动物生物化学(全套577PPT课件)

1、动物生物化学Animal Biochemistry绪 论本章主要内容： 生物化学的概述 生物化学研究的内容 生物化学的发展历史与现状 与动物生产和动物健康的关系 1.生物化学概述1.1 生物化学的定义： 生物化学（biochemistry）： 是从分子水平上阐明生命有机体 化学本质的一门学科。1.2 生物化学的分类： 根据研究对象分为：动物生物化学、植物生物化学、 微生物生物化学等。 根据研究目的分为：医学生化、农业生化、工业生化、环境生化 和营养生化等。 2.生物化学研究内容2.1 关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别是生物大分子（biological macromolecule）的结构

2、、相互关系及其功能。 生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。如氨基酸蛋白质、核苷酸核酸、葡萄糖淀粉等。生物大分子执行着各种各样的生物学功能，如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递与表达遗传信息等。 它们复杂的空间结构是其功能的化学基础。N2CO2H2O 单 体生物大分 子超分子复合体细胞和细胞器细胞2.2 细胞中的物质代谢与能量代谢，或称中间代谢（intermediary metabolism）， 也就是细胞中进行的化学过程 合成代谢（anabolism）： 将小分子的前体（precursor）经过特 定的代谢途径构建成较大的分子，并且消 耗能量。 分解代谢（catabolism）：

3、将较大的分子经过特定的代谢途径， 分解成小的分子并且释放出能量。 物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，ATP（三磷酸腺苷） 是能量转换和传递的中间体。 2.3 组织和器官机能的生物化学 生命有机体是一个统一协调的整体。 任何组织器官的形态结构、代谢方式都是以其化学组成和分子结构为基础的。 在分子水平、细胞和组织水平以及整体水平上全面、系统地认识动物组织器官的生理机能，认识它们之间的联系、认识它们与环境互作的机制，也是动物生物化学的研究目的之一。 3.生物化学的发展历史和现状3.1 历史回顾 我国古代对于生物化学的发展有重要的贡献。 科学发展的道路不是平坦的，人们对事物的认识在正确与错误，真

4、理与谬误的斗争中前进，生物化学的发展也不例外。 Friedrich Wohler，Eduard 和 Hans Buchner 弟兄以及 J. Sumner 等与“ 生机论（vitalism）” 的谬论进行了长期的争论， “生机论”最后以失败告终。 科学的发展也不是单枪匹马的，多学科的互相交叉与渗透、研究技术和实验手段的进步推动和加速了科学进步的步伐。 化学、物理学、细胞学、遗传学、微生物学以及电子显微镜、超离心（ultra-centrifugation）、色谱（chromatography）、同位素示踪（isotope tracing）、X-射线衍射（X-ray reflection）、质谱（

5、mass chromatography）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance）等技术都为现代生物化学的发展作出了重要贡献。 1953年Watson 和Crick描绘出了DNA的双螺旋结构模型，这在生命科学发展历史上是一个具有里程碑意义的重大事件 。 生命科学从此进入了分子生物学新时代。悼念克里克 生物化学与分子生物学都以从分子水平上认识生命、诠释生命为目标。广义地说，两者没有截然的区别。只是前者注重生命有机体的化学过程，后者更强调生物分子的结构与功能，尤其是在遗传分子核酸方面。3.2 生物化学的前景和现状 目前，有关生物化学的研究主要集中在以下几个方面： 生物大分

6、子的结构、功能与相互作用 基因组学和蛋白质组学 基因表达的调节 细胞信号的传导 生物工程学 分子生物学的迅速发展从根本上改变了生命科学的面貌，也极大地丰富和扩展了生物化学的内涵。一方面，经典的生物化学原理不断得到验证，另一方面，人们对生命有机体中化学过程的认识不断更新和深化，现代生物化学的发展已经从各个方面融入了生命科学发展的主流当中。 生物大分子的结构、功能与相互作用 大分子之间的相互作用；大分子结构模体（motif）和结构域的独特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述 ；蛋白质空间构象的正确折叠和“分子伴侣”（molecular chaperone）的作用；磷酸化、酰基化等化学修饰作用

7、对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢信息和调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与基因表达的调节；催化核酸等。 信息爆炸导致了结构生物学（structural biology）的诞生。 蛋白质和核酸大分子之间的相互作用 基因组学和蛋白质组学 “人类基因组计划”（human genome project，HGP）历经10个年头，在进入本世纪后不久宣布完成，人类基因组的解读为疾病的诊断、防治和新药的研究开发提供了有力的武器。科学家已绘制出40余种生物的基因组图谱，基因组的研究将进入功能基因组（functional genomics）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。 蛋白质组学（prote

8、omics）作为后基因组时代生命科学新的研究领域正在崛起。它将一系列精细的技术，主要有2D-凝胶电泳、计算机图象分析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来，高通量地、综合地定量和鉴定蛋白质。建立蛋白组的生物信息数据库，将为重大病症的发生提供新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的思路。大肠杆菌中的蛋白质组 基因表达的调节 1960年，F.Jacob和J.Monod发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节操纵子（operon）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。 真核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、DNA的甲基化等化学修饰和DN

9、A超螺旋的拓扑异构化；基因的的调节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进行。 这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。 细胞信号的传导 第二信使学说 cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+等 G蛋白偶联系统 G蛋白、PKA、PKG、PKC和TPK信号转导系统等小分子气体物质 NO、CO 生物工程学 到70年代，重组DNA技术（Recombinant DNA technology）诞生，人类可以按照自己的意愿改造遗传基因和操纵遗传过程。这个技术的规模化和工业化，就是基因工程，也称遗传工程（Genetic enginee

10、ring）。 以基因工程技术为核心，与现代发酵工程、细胞工程、胚胎工程、酶工程、蛋白质工程等集合而成的生物工程学（Biotechnology），已经和正在展现出其推动生产力发展的巨大潜力。 遗传工程的工厂4.与动物生产和健康的关系 生物化学是生物科学，如农学、医学、畜牧、兽医、水产等的基础学科之一。现代生物化学的理论和实验方法已经作为通用的“语言”与有力的“工具”被广泛用于生命科学的表述和研究之中。它与动物生理学、动物营养学、动物遗传学、动物繁殖学、药理学、动物病理学、微生物学、免疫学、动物疾病诊断学等学科有着不可分割的联系，因此学习和掌握生物化学的知识对于从事动物生产和动物健康事业十分重要。

11、 阐明动物新陈代谢活动的规律 生理学、营养学 培养优质高产的畜禽品种 遗传育种 药物的作用机理研究和新药的研发 药理学、毒理学 疾病的发生和发展机理 病理学、免疫学、微生物学 动物疫病的诊疗与防治 临床病理与临床诊断学24 生命的化学特征Chemical Properties of Life25本章主要内容 组成生命有机体的元素 生物分子 生命有机体中的化学键 生物化学反应的能量来源 水在生命化学过程中的作用 261.生命中的元素 生命与非生命物质在化学组成上有很大的差异，然而组成生命物质的元素都是存在于非生命界的元素。 元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度 氢、氧、碳和氮硫和磷 钾、钠、氯

12、、钙与镁其他微量元素 27表 21 生物分子中的共价键与键能类型键能（kJ/mol） 类型 键能*（kJ/mol）单键 双键 O-H 458 C=O 708 H-H 433 C=N 612 P-O 416 C=C 608 C-H 413 P=O 500 C-O 350 三键* C-C 346 CC 813 S-H 338 C-N 297 C-S 258 N-O 220 S-S 212*指键断裂所需要的能量 *生物分子中很少见28硫和磷 可以形成相对比较弱的化学键，在化学基团和能量转移中有重要作用，如巯基-SH用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于贮存和转移化学能钾、钠、氯、钙、镁 维持细胞渗透压、细

13、胞容积、离子平衡、细胞膜电位 钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢 镁离子是300多种酶的辅因子 钙离子是骨骼的主要成分，参与广泛的细胞生理活动，如物质的转运与分泌，血液凝固，是细胞信号传导的第二信使等其他的微量元素 主要有铁与铜 化学价可变（Cu2+/ Cu+ ， Fe3+/ Fe2+），在生物氧化过程中作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有Zn 2+，Mn 2+ ，Mo 2+ 和I 等也有重要生理功能。292.生物分子2.1 生物大分子 参与生命有机体活动的许多分子是非常巨大的，我们把生物机体中这些巨大的分子称为生物大分子（biological macromolecules）

14、。生物大分子通过组成它们的单体之间的非共价相互作用，形成特定的空间结构，从而具有了不同的生物学功能。 生物大分子是表现生命特征的基本物质。 血红蛋白的空间结构30核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子312.2 类脂 类脂（如磷脂）是富含碳氢元素的一族生物小分子，其在水溶液中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性。细胞的膜结构就是大量磷脂分子的聚合体。 2.3 有机小分子 细胞中还存在许多具有独特功能的有机小分子物质,也是合成较大分子的前体。如： 核苷酸、氨基酸、葡萄糖 脂肪酸、胆碱、甘油等323.生命有机体中的化学键 在生物大分子之间主要存在的非共价的相互作用力包括氢键、离子键、范德瓦尔力、疏水力。

15、氢键（hydrogen bonds） 由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体， 另一个是氢受体 范德瓦尔力（Van der Waals bonds） 一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力 疏水力（hydrophobic interaction） 非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力 离子键（ionic bonds） 正、负电荷之间的静电引力 334 种非共价作用力的示意图 范德瓦尔接触距离 344.生物能量学 生物能量学（bioenergetics）：研究生命有机体传递和消耗能量的过程，阐明能量的转换和交流的基本规律。 体内能量的产生、

16、转移和利用35自由能（free energy） 能量总是从能态较高的物体流向能态较低的物体。这些过程都是自发的。凡是自发的过程，都有能量的释放，而且其中一部分可以用来带动非自发的过程。 自发过程中能用于做功的能量称为自由能. 体系可做功的能量（自由能）= 体系总能量 不被利用做功的能量表示为: G = H ST H表示体系的总能量（焓值）；ST表示不能被利用做功的能量，S为熵值，T为绝对温度，那么体系可做功的能量等于H ST，称为自由能，用G表示. 自由能G是一个状态函数。在等温等压条件下，体系从一种状态转变为另一种状态时，自由能的改变为： G = H S T 在自发过程中，自由能的改变为负值

17、, 表示释放的自由能可以用来做功。而在非自发过程中，其变化是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。 36能量偶联反应 在生命有机体中一个放能的反应可以与一个耗能的反应偶联以推动原本不能进行的反应。 葡萄糖 + 磷酸 葡萄糖-6-磷酸 （耗能，G0，为 14 kJ/mol）ATP ADP + Pi （放能，G0，为 -31 kJ/mol）葡萄糖 + ATP 葡萄糖-6-磷酸 + ADP （放能，G GTA(Val) 分子进化 细胞色素c 是由104个氨基酸组成的蛋白质。比较50种不同的生物，发现由35个是保守的。凡与人类亲缘关系越远的生物，其氨基酸顺序与人类的差异越大。从细胞色素c的一级结

18、构看生物进化 蛋白质前体的激活 一些蛋白质或酶在细胞中首先合成(翻译)的是其前体,在成为有功能的蛋白质或酶之前需要激活. 例如,胰岛素(insulin ).的前体是胰岛素原(proinsulin),要在切除C肽之后才转变为活性的胰岛素胰岛素原的一级结构4.2 高级结构与功能的关系 蛋白质的变性与复性 变性（denaturation）是指一些理化因素，如热、光、机械力、酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。 变性有时是可逆的。消除

19、变性的因素，有些蛋白质的生物活性可能得以恢复，称为复性（renaturation）。核糖核酸酶RNase的变性与复性 蛋白质的正确折叠与分子伴侣 多肽链的特定空间结构是其功能的保证。肽链的正确折叠或者亚基的装配常常需要由一些蛋白质，例如热激蛋白（Heat shock protein , Hsp）和某些酶的帮助，并且消耗ATP。但是，这样的蛋白质与酶并不加入到最终的折叠产物或装配复合物中。它们被称为分子伴侣（molecular chaperone）。 疯牛病病牛的海绵样脑组织疯牛病(BSE)可能是由于朊蛋白（Pron protein，PrP）的错误折叠引起的 蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能 变

20、构作用（Allosteric effect ）是指效应剂（变构剂）作用于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，结果引起蛋白质或酶的生物活性发生变化。有的结果是变构激活，有的则是变构抑制。 例如，在血红蛋白中，其4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合（比较难）后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他亚基与氧的结合能力，使它们与氧的结合变得容易。其动力学曲线呈S型。氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较松弛的R构象。血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线 与肌红蛋白相比，血红蛋白的多

21、个亚基之间的相互作用使其与氧的结合能力总体上削弱了（氧合曲线右移,由双曲线转变成S形曲线），但是赋予了其新的能力 可以容易地将其结合的氧从氧分压高的组织（肺泡）向氧分压低的组织（肌肉）输送和转移。5.蛋白质的理化性质与分离纯化 5.1 蛋白质的理化性质 （1）形态与分子量 球状、杆状、纤维状，分子量5000以上至数百万（2）两性解离和等电点 等电点时，蛋白质通常有低的溶解度（3）胶体特性 中性盐、有机溶剂可以破坏蛋白质胶粒的水化膜，引起沉淀5.2 蛋白质的分离纯化 （1）材料来源 来源方便、含量丰富、容易提取、 防止变性（2）分离的一般原则 利用分子大小，如分子筛凝胶过滤； 利用电离性质，如电

22、泳； 利用溶解性，如等电点； 利用生物学特性，如亲和层析等（3）纯化鉴定 氨基酸组成分析、末端分析、 色谱分析、电泳分析、等电聚 焦分析、免疫化学分析 （4）序列测定 确定肽链的氨基酸组成、末端和S-S键数目 专一地酶解大的多肽成为较小的片段 蛋白质序列仪 应用肽段序列重叠法确定氨基酸的排序 确定S-S键的位置 核酸Nucleic acids本章主要内容 核酸的化学组成 核酸的结构 核酸的理化性质 核酸（Nucleic acids） 19世纪60年代，由Miescher发现。1889年Altmann将其纯化，证明核酸是含磷的酸性生物大分子。20世纪40年代，Avery确定核酸是遗传信息的载体，

23、普遍存在于生命有机体中。 脱氧核糖核酸，DNA （Deoxyribonucleic Acid），在原核细胞是核质的成分，在真核细胞DNA与蛋白质结合形成染色体，少量存在于线粒体。一个生命有机体的每个体细胞（除生殖细胞外）都含有相同质和量的DNA，包含了它的全部遗传信息。 核糖核酸，RNA （Ribonucleic Acid）主要存在于胞液内，真核细胞的核仁和线粒体也含有少量RNA。RNA的量是变动的。主要有信使RNA（mRNA），转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。 病毒或者是DNA病毒或者是RNA病毒。1.核酸的化学组成核酸，DNA或RNA，经核酸酶水解生成单核苷酸。单核苷酸是

24、组成核酸的基本单位。核苷酸进一步分解生成碱基、核糖（或脱氧核糖）和磷酸。核酸低聚核苷酸单核苷酸磷酸核苷碱基核糖核酸的水解过程1.1 碱基(base)核酸中的嘧啶碱基核酸中的嘌呤碱基其他的稀有碱基1.2 核糖(ribose)DNA含脱氧核糖RNA含核糖1.3 核苷(nucleoside)核苷（上）与脱氧核苷（下）1.4 核苷酸(nucleotide)核糖核苷酸（上）与脱氧核糖核苷酸（下）腺嘌呤核苷三磷酸（ATP） 3，5- 环状腺苷酸（cAMP） DNARNA嘌呤碱腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸DNA分子和RNA分子中化学组成的差别

25、总结2.核酸的结构2.1 核酸中核苷酸的连结方式 DNA片段 RNA片段 注意核苷酸之间的连接方式是3，5-磷酸二酯键2.2 DNADNA分子的大小 天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106-1010 。DNA的碱基组成有如下特点： 具有种的特异性。 没有器官和组织的特异性。 在同一种DNA中，A=T 、G = C+m5C，即A+G = T+C+mC，即嘌呤碱基的总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等碱基当量 定律又称Chargaff原则。 年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。 2.3 RNAmRNA：占细胞中RNA总量的3%-5%，分子量大小不一，不稳定，代

26、谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。rRNA：细胞中含量最多的RNA，70%-80%, 核糖体的组成成分。tRNA：约占细胞中RNA总量的15%。约由75-90个核苷酸组成。蛋白质合成中携带活化的氨基酸 RNA的碱基组成： A、G、C、U, 含少量的稀有碱基 RNA分子的类型：mRNA、rRNA、tRNA 2.4 核酸的一级结构2.5 DNA的二级结构Watson and Crick双螺旋结构模型 DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。 两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。两条链的走向相反。 碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。 螺旋的直径约为

27、2nm，一圈螺旋包含10对碱基，其高度为3.4nm。碱基平面之间的垂直距离0.34nm。在DNA分子中，根据Chargaff原则，碱基之间具有严格的互补配对规律，A和T之间形成两对氢键，G与C之间形成三对氢键A与T之间2对氢键G与C之间3对氢键Watson和Crick所提出的模型称为B-DNA。 不同构型的DNAB型是最稳定的构型1957年发现在基因的调控区或染色质的 重组部位有DNA的三螺旋结构2.6 超螺旋DNA 指DNA双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象, 即 DNA的三级结构B是松弛型的闭合环C是由于缠绕不足 形成的负超螺旋A 是线性的DNA分子核小体的串珠状结构 真核生物内，DNA

28、以致密形式存在于细胞核的染色体中。染色体的基本单位是核小体(nucleosome)核小体：由DNA和组蛋白共同构成。核心组蛋白：4种组蛋白(H2A , H2B , H3 ,H4)形成的8聚体DNA：以负超螺旋缠绕在核心组蛋白上H1在核小体之间起连接作用染色体的基本单位是核小体(nucleosome)2.核酸的结构2.7 RNA的二级结构 在RNA单链分子中常可以见到局部区域碱基互补形成的螺旋结构，称为“茎环”结构或“发卡”结构tRNA的结构rRNA的结构3.核酸的性质3.1 紫外吸收的特性 嘌呤和嘧啶在260 nm有特异的吸收峰,这个性质用于核酸的分析3.2 溶解性 溶于偏碱的溶剂中，可以为乙

29、醇沉淀，容易受机械作用力而断裂。 3.3 黏性 DNA溶液有高度的黏性3.4 DNA分子的变性DNA双螺旋的有序结构受各种理化因子，如热、酸碱、变性剂、有机溶剂以及稀释的作用，转变为无规则的线团结构。变性的特征 增色效应, 黏度和比旋下降，沉降系数增加，生物学活性丧失DNA解链曲线增色效应(hyperchromic effect) 核酸分子加热变性时，其在260nm处的紫外吸收急剧增加的现象。Tm值 ：当紫外吸收变化达到最大变化的半数值时，此时所对应的温度称为熔解温度（Tm ）、变性温度或中点解链温度。影响Tm值的因素1.溶液的性质 2.DNA中碱基组成的影响大肠杆菌DNA在不同浓度KCl溶液

30、下的熔融温度曲线 3.4 复性复性：变性DNA分开的两股链在适当条件下重新生成双链结构的过程退火（annealing）:热变性的DNA经缓慢冷却复性的过程。3.5 分子杂交 当两条不同来源的DNA（或RNA）链或DNA链与RNA链之间存在互补的碱基序列时，在一定条件下可以通过互相配对形成双螺旋分子，这种分子称为杂交分子。形成杂交分子的过程称为分子杂交（molecular hybridization） 。 核酸探针（nucleic acid probe）:某一具有特定序列并且用同位素或其他化学方法标记的DNA或RNA片段。通常是人工合成的。分子杂交图3.5 分子杂交技术的应用通过同源性比较,研究

31、不同物种或个体DNA之间的亲缘关系；通过杂交的严紧性,发现基因的缺失或突变；通过标记信号的强度,测定某种遗传信息量的多少；证明某种疾病(如肿瘤)是否与某种基因(如病毒基因)有关。利用核酸探针，可以：用于鉴定DNA的Southern印迹技术用于鉴定RNA的Northern印迹技术原位杂交技术基因芯片技术等 以分子杂交为基础建立起的分子生物学研究技术有： 糖 类Carbohydrates本章主要内容 动物机体中的 单糖 寡糖 多糖(同多糖与杂多糖) 复合糖(糖蛋白,蛋白聚糖,脂多糖和糖脂) 糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖；在动物体

32、内，糖类物质主要以单糖及其磷酸酯、多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖等形式存在。以下简要介绍我们在以后的各章中常见的糖类及其衍生物丙糖及其磷酸酯丁糖与戊糖1. 单糖主要的己糖 葡萄糖是动物机体最重要的单糖在生物体中的主要形式是D-吡喃-葡萄糖葡萄糖的构型 葡萄糖的两种半缩醛互为立体异构体,又称为异头物（anomer）。分别以，表示。 葡萄糖的衍生物 葡萄糖异构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. 双糖主要有乳糖,蔗糖和麦芽糖3.多 糖 多糖（polysaccharide）是由20个以上的单糖或者单糖衍生物，通过糖苷键连接而形成的高分子聚合物。 多

33、糖分为： 同多糖：是由同一种单糖或者单糖衍生物聚合而成。如淀粉、糖原、纤维素以及壳多糖等； 杂多糖：是由不同种类的单糖或单糖衍生物聚合而成。如肝素、透明质酸以及硫酸软骨素等。 淀粉（Starch) 直链淀粉 分子量约1万-200万，250-260个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。 支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。动物的糖原与支链淀粉结构相似纤维素(连接键是-1,4-糖苷键)壳聚糖（几丁质）肝素透明质酸硫酸软骨素杂多糖 糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）又称为糖胺多糖、黏多糖（mu

34、copolysaccharides），是一类含氮的杂多糖（heteropolysaccharides）。如肝素、透明质酸、硫酸软骨素等。它们主要存在于动物的软骨、肌腱等结缔组织的细胞间质中。多糖的生理功能调节机体免疫功能增强机体抗炎作用提高机体对病原微生物的抵抗力促进DNA和蛋白质生物合成促进细胞生长、增殖具有抗凝血、抗动脉粥样硬化、抗癌、抗辐射损伤等作用。 4.复合糖 复合糖（glycoconjugate）是由糖类与蛋白质或脂类等生物分子以共价键连接而成的糖复合物。 糖蛋白（glycoprotein）是由糖链与蛋白质多肽链 共价结合而成的球状高分子复合物。 蛋白聚糖（proteoglycan

35、s，PG）是一类特殊的糖蛋白。 它是由一条或多条糖胺聚糖链，在特定的部位，与多肽链 骨架共价连接而成的生物大分子。 脂多糖（lipopolysaccharide）是由脂类和多糖紧密相连 而成，是革兰氏阴性菌细胞壁特有的组分。 糖脂（glycolipids）是一个或多个单糖残基通过糖苷键 与脂类连接而成的化合物。 糖蛋白（glycoprotein） 是由糖链与蛋白质多肽链共价结合而成的球状高分子复合物。在多数情况下，以蛋白质为主，而糖链较小，其总体性质更接近蛋白质。糖蛋白分子结构包含糖链、蛋白质和糖肽键三部分。 糖肽键主要有两种类型：N-糖肽键和O-糖肽键。 N-糖肽键是指糖链末端N-乙酰葡萄糖

36、胺的糖环C1原子与多肽链上天冬酰胺的酰胺基N原子共价连接；O-糖肽键是指糖链末端N-乙酰半乳糖胺的糖环C1原子与多肽链上丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）的OH基O原子共价连接. O-糖肽键连接N-糖肽键连接GalNAc 乙酰半乳糖胺 GlcNAc 乙酰葡萄糖胺蛋白聚糖（proteoglycans，PG ） 是一类特殊的糖蛋白。它是由一条或多条糖胺聚糖链，在特定的部位，与多肽链骨架共价连接而成的生物大分子。 其总体性质更接近糖。 各种糖胺聚糖链与肽链相连并在透明质酸 周围形成集合体在细胞膜外形成“糖衣壳”脂多糖（lipopolysaccharide ） 是由脂类和多糖紧密相连而成，是革兰氏阴性

37、菌细胞壁特有的组分。脂多糖的脂类部分是脂质A，多糖部分为杂多糖 。 脂质A的结构 糖脂（glycolipids ） 是一个或多个单糖残基通过糖苷键与脂类连接而成的化合物。它是生物膜的组成成分之一，组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 生物膜与物质运输Biomembranes and cellular transportation本章主要内容： 生物膜的化学组成 生物膜的性质和结构 物质的跨膜运输 生物膜（Bio-membrane）是指细胞的膜系统。原核生物只有质膜，而真核生物除了质膜，还有细胞器的膜，如核膜、线粒体膜、内质网膜等。 几乎所有的生理活动都与生物膜相关，例如物质

38、运输、能量转换、信息传递、细胞的分裂、运动、相互识别和通讯，以至肿瘤的发生等。一个动物的上皮细胞及其膜系统1. 生物膜的化学组成 所有生物膜几乎都是由蛋白质和脂类两大物质组成，尚含有少量糖、金属离子和水。1.1 膜脂 磷脂（甘油磷脂、鞘磷脂） 糖脂 胆固醇以甘油为基础形成的甘油磷脂（glycerophospholipid）以神经鞘氨醇为基础还可以形成鞘磷脂（sphingophospholipid） 胆固醇的分子结构糖脂主要分布在细胞膜外侧的单分子层中，动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。 膜脂分子的特点和结构 双亲性卵磷脂亲水的极性的头部疏水的非极性的尾部 微团双分子层 脂质体膜的基本结构脂质双

39、层（Lipid bilayer）waterwater1.2 膜蛋白 膜蛋白具有重要的生物功能，是生物膜实施功能的场所。可以分为外周蛋白和内在蛋白。它们是受体，酶，抗原，通道和骨架蛋白等。 外周蛋白（peripheral protein） 分布于双层脂膜的外表层。 与膜的结合比较疏松，容易从膜上分离出来。 外周蛋白比较亲水，能溶解于水。 内在蛋白（integral protein） 蛋白的部分或全部嵌在双层脂膜的疏水层中。 难溶于水，且不容易从膜中分离出来。 主要以-螺旋形式存在。跨膜蛋白（transmembrane protein)1.3 膜糖生物膜中的寡糖链在信息传递和细胞的相互识别方面有重

40、要作用。糖蛋白上的寡糖链总是指向细胞的外面生物膜上各种化学组成之间的关系2. 生物膜的性质与结构特点2.1 生物膜的运动膜脂分子：分子摆动、旋转运动、侧向运动、翻转运动等。膜蛋白：扩散运动 、旋转运动。 2.2 膜的相变温度及其影响因素 相变温度（Tm）是膜脂物理状态互相转变的临界温度。高于相变温度时，膜呈流动的液态，低于相变温度时，膜呈凝固的胶态。 相变温度受膜脂中脂肪酸的组成影响。烃链短的脂肪酸和不饱和脂肪酸的含量较高时，膜脂的相变温度较低，膜呈现较好的流动性。 胆固醇参与膜脂流动性的调节。2.3 流动镶嵌模型（ Mosaic fluid model）要点:生物膜的基本结构是脂质双层,蛋白

41、质或镶嵌在膜上或结合在膜的表面,膜上的寡糖链总是指向膜的胞外一侧。膜上的成分是运动的,随温度变化,脂质双层呈液晶态或凝胶态.膜的相变温度与膜上脂肪酸烃链的长度和饱和程度有关。脂质双层的组成成分呈不对称分布。3. 物质的过膜转运3.1 物质运输的功能 维持细胞的容积、形态、渗透压、电解质的浓度，为细胞的生理活动提供适宜的环境 从环境摄取营养物质，向环境排出代谢废物3.2 小分子物质和离子的过膜转运 简单扩散（simple diffusion)顺浓度梯度不需要供应能量 促进扩散（facilitated diffusion）顺浓度梯度不需要供应能量需要通道蛋白或载体蛋白介导 主动转运（active

42、transport)逆浓度梯度消耗能量(如ATP)需要转运载体简单扩散促进扩散主动运输物质的电化学梯度 简单扩散顺浓度梯度注意电荷、极性与大小的影响 促进扩散顺浓度梯度 注意需要载体或通道协助 通道载体 以钠钾泵，又称Na+ K+ ATP酶（Na+ K+ ATP ase）为例。 它是广泛存在于动物细胞膜上的离子运载体，为蛋白二聚体。其功能是保持细胞内高钾低钠，细胞外高钠低钾的浓度梯度，转运过程消耗ATP。 钠钾泵有两种构型：EI型：亲钠排钾，脱磷酸的形式EII型：亲钾排钠，磷酸化的形式两种构型发生一次互变，转运出3个Na+ ，输入2个K+ ，消耗一分子ATP。主动运输3.3 大分子物质的过膜转

43、运胞吞与胞吐受体介导的内吞作用(receptor-mediated endocytosis ) 免疫球蛋白 低密度脂蛋白（LDL，血浆中的胆固醇转运蛋白）分泌蛋白的胞内转运过程 信号肽学说（signal peptide hypothesis）受体介导的细胞内吞作用受体内吞泡配体溶酶体内体信号肽假说（Signal peptide hypothesis）核糖体信号肽受体蛋白信号肽新生肽链信号肽酶SRP受体内质网腔胞液合成的蛋白质生物催化剂酶Enzymes羧肽酶本章主要内容 酶的一般概念 酶的组成与维生素 酶的结构与功能的关系 酶的催化机理 酶反应的动力学 酶活性的调节 1.酶的概述 酶是生物催化剂

44、。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。1.1 定义 细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（enzyme）催化的。 酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。1.2 酶的命名（1）习惯命名依据所催化的底物（substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。（2）系统命名 根据底物与反应性质命名 反应：葡萄糖+ATP 葡萄糖-6-磷酸+ADP 命名： 葡萄糖：ATP 磷酰基转移酶 （习惯名称，葡萄糖激酶）1.3 酶的分类 氧化还原酶 AH2+B A+BH2 转移

45、酶 Ax+C A+Cx 水解酶 AB+H2O AH+BOH 裂解酶 A B+C 异构酶 A B 合成酶 A+B C， 需要ATP1961年酶学委员会（Enzyme Commission，EC） 规定酶的表示法： EC. X. X. X. X例如： 乳酸脱氢酶 1.4 酶活性(enzyme activity)酶活性的表示方法： 酶活性指的是酶的催化能力， 用反应速度来衡量，即单位时间里产物的增加或底物的减少。 V= dP / dt = - dS / dt 测定方法： 吸光度测定、气体分析、电化学分析等。酶活性的计量： EC 1961年规定： 在指定的条件下，1分钟内，将1微摩尔的底物转变为产物所

46、需要的酶量为1个酶活国际单位（IU） 。 比活性（specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性单位数。 比活性 = 活性单位数/酶蛋白重量（mg） 比活性反映了酶的纯度与质量。酶促反应的速度曲线 随着酶催化的反应进行，反应速度会变慢，这是由于产物的反馈作用、酶的热变性或副反应引起的。但是，在反应起始不久，在酶促反应的速度曲线上通常可以看见一段斜率不变的部分，这就是初速度。 在酶的动力学研究中，一般使用初速度的（V0）概念。高效性 酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108 -1020倍。比其他催化反应高106 -1013倍 例如：过氧化氢分解 2H2O2

47、2H2O + O2 Fe3+ 催化，效率为6104 mol/mol. s 过氧化氢酶催化，效率为6 106 mol/mol.s专一性 即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。1.5 酶的特点 绝对专一性 一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。 例如，脲酶只催化尿素水解成CO2 和NH3。 相对专一性 一种酶作用于一类化合物或一类化学键。 例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有 不同的要求。 立体专一性 指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。 例如，乳酸脱氢酶专一地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证

48、了反应的定向进行。 R1: Lys, ArgR2: 不是ProR3: Tyr, Trp, PheR4: 不是 Pro 酶容易变性 这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。酶的可调节性 抑制和激活（activation and inhibition ） 反馈控制(feed back) 酶原激活(activation of proenzyme) 变构酶(allosteric enzyme) 化学修饰(chemical modification ) 多酶复合体(multienzyme complex) 酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentalization ) 已知的上千种酶绝大部

49、分是蛋白质 单纯酶：少数，例如：溶菌酶（催化水解细菌多糖细胞壁） 结合酶：大多数 结合酶 = 酶蛋白 + 辅因子 辅因子包括: 辅酶、辅基和金属离子。2. 酶的组成与维生素2.1 酶的化学本质 酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决定反应的专一性。 辅酶、辅基的作用：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化反应的性质。有十几种. 辅酶与辅基的异同点: 它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。 金属离子的作用：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心”的部分。 结合酶举例，( )内为辅因子

50、： 乳酸脱氢酶（辅酶I, NAD） 异柠檬酸脱氢酶（辅酶I, NAD） 醇脱氢酶（辅酶I, NAD） 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（辅酶II, NADP） 琥珀酸脱氢酶（FAD） 乙酰辅酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg+） 脂酰辅酶A合成酶（辅酶A, CoA）维生素（Vitamin）是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。脂溶性维生素： A 视黄醇（维生素A原胡萝卜素） D 钙化醇 E 生育酚 K 凝血维生素水溶性维生素：B族维生素和维生素C （以下主要介绍B族维生素与辅酶、辅基的关系）2.2 维

51、生素与辅酶、辅基的关系B族维生素及其辅酶、辅基形式B族维生素辅酶、辅基形式 在酶催化反应中的作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)-酮酸的氧化脱羧核黄素(B2)黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氢原子转移 氢原子转移尼克酰胺或称烟酰胺(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+)氢原子转移 氢原子转移吡哆醇(吡哆醛、吡哆胺， B6)磷酸吡哆醛氨基转移泛酸辅酶A(CoA)酰基转移叶酸四氢叶酸“一碳基团”转移生物素(H)生物素羧化作用钴胺素(B12)甲基钴胺素 5-脱氧腺苷钴胺素甲基转移VB1，硫胺素经焦磷酸化转变为TPP，焦磷酸硫胺素。

52、它是酮酸脱氢酶的辅酶。以VB2，核黄素为基础形成两种辅基FMN黄素单核苷酸和FAD黄素 腺嘌呤二核苷酸。作用是传递氢和电子。 尼克酸，烟酸（维生素Vpp）NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/还原）NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化/还原）。烟酰胺衍生物 ，传递氢和电子，氧化还原酶的辅酶。 泛酸（维生素B3） 是CoA（辅酶A ）的组成成分。CoA是脂酰基的载体。 吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），维生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。 叶酸，其还原衍生物四氢叶酸是一碳基团转移酶的辅酶。一碳基团，如甲基、乙烯基、甲酰基等。 生物素，维生素H。噻吩和脲缩组成

53、，CO2 的载体，羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链 。 硫辛酸，含硫脂肪酸，其巯基有氧化和还原两种形式，既可以传递氢和电子，又能转移脂酰基。 维生素B12中心钴原子结合5-脱氧腺苷基称辅酶B12 ，为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。 单体酶 只有三级结构，一条多肽链的酶。如129个氨基酸的 溶菌酶，分子量14600。寡聚酶 含2-60 个亚基，有复杂的高级结构。 常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。 例如，乳酸脱氢酶。多酶复合体 由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。 例如，由三个酶组成的丙酮酸脱氢酶系。3. 酶的分子结构酶的活性中心（

54、active site） 与酶的催化活性有关的基团称为必需基团 活性中心内的必需基团 必需基团 活性中心外的必需基团 结合基团（与底物结合，决定专一性） 活性中心 催化基团（影响化学键稳定性,决定催化能力）酶的活性中心示意图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区 化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。 一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化（G ）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无关。4. 酶的催化机理4.1 活化能 催化剂

55、降低了反应物分子活化时所需的能量非催化反应和酶催化反应活化能的比较Ea，活化能；G，自由能变化 S+E ES P+E中间产物 反应过程 S+E ES ES* EP P+E过渡态复合物4.2 中间产物学说 酶介入了反应过程。通过形成不稳定的过渡态中间复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步反应都只需较少的能量活化,从而使整个反应的活化能降低。形成过渡态中间复合物是关键。诱导契合学说认为，酶和底物都有自己特有的构象，在两者相互作用时，一些基团通过相互取向，定位以形成中间复合物。4.3 诱导契合学说（induced fit）邻近与定向效应：增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。张力效应：诱导底

56、物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。酸碱催化：活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的受体或供体，参与传递质子。共价催化：酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反应易于进行。疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。4.4 催化机理 影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催化剂的特点密切有关。这些因素有：温度、酸碱性、底物（substrate）浓度、酶浓度、激活剂（activators）和抑制剂（inhibitors）等。 5.酶促反应的动力学及其影响因素 一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度

57、超过一定数值时，酶会因热变性，导致催化活性下降。 最适温度（optimum T）：使酶促反应速度达到最大时的温度。 最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在37 0C -40 0C左右。有的温泉微生物的酶非常耐热，也有的酶在较低的温度下活性反而高。5.1 温度对酶促反应速度的影响酶反应的温度曲线和最适温度5.2 溶液pH值对酶促反应速度的影响最适pH（optimum pH）： 使酶促反应速度达到最大时溶液的pH。酶的最适pH与酶的性质、底物和缓冲体系有关。在最适pH时，酶和底物之间有最好的结合状态。 在其他条件确定时，反应速度与酶的浓度成正比。5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对

58、反应速度的影响5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响 在其他条件确定的情况下，在低底物浓度时，反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应。当底物浓度较高时，v也随着S的增加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度也达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。 反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线，称为米氏双曲线，其数学表达式为米氏方程.米氏双曲线 米氏方程的推导 首先假设： 1. 反应在最适条件下进行 2. pH、温度和酶的浓度固定，变化的是底物浓度 3. 反应在起始阶段，逆反应可忽略 4. 反应体系处在稳态（stable state）

59、 E + S ES E + Pk+1k-1k+2 根据中间产物学说，在稳态时，ES 中间复合物的生成速度与其分解速度相等，并有以下关系式： 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 (米氏常数) E S = ES Km (3) Et是自由酶E的浓度与结合酶ES的浓度之和， 即 Et = ES +E (4) 总的反应速度V应该等于 V+2 = k+2ES (5) 将(4) ,(5) 代入 (3),整理得到 米氏方程

60、: V=Vm S /(Km+S) V速度 Vm 最大速度 S底物浓度 Km 米氏常数米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度当Sm时，vm，呈零级反应 米氏双曲线由米氏方程可知，米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度,即当v = 1/2Vm时，Km = S米氏常数Km=(k-1+k+2)/k+1在反应的起始阶段，k+2 k-1，m k-1k+1 平解离此时，m越大，说明和之间的亲和力越小，复合物越不稳定。当m越小时，说明和的亲和力越大，复合物越稳定，也越有利于反应。米氏常数m对于酶是特征性的。每一种酶对于它的一种底物只有一个米氏常数。 米氏常数及其意义米氏常数的求法双倒数作图法双倒数