《化学生物学》课件Part 5

1、2022/7/1012022/7/102内容第一节 生物体中的化学元素第二节 化学物质对蛋白质的作用第三节 化学物质对酶的作用第四节 化学物质对核酸的作用2022/7/103第一节 生物体中的化学元素2022/7/1041.生物体中化学元素的分类常量元素和微量元素2022/7/10511种常量元素氢、氧、碳和氮硫、氯、磷 钾、钠、钙与镁2022/7/106微量元素0.05%Fe、Cu、Zn、V、Cr、Mn、Co、Mo、Ni、Cd、F、Br、I、Se、Si、Sn、Pb、Hg、Li、B2022/7/107微量元素肥料（1）增强农作物的抗病能力。（2）增加农作物的产量。（3）改善人工栽培作物的品质。

2、（4）保证人体有足够的微量元素来源。2022/7/108微量元素与地方病当一个地区的某种元素缺乏或过多时，这种动态平衡就遭到破坏，人体就会发生某种病变。这就叫地方病。2022/7/109必需元素和有害元素2022/7/1010（1）元素存在于健康组织中，直接影响生理功能，并参与正常代谢过程。（2）元素在生物体内的作用不可能为其它元素所代替，在各物种中有一定的浓度范围。（3）除去该元素时，生物体会发生某些生理病变这种变态会伴随特殊的生物化学变化出现；而且这种生理病变在重新摄入该元素后可以恢复。2022/7/1011必需微量元素：现在已知（或推测）的生命必需元素至少26种，它们是：H、C、O、N、

3、P、S、Na、K、Ca、Mg、Cl、Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Se、V、Ni、B、Sn、Si、I、F。其中微量元素有15种，他们是Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Cr、Se、V、Ni、B、Sn、Si、I、F。2022/7/1012有害微量元素是指那些存在于生物体内时，会阻碍生物机体正常代谢过程和影响生理功能的微量元素，如Be、Pb、Cd、Hg、和As等。2022/7/1013尚未确定的微量元素：还有2030种普遍存在于组织中的元素，其浓度可变，其生理作用尚未完全确定，称之为尚未确定元素。2022/7/1014微量元素的“双重品格”法国学者在研究锰对植物生长的影响提出了一个最

4、适营养定律：植物缺少某种必需元素时，就不能成活；当该元素适量时就能茁壮成长，但过量时又是有害的。该定律不仅适用于植物，也适用于一切生物。2022/7/10152.生物体中化学元素的功能结构材料运载作用组成金属酶或作为酶的激活剂调节体液的物理、化学特性信使作用影响核酸的物理化学性质2022/7/10163.生物体中化学元素的存在方式无机结构物质游离方式存在的离子生物大分子小分子2022/7/1017第二节 化学物质与蛋白质的相互作用 稳定作用沉淀作用化学修饰作用2022/7/1018一、化学物质对蛋白质的沉淀作用 沉淀作用的类型可逆沉淀不可逆沉淀抗体-抗原沉淀2022/7/10191.无机电解质

5、盐溶盐析这是由于电解质的离子在水中发生水化，当电解质的浓度增加时，水分子就离开蛋白质的周围，暴露出疏水区域，疏水区域间的相互作用，使蛋白质聚集而沉淀，疏水区域越多，就越易产生沉淀。牢固结合水大量溶剂水层含高价阴离子的盐，效果比低价的盐好。阴离子的盐析效果有下列次序： 柠檬酸盐PO43-SO42-CH3COO-Cl-NO3-SCN-。 但高价阳离子的效果不如低价阳离子，例如硫酸镁的效果不如硫酸铵。对于1价阳离子则有下列次序：NH4+K+Na+。 常用的盐析剂是硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾或磷酸钠。2.等电点沉淀pH对-乳球蛋白溶解度的影响 3.有机物沉淀2022/7/1025主要效应是水活度的降低。（

6、1）有机溶剂一般所选择的溶剂必须能和水互溶，而和蛋白质不发生化学反应，最常用的溶剂是乙醇和丙酮，加量在20%-50%（V/V）之间。（2）酚类化合物及有机酸沉淀 这类化合物包括鞣酸（又称单宁）、苦味酸（即2,4,6-三硝基苯酚）、三氯乙酸、磺酰水杨酸等。4.聚合物沉淀 许多非离子型聚合物，包括聚乙二醇（PEG）可用来进行选择性沉淀以纯化蛋白质。聚合物的作用认为与有机溶剂相似，能降低水化度，使蛋白质沉淀。（1）非离子型聚合物沉淀法（2）聚电解质沉淀法 有一些离子型多糖化合物可应用于沉淀食品蛋白质。如羧甲基纤维素，海藻酸盐，果胶酸盐和卡拉胶等。它们的作用主要是静电引力。2022/7/1029二、化

7、学物质对蛋白质的稳定作用 共溶剂 抗氧化剂 底物、辅酶金属离子 化学交联剂2022/7/1030糖类，醇氨基酸及其衍生物无机盐，甘油，聚乙二醇等常用1-4 M浓度共溶剂来稳定蛋白质和细胞器。共溶剂 2022/7/1031抗氧化剂 半胱氨酸，2-巯基乙醇还原谷胱甘肽，二巯基赤藓醇等巯基试剂可防止巯基氧化植物抗氧化剂如儿茶酚、黄酮等也具有保护作用。2022/7/1032底物、辅酶酶可被底物、辅酶、竞争性抑制剂及反应产物等所稳定。2022/7/1033化学交联剂交联剂可在相隔较近的两个氨基酸残基之间，或蛋白质与其他分子之间（如固定化载体）发生交联反应使蛋白质的构象稳定。2022/7/1034金属离子

8、 金属离子不仅可以影响酶的活性，还可以影响酶的稳定性如Ca2+多位点结合使得蛋白质分子成为紧密的活性形式。2022/7/1035三、化学物质的共价修饰作用 试剂类型化合物或前体反应机制烷基化芳香基化卤代物亲核取代环氧化物硫酸烷基酯活泼的烯烃1,4-加成羰基化合物醛形成席佛碱酰基化有机酸酐、酰氯等亲核取代或加成磷酰化有机磷亲核取代自由基OH、CCl3自由基反应具有亲电氮化合物芳香胺亲核取代氨基酸残基侧链基团的修饰 蛋白质侧链基团的修饰是通过选择性的试剂或亲和标记试剂与蛋白质分子侧链上特定的功能基团发生化合反应而实现的。其中的一个重要作用是用来探测活性部位的结构。巯基的化学修饰 5,5-二硫-2-

9、硝基苯甲酸(DTNB)，又称为Ellman试剂，目前已成为最常用的巯基修饰试剂。氨基的化学修饰 有许多化合物都可用来修饰赖氨酸残基，三硝基苯磺酸(TNBS)就是其中非常有效的一种。羧基的化学修饰 水溶性的碳化二亚胺类特定修饰蛋白质分子的羧基基团，目前已成为一种应用最普遍的标准方法，它在比较温和的条件下就可以进行。 咪唑基的化学修饰 焦碳酸二乙酯(DPC)是最常用的修饰组氨酸残基的试剂。该取代反应在碱性条件下是可逆的，可以重新生成组氨酸残基。 四、蛋白质光谱探针 所谓蛋白质光谱探针，就是能与蛋白质发生相互作用的无机离子、有机小分子或络合物，这些物质与蛋白质结合生成超分子复合物之后，体系的光谱性质

10、发生变化，从而可以提供蛋白质浓度或结构方面的信息。2022/7/1042蛋白质的定量测定是生物化学和其他生物学科中经常涉及的分析内容，也是临床诊断和检验疾病治疗效果的重要指标，还是药物和食品分析的常见项目。蛋白质的定量分析方法很多，但研究最多、应用最广的还是分光光度法、荧光分析法和共振光散射等分子光谱探针。 2022/7/1043金属探针双缩脲法Folin-Lowry 法 双辛可宁酸法 540 nm640 nm565 nm2022/7/1044染料探针溴酚蓝 考马斯亮蓝 蛋白质荧光探针 蛋白质中存在着Tyr、Trp、Phe残基，能够吸收270300 nm的紫外光而发出紫外荧光。当测定体系中加入

11、小分子配体时，小分子配体与蛋白质发生相互作用,会导致蛋白质荧光的猝灭，利用小分子配体对蛋白质内源荧光的猝灭这一现象可以确定蛋白质与小分子配体的作用类型及结合部位等。 常用的蛋白质荧光探针有：1-苯胺基-8-萘磺酸 (ANS)、2-对甲苯胺基萘-6-磺酸 (TNS)、1-(N-二甲胺)萘-5-磺酸 (DNS)和荧光胺等。1-苯胺基-8-萘磺酸 (ANS) 2-对甲苯胺基萘-6-磺酸 (TNS),- 4(对磺苯基)卟啉 ( TPPS4) ,- 4 (对羧苯基)卟啉(TCPP) 2022/7/1047蛋白质光散射探针 光散射探针分析的基础是试剂分子与蛋白质结合导致体系的光散射信号明显增强。大多数属于

12、三苯甲烷类。铬天青S产生370 nm的光散射信号2022/7/1048第三节 化学物质与酶的相互作用 抑制作用激活作用改性作用一、化学物质对酶的抑制作用 按抑制剂作用的方式不同，酶的抑制作用可分为可逆和不可逆两种类型。 2022/7/1050(一) 不可逆性抑制作用* 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。 * 举例有机磷化合物 羟基酶解毒 - - - 解磷定(PAM)2022/7/1051有机磷化合物对羟基酶的抑制2022/7/1052（二） 可逆性抑制作用* 概念抑制剂以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑

13、制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 * 类型2022/7/10531. 竞争性抑制作用定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。2022/7/1054竞争性抑制2022/7/1055* 举例 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸2022/7/10562. 非竞争性抑制抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。2022/7/1057非竞争性抑制2022/7/10582. 反竞争性抑制抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物结合，使ES的量下降。2022/7/1059

14、反竞争性抑制二、化学物质对酶的激活作用 凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂，激活剂一般是无机离子活简单的有机化合物，而高分子物质较少。激活剂的激活机制一是激活剂与酶分子结合，改变了酶活性中心及其附近的构象，从而增强了酶与底物的亲合能力，或者是增加了产物的离去速度，进而提高酶的催化活力；二是激活剂与底物分子结合再与酶分子结合，使底物分子的电子密度或分子张力发生变化，有利于产物的形成，从而提高酶催化活力。一、激活剂的类型 1.具有巯基的还原剂 半胱氨酸、2-巯基乙醇和还原型谷胱甘肽等都含有巯基，可以使酶分子中被氧化的-SH基还原，从而提高酶的催化活力。还可以作为金属酶活性中心的轴向配体从而激活酶

15、的催化作用，如巯基苯甲酸、巯基乙酸、半胱氨酸对细胞色素 P450、过氧化氢酶的激活作用。2.多羟基化合物 多羟基化合物如甘油、乙二醇、糖类物质等不但可以作为酶的稳定剂使用，而且它们对许多酶具有激活作用。例如，在 Mg2+ 或 Mn2+ 存在的情况下，蔗糖对天冬氨酸酶具有较强的激活作用，天冬氨酸酶的催化活力同不加蔗糖时的相比可提高5.18倍，同样当甘油加入含酶体系，酶活力有一定程度提高。3.变性剂 某些变性剂如脲、盐酸胍等可以完全破坏酶蛋白的空间构象，使酶失去活性。但是当变性剂的浓度较低时，酶蛋白仅仅发生了部分变性。 例如，在5C、20C、30C，鸡肝二氢叶酸还原酶随着盐酸胍的浓度增加而增高，经

16、历一个激活过程后，再开始失活。2mol/L的脲可使二氢叶酸还原酶活力提高3.6倍，而且酶活力可以稳定12小时。4mol/L的脲可使二氢叶酸还原酶的催化活力提高大约5倍，但激活后的酶很快失去活力。 曲线1和2是在脲加入后立即检测，曲线3和4是在脲加入12小时后检测 4.有机溶剂和表面活性剂 在某些情况下，低浓度的有机溶剂和表面活性剂可以有助于底物的溶解，同时也可以使酶分子部分变性，从而提高酶分子的催化活性。 甲醇、乙醇、丙醇和丁醇对青霉素V酰化酶的诱导激活过程。 表面活性剂非离子表面活性剂浓度在0.1%0.8%时，吐温80、聚乙二醇等作为纤维素酶的激活剂，可使纤维素酶活力提高20%-50%。而阴

17、离子表面活性剂浓度在0.1%0.8%时，如十二烷基磺酸钠也可作为纤维素酶的激活剂。5.小分子有机化合物 在有机胺类化合物（二乙胺、二异丙胺、三乙胺、吡啶等）的存在下，磷酸三酯酶的催化活性随着有机胺的浓度改变而变化；当有机胺浓度较低时，磷酸三酯酶的催化活性明显提高，显示出有机胺化合物对磷酸三酯酶的激活作用，但当有机胺的浓度增大时（0.1mol/L），则表现出较强的抑制作用。 6.高分子化合物 高分子化合物如聚乙烯亚胺、聚精氨酸、聚赖氨酸等聚电解质，在低浓度的溶液中可以与酶蛋白分子表面的相反电荷相互作用，多点的静电引力结合可能使酶活性中心附近的空间构象发生变化，从而提高酶的催化活力。如聚乙烯亚胺，

18、聚丁基亚胺分别使乳酸脱氢酶活力提高3.0和 5.0倍。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对烟草硝酸还原酶也具有较强的激活作用。 2022/7/1072第四节 化学物质与核酸的相互作用 2022/7/1073一、化合物致突变作用 基因一般认为是稳定的，但其稳定性也不是绝对的， DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异。所以，一切生物的变异和进化都可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。2022/7/1074 DNA核苷酸顺序或数目发生改变常常是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错

19、，它就会通过复制机制遗传下去。由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。 75基因突变的类型大段损伤移码碱基置换移位单碱基改变插入重复缺失76碱基置换移码二、化学诱变剂及其作用原理 能够提高生物体突变频率的物质即为诱变剂。诱变剂的作用原理很多，目前使用的诱变剂基本上可分为物理诱变因子、化学诱变剂和生物诱变因子三大类。部分常用化学诱变剂的类型及作用 名称性质作用机制主要生物学效应亚硝酸（HNO2）脱氨基诱变剂碱基脱氨基作用DNA交联；碱基缺失；碱基对的转换5-氟尿嘧啶（5-FU）5-溴尿嘧啶（5-BU）碱基类似物代替正常碱基掺入到DNA分子中碱基对转换吖啶黄、吖啶

20、橙移码诱变剂插入碱基对之间碱基排列产生码组移动氮介(NM)、乙烯亚胺(EI)、硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NTG)、亚硝基甲基脲(NMU)烷化剂（双功能）烷化剂（单功能）碱基烷基化作用DNA交联；碱基缺失；引起染色体畸变碱基对的转换或颠换三、化学致癌物质及其作用机制 癌症是严重危害人类健康的疾病之一，据医学专家估计，各国的发病率均在1%以上，占死亡人数的12%15%。人类癌症约有80%90%是受环境因素影响而产生的，其中化学致癌物是环境中的主要致癌因素。化学致癌物(chemical earcinosen)使正常细胞转化为癌细胞称为致癌(carcinogenesis)

21、。 2022/7/1080癌细胞的主要特征 一肿瘤形成二肿瘤的诊断与治疗三肿瘤细胞2022/7/1081肿瘤（tumor，neoplasm）是一种基因病，但并非是遗传的；它是指细胞在致瘤因素作用下，基因发生了改变，失去对其生长的正常调控，导致异常增生。可分为良性和恶性肿瘤两大类。前者生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害不大。后者生长迅速，可转移到身体其它部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命。2022/7/1082癌细胞有三个显著的基本特征即：不死性，迁移性和失去接触抑制。 2022/7/1083细胞周期失控，就像寄生在细胞内的微生物，不受正常生

22、长调控系统的控制，能持续的分裂与增殖。 不死性2022/7/1084具有迁移性，细胞粘着和连接相关的成分（如ECM、CAM）发生变异或缺失，相关信号通路受阻，细胞失去与细胞间和细胞外基质间的联结，易于从肿瘤上脱落。许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移。 迁移性2022/7/1085肿瘤细胞的迁移 2022/7/1086接触抑制丧失，正常细胞在体外培养时表现为贴壁生长和汇合成单层后停止生长的特点，即接触抑制现象，而肿瘤细胞即使堆积成群，仍然可以生长。 失去接触抑制2022/7/1087肿瘤细胞失去接触抑制现象 2022/7/1088肿瘤的形成

23、(oncogenesis)的过程包括始发突变、潜伏、促癌和演进。2022/7/1089始发突变是指细胞在致癌物的作用下发生了基因突变，但是突变发生后如果没有适当的环境不会发展为肿瘤，此阶段称为潜伏期；促癌是指在促癌剂（刺激细胞增长的因子，如激素）作用下开始增殖的过程，促癌因子的作用是可逆的，如果去除，引起扩增的克隆就会消失；演进是指肿瘤在生长过程中越来越变得具有侵袭力的过程，是不可逆的。肿瘤形成往往涉及许多基因的突变，需要十到数十年的时间。2022/7/1090恶性肿瘤的发生归根到底是因为原癌基因的激活和抑癌基因的功能丧失，往往涉及多个基因的改变。 2022/7/1091原癌基因（oncoge

24、ne）是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。当原癌基因的结构或调控区发生变异，基因产物增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。 抑癌基因也称为抗癌基因。抑癌基因的产物是抑制细胞增殖，促进细胞分化，和抑制细胞迁移，因此起负调控作用，通常认为抑癌基因的突变是隐性的。正常染色体内可能存在某些抑制肿瘤发生的基因，它们的丢失、突变或失去功能，使激活的癌基因发挥作用而致癌。 2022/7/1092人类肿瘤约80是由于与外界致癌物质接触而引起的，根据致癌物的性质可将其分为化学、生物和物理致癌物三大类。根据它们在致癌过程中的作用，可分为启动剂、促进剂、完全致癌

25、物。 2022/7/1093启动与促癌 2022/7/1094启动剂是指某些化学、物理或生物因子，它们可以直接改变细胞遗传物质DNA的成分或结构，一般一次接触即可完成，启动剂引起的细胞改变一般是不可逆的。促进剂本身不能诱发肿瘤，只有在启动剂作用后再以促进剂反复作用，方可促使肿瘤发生。 例如用启动剂二甲基苯并蒽涂抹动物皮肤并不致癌，但是几周后再涂抹巴豆油，则引起皮肤癌。 2022/7/1095有些化学致癌物的作用很强，兼具启动和促进作用，单独作用即可致癌。称为完全致癌物。如多环芳香烃、芳香胺、亚硝胺、致癌病毒等。 化学致癌物 能引起癌症的化学物质称为化学致癌物。化学致癌物可分为直接致癌物、间接致

26、癌物和促癌物三大类。2022/7/1097直接致癌物是指进入机体后不需经体内代谢转化，直接作用于细胞中的大分子化合物(RNA、DNA、蛋白质等)而引起癌症的物质，如某些烷化剂、亚硝酰胺类物质。间接致癌物是指在体内需经代谢活化才与大分子化合物结合的致癌物，如多环芳烃类、亚硝胺类、芳香胺等。促癌物是指本身并不致癌，但当它与致癌物同时作用时，能明显地强化致癌的一类物质，如巴豆油、丙酮、酚、氧化铁粉尘和咖啡因等。烷化剂类这类具有烷化作用的有机物分子，其中某些功能基团有致癌作用，素有“化学射线”之称。芥子毒气，工业原料中的异丙油、硫酸二甲酯、氯甲甲醚、二氯甲醚、氯乙烯、氯丁二烯，药物氮芥、环磷酰胺等可诱

27、发人皮肤、呼吸系统、消化系统、神经系统和造血系统的肿瘤多环芳烃类苯能抑制造血系统，慢性苯中毒会使血细胞总数降低或继发再生障碍性贫血，长期接触高浓度的苯会引起白血病多环芳香烃主要存在于煤,石油焦油和沥青中，也可由含碳氢元素的化合物不完全燃烧产生，各种机动车辆内燃机所排出的废气中，香烟的烟雾及露天焚烧(包括烧荒)等其中3,4-苯并芘致癌性强，是致癌性多环芳烃的代表。3,4-苯并芘芳香胺类 芳香胺为染料合成和药物化工等的重要原料，需在体内代谢酶系活化后才有致癌性。芳香胺主要引起职业性膀胱癌，多数已被禁止使用。目前市场上销售的许多染发剂即为此类物质，有致突变性，可使美发师和消费者增加患癌(如白血病)的风险。 芳香胺致癌的途径主要是呼吸道或皮肤吸收。 偶氮染料 芳香族偶氮化合物含有偶氮基团(-NN-)，多数与芳香基因相连，少数则连接于杂环基团或烃链上，属间接致癌物。偶氮苯本身不致癌，但它的衍生物致癌，如奶油黄、偶氮萘、酸性猩红等，