）-→ 腺体 --H（激素）-→ 靶细胞下丘脑是激素调控的司令部，H也可对下丘脑或脑垂体进行反馈抑制。例子：下丘脑：TRF（甲状腺素释放因子）→ 脑垂体：TSH（促甲状腺素）-→ 腺体 ：T（甲状腺素）。T可对下丘脑反馈抑制，从而保证甲状腺正常制造和分泌甲状腺素，不多不少。甲抗病：当缺碘时，甲状腺分子不能结合碘，失去了反馈抑制的特性，但其它功能完全保留（如代谢速度加快等），这样甲状腺接不到上司关于减少制造和分泌甲状腺素的命令，腺体长大，多吃多动。&4&激素作用有快、慢2种方式慢反应：激素通过调节靶细胞中基因表达而实现其效应的，这种方式要涉及到转录、翻译、后加工等多步骤，时间很长，固醇类激素采用这种方式，激素的受体位于靶细胞内（胞奖或细胞核中）。快反应：激素通过调节靶细胞中现成的酶的活性来实现其效应，大多数含氮类激素采用这种方式，激素的受体位于靶细胞膜表面上。甲状腺素虽是含氮类激素，但采用的却是固醇类激素作用方式，要注意。§2.激素的作用机制---第二信使学说（激素也称第一信使）固醇类激素能够进入靶细胞内，与受体结合后直接作用于基因上，它不产生第二信使。大多数含氮类激素不能进入靶细胞内，只能与细胞膜外表面上的受体结合，使靶细胞内产生第二信使，将激素的信息进一步往下传。第二信使系统：G蛋白系统：cAMP系统、磷酸肌醇系统，G蛋白、R、效应器齐全，以下详述。cGMP系统：没有G蛋白，R与效应器直接相连。略酪氨酸激酶系统：没有G蛋白，R与效应器合而为一。略1.cAMP系统的发现史：使6人4次获得诺贝尔奖金。&1&Cori发现：糖原 ---糖原磷酸化酶-→ G-1-P 使血糖浓度↑肾上腺素也能引起糖原分解，也能使使血糖浓度↑联系：肾上腺素 ----→ 糖原磷酸化酶 ----→ 血糖浓度↑&2&Sutherland发现了第二信使cAMP：肾上腺素作用于肝细胞（靶细胞）前后，细胞内的cAMP的浓度变化非常明显，在没有肾上腺素的情况下加入cAMP，其效果与加了肾上腺素相同。联系：肾上腺素 ----→ cAMP ----→ 糖原磷酸化酶 ----→ 血糖浓度↑&3&E.G.Krebs和E.H.Fisher发现了糖原磷酸化酶的激活机制：PK糖原磷酸化酶b ←--------------→ 糖原磷酸化酶a（b-○P，Ser）磷蛋白磷酸酶体外将糖原磷酸化酶b磷酸化后加入肝细胞中，其效果与肾上腺素的效应相同。联系：肾上腺素 ----→ cAMP ----→ 糖原磷酸化酶b→a ----→ 血糖浓度↑&4&Martin和Alfer Gilman发现了G蛋白及其作用机制G蛋白具有潜在的GTP酶活性，即当结合了激素后，G蛋白能够将GTP水解成GDP。G蛋白由三条亚基构成：α、β、γ，其中α亚基上结合有一分子GDP。G蛋白作用机制见讲义P84草图。2.以肾上腺素和胰高血糖素提高血糖浓度为例，详述第二信使学说肾上腺素的靶细胞：肝、肌肉胰高血糖素的靶细胞：肝第二信使学说，注意图比文字更重要。H ↓ 血 液 运 输 靶细胞： 肝、肌肉 细胞膜 R → G → AC ↓ ○1 ATP → cAMP ↓ 别构效应 PKA○C○R -----→ PKA*○C + ○R•2 cAMP ↓ ○2化学修饰 加○P 糖原磷酸化酶b激酶 ----→ 糖原磷酸化酶b激酶* ↓ ○3化学修饰 加○P糖原磷酸化酶b ----→ 糖原磷酸化酶a ↓ 糖原 ----→ G-1-P注解：H---激素，肾上腺素或胰高血糖素。R---受体，是一种糖蛋白。G---G蛋白。AC---腺苷酸环化酶。PKA---蛋白激酶A。○C---催化亚基。○R---调节亚基§3.常见激素的结构和功能一.下丘脑的激素：下丘脑是腺体调控的总司令部，它分泌RF（释放因子）和RIF（释放抑制因子），本质为小肽，靶细胞是脑垂体。TRF：甲状腺素释放因子，是个三肽，刺激脑垂体分泌促甲状腺素。GRF：生长激素释放因子，是个多肽，刺激脑垂体分泌生长激素。二.脑垂体的激素：SH（促激素），本质为小肽和蛋白质。其靶细胞为内分泌腺体。TSH：促甲状腺素，是种蛋白质（含220AA），靶细胞为甲状腺。催产素，加压素：结构功能略。GH：生长激素，是种蛋白质（含191AA），促进生长代谢。三.内分泌激素1.T（甲状腺素）：是颈部的甲状腺制造和分泌的含碘激素，是AA（Tyr）衍生物，刺激代谢旺盛。有2种：T3和T4，其结构见讲义P88。T4即T，从效率上看，T3比T4大5～10倍。T虽然是含氮类激素，但其作用方式却是固醇类的，即进入靶细胞内部起作用。2.肾上腺素：使肾上腺髓质分泌的激素，Tyr的衍生物，包括2种，肾上腺素和去甲肾上腺素，见讲义P87草图，去掉甲基后就是去甲肾上腺素，靶细胞是肝脏和肌肉，通过促进肝糖原分解来提高血糖浓度。从效率上看，肾上腺素远大于去甲肾上腺素。典型的cAMP系统。3.胰岛素：胰腺中胰岛细胞分泌的激素，是种蛋白质，双链51AA（A链21、B链30），有多个链内和链间二硫键，通过提高组织摄取血糖能力、抑制肝糖原分解、促进肝和肌糖原合成等方式来降低血糖浓度，典型的Tyr激酶系统。生物合成胰岛素的过程是：前胰岛素原（长的单链）→切去N端信号肽（约20～30AA）→切去中间的C肽（约30AA）→胰岛素（双链）4.胰高血糖素：胰腺中胰岛细胞分泌的激素，是个29肽，靶细胞是肝脏，通过促进肝糖原分解来提高血糖浓度。典型的cAMP系统。
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