中山大学生化课件中文译本

上学期

§1生物化学绪论和基础（郑利民）第一部分、静态生化一结构和催化作

§2氨基酸与蛋白质（李国富）用

§3蛋白质的结构（李国富）•第一节：氨基酸、多肽和蛋白质

§4蛋白质的功能（李国富）・第二节：蛋白质的三维结构

§5蛋白质研究的基本方法（李国富）•第三节：蛋白质的功能和分离纯化,

§6酶（李国富）测序

§7糖（李国富）•第四节：酶

§8核昔酸与核酸（李国富）•第五节：核昔酸和核酸

§9脂（李国富）•第六节：糖和糖生物学

§10生物膜与物质转运（李国富’）・第七节：脂类和生物膜

§11生物信号（郑利民）•第八节：微生物、抗生素和激素

§12生物体对环境应答的生化基础第二部分、动态生化一生物能学和代

（郑利民）谢

下学期•第九节：糖酵解和己糖的分解代谢

•第十节：三蝮酸循环

•第十一节：氧化磷酸化

・第十二节：糖异生和糖原代谢

•第十三节：脂肪酸的氧化及合成

•第十四节：蛋白质的降解和氨基酸

的氧化及合成

•第十五节：核酸的降解及核昔酸代

谢•第十八节：蛋白质的合成及转运

第三部分、分子生物学一信息途径•第十九节：基因表达的调控

•第十六节：DNA的复制、修复和重•第二十节：基因工程及蛋白质工程

组

•第十七节：RNA的合成加工和遗传

密码

历年考研真题&部分其它院校考研真题

三.复习重点和复习建议

很多考生认为生物化学的考试重点在下半册，也就是代谢部分，因此

往往忽略对上半册的复习。然而从我们中大生科院近六年（04—09）的研

究生入学考试试题来看，上半部分结构和催化约占280分"50分，即

37.3%；其中07、08年更是占了40%以上，所以大家一定要重视这部分。

在上半部分中，蛋白质的功能、蛋白质的分离纯化和酶为重点，80%

以上考题集中在这里。其实这与近年来由基因研究转向蛋白质的研究，大

家越来越重视蛋白质是密不可分的。因为代谢部分需要理解和记忆的东西

很多，比如各步反应底物、产物、酶和催化机制等等，所以学习起来有一

定的困难度。老师在授课时就难免会强调学习这部分时需要努力的重要性,

这就往往给我们造成错觉，认为这一部分是主要考点。实际上这部分在近

将（04—09）中大研究生入学考试试题中所占的比重只有190分"50分,

即25.3%。因为研究生学习来说，代谢这一部分的内容在大家以后的研究

生涯的中往往是很少接触到的。特别是中大生科院，除了微生物专业的一

位做工程菌的改造老师需要专业的代谢知识外，其它大部分研究者所做的

都是核酸蛋白，因此我们在研究生入学考试中，对代谢部分的考查并不多。

在代谢部分所占的25%左右的题目中，脂肪酸的代谢是重点，无论是

填空、判断还是问答都比较多，大家一定要注意。

至于第三部分，生物信息途径，也就是分子生物学，约为280分“50

分，即37.3%,与第一部分静态生物学所占比例差不多，而且在近年中大

研究生入学考试中所占的比例也有逐年增加的趋势，是复习的重点。

四.本讲义说明

本讲义以中山大学生科院本科生生物化学课程讲义为基础，整合了近

几年年暑期班的生化讲义、中山大学分子生物学课程讲义以及基因工程课

程讲义，力求涵盖到所有的考点。在理解的基础上，以关键词的方式记忆

所学内容是一种简便高效的方法，并且能够有效的加快复习进程。因此，

在我们的网络课程中，许多考点都以红色或蓝色字体加以标记，便于学员

记忆。正是因为如此，我们要讲的所有内容几乎都会在ppt上以文字或图

表的形式呈现给学员，因此当学员需要再度复习的时候，建议参考ppt即

可，毕竟全部都是文字的讲义是比较枯燥的。在本课程中，每一节后面还

给学员准备了一定量的练习题，这些题目部分出自中大本科生课程练习题

或期中期末考试题，部分出自其它院校的比较典型的考研题目，建议大家

认真练习。

在编制本讲义的过程中，虽然力求做到条理清晰、严谨正确、不失重

点，并也因此参考

了大量的相关资料•，但因为知识的局限和时间的紧迫，难免有所疏漏甚至

错误，希望学员批

评指正。

第一节.飘基歌、多肽打蛋白质

NonpolarAAsPolarAAs(hydrophilic)

aminoacid3lettercode1lettercodeserineSers

glycineGlyG

threonineThrT

alanineAlaA

cysteineCysC

valineVaiV

tyrosineTyrY

leucineLeuL

isoleucineHeIasparagineAsnN

methionineMetMglutamineGinQ

phenylalaninePheF

tnotophanTroWElectricallyCharged

prolineProP

(positiveandhydrophilic)

日ectricallyChargedlysineLysK

(negativeandhydrophilic)arginineA吧R

histidineHisH

AspartateAspD

Yellowaminoacidscontainsulfur.Green

GlutamateGluEaminoacidscanbephosphorylated.

1氨基酸

1.1结构特征

・标准氨基酸：至少有一竣基（carboxyl）和一氨基连接在同一个碳原子

上（该碳原子称为a-碳原子）。

.注意，脯氨酸含亚氨基。

・构成蛋白质的氨基酸是20种标准氨基酸（可能含有非标准氨基酸，标

准氨基酸经修饰而形成的）。最近又发现了两种标准氨基酸。

.标准氨基酸中，1806年发现第一种氨基酸一一天冬酰胺，1938年发现

最后一■种-苏氨酸。

・a-碳采用sp3杂化，键角109.5°o

・a-碳是手性中心（大多数情况下，只有a-碳是手性中心；甘氨酸无手性,

因R基为H）o其绝对构型采用D,L系统，建立在L-甘油醛

（L-glyceraldehydes）和D-甘油醛的结构之上。

・D、L构型与其实际的旋光性无关。

・到目前为止在蛋白质中发现的氨基酸都是L的（酶的活性位点是不对称

的，即酶促反应是在手性环境下进行的），D仅存在于细菌细胞壁上的

短肽和抗生素小肽。

1.2分类

・非标准氨基酸是标准氨基酸的衍生物（derivative）。

・根据R基的不同性质将氨基酸进行分类，按其极性或在生理pH（近7.0）

下与水相互作用的趋势分为5类：非极性脂肪族、芳香族、极性不带电、

带正电（碱性）、带负电（酸性）。

・非极性脂肪族：甘氨酸、丙氨酸、缀氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、异亮氨

酸。（衣架凉鞋饼干=异亮、甲硫、亮、缀、丙、甘）

・芳香族：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。（食老本（粤语）=色、酪、苯

丙）

・极性不带电：丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷胺酰

胺。（诗书伴琴谱=丝、书、半胱、脯；天冻先安谷=天冬、酰胺、谷）

・带正电：赖氨酸、精氨酸、组氨酸。（组队来京晋见=组、赖、精、碱

性）

・带负电：天冬氨酸、谷氨酸。（天上的谷子很酸=天、谷、酸性、都是

氨酸）

.酪氨酸苯环上有羟基；丝氨酸和苏氨酸有羟基；半胱氨酸有筑基可成对

形成二硫键；组氨酸是唯一一个具接近的PL值电离侧链的氨基酸，常

作为质子供体和受体；天冬氨酸和谷氨酸都有两个竣基。

・含芳香族R基的氨基酸能强烈吸收紫外光，使许多蛋白质在1280nm1处

有特征性强烈吸收。

•

1.3化学属性

1.3.1滴定曲线（titrationcurves）

。氨基酸是两性物质。脱氢时先脱竣基再脱氨基。对于含单一a-竣基、a-

氨基和不离子化的氨基酸而言，|竣基脱氢后氨基脱氢前为等冠鼠

（isoelectricpoint）。pl=（pK1+pK2）/2

・只有组氨阂的R基（pKa=6.0）在中性pH下提供圆著缓沟能力。

・所有非末端残基的竣基、a-氨基共价形成了肽键，不发生离子化，对

于多肽总的酸碱行为无贡献。

1.3.2特征反应

•苗三酮能使氨基酸显蓝色（脯氨酸显黄色'

1.4氨基酸的分面

・可用离子交换前

2肽与蛋白质

2.1氨基酸链

・脱水缩合反应（condensationreaction）的自由能差为5kcal/mol,但国

法自发进行|。在标准生化条件下，平衡有利于向反应物移动。为使反应

在热力学上更为有利，竣基必须被化学修饰或活化，使羟基更易离去。

・|肽键极稳定|（虽水解时放能，但活化能高），在无催化剂存在的水溶液

中可维持1000年，在大多数细胞内环境下半衰期为7年。

・一般认为，少于50个氨基酸缩合成肽称寡肽，50〜100个的称多肽（或

相对分子质量低于10000）

・20种标准氨基酸的平均分子质量为138,但在蛋白质中，小分子量氨基

酸在数量上占优势,平均下来为128,脱水缩合时再脱去一分子水的18,

剩下|110。

・缩合时是从N-端开始的，因此在书写时习惯将N-端放在左边。

・短肽可构成神经递质、激素、抗生素等。

2.2辅基

・有些蛋白质除了氨基酸之外还含有其它尿久连接的基团(辅基，可以不

止有一个)，这样的蛋白称结合蛋白。辅基可以是脂类、糖类、金属等。

・脱去辅基的蛋白称apoprotein(脱辅基蛋白)

2.3物种间的蛋白同源性

.在不同物种中，氨基酸序列的一些特定位置总被相同的残基占据，这些

残基称不变残基。而另外一些位置则表现出可变性，这些残基称可变残

基。

・某些位置的替换大多发生在类似的残基间，称为保守替换。

•

3蛋白质的处理

3.1分离和纯化

•根据蛋白质的溶解性、分子量、带电性、亲和性(bindingaffinity)的不

同，可分离、纯化蛋白。柱层析就是利用这个原理来做的。|高效液相层

"PLC)利用高压泵加速蛋白质分子沿着柱子向下运动，通过减少过

柱时间，可限制蛋白质条带的扩散，提高分辨率。

«分离纯化的一般步骤：组织与匀浆(homogenization)好过滤(filtration)

玲粗提取(crudeextract)-＞盐析(saltingout)离心(centrifugation)

玲透析(dialysis)玲柱层析(columnchromatography)

・盐析常用硫酸铁，因其具有高度水溶性。可用透析法去除硫酸转厂

・分离纯化时，一般先选择廉价、简单的程序再选择昂贵、复杂的程序。

•离子交换层析(ion-exchangechromatography)：利用一定pH下不同蛋

白质|带电的种类愀但理存在差异,与柱介质上的离子结合力不同来做

的。柱有阴、阳离子交换树脂两种。

•大小排阻层析(size-exclusionchromatography):又称凝胶过滤

(gel-filtration),柱介质有选择孔径的聚合物。大的蛋白质比小的蛋白

质走得快(因小蛋白可以钻小孔，路径曲折)。

•亲和层析(affinitychromatography)：通过结合特异性来分离蛋白质。

柱介质上含有配体能特异性结合某些蛋白。

•疏水相互作用层析(hydrophobicinteractionchromatography)：根据不同

蛋白质的疏水性的强弱来做的。溶液中高离子强度可增强蛋白质与疏水

性柱介质之间的疏水作用，线性或阶段降低离子强度可选择性地将样品

解吸。

3.2电泳(electrophoresis)

・蛋白质电泳普遍在|聚丙烯酰胺凝画中进行。大体上按照蛋白质的|荷质出

来移动，|蛋白质的形状|对移动也有影响。

V7泳动速度空电荷

N=—=—=电泳移动性

Ef电势摩琼系数

,十二烷基磺酸钠电泳(SDS-PAGE)常用来估测蛋白质的纯度和分子量

SDS结合蛋白质的量基本与坦篁成正比，结合的SDS提供大量负电荷

使蛋白本身的电荷不明显，使荷质比相同，同时也改变蛋白质的构象呈

相同的形状，于是移动性完全由质量来决定（小蛋白比较快）。电泳后

再用考马斯亮蓝（Bradford法考马斯亮蓝G-250|与蛋白结合而不与胶

酝］在游离状态下呈红色；当它与蛋白质结合后变为青色。灵敏，

方便）染色。若蛋白含有亚基，则会被分开形成各个亚基的条带。

・等点聚焦电泳（IEF）用来确定蛋白质的等电点。通过低分子量的有机酸

碱混合物在外加电场的凝胶中分布形成一个pH梯度。于是蛋白质会移

动到与pl相等的pH处停下。

・双向电泳结合等点聚焦和SDS电泳，能提高分辨率。可分离相同分子量

而等电点不同的蛋白质，或相同等电点而分子量不同的蛋白质。

・电泳一般不用于纯化大量蛋白质，因电泳对蛋白质结构不利。

3.3测序（sequencing）

・测序的一般步骤：分析氨基酸组分〉打开二硫键（disulfidebond）3切

割长肽为短肽好短肽测序玲短肽排序玲定位二硫键。

・分析氨基酸组分：将肽链彻底水解（6mol/LHCI,110℃,24h）,后用离

子交换层析（或HPLC）分离，后根据吸收峰来确定组分和含量。

.打开二硫键：可用|过甲酸来氧化断键|,崛|二硫苏糖醇还原丽|再用阿

乙酸来乙酰化防止再度形成二硫键。

口肽链切割：用|澳化鼠|或惶百阑来切割。|胰蛋白酶切Lys,Arg（C）；胰凝

乳蛋白酶切Phe,Trp,Tyr（C）；胃蛋白酶切Phe,Trp,Tyr（N）；溟匕|

MWMet(C)o

・短肽测序：Edman法。

・短肽排序：比较多套片断，推理得出原来的完整序列。

・定位二硫键：将原来的蛋白样品作同样切割但不打开二硫键，然后电泳

比较，比较条带即可知道二硫键所在区域。

・现在很多氨基酸序列是通过分析其DNA序列来确定的。

3.4化学合成

・含150个氨基酸残基的短肽可被化学合成。

・化学合成的速率远低于生物合成。

3.5质谱法(massspectrometry)

・省略……自己看书去……

第二节,蛋白质的三瓶牯构

1蛋白质结构综述

・蛋白质折叠与非折叠状态的自由能差在20〜65kJ/mol之间。

•二硫键的强度虽比单独的弱的相互作用力(weakinteraction)强，不过

由于弱的相互作用力数量多，因此它才是维持蛋白质稳定的主要作用

力。它包括:氢键(hydrogenbond)、静电力(staticelectricalforce)>

范德华力(VanderWaalsforce)疏水相互作用力(hydrophobic

interaction)o

・蛋白质折叠的自由能降大部分来自于水的焙增加(疏水相互作用)。

・|折叠规律：疏水残基大部分埋在蛋白质内部远离水；氢键数最大而。

・肽键具四(rigid)和正画(planar)。肽键的C—N键不能自由旋转。

・C-N由于共振作用具有部分双键的性质。段基氧带部分负电荷，氮带

部分正电荷，形成小的电偶极子(electricdipole)o

2蛋白质的二级结构

2.1a螺旋(a-helix)

・每个螺旋含有3.6个氨基酸残基,螺距5.4A,每个氨基酸残基升高5.4+3.6

=1.5A,旋转100。。

・|目前已知的a-helix均为右旋

•a-helix最佳利用了内部氢键。

.形成a-helix的氨基酸必需手性相同。

・5个因素决定a-helix的稳定性：R基间的静电作用力；R基间的空间位

阻；相隔3〜4个残基的侧链间的相互作用力；脯氨酸(N为刚性环的

一部分不利螺旋)和甘氨酸(柔性)的出现:螺旋片断末端的氨基酸残

基相互作用和螺旋固有电偶(螺旋两端的4个残基不完全参与形成螺旋

氢键，C端带负电N端带正电)。

2.20折叠片'层(p-pleatedsheet)

•有反平行(antiparallel,C/N/NfC/C~>N交替出现)和平行(parallel,

CfN/C3N/C玲N)两种形式。反平行的自由能可能低一些，因氢键无

角度，强度更大。

.R基间距离约为3.5A。反平行构象的周期为7A,平行的为6.5A。

230转角(p-turn)

•包含4个氨基酸残基的180。转角。第一个残基的锻基氧和第四个残基的

氨基氢之间形成氢键，中间两个残基不参与残基内部氢键的形成。如反

平行的P-pleatedsheet末端是B-turn。(y转角是由3个氨基酸残基构成

的，相当少见。)

.甘氨酸和脯氨酸常出现于于turn中，因前者较小且具柔性，后者能异

构成顺式。

・B-turn常出现在蛋白质近表面，因中间两个残基的肽基团可以与水形成

氢键。

3蛋白质的三级结构(tertiarystructure)和四级结构(quaternarystructure)

.三级结构：一条肽链的空间结构或n条之间有共价键(二硫键)的肽链

的空间结构。

・四级结构：n条肽链，且之间不形成共价键。

3.1纤维蛋白(fibrousprotein)

•纤维蛋白一般为结构蛋白，提供力量和/或柔韧性。均不溶于水。

3.1.1a-角蛋白(a-keratin)

・a-角蛋白组成头发、毛绒、指甲、爪趾、刺、角、蹄和皮肤外层。

•a-角蛋白是后手a-helN，超卷曲(两条链)是左手的。超卷曲中a-角蛋

白方向平行。

■超卷曲中两条a-helix的接触面由疏水氨基酸残基组成，包括Phe、lie、

Vai、Met、Leu和Ala。R基相互啮合成规则的互锁模式。

•通常强度较大的a-角蛋白，含有较多3s,因可形成二硫键。如龟壳和

犀牛角约含18%的Cyso

•a-角蛋白具有弹性,可拉伸为原长度的2倍。

3.1.2胶原蛋白(collagen)

•胶原蛋白的二级结构非常独特，含有左手的a・cham(三股螺旋，不是

a-helix),一圈3个残基。3股a-chain形成右手三链螺旋。(a角蛋白中是

两股右手螺旋以左手的方式形成超螺旋，胶原蛋白有类似的三螺旋，但肽链自身是左手螺旋,

其三条肽链以右手螺旋的方式构成超螺旋，其2级结构称a-chein)

•胶原中的氨基酸序列大体上是三肽的重复结构，即Gly-X-Pro或

Gly-X-HyPro(X是任意氨基酸残基，HyPr。是羟脯氨酸)。

.只有Gly可以容纳于各个a-chain(左手螺旋)间非常紧密的连接中。

脯氨酸使胶原螺旋形成尖锐的扭曲。

・不存在链内氢键，只有链间氢键。

.每个氨基酸升高2.9A,约3个氨基酸为一圈。

•a-chain间和胶原分子间通过独特的田阶世交联，涉及Lys和HyLys(羟

脯氨酸)或His残基。

・胶原三股螺旋中的a-chain超卷曲产生的张力大于同截面的钢绳。

3.1.3丝心蛋白(silkfibroin)

・丝心蛋白由昆虫和蜘蛛产生，其多肽链以富含Gly和Ala的^pleated

sheet为主，其R基(-H^-CH3)可以交互排列、堆积紧密。

・整体结构的稳定由B-pleatedsheet肽链间的大量氢键和范德华力的优化

来维持。

.丝心蛋白已不可再拉伸,因0-pleatedsheet已经高度伸展。柔韧性高，

因片层的连接是靠弱的相互作用力,不像a-keratin(a-角蛋白)用二硫

键。

3.2球蛋白(globularprotein)

・球蛋白多为功能蛋白，如酶、转运蛋白、动力蛋白、调节蛋白、免疫球

蛋白等。

3.2.1.肌红蛋白(myoglobin)

.肌红蛋白含|153个氨基酸残基|和|一个铁离子原口卜咻|(亚铁血红素基团，

heme),功能是贮存氧气井协助氧在急速收缩的肌肉组织中扩散。

•肌红蛋白有一个密集的疏水核心，含Leu、Vai、Met、Phe等。分子内

部仅有两个亲水的（hydrophilic）组氨酸残基。

・除了两个极性R基外，其它所有的极性R基均在分子外表与水结合。（注

意，非极性的也能在表面）

・扁平的亚铁血红素基团位于肌红蛋白的一个裂缝（口袋）中。亚铁的6

个配位键，4个结合到平面的咋琳环上，另外两个与环垂直,一个与他

残基的N结合,一个与。乙结合。

.在口袋中的血红素基团不易与溶剂接触，从而保证Fe2+不会被氧化成

Fe3+（无法与。2结合）。

3.3结构模式

3.3.1结构域（domain）和超二级结构（supersecondarystructure）

・残基数超过儿百的多肽常折叠成两个或更多的稳定的球状单元，称为

domain（结构域）。许多domain独立折叠成热力学上最稳定的结构，有

些有各自独特的功能。

•B-ot-Bloop与ot-acorner能使疏水R基处于内部。

•a-helix与^-pleatedsheet通常存在于不同结构层，因无法形成稳定氢键。

・一级序列相互接近的多肽片断通常在折叠后也相邻堆叠。

・二级结构单元间的连接丕能形成交叉或结至。（如很长的如pleatedsheet

可以绕来绕去但是不能有打结的趋势）

・当各个片断以右手螺旋略微扭曲时，B-Heatedsheet最稳定。右手连接

比左手连接短，弯曲角度更小。这样的扭曲会形成B桶（Bbarrel）和

扭曲的B-pleatedsheet。

3.3.2蛋白质的基序（motif）是蛋白质分类的基础。

•按基序可降低三级结构的复杂性。分为4类：全a,全B，a与B交错

（a/B）,a与B明显可分（a+0）

3.3.3四级结构

・多亚基蛋白称为多聚体（multimer）,少数亚基组成的多聚体称为寡聚

体（oligomer）o

・大多数多聚体以对称方式重复排列相同的一个或组亚基（原体）。

・寡聚体具有匿装对整或便邈睡:一个亚基绕一条或多条旋转轴或

一条螺旋轴旋转后可以和其它亚基重合。

.蛋白质的大小受到2个因素限制：基因的编码容量和蛋白质生物合成中

的精确性（大的蛋白质包含一个错误氨基酸的几率大于小蛋白质）。

4蛋白质的变性（denaturation）和折叠（folding）

4.1结构缺失导致功能缺失

•导致蛋白质功能丧失的|三维结构帔坏称为变性。

・变性。完全去折叠或构象随机化。通常变性后蛋白质以部分折叠的状态

存在。（目前还不是很清楚的说）

.加热破坏氢键还有其它弱的相互作用力，使蛋白质变性。

.加热时，蛋白质会在某个狭窄的温度范围内突然变性，表明去折叠是一

个协同过程。

・极端pH、有机溶剂（如乙醇、丙酮、尿素、盐酸呱）以及去污剂等也

能使蛋白质变性。极端pH改变蛋白质所带的静电荷引起静电斥力和某

些氢键的断裂；后两者主要破坏产生球蛋白稳定核心的疏水相互作用。

・某些变性是可逆的。恢复活性的过程称为复性(renaturation)o

4.2蛋白质按步骤迅速折叠

・从热动力学上说，折叠过程可被看成一种自由能漏斗。

•某些蛋白质的折叠在其它蛋白质(分子伴侣，molecularchaperone)的

辅助下进行。分子伴侣提供折叠所需的微环境或加速正确折叠。

・目前研究比较透彻的有两类分子伴侣：Hsp70蛋白家族和陪伴蛋白

前者能和富含疏水残基的未折叠区域结合组织，阻止不

(chaperonin)o

恰当聚集，还有能封闭某些蛋白质使其不能折叠，保证这些蛋白质在跨

膜定位之前保持去折叠状态；后者为许多不能自发折叠的胞内蛋白提供

了所需的微环境。

•某些蛋白质的折叠需要两种异酶：蛋白质二硫键异构酶(protein

disulfideisomerase,PDI)和肽链prolyl顺反同分异构酶(peptideprolyl

cis-transisomerase,PPI)。前者催化二硫键交换和改组直至形成天然构

象中的化学键(包括催化排除错误成键的中间折叠体)，后者催化脯氨

酸顺反异构体间相互转化。

4.3错误折叠引起的死亡

•肮病毒。

5研究蛋白质3D结构的方法

•目前测定蛋白质3D结构的方法有透射电子显微镜技术(Transmission

ElectronMicroscope,TEM)>X射线衍射(X-raydiffraction)和核磁共振

(NMR)o

・三种方法的对比请看大一上学期生技进展的笔记整理。

6结语

・氨基酸序列决定3D结构

・结构决定功能

・每种蛋白质有其独特的结构。

.维持蛋白质结构的不是共价相互作用，而是|弱的相互作再为。

・蛋白质错综复杂的结构是由一定的|基序构成|的。

第三节,蛋白质功怩和令福他也，州|格

1一般特征

.配体(ligand)：与蛋白质发生可逆结合的分子，可以是各种分子，如蛋

白质。

•结合位点(bindingsite)：蛋白质上与ligand结合的位点。结合位点与配

体在大小、形状、电荷、疏水性亲水性等性质方面是特异性互补的。(当

然这里排除了水，它与蛋白质许多部位有微弱的、非特异性的结合)

•蛋白质和配体间的结构适应称为|诱导契分(inducefit)o

・蛋白质有柔性，主要表现为丽和|氨基酸的微小移动。

・其它配体结合而导致的构象变化将影响第一配体的结合。

・蛋白质和配体的结合可以用配体结合曲线定量描述。内称为结合常数

(associationconstant),一称为解离常数(dissociationconstant)□潮已

体浓度旧=七时，一半的结合位点结合上配体。为使90%的位点被结

合，［L］需比人至少大9倍。

2氧结合蛋白(oxygen-bindingprotein)

2.1肌红蛋白(myoglobin)

・胶体中氧的溶解度极低，因此多细胞大型动物进化出以蛋白质来贮存和

运输氧的机制。铁和铜对氧具有较强结合能力。

•铁整合在含血红素（heme）辅基（prostheticgroup）的蛋白质中。没有

一种AA侧链是适合与于氧可逆结合的。

・血红素=1个原吓咻（吓咻的一种；吓琳由4个毗咯和4条次甲桥成环）

+1个亚铁。原吓咻与亚铁的丁个配位键|结合。亚铁的另两个配位键分别

垂直于吓咻环两面，其中一个与|HisF8破基侧链的N绮窗，另一个与。2

结合。4个毗咯上的N能抑制亚铁氧化（Fe?+可结合。2而Fe3+不可）。02

的一个氧原子和Fe?'配位，另一个与〔HisE7（即64）形成氢锢,更有利于

。2结合。

•CO、NO的对heme的亲和力大于。2。CO与游离heme的结合力和与蛋

白质结合的heme的结合力是不同的，后者更低，这种差异部分由位阻造

成。因当与Fe与。2结合时，Fe—O键与0=0键成一定角度倾斜且。与

HisE7成氢键，而当Fe与C0结合时，Fe—C键与C三。键无角度，完全

垂直，所以HisE7对其有位阻。

・HisE7侧链旋转可以使蛋白质瞬间产生空腔，使氧进出。

2.2血红蛋白（hemoglobin,Hb）

・Hb有4个氧结合位点，而肌红蛋白只有1个。

・Hb是第一个被结晶，明确生理功能、分子量的蛋白，其mRNA最先被

分离、测序，第二个获得3D结构的蛋白。

・Hb是四聚体蛋白,含4个heme,两条a链和两条p链，类似与4个

myoglobin的结合。为与团结合紧密（30个AAs）而出与团结合较弱（19

个AAs)。链的接触面主要是|疏水作用I，另外还有氢键、盐桥。

・Hb有Relaxedstate和Tensestate两态。Rstate对氧的亲和力更高；缺

氧时，Tstate稳定，是脱氧血红蛋白(deoxyHb)的主要构象。Tstate的

heme向HisF8突出，Rstate的heme为平面。heme周围关键AAs侧链的

位置变化能引起Tstate向Rstate转化，如F螺旋位置的移动。+

•Hb是一种别构蛋白(allostericprotein,配体与一个位点的结合会影响

同一蛋白内其它位点的结合能力)，其氢鱼|叫的。单一bindingsite

的单亚基蛋白不可能产生S形曲线，即人不会改变，无所谓分子内的影

响。Hb中，一旦。2与第一个亚基结合，第二个亚基更容易转化为Rstate,

依此类推。

.在较低的氧分压下(如外周组织中)，Hb对。2的亲和力低，释放。2；

在较高的氧分压下(如肺部中)，Hb对。2的亲和力高，结合。2。

•效应物(modulator)：一种和别构蛋白结合并影响其对配体的结合力的

分子。

回同促效应(homotropicinteraction)：正常配体和效应物为相同时的作用。

异促效应(heterotropicinteraction)则反之。有些蛋白可以有多个

modulator所以可以同时有同促效应和异促效应。

•协同结合(cooperativebinding)机制仍不清楚,有两个模型：齐变模型

(concercedmodel,MWCmodel)和序变模型(sequentialmodel)。

EHb也能运输H*和CO?。CO?在碳酸醉酶(carbonicanhydrase)的催化下，

+

和水反应生成HCO3-和Ho|低pH高CO2的外周组织中，随着CO?和讦

与Hb结合，其对氧的亲和力降低，释放。2。在肺部则反之。这种pH和

CC>2浓度对Hb结合、释放。2的影响称波尔效应（Bohreffect）。

・|甘汕酸-2,3-二磷酸（BPG）|与Hb存在|异促效应BPG会大大降低Hb对

氧的结合力（在肺部的影响小而在组织中影响大），它是通过稳定Tstate

来实现的。一分子Hb仅结合一分子BPGo

・胎儿的。2丫2Hb对BPG的亲和力较低，相应地对。2有较高亲和力。

・大多数Hb的AAs序列突变是单个AA的突变，对Hb的结构和功能影

嘀很小。但也会引起有害突变（主要发生在hemepocket附近和链的接

触面），如镰刀型细胞贫血症（两条B链上的6位Glu突变为Vai共少了

两个负电荷，使得链上产生了一个“黏性”的疏水接触点，使得蛋白之间

不正常缔合形成长链，造成贫血。镰刀型的细胞还能堵塞毛细血管，引

起炎症和疼痛）。携带镰状细胞贫血症基因的杂合体对疟疾有很小但很重

要的抗性。

2.3免疫球蛋白（immunoglobulin）

・免疫球蛋白G（IgG）是主要的抗体分子。|lgG有4条肽链，2条重链2

条轻链，通过4个二硫键连接形成Y状复合物1重链、轻链、恒定结构

域和可变结构域的图参考LehningerP194o

・抗体（antibody）结合的专一性是由|可变区的序列］决定的。|专一性指抗

原（antigen）与其专一结合部位之间在形状、电荷、非极性以及氢键分

布方面是互补的;

・抗体-抗原的结合非常强，心为10叱

・相对分子量小于5000的分子通常无抗原性，但小分子与大分子蛋白共

价结合，则可以引起|免疫反应

・一种效应B淋巴细胞只分泌针对一种抗原决定簇的抗体。|多种抗原决定

簇刺激机体使之特异性产生多种效应B细胞制备的抗体称多克隆抗体

（polyclonalantibody）。一种抗原决定簇刺激机体使之特异性产生一种效

应B细胞制备的抗体称单克隆抗体（monoclonalantibody

2.4肌球蛋白（myosin）和肌动蛋白（actin）

・肌肉收缩力由肌动蛋白和肌球蛋白相互作用产生。

・肌球蛋白由2—条重链4条轻链组成。竣基端（尾部）是两条重链形成a

螺旋（左旋）。氨基端（头部）每条重链有一个球状的头（S1）,含TATP

水解部位。轻链结合在重链头部。

・肌球蛋白棒状尾部相连（连接处形成肌原纤维的Mline）,聚集形成粗

（）

丝thickfilament0

・肌动蛋白儿乎在所有的真核细胞中含量都很丰富。

•肌肉中的单体肌动蛋白称G-肌动蛋白（globularactin）,上面结合有ATP,

聚合，形成F-肌动蛋白（filamentousactin）；ATP水解为ADP,为F-actin、

肌钙蛋白和原肌球蛋白构成细丝（thinfilament）提供能量。

第四节.降

1概述

•绝大多数酶（enzyme）是蛋白质。

・一些酶需要辅因子（cofactor）的参与才能发挥作用。辅因子可以是无

机金属离子，或称为辅酶（coenzyme）的有机分子与有机金属分子。

・有些辅因子与蛋白质结合非常紧密（共价或非共价结合），称为辅基

(prostheticgroup)0

•脱辅基酶(apoenzyme),又称脱辅基蛋白(apoprotein),结合上辅因子

称为全酶(holoenzyme)o

・维生素(vitamin)可以作为辅酶的前体。

・根据酶所催化的反应类型，可以把酶分为6大类，分别为：氧化还原酶

(转移电子)、转移酶(转移基团)、水解酶(水解)、裂解酶(生成双键)、

异构酶(生成异构体)、合成酶(成一些共价键)

.酶促反应的特点是：|高效、专一、条件温和。

2酶作用机制

・酶影响反应速率，不改变反应平衡。

•酶通过降低反应的活化能(activationenergy)提高反应速率。

•酶与底物(substrate)的最佳相互作用发生在圆遮态(transitionstate)

而不是ES态。此时，酶与底物存在弱的相互作用，释放出结合能(binding

结合能能够抵消部分过渡态的能量升高，即净降低了活化能，

energy)0

提高反应速率。

・酶与底物之间的弱的相互作用(|包括离子键、—氢键等|)是酶催化的一个

主要动力。弱的相互作用可以距离反应部位很远。由于酶促反应需要多种

弱的相互作用力来驱动，因此酶(以及一些辅酶)一般较大，才能提供足

够的功能基团，并精确定向，提供结合能。

•结合能可以用于克服以下能障:嫡降(entropyreduction)>去溶剂化

(desolvation)>电子重排(electronredistribution)>诱导酶构象改变

(conformationchange)。

・酶和过渡态的最佳相互作用也是酶促反应专一性的体现。只有特定的结

合才能产生足够的结合能。

・酶促反应的过渡态理论有理论依据，包括底物过渡态类似物对酶的结合

力比正常底物高出102〜106倍。

•根据催化机制可以分为:酸-碱催化(acid-basecatalysis)＞共价催化

(covalentcatalysis)和金属离子催化(metalioncatalysis)o

・酸-碱催化分为狭义(specific)酸-碱催化和广义(general)酸-碱催化两

种。为稳定带电的中间体，必须有其它质子供体或受体。前者的质子供体

/受体是水后者是其它类型的分子。酶活性中心的作

(H30\0H-),AAs

为质子供体或受体，使附电|响闻电子转移的速度大于中间体分解为反

应物，从而催化反应。

・共价催化是指酶的AAs侧链或辅因子作为一个亲核基团，进攻底物使其

键断裂，并形成a-底物共价复合物|,再进一步反应得到产物。这个过程

的活化能低于非酶促反应的活化能。

・金属离子催化是指结合金属离子的酶与底物间的离子相互作用指导底

物反应，或稳定|带电荷的过渡态|,还可以通过可逆的氧化态变化介导氧-

还反应。

3酶促反应动力学(enzymekinetics)

3.1酶动力方程

•酶与过量底物混合时，会有一个前稳态(pre-steadystate),这个阶段

ES浓度逐渐升高。然而前稳态是非常快且难以观察的一个过程，很快就

进入稳态(steadystate),此时ES及其它中间体的浓度近乎恒定(即ES

生成速度与ES分解为E、P的速率相当)。

1

・米氏方程(Michaelis-Mentenequation)：%=1吧；。其中，Km

(Michaelis常数)等于初速度达到最大速度一半时底物的浓度。

・最大速度即所有酶均达到饱和状态时的速度。

・利用双倒数作图法可以求出KmoVmax和7可以通过实验测得，但并不

能反映一个连续反应步骤的数目、速度和化学本质。

・Q有时可以近似表示酶和底物的亲和力。

・对于多步反应来说，如果出现了一个明显的限速步骤，那么引入一个kcat

来表示此步骤的速度常数。Gt也称为转换数(turnovernumber),它的定

义是当酶被底物饱和时，单位时间内一个酶分子转化底物的分子数。

・专一性常数端口是一个二级速度常数，单位为它有上限，

取决于E和S在一定液体环境中的扩散速度。大多数酶在〜之间。

・前稳态中，许多反应步骤的速率可以单独测得出来。

3.2酶抑制(inhibition)机制

•酶的抑制分为可逆(reversible)抑制和不可逆(irreversible)抑制两种。

可逆抑制又分为/竞争性(competitive)抑制:、反竞争(uncompetitive)抑

例和混合性(mixed)抑制。

.竞争性抑制是抑制剂与底物竞争酶的活性部位，形成EL竞争性抑制剂

通常是一些与底物类似的化合物。即使这种结合是短暂的，也会降低效率。

正因为竞争性抑制剂是与酶可逆结合的，因此通过增大底物浓度，可以降

低抑制效果。(底物与酶结合的儿率大大提高)。竞争性抑制的J增大而

Vmax不变，它只影响V。(使降低，抑制剂浓度越高，V。越小，1/Vo越大，

直线越陡）而不影响Vmax。

・反竞争抑制是抑制剂与酶活性部位以外的部位结合，且只与ES态的结

合。反竞争抑制剂浓度越高，Vmax越小（此时表观心也越小），Wmax越

大，则截距越大，直线越向左平行移动。

・混合性抑制剂也是与酶活性部位以外的部位结合，不过它既与E结合，

也与ES结合。通常既影响Km又影响Vmax。抑制剂的浓度越大，曲线越面

截距越大|。

•混合性抑制的特例是非竞争性（noncompetitive）抑制。它只影响Vmax

不影响心。

・反竞争抑制和混合性抑制只发生在|双底物或多底物酶上。

•不可逆抑制剂（又称inactivator,意为灭活剂、钝化剂）结合或破坏酶

催化所必需的功能基团，或与之形成紧密的非共价结合。常见的类型是与

酶形成共价连接。

•基团特异性（group-specific）灭活剂件寺异性地与AAs的R基结合影响酶

的活性。|亲和（affinity）灭活剂制底物的结构相似,能够共价修饰酶活性

部位。自杀性（suicide）灭活剂（又称基于机制的抑制剂,mechanism-based

inactivator）能完成正常酶促反应的前几步但不转化为产物，而是形成一

种活泼化合物不可逆地与酶结合。

・酶有各自的最适pH、温度。

3.3双底物动力学

.每一个底物都有其特征反应机制有形成三元复合物（ternary

complex）和不形成三元复合物两种。

臼在形成三元复合物的酶促反应中，酶和两种底物一起形成I三元复合物,

分为随机型(randomorder)和有序型(orderd)两种。随机型是指两种

底物与酶的结合不分先后顺和有序型，有序型则是有先后顺序的。作出来

的曲线就像是混合性抑制的曲线。(把S1看成是抑制剂，它既结合E又结

合ES2,不过增大SL速度是越快，曲线越平，截距越小，刚好是倒过柬

虹

臼不形成三元复合物的酶促反应又称|乒乓^机制或双置换机制(double

displacementmechanism)。S1先与E结合，生成Pl并使酶变性成E',然

后E，再与S2结合，生成P2,E，恢复为E。作出来的曲线就像是反竞争抑

制的曲线。"过增加S2公盘高速度，刚好相反

4酶促反应的例子

・胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)特异地切割与芳香性AAs(Trp、Tyr>Phe,

有时会切Met)相邻的肽键。属于丝氨酸蛋白酶家族(serineprotease

family)。该家族还有胰蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶、枯草杆菌蛋白酶、

血纤维蛋白溶酶等。该家族都拥有一个催化三分子(catalytictriad),Ser

是一个强的亲核试剂。它们的专一性是由底物结合袋(substratebinding

pocket)决定的。

・其它的蛋白水解酶家族还有天冬氨酸蛋白水解酶家族、胱氨酸蛋白水解

酶家族、金属蛋白水解酶家族等。

・胰凝乳蛋白酶的催化反应支持了过渡态稳定的原理(Glyl93和Serl95

的氨基N通过形成陋的方式稳定了中间体负电荷)，也是一个广义酸碱

催化和共价催化的例子。

5调节酶(regulatoryenzyme)+

・酶活性的调节可以通过|变构调节（可逆、非共价）卜|共价调节（可逆）、

水解（不可逆）|、|基因调节（改变特定酶的数量）［实现。

・调节酶（连锁反应的第一个酶往往是调节酶，限速的步骤）有一类是别

构酶（allostericenzyme）,它可逆地与别构调节剂（allostericmodulator,

通常是小分子代谢物或辅助因子）非共价结合，触发构象变化并转导到活

性部位（分子内的信号转导）。

・别构调节剂可以是正调节物（激活剂；往往是酶的底物，此时调节酶称

为同促酶）也可以是负调节物（此时酶称为异促酶）。

・别构酶除了活性部位之外，还有一个或更多的调节物结合部位或者别构

部位，专一性地与调节物结合。对于同促酶，|催化部位|和丽丽是相

同的。

・别构酶通常比非别构酶大，为多亚基蛋白。

•反馈抑制（feedbackinhibition）属于异促别构调节。

・别构酶的动力学特征有别与米氏行为。

・磷酸化是目前已知的最主要的可逆共价（covalent）调节。蛋白质的磷

酸化（phosphorylation）由激酶（proteinkinase）催化。酶的磷酸化能回

定酶的构象|,|改变酶和底物的亲和力磷酸化往往是多层次的。

・酶的前体称为酶原（zymogen）,没有活性，需要水解，|暴露出活性部位。

如蛋白酶就是以这种方式调节的。这类激活是不可逆的，所以需要别的机

制来使酶失活。

・有些调节酶需要多种调节机制。如细菌的|谷胺酰胺合成酶］（Gin

synthetase)o

第五节,核苦酸，核酸

1.核甘酸

B-D-核糖核甘酸的结构：1-含N碱基-5-磷酸基-核糖，2o3位有羟基。

B-D-脱氧核糖核甘酸的结构：2号位羟基失氧。

核甘酸中核糖的构象：帙喃糖环|不是一个平面结构,其中2号位和3号位

的C可以偏转形成内式和外式的构象。A型为C3内式，B型为C2内式。

五种碱基的结构

喋令(A和G)是二环的，喀咤(CTU)是单环的.AT成氢键只有二个,GC有三个,

故GC较为稳定.

DNA/RNA中四种核甘酸的结构dAMPdTMPdGMPdCMP/AMPUMPGMPCMP

核甘酸修饰:‘甲基化,羟基化|等.

2.核酸

DNA简史

1869,Miescher分离出核素

1928,Griffith肺炎双球菌转化实验

1944,Avery发现DNA是遗传物质

Byl947,Chargaff发现DNA组成的一系列规律

Earlyinl950s,Wilkins&Franklin用X射线衍射法研究DNA结构

1952,Hershey进一步阐明DNA是遗传物质

1953zWatson&Crick提出DNA双螺旋结构

肺炎双球菌转化实验

富兰克林的X射线衍射

噬菌体侵染实验

DNA结构

DNA一级结构：核甘酸序列

注意碱基平面和核糖平面是国直的。碱基平面同时还垂直于纵轴。核糖平

面与纵轴平行。

二级结构：双螺旋

除通外，斯基踵画疏水相互作用，范德华力，偶极偶极作用力）在稳定

DNA结构中很重要

DNA三股螺旋:回文结构（反向重复序列）

A,B,Z型DNA的区别和各自特点大沟小沟

玲后痴同是生理条件下最稳定的构象.

玲A-DNA是否是生活细胞内存在还未确证.许多短DNAs特别是在结晶时会

形成A-DNA.

少存在一些证据说明存在一引起伸展的Z-DNA在原核和真核生物中.这些

Z-DNA片段在调节基因表达和基因重组中的作用尚未明确.

为什么会存在这三处不同形式的DNA?由匕2和C3位C的内型和外型决定

发卡结构，十字结构

绞链DNA（H-DNA）

四股螺旋:平行与反平行四股螺旋.

这些不常见的DNA（|三股螺旋和四股螺旋|）经常在DNA代谢重要的调节位点

出现（复制，重组，转录,）

环状DNA:在细菌中广泛存在.质粒DNA也是环状的，在基因工程中有很重要

的应用.

DNA超螺旋的形成与结构

L=T+W

真核细胞中DNA的压缩：

染色质的基本结构单位是|核小体|.

RNA结构

mRNA编码多肽链：

单顺反子与多顺反子的辨析

RNA形成的双螺旋发卡结构

tRNA三叶草形二级结构和倒L形三级结构

rRNA的结构，是一种核酶，其上的蛋白质只是起稳定RNA结构的作用.

3.核酸化学（理化性质）

核酸的紫外吸收.实验室中最常用的DNA和RNA定量测定和验纯的方法.

双链DNA和双链RNA的变性过程.变性后解链成用规卷曲.

DNA熔点或称|熔解温度|的定义

核酸杂交技术：在基因工程和分子生物学等研究中有重要作用，如

southernblotting,northernblotting,westernblotting^S^M^^.

非酶催化的水解.包括糖苗键和磷酸酯键的水解.

紫外照射下形成幡嘘二聚用（致癌尤其是皮肤癌的主要原因）

臭氧层的防御作用.

DNA中部分碱基可被甲基化.

DNA的合成:DNA聚合酶催化磷酸二脂键的形成