2023年第一部分基础综合执业医师

第一部分基础综合第一章生物化学一、蛋白质的结构与功能理解应用1氨基酸与多肽1.氨基酸的结构与分类蛋白质的基本结构单位——氨基酸蛋白质是高分子化合物，在酸、碱或蛋白酶作用下可以水解成为其基本组成单位——氨基酸。（1）氨基酸的一般结构式蛋白质水解生成的天然氨基酸有20余种，但其化学结构式具有一个共同的特点，即在连结羧基的-碳原子上尚有一个氨基，故称-氨基酸。-氨基酸的一般结构式可用下式表达：L型D型由上式可以看出，除甘氨酸外，其余氨基酸的-碳原子是一个不对称碳原子，具有旋光异构现象，也有D系和L系两种构型。组整天然蛋白质的20种氨基酸多属于L--氨基酸。生物界中已发现的D系氨基酸大都存在于某些细菌产生的抗生素及个别植物的生物碱中。（2）氨基酸的分类：组成蛋白质的氨基酸有20余种，但绝大多数蛋白质只由20种氨基酸组成。根据它们的侧链R的结构和性质分为以下四类：1）非极性R基氨基酸这类氨基酸的特性是在水中溶解度小于极性R基氨基酸。涉及四种带有脂肪烃侧链的氨基酸(丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)；两种含芳香环氨基酸(苯丙氨酸和色氨酸)；一种含硫氨基酸(甲硫氨酸)和一种亚氨基酸(脯氨酸)。2）不带电荷的极性R基氨基酸这类氨基酸的特性是比非极性R基氨基酸易溶于水。涉及三种具有羟基的氨基酸(丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸)；两种具有酰胺基的氨基酸(谷氨酰氨和天冬酰胺)；一种具有巯基氨基酸(半胱氨酸)和R基团只有一个氢但仍能表现一定极性的甘氨酸。3）带正电荷的R基氨基酸这类氨基酸的特性是在生理条件下带正电荷，是一类碱性氨基酸。涉及在侧链具有氨基的赖氨酸；R基团具有一个带正电荷胍基的精氨酸和具有弱碱性咪唑基的组氨酸。4）带负电荷的R基氨基酸天冬氨酸和谷氨酸都具有两个羧基，在生理条件下分子带负电荷，是一类酸性氨基酸。2.肽键与肽链氨基酸的成肽反映两分子氨基酸可借一分子的氨基与另一分子的羧基脱去1分子水、缩合成为最简朴的肽，即二肽。在两个氨基酸之间新产生的酰胺键(-CO-NH-)称为肽键。肽键中的C—N键具有部分双键的特性，不能自由旋转，这些现象是因共振而产生的。其结果使肽键处在一个刚性的平面上，此平面被称为肽键平面(酰胺平面)。两个肽键平面之间的α-碳原子，可以作为一个旋转点形成二面角。二面角的变化，决定着多肽主键在三维空间的排布方式，是形成不同蛋白质构象的基础。二肽分子中的羧基能以同样方式与另一分子氨基酸的氨基缩合成三肽。如此进行下去，依次生成四肽、五肽……，许多氨基酸可连成多肽。肽链分子中的氨基酸互相衔接，形成的长链，称为多肽链。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而有残缺，故称为氨基酸残基。蛋白质就是由许多氨基酸残基组成的多肽链。多肽链中有自由氨基的一端称为氨基末端或N-末端；有自由羧基的一端称羧基末端或C-末端。每条多肽链中氨基酸残基顺序编号都是从N－端开始，N－端在左，C－端在右。命名短肽从N-末端开始指向C-末端。【试题】下列关于肽键性质和组成的叙述对的的是A.由Cα和C-COOH组成B.由Cα1和Cα2组成来源C.由Cα和N组成D.肽键有一定限度双键性质E.肽键可以自由旋转【解析】答案：D本试题考核肽键结构。肽键C-N形成的单键较正常C-N的单键短，C=O形成的双键较正常的C=O双键长，肽键中的原子以共轭π键形式存在，因此肽键有一定限度双键性质。理解应用2蛋白质的结构1.一级结构氨基酸残基在多肽链中的排列顺序及其共价连接称为蛋白质的一级结构，肽键是其基本结构键，有些尚（还）具有二硫键，由两个半胱氨酸巯基（–SH）脱氢氧化而生成。蛋白质分子的一级结构是其生物学活性及特异空间结构的基础。尽管各种蛋白质都有相同的多肽链骨架，而各种蛋白质之间的差别是由其氨基酸残基组成、数目以及氨基酸残基在蛋白质多肽链中的排列顺序决定的。氨基酸残基排列顺序的差别意味着从多肽链骨架伸出的侧链R基团的性质和顺序对于每一种蛋白质是特异的——由于R基团有不同的大小，带不同的电荷，对水的亲和力也不相同。即蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序决定其空间构象。2.二级结构——α–螺旋蛋白质分子的二级结构是指多肽链骨架中原子的局部空间排列，并不涉及侧链的构象。在所有已测定的蛋白质中均有二级结构的存在，重要形式涉及α–螺旋结构、β–折叠、β–转角和无规则卷曲等。α–螺旋结构1951年，Pauling和Corey根据多肽链骨架中刚性平面及其它可以旋转的原子提出多肽构象是螺旋结构，他们称之为α–螺旋，其特点如下：(1)多肽链主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每个氨基酸残基向上平移0.15nm，故螺距为0.54nm。(2)第一个肽平面羰基上的氧与第四个肽平面亚氨基上的氢形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。氢键是一种很弱的次级键，但由于主链上所有肽键都参与氢键的形成，所以α–螺旋很稳定。(3)组成人体蛋白质的氨基酸都由（是）L–α–氨基酸，故（所以只能）形成右手螺旋，侧键R基团伸向螺旋外侧。3.三级和四级结构概念具有二级结构的一条多肽链，由于其序列上相隔较远的氨基酸残基侧链的互相作用，而进行范围广泛的盘曲与折叠，形成涉及主、侧链在内的空间排列，这种在一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布称为三级结构。例如，存在于红色肌肉组织中的肌红蛋白（Mb），是由153个氨基酸残基构成的单链蛋白质，具有一个血红素辅基，可以进行可逆的氧合与脱氧。X–射线衍射法测定了它的空间构象，多肽链中α–螺旋占75％，形成A至H8个螺旋区，两个螺旋区之间有一段无规卷曲，脯氨酸位于拐角处。由于侧链R基团的互相作用，多肽链盘绕、折叠成紧密的球状结构。亲水R基团大部分分布在球状分子的表面；疏水R基团位于分子内部，形成一个疏水“口袋”。血红素位于“口袋”中，它的Fe离子配位与组氨酸相连。Mb的空间构象与血红蛋白（Hb）的一条β链的空间构象基本相同。但Hb是由2条α肽链和2条β肽链（α2β2）组成，α链的141个氨基酸残基构成7个螺旋区，β链的146个氨基酸残基构成8个螺旋区。4条肽链分别在三维空间盘曲折叠成紧密的球状结构。三级结构中多肽链的盘曲方式由氨基酸残基的排列顺序决定。三级结构的形成和稳定重要靠疏水键、盐键、二硫键、氢键和Vanderwaals力。蛋白质分子中具有许多疏水基团，如Leu、Ile、Phe、Val等氨基酸残基的R基团。这些基团具有一种避开水、互相集合而藏于蛋白质分子内部的自然趋势，这种结合力称疏水键，它是维持蛋白质三级结构的最重要稳定力量。酸性和碱性氨基酸的R基团可以带电荷，正负电荷互相吸引形成盐键；邻近的两个半胱氨酸则以二硫键结合。其它基团可通过氢键及vanderWaals力结合，尽管结合力很弱，但数量颇多，可以保持三级结构的稳定。许多有生物活性的蛋白质由两条或多条肽链构成，肽链与肽链之间并不是通过共价键相连，而是由非共价键维系。每条肽链都有自己的一、二和三级结构。这种蛋白质的每条肽链被称为一个亚基。由亚基构成的蛋白质称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中亚基的立体排布、亚基之间的互相关系称为蛋白质的四级结构。对多亚基蛋白质而言，单独的亚基没有生物学活性，只有完整的四级结构寡聚体才有生物学活性。如Hb是由4个两种不同的亚基组成四聚体，具有运送氧和CO2的功能。实验证明：它的任何一个亚基单独存在都无此功能，寡聚蛋白的亚基可以相同也可以不同。例如，过氧化氢酶是由四个相同的亚基组成，而天冬氨酸氨甲酰基转移酶是由12个亚基组成，其中有6个催化亚基和6个调节亚基。理解应用3蛋白质结构与功能关系1.蛋白质一级结构与功能的关系(1)一级结构是空间构象的基础20世纪60年代，C.Anfinsen以牛胰核糖核酸酶A（RNaseA）为对象，研究了二硫键的还原、重新氧化，以及这些化学变化与酶活性的关系。RNase是由124个氨基酸残基组成的一条多肽链，分子中8个半胱氨酸的巯基形成4对二硫键，进一步折叠、形成具有一定空间构象的蛋白质。在天然RNase溶液中加入适量变性剂尿素和还原剂β-巯基乙醇，分别破坏次级键和二硫键，使蛋白质空间结构破坏，酶即变性失去活性。再将尿素和β-巯基乙醇经透析除去，酶活性及其它一系列性质均可恢复到与天然酶同样。若不除去尿素，只是将还原状态RNase的8个巯基所有重新氧化成二硫键，产物的酶活性仅有1％。这是由于重新氧化生成的二硫键位置与天然酶不同，产物是随机产生的“杂乱”RNase。再向无变性剂的“杂乱”产物水溶液中加入β-巯基乙醇，“杂乱”产物又逐渐恢复了天然酶的活性。8个巯基随机排列成二硫键可有105种方式，有活性的RNase只有一种。β－巯基乙醇仅可加速随机结合的二硫键打开、重排，重排后的二硫键位置选择天然酶的方式则是由肽链中氨基酸排列顺序决定的。牛胰RNase的变性、复性及其酶活性变化充足说明，蛋白质一级结构决定空间构象，即一级结构是高级结构形成的基础。同时也证明，只有具有高级结构的蛋白质才干表现生物学功能。牛胰RNase的变性、复性是蛋白质折叠自组装学说的典型例子，事实上很多蛋白质的复性并非总是象RNase那样充足或有效，说明一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。除一级结构及溶液环境外，大多数蛋白质的对的折叠还需要其它分子的帮助。这些参与新生肽折叠的分子，一类是分子伴侣，另一类是折叠酶。(2)一级结构是功能的基础一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相似。在比较、研究肽类激素和蛋白质类激素的调节作用时，发现激素的调节功能与一级结构密切相关。垂体后叶分泌的催产素和加压素（又称抗利尿激素）都是由相同数量的氨基酸残基组成的九肽。在9个残基中，催产素N-端2、7位是亮氨酸和异亮氨酸，加压素相应位置是精氨酸和苯丙氨酸，其余7个氨基酸组成、位置相同，二硫键位置也相同。就是这两个氨基酸组成的差异决定了两者功能不同，催产素收缩子宫平滑肌，具有催产功能。加压素重要收缩血管平滑肌，同时作用于肾远曲小管，促进钠和水的重吸取，具有升压和抗利尿作用。但是，由于两者氨基酸组成又有很多相似之处，所以有部分相同或类似的功能。例如，加压素也具有一定收缩子宫平滑肌的功能，尽管这种作用很弱。这种比较研究说明，相似的一级结构具有相似的功能，不同的结构具有不同的功能，即一级结构决定生物学功能。(3)蛋白质一级结构的种属差异与分子进化从蛋白质氨基酸的序列可以了解到重要的生物进化信息。对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异。由于物种变化起因于进化，因此同种蛋白质的种属差异也许是分子进化的结果。来源于不同哺乳类动物的胰岛素都具有A、B两条链，且连接方式相似，也都具有调节糖代谢的功能。X-射线衍射证明，空间结构也很相似。这提醒不同动物的胰岛素是由同一分子进化而来的。但仔细比较、分析不同种属来源的胰岛素一级结构后，发现它们在氨基酸组成上有些差异。在51个氨基酸残基上，A链的10个（1、2、5～7、11、16、19～21）残基及B链的12个（6～8、11、12、15、16、19、23～26）残基为不同来源的胰岛素所共有，属进化保守序列。而A链第8～10，B链第30位残基为易变序列。在分析了胰岛素的空间结构之后，发现这22个进化保守残基对于维持胰岛素的空间构象非常重要。例如，3个二硫键的连接方式未变；其它保守残基大多属于非极性侧链氨基酸，也处在稳定空间构象的重要位置。其它易变或可变残基（B链1～3、27～30），一般处在胰岛素的“活性部位”之外，对维持活性并不重要，有也许与免疫活性有关。总之，蛋白质一定的结构执行一定的功能，功能不同的蛋白质总是有不同的序列。比较种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构，也许有某些差异，但与功能相关的结构却总是相同。若一级结构变化，蛋白质的功能也许发生很大的变化。(4)蛋白质的一级结构与分子病蛋白质的氨基酸序残基列改变可以引起疾病，人类有很多种分子病已被查明是某种蛋白质缺少或异常。这些缺损的蛋白质也许仅仅有一个氨基酸残基异常。如镰状红细胞贫血症，就是患者血红蛋白（HbS）与正常血红蛋白（HbA）在β链第6位有一个氨基酸之差：HbAVal―His―Leu―Thr―Pro―Glu―Glu―Lys……HbSVal―His―Leu―Thr―Pro―Val―Glu―Lys……12345678……HbAβ链第6位为谷氨酸，而患者HbSβ链第6位换成了缬氨酸。HbS的带氧能力减少，分子间容易“粘合”形成线状巨大分子而沉淀。红细胞从正常的双凹盘状被扭曲成镰刀状，容易产生溶血性贫血症。这是在1949年由L.Pauling一方面发现它是由遗传突变引起，并称之为“分子病”。现知几乎所有遗传病都与正常蛋白质分子结构改变有关，即都是分子病。2.蛋白质高级结构与功能的关系(1)高级结构是表现功能的形式尽管说“一级结构决定蛋白质的生物学功能”，但不妨理解这是一级结构的“潜能”。假如没有适当的空间结构形式，蛋白质也不会发挥生物学功能。前面介绍的牛胰RNas的变性、复性及其酶活性变化不仅说明，蛋白质一级结构决定空间构象，同时也证明，只有具有高级结构的蛋白质才干表现生物学功能。酶原的激活或各种蛋白前体的加工、激活是证明“只有适当的空间结构形式才干执行功能”的最佳例子之一。许多新合成的酶以无活性的前体形式存在，前体经特异的蛋白水解酶作用切去一段肽，才干表现其活性。糜蛋白酶原是一个245肽，分子内N端Cys1与Cys122、Cys42与Cys58、Cys136与Cys201、Cys168与Cys182、Cys191与Cys220之间分别形成5对二硫键，酶原折叠成的空间构象为无活性形式。糜蛋白酶原在胰蛋白酶作用下，在Arg15、Ile16之间断开，形成由两个肽段组成的有活性、但不稳定的π糜蛋白酶；π糜蛋白酶在激活的糜蛋白酶作用下，进一步切除苏氨酰天冬酰胺（147、148），形成3个肽段组成的有活性的α－糜蛋白酶。在α－糜蛋白酶中，Ser195侧链与His57的咪唑基形成氢键，His57眯唑基的-NH与Asp102的羧基形成氢键。这样，3个氨基酸彼此靠近,形成活性中心。因此，酶原的激活就是活性中心形成的过程。许多激素，如胰岛素、甲状旁腺素等均存在激素前体。甚至结构蛋白质胶原蛋白也有前胶原蛋白作为其前体。这些前体蛋白均无生物学活性。当无活性的前体转变成具有生物学功能的相应蛋白质时，要有相应的结构改变。例如胰岛素，一方面合成一条108个氨基酸残基的胰岛素原，然后经剪切，去掉N端24个氨基酸残基的信号序列，形成84个氨基酸残基的胰岛素原，这时3个二硫键已在相应的对的位置形成。当激素在高尔基体包装并分泌时，A、B链间33个残基的C链才被切掉，形成具有两条肽链的活性胰岛素。信号肽部分是生物合成后向外分泌、输送所需要的。蛋白质前体的激活说明，一定的蛋白质功能与特定的空间构象相联系，即蛋白质的高级结构表现功能。(2)血红蛋白的空间构象变化与结合氧血红蛋白（Hb）是由α2β2组成的四聚体。每个亚基的三级结构与肌红蛋白（Mb）相似，中间有一个疏水“口袋”，亚铁血红素位于“口袋”中间，血红素上的Fe2+可以与氧进行可逆结合。Hb亚基间有许多氢键及8对盐键，使4个亚基紧密结合在一起，形成亲水的球状蛋白，球状Hb中间形成一个“中心空穴”。未结合O2时，Hb的α1/β1和α2/β2呈对角排列，处在一种紧凑状态，称为紧张态（T态），T态的Hb与O2的亲和力小。然而，随着O2的结合4个亚基羧基末端之间的盐键断裂，使束缚紧密的T态改变为易与O2结合的松弛态，即Hb的空间构象改变。这样，当第一个O2与Hb结合成氧合血红蛋白（HbO2）后，发生构象改变如同松开了整个Hb分子构象的扳机，导致第二、第三和第四个O2不久的结合。这种带O2的Hb亚基协助不带O2亚基结合氧的现象，称为协同效应。O2与Hb结合后引起Hb构象变化，进而引起蛋白质分子功能改变的现象，称为别构效应。小分子的O2称为别构剂或协同效应效应剂。Hb则称为别构蛋白。别构效应是70年代中期以后发展起来的生物调节理论的重要基础，很多调节蛋白、代谢酶都属于别构蛋白或别构酶。别构酶与它们的底物结合、Hb与O2结合均呈特性性“S”型曲线。Mb是只有三级结构的单链蛋白质。它与Hb的空间构象不同，功能也不同；Hb的功能是在肺和肌肉等组织间运送O2，而Mb则重要储存O2。Mb比Hb对O2亲和力大。Mb和O2结合达50％饱和度时的氧分压（PO2）为0.15～0.30kPa；而Hb与O2结合达50％饱和度时的PO2为3.5kPa。动脉血和肺部的PO2为13kPa，Hb和Mb结合氧都能达成95％饱和度。但在肌肉组织中，休息时毛细血管内PO2大约为5kPa，肌肉工作时因消耗O2，PO2仅1.5kPa。尽管Hb在肌肉休息时的氧饱和度能达成75％，但肌肉活动时，Hb的氧饱和度仅达10％，因此，它可以有效的释放O2，供肌肉活动需要；在同样PO2（1.5kPa）条件下，Mb在肌肉活动时仍能保持80％氧饱和度，不释放O2而贮存O2。(3)构象病因蛋白质空间构象异常变化——相应蛋白质的有害折叠、折叠不能，或错误折叠导致错误定位引起的疾病，称为蛋白质构象病。朊病毒病就是蛋白质构象病中的一种。朊病毒蛋白是一类高度保守的糖蛋白。正常朊病毒（Prpc）广泛表达于脊椎动物细胞表面，它也许与神经系统功能的维持，淋巴细胞信号转导及核酸代谢等有关。致病性朊病毒（Prpsc）是Prpc的构象异构体，两者之间没有共价键差异。Prpsc可引起一系列致死性神经变性疾病，这种与朊病毒蛋白构象相关的疾病统称为朊病毒病。已发现的人类朊病毒病有库鲁病、脑软化病、纹状体脊髓变性病或称克-雅氏病、新变异型CJD或称人类疯牛病和致死性家族性失眠症。动物的朊病毒有牛海绵状脑病或称疯牛病、羊瘙痒症、貂传染性脑病和猫海绵状脑病等。这类疾病典型的共同症状是痴呆、丧失协调性以及神经系统障碍，重要的病变是蛋白质淀粉样变性。此类疾病有遗传性、传染性和偶发性形式。Prpc基因位于人20号染色体的短臂上，小鼠2号染色体的同源区域。Prpc基因表达的正常产物为33-35kD的蛋白质，对蛋白酶敏感，在非变性去污剂中可溶。而Prpsc只有27-30kD，具有部分的抗蛋白水解酶特性，在非变性去污剂中不溶，热稳定，无论紫外线及离子辐射、羟胺或Zn2+均不能使其丧失侵染能力。经Prusiner证实，Prpc呈-螺旋的部分肽链在Prpsc的类似区域中为-折叠结构。朊病毒自身不能繁殖，也许是通过袭击Prpc、改变后者空间构象，使其成为Prpsc；初始的和新生的Prpsc继续袭击此外两个Prpc……。这种类似多米诺效应使Prpsc积累、直至致病。理解应用4蛋白质的理化性质蛋白质的变性在某些物理或化学因素作用下，使蛋白质的空间构象破坏（但不涉及肽链的断裂等一级结构变化），导致蛋白质理化性质、生物学性质的改变，这种现象称为蛋白质的变性作用。使蛋白质变性的因素很多，如高温、高压、紫外线、X射线照射、超声波、剧烈震荡及搅拌等物理因素；强酸、强碱、重金属盐、有机溶剂、浓尿素和十二烷基硫酸钠（SDS）等化学因素。这些理化因素都可使蛋白质变性，球状蛋白质变性后的明显改变是溶解度减少；本来在等电点时能溶于水的蛋白质通过变性就不再溶于本来的水溶液。蛋白质变性后，其它理化性质的改变，如结晶性消失、粘度增长、呈色性增长和易被蛋白水解酶水解等，均与蛋白质的空间破坏、结构松散、分子的不对称性增长，以及氨基酸残基侧链外露等密切相关。空间结构破坏必然导致生物学功能的丧失，如酶失去催化活性；激素不能调节代谢反映；抗体不能与抗原结合等。蛋白质剧烈变性时其空间结构破坏严重，不能恢复，称为不可逆性变性。但某些温和蛋白质变性，时间也不很久，除去变性因素仍可恢复其活性，称为可逆变性。例如，核糖核酸酶经尿素和β–巯基乙醇作用变性后，再透析去除尿素和β–巯基乙醇，又可恢复其酶活性。又如，被强碱变性的胃蛋白酶也可在一定条件下恢复其酶活性；被稀盐酸变性的Hb也可在弱碱溶液里变回天然Hb。但在100℃变性的胃蛋白酶和Hb蛋白质被强酸或强碱变性后，仍能溶于强酸或强碱溶液中。若将此强酸或强碱溶液的pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物。这种现象称为变性蛋白质的结絮作用。结絮作用所生成的絮状物仍能再溶于强酸或强碱中。如再加热，则絮状物变为比较坚固的凝块；此凝块不宜再溶于强酸或强碱中。这种现象称为蛋白质的凝固作用。鸡蛋煮熟后本来流动的蛋清变成了固体状；豆浆中加少量氯化镁即可变成豆腐，都是蛋白质凝固的典型例子。蛋白质的变性和凝固经常是相继发生的，蛋白质变性后结构松散，长肽链状似乱麻，或互相缠绕、或互相穿插、扭成一团、结成一块，不能恢复其本来的结构，即是凝固。可以说凝固是蛋白质变性后进一步发展的一种结果。了解变性理论有重要的实际意义，一方面注意低温保存生物活性蛋白，避免其变性失活；另一方面可运用变性因素消毒灭菌。【试题】加热能使蛋白质变性，哪种键不被破坏A.氢键B.二硫键C.盐键D.肽键E.疏水键【解析】答案：D本试题考蛋白质变性后结构的变化，变性只破坏蛋白质的空间结构，使次级键发生变化，维持蛋白质基本结构的肽键保持不变。二、核酸的结构与功能理解应用1核酸的基本组成单位——核苷酸1.核苷酸分子组成核酸的基本构成单位是核苷酸，核酸由多个核苷酸连接而成，故又称多聚核苷酸。组成DNA的核苷酸是脱氧核糖核苷酸，组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸。核酸水解后产生核苷酸，核苷酸经水解后产生核苷及磷酸。核苷若再进一步水解，可产生戊糖和碱基。(1)碱基核酸分子中的碱基均为含氮杂环化合物，分为两类：嘌呤碱和嘧啶碱。DNA和RNA中具有的嘌呤碱重要为腺嘌呤(A)和鸟嘌呤（G）；组成DNA的嘧啶碱重要有胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)，RNA分子中重要为尿嘧啶(U)及胞嘧啶。除了这四种碱基之外，核酸中尚有一些特殊的碱基存在，它们绝大多数是四类碱基的衍生物，即在碱基的某些位置附加或取代某些基团。由于这些碱基在核酸中含量一般都很低，因此，把这些特别的碱基称为稀有碱基或修饰碱基，如5-甲基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶等。核酸中碱基的酮基或氨基，均位于碱基氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变，这种互变异构可引起DNA结构的变异，在基因突变和生物进化中具有重要作用。(2)戊糖核酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两种，均为β－呋喃型。为与含氮碱基分子中的碳原子区别，戊糖的碳原子顺序以1到5表达。RNA中戊糖为β-D-核糖，DNA分子中为β-D-2脱氧核糖。(3)核苷是核苷酸水解的中间产物，由戊糖分子中C1上的羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9上的氢化合成水而形成的一类化合物。戊糖与碱基之间以C1-N糖苷键相连。(4)核苷酸核苷酸是核酸的基本结构单位，由核苷中戊糖分子C5羟基与磷酸缩合成酯键而形成。除5核苷酸外，体内尚有2核苷酸和3核苷酸，它们分别由核苷中戊糖分子C2羟基、C3羟基与磷酸缩合成酯键而成。体内尚有其它形式的核苷酸，如辅酶Ⅰ（NAD+）、辅酶Ⅱ（NADP+）、黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等。这些核苷酸不参与核酸组成，而是作为代谢酶的辅酶，参与物质代谢反映。体内核苷酸除一磷酸核苷酸形式外，尚有核苷的二磷酸酯和三磷酸酯。以腺苷酸为例，一磷酸腺苷（AMP）中的磷酸可与另一分子磷酸以酸酐的方式缩合成二磷酸腺苷(ADP)，再结合一分子磷酸则生成三磷酸腺苷(ATP)。一磷酸核苷的磷酸可进一步磷酸化而生成二磷酸核苷或三磷酸核苷。二磷酸核苷简写为NDP，三磷酸核苷简写为NTP。这里的DP和TP分别代表二磷酸和三磷酸之意。体内重要的核苷酸如表1-1。表1-1体内重要的核苷酸AMPCMPGMPUMPTMPADPCDPGDPUDPTDPATPCTPGTPUTPTTP脱氧核苷酸在符号前面再加个“d”以示区别，如dTMP、dTDP和dTTP。4种三磷酸核苷(NTP，其中N代表A、G、C、U)和4种三磷酸脱氧核苷(dNTP，其中N代表A、G、C、T)是合成RNA和DNA的原料。核苷酸尚有环化的形式，它们重要是3，5-环化腺苷酸(cAMP)和3，5-环化鸟苷酸(cGMP),它们在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号传导中起着十分重要的作用。2.核酸（DNA和RNA）核酸是由许多核苷酸分子连接而成的。每个核酸分子的大小或所含的核苷酸数目是不同样的，尽管核酸分子之间存在差异，但核酸分子中各个核苷酸之间的连接方式完全同样，都是通过前一个脱氧核苷酸的3'–羟基与后一个分子的5'–磷酸缩合生成3'-5'–磷酸二酯键而彼此相连。由于多聚核苷酸以一定方式相连，因此多聚核苷酸链具有两个不同的末端，即戊糖5'位带有游离磷酸基的称为5'末端，3'位带有游离羟基的称为3'–末端；这样，多聚核苷酸也就具有了方向性，通常以5'→3'方向为正向。表达一个核酸分子结构的方法由繁至简有许多种。由于核酸分子结构除了两端和碱基排列顺序不同外，其它均相同。因此，在表达核酸分子时，只须注明其5'–末端和3'–末端，末端有无磷酸基，以及碱基顺序即可。如未特别注明5'－和3'–末端，一般约定，碱基序列书写的方向为由左向右，左侧是5'–末端，右侧是3'–末端。核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两类。无论动物、植物还是微生物细胞中都具有DNA和RNA。核酸约占细胞干重的5％～15％。无细胞的病毒或者含DNA，或者含RNA，故有DNA病毒和RNA病毒之分。在真核细胞，98％以上的DNA与组蛋白结合、形成染色质，存在于细胞核中，其余的DNA重要分布在线粒体中。RNA仅有10%存在于细胞核中，而90％存在于细胞质中。根据分子结构和功能不同，RNA重要分为三种，即核糖（核蛋白）体RNA(rRNA)、转运RNA(tRNA)及信使RNA(mRNA)。此外，尚有非特异小核RNA（UsnRNA）、小（分子）干扰RNA（siRNA）等。理解应用2DNA的结构与功能1.DNA碱基组成规律50年代初，Chargaff等对多种生物来源的DNA碱基组成进行了定量测定，总结出如下规律：(1)所有DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶分子数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的分子数相等，即[A]=[T]，[G]=[C]。由此可引伸出下述规律：①[A]/[T]=[G]/[C]；②[A]+[G]=[T]+[C]。(2)DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组成。如人、牛和大肠杆菌的DNA碱基组成比例是不同样的。(3)DNA的碱基组成无组织或器官特异性，即同一生物体的各种不同器官或组织DNA的碱基组成相似。比如，牛的肝、胰、脾、肾和胸腺等器官的DNA碱基组成十分相近而无明显差别。(4)生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境等条件的影响。这就是说，每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物遗传特性有关。上述DNA碱基组成特点，称为Chargaff法则。2.DNA的一级结构DNA的结构与蛋白质相似，也可分为一级和空间结构层次。一般而言，DNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式。由于DNA中核苷酸彼此之间的差别仅见于碱基部分，因此DNA的一级结构又指其碱基排列顺序，即DNA序列。3.DNA双螺旋结构1953年，Watson和Crick以实验结果为基础，提出DNA的二级结构形式——双螺旋模型。双螺旋模型不仅能合理地解释Chargaff的发现，同时为揭示DNA的复制等机理奠定了基础，在遗传学和分子生物学领域具有划时代的意义。DNA双螺旋结构特点Watson和Crick提出的DNA双螺旋模型结构特点如下：(1)DNA分子由两条互相平行、但走向相反(一条链为3'→5',另一条链为5'→3')的脱氧多核苷酸链组成；两条链以脱氧核糖和磷酸形成的长链为基本骨架，以右手螺旋方式绕同一中心轴盘绕成双螺旋结构。(2)在这条双螺旋DNA链中，脱氧核糖与磷酸是亲水的，位于螺旋的外侧，而碱基是疏水的，处在螺旋内部；链间形成氢键，使两条链的碱基互相配对，从而起到稳定螺旋的作用。碱基是嘌呤对嘧啶，即A—T，G—C，前者间形成两个氢键，后者间形成三个氢键。这种碱基配对也称碱基互补，具有碱基互补的多核苷酸链则称为互补链。(3)每个碱基对的两碱基处在同一平面，该平面垂直于双螺旋的中心轴。各碱基对的平面彼此平行，互相重叠，碱基对之间借纵向范德华(VanderWaals)引力使双螺旋结构更趋稳定。(4)每两个相邻碱基对平面之间的距离是0.34nm；螺旋每转一圈的螺距为3.4nm，每个旋距内含10个碱基对。(5)碱基可以在多核苷酸链中以任何排列顺序存在。氢键是由静电作用引起的一种弱键，虽然单个氢键在室温下不稳定，然而DNA分子中大量氢键集合在一起，产生很大维系力。碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的互相作用，碱基堆积力可使碱基缔合、层层堆积，分子内部形成疏水核心，这对DNA结构的稳定是很有利的，碱基堆积力对维持DNA的二级结构起重要作用。4.DNA高级结构DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构称为DNA的三级结构，即超螺旋结构。生物体的闭环DNA都以超螺旋形式存在，如细菌质粒、一些病毒、线粒体的DNA等。线性DNA分子或环状DNA分子中有一条链有缺口时均不能形成超螺旋结构。真核生物染色体(chromosome)DNA成线性，其三级结构是DNA双链进一步盘绕在以组蛋白(H2A,H2B,H3,H4分子)为核心的结构表面构成核小体。核小体是染色质的基本组成单位。许多核小体连接成串珠状,再通过反复盘旋折叠最后形成染色单体。染色质纤维通过几次卷曲折叠后,DNA形成复杂的多层次超螺旋结构,超螺旋也许有两方面的生物学意义：①超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利；②超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的互相作用。5.DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。生物学家很早以来就已使用的基因（gene）这一名词也最终有了它真实的物质基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA是细胞内RNA合成的模板，部分RNA又为细胞内蛋白质的合成带去指令。DNA的核苷酸序列以遗传密码的方式决定不同蛋白质的氨基酸顺序。依据这一原理，DNA又仅运用四种碱基的不同排列，可以对生物体的所有遗传信息进行编码，通过复制遗传给子代，并通过转录和翻译保证支持生命活动的各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成。【试题】DNA碱基组成的规律是A.[A]=[C]，[T]=[G]B.[A]+[T]=[C]+[G]C.[A]=[T]；[C]=[G]D.（[A]+[T]）/（[C]+G）=1E.[A]=[G]=[T]=[C]【解析】答案：CDNA中碱基互补配对，A与T配对，C与G配对，所以A与T含量相等，C与G含量相等，即A=T，C=G，A/T=1，G/C=1，所以A+C=T+G，（A+C）/（T+G）=1，A+G=T+C，（A+G）/（T+C）=1，以上的等量关系在任何双链DNA中都是成立的，与物种无关，而（A+T）/（G+C）就是一个不拟定的数值，不同DNA的此数值也许不同。理解应用3DNA变性及其应用1.DNA变性和复性的概念(1)变性双螺旋的稳定靠碱基堆积力和氢键的互相作用来共同维持。假如由于某种因素破坏了这两种非共价键力，导致DNA两条链完全解离，就称为变性。导致变性的因素可以有温度过高、盐浓度过低及酸碱过强等。DNA变性是二级结构的破坏，双螺旋解体的过程，碱基对氢键断开，碱基堆积力遭到破坏，但不随着共价键的断裂，这有别于DNA一级结构破坏引起的DNA降解过程。DNA变性常随着一些物理性质的改变，如黏度减少，浮力密度增长，特别重要的是光密度的改变。如前所述，核酸分子中碱基杂环的共轭双键，使核酸在260nm波长处有特性性光吸取。在双螺旋结构中，平行碱基堆积时，相邻碱基之间的互相作用会导致双螺旋DNA在波长260nm的光吸取比相同组成的游离核苷酸混合物的光吸取值低40%，这种现象称为减色效应。DNA变性后改变这一效应，与未发生变性的相同浓度DNA溶液相比，变性DNA在波长260nm的光吸取增强，这一现象称为增色效应。DNA的变性发生在一定的温度范围内，这个温度范围的中点称为融解温度，用Tm表达。当温度达成融解温度时，DNA分子内50%的双螺旋结构被破坏。Tm值与DNA的碱基组成和变性条件有关。DNA分子的GC含量越高，Tm值也越大。Tm值还与DNA分子的长度有关，DNA分子越长，Tm值越大。此外，溶液离子浓度增高也可以使Tm值增大。(2)复性DNA的变性是可逆的。在适宜条件下，如温度或PH值逐渐恢复到生理范围，分离的DNA双链可以自动退火(annealing)，再次互补结合形成双螺旋，这个过程称为复性。复性时，互补链之间的碱基互相配对，这个过程分为两个阶段。一方面，溶液中的单链DNA不断彼此随机碰撞；假如它们之间的序列有互补关系，两条链经一系列的G-C、A-T配对，产生较短的双螺旋区。然后，碱基配对区沿着DNA分子延伸形成双链DNA分子。DNA复性后，变性引起的性质改变也得以恢复。2.核酸杂交复性作用表白了变性分开的两个互补序列之间的反映。复性的分子基础是碱基配对。因此，不同来源的核酸变性以后，合并在一起，只要这些核酸分子具有可以形成碱基互补配对的序列，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，形成杂化双链，这个过程称为杂交。不同来源的DNA可以杂交，DNA与RNA、RNA与RNA之间也可以杂交。若标记一个已知序列的核酸，通过杂交反映就可以拟定待测核酸是否具有与之相同的序列。这种标记的核酸称为探针。由此发展出的分子杂交技术己成为分子生物学研究中不可缺少的基本技术，如Southern印迹（DNA-DNA杂交）、Northern印迹（DNA-RNA杂交）技术。理解应用4RNA结构与功能1.mRNA遗传信息从DNA分子抄录到RNA分子的过程称为转录（transcription）。从DNA分子转录的RNA分子中，有一类可作为蛋白质生物合成的模板，称为信使RNA(mRNA)。mRNA约占细胞RNA总量的1%～5%。mRNA种类很多，哺乳类动物细胞总计有几万种不同的mRNA。mRNA的分子大小变异非常大,小到几百个核苷酸，大到近2万个核苷酸。mRNA一般都不稳定，代谢活跃，更新迅速，寿命较短。原核生物和真核生物的mRNA结构不完全同样，下面分别介绍。(1)真核生物mRNA结构的特点①5'–末端有帽子(cap)结构。所谓帽子结构就是5'–端第1个核苷酸都是甲基化鸟嘌呤核苷酸，它以5'–端三磷酸酯键与第2个核苷酸的5'–端相连，而不是通常的3'，5'–磷酸二酯键。帽子结构中的核苷酸大多数为7–甲基鸟苷(m7G)。帽子结构的功能是保护mRNA免受核酸酶从5′–端开始对它的降解，并且在翻译中起重要作用。②3'–端绝大多数均带有多聚腺苷酸(polyA)尾巴,其长度为20～200个腺苷酸。PolyA尾巴是以无模版的方式添加的，由于在基因的3'–端并没有多聚腺苷酸序列。PolyA尾巴可以增长mRNA的稳定性、维持mRNA的翻译活性。③分子中也许有修饰碱基,重要是甲基化,如m6A。④分子中有编码区与非编码区。非编码区(UTR)位于编码区的两端，即5'–端和3'–端。真核mRNA5'UTR的长度在不同的mRNA中差别很大。5'非编码区有翻译起始信号。有些mRNA3'–端UTR中具有丰富的AU序列，这些mRNA的寿命都很短。因此推测3'–端UTR中丰富的AU序列也许与(2)原核生物mRNA结构的特点①原核生物mRNA往往是多顺反子，即每分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中具有核糖体辨认、结合部位。在5'–端和3'–端也有非编码区。②mRNA5'–端无帽子结构，3'–端一般无多聚A尾巴。③mRNA一般没有修饰碱基，其分子链不被修饰。2.tRNA转运RNA(tRNA)的作用是在蛋白质合成过程中按照mRNA指定的顺序将氨基酸运送到核糖体进行肽链的合成。细胞内tRNA种类很多，每种氨基酸至少有一种相应的tRNA与之结合，有些氨基酸可由几种相应的tRNA携带。tRNA约占总RNA的15%，大部分tRNA都具有以下共同特性：(1)tRNA是单链小分子，由73～93个核苷酸组成。(2)tRNA具有很多稀有碱基，每个分子中约有7～15个稀有碱基，其中有些是修饰碱基，是在转录后经酶促修饰形成的。在修饰碱基中，甲基化的A、U、C和G较多。甲基化可防止碱基对的形成，从而使这些碱基易与其它分子反映。甲基化也使tRNA分子有部分疏水性，在与氨基酰tRNA合成酶及核糖体反映时比较重要。(3)tRNA的5'–末端总是磷酸化，5'–末端核苷酸往往是pG。(4)tRNA的3'–端是CpCpA-OH这一序列是tRNA结合和转运任何氨基酸而生成氨基酰tRNA时所必不可少的，激活的氨基酸连接于此3'–末端羟基上。(5)tRNA分子中约半数的碱基通过链内碱基配对互相结合，形成双螺旋，从而构成tRNA的二级结构，形状类似于三叶草，含4个环和4个臂。涉及二氢尿嘧啶环(DHU环)、可变环（或称附加叉）、TC环（在tRNA第54～56位是TC）和反密码环（由7个碱基组成，其中中间3个碱基构成反密码子）。(6)tRNA的三级结构是倒L型。3.rRNA核糖体RNA(rRNA)是细胞内含量最丰富的RNA，约占细胞总RNA的80%以上。它们与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场合。各种原核细胞核糖体的性质及特点极为相似。大肠杆菌核糖体的分子量约为2,700kd，直径约为200Å，沉降系数为70S,由50S和30S两个大小亚基组成。真核细胞的核糖体较原核细胞核糖体都大得多。真核细胞核糖体的沉降系数为80S，也是由大小两个亚基构成。40S小亚基含18SrRNA及30多种蛋白质，60S大亚基含3种rRNA(28S，5.8S，5S)以及大约45种蛋白质。核糖体的这些rRNA以及蛋白质折叠成特定的结构，并具有许多短的双螺旋区域。三、酶理解应用1酶的催化作用酶是生物催化剂，对生命活动是必不可少的。生物体内新陈代谢的一系列复杂化学反映几乎均是由酶催化的，没有酶就没有新陈代谢，也就没有生命活动。1.酶的分子结构与催化作用(1)酶的分子组成与其它蛋白质同样，化学本质为蛋白质的天然酶，可分为单纯蛋白质的酶、结合蛋白质的酶两类。单纯蛋白质的酶完全由–氨基酸按一定的排列顺序组成，如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶和核糖核酸酶等。牛胰核糖核酸酶就是一条由124个氨基酸残基组成的多肽链。体内大多数酶属于结合蛋白质的酶类。结合蛋白质的酶类除由氨基酸构成的蛋白质部分外，还具有其它小分子有机化合物或金属离子构成的辅助因子。根据辅助因子与酶蛋白结合的牢固限度不同，又分为辅基或辅酶。酶的蛋白质部分称为酶蛋白，酶蛋白与辅助因子组合成全酶。辅基与酶蛋白结合牢固，不能用透析、超滤等简朴的物理化学方法使之分开。辅酶与酶蛋白以非共价键结合，可用上述方法使之与酶蛋白分离。体内酶的种类很多，而辅酶的种类却很少。一般来说，一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合，形成一种特异性的酶，而一种辅助因子则可与不同的酶蛋白结合，形成多种特异性的酶，催化各种特异的化学反映。例如，辅酶I(NAD+)为传递氢原子和电子的辅酶，参与氧化还原反映。NAD+可作为多种脱氢酶的辅酶，如L-乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、L–谷氨酸脱氢酶等数十种脱氢酶均以NAD+为其辅酶。绝大多数辅酶成分中均具有不同的B族维生素。辅基大多为金属离子，如Zn2+为糜蛋白酶的辅基，K+为丙酮酸激酶的辅基，但也有以其它有机化合物，如卟啉类为辅基的。对结合（蛋白质的）酶类而言，决定酶反映特异性的是酶蛋白部分，辅助因子参与酶蛋白催化的反映，直接与电子、原子或某些化学基团的传递或连结有关。(2)酶的活性中心酶是具有一定空间结构的蛋白质或多肽链。虽然酶分子表面有许多由氨基酸提供的化学基团，但其中只有一小部分基团与酶的催化作用直接有关。酶分子中与酶活性有关的化学基团称为必需基团。这些必需基团与维持酶分子的空间构象有关。酶分子中必需基团在空间位置上相对集中所形成的特定空间结构区域，是酶发挥催化作用的关键部位，称为酶的活性中心。活性中心可与底物特异结合，将底物转化为产物。组成活性中心的必需基团称为活性中心内的必需基团，大多由肽链上远离的氨基酸残基提供，经肽链折叠，使之在空间位置上互相接近，构成活性中心。在结合酶类中，辅基、辅酶也多参与活性中心的组成。尚有些必需基团不参与活性中心组成，为维持活性中心空间构象所必需，是活性中心外的必需基团。常见的必需基团有组氨酸的咪唑基，丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基，以及谷氨酸的γ-羧基。当酶蛋白变性时，肽链展开，活性中心被拆散，酶的活性也因而丧失。2.酶促反映的特点酶是一类生物催化剂，遵守一般催化剂的共同规律。例如，它只能催化热力学上允许进行的反映，而不能催化热力学上不能进行的反映，即不能新生反映；酶的作用只能使反映加速达成平衡点，而不能改变平衡点；反映前后酶的质量不变。这些都是酶与一般催化剂相同之处。但是，酶也具有与一般催化剂不同的特点。(1)极高的催化效率酶的催化效率通常比一般催化剂高106～1012倍。碳酸酐酶可催化H2CO3→H2O+CO2，其加速反映的数量级可达107倍，每分子酶每秒钟可转化40万分子的底物(H2CO3)。酶的高效催化是通过减少反映所需的活化能实现的。这是由于，即使在热力学上允许进行的反映中，也只有那些能量较高的活泼分子才有也许进行化学反映。这些能量较高的分子称为活化分子，他们是在反映体系中通过度子–分子互相作用（碰撞）从其它分子获能的。使分子从基础状态达成活化分子所需要的能量称为活化能。活化能高低决定反映体系活化分子多少，即决定反映速度。欲加速反映进行，或外加能量（如加热），或减少反映所需的活化能。酶就是通过减少活化能加速化学反映的。由底物的起始态转变成产物的终止态的过程中，非酶促反映所需活化能较高，反映较难实现。在酶促反映中，底物一方面与酶结合成中间产物，过渡态的中间产物再分解生成产物，并释出酶。此两步所需的活化能均低于非酶促反反映所需的活化能，因而反映易于进行。据计算，在25oC时，活化能每减少4.184kJ/mol(lkcal/mol)，反映速度可增长5.4倍。酶正是通过大幅度减少活化能加速反映的。(2)高度的特异性一般催化剂常可催化同一类型的多种化学反映。如H+可催化蛋白质、脂肪、淀粉等多种不同物质的水解，对底物的结构规定不甚严格，甚至很不严格；同时其反映产物也常多种多样。但酶促反映则不然，如淀粉酶只能水解淀粉，而不能水解蛋白质和脂肪。蛋白酶只能水解蛋白质，并且通常也只能水解由特定氨基酸构成的肽键。所以，酶促反映对底物有一定的选择性，所催化的反映通常也只限于一种特定类型，生成特定的产物。换句话说，一种酶只能作用于一种或一类化合物，催化进行一种类型的化学反映，得到一定的产物，这种现象称为酶的特异性。各种酶所规定的特异性严格限度不一，有的酶只能作用于一种特定结构的底物，进行一种专一的反映，生成一种特定结构的产物，称之为绝对特异性，如脲酶只能催化尿素水解为CO2和NH3，但不能催化甲基尿素水解。另一类酶则特异性较差，可作用于结构类同的一类化合物或化学键，如磷酸酶对一般的磷酸酯都能水解，不管是甘油磷酸酯、葡萄糖磷酸酯或酚磷酸酯，这类酶属于相对特异性。尚有一类酶则系立体异构特异性，即它只能催化一种立体异构体进行反映，或其催化的结果只能生成一种立体异构体。如体内合成蛋白质的氨基酸均为L型，所以体内参与氨基酸代谢的酶绝大多数均只能作用于L型氨基酸，而不能作用于D型氨基酸。(3)酶促反映具有可调节性酶促反映受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。例如，酶与代谢物在细胞内的区域化分布和进化过程中基因分化形成的各种同工酶使各组织器官、各亚细胞结构具有各自的代谢特点。酶原的激活使酶在合适的环境被激活和发挥作用。代谢物通过对代谢途径中关键酶、变构酶的克制与激活和对酶的共价修饰，对酶活性进行快速调节。酶生物合成的诱导与阻遏、酶降解速率的调节可发挥对酶活性的长期调节作用。3.酶–底物复合物酶在发挥催化作用前，需与底物密切结合。这种结合是酶与底物结构的互相诱导、互相形变、互相适应的过程，这种解释酶与底物互相作用的学说称为诱导契合学说。换句话说，酶分子的构象与底物的结构本来并不完全吻合；只有当底物与酶接近时，结构上才互相诱导适应，酶与底物的结构均发生形变，更密切地多点结合。同时，酶在底物的诱导下，其活性中心进一步形成，并与底物受催化袭击的部位密切靠近，形成酶-底物中间复合物。这种互相诱导的形变还可使底物处在不稳定状态，易受酶的催化袭击。这种不稳定状态的底物，称为过渡态。在设计酶的克制剂时，最有效的克制剂莫过于过渡态类似物，这为药物设计开辟了一个新的方向。理解应用2辅酶与酶辅助因子1.维生素与辅酶的关系许多酶的辅酶都具有维生素，特别是B族维生素。表1-2列举了一些维生素在辅酶中的作用。表1-2辅酶的种类及其作用辅酶缩写名转移基团所含维生素成分焦磷酸硫胺素TPP醛基B1黄素腺嘌呤二核苷酸FAD氢原子B2黄素单核苷酸FMN氢原子B2辅酶I/辅酶IINAD+/NADP+H+，电子尼克酰胺辅酶ACoASH酰基遍多酸磷酸吡哆醛氨基B6辅酶B12氢原子及烷基B12生物素CO2生物素四氢叶酸一碳基团叶酸辅酶QCoQ氢原子辅酶Q硫辛酸酰基硫辛酸2.辅酶作用辅助因子参与酶的活性中心，决定酶促反映的性质。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物，根据其与酶蛋白结合的紧密限度可分为辅酶与辅基。多种辅酶的组成成分中均具有不同的B族维生素，例如构成NAD+的维生素是尼克酰胺。一般来说，一种酶蛋白能与一种辅助因子结合成为专一性的酶，而一种辅助因子可与不同的酶蛋白结合以构成许多专一性不同的酶。如含锌的碳酸酐酶及羧基肽酶A，含辅酶I的各种脱氢酶等。如此看来，在结合酶类，决定酶的高度专一性和高效率的是酶蛋白部分，而辅助因子参与酶蛋白催化的反映，往往直接与电子、原子或某些化学基团的传递或连结有关，因而也是酶作用的必要组成部分。小分子有机化合物构成的辅酶有铁卟啉和B族维生素及其衍生物如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+，辅酶I)及黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等。它们在催化反映中，重要起着运载体的作用。氧化还原酶类的辅助因子如NAD+、FAD、铁卟啉等，运载氢原子及电子。其它酶类的辅助因子，尚有运载CO2的生物素，运载酰基的辅酶A等。3.金属离子作用金属离子构成辅基，如Zn2+为糜蛋白酶的辅基，K+为丙酮酸激酶的辅基等。以金属离子为辅助因子的酶有两类，一类在纯化过程中，金属一直保存与酶蛋白结合，称为金属酶类。如羧基肽酶含Zn2+，黄嘌呤氧化酶含Mo3+等。另一类乃金属与酶蛋白结合不牢固，纯化过程中易丢失，需加入金属方具有酶活性。如激酶催化反映必需有Mg2+的存在等。此类酶多称为金属活化酶类理解应用3酶促反映动力学1.Km和Vmax的概念假如我们用底物浓度对反映速度作图可以看出酶促反映呈双曲线型，即当底物浓度很低时，反映速度(V)随着底物浓度([S])的增高，成直线比例上升。而当底物浓度继续增高时，反映速度增高的趋势逐渐缓和。一旦当[S]达成相称高时，反映速度不再随[S]的增高而增高，达成了极限最大值，称最大反映速度(Vmax)。当反映速度为最大反映速度一半时的[S]为Km值，Km值亦称米氏常数，为酶的特性性常数。不同的酶Km值不同，同一种酶对不同底物有不同的Km值。各种同工酶的Km值不同，也可借Km以鉴别之。上述反映过程通过数学推导可得出一方程式，即米氏方程：2.最适pH值和最适温度酶活性受其所在环境pH的影响而有显著差异。其因素是酶的催化作用重要决定于活性中心及一些必需基团的解离状态，有的需呈正离子状态，有的需呈负离子状态，有的则应处在不解离状态，这就需要一定的pH环境使各必需基团处在适当的解离状态，使酶发挥最大活性。通常只在某一pH时，其活性最大，此pH值称为酶的最适pH。pH偏离最适pH时，无论偏酸或偏碱，都将使酶的解离状况偏离最适状态，使酶活性减少。各种酶的最适pH不同，但大多为中性、弱酸性或弱碱性。少数酶的最适pH远离中性，如胃蛋白酶的最适pH为l.5，胰蛋白酶的最适pH为7.8。酶对温度的变化极敏感。若自低温开始，逐渐增高温度，则酶反映速度也随之增长。但到达某一温度后，继续增长温度，酶反映速度反而下降。这是由于温度对酶促反映有双重影响。高温度一方面可加速反映的进行，另一方面又能加速酶变性而减少有活性酶的数量，减少催化作用。当两种影响适当时，即既不因温度过高而引起酶损害，也不因过低而延缓反映进行时，反映速度最快，此时的温度即为酶的最适温度。温血动物组织中，酶的最适温度一般在37oC～40oC之间。仅有很少数酶能耐受较高的温度，例如，TagDNA聚合酶在90oC以上仍具有活性。尚有些酶，在较高温度下虽然不表现活性，但却表现为热稳定性，如胰蛋白酶在加热到l00oC后，再恢复至室温，仍有活性。大多数酶加热到60oC已不可逆地变性失活。酶的最适温度与酶反映时间有关。若酶反映进行的时间短暂，则其最适温度也许比反映进行时间较长者高。理解应用4克制剂对酶促反映的克制作用有些物质（不涉及蛋白质变性因子）能减弱或停止酶的作用，此类物质称为酶的克制剂。克制剂多与酶的活性中心内、外的必需基团结合，克制酶的催化活性。假如能将克制剂去除，酶仍表现其原有活性。1.不可逆克制作用克制剂与酶活性中心的必需基团形成共价结合，不能用简朴透析、稀释等方法除去，这一类克制剂称为不可逆性克制剂，所引起的克制作用为不可逆性性克制作用。化学毒剂，如农药1059、敌百虫等有机磷制剂即属此类。它们的杀虫或机体中毒作用重要是特异地与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合，使酶失活。乙酰胆碱不能被失活的胆碱酯酶水解而蓄积，引起迷走神经连续兴奋发生中毒症状。2.可逆性克制克制剂以非共价键与酶或中间复合物发生可逆性结合，使酶活性减少或消失，应用简朴的透析、稀释等方法可解除克制，这种克制剂称为可逆性克制剂。可逆性克制剂引起的克制作用为可逆性克制作用。可逆性克制作用的类型可分为下列三种。(1)竞争性克制有些可逆性克制剂与底物结构相似，能和底物竞争酶的活性中心，使酶不能与底物结合，克制酶促反映，称为竞争性克制。这类克制剂称为竞争性克制剂。由于克制剂与酶的结合是可逆的，所以酶促反映克制限度取决于底物、克制剂与酶的亲和力及两者浓度的相对比例。在竞争性克制过程中，若增长底物的浓度，则竞争时底物占优势，克制作用可以减少，甚至解除，这是竞争性克制的特点。例如，琥珀酸脱氢酶可催化琥珀酸的脱氢反映，却不能催化丙二酸或戊二酸发生脱氢反映。但两者与琥珀酸结构类似，均为琥珀酸脱氢酶的竞争性克制剂。又如，磺胺类药物对多种细菌有克制作用。这是由于细菌的生长繁殖有赖于核酸的合成，而磺胺药的结构与核酸合成时所需的四氢叶酸中的对氨基苯甲酸结构相似性，因而能与相应的酶竞争结合，克制细菌。当[S]足够高时，相对地而言，竞争性克制剂对酶的竞争性作用可忽略不计，此时几乎所有的酶分子均可与底物相作用，故仍可达成最大反映速度（Vmax）。然而，由于竞争性克制剂的干扰，为达成无克制剂存在时的反映速度，其所需的[S]将会升高；即在竞争性克制剂存在时，酶与底物的亲和力下降，即Km值变大。(2)非竞争性克制有些非竞争性克制剂可与活性中心外的必需基团结合，而不影响底物与酶的结合，两者在酶分子上结合的位点不同。这样形成的酶-底物-克制剂复合物不能释放产物，这种克制作用不能用增长底物的浓度消除克制，故称非竞争性克制。由于克制剂不影响酶对底物的亲和力，故其Km值不变。但由于它与酶、ES复合物结合，等于减少了活性酶分子或酶分子总量，使Vmax减少。(3)反竞争性克制此类克制剂与非竞争性克制剂不同，它只能与酶-底物复合物结合，而不与游离酶结合。当ES与克制剂结合后，能生成产物的ES减少，Vmax减少，这种克制作用称为反竞争性克制。由于ES除了转变成产物外，又多了一条生成“废品”ESI的去路，使E与S的亲和力增大，即其Km变小。现将三种可逆性克制作用总结于表1-3。表1-3三种可逆性克制作用比较作用特性无克制剂竞争性克制非竞争性克制反竞争性克制与I结合的组EE、ESES动力学参数表观KmKm增大不变减小最大速度不变减少减少【试题】Km值是指反映速度为0.5Vmax时的A.酶浓度B.底物浓度C.克制剂浓度D.激活剂浓度E.产物浓度【解析】答案：B本试题“考底物浓度对酶促反映速度的影响”，Km值是米氏常数，指的是当酶促反映速度达成0.5Vmax时的底物浓度。理解应用5酶活性的调节1.别构调节一些小分子物质能与酶的调节部位或亚基以非共价键相连，使酶的空间构象发生改变，从而使酶的活性发生改变，这种被调节的酶称为别构酶，这种调节方式称为别构调节。前面讨论的酶促反映动力学适合大多数酶促反映。在研究各种酶的反映动力学时，尚发现有很多酶催化的反映动力学不符合米-曼方程。这类酶分子含调节位点或调节亚基，可与一些调节剂结合，改变酶活性。这些酶的调节剂结合位点与底物在酶上的结合位点不同。当调节剂与酶结合后，酶的空间构象发生变化，故称为别构酶。通常，细胞内的相关的代谢反映组合成代谢途径，参与某一代谢途径的多种酶可依次将代谢物逐步转变，最后生成产物。代谢途径中有些酶就属于别构酶，其活性受一些小分子物质、如代谢产物的别构调节，从而调控整个代谢途径的速度和方向。在多数情况下，代谢途径中的第一个酶，或处在几条代谢途径交汇点的酶，多为别构酶。当后续产物(常为终产物)堆积时，它们可作为别构调节剂，克制上游的别构酶。别构酶也可接受产物匮乏的信号刺激被激活。别构调节剂与酶的结合属于非共价结合，适应快速调节的需要。别构酶常由多亚基组成，有的亚基为催化亚基，有的亚基为调节亚基。以底物作为别构激动剂为例，当底物与第一个调节亚基结合后，可引起其余亚基构象的变化，使它们更易于与底物结合并进行催化反映，此称为正协同效应(激活效应)，反之则为负协同效应(克制效应)。它们的反映动力学曲线呈“S”状，而非矩形双曲线。“S”状曲线是各亚基间协同效应的反映。别构酶的别构调节是酶活性调节的形式之一。2.共价修饰被调节的酶在另一种酶的催化下，发生共价修饰，从而引起酶活性变化，称酶的化学修饰，又称共价修饰。化学修饰调节的特点：(1)调节酶所发生的共价修饰有多种形式，如磷酸化、甲基化、乙酰化等，其中以磷酸化修饰为最多见。(2)化学修饰的酶促反映进行较快，因此调节效应发生也较快。(3)调节酶在酶催化下所发生的化学修饰是不可逆反映。假如逆行（去修饰），需在另一种酶催化下方可进行。(4)酶分子发生共价修饰后或引起亚基（亚单位）的聚合或解聚，或改变酶分子与其它互相作用分子的辨认、结合能力，影响代谢信号通路功能。(5)此类酶所催化的反映较别构酶广泛，可以是限速反映，也可以是限速反映以外反映。(6)由于这类酶发生的共价修饰属酶促反映，催化效率高，此外一种化学修饰调节的酶常与其它化学修饰酶组合在一起，形成级联反映，所以有放大效应，也使代谢调节变得更加精细、准确。化学修饰调节在代谢途径调节的信号通路中具有广泛的意义。化学修饰调节重要以放大效应调节代谢强度为重要作用，而别构调节大多以影响关键酶(代谢转折点的酶)使代谢发生方向性的变化。它们的作用是相辅相成的，不可截然划分。有时这两种调节方式并存。有些酶可被别构调节与化学修饰双重调节。3.酶原激活多数酶合成后即具活性，但有少部分酶在细胞内合成后并无活性，这类无活性的酶的前体，称为酶原。当酶原被分泌出细胞，在蛋白酶等的作用下，通过一定的加工剪切，使肽链重新折叠形成活性中心，或暴露出活性中心。由无活性的酶原变成有活性酶的过程称为酶原激活。例如，胰腺合成的糜蛋白酶原无蛋白水解酶活性；当它分泌流入肠中后，受胰蛋白酶的激活，中间切除两段二肽，形成三条肽段，重新折叠，将必需基团集中形成活性中心，糜蛋白酶原从而被激活。酶原激活具有重要的生理意义。一方面保护细胞自身的蛋白质不受蛋白酶的水解破坏，另一方面保证合成的酶在特定部位和环境中发挥生理作用。例如，胰腺合成糜蛋白酶是为帮助肠中食物蛋白质的消化。设想在胰腺中一旦合成的糜蛋白酶即具活性，就可使胰腺自身的组织蛋白质水解。急性胰腺炎就是由于胰腺中的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原就地被激活所致。血液中通常存在的凝血酶原不会在血管中引起凝血。只有当出血时，血管内皮损伤暴露的胶原纤维所含的负电荷活化了凝血因子XII，进而将凝血酶原激活成凝血酶，使血液凝固，以防止大量出血。4.同工酶概念在体内并非所有具有相同催化作用的酶，都是同一种蛋白质。在不同器官中，甚至在同一细胞内，经常具有几种分子结构不同、理化性质迥异、但却可催化相同化学反映的酶。这类具有相同催化功能，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质各不相同的一组酶称为同工酶。乳酸脱氢酶(LDH)是由4个亚基组成的蛋白质。组成LDH的亚基有两种类型，一种是重要分布在心肌的H型亚基，另一种是分布于骨骼肌、肝的M型亚基。存在于心肌中的重要LDH由4个H亚基构成（LDH1），存在于骨骼肌、肝中的重要由4个M亚基构成(LDH5)。在其它不同组织中所存在的LDH中，H亚基与M亚基组成比例各有不同，可组成H4(LDH1)、H3M(LDH2)、H2M2(LDH3)、HM3(LDH4)及M4(LDH5)5种LDH同工酶。这一顺序也是它们向正极电泳速度递减的顺序，可借以鉴别这5种同工酶。这5种同工酶在各器官中的分布和含量不同，各器官组织都有其各自特定的分布酶谱。心肌富含H4，故当急性心肌梗塞时或心肌细胞损伤时，细胞内的LDH释入血中，同工酶谱分析表现为理解应用6核酶核酶的概念核酶（ribozyme）是具有催化活性的RNA，又称催化性RNA（catalyticRNA）。对核酶的发现，在理论上和实际应用上有着重大的意义，在生命起源理论上，能较好地解释自然界中先有核酸，还是先有蛋白质的问题，对于生命起源和生命进化的研究有着重要的启示；在实践上，由于核酶有内切酶的活性，切割位点高度特异，因此，可以用来切割特定的基因转录产物。只要设计时使核酶的配对区碱基与要被其降解的mRNA有合适的配对，就能进行特意切割，从而破坏了mRNA，克制了基因表达。这为基因功能研究、病毒感染和肿瘤的治疗提供了一个可行的途径和非常有希望的前景。四、糖代谢糖是自然界存在的一大类有机化合物，其化学本质为多羟基醛，或多羟基酮及其衍生物或多聚物。在糖代谢中，葡萄糖代谢居重要地位。人体内所有组织细胞都可运用葡萄糖，人体约50%～70%的能量由糖代谢提供。葡萄糖可转变为多种非糖物质，某些非糖物质亦可转变为葡萄糖。糖的生理功能是为机体生命活动提供能量、参与组成人体组织结构，例如糖蛋白和糖脂是细胞膜的重要组成成分等。糖还可以构成体内多种重要的生物活性物质。理解应用1糖的分解代谢1.糖酵解基本途径、关键酶和生理意义在缺氧状态下，葡萄糖生成乳酸的过程称为糖的无氧酵解（简称糖酵解）。糖酵解的代谢过程可分为三个阶段：第一阶段涉及葡萄糖转变成3–磷酸甘油醛，此阶段需要ATP；第二阶段为3–磷酸甘油醛转变为丙酮酸，在此阶段中有ATP的生成；第三阶段为丙酮酸还原为乳酸。糖酵解的所有反映过程均在胞浆中进行。第一阶段：磷酸丙糖的生成(1)葡萄糖磷酸化为6–磷酸葡萄糖，催化此反映的酶是己糖激酶（肝内为葡萄糖激酶），由ATP提供磷酸基和能量，这一步是不可逆反映。(2)6–磷酸葡萄糖转变为6–磷酸果糖，反映可逆。(3)6–磷酸果糖转变为1，6–双磷酸果糖，是第二个磷酸化反映，由6–磷酸果糖激酶–1催化，为不可逆反映。(4)6碳的1，6–双磷酸果糖裂解为2分子可以互变的磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，两者称为磷酸丙糖，反映可逆。第二阶段：丙酮酸的生成(5)3–磷酸甘油醛氧化为1，3–二磷酸甘油酸，生成1分子NADH+H+和具有一个高能磷酸键的1，3–二磷酸甘油酸。(6)1，3–二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，生成1分子ATP。这种底物上的高能磷酸键转移给ADP成为ATP的过程称为底物水平的磷酸化作用。(7)3–磷酸甘油酸转变为2–磷酸甘油酸，反映可逆。(8)2–磷酸甘油酸转变为具有高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸，反映可逆。(9)磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸，由丙酮酸激酶催化，有ATP生成。反映不可逆。第三阶段：丙酮酸还原为乳酸(10)丙酮酸接受在上述反映（反映5）生成的NADH+H+，还原为乳酸。反映可逆。糖酵解的关键酶是己糖激酶（肝内为葡萄糖激酶）、6–磷酸果糖激酶–1和丙酮酸激酶。这三种酶是糖酵解途径的限速酶，其活性可受别构效应剂和激素的调节。限速酶活性的高低决定着糖酵解的速度和方向。糖酵解的生理意义在于当机体缺氧或进行剧烈运动导致肌肉血流相对局限性时，能量重要通过糖酵解获得。成熟红细胞没有线粒体，需完全依靠糖酵解供应能量。神经、白细胞、骨髓等组织细胞代谢极为活跃，在有氧情况下也常由糖酵解提供部分能量。2.糖有氧氧化基本途径及供能酵解途径产生的丙酮酸在缺氧状态下还原为乳糖。在有氧状态下，酵解产生的NADH+H+进入线粒体，经电子传递链的氧化作用生成H2O，并生成ATP，同时，丙酮酸也进入线粒体，经氧化脱羧生成乙酰CoA。后者进入三羧酸循环彻底氧化成CO2、水并释放能量。葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳并产生大量能量的过程称为有氧氧化。有氧氧化是糖氧化的重要方式，体内绝大多数细胞都要通过此途径获得能量。糖的有氧氧化可分为三个阶段。第一阶段：葡萄糖在胞液经糖酵解途径分解成丙酮酸。第二阶段：丙酮酸由胞液进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA。第三阶段：在线粒体内，乙酰CoA进入三羧酸循环被彻底氧化。(1)葡萄糖分解成丙酮酸，反映环节同糖的无氧酵解，反映过程中生成的NADH+H+被转运进线粒体，通过呼吸链将其中的2个氢氧化成水，并生成ATP。(2)丙酮酸的氧化脱羧，生成乙酰CoA。此反映由丙酮酸脱氢酶复合体催化。(3)乙酰CoA进入三羧酸循环被彻底氧化。这个循环以乙酰CoA和草酰乙酸缩合成具有三个羧基的柠檬酸开始，故称为三羧酸循环。三羧酸循环的反映过程如下：①乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸，反映由柠檬酸合酶催化。②柠檬酸转变成异柠檬酸。③异柠檬酸转变成α–酮戊二酸，反映由异柠檬酸脱氢酶催化。④α–酮戊二酸氧化脱羧生成具有高能硫酯键的琥珀酰CoA，反映由α–酮戊二酸脱氢酶复合体催化。⑤琥珀酰CoA转变为琥珀酸，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解，生成GTP，反映可逆。这是底物水平磷酸化的又一例子。⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸，由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶是FAD。⑦延胡索酸生成苹果酸。⑧苹果酸生成草酰乙酸和NADH++H+。这是三羧酸循环的最后一步反映，反映可逆。三羧酸循环的关键酶是：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α–酮戊二酸脱氢酶复合体。3.三羧酸循环的生理意义三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质最终氧化的共同途径；是糖、脂、某些氨基酸代谢联系和互变的枢纽；是体内产生CO2和能量的重要机制之一。1摩尔乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化可生成10摩尔ATP,1摩尔葡萄糖在体内经有氧氧化彻底分解（代谢）可净生成30或32摩尔ATP。理解应用2糖原的合成与分解糖原是动物体内糖的储存形式。肝和肌肉是贮存糖原的重要组织器官，但肝糖原和肌糖原的生理功能有很大不同。肌糖原重要为肌肉收缩提供能量，肝糖原则是血糖的重要来源，这对于一些依赖葡萄糖作为能源的组织，如脑、红细胞等尤为重要。1.肝糖原的合成葡萄糖合成糖原的过程称为糖原合成。进入肝的葡萄糖先在葡萄糖激酶的作用下磷酸化成为6–磷酸葡萄糖，再转变为1–磷酸葡萄糖。1–磷酸葡萄糖与尿苷三磷酸（UTP）反映生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）。在糖原合酶的作用下，UDPG的葡萄糖基转移到糖原引物上形成糖苷键，使糖原增长一个葡萄糖单位。上述反映反复进行，可使糖链不断延长。糖原的合成还需要分枝酶的参与。糖原合成的限速酶是糖原合酶。从葡萄糖合成糖原是一个耗能过程。2.肝糖原的分解糖原分解习惯指肝糖原分解为葡萄糖。在糖原磷酸化酶的作用下从糖原分子上分解下1个葡萄糖基，生成1–磷酸葡萄糖。1–磷