生物大分子的结构和功能

1.组成蛋白质的氨基酸化学结构和分类。 2.氨基酸的理化性质。 3.肽键和肽。 4.蛋白质的一级结构及高级结构。 5.蛋白质结构与功能的关系。 6.蛋白质的理化性质。 7.分离、纯化蛋白质的一般原理和方法。 8.核酸分子的组成，主要嘌呤、嘧啶碱的化学结构，核苷酸。 9.核酸的一级结构。核酸的空间结构与功能，其他非编码 RNA 的分类与功能。 10.核酸的理化性质及应用。 11.酶的基本概念，全酶，辅助因子，参与组成辅酶的维生素，酶的活性中心。 12.酶的作用机制，酶反应动力学，酶抑制的类型和特点。 13.酶的调节

生物大分子的结构和功能

蛋白质

分类

天然存在

参与合成蛋白质

20种基础氨基酸 (有密码子,参与蛋白质合成)

除甘氨酸外，都为L-α-氨基酸

特点

性质

非极性/疏水性

异亮、亮、甲硫、苯丙、甘、脯、缬(一两假饼干腹泻)

极性中性

苏、丝、谷氨酰胺、半胱、天冬（苏轼哭半天）

酸碱性

多肽、蛋白质既有氨基又有羧基，因此都具有两性

含氨基多→呈碱性 含羧基多→呈酸性

碱性氨基酸带正电：人体ph相对于氨基酸是酸性环境

酸性

谷、天冬(三伏天)

碱性

赖、精、组(捡来精读)

基团

芳香氨基酸/共轭双键

芳香族氨基酸含量决定蛋白质吸收紫外光能力

在280nm波长有特征性吸收峰的氨基酸 色氨酸、酪氨酸

苯丙、色、酪（老本色）

含硫氨基酸

亚氨基酸

含羟基氨基酸

苏氨酸、酪氨酸、丝氨酸（抢劫苏老师）

支链氨基酸

缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸

（用支架）晾一晾鞋子

一碳单位氨基酸

丝氨酸、色氨酸、组氨酸、甘氨酸（施舍竹竿）

生糖兼生酮

异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、苏氨酸（一本老宿舍）

生酮氨基酸

亮氨酸、赖氨酸 （亮赖生酮）

必需氨基酸

甲硫氨酸、组氨酸、缬氨酸、赖氨酸 异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸

甲组携来一本亮色书

翻译前修饰形式

硒代半胱氨酸

无密码子，组成蛋白质

组成人体蛋白质，但非蛋白质生物合成原料，为翻译后修饰形式

胱氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸（光抢来福）

不参与合成蛋白质/蛋白质中不存在 (无密码子)

鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸代琥珀酸、 同型半胱氨酸(天然蛋白质中不存在)

鸟瓜同行，惊呆老虎

人工合成

赖氨酸、羟脯氨酸

构象

酯键（磷酸二酯键）为连接核苷酸骨架的化学键（稳定核苷酸构象）

分级

一级

定义

指蛋白质中从N端到C端氨基酸的排列顺序

结构

肽键（酰胺基）、二硫键

二级

定义

指蛋白质中某一段肽链的局部空间结构

结构

氢键

α-螺旋、β-折叠、β-转角和Ω环

α螺旋

α螺旋 ①螺旋走向顺时针右手螺旋 ②氨基酸侧链向伸螺旋外侧，3.6个氨基酸残基上升一圈(0.15nm)，螺距360° ③α螺旋每个肽键N-H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键方向与螺旋长轴平行 DNA ①DNA双螺旋结构直径2.37nm螺距3.54nm ②脱氧核糖磷酸基团亲水性，骨架位于双螺旋结构外侧，碱基疏水，位于内侧 ③每一对螺旋10.5个碱基对每个碱基对旋转角度36°没两个相邻碱基对平面间垂直距离0.34nm ④双螺旋结构的稳定碱基堆积力氢键前者更重要

β折叠

1.一种伸展的肽链结构 2.其肽键平面折叠成锯齿状，可由两个肽段顺向或逆向平行排列而成 3.当两个肽段呈相反走向时，肽链间的肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键，以稳固β-折叠结构

结构模体(超二级结构)

结构

钙离子结合蛋白、纤维蛋白受体结合肽、锌指结构、亮氨酸拉链

三级

定义

指整条肽链上全部氨基酸残基的相对空间位置

结构

疏水键、盐键、氢键和范德华力

结构域

四级

定义

指有两条或两条以上多肽链的蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用

结构

氢键和盐键（离子键）

所致疾病

疯人阿亨

疯牛病（α螺旋→β折叠） 人纹状体脊髓变性病 阿尔兹海默病 亨廷顿舞蹈病

变性

定义

指某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏， 理化性质及生物学活性丧失

特点

溶解度降低，黏度增加，结晶能力消失，生物学活性丧失，易被蛋白酶水解

蛋白质变性

空间构象破坏→疏水基团暴露

溶解度降低(易析出)

分子不对称性增加

粘度增加

易被酶破坏

规则析出的能力无→结晶能力消失

蛋白质的检测

双缩脲

肽键与硫酸铜共热呈现紫色或红色反应的现象

茚三酮

茚三酮水合物在弱酸性溶液中与氨基酸共加热时生成的蓝紫色的化合物的现象

280nm紫外吸收法

核酸260nm吸收

检测含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸在280nm紫外光下的最大吸收值而间接测定蛋白质的含量

核酸

分类

DNA

组成

一级结构

多核苷酸排列顺序

核糖+碱基=核苷 核苷+磷酸=核苷酸

脱氧核糖+碱基+磷酸

RNA核糖+碱基+磷酸 A-U，C-G

A-T，C-G

Chargaff规则： ①不同生物个体的DNA，其碱基组成不同 ②同一个体不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成； ③对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随其年龄、营养状态和环境而变化； ④对于一特定的生物体而言，A=T,C=G，A+C=50%

二级结构

双螺旋结构

DNA结构的稳定纵向靠碱基平面间的疏水性堆积力维持， 横向靠两条链碱基间的氢键维系

双股脱氧核苷酸链呈反向平行 B-DNA是最经典的DNA右手双螺旋结构，每周包含10.5对碱基 A-DNA为右手双螺旋结构，每周包含11对碱基 Z-DNA螺旋旋向为左手螺旋，每一螺旋碱基对数为12

碱基与碱基之间的连接方式是氢键，A-T两対，C-G三对 核糖与碱基之间的连接方式是糖苷键， 核苷与磷酸之间的连接方式是酯键(3',5'-磷酸二酯键)

磷酸、脱氧核糖→外部 碱基→内部

三级结构

染色质(基本组成单位-核小体)

核心颗粒

核心组蛋白

组蛋白八聚体

H2A,H2B2,H3和H4各两个

H1

在盘绕在核心组蛋白上的 DNA双链的进出口处, 发挥稳定核小体结构的作用

核心DNA

长度约146bp的 DNA双链在核心组蛋白上盘绕1.75圈

连接区

连接段 DNA

连接相邻核小体之间的一段DNA，20-60bp

非组蛋白结合

其他

染色质纤维、中空螺线管、超螺线管、染色单体等

作用

储存并传递遗传信息

RNA

编码RNA

信使RNA,mRNA

结构

5'-帽

反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷(m7GpppNmpNmp最多)

与之相连的是5’非翻译区

开放读框0RF

从成熟mRNA的5’-端起的第一个起始密码子至 终止密码子之间的核苷酸序列，其决定多肽链的氨基酸序列

3'-尾

多聚尾结构是在 mRNA 转录完成以后加入的

80-250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸AAA

与之相连的是3’非翻译区

功能

含有遗传密码,直接指导多肽链合成

非编码RNA

组成性

转运RNA，tRNA

结构

二级结构 (三叶草结构)

具有四个茎和三个环结构

5'

DHU环+反密码子环+TψC环

反密码子决定类型

DHU环：识别氨酰tRNA TψC环：识别核蛋白体

3'

-CCA-OH结构

与氨基酸结合

三级结构

倒L型

功能

用于识别遗传密码(转录DNA)和指导蛋白质的合成

核糖体RNA，rRNA

功能

与核糖体蛋白共同构成核糖体，为蛋白质的生物合成提供场所

调控性

非编码长RNA（lncRNA）

200～100000个核苷酸

非编码小RNA（sncRNA）

mRNA：种类最多 数量最少 半衰期最短 模板 tRNA：稀有碱基最多 转运 rRNA：数量最多 场所 hn：mRNA前体，不均，一核 sn：核内小，定位于细胞核，切hnRNA sno：核仁小，定位于核仁，切rRNA si：小干扰，切外源RNA sc：信号肽识别胞质小 mi：抑制基因表达调控，，最小 ribozyme（核酶）：RNA剪接,催化作用

核糖体 (核蛋白体)

rRNA+核糖体蛋白质

亚基

原核爱上我要留下（23 5 16）

真核我爸是恶霸打我一巴掌（5.8 28 5 18）

变性与复性

变性

定义

二级结构改变→氢键断裂导致双链变为单链

Tm值：50%双链解开时的温度

影响因素

氢键越多，即C-G越多，DNA越长，Tm值越高

溶液浓度越高，Tm值越高

特点

DNA的增色效应

变性后，吸光度增加 （DNA解链导致共轭双键暴露）

最大紫外线吸收峰

260nm（由共轭双键决定）

280nm为蛋白质

复性

DNA变性未改变一级结构还可复原， 蛋白质改变了一级结构，不可复原

定义

把变性条件缓慢地除去后，两条解离的 DNA 互补链可重新互补配对形成 DNA 双链，恢复原来的双螺旋结构

酶

分类

按结构

单体酶

由一条肽链构成的酶

寡聚酶

由多个相同或不同的肽链（即亚基）以非共价键连接组成的酶

多酶复合物/多酶体系

在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体

多功能酶或串联酶

一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能

按分子组成

单纯酶

水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶

如脲酶、某些蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等

缀合/结合酶

由酶蛋白和辅因子组成的酶

酶蛋白与辅因子结合在一起称为全酶, 酶蛋白和辅因子单独存在时均无催化活性,只有全酶才具有催化作用

辅因子

辅酶

多通过非共价键与酶蛋白相连,这种结合比较疏松,可以用透析或超滤的方法除去

酶促反应中,辅酶作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白,参加另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去,或者相反（运载体）

辅基

与酶蛋白形成共价键,结合较为紧密,不易通过透析或超滤将其除去

在酶促反应中,辅基不能离开酶蛋白

酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制; 辅因子主要决定酶促反应的类型

同工酶

定义

指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质 乃至免疫学性质不同的一组酶

在一级结构上存在差异,但其活性中心的三维结构相同或相似,故可以催化相同的化学反应

由不同基因或复等位基因编码,催化相同反应,但呈现不同功能的一组酶的多态型

由同--基因转录的mRNA前体经过不同的剪接过程,生成的多种不同mRNA 的翻译产物

例子

乳酸脱氢酶

LDH1 心 LDH2 白细胞 LDH3 脾 LDH4、5 肝、骨骼肌

肌酸激酶

CK1 脑 CK2 心肌 CK3 骨骼肌

功能(催化)

生效部位

酶的活性中心/活性部位

酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的 具有特定三维结构的区域

辅酶和辅基往往是酶活性中心的组成成分

酶的必需基团

定义

酶分子中有许多化学基团,但它们并非都与酶的活性有关,其中一些与酶的活性密切相关的基团

分类

起酶的催化作用的是在活性中心内部的结合基团和催化基团

活性中心内

可分为结合基团和催化基团

前者的作用是识别与结合底物和辅酶,形成酶-底物过渡态复合物

后者的作用是影响底物中的某些化学键的稳定性,催化底物发生化学反应,进而转变成产物

活性中心外

为维持酶活性中心的空间构象和(或)作为调节剂的结合部位所必需

机制

降低反应的活化能

指在一定温度下, 1mol 反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能,即过渡态中间物比基态反应物高出的那部分能量

是决定化学反应速率的内因,是化学反应的能障

与底物结合形成中间产物

定义

酶与底物结合的过程是释能反应,释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源

酶活性部位的结合基团能否有效地与底物结合,并将底物转化为过渡态,是酶能否发挥其催化作用的关键

过程

1.酶与底物结合的诱导契合反应

酶与底物相互接近时,两者在结构上相互诱导、相互变形和相互适应,进而结合并形成酶-底物复合物

诱导契合作用使得具有相对特异性的酶能够结合一组结构并不完全相同的底物分子,酶构象的变化有利于其与底物结合,并使底物转变为不稳定的过渡态,易受酶的催化攻击而转化为产物

2.酶与底物的邻近效应与定向排序

在两个以上底物参加的反应中,底物之间必须以正确的方向相互碰撞,才有可能发生反应

酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心,使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系

3.酶的表面效应

形成疏水环境，使底物底物分子去溶剂化

排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥,防止水化膜的形成,利于底物与酶分子的密切接触和结合

多元催化

普通酸碱催化反应

酶活性中心上有些基团是质子供体，有些是质子受体，这些质子转移，可加速反应速率

共价催化

指催化剂与反应物形成共价结合的中间物,降低反应活化能,然后把被转移基团传递给另外一个反应物的催化作用

通过其活性中心上的亲核催化基团给底物中具有部分正电性的原子提供一对电子形成共价中间物(亲核催化)

通过其酶活性中心上的亲电子催化基团与底物分子的亲核原子形成共价中间物(亲电子催化)

使底物上被转移基团传递给其辅酶或另外一个底物

特点

高催化效率

特异性

绝对特异性

有的酶只作用于特定结构的底物分子,进行专一的反应,生成特定结构的产物

相对特异性

有些酶对底物的特异性不是依据整个底物分子结构,而是依据底物分子中特定的化学键或特定的基团,因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物

可调节性(与无机酶的区别)

不稳定性

速率

公式

Km为米氏常数, Vmax为最大反应速率 [S]为底物浓度

当[S]较小时(＜＜Km)，忽略+[S]，V=(Vmax/Km)×[S]，即呈正比关系

当[S]较大时(＞＞Km)，忽略Km，V=Vmax，呈定量关系

特点

Km相当于Vmax一半时的底物浓度

可得Km=[S]

Km与酶浓度无关，与酶结构、底物结构、环境有关

Km可表示为酶对底物的亲和度，Km越大，亲和度越低

影响因素

底物浓度、温度、pH

抑制剂

不可逆性抑制剂

例子

有机磷农药(敌百虫、敌敌畏、乐果和马拉硫磷等)特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合,使胆碱酯酶失活

重金属离子与巯基酶分子中的巯基结合使酶失活

可逆性抑制剂

竞争性抑制剂

特点

与底物竞争受体(活性中心底物结合基团)

Km增大，不影响Vmax

例子

丙二酸与琥珀酸脱氢酶，与琥珀酸竞争 磺胺类与二氢蝶酸合酶，与对氨基苯甲酸竞争

非竞争性抑制剂

特点

与酶结合，使底物-酶复合体无法释放底物

Km不变，Vmax降低

例子

亮氨酸与精氨酸酶 哇巴因与钠泵 麦芽糖与α淀粉酶

反竞争性抑制剂

特点

与底物-酶复合体结合

Km降低，Vmax降低

例子

苯丙氨酸与胎盘型碱性磷酸酶

激活剂

使酶由无活性转化为有活性或增加酶活性的物质

关键酶

①常催化第一步反应或分支点上的反应，活性低，决定整个反应的速度 ②常催化单向反应或非平衡反应，其活性能决定整个代谢途径的方向 ③酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂调节

酶的调节

快速调节

构型是一级结构，构象是空间结构 别构调节只改构象不改构型 酶原激活改变构型

磷酸化常见于含羟基物质，苏、酪、丝氨酸

1.酶的化学修饰：甲（甲基化），乙（乙酰化），腺（腺），硫（二硫键与巯基互变），磷（磷酸化） 2.组蛋白化学修饰：甲，乙，泛（泛素化），糖（糖基化），磷 3.氨基酸的化学修饰：甲，乙，羟（羟基化），糖，硒（硒化，翻译前修饰好了），磷，硫（二硫键） 4.泛素化参与真核生物降解过程

慢速调节

泛素化属于慢速调节

酶含量的改变

酶蛋白合成的诱导与阻遏

酶蛋白的降解

分类

氧化还原酶类

乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等

转移酶类

甲基转移酶、氨基转移酶、乙酰转移酶、转硫酶、激酶和多聚酶等

水解酶类

按其所水解的底物不同可分为蛋白酶、核酸酶、脂肪酶和脲酶 根据蛋白酶对底物蛋白的作用部位,可进一步分为内肽酶和外肽酶，同样,核酸酶也可分为外切核酸酶和内切核酸酶。

裂合酶类

催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶

脱水酶、脱羧酶﹑醛缩酶、水化酶等。

连接酶类

DNA连接酶、氨基酰-tRNA 合成酶、谷氨酰胺合成酶等