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生物化学与分子生物学
以下介绍了生物化学与分子生物学发展简史、蛋白质的分子组成、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。
编辑于2021-09-20 16:58:41
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生物化学与分子生物学
绪论
概念：生物化学是用化学物理和生物学的原理和方法，研究生物体内物质的化学组成，结构和功能，以及生命活动过程中各种化学变化过程及其环境之间相互关系的基础生命学科。
第一节 生物化学与分子生物学发展简史
一、叙述生物化学阶段
1、生物氧化作用
2、对脂质、糖类及氨基酸的性质系统的研究
3、分离核酸
4、血红蛋白分离
5、肽键的形成、分子学说等
二、动态生物化学阶段
认识到各种分子的代谢变化
1、发现了必须氨基酸、必须脂肪酸及多种维生素
2、多种激素的发现以及其的合成，分离
3、认识到酶的本质是蛋白质以及酶晶体的制备
4、发现糖代谢途径，脂肪酸贝塔氧化，尿素合成及三羧酸循环等
三、机能生物化学阶段
1、蛋白质结构与生物的合成
2、DNA双螺旋结构和中心法则
3、重组DNA技术得到广泛的应用
基因组学及其他组学的应用
四、中国科学家对生物化学发展的贡献
1、公元前22世纪 以曲酿酒
2、伤寒论中以豆豉作为健胃剂
3、古人用食疗的方法治疗夜盲症，脚气病等
4、我国生物化学家吴宪创立了血滤液的制备和血糖测定法，在蛋白质领域提出蛋白质变性学说
5、1965年我国首先合成了具有生物活性的牛黄素，后又解析出猪的胰岛素晶体结构
6、1981年采用有机合成和酶促相结合的方法合成了酵母丙氨酰tRNA
生物化学与分子生物学与医学的联系
以及如何学习生化这一门学课
第一章 生物大分子结构与功能
第一节 蛋白质的分子组成
一、L-a氨基酸是蛋白质的基本结构单位
由蛋白质含氮量可推算蛋白质的含量：每克样品含氮克数*6.25*100=100g样品中蛋白质含量（g%）(蛋白质中含氮量平均为16%)
概念：人体以20种氨基酸为原料合成的多聚体，因此氨基酸是组成蛋白质的基本单位；其中参与合成的20种氨基酸一般有20种，通常是L-a氨基酸
一些具有重要生理意义氨基酸
参与尿素合成的鸟氨酸，瓜氨酸，精氨酸代琥珀酸
特例：连接在羧基上的阿尔法-碳原子为不对称碳原子（甘氨酸除外）
二、氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
根据理化性质分类
1、非极性脂肪氨基酸
甘氨酸 Gly
丙氨酸 Ala
缬氨酸 Val
2、极性中性氨基酸
3、芳香族氨基酸
4、酸性氨基酸
5、碱性氨基酸
脯氨酸和赖氨酸可被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸
化学修饰
甲基化
甲酰化
乙酰化
异戊二烯化
磷酸化
二硫键
化学修饰：凡通过化学基团的引入或除去，而使蛋白质或核酸共价键结构发生改变的构象
可改变蛋白质的溶解度，稳定性，亚细胞蛋白质的相互作用的性质等
三、氨基酸具有共同或特异的理化性质
（一）、氨基酸具有两性解理性质
两性物质概念：p11
等电点的概念：在某一pH的溶液中，氨基酸解离成的阳离子和阴离子的趋势及程度相等，称为兼性离子，此时为等电点
计算方式：pI=0.5*(pK1+pK2)
（二）、含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质
含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280mm波长附近
（三）、氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
合成的蓝色化合物最大吸收峰在570MM波长处
四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
概念：肽链因脱水缩合而基团不全，为氨基酸残基
连接两个氨基酸的酰氨键叫做肽键
由2～20氨基酸缩合而成的叫寡肽
更多的氨基酸相连而成的肽叫做多肽
五、生物活性具有生理活性及多样性
第二节 蛋白质的分子结构
概念：将蛋白质复杂的分子结构分成个层次，一级、二级、三级、四级，将后三者统称为高级结构或空间构象
一、氨基酸的一级结构决定蛋白质的一级结构
概念：蛋白质一级结构是理解蛋白质结构，作用机制以及生理功能的必要基础。在蛋白质分子中，从N端至C端的氨基酸排列顺序称为蛋白质一级结构。
主要化学键：肽键
二硫键
键内二硫键
键间二硫键
二硫键也属于一级结构
二、多肽链的局部有规律重复主链构象为蛋白质的二级结构
概念：蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
主要化学键：氢键
肽链主链骨架：N原子，alpha-碳原子，羰基碳原子
二级结构包括：alpha-螺旋，beta-折叠，beta-转角，omega-环
（一）、参与肽键形成的6个原子在同一平面上
（二）、alpha-螺旋是常见的蛋白质二级结构
螺旋走向：顺时针方向（右手螺旋）
每3.6个氨基酸残基螺旋上升一周（360度）
螺距：0.54mm
Alpha-螺旋的每个肽键的N-H键和第四个肽键的羰基形成氢键，氢键方向于螺旋长轴基本平行
（三）、beta-折叠使多肽链形成片层结构
形状：折纸状，每个肽单位以alpha-碳为旋转点，依次折叠成锯齿状结构
长度：一般比较短，只含有5～8个氨基酸残基
肽链之间的腰间和亚氨基氢形成氢键，以稳固beta-折叠结构。
蚕丝几乎都是beta-折叠结构
（四）、beta-转角和omega-环存在于球状蛋白质中
beta-转角常发生于肽链进行180度回折时的转角上。
长度：通常由4个氨基酸残基组成
omega-环是存在于球状蛋白质的二级结构。
出现位置：
蛋白质分子表面，以亲水残基为主。
作用：分子识别
（五）、氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
蛋白质的二级结构是以一记结构为基础的
三、多肽链进一步折叠成蛋白质的三级结构
（一）、三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
概念：蛋白质的三级结构是指整条肽链中的氨基酸残基的相对空间位置，也就是说整条肽链所有原子在三维空间的排布位置
蛋白质的三级结构的形成和稳定主要依靠：疏水键、离子键、氢键、范德华力等。
超二级结构：含有多种二级结构病具有明显的折叠层次，即一记结构上相邻的二级结构常在三级结构中彼此靠近并形成超二级结构
常见的超二级结构：alpha- alpha、beta- beta、beta- alpha- beta
（二）、结构膜体可由2个或2个以上二级结构肽段组成
概念：结构膜体是指蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分
常见形式：alpha- beta-alpha等P16下方
膜体是具有特殊功能的超二级结构
结构膜体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础
亮氨酸拉链：是出现在DNA结合蛋白和其他蛋白质中的一种结构膜体。
出现的位置：真核生物DNA结合蛋白的C-端
作用：与癌基因的表达调控有关
锌指结构：是一个常见的模体例子
组成：由一个alpha-螺旋和两个反平行的beta-折叠的三个肽段组成
功能：具有结合锌离子的功能
结合位置：DNA和RNA
（三）、结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
概念：分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域
特点：用限制性蛋白质水解，含多个结构域的蛋白质常分离出独立的结构域，而各结构域的构象基本不变，并保持其功能。（超二级结构不具备此特点）
对象：肽链中所有原子在三维空间的排布位置
（四）、蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象
四、含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
亚基的概念：体内许多功能性的蛋白质含有2条或2条以上的多肽链。每条多肽链都具有完整的三级结构，称为亚基。
亚基之间以氢键和离子键结合
四级结构的定义：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，称为蛋白质的四节结构
若两个亚基结构
相同
同二聚体
不同
异二聚体
五、蛋白质可依据其组成，结构和功能进行分类
蛋白质的组成成分分类
单纯蛋白
只含有氨基酸
缀合蛋白
除蛋白质部分外，还含有非蛋白质的部分，为蛋白质的生物学活性或代谢所依赖
蛋白质根据形状分类
纤维蛋白质
多数为结构蛋白质，较难溶于水
功能：作为细胞坚实的支架或连接各细胞、组织和器官的细胞外结构。
例如：胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等
球状蛋白质
形状近似于球形或椭球形，多数可溶于水。
例如：具有生理学功能的蛋白质如酶，转运蛋白，蛋白质类激素，代谢调节蛋白，基因表达蛋白及免疫球蛋白等
了解的内容：蛋白质家族；超蛋白质家族
第三节 蛋白质结构与功能的关系
一、蛋白质的主要功能
功能：1、构成细胞和生物体结构；2、物质运输；3、催化作用4、信息交流；5、免疫功能；6、氧化功能；7、维持机体的酸碱平衡；8、维持正常的血浆渗透压
二、蛋白质执行功能的主要方式
（一）、蛋白质与小分子相互作用
（二）、蛋白质与核酸的相互作用
（三）、蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式
三、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
（一）、一级结构是空间构象的基础
只要一级结构未被破坏，就有可能恢复到原来的三级结构，功能依然存在。
（二）、一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
实验结果表明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似
（三）、氨基酸序列与生物进化信息
如细胞色素C，物种越接近，则一级结构越相似，其空间构象和功能也相似
（四）、重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
镰刀细胞贫血（一个氨基酸改变）
肌营养不良症（基因大片段碱基缺失导致大片段肽链的缺失）
四、蛋白质的功能依赖特定空间结构
（一）、血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
肌红蛋白（Mb）与血红蛋白（Hb）都是含有血红素辅基的蛋白质
Mb只是一个三级结构的单链蛋白质，有8个alpha-螺旋结构的肽段
Hb是由4个亚基组成的四级结构的蛋白质
（二）、血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
正协同作用是促进作用
负协同作用是抑制作用
（三）、蛋白质构象改变可引起疾病
一级结构不变，但是空间构象发生变化，导致功能发生变化而引起的疾病，叫做蛋白质构象疾病。
如人纹状体脊髓变形病，阿尔兹海默症，亨廷顿病，疯牛病等
第四节 蛋白质的理化性质
一、蛋白质具有两性电离性质
与氨基酸的等电点一致
二、蛋白质具有胶体性质
稳定胶体的因素
颗粒表面的电荷
水化膜
三、蛋白质的变性与复性
概念：在某些物理和化学条件下，使其特定的空间构象发生改变，即使原有的有序结构变为无序结构，导致其理化性质的改变和生物学活性的破坏叫做蛋白质的变性。
蛋白质的主要变性主要发生在二硫键和非共价键，不涉及一级结构的改变
变性因素：加热、乙醇等有机溶液，强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等
复性：若蛋白质变性程度低，去除变性因素后，某些蛋白质也可以恢复原有的构象和功能。但是许多蛋白质空间构象破坏无法恢复，称为不可逆变性
蛋白质的凝固作用：蛋白质在强酸或强碱处理后变性，依然可以溶解在其溶液中，将其调整到等电点立即结为絮状不溶解物，此絮状物仍可以溶解于强酸或强碱溶液中，如果再加热絮状物则变成比较坚固的凝块，此凝块不易溶于强酸或强碱溶液中。
四、蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收
含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，在280纳米有吸收峰。
五、应用蛋白质呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
茚三酮反应
双缩尿反应
第二章核酸的结构与功能
概念：核酸是以核苷酸为基本单位组成的生物大分子，具有复杂的空间结构和生物学特性
分类
脱氧核糖核酸
核糖核酸
第一节核酸的化学组成以及一级结构
一、核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
核苷酸完全水解形成一分子碱基、一分子的戊糖、一分子的磷酸
碱基是构成核苷酸的基本组成成分之一
嘌呤
鸟嘌呤G 腺嘌呤A
嘧啶
胸腺嘧啶T 胞嘧啶C 尿嘧啶U
核苷是碱基与核糖的缩合反应的产物；其与磷酸反应脱水形成一个磷脂键，生成核苷酸或脱氧核苷酸；命名方式为某核苷-几磷酸
作用：1、化学载体ATP 2、信使分子cAMP 3、辅酶CoA,FAD，NAD+ 4、化疗药物5-FU，6-MP
二、DNA是脱氧核糖核苷酸通过3’,5‘-磷酸二酯键形成的线形大分子
化学键：磷酸二酯键；5‘-端和3’-端；只能从它的3’-端延长
方向：只能从5‘-3’
三、RNA是核糖核苷酸通过3‘5‘磷酸二酯键聚合形成的线形大分子
方向：与DNA的一致
特点：戊糖不是脱氧核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，一般没有胸腺嘧啶
四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
概念：把RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸从5‘-端到3’-端的排列顺序定义为核酸的一级结构
核酸的一级结构也就是它的碱基序列
第二节DNA的空间结构与功能
概念：在特定的环境下，DNA链上的功能团可以产生特殊的氢键、离子键、疏水作用力、空间位阻效应等，使得DNA分子的各个原子在三维空间里具有了特定相对位置关系
DNA的空间结构可分为二级结构和高级结构
一、DNA的二级结构是双螺旋结构
（一）、DNA双螺旋结构的实验基础
Chargaff提出了chargaff规则
1、不同生物个体的DNA，其碱基组成不同
2、同一个个体的不同器官或组织的DNA具有相同的碱基组成
3、对于一个特定的DNA，其碱基不随年龄、营养状态和环境的变化
4、对于一个特定生物体，A的摩尔数=T的摩尔数，G的摩尔数=C的摩尔数
富兰克林和威尔金斯解析出DNA分子的空间结构
沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构
DNA结构发现的意义
诠释了生物遗传届性状世代遗传的分子机制，奠定了现代生命科学的基础。
揭示了DNA作为遗传信息载体的物质本质
为DNA作为复制模版和基因转录模版提供了结构基础
（二）、DNA双螺旋结构模型的要点
1、DNA由两条多聚脱氧核苷酸组成
右手螺旋
两条链反向平行
直径2.37纳米；螺距3.54纳米；每个螺旋10.5个碱基对；碱基对之间的平面垂直距离为0.34纳米
2、DNA的两条多聚脱氧核苷酸之间形成了互补碱基对
A与T之间形成2对氢键，G与C之间形成了3对氢键
3、两条多聚脱氧核苷酸的亲水性互补骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
骨架：多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架。其位于双螺旋结构的外侧，疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内侧。
DNA双链的反向平行使得碱基对与磷酸骨架的连接呈现非对称性，在DNA双螺旋结构的表面上产生一个大沟和一个小沟
一个螺距内含有一个大沟和一个小沟
4、两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
在旋进的过程中，相邻的碱基对平面彼此重叠产生了疏水性碱基堆积力
作用：其与互补链之间的碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定
（三）、DNA双螺旋结构的多样性
（四）、DNA的多链结构
Hoogsteen氢键的形成不破坏Watson-Crick氢键，且含有了三个碱基的C+GC平面，C+与G之间是hoongsteen氢键；同理也可以形成TAT的三碱基平面；形成了DNA的三链结构，嵌入在DNA双链的大沟中，以此干扰调控因子的结合，影响该基因的复制或转录
人端粒区TTAGGG的碱基序列可以通过自身的回折形成一个G-四链的特殊结构
核心是4个鸟嘌呤通过8对hoogsteen氢键形成G-平面
二、DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
DNA双链需要一种超螺旋结构释放出应力使DNA处在一个低能量的状态
正超螺旋
负超螺旋
自然状态下的DNA双链主要以负超螺旋的形式存在，经过一系列的盘绕。、折叠和压缩后，形成了致密的高级结构。
（一）、封闭环状的DNA具有超螺旋结构
绝大多数的原核生物的DN是环状的双螺旋分子
存在条件：负超螺旋的DNA双链只能以封闭的形式或者在蛋白质结合的条件下存在，以免他们之间相互纠缠。
作用：产生了DNA双链的局部解链效应，有助于复制、转录等生物过程的进行
（二）、真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
染色质的基本组成单位是核小体
核小体是由一段双链的DNA和4种碱性的组蛋白（简写为H）共同构成。
核小体颗粒：八个组蛋白分子（Ｈ2A*2，Ｈ2B*2，Ｈ3*2，Ｈ４*2）共同形成一个八聚体的核心组蛋白，长度约146bp的DNA双链在核心组蛋白上盘绕1.75圈，形成核小体颗粒
连接相邻核小体之间的的一段DNA称为连接段DNA，长度为0～50bp之间不等，是非组蛋白结合区域
组蛋白HI结合在盘绕在核心组蛋白上的DNA双链的进口处，发挥稳定核小体结构的作用。
染色质纤维：核小体核心颗粒和DNA双链形成了10nm的串珠状结构
三、DNA是主要遗传物质
RNA空间结构与功能
分类
编码RNA
mRNA
非编码RNA
组成性非编码RNA
调控性非编码RNA
一、mRNA是蛋白质生物合成的模版
细胞核内新合成的mRNA的初级产物被称为核不均一RNA（hnRNA)在细胞内合成后，再经过一系列的转录和修饰，剪接成成熟的信使RNA，最后被转运至细胞质中
1、真核生物的信使RNA的5‘-端有帽结构
大部分真核生物的信使RNA的5‘-端有反式7-甲基鸟嘌呤-3磷酸核苷（m7Gppp）被称为5‘-端结构；形成了一个5‘-5’的三磷酸键
真核生物的信使RNA的5‘-帽结构可以与一种称为帽结合蛋白（CBP）分子结合形成复合体
原核生物没有这特殊的5‘-帽结构
2、真核生物域原核生物信使RNA的3‘-端有多聚腺苷酸尾的结构
在细胞内，多聚（A）尾结构域poly(A)结合蛋白（PABP）结合，每20个腺苷酸结合一个PABP分子。
作用：3‘-尾结构域5’-帽结构共同负责信使RNA从细胞核向细胞质的转运、维持信使RNA的稳定性以及翻译起始的调控。
3、真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的信使RNA
外显子：是构成信使RNA的序列片段
内含子：是非编码序列
在hnRNA向细胞质转移过程中，内含子被剪切掉，外显子连接在一起.再经过加帽和加尾修饰后成为成熟的信使
4、信使RNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
一条成熟的信使RNA包括5‘-非编码区、编码区、3’-非翻译区
从成熟的5‘-帽结构到核苷酸序列中的第一个AUG开始（即起始密码子）之间的核苷酸序列被定义为5’-非翻译区
从信使RNA的可读框的下游直到多聚A尾的区域称为3‘-非翻译区
从AUG开始，每三个连续的核苷酸组成一个遗传密码子，每个密码子编码一个氨基酸，直到三个核苷酸（UAA，UAG，UGA）
二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
转运RNA作为蛋白质合成的底物——氨基酸的载体参与蛋白质合成，为合成中的多肽链提供活化的氨基酸
组成：tRNA都是由74～95个核苷酸组成的。tRNA具有稳定的空间结构
1、tRNA含有多种稀有的碱基
含有特殊的氨基酸
双氢尿嘧啶（DHU）
假尿嘧啶核苷
甲基化的嘌呤（m7G,m7A）等
2、tRNA具有特定的空间结构
二级结构酷似三叶草结构，位于两侧的发卡结构含有稀有碱基，分别为DHU环，TψC环；位于上方的茎称为为氨基酸臂，亦称为接纳茎；位于下方的发卡结构则称为反密码子环
tRNA都具有相似的倒L形的空间结构。稳定的转运RNA的三级结构的是某些碱基之间产生的特殊氢键和碱基堆积力
3、tRNA的3‘-端连接着氨基酸
概念所有tRNA的3‘-端都是CCA三个碱基核苷酸结束的，氨酰-tRNA合成酶将氨基酸通过酯键连接在腺嘌呤A的C3‘原子上，生成了氨酰-tRNA，从而使tRNA成为了氨基酸的载体
只有连接在tRNA的氨基酸才能参与蛋白质的生物合成
4、tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
反密码子的概念：tRNA的反密码子环由7～9个核苷酸组成，居中的三个核苷酸通过碱基互补配对的关系识别信使RNA上的密码子，因此叫做反密码子
三、以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
概念:核糖体RNA是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总重量的80%左右。核糖体RNA具有特定的种类和保守的核苷酸序列，核糖体RNA核糖体蛋白共同构成核糖体
核糖体有三个重要的部位，分别是A位的氨酰-tRNA的氨酰位；P位结合肽酰-tRNA的肽酰位；E位：释放已经卸载了的氨基酸的tRNA的排出位
四、组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰，蛋白质的转运以及调控基因表达
分类
催化小RNA
也称为核酶，是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA统称，具有催化特定RNA降解的活性
核仁小RNA
snoRNA定位于核仁，主要是核糖体RNA的成熟加工
核小RNA
snRNA参与了真核生物的mRNA的成熟过程，与20多种蛋白质组成了细胞的核小核糖核蛋白（snRNP将其命名为U-snRNA）有U1-U7；作用是hn RNA上的外显子和内含子的接点，切除内含子；且5端含有与mRNA类似的帽结构
胞质小RNA
作用：scRNA存在于细胞质中，参与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能
五、调控性非编码RNA参与了基因表达调控
分类
非编码小RNA
长非编码RNA
环状RNA
作用：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色质的形成和结构稳定等；在胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及在疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展进程中都有非编码RNA的参与
第四节核酸的理化性质
一、核酸具有强烈的紫外吸收
嘌呤和嘧啶是具有共轭双键的杂环分子
在中性条件下，它们的最大吸收峰在260nm附近
核酸为多元酸，具有较强的酸性
二、DNA变性是一条DNA双链解离为DNA单链的过程
概念：某些极端的理化条件（温度、PH、离子强度等）可以断链DNA双链互补碱基对之间的氢键以及破坏碱基堆积力，使一条DNA双链解离成两条单链。此现象叫做DNA变性（只破坏了空间结构但没有破坏DNA的核苷酸序列）
单链DNA：ssDNA
双链DNA：dsDNA
增色效应：在解链的过程中，有更多的包埋在双链结构内部的碱基得以暴露，因此含有DNA的溶液在260nm处的吸光度增加的现象。
DNA解链曲线或者溶解曲线
在解链曲线上，紫外线吸光度的变性达到最大变化值的一半所对应的温度被定义为DNA的解链温度或溶解温度；此时温度有50%的DNA双链成为了单链
三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链
概念：把变性条件缓慢地去除后，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，叫做复性
热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性，这一过程叫做退火
复性条件：2条ssDNA之间存在互补配对的区域
减色效应：复性后的DNA OD260值下降至最低的效应
只要两种核酸单链之间存在一定程度的碱基互补配对关系，就有可能形成杂化双链，这种现象叫做核酸分子杂交。
酶与酶促反应
酶是催化特定反应的蛋白质，是一种生物催化剂，其能够降低化学反应活化能加快反应速率，但不改变反应平衡点，具有催化效率高，专一性强，作用条件温和等特点。
第一节 酶的分子结构与功能
酶的本质是蛋白质或核酸
分类
单体酶：有一条肽链构成
寡聚酶：由多个相同或者不同的肽链（亚基）以非共价键连接组成的酶
多酶复合物（多酶体系）：按序催化完成一组连续反应的一种或几种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（串联酶）：一条肽链上同时具有多种不同的催化功能
一、酶分子组成中常含有辅因子
分类
单纯酶：水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶
缀合酶：（结合酶）是由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成，其中蛋白质部分称酶蛋白，非蛋白质部分称辅因子
酶蛋白主要是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
分类
辅酶：通过非共价键与酶蛋白结合结合比较疏松，可利用透析的方法除去
辅基：与酶蛋白结合形成共价键，结合紧密，无法通过透析或者超滤将其除去
辅因子多为有机化合物或金属离子；有机化合物多为维生素B族的衍生物或卟啉化合物；它们在酶促反应中主要传递电子，质子或基团，起运载体的作用
金属离子的作用：1）作为催化中心的组成部分参加催化反应，使底物语催化中心的必需基团形成正确的空间排列；2）作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；3）中和电荷，减小斥力，促进底物与酶的集合；4）与酶结合形成稳定的空间结构
二者结合称全酶（单独存在时无催化活性，只有全酶才具有活性）
二、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
概念：酶分子中能与底物特异性结合转变为产物，具有特定的三维结构的区域叫做酶活化中心或酶催化部位
必需基团：一些与酶活性密切相关的基团，常见的有丝氨酸残基的羟基，组氨酸残基的咪唑基，半胱氨酸残基的巯基，以及酸性氨基酸残基的羧基等（有些必需基团在活性中心外，有些在活性中心内）
活性中心内有
结合基团：识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物
催化基团：影响底物中的某些化学键的稳定性，催化化学反应，使其变成产物
活性中心外的必需基团虽不直接参与催化反应，却为维持活性中心的空间构象或者作为调节剂的结合部位所必需。
酶的活性中心具有三维结构，形成裂缝或凹陷，这些裂缝或凹陷由酶的特定空间构象所维持，深入酶分子内部且由多由氨基酸残基的疏水基团组成，形成疏水‘口袋’
三、同工酶催化相同的化学反应
概念：同工酶是指催化相同化学反应，但酶蛋白的分子结构，理化性质乃至免疫学特性不同的一组酶，其活性中心的三维结构相同或相似，故可以催化
由同一基因转录的mRNA前体经过不同的剪接过程生成的多种mRNA的翻译产物（一系列酶）也属于同工酶。
本质：一级结构存在差异，但其活化中心的三维结构相同或相似
意义：当组织发生病变的时候，该组织的同工酶可释放入血，临床上检测血清中的同工酶活性，分析同工酶谱有助于疾病的诊断和预后判定
第二节 酶的工作原理
酶与普通催化剂的相同点：1）化学反应前后都没有质和量的改变 ；2）只能催化热力学允许的化学反应；3）只能加快反应的进程，而不改变平衡点和平衡常数
一、酶具有不同于一般催化剂的显著特点
（一）酶对底物具有极高的催化效率
（二）酶对底物具有高度的特异性
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产生的一定的产物，酶的特异性，又称为酶的专一性。
分类
绝对特异性
酶只作用于特定的结构底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定的产物，叫做绝对专一性
举例：脲酶催化尿素水解，琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸与延胡索酸之间的氧化还原
相对特异性
依据底物分子中特定的化学键或特定的基因，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，叫做相对特异性
举例：磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油或酚于磷酸形成的酯键，脂肪酶不仅水解脂肪，也水解简单的酯等
（三）酶具有可调节性
许多酶活性和含量受体内代谢物或激素的调节的精确调控，以适应内外环境不断的变化
（四）酶具有不稳定性
酶化学本质是蛋白质，在某些理化性质的作用下，酶会发生变性失活
二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
（一）酶比一般催化剂更有效的降低反应的活化能
（二）酶与底物形成中间产物
1、诱导契合作用使酶与底物密切结合
酶与底物相互接近，二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
诱导契合作用的意义：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变为产物。
2、邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
酶在反应中将诸底物结合到活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系；实际上是将分子间的反应变成了类似分子内的反应，提高了反应速率
3、表面效应使底物分子去溶剂化
酶促反应在疏水的环境下进行，使底物分子去溶剂化，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，利于底物于酶分子的密切接触和结合，这种现象称为表面效应
（三）酶的催化机制呈现多元催化作用
共价催化
亲核催化
亲电子催化
第三节 酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应反应速率影响机制的科学
一、底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
曲线图
随着底物浓度的不断增加，反应速率也不断上升至趋于平稳，达到最大值V，此时的反应可视为零级反应
由米-曼式方程可对曲线做出合理的解释（P63）
Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
1、Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度 Km=[S]
2、Km值酶的特征性常数
Km的值并非固定不变，它与酶的结构，底物的结构，反应环境的PH，温度，离子强度有关，与酶浓度无关。
Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
Km越大，表示酶对底物的亲和力越大，其越小，酶对底物的亲和力越大，
二、底物足够时酶浓度对酶促反应的影响呈直线关系
随着酶浓度的增加，酶促反应增大，二者呈现正比关系
三、温度对酶促反应速率的影响具有双重性
酶促反应时，随着反应体系温度的升高，底物的热运动加快，增加了分子碰撞的机会，提高酶促反应的速率，升高至临界值时，酶开始变性，使得么粗速率下降
四、PH通过改变分子及底物分子的解离状态影响酶促反应的速率
酶催化活性最高的反应体系的PH称为酶促反应的最适PH
五、抑制剂可降低酶促反应速率
概念：凡使酶活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。抑制剂与酶活性中心或活性中心以外的调节位点结合，从而抑制酶的活性。
分类
（一）不可逆性抑制剂与酶共价结合
不可逆抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活，不能通过透析，超滤等方法予以去除
举例：有机磷农药特异性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，导致乙酰胆碱堆积，引起胆碱能神经兴奋，病人可出现恶心，呕吐，多汗，肌肉震颤，瞳孔缩小，惊厥等一系列症状（解救有机磷农药中毒时，可给予乙酰胆碱拮抗剂阿品脱和胆碱酯酶复活剂解磷定）
低浓度的重金属离子（汞离子，银离子，铅离子等）及砷离子等可与巯基酶中的巯基结合酶结合失活（路易斯气是一种毒气，能不可逆的抑制体内的巯基酶活性，从而引起神经，皮肤，黏膜，毛细血管等的病变和代谢功能紊乱）解毒可使用二巯基丙醇解除对巯基酶的抑制
（二）可逆性抑制剂与酶非共价结合
1、竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心
抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争结合酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物，这种抑制作用叫竞争性抑制作用
2、非竞争性抑制剂结合活性之外的调节位点
有些抑制剂与酶活性中心外的结合位点相结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物（IES）不能进行下一步释放出产物，这种抑制作用叫非竞争性抑制作用
3、反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生
与非竞争性抑制剂一样，此类抑制剂也是与酶活性中心以外的调剂位点结合，不同的是没有底物结合，游离的酶并不能与抑制剂结合当底物与酶结合后，抑制剂才能与抑制剂结合。
六、激活剂可提高酶促反应速率
使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。激活剂大多数为金属离子，如镁离子，钾离子，锰离子等；少数为阴离子，氯离子。也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐
分类
必需激活剂
大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性。
非必需激活剂
有些酶即使激活剂不存在时，仍然有一定的催化活性，激活剂则可以使其活性增加。
第四节 酶的活性
一、酶激活的调节是对酶促反应速率的快速调节
（一）别构效应通过改变酶的构象而调节酶的活性
体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价键可逆结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性，酶的这种调节方式称为酶的别构调节或变构调节
受别构调节的酶称为别构酶，引起别构效应的物质称为别构效应剂；酶分子与别构效应剂结合的部位称为别构部位或调节部位，有些酶的调节部位与催化部位存在于同一亚基，有的则分别存在于不同的亚基，从而有催化亚基和调节亚基之分。
分类：别构激活剂；别构抑制剂
（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团共价结合，同时有可在另一种酶的催化下，去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性，这种调节方式称为酶的共价修饰或酶的化学修饰
常见的形式是磷酸化和去磷酸化
（三）酶原需要激活过程才能转变为有活性的酶
有些酶在细胞内合成或初分泌，或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性的酶的前体称作酶原
本质：酶原激活的过程实质上是酶活性中心的形成或暴露的过程
意义：消化道蛋白酶以酶原形式分泌避免胰腺的自身消化和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏；同时还能保障酶在特定环境和部位发挥其催化作用，凝血因子以酶原的形式存在，不发生血液凝固，可保障血管畅通。
二、酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏
（二）酶的降解与一般蛋白质降解途径相同