人体功能02章：生物大分子物质的结构与功能

第二章生物大分子物质的结构与功能国家卫生和计划生育委员会“十二五”规划教材湖北省高职高专护理类专业规划教材制作：黄敏蛋白质的结构与功能1核酸的结构与功能2酶3目录第二章生物大分子物质的结构与功能学习目标：1.掌握蛋白质与核酸分子的元素组成，基本组成单位，各级结构的概念及维持力；蛋白质变性作用；DNA双螺旋结构要点；酶、酶的活性中心，酶原与酶原激活、同工酶的概念，酶催化作用特点。2.熟悉蛋白质理化性质，生理功能；RNA结构特点，核酸的变性与复性；酶活性的调节方式，影响酶促反应速度的因素，酶竞争性抑制作用的基本原理。3.了解蛋白质的一级结构、空间结构与功能的关系，蛋白质的分类；核酸的理化性质及其应用，酶在临床上的应用。蛋白质的功能蛋白质的化学组成蛋白质的分子结构蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质主要内容第一节蛋白质的结构与功能蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)连接而成的高分子含氮化合物一、蛋白质的功能生物学功能:1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递元素组成：二、蛋白质的化学组成元素组成的特点:

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％

体内的含氮物质以蛋白质为主测生物样品中氮量可推算出蛋白质的大致含量：样品中蛋白质的含量(g)=样品含氮量（g）×6.25主要有C、H、O、N和S

部分含有少量磷或铁、铜、锌、锰、钴、钼个别含有碘

组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种均属L-氨基酸（甘氨酸除外）蛋白质的基本组成单位——氨基酸L-氨基酸的通式R非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸氨基酸的分类一级结构二级结构三级结构四级结构基本结构：三、蛋白质的分子结构高级结构：肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键（一）肽键与肽+-HOH肽键肽二肽三肽寡肽≤10AA）多肽（多肽链）氨基酸残基N末端C末端谷胱甘肽(glutathione,GSH)生物活性肽定义：指多肽链中氨基酸的排列顺序主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键（二）蛋白质的一级结构一级结构是其空间结构和生物学活性的基础牛胰岛素一级结构（三）蛋白质的空间结构指蛋白质多肽主链原子的局部空间结构，不涉及氨基酸残基侧链的构象定义：

主要的化学键：

氢键

1.蛋白质的二级结构肽单元也称肽键平面，指参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2形成的平面C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型（三）蛋白质的空间结构1.蛋白质的二级结构

蛋白质二级结构的主要形式

-螺旋(-helix)

-折叠(-pleatedsheet)

-转角(-turn)

无规卷曲(randomcoil)

（三）蛋白质的空间结构1.蛋白质的二级结构（1）-螺旋

蛋白质二级结构的主要形式（2）-折叠

蛋白质二级结构的主要形式（3）-转角和无规卷曲-转角无规卷曲是没有确定规律性的部分

蛋白质二级结构的主要形式2.蛋白质的三级结构疏水键、离子键、氢键和VanderWaals力等

主要的化学键整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置即肽链中所有原子在三维空间的排布位置定义：

主要的化学键主要是氢键和离子键蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构在蛋白质四级结构中，每一条具有独立的三级结构多肽链称为蛋白质的亚基3.蛋白质的四级结构定义：

主要的化学键：血红蛋白的四级结构（一）一级结构与功能的关系例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”四、蛋白质结构与功能的关系（二）蛋白质空间结构与功能的关系

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性例：牛胰核糖核酸酶（一）蛋白质的两性电离五、蛋白质的理化性质H兼性离子净电荷为零使蛋白质解离成兼性离子时溶液的pH称为蛋白质的等电点蛋白质可电泳（二）蛋白质的胶体性质蛋白质分子量在1万～100万之间分子直径达1～100nm，为胶粒范围之内蛋白质胶体稳定的因素表面电荷水化膜+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用蛋白质是亲水胶体表面电荷蛋白质自溶液中沉淀（三）蛋白质的变性概念：蛋白质的变性(denaturation)是指在某些理化因素作用下，其特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失的现象

变性的本质破坏蛋白质的非共价键和二硫键，不改变一级结构

引起变性的因素物理因素：加热、紫外线照射、电离辐射等化学因素：强酸、强碱、乙醇等有机溶剂、重金属离子及生物碱试剂等

（三）蛋白质的变性变性后的改变应用举例临床医学上，变性因素常被用于消毒及灭菌防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件

溶解度下降粘度增加易被蛋白酶水解生物学功能丧失

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质可恢复或部分恢复原有构象和功能，称为复性(renaturation)蛋白质沉淀：是指在一定条件下，蛋白质从溶液中析出的现象常用方法：盐析、有机溶剂沉淀、重金属盐沉淀、生物碱制剂等蛋白质凝固：加热使蛋白质变性并凝聚成块状蛋白凝块不溶于强酸或强碱中变性的蛋白质易于沉淀；沉淀的蛋白质易发生变性，但并不一定变性；凝固的蛋白质一定是变性和沉淀的（四）蛋白质的紫外吸收蛋白质在280nm波长处有特征性吸收峰根据此性质可定量检查蛋白质（五）蛋白质的呈色反应⒈茚三酮反应蛋白质的α-氨基与茚三酮反应生成蓝紫色化合物

⒉双缩脲反应蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫红色，此反应称为双缩脲反应氨基酸无此反应核酸的分子组成核酸的分子结构核酸的理化性质主要内容第二节核酸的结构与功能核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息核酸的分类及分布

90%

以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体等分布于胞核、胞液携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型（genotype）参与细胞内遗传信息的表达某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸分类一、核酸的分子组成元素组成：

C、H、O、N、P（9~10%）分子组成：——碱基（base）：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖（ribose）：核糖，脱氧核糖——磷酸（phosphate）嘌呤（purine）腺嘌呤鸟嘌呤嘧啶（pyrimidine）

尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶戊糖（构成RNA）（构成DNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖OHOCH2OHOH脱氧核糖核苷：腺苷、鸟苷尿苷、胞苷脱氧核苷：脱氧腺苷、脱氧鸟苷脱氧胸苷、脱氧胞苷核苷概念：由碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接而成1´1种类：核苷酸：

AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：

dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸概念：核苷(脱氧核苷)

和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)

种类：含核苷酸的生物活性物质：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP体内重要的游离核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸：cAMP，cGMPAMPADPATPcAMP1.核苷酸的连接方式核苷酸之间以3′，5′-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸CCAAGC5′端3′端二、核酸的分子结构A（一）核酸的一级结构定义：核酸分子中核苷酸（脱氧核苷酸）的排列顺序，也称为碱基序列2.核酸的一级结构AGC5′端3′端AGP5PTPGPCPTPOH3表示方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3（二）DNA的空间结构1.DNA的二级结构——双螺旋结构DNA双螺旋结构要点：（Watson、Crick，1953）DNA分子由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴盘旋构成的右手螺旋磷酸戊糖位于外侧，碱基位于内側且垂直螺旋轴与对側碱基形成氢键配对（互补配对规则：A=TGC）相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性2.0nm小沟大沟2.DNA的超级结构原核生物：呈环状或麻花状超螺旋结构染色体染色质纤维核小体组蛋白DNA核小体的组成：DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2B，H3，H4真核生物DNA超螺旋结构以核小体为单位盘曲折叠（三）RNA的结构特点通常以单链形式存在，但可形成链内局部双链区RNA分子种类多，大小、结构各不相同不同RNA具有不同的结构1.mRNA结构特点m7GpppAAA…5´3´帽子结构多聚A尾m7GpppNm-帽子结构和多聚A尾的功能mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控

2.tRNA结构特点一级结构中含较多稀有碱基，3´末端均为—CCA-OH二级结构——三叶草形氨基酸臂反密码环DHU环TΨC环额外环氨基酸臂额外环三级结构——

倒L形许多rRNA呈花状，具有多个茎环3.rRNA结构特点大肠杆菌5SrRNA结构酸性较强微溶于水，不溶于乙醇、乙醚，氯仿等有机溶剂多为线性大分子，溶液中粘度很高三、核酸的理化性质（一）一般性质（二）核酸的紫外吸收性质核酸分子中碱基都含有共轭双键，具有紫外吸收性质最大吸收峰在260nm附近利用这一性质可对核酸进行定性、定量分析，还可以用来检测核酸的变性与复性（三）核酸的变性、复性和杂交1.DNA的变性概念：由于理化因素的作用，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，双链解离为单链的过程变性的因素：如加热、有机溶剂、酸、碱、尿素等

DNA变性的本质是双链间氢键的断裂DNA热变性是在一个相当窄的温度范围内完成增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象Tm：是指DNA双链解开50%时的环境温度，又称熔点温度Tm大小与G+C含量成正比。（三）核酸的变性、复性和杂交2.复性：

是指变性DNA在适当条件下，两条互补链恢复天然的双螺旋构象（三）核酸的变性、复性和杂交3.杂交：在DNA复性过程中，如果把不同DNA单链分子放在同一溶液中，或把DNA与RNA放在一起，只要在DNA或RNA的单链分子之间有一定的碱基配对关系，就可以形成局部或全部双链，这种现象称为

核酸分子杂交(hybridization)DNA-DNA杂交双链分子变性复性（三）核酸的变性、复性和杂交酶的作用特点酶的分子组成酶的结构与功能影响酶促反应速度的因素酶与医学的关系主要内容第三节酶酶及其相关概念酶（enzyme，E）是由活细胞合成的具有高效催化作用的蛋白质，也称生物催化剂具有高效、特异催化作用的核酸，称为核酶SEP酶促反应底物产物（一）高度的催化效率活化分子与活化能：反应速度与活化分子数目呈正比催化剂作用机制是降低反应的活化能酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能

一、酶的作用特点反应总能量改变酶促反应活化能非催化反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物平均能量产物平均能量酶促反应活化能的改变

活化能是指底物分子从初态转变到活化态所需的能量酶大幅度降低反应所需活化能的机制可用中间产物及诱导契合学说解释酶促反应中有中间产物形成E+SESE+P诱导契合学说：E与S接近时，能相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合绝对特异性：一种酶只能催化一种特定结构的底物发生化学反应，生成特定的产物相对特异性：一种酶能作用于一类化合物或一种化学键概念：是指酶对底物的选择性，也专一性，即一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物（二）高度的特异性类型（三）酶的可调节性包括酶活性和酶量代谢物或激素等可对酶进行别构调节、共价修饰、酶的激活、合成与降解等目的：适应机体需要（四）酶活性的不稳定性酶的化学本质是蛋白质各种使蛋白质变性因素将引起酶变性失活酶促反应一般在pH5～8、

20-40C水溶液中进行单纯酶(simpleenzyme)：仅由酶蛋白组成结合酶(conjugatedenzyme):二、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)辅酶：与酶蛋白结合疏松辅基：与酶蛋白结合紧密金属离子的作用：维持酶分子的特定空间结构参与电子的传递作为酶和底物之间的桥梁中和阴离子，降低静电斥力等小分子有机化合物的作用通常是维生素B族起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团结合酶中辅助因子的作用：B族维生素与辅助因子的关系维生素辅助因子形式主要功能缺乏症维生素B1焦磷酸硫胺素（TPP）脱羧脚气病维生素B2黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）递氢口角炎、舌炎、唇炎黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）维生素PP尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢癞皮病尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）维生素B6磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺转移氨基高同型半胱氨酸血症泛酸辅酶A(CoA-SH)转移酰基未发现缺乏症生物素生物素羧化未发现缺乏症叶酸四氢叶酸（FH4）转移一碳单位巨幼红细胞贫血维生素B12甲基钴胺素转移甲基巨幼红细胞贫血三、酶的结构与功能（一）酶的活性中心概念：由必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物的部位必需基团(essentialgroup)指与酶活性密切相关的基团催化基团结合基团活性中心外必需基团必需基团底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心（二）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)无活性的酶的前体称为酶原酶原的激活是指在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程实质是酶的活性中心形成或暴露的过程

酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定部位和环境中发挥作用，保证代谢正常进行酶原可以视为酶的储存形式赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程LDH在不同组织器官中含量与分布不同心肌LDH1为主，肝脏、骨骼肌LDH5为主（三）同工酶定义：催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)如：乳酸脱氢酶的同工酶同工酶生理及临床意义心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2345在代谢调节上起着重要的作用是发育过程中阶段特有的代谢特征同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究同工酶谱的改变有助于疾病的诊断和预后判定关键酶一般位于代谢途径的起始或分支处，催化单向不可逆反应多酶体系中，活性最低者称为限速酶调节对象：关键酶（四）酶活性的调节调节方式：变构调节和化学修饰调节变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂1.变构调节(allostericregulation)

变构酶(allostericenzyme)

变构部位(allostericsite)定义：一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。（四）酶活性的调节定义：指酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性的过程，也称为酶的共价修饰2.酶的化学修饰调节

常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化（四）酶活性的调节特点：无活性（或低活性）有活性（或高活性）快速、高效

-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白

酶的磷酸化与脱磷酸化V=[S]或[P]/t(V代表酶促反应速度，主要是酶促反应的初速度)V受底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂和抑制剂等因素影响研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定四、影响酶促反应速度的因素在其他因素不变，特别是酶浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系可用中间产物解释（一）底物浓度的影响[S]VVmax当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比[S]VVmax随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例增加[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大反应速度Vmax[S]VVmax※由Michaelis和Menten于1913年提出反应速度与[底物]关系的数学方程式，简称米氏方程[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──米－曼氏方程式底物浓度的影响Km值①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度②意义：a)Km是酶的特征性常数之一b)Km可近似表示酶对底物的亲和力c)同一酶对于不同底物有不同的Km值底物浓度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比（二）酶浓度的影响0V[E]酶浓度对反应速度的影响

双重影响温度升高，反应速度升高温度达到一定之后，再升高可使反应速度降低（三）温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：指酶促反应速度最快时的环境温度此温度不是酶的特征性常数，随作用时间的缩短，该温度可升高低温的临床应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响酶的最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH0酶活性pH

pH对某些酶活性的影响

胃蛋白酶

淀粉酶

胆碱酯酶

246810（四）pH的影响环境pH主要通过影响E和S的解离程度发挥作用多数酶的最适pH接近中性激活剂(activator)指使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator)（五）激活剂的影响酶的抑制剂(inhibitor)

指能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质（六）抑制剂的影响

抑制作用的类型：不可逆性抑制可逆性抑制竞争性抑制非竞争性抑制概念：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。举例：有机磷化合