動物生物化學(xué)課件

生命的化學(xué)特征

ChemicalPropertiesofLife121.生命中的元素

生命與非生命物質(zhì)在化學(xué)組成上有很大的差異，然而組成生命物質(zhì)的元素都是存在于非生命界的元素。

元素周期表中各種元素在生命機(jī)體中的豐度

氫、氧、碳和氮硫和磷鉀、鈉、氯、鈣與鎂其他微量元素

3表2?1生物分子中的共價(jià)鍵與鍵能類型鍵能（kJ/mol）

類型

鍵能*（kJ/mol）單鍵

雙鍵O-H458C=O708H-H433C=N612P-O416C=C608C-H413P=O500C-O350

三鍵**C-C346C≡C813S-H338C-N297C-S258N-O220S-S212*指鍵斷裂所需要的能量**生物分子中很少見硫和磷

可以形成相對比較弱的化學(xué)鍵，在化學(xué)基團(tuán)和能量轉(zhuǎn)移中有重要作用，如巰基-SH用于攜帶和轉(zhuǎn)移脂酰基，磷酰基用于貯存和轉(zhuǎn)移化學(xué)能鉀、鈉、氯、鈣、鎂維持細(xì)胞滲透壓、細(xì)胞容積、離子平衡、細(xì)胞膜電位鈉、鉀離子神經(jīng)肌肉正常興奮性，糖原合成和蛋白質(zhì)代謝鎂離子是300多種酶的輔因子鈣離子是骨骼的主要成分，參與廣泛的細(xì)胞生理活動，如物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)與分泌，血液凝固，是細(xì)胞信號傳導(dǎo)的第二信使等其他的微量元素

主要有鐵與銅化學(xué)價(jià)可變（Cu2+/Cu+

，F(xiàn)e3+/Fe2+），在生物氧化過程中作為電子遞體，是許多酶的輔因子。還有Zn2+，Mn2+

，Mo2+

和I等也有重要生理功能。452.生物分子2.1生物大分子

參與生命有機(jī)體活動的許多分子是非常巨大的，我們把生物機(jī)體中這些巨大的分子稱為生物大分子（biologicalmacromolecules）。生物大分子通過組成它們的單體之間的非共價(jià)相互作用，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，從而具有了不同的生物學(xué)功能。

生物大分子是表現(xiàn)生命特征的基本物質(zhì)。

血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)6核酸,蛋白質(zhì)和多糖是主要的生物大分子72.2類脂

類脂（如磷脂）是富含碳?xì)湓氐囊蛔迳镄》肿?，其在水溶液中溶解性較差、兼具親水和親脂特性。細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)就是大量磷脂分子的聚合體。

2.3有機(jī)小分子

細(xì)胞中還存在許多具有獨(dú)特功能的有機(jī)小分子物質(zhì),也是合成較大分子的前體。如：核苷酸、氨基酸、葡萄糖

脂肪酸、膽堿、甘油等83.生命有機(jī)體中的化學(xué)鍵

在生物大分子之間主要存在的非共價(jià)的相互作用力包括氫鍵、離子鍵、范德瓦爾力、疏水力。

氫鍵（hydrogenbonds）

由兩個(gè)原子來分享一個(gè)氫原子，具有高度定向性，一個(gè)是氫供體，另一個(gè)是氫受體范德瓦爾力（VanderWaalsbonds）一定距離內(nèi)的原子之間通過偶極發(fā)生的相互作用，本質(zhì)上也是靜電引力疏水力（hydrophobicinteraction）非極性分子或基團(tuán)在水相環(huán)境中相互吸引、聚集的作用力離子鍵（ionicbonds）正、負(fù)電荷之間的靜電引力

94種非共價(jià)作用力的示意圖

范德瓦爾接觸距離

104.生物能量學(xué)

生物能量學(xué)（bioenergetics）：研究生命有機(jī)體傳遞和消耗能量的過程，闡明能量的轉(zhuǎn)換和交流的基本規(guī)律。

體內(nèi)能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和利用自由能（freeenergy）

能量總是從能態(tài)較高的物體流向能態(tài)較低的物體。這些過程都是自發(fā)的。凡是自發(fā)的過程，都有能量的釋放，而且其中一部分可以用來帶動非自發(fā)的過程。自發(fā)過程中能用于做功的能量稱為自由能.

體系可做功的能量（自由能）=體系總能量–不被利用做功的能量表示為:G=H–S?TH表示體系的總能量（焓值）；S?T表示不能被利用做功的能量，S為熵值，T為絕對溫度，那么體系可做功的能量等于H–S?T，稱為自由能，用G表示.

自由能G是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。在等溫等壓條件下，體系從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，自由能的改變?yōu)椋?/p>

ΔG=ΔH–ΔS?T

在自發(fā)過程中，自由能的改變?yōu)樨?fù)值,表示釋放的自由能可以用來做功。而在非自發(fā)過程中，其變化是正值，表示這種改變要從外界輸入能量才能實(shí)現(xiàn)。

1112能量偶聯(lián)反應(yīng)

在生命有機(jī)體中一個(gè)放能的反應(yīng)可以與一個(gè)耗能的反應(yīng)偶聯(lián)以推動原本不能進(jìn)行的反應(yīng)。

葡萄糖+磷酸葡萄糖-6-磷酸（耗能，ΔG>0，為14kJ/mol）ATPADP+Pi（放能，ΔG<0，為-31kJ/mol）葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP（放能，ΔG<0，為-17kJ/mol）由葡萄糖激酶催化的反應(yīng)13

ATP

ATP是自由能的直接供體，它的作用猶如貨幣一樣在體內(nèi)使用和流通，因此人們將它形象地稱為“通用能量貨幣（generalcurrencyofenergy）”。細(xì)胞是一個(gè)高效率的能量轉(zhuǎn)換器,生命有機(jī)體中的能量轉(zhuǎn)換是通過電子流動來實(shí)現(xiàn)的。5.水水是生命有機(jī)體中含量最多的物質(zhì)，一般占體重的60%-70%水有自由水和結(jié)合水，前者流動性大，含量可變，后者主要存在在膠體中，相對穩(wěn)定水分子是極性分子，既是氫鍵的受體，又是氫鍵的供體。水分子的極性和形成氫鍵的能力使其具有高度反應(yīng)性水有高的介電常數(shù)（80），因此是眾多反應(yīng)物的優(yōu)良的溶劑，使其自由擴(kuò)散或發(fā)生相互作用沒有水就沒有生命。1415水溶液中的離子水分子競爭羰基氧與亞氨基氮之間的氫鍵水分子結(jié)構(gòu)圖

蛋白質(zhì)

Proteins1.蛋白質(zhì)在生命活動中的重要作用

生物催化作用：酶運(yùn)輸作用：如血紅蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白調(diào)節(jié)作用：如胰島素、生長激素運(yùn)動作用：如肌動蛋白和肌球蛋白防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子營養(yǎng)功能：如卵清蛋白、酪蛋白結(jié)構(gòu)蛋白：如膠原蛋白、角蛋白能量轉(zhuǎn)換蛋白：如細(xì)胞色素基因調(diào)節(jié)蛋白：如阻遏蛋白1.1蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的生物學(xué)功能按形狀可將蛋白質(zhì)分為：纖維狀蛋白質(zhì)：多為結(jié)構(gòu)蛋白。球狀蛋白質(zhì)：具有廣泛的生物學(xué)功能。如酶、蛋白類激素等。按結(jié)構(gòu)和功能可將蛋白質(zhì)分為：簡單蛋白（simpleprotein）：僅有蛋白質(zhì)組成的、結(jié)構(gòu)簡單的蛋白質(zhì)。結(jié)合蛋白（conjugatedprotein）：在蛋白質(zhì)分子中除了含有氨基酸成分外，還要有其他的成分的存在，才能保證其正常生物活性的蛋白質(zhì)。分子中包含蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)兩部分。1.2蛋白質(zhì)的分類2.蛋白質(zhì)的化學(xué)組成2.1蛋白質(zhì)的元素組成

所有蛋白質(zhì)均含有：

C50%-55%H6%-8%O20%-23%N15%-17%某些蛋白質(zhì)含有：S0.3%-2.5%以及P少數(shù)蛋白質(zhì)含有：Fe,Cu，Zn，Mo和I等元素蛋白質(zhì)中N的平均含量約16%，因此食物與飼料中蛋白質(zhì)的含量可以通過凱氏定N（Kjeldahl法）進(jìn)行大致估計(jì)。2.2蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位——氨基酸2.2.1氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型存在于自然界的氨基酸有300種。動物機(jī)體的蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)酸水解之后可以得到20種氨基酸，并且均為L-氨基酸（除了甘氨酸），含不對稱的α-碳原子。它們之間的差別在于有不同的側(cè)鏈基團(tuán)R。氨基酸的結(jié)構(gòu)通式氨基酸與甘油醛的構(gòu)型2.2.2組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸

2.2.3氨基酸的分類

在中性pH條件下按其R側(cè)鏈極性和所帶電荷的不同，分為四大類,

不帶電荷極性氨基酸：Gly,Ser,Thr,Cys,Thr,Asn,Gln

帶負(fù)電荷極性氨基酸：Asp,Glu

帶正電荷極性氨基酸：His,Arg,Lys

非極性氨基酸：Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Phe,Trp,Met

含非極性側(cè)鏈基團(tuán)含極性側(cè)鏈基團(tuán)Ser,SThr,TCys,CPro,PAsn,NGln,QGly,GAla,AVal,VLeu,LMet,MIle,I含芳香基團(tuán)

含堿性側(cè)鏈基團(tuán)（帶正電荷）

Phe,F;Tyr,Y;Trp,WLys,K;Arg,R;His,H含酸性側(cè)鏈基團(tuán)（帶負(fù)電荷）

Asp,D;Glu,E2.2.4氨基酸的主要理化性質(zhì)

各種氨基酸在可見區(qū)都沒有光吸收。在紫外光區(qū)芳香族氨基酸在280nm處有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收波長分別為279、278、259nm）

光吸收特性

氨基酸的兩性解離氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態(tài)，在其等電點(diǎn)時(shí)，氨基酸所帶的正、負(fù)電荷相等，凈電荷為零。

氨基酸的等電點(diǎn)

對某一種氨基酸而言，當(dāng)溶液在某一個(gè)特定的pH，氨基酸以兩性離子的形式存在，并且其所帶的正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等，即凈電荷為零。在直流電場中，它既不向正極，也不向負(fù)極移動。此時(shí)溶液的pH稱為這種氨基酸的等電點(diǎn)（pI）。例如，甘氨酸的羧基的pK1為2.34，氨基的pK2為9.60，其pI為5.97。3.蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)

3.1肽鍵（peptidebond）和肽（peptide）

肽鍵：指蛋白質(zhì)分子中，由一個(gè)氨基酸的α-COOH和另一個(gè)氨基酸的α-NH2之間脫水縮合而成的酰胺鍵，它是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要共價(jià)鍵。肽：由肽鍵形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）多肽（polypeptide）和多肽鏈（polypeptidechain）

在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸序列，多肽鏈上不完整的氨基酸，稱為氨基酸殘基(aminoacidresidue)

上圖為：絲氨酰-甘氨酰-酪氨酰-丙氨酰-異亮氨酸（N-端）（C-端）3.2肽單位平面與二面角

肽平面（peptideplane）：肽鏈主鏈的肽鍵C-N具有雙鍵的性質(zhì)，因而不能自由的旋轉(zhuǎn)，使連接在肽鍵上的六個(gè)原子共處于一個(gè)平面上，此平面稱為肽單位平面，又稱酰胺平面。通常是反式的。

二面角（dihedralangle）：肽平面的連接處為α碳原子。它與相鄰的兩個(gè)參與肽鍵形成的C和N原子之間的單鍵可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，Cα-N之間稱φ角，在Cα-C之間稱ψ角，這就是α-碳原子上的一對二面角。這對二面角決定了相鄰肽平面的相對位置。

相鄰二個(gè)肽平面上的二面角3.3蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）：即蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指多肽鏈上各種氨基酸殘基的種類和排列順序，也包括二硫鍵的數(shù)目。

牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)：51個(gè)氨基酸，A（21肽）、B（30肽）兩條肽鏈，A鏈內(nèi)一對S-S，A和B鏈間2對S-S3.4蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)

指一條或數(shù)條多肽鏈上所有原子和基團(tuán)在三維空間上的排布，即構(gòu)象（conformation）或空間結(jié)構(gòu)。構(gòu)象由單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的各種立體結(jié)構(gòu)，而構(gòu)型（configuration）是通過改變共價(jià)鍵形成的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)由明顯的結(jié)構(gòu)層次。一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。（1）非共價(jià)鍵氫鍵離子鍵范德瓦爾力疏水作用（2）S-S鍵

維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中重要的化學(xué)鍵3.4.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但具有明顯的結(jié)構(gòu)層次一級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上的氨基酸排列順序）二級結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)）超二級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)單位的集合體）結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上可以明顯區(qū)分的球狀區(qū)域）三級結(jié)構(gòu)（多肽鏈上所有原子和基團(tuán)的空間排布）四級結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締合而成的集合體）

蛋白質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)層次3.4.2二級結(jié)構(gòu)

二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）：指多肽鏈主鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級結(jié)構(gòu)的力是氫鍵。

二級結(jié)構(gòu)主要形式有：α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲

α-螺旋（α-helix）是在角蛋白中最常見的構(gòu)象，為右手螺旋。每圈螺旋3.6個(gè)氨基酸殘基。側(cè)鏈基團(tuán)R在螺旋外側(cè)。主鏈內(nèi)部形成H-鍵，不涉及側(cè)鏈R。典型的α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6個(gè)氨基酸，跨越13個(gè)原子。

β-折疊（β-sheet）平行結(jié)構(gòu)反平行結(jié)構(gòu)存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比較伸展的構(gòu)象。主鏈之間形成H鍵，側(cè)鏈基團(tuán)R交替地位于片層的上、下。

β-轉(zhuǎn)角（β-turn）肽鏈1800的回折

無規(guī)卷曲（randomcoil）兩種主要類型的β-轉(zhuǎn)角

指蛋白質(zhì)的肽鏈中沒有確定規(guī)律性的那部分肽段構(gòu)象。

3.4.3超二級結(jié)構(gòu)

超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）：在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律組合在一起，形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)集合體，超二級結(jié)構(gòu)又稱基序或模體（motif）四種類型的超二級結(jié)構(gòu)3.4.4結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域（domain）：在較大的蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈的空間折疊常常形成兩個(gè)或多個(gè)近似球狀的三維實(shí)體,它們之間連接松散。由β-折疊、α-螺旋形成的結(jié)構(gòu)域

丙酮酸激酶的一個(gè)結(jié)構(gòu)域免疫球蛋白的一個(gè)結(jié)構(gòu)域

3.4.5三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）：指一條多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)（超二級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞、折疊而成的具有特定肽鏈走向的緊密球狀結(jié)構(gòu),或者說三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子和基團(tuán)在三維空間的排布。

肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)及其結(jié)合的血紅素亞基三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠非共價(jià)相互作用氨基酸親水的基團(tuán)傾向于分布在分子的表面，疏水的基團(tuán)在分子的內(nèi)部。3.4.6四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）：多個(gè)具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈（稱亞基，Subunit）的聚合?；蛘哒f四級結(jié)構(gòu)指亞基的種類、數(shù)目及各個(gè)亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用。

血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠是疏水作用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等。血紅蛋白由4個(gè)亞基組成（α2β2），每個(gè)亞基都與肌紅蛋白非常相似。4.多肽、蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

4.1一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

氨基酸組成變化改變其功能

一級結(jié)構(gòu)改變引起分子病

基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下降或喪失，就會產(chǎn)生疾病，這種病稱為分子?。╩oleculardisease）。

最早從分子水平證明的先天性遺傳病——鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥(sickle-cellanemia)。鐮刀形紅細(xì)胞正常血細(xì)胞hemoglobin

6:GAA(Glu) ->GTA(Val)

分子進(jìn)化

細(xì)胞色素c是由104個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)。比較50種不同的生物，發(fā)現(xiàn)由35個(gè)是保守的。凡與人類親緣關(guān)系越遠(yuǎn)的生物，其氨基酸順序與人類的差異越大。從細(xì)胞色素c的一級結(jié)構(gòu)看生物進(jìn)化

蛋白質(zhì)前體的激活

一些蛋白質(zhì)或酶在細(xì)胞中首先合成(翻譯)的是其前體,在成為有功能的蛋白質(zhì)或酶之前需要激活.

例如,胰島素(insulin).的前體是胰島素原(proinsulin),要在切除C肽之后才轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘囊葝u素胰島素原的一級結(jié)構(gòu)4.2高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性

變性（denaturation）是指一些理化因素，如熱、光、機(jī)械力、酸堿、有機(jī)溶劑、重金屬離子、變性劑（如尿素等），破壞了維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的非共價(jià)作用力，使其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)果導(dǎo)致其生物活性的喪失。變性一般并不引起肽鍵的斷裂，但蛋白質(zhì)的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。變性有時(shí)是可逆的。消除變性的因素，有些蛋白質(zhì)的生物活性可能得以恢復(fù)，稱為復(fù)性（renaturation）。核糖核酸酶RNase的變性與復(fù)性

蛋白質(zhì)的正確折疊與分子伴侶

多肽鏈的特定空間結(jié)構(gòu)是其功能的保證。肽鏈的正確折疊或者亞基的裝配常常需要由一些蛋白質(zhì)，例如熱激蛋白（Heatshockprotein,Hsp）和某些酶的幫助，并且消耗ATP。但是，這樣的蛋白質(zhì)與酶并不加入到最終的折疊產(chǎn)物或裝配復(fù)合物中。它們被稱為分子伴侶（molecularchaperone）。

蛋白質(zhì)的變構(gòu)與血紅蛋白的輸氧功能

變構(gòu)作用（Allostericeffect）是指效應(yīng)劑（變構(gòu)劑）作用于多亞基的蛋白質(zhì)或酶的某個(gè)亞基后，導(dǎo)致其構(gòu)象改變，繼而引起其他亞基構(gòu)象的改變，結(jié)果是蛋白質(zhì)或酶的生物活性的變化?？赡苁亲儤?gòu)激活，也可能是變構(gòu)抑制。血紅蛋白中的4個(gè)亞基與氧分子的親和性不同。氧分子與血紅蛋白的一個(gè)亞基結(jié)合后，引起其構(gòu)象發(fā)生改變，這種變化在亞基之間傳遞，從而改變了其他亞基與氧的結(jié)合能力。（郵票模型）血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線

與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的多個(gè)亞基之間的相互作用使其與氧的結(jié)合能力總體上削弱了（氧合曲線右移,由雙曲線轉(zhuǎn)變成S形曲線），但是賦予了其新的能力——

可以容易地將其結(jié)合的氧從氧分壓高的組織（肺泡）向氧分壓低的組織（肌肉）輸送和轉(zhuǎn)移。5.蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化

5.1蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

（1）形態(tài)與分子量球狀、桿狀、纖維狀，分子量5000以上至數(shù)百萬（2）等電點(diǎn)等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)通常有低的溶解度（3）膠體特性中性鹽、有機(jī)溶劑可以破壞蛋白質(zhì)膠粒的水化膜，引起沉淀5.2蛋白質(zhì)的分離純化

（1）材料來源來源方便、含量豐富、容易提取、防止變性（2）分離的一般原則利用分子大小，如分子篩凝膠過濾；利用電離性質(zhì)，如電泳；利用溶解性，如等電點(diǎn)；利用生物學(xué)特性，如親和層析等（3）純化鑒定氨基酸組成分析、末段分析、色譜分析、電泳分析、等電聚焦分析、免疫化學(xué)分析

（4）序列測定確定肽鏈的氨基酸組成、末端和S-S鍵數(shù)目專一地酶解大的多肽成為較小的片段蛋白質(zhì)序列儀應(yīng)用肽段序列重疊法確定氨基酸的排序確定S-S鍵的位置

核酸

Nucleicacids

核酸（Nucleicacids）——

19世紀(jì)60年代，由Miescher發(fā)現(xiàn)。1889年Altmann將其純化，證明核酸是含磷的酸性生物大分子。20世紀(jì)40年代，Avery確定核酸是遺傳信息的載體，普遍存在于生命有機(jī)體中。脫氧核糖核酸，DNA（DeoxyribonucleicAcid），在原核細(xì)胞是核質(zhì)的成分，在真核細(xì)胞DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，少量存在于線粒體。一個(gè)生命有機(jī)體的每個(gè)體細(xì)胞（除生殖細(xì)胞外）都含有相同質(zhì)和量的DNA，包含了它的全部遺傳信息。核糖核酸，RNA（RibonucleicAcid）主要存在于胞液內(nèi)，真核細(xì)胞的核仁和線粒體也含有少量RNA。RNA的量是變動的。主要有信使RNA（mRNA），轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA）。病毒或者是DNA病毒或者是RNA病毒。1.核酸的化學(xué)組成核酸，DNA或RNA，經(jīng)核酸酶水解生成單核苷酸。單核苷酸是組成核酸的基本單位。核苷酸進(jìn)一步分解生成堿基、核糖（或脫氧核糖）和磷酸。核酸低聚核苷酸單核苷酸磷酸核苷堿基核糖核酸的水解過程1.1堿基(base)核酸中的嘧啶堿基核酸中的嘌呤堿基其他的稀有堿基1.2核糖(ribose)DNA含脫氧核糖RNA含核糖1.3核苷(nucleoside)核苷（上）與脫氧核苷（下）1.4核苷酸(nucleotide)核糖核苷酸（上）與脫氧核糖核苷酸（下）腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）3′，5′-環(huán)狀腺苷酸（cAMP）

DNARNA嘌呤堿腺嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤鳥嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶戊糖D-2′-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸DNA分子和RNA分子中化學(xué)組成的差別總結(jié)2.核酸的結(jié)構(gòu)2.1核酸中核苷酸的連結(jié)方式

DNA片段

RNA片段

注意核苷酸之間的連接方式是3’，5’-磷酸二酯鍵2.2DNADNA分子的大小天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長，分子質(zhì)量很大，一般在106-1010

。DNA的堿基組成有如下特點(diǎn)：

具有種的特異性。沒有器官和組織的特異性。在同一種DNA中，A=T、G=C+m5C，即A+G=T+C+mC，即嘌呤堿基的總摩爾數(shù)與嘧啶堿基的總摩爾數(shù)相等——堿基當(dāng)量定律又稱Chargaff原則。年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基組成。2.3RNAmRNA：占細(xì)胞中RNA總量的3%-5%，分子量大小不一，不穩(wěn)定，代謝活躍，更新迅速，是合成蛋白質(zhì)的模板。rRNA：細(xì)胞中含量最多的RNA，核糖體的組成成分。tRNA：約占細(xì)胞中RNA總量的15%。約由75-90個(gè)核苷酸組成。蛋白質(zhì)合成中攜帶活化的氨基酸RNA的堿基組成：A、G、C、U,含少量的稀有堿基

RNA分子的類型：mRNA、rRNA、tRNA

2.4核酸的一級結(jié)構(gòu)2.5DNA的二級結(jié)構(gòu)WatsonandCrick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。兩條鏈方向相反。堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。

螺旋的直徑約為2nm，一圈螺旋包含10對堿基，其高度為3.4nm。堿基平面之間的垂直距離0.34nm。在DNA分子中，根據(jù)Chargaff原則，堿基之間具有嚴(yán)格的互補(bǔ)配對規(guī)律，A和T之間形成兩對氫鍵，G與C之間形成三對氫鍵A與T之間2對氫鍵G與C之間3對氫鍵Watson和Crick所提出的模型稱為B-DNA。

不同構(gòu)型的DNAB型是最穩(wěn)定的構(gòu)型1957年發(fā)現(xiàn)在基因的調(diào)控區(qū)或染色質(zhì)的重組部位有DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)2.6超螺旋DNA

指DNA雙螺旋通過彎曲和扭轉(zhuǎn)所形成的特定構(gòu)象,即

DNA的三級結(jié)構(gòu)B是松弛型的閉合環(huán)C是由于纏繞不足形成的負(fù)超螺旋A是線性的DNA分子真核生物內(nèi)，DNA以致密形式存在于細(xì)胞核的染色體中。染色體的基本單位是核小體(nucleosome)核小體：由DNA和組蛋白共同構(gòu)成。核心組蛋白：4種組蛋白(H2A,H2B,H3,H4)形成的8聚體DNA：以負(fù)超螺旋纏繞在核心組蛋白上H1在核小體之間起連接作用染色體的基本單位是核小體(nucleosome)核小體的串珠狀結(jié)構(gòu)

在RNA單鏈分子中常可以見到局部區(qū)域堿基互補(bǔ)形成的螺旋結(jié)構(gòu)，稱為“莖環(huán)”結(jié)構(gòu)或“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)tRNARNA的結(jié)構(gòu)3.核酸的性質(zhì)3.1紫外吸收的特性

嘌呤和嘧啶在260nm有特異的吸收峰,這個(gè)性質(zhì)用于核酸的分析3.2溶解性

溶于偏堿的溶劑中，可以為乙醇沉淀，容易受機(jī)械作用力而斷裂。3.3黏性

DNA溶液有高度的黏性3.4DNA分子的變性DNA雙螺旋的有序結(jié)構(gòu)受各種理化因子，如熱、酸堿、變性劑、有機(jī)溶劑以及稀釋的作用，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)則的線團(tuán)結(jié)構(gòu)。變性的特征增色效應(yīng),黏度和比旋下降，沉降系數(shù)增加，生物學(xué)活性喪失DNA解鏈曲線增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)

核酸分子加熱變性時(shí)，其在260nm處的紫外吸收急劇增加的現(xiàn)象。Tm值：當(dāng)紫外吸收變化達(dá)到最大變化的半數(shù)值時(shí)，此時(shí)所對應(yīng)的溫度稱為熔解溫度（Tm）、變性溫度或中點(diǎn)解鏈溫度。影響Tm值的因素1.溶液的性質(zhì)2.DNA中堿基組成的影響大腸桿菌DNA在不同濃度KCl溶液下的熔融溫度曲線

3.4復(fù)性復(fù)性：變性DNA分開的兩股鏈在適當(dāng)條件下重新生成雙鏈結(jié)構(gòu)的過程退火（annealing）:熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻復(fù)性的過程。3.5分子雜交

當(dāng)兩條不同來源的DNA（或RNA）鏈或DNA鏈與RNA鏈之間存在互補(bǔ)的堿基序列時(shí)，在一定條件下可以通過互相配對形成雙螺旋分子，這種分子稱為雜交分子。形成雜交分子的過程稱為分子雜交（molecularhybridization）。

核酸探針（nucleicacidprobe）:某一具有特定序列并且用同位素或其他化學(xué)方法標(biāo)記的DNA或RNA片段。通常是人工合成的。分子雜交圖3.5分子雜交技術(shù)的應(yīng)用通過同源性比較,研究不同物種或個(gè)體DNA之間的親緣關(guān)系；通過雜交的嚴(yán)緊性,發(fā)現(xiàn)基因的缺失或突變；通過標(biāo)記信號的強(qiáng)度,測定某種遺傳信息量的多少；證明某種疾病(如腫瘤)是否與某種基因(如病毒基因)有關(guān)。利用核酸探針，可以：用于鑒定DNA的Southern印跡技術(shù)用于鑒定RNA的Northern印跡技術(shù)原位雜交技術(shù)基因芯片技術(shù)等

將在第17章中介紹以分子雜交為基礎(chǔ)建立起的分子生物學(xué)研究技術(shù)有：

糖類

Carbohydrates糖類物質(zhì)是一類多羥基醛或多羥基酮類化合物或聚合物；糖類物質(zhì)可以根據(jù)其水解情況分為：單糖、寡糖和多糖；在動物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以單糖及其磷酸酯、多糖、雜多糖、糖蛋白和蛋白聚糖等形式存在。以下簡要介紹我們在以后的各章中常見的糖類及其衍生物丙糖及其磷酸酯丁糖與戊糖1.單糖主要的己糖

葡萄糖是動物機(jī)體最重要的單糖在生物體中的主要形式是D-吡喃-葡萄糖葡萄糖的構(gòu)型

葡萄糖的兩種半縮醛互為立體異構(gòu)體,又稱為異頭物（anomer）。分別以α，β表示。

葡萄糖的衍生物

葡萄糖異構(gòu)成其它的己糖葡萄糖氧化成葡萄糖酸或葡萄糖醛酸甲基葡萄糖苷葡萄糖和果糖的磷酸酯己糖胺2.雙糖主要有乳糖,蔗糖和麥芽糖3.多糖

多糖（polysaccharide）是由20個(gè)以上的單糖或者單糖衍生物，通過糖苷鍵連接而形成的高分子聚合物。

多糖分為：

同多糖：是由同一種單糖或者單糖衍生物聚合而成。如淀粉、糖原、纖維素以及殼多糖等；

雜多糖：是由不同種類的單糖或單糖衍生物聚合而成。如肝素、透明質(zhì)酸以及硫酸軟骨素等。

淀粉（Starch)

直鏈淀粉分子量約1萬-200萬，250-260個(gè)葡萄糖分子，以（14）糖苷鍵聚合而成。呈螺旋結(jié)構(gòu)，遇碘顯紫藍(lán)色。

支鏈淀粉中除了（14）糖苷鍵構(gòu)成糖鏈以外，在支點(diǎn)處存在（16）糖苷鍵，分子量較高。遇碘顯紫紅色。動物的糖原與支鏈淀粉結(jié)構(gòu)相似纖維素(連接鍵是β-1,4-糖苷鍵)殼多糖肝素透明質(zhì)酸硫酸軟骨素雜多糖

糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）又稱為糖胺多糖、黏多糖（mucopolysaccharides），是一類含氮的雜多糖（heteropolysaccharides）。如肝素、透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素等。它們主要存在于動物的軟骨、肌腱等結(jié)締組織的細(xì)胞間質(zhì)中。多糖的生理功能調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能增強(qiáng)機(jī)體抗炎作用提高機(jī)體對病原微生物的抵抗力促進(jìn)DNA和蛋白質(zhì)生物合成促進(jìn)細(xì)胞生長、增殖具有抗凝血、抗動脈粥樣硬化、抗癌、抗輻射損傷等作用。4.復(fù)合糖

復(fù)合糖（glycoconjugate）是由糖類與蛋白質(zhì)或脂類等生物分子以共價(jià)鍵連接而成的糖復(fù)合物。

糖蛋白（glycoprotein）是由糖鏈與蛋白質(zhì)多肽鏈共價(jià)結(jié)合而成的球狀高分子復(fù)合物。

蛋白聚糖（proteoglycans，PG）是一類特殊的糖蛋白。它是由一條或多條糖胺聚糖鏈，在特定的部位，與多肽鏈骨架共價(jià)連接而成的生物大分子。

脂多糖（lipopolysaccharide）是由脂類和多糖緊密相連而成，是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁特有的組分。

糖脂（glycolipids）是一個(gè)或多個(gè)單糖殘基通過糖苷鍵與脂類連接而成的化合物。糖蛋白（glycoprotein）

是由糖鏈與蛋白質(zhì)多肽鏈共價(jià)結(jié)合而成的球狀高分子復(fù)合物。在多數(shù)情況下，以蛋白質(zhì)為主，而糖鏈較小，其總體性質(zhì)更接近蛋白質(zhì)。糖蛋白分子結(jié)構(gòu)包含糖鏈、蛋白質(zhì)和糖肽鍵三部分。

糖肽鍵主要有兩種類型：N-糖肽鍵和O-糖肽鍵。

N-糖肽鍵是指糖鏈末端N-乙酰葡萄糖胺的糖環(huán)C1原子與多肽鏈上天冬酰胺的酰胺基N原子共價(jià)連接；O-糖肽鍵是指糖鏈末端N-乙酰半乳糖胺的糖環(huán)C1原子與多肽鏈上絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr）的—OH基O原子共價(jià)連接.O-糖肽鍵連接N-糖肽鍵連接GalNAc乙酰半乳糖胺GlcNAc乙酰葡萄糖胺蛋白聚糖（proteoglycans，PG

）

是一類特殊的糖蛋白。它是由一條或多條糖胺聚糖鏈，在特定的部位，與多肽鏈骨架共價(jià)連接而成的生物大分子。

其總體性質(zhì)更接近糖。

各種糖胺聚糖鏈與肽鏈相連并在透明質(zhì)酸周圍形成集合體在細(xì)胞膜外形成“糖衣殼”脂多糖（lipopolysaccharide）

是由脂類和多糖緊密相連而成，是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁特有的組分。脂多糖的脂類部分是脂質(zhì)A，多糖部分為雜多糖。

脂質(zhì)A的結(jié)構(gòu)

糖脂（glycolipids）

是一個(gè)或多個(gè)單糖殘基通過糖苷鍵與脂類連接而成的化合物。它是生物膜的組成成分之一，組成生物膜的糖脂主要是甘油糖脂和鞘糖脂。

甘油糖脂鞘糖脂

生物催化劑—酶

Enzymes羧肽酶1.酶的概述

酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶（ribozyme）。1.1定義

細(xì)胞的代謝由成千上萬的化學(xué)反應(yīng)組成，幾乎所有的反應(yīng)都是由酶（enzyme）催化的。酶對于動物機(jī)體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用。1.2酶的命名（1）習(xí)慣命名——依據(jù)所催化的底物（substrate）、反應(yīng)的性質(zhì)、酶的來源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、堿性磷酸酶。（2）系統(tǒng)命名——根據(jù)底物與反應(yīng)性質(zhì)命名反應(yīng)：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP

命名：葡萄糖：ATP磷酰基轉(zhuǎn)移酶（習(xí)慣名稱，葡萄糖激酶）1.3酶的分類

氧化還原酶AH2+BA+BH2

轉(zhuǎn)移酶Ax+CA+Cx

水解酶AB+H2OAH+BOH

裂解酶AB+C

異構(gòu)酶AB

合成酶A+BC，需要ATP1961年酶學(xué)委員會（EnzymeCommission，EC）規(guī)定酶的表示法：

EC.X.X.X.X例如：乳酸脫氫酶

1.4酶活性(enzymeactivity)酶活性的表示方法：

酶活性指的是酶的催化能力，用反應(yīng)速度來衡量，即單位時(shí)間里產(chǎn)物的增加或底物的減少。

V=dP/dt=-dS/dt

測定方法：吸光度測定、氣體分析、電化學(xué)分析等。酶活性的計(jì)量：

EC1961年規(guī)定：在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量為1個(gè)酶活國際單位（IU）。

比活性（specificityofenzyme）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。比活性=活性單位數(shù)/酶蛋白重量（mg）比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。酶促反應(yīng)的速度曲線

隨著酶催化的反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)速度會變慢，這是由于產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?、酶的熱變性或副反?yīng)引起的。但是，在反應(yīng)起始不久，在酶促反應(yīng)的速度曲線上通常可以看見一段斜率不變的部分，這就是初速度。在酶的動力學(xué)研究中，一般使用初速度的（V0）概念。高效性

酶的催化作用可使反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)提高108-1020倍。比其他催化反應(yīng)高106-1013倍

例如：過氧化氫分解

2H2O22H2O+O2Fe3+

催化，效率為6×104

mol/mol.S過氧化氫酶催化，效率為6×106

mol/mol.S專一性

即對底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類底物轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的產(chǎn)物。1.5酶的特點(diǎn)

絕對專一性一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2

和NH3。

相對專一性一種酶作用于一類化合物或一類化學(xué)鍵。例如，不同的蛋白水解酶對于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團(tuán)有不同的要求。

立體專一性指酶對其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。例如，乳酸脫氫酶專一地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專一性保證了反應(yīng)的定向進(jìn)行。

R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro

酶容易變性這是酶的化學(xué)本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。酶的可調(diào)節(jié)性抑制和激活（activationandinhibition）反饋控制(feedback)

酶原激活(activationofproenzyme)

變構(gòu)酶(allostericenzyme)

化學(xué)修飾(chemicalmodification)

多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)

酶在細(xì)胞中的區(qū)室化(enzymecompartmentalization)

已知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì)單純酶：少數(shù)，例如：溶菌酶

結(jié)合酶：大多數(shù)

結(jié)合酶=酶蛋白+輔因子輔因子包括:輔酶、輔基和金屬離子。2.酶的組成與維生素2.1酶的化學(xué)本質(zhì)

酶蛋白的作用：與特定的底物結(jié)合，決定反應(yīng)的專一性。

輔酶、輔基的作用：參與電子的傳遞、基團(tuán)的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。有十幾種.

輔酶與輔基的異同點(diǎn):它們都是耐熱的有機(jī)小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價(jià)相連。

金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)系的“橋梁”；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的“活性中心”的部分。

結(jié)合酶舉例，()內(nèi)為輔因子：

乳酸脫氫酶（輔酶I,NAD）異檸檬酸脫氫酶（輔酶I,NAD）醇脫氫酶（輔酶I,NAD）葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（輔酶II,NADP）琥珀酸脫氫酶（FAD）乙酰輔酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg++）脂酰輔酶A合成酶（輔酶A,CoA）維生素（Vitamin）是動物和人類生理活動所必需的，從食物中獲得的一類有機(jī)小分子。它們并不是機(jī)體的能量來源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動。脂溶性維生素：A視黃醇（維生素A原——胡蘿卜素）

D鈣化醇

E生育酚

K凝血維生素水溶性維生素：B族維生素和維生素C

（以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）2.2維生素與輔酶和輔基的關(guān)系表7?2B族維生素及其輔酶形式B族維生素輔酶形式酶促反應(yīng)中的主要作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸氧化脫羧酮基轉(zhuǎn)移作用核黃素(B2)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移尼克酰胺(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移吡哆醇(醛、胺)(B6)磷酸吡哆醛氨基轉(zhuǎn)移泛酸輔酶A(CoA)酰基轉(zhuǎn)移葉酸四氫葉酸"一碳基團(tuán)"轉(zhuǎn)移生物素(H)生物素羧化作用鈷胺素(B12)甲基鈷胺素5′-脫氧腺苷鈷胺素甲基轉(zhuǎn)移VB1，硫胺素經(jīng)焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)門PP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脫氫酶的輔酶。以VB2，核黃素為基礎(chǔ)形成兩種輔基FMN黃素單核苷酸和FAD黃素腺嘌呤二核苷酸。作用是傳遞氫和電子。泛酸（維生素B3）是CoA（輔酶A）的組成成分。CoA是脂?；妮d體。

吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），維生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶。

尼克酸，煙酸（維生素Vpp）NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/還原）NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化/還原）。煙酰胺衍生物，傳遞氫和電子，氧化還原酶的輔酶。

葉酸，其還原衍生物四氫葉酸是一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶的輔酶。一碳基團(tuán)，如甲基、乙烯基、甲?；?。生物素，維生素H。噻吩和脲縮組成，CO2

的載體，羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈。

硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化和還原兩種形式，既可以傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移脂?；?。

維生素B12中心鈷原子結(jié)合5’-脫氧腺苷基稱輔酶B12

，為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。單體酶

只有三級結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如129個(gè)氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶

含2-60個(gè)亞基，有復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)。常通過變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。多酶復(fù)合體

由多個(gè)功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復(fù)合體。它可以促進(jìn)某個(gè)階段的代謝反應(yīng)高效、定向和有序地進(jìn)行。3.酶的分子結(jié)構(gòu)酶的活性中心（activesite）

活性中心的必需基團(tuán)

必需基團(tuán)

活性中心以外的必需基團(tuán)

結(jié)合基團(tuán)（與底物結(jié)合，決定專一性）

活性中心

催化基團(tuán)（影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性,決定催化能力）酶的活性中心示意圖活性中心是酶分子上由催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)構(gòu)成的一個(gè)微區(qū)

化學(xué)反應(yīng)是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱為活化能。無論何種催化劑，其作用都在于降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速度。一個(gè)可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，其反應(yīng)終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化（?G’）為負(fù)值。這個(gè)自由能的變化值與反應(yīng)中是否存在催化劑無關(guān)。4.酶的催化機(jī)理4.1活化能

催化劑降低了反應(yīng)物分子活化時(shí)所需的能量非催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)活化能的比較

Ea，活化能；ΔG，自由能變化

S+EESP+E中間產(chǎn)物

反應(yīng)過程

S+EESES*EPP+E過渡態(tài)復(fù)合物4.2中間產(chǎn)物學(xué)說

酶介入了反應(yīng)過程。通過形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)中間復(fù)合物，使原本一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，而兩步反應(yīng)都只需較少的能量活化。從而使整個(gè)反應(yīng)的活化能降低。誘導(dǎo)契合學(xué)說認(rèn)為，酶和底物都有自己特有的構(gòu)象，在兩者相互作用時(shí)，一些基團(tuán)通過相互取向，定位以形成中間復(fù)合物。4.3誘導(dǎo)契合學(xué)說（inducedfit）鄰近與定向效應(yīng)：增加了酶與底物的接觸機(jī)會和有效碰撞。張力效應(yīng)：誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進(jìn)了化學(xué)鍵的斷裂。酸堿催化：活性中心的一些基團(tuán)，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳遞質(zhì)子。共價(jià)催化：酶與底物形成過渡性的共價(jià)中間體，限制底物的活動，使反應(yīng)易于進(jìn)行。疏水效應(yīng)：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有利于酶與底物的接觸。4.4催化機(jī)理

影響酶促反應(yīng)速度的因素與酶作為生物催化劑的特點(diǎn)密切有關(guān)。這些因素有：溫度、酸堿性、底物（substrate）濃度、酶濃度、激活劑（activators）和抑制劑（inhibitors）等。

5.酶促反應(yīng)的動力學(xué)及其影響因素

一般來說，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在較低溫度條件下，酶促反應(yīng)也遵循這個(gè)規(guī)律。但是，溫度超過一定數(shù)值時(shí)，酶會因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。

最適溫度（optimumT）：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度。最適溫度因不同的酶而異，動物體內(nèi)的酶的最適溫度在37-400C左右。5.1溫度對酶促反應(yīng)速度的影響酶反應(yīng)的溫度曲線和最適溫度5.2溶液pH值對酶促反應(yīng)速度的影響最適pH（optimumpH）：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)溶液的pH。酶的最適pH與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)

在其他條件確定時(shí)，反應(yīng)速度與酶的濃度成正比。5.3酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對反應(yīng)速度的影響5.4底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響

在其他條件確定的情況下,在低底物濃度時(shí),反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應(yīng).當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時(shí)，v也隨著[S]的增加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為混合級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到足夠大時(shí)，反應(yīng)速度也達(dá)到最大值（Vmax），此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。反應(yīng)速度對于底物濃度的變化呈雙曲線,稱為米氏雙曲線.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為米氏方程.米氏雙曲線

米氏方程的推導(dǎo)

首先假設(shè)：

1.反應(yīng)在最適條件下進(jìn)行

2.pH、溫度和酶的濃度是固定的,變化的是底物濃度

3.反應(yīng)在起始階段，逆反應(yīng)可忽略

4.反應(yīng)體系處在穩(wěn)態(tài)（stablestate）

E+SESE+Pk+1k-1k+2

根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，ES的生成速度與其分解速度相等。有以下關(guān)系式：

V1=V-1+V+2(1)k+1

[E]

[S]=k-1

[ES]+k+2[ES]

=[ES]

（k-1+k+2

）

[E][S]=

[ES]（k-1+k+2

）/k+1

(2)

令（k-1+k+2）/k+1=Km(米氏常數(shù))[E][S]=

[ES]Km(3)

[Et]是自由酶E的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和，即[Et]=[ES]+[E](4)

總的反應(yīng)速度V應(yīng)該等于V+2=k+2[ES](5)

將(4),(5)代入(3),整理得到米氏方程:V=Vm[S]/(Km+[S])V速度

Vm最大速度

[S]底物濃度

Km米氏常數(shù)米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對應(yīng)的底物濃度當(dāng)S<<Ｋm時(shí)，v正比于[Ｓ],呈一級反應(yīng)當(dāng)Ｓ>>Ｋm時(shí)，v＝Ｖm，呈零級反應(yīng)

米氏雙曲線由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對應(yīng)的底物濃度,即當(dāng)v=1/2Vm時(shí)，Km=S

米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1在反應(yīng)的起始階段，k+2<<k-1，Ｋm≈k-1／k+1≈１／Ｋ平≈Ｋ解離此時(shí)，Ｋm越大，說明Ｅ和Ｓ之間的親和力越小，ＥＳ復(fù)合物越不穩(wěn)定。當(dāng)Ｋm越小時(shí)，說明Ｅ和Ｓ的親和力越大，ＥＳ復(fù)合物越穩(wěn)定，也越有利于反應(yīng)。米氏常數(shù)Ｋm對于酶是特征性的。每一種酶對于它的一種底物只有一個(gè)米氏常數(shù)。米氏常數(shù)及其意義米氏常數(shù)的求法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線5.5抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響

酶的抑制劑（inhibitor）:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。

酶抑制作用分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩大類。（一）可逆抑制作用（reversibleinhibition）

抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合抑制等。1、競爭性抑制（competitiveinhibitor）

競爭性抑制劑因具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，與底物競爭酶的活性中心，與酶形成可逆的EI復(fù)合物，減少的酶與底物結(jié)合的機(jī)會，使酶的反應(yīng)速度降低的作用。這種抑制作用可通過增加底物濃度來解除。競爭性抑制的動力學(xué)特點(diǎn)是Vmax不變，而Km增大

在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心。磺胺類藥物的抑菌機(jī)理2、非競爭性抑制（non-competitiveinhibitor）非競爭性抑制劑與酶的活性中心以外的集團(tuán)結(jié)合，形成EI或ESI復(fù)合物，不能進(jìn)一步形成E和P,使酶反應(yīng)速度減低的抑制作用。不能通過增加底物濃度的方法來解除

在可逆的非競爭性抑制作用中：抑制劑結(jié)合在活性中心以外；抑制劑的結(jié)合阻斷了反應(yīng)的發(fā)生。

非競爭性抑制作用的動力學(xué)特點(diǎn)是Vmax變小，而Km不變。(二)不可逆抑制（irreversibleinhibition）抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，從而抑制酶活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù)。

例如：有機(jī)磷農(nóng)藥中毒

（敵百蟲、敵敵畏、樂果殺蟲劑1605、1059等）

乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機(jī)磷農(nóng)藥共價(jià)結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時(shí)清除降解。金屬離子如Mg++

對磷酰基轉(zhuǎn)移酶，Cu++對一些氧化酶，Cl-對淀粉酶有激活作用。一些有機(jī)小分子如VitC，谷胱甘肽，巰基乙醇等對巰基酶有激活作用。5.5激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響終產(chǎn)物P對途徑開頭和分支點(diǎn)上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)。字母e表示酶。+表示激活，-表示抑制。6.1反饋控制(feedBack)6.酶活性的調(diào)節(jié)變構(gòu)酶模型米氏雙曲線與S形變構(gòu)曲線6.2變構(gòu)調(diào)節(jié)0.11

變構(gòu)酶有特征性的S形動力學(xué)曲線。變構(gòu)劑或底物濃度，在一定的范圍里，一個(gè)比較小的變化就會導(dǎo)致反應(yīng)速度顯著的改變，因此更具可調(diào)節(jié)性。變構(gòu)酶通常是關(guān)鍵酶，催化代謝途徑中的非平衡反應(yīng)，或稱不可逆反應(yīng)。這些酶一般處在途徑的開始階段或分支點(diǎn)上，通過反饋控制來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)亞基與催化亞基分開，彼此獨(dú)立的，稱異促變構(gòu)。變構(gòu)劑與底物結(jié)合在同一個(gè)亞基上，稱同促變構(gòu)。又稱酶的共價(jià)修飾，有磷酸化/脫磷酸，腺苷?；?脫腺苷酰以及甲基化/脫甲基等形式。酶的活性在兩種狀態(tài)之間變化。這個(gè)化學(xué)修飾過程也是由酶催化的。6.3化學(xué)修飾(chemicalmodification)磷酸化酶兩種形式的相互轉(zhuǎn)變過程

指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但是理化性質(zhì)不同的酶。如，氨基酸組成、電泳行為、免疫原性、米氏常數(shù)等不同。乳酸脫氫酶同工酶LDH，由2種亞基（M和H）組合成5種4聚體

H4和M4分別在心肌中和在肌肉中活性最高。6.4同工酶（isozyme）大腸桿菌的丙酮酸脫氫酶系模型功能上相關(guān)的幾個(gè)酶在空間上組織在一起，定向有序地催化一系列反應(yīng)。例如，丙酮酸脫氫酶系由3個(gè)酶組成，脂肪酸合成酶系由6個(gè)酶和1個(gè)ACP蛋白組成。6.5多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)

無活性的酶原（proenzyme），在特定的條件下，通過部分肽段的有限水解，轉(zhuǎn)變成有活性的酶。如，動物的消化酶。6.6酶原激活7.酶的應(yīng)用酶基因的缺失引起遺傳病酶活性的高低作為疾病診斷指標(biāo)酶作為試劑用于臨床檢驗(yàn)和科學(xué)研究酶和酶的抑制劑作為治療藥物酶制劑作為飼料添加劑酶用于食品加工酶用于工業(yè)生產(chǎn)

糖代謝

CarbohydrateMetabolism

動物機(jī)體主要的能源和碳源

提供70%的能量，神經(jīng)系統(tǒng)、胎兒和乳的合成消耗更多的葡萄糖為氨基酸和脂肪合成提供C的來源

構(gòu)成組織細(xì)胞的成分

核酸中的核糖，結(jié)締組織中的蛋白多糖，細(xì)胞膜上的糖脂和糖蛋白等

其他方面

如信號傳導(dǎo)，免疫機(jī)能1.糖在動物體內(nèi)的一般概況1.1糖的生理功能1.2糖的來源和去路葡萄糖消化吸收異生作用糖原分解氧化供能貯存轉(zhuǎn)變成其他物質(zhì)

意義

反映機(jī)體的能量水平，糖的分解和利用的動態(tài)平衡，對大腦、胎兒尤為重要激素的調(diào)節(jié)作用

胰島素下調(diào)、胰高血糖素上調(diào)、腎上腺素上調(diào)、糖皮質(zhì)激素上調(diào)糖尿

血糖水平相對恒定，超過腎糖閾值，葡萄糖隨尿排出1.3血糖

1897年，Buchner兄弟由蔗糖發(fā)酵成乙醇的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。酵解是在無氧或缺氧的條件下，葡萄糖或糖原分解成乳酸并且有能量（ATP）釋放的過程。

總反應(yīng)為:葡萄糖乳酸+能量

G.Embden和Meyerhof揭示了其途徑。酵解途徑的酶系存在于胞液中。2.糖的分解代謝2.1糖酵解(Glycolysis)—糖的無氧氧化第一階段葡萄糖（6C）斷裂變?yōu)?個(gè)磷酸丙糖（3C）注意，這個(gè)過程消耗了2個(gè)ATP分子不可逆反應(yīng)不可逆反應(yīng)反應(yīng)傾向生成磷酸甘油醛,往下以2分子甘油醛-3-P作為底物進(jìn)行

第二階段生成丙酮酸在這個(gè)階段發(fā)生了氧化反應(yīng)（生成NADH）和第一次形成了高能鍵，共產(chǎn)生了2個(gè)ATP分子接著，烯醇化酶催化的反應(yīng)使分子內(nèi)部基團(tuán)重排能量重新分布，形成了第二個(gè)高能鍵，共生成2個(gè)ATP分子不可逆反應(yīng)第三階段丙酮酸還原成乳酸

在無氧的條件下，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下，加氫還原生成乳酸，所需的NADH來自第二階段的反應(yīng)。葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羥丙酮乙醛乳酸乙醇己糖激酶磷酸己糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶醛縮酶脫氫酶磷酸甘油酸激酶變位酶烯醇化酶丙酮酸激酶乳酸脫氫酶-ATP-ATP+ATP+ATP糖原1-P-G糖酵解途徑匯總由1分子G在無氧條件下氧化分解，最終產(chǎn)生2分子ATP。如果從糖原開始，則可得到3分子ATP(見下一節(jié))注意酵解途徑中的3個(gè)關(guān)鍵酶催化的不可逆反應(yīng).他們是:己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶糖酵解的生理意義

是動物機(jī)體在無氧或供氧不充分的情況下通過分解葡萄糖或糖原獲得部分能量的重要方式。運(yùn)動和使役的動物肌肉，一些供氧不足的組織，如視網(wǎng)膜、皮膚、睪丸以及腫瘤等組織通過這個(gè)途徑獲得部分能量。酵解途徑與糖的有氧氧化途徑、磷酸戊糖途徑以及異生途徑都有密切聯(lián)系。2.2有氧氧化（aerobicoxidation）

有氧條件下,葡萄糖徹底氧化生成CO2和H2O,并伴有能量釋放的過程C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量過程分三階段,第一階段在胞液(同酵解)，后兩個(gè)階段在線粒體中進(jìn)行2

丙酮酸第一階段

由葡萄糖第二階段丙酮酸的氧化

丙酮酸（3C）轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA（2C），在線粒體中進(jìn)行，由丙酮酸脫氫酶系催化，為不可逆反應(yīng)，它包含有三個(gè)酶。總反應(yīng)如下：與無氧酵解相同,在胞液中進(jìn)行注意產(chǎn)物為2分子乙酰CoA丙酮酸脫氫酶復(fù)合體三個(gè)酶分別是:E1丙酮酸脫氫酶E2二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E3

二氫硫辛酸脫氫酶還有6種輔助因子TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+和Mg2+丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvatedehydrogenasecomplex,PDC)催化的反應(yīng)

第三階段三羧酸循環(huán)

1937年Crebs提出。又稱檸檬酸循環(huán)或Crebs循環(huán)。以乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸（含3個(gè)羧基）的反應(yīng)為起始，對乙酰基團(tuán)進(jìn)行氧化脫羧再生成草酰乙酸的單向循環(huán)反應(yīng)序列。在線粒體中進(jìn)行。三羧酸循環(huán)反應(yīng)三羧酸循環(huán)的產(chǎn)物

乙酰CoA（2C）經(jīng)過三羧酸循環(huán)完全分解釋放2個(gè)CO2，同時(shí)生成3個(gè)NADH2，1個(gè)FADH2，1個(gè)GTP（或ATP）。NADH2

和FADH2

所攜帶的H原子來自循環(huán)中代謝中間物的脫氫。在有氧條件下，每2個(gè)H原子可以通過呼吸鏈（電子傳遞系統(tǒng)）傳遞給1/2O2，生成H2O，并且有能量釋放用以合成ATP。

1分子NADH2

經(jīng)呼吸鏈生成1分子H2O和2.5個(gè)ATP1分子FADH2經(jīng)呼吸鏈生成1分子H2O和1.5個(gè)ATP以1分子的葡萄糖完全氧化為例進(jìn)行能量計(jì)算第一階段（胞液）：生成2ATP

生成2NADH2

計(jì)7（5）ATP第二階段（線粒體）：2NADH22CO2

計(jì)5ATP第三階段（線粒體）：6NADH24CO22FADH22GTP（或2ATP）計(jì)20ATP

共計(jì)32（30）ATP和6CO2

有氧氧化的生理意義

糖的有氧氧化是動物獲得能量的主要方式。糖的有氧氧化是糖、脂和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)分解代謝的共同歸宿。糖的有氧氧化也是糖、脂和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)互相轉(zhuǎn)變和聯(lián)系的共同樞紐。糖的有氧氧化途徑為嘌呤、嘧啶、尿素的合成提供二氧化碳，也是大自然碳循環(huán)的重要組成部分。

不依賴于有氧或無氧的葡萄糖分解途徑，約有30%的葡萄糖經(jīng)過這條途徑代謝，在胞液中進(jìn)行，尤其在合成代謝旺盛的組織中活躍。從6-P-葡萄糖開始，經(jīng)過