生物大分子的结构与功能

生物化学 生物大分子的结构与功能，分享了蛋白质、核酸、酶与酶促反应、聚糖的结构与功能的知识，一起来看看吧。

生物大分子的结构与功能

• 蛋白质
  • 碳氢氧氮硫，少量磷或金属元素，碘
    • 平均含氮16%，每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量
  • 分子组成
    • 人体蛋白质是由20种氨基酸为原料合成的多聚体，通常是L-α-氨基酸(除甘氨酸)
    • 氨基酸分类
      • 按照理化性质
        • ①非极性脂肪族: 丙甘，缬异亮亮，脯甲硫 ②极性中性: 丝苏半胱，谷氨酰胺，天冬酰胺 ③芳香族: 苯丙，酪色 ④酸性(含有羧基): 天冬氨酸，谷 ⑤碱性(含有氨基，咪唑基，胍基): 赖精组
      • 脯氨酸属于亚氨基酸，N在杂环中移动的自由度受限，但其亚氨基仍能与羧基形成肽键 半胱氨酸的巯基失去质子倾向大极性最强，两个半胱氨酸脱氢后形成二硫键为胱氨酸
    • 氨基酸的理化性质
      • ①两性解离
        • 酸性溶液中得到质子→NH3+的阳离子；碱性溶液中失去质子→COO-的阴离子 等电点(PI): 在某一PH溶液中，氨基酸解离呈阳或阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH称为该氨基酸的等电点 PI=1/2×(pK1+pK2)
      • ②含有共轭双键具有紫外吸收性质
        • 色酪都为含有苯环的芳香族最大吸收峰在280nm→测蛋白质含量
      • ③与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
        • 茚三酮水合物+弱酸性溶液+氨基酸→加热→氨基酸脱氨脱羧，茚三酮还原→氨+茚三酮还原物+茚三酮缩合形成蓝紫色化合物；最大吸收峰在570nm
    • 氨基酸→酰胺键(肽键)→寡肽(2-20个氨基酸)→多肽(50个以下，N端和C端)→蛋白质(50个以上)
      • 氨基酸残基: 氨基酸脱水缩合而基团不全
    • 生物活性肽具有生理活性及多样性
      • ①GSH(谷+半胱+甘): 巯基具有还原性保护免遭氧化，GSH-GSSG；巯基具有嗜核特性与外源性的嗜电子毒物结合起到保护作用 ②多肽类激素及神经肽
  • 分子结构
    • 一级结构
      • ①N端至C端的氨基酸排列顺序，一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础但不是唯一因素 ②肽键二硫键 ③牛胰岛素时第一个被测定一级结构的蛋白质分子
    • 二级结构
      • ①某一段肽链的局部空间结构，该段肽链主链骨架原子的相对空间位置(N，Cα，羰基碳) ②氢键 ③类型: α螺旋(右手螺旋，14链内氢键，氨基酸位于外侧肽键位于内侧，每3.6个上升1圈，螺距为0.54nm)；β折叠形成片层结构锯齿状；β转角(肽链发生180°回折时的转角上，第二个残基常为脯氨酸)；Ω环存在于球状蛋白质中 ④肽单元(Cα1-C-O-N-H-Cα2在同一平面，Cα1Cα2为反式)
    • 三级结构
      • ①整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，主链+侧链所有原子的三维空间排布 ②次级键→疏水键，盐键，氢键，范德华力 ③结构模体/基序→具有特定空间构象和功能→超二级结构(αα/βαβ/ββ)，亮氨酸拉链(每6个出现一次，与癌基因表达调控有关)，钙结合蛋白(螺旋-环-螺旋)，锌指结构(N端一对半胱氨酸残基和C端一对组氨酸残基→洞穴→结合锌离子→稳固嵌于DNA大沟中) ④结构域: 分子量较大的蛋白质可折叠成多个结构紧密且稳定的区域，并各行其功能；连续的100-200氨基酸残基 ⑤分子伴侣: 参与蛋白质折叠成正确的空间构象，包括热休克蛋白70/伴侣蛋白/核质蛋白
    • 2条及以上多肽链构成的四级结构
      • ①每一条多肽链都有完整的三级结构称为亚基，亚基之间呈特定的三维结构排布并以非共价键相连 ②氢键，离子键 ③单一亚基没有生物学功能，完整的四级结构是发挥生物学功能的保证
    • 蛋白质分类
      • ①根据组分
        • 单纯蛋白质(只含有蛋白)；缀合蛋白质(蛋白-共价键-辅基)
      • ②根据形状
        • 纤维蛋白质(难溶于水，支架连接细胞外成分)；球状蛋白(溶于水，具有生理功能的蛋白质)
      • ③蛋白质家族-同源蛋白；超家族(共同祖先进化来的)
  • 结构与功能的关系
    • 主要功能
      • ①构成细胞生物体结构 ②物质运输(Hb，载脂蛋白，清蛋白-脂肪酸钙离子磺胺胆红素，运铁铜蓝) ③催化功能(酶) ④信息交流(受体，衔接蛋白，信号复合体) ⑤免疫功能(免疫球蛋白) ⑥氧化供能(是蛋白质的生理功能) ⑦维持酸碱平衡(蛋白质缓冲体系) ⑧维持血浆渗透压(血浆清蛋白)
    • 主要方式
      • ①蛋白质与小分子相互作用(酶催化，物质转运，信息传递) ②蛋白质与核酸相互作用 ③蛋白质与蛋白质发挥作用→MHC参与分子识别，抗原抗体特异性结合
    • 一级结构是高级结构与功能的基础
      • 一级相似结构功能相似，一级不同生物学功能各异(加压素，催产素)，一级关键部位氨基酸残基改变引起蛋白质功能异常(分子病→镰状细胞贫血-T变A-谷变缬，肌营养不良)；具有高级结构才能表现出功能(酶原水解暴露)
    • 功能依赖空间构象
      • Hb(四级亚基)Mb(三级)结构相似功能相同，都有血红素辅基
      • ①协同(正/负): 亚基与配体结合→影响另一亚基与配体结合 ②变构: 亚基与配体结合→引起其他亚基构象变化；如Hb
      • 空间构象改变→蛋白质构象病
  • 理化性质
    • 1.特定条件下沉淀析出: 重金属盐，有机溶剂，中性盐，生物碱试剂 2.芳香族氨基酸使蛋白质具有紫外吸收:色，酪 3.蛋白质变性: 加热强酸强碱乙醇生物碱重金属离子→空间构象破坏(非共，2s)→溶解度↓黏度↑，结晶能力消失，生物活性丧失，对280nm吸收增强；复性(部分)-蛋白质凝固(不可复)，蛋白质沉淀 4.两性电离: 大多数蛋白质PI=5，在血浆中多为阴离子 5.高分子化合物的胶体性质: 水化膜和带电荷→稳定；除去后容易盐析 6.呈色反应: 茚三酮(蓝紫色)→蛋白质含量；双缩脲(肽键-紫色红色，氨基酸无)→蛋白质水解程度
• 核酸
  • 化学组成及一级结构
    • 分类
      • ①DNA: 位于细胞核线粒体→携带遗传信息决定遗传型 ②RNA: 位于细胞核细胞质线粒体→参与遗传信息的复制表达
    • 核苷酸是基本组成单位
      • • 4个键: 糖苷键，磷酯键，3',5’磷酸二酯键，氢键→变性复性只有氢键改变
      • ①碱基: DNA(AGCT)；RNA(AGCU) ②核糖: DNA(脱氧核糖)；RNA(核糖)→C-2'所连接的基团 碱基部分不同，核糖完全不同
    • 一级结构
      • 是核苷酸排列顺序→碱基排列顺序(核糖和磷酸相同只构成骨架)
  • DNA
    • 二级结构→双螺旋
      • 1950Chargaff规则
        • ① 不同生物个体DNA碱基组成不同→A+T/G+C比值不同 ②同一个体的不同器官组织DNA 碱基组成相同 ③碱基组分不随年龄营养环境改变 ④DNA双链→A=T，G=C，A+T=G+C
      • X线衍射技术→B型双螺旋
        • 1.反平行互补双链结构
          • ①反向: 一条5'-3'，另一条3'-5' ②配对: 碱基间AT，GC ③平行: 内侧疏水碱基，外侧核糖磷酸构成的亲水性骨架 ④双链: 2条单链构成
        • 2.右手螺旋
          • 直径2.37nm，螺距3.54nm，每一螺旋10.5个碱基对→碱基对旋转角度36°，垂直距离为0.34nm
        • 3.稳定性维系
          • ①横向→互补碱基之间的氢键 ②纵向→疏水性对碱基堆积力 ③磷酸脱氧核糖骨架 纵向＞横向，GC＞AT
      • 螺旋结构多样性
        • ①92%B型 ②湿度降低空间结构参数改变→A型 ③左手双螺旋→Z型
    • 三级结构→超螺旋
      • DNA双链盘绕→超螺旋(方向相同为正超，不同为负超多见)；拓扑异构酶参与下形成
      • 原核生物
        • 大多数为环状双螺旋→进一步盘绕→类核结构(80%为DNA其余为蛋白质) 如大肠杆菌每200bp就有1个负超
      • 真核生物
        • (H2A+H2B+H3+H4)×2构成八聚体核心组蛋白-146bpDNA双链缠绕1.75圈→核小体(H1连接相邻核小体)→染色质纤维→染色质中空螺旋管→染色质超螺旋纤维→染色单体→染色体
    • 功能
      • ①遗传信息的载体并为基因复制转录提供模板(是物质基础信息基础) ②遗传信息以基因形式存在(DNA中特点的核苷酸序列)；基因组(该生物DNA的全部遗传信息，肌一套染色体中完整的核苷酸序列)
    • DNA和蛋白质一级结构比较
  • RNA
    • ①编码RNA(mRNA) ②非编码RNA→组成性；调控性 通常以单链无规卷曲形式存在
    • DNA和RNA一般特性
    • 各RNA的特点和比较
    • mRNA(信使/模板)
      • DNA→转录→hnRNA→修剪加工(加帽尾去内含子接外显子)→成熟mRNA→转移到胞质
      • ①5'端加帽: 反式7-甲基嘌呤-三磷酸核苷(m7Gppp) ②3'端加尾: 多聚腺苷酸尾/多聚A尾(polyA) ③帽尾作用: 核内向胞质转位；稳定性维系；调控翻译起始
      • 成熟mRNA: 帽子→5'非翻译区→起始密码子(AUG)→遗传密码子组成的ORF→终止密码子(UAA，UAG，UGA)→3'非翻译区→尾
    • tRNA(载体/转运)
      • 含有多种稀有碱基
        • 占所有碱基的10-20%，均是转录后修饰而成→DHU，Ψ，甲基化的嘌呤(m7G/A)
      • 二级结构→三叶草结构(三环一柄)
        • 密码子与反密码子结合→tRNA转运正确氨基酸形成氨酰tRNA参与蛋白质合成
      • 三级结构→倒L型
    • rRNA(构成核糖体)
      • 参与合成核糖体，是蛋白质合成的主要场所
      • ①原核→小亚基30S(16S)+大亚基50S(23S，5S) ②真核→小亚基40S(18S)+大亚基60S(28S，5.8S，5S)
    • 其它非编码RNA
  • 理化性质
    • 高分子性质
      • ①DNA是线性高分子→DNA溶液有较大的黏性；DNA机械作用下易断裂 ②电泳特点: 具有两性电解质的性质（带负电荷的磷酸基团，带正电荷的含氮碱基） ③沉淀特点：带负电的DNA可以与金属离子结合成盐 ④吸光特点：碱基都含有共轭双键，具有强烈吸收紫外线的性质，最大紫外线吸收波长在260nm→OD260/OD280=1.8 ; RNA=2.0(若A260/A280大于1.8，说明仍有RNA，若小于1.8，说明样品中含有蛋白质或酚)；A260=1为50μg/ml双链DNA或40的DNA单链或20的寡核苷酸
    • 变性和复性
      • 变性: 在加热，碱性溶液，有机溶剂等条件下，DNA双链间的氢键断裂，形成两条单链的过程叫作变性(破坏空间结构但一级结构未变)
        • 1.不同DNA结构有不同A26吸收值→双链DNA＜单链DNA＜单核苷酸 2.增色效应: 在DNA解链过程中使双螺旋结构内部碱基暴露→DNA溶液A260吸光度增加 3.Tm(融链温度): 一半DNA分子变性时的温度→①Tm值随分子中G/C含量呈线性增加(增加1%Tm提高0.4℃，天然DNA分子22%-73%Tm85℃~95℃之间)；②还受到介质中离子强度的影响(离子强度越低越不稳定溶解温度越低→所以DNA制品一般保存在1mol/L NaCl中)；③DNA分子越长Tm越大
        • Tm=4(G+C)+2(A+T)
      • 降解：在某些因素的影响下，例如紫外线、DNA酶等，可以使DNA分子中的共价键断裂，形成多个分子量更小的DNA片段，这个过程叫作DNA降解
      • 复性: 当撤除变性因素后，原变性的两条互补DNA单链通过碱基配对又重新缔合成为双链结构的过程叫作复性；加热后变性的DNA在温度降低过程中的复性又称为退火
        • 影响因素: ①温度：温度高利于分子运动增加碰撞机会；温度过高接近Tm值时，趋向变性错配率增加(缓慢冷却，若迅速降至4℃来不及形成双链；比Tm低25℃最佳) ②离子强度：离子强度高利于复性过程 ③DNA分子大小和碱基序列: 简单的复性快，复杂的复性慢 ④DNA的浓度: 浓度高比浓度低更容易复性
      • 杂交: 在复性条件下，来源不同、但具有同源性的DNA单链按碱基配对原则形成双链DNA分子的过程(2DNA，2RNA，RNA和DNA)
        • 标记有示踪物的寡核苷酸片段叫作探针+靶片段→杂交双链→显现示踪分子来定位靶DNA
    • 核酸蛋白质变性比较
• 酶与酶促反应
  • 酶分子结构与功能
    • 基本概念
      • ①酶: 催化特定反应的蛋白质是一种生物催化剂→蛋白质+核酶(作用于RNA)+抗体酶 ②单体酶(1条肽链)；寡聚酶(多个肽链非共价键连接) ③多酶体系(不同催化功能的酶聚合形成的整体)；多功能酶/串联酶(1条肽链上有不同催化功能的酶) ④单纯酶(只有蛋白质)；结合酶(蛋白酶+辅因子) ⑤同工酶(催化相同化学反应但结构理化性质免疫性性质不同) ⑥变构酶(与效应剂可逆结合→改变构象→影响酶活性)
    • 分子组成
      • 单纯酶
        • 水解后仅含有氨基酸→脲酶脂酶核酸酶淀粉酶
      • 结合酶/缀合酶
        • 酶蛋白→决定特异性，一种蛋白通常只与一种辅因子结合
        • 辅因子→决定类型，一种辅因子可与多种蛋白结合
          • 辅酶/辅基
          • ①小分子有机化合物(B族维生素)→运载体 ②金属离子(最常见，2/3)→参与催化，酶与底物的桥梁，中和电荷，稳定
        • 酶蛋白+辅因子→全酶，全酶才具有活性
    • 活性中心
      • 与底物结合→使底物变为产物具有特定三维结构的区域(疏水口袋)
      • 辅酶/辅基
      • 必需基团
        • ①活性中心内: 结合基团(识别结合底物酶形成过渡态复合物)；催化基团(催化作用) ②活性中心外: 维持空间构象，调节剂的结合部位
    • 同工酶
      • 生化意义
        • ①进化过程中基因趋异的产物 ②形成不同的同工酶谱 ③同工酶释放入血检测疾病诊断 ④遗传标记
      • 临床意义
        • M和H构成的四聚体→LDH(5种)→LDH1心肌，LDH5骨骼肌和肝
        • M和B构成的二聚体→CK(3种)→CK1脑，CK2心肌，CK3骨骼肌
  • 酶的工作原理
    • 酶促反应的特点
      • ①极高催化效率 ②高度特异性(绝对→特定结构的底物分子，相对→特定化学键基团) ③可调节性(受代谢产物激素调节) ④不稳定性(本质是蛋白质强酸强碱高温下变性失活)
      • 酶与催化剂的共同点
        • ①反应前后质量无改变 ②只催化热力学上允许的 ③只加速不改变平衡点 ④可正可逆 ⑤机制是降低活化能
    • 酶如何提高反应速率
      • 酶比一般催化剂更好的降低反应活化能
        • 化学分子必须从基态变为过渡态才能碰撞急性反应 活化能: 一定温度下，1mol反应物从基态变为过渡态所需的自由能→决定速率的内因
      • 酶与底物结合是释能反应→降低活化能的主要能量来源
        • ①诱导契合: 酶底物相互接近时→结构上相互诱导变形适应 ②邻近效应与定向排列正确定位于酶活性中心→分子间变为分子内反应 ③表面效应: 酶活性中心为疏水口袋→去溶剂化排除干扰
      • 多元催化
        • ①酸碱催化: 质子供体(酸)，质子受体(碱)→参与质子转移 ②共价催化: 亲核催化(亲核基团提供电子)；亲电子催化(亲电子基团)
  • 酶促反应动力学
    • 研究酶促反应速率以及各种因素对其影响
    • 底物浓度
      • 其它条件不变时→普通酶V与S呈矩形双曲线，别构酶呈S曲线
      • 米氏方程
        • ①S＞＞Km→Km为零→V=Vmax 零级反应 ②Km＞＞S→S为零→V和S呈正比 一级反应 ③V为1/2Vmax时→Km=S
        • Km
          • ①是酶的特征性常数→与结构环境有关与酶浓度无关 ②表示酶对底物的亲和力(反比) ③Km≠Ks ④一种酶有多种底物其中Km最小的底物叫天然底物；一种底物多种酶Km最小的叫最适酶
        • Vmax
          • 酶被底物完全饱和时的反应速率
    • 酶浓度
      • S＞＞E(底物足够)→E与V呈直线正比关系
    • 温度
      • V随温度升高而升高(每升高10℃增加1.7-2.5倍)→37℃(最是温度)→V随温度升高而降低(60℃开始变性，80℃不可逆)；不是特征性常数，与反应时间有关
    • PH
      • 最适PH，各不相同；胃蛋白酶1.8/肝精氨酸9.8/其余基本为中性；不是特征性常数，受底物浓度缓冲液酶纯度影响
    • 抑制剂
      • 降低酶活性但不引起酶蛋白变性
      • 不可逆性
        • 共价键结合紧密不易除去
          • ①有机磷→胆碱酯酶→阿托品解磷定 ②重金属离子，路易士气→巯基→二巯基丙醇
      • 可逆性
        • 非共价键结合不紧密易除去
        • 竞争性→竞争活性中心
          • ①丙二酸与琥珀酸结构类似→竞争琥珀酸脱氢酶 ②磺胺类与对氨基苯甲酸结构类似→竞争二氢蝶酸合酶(首剂加倍，抑菌)
          • 抑制程度取决于抑制剂的亲和力与浓度(相对比较而言)
        • 非竞争性→与活性中心外的调节位点结合→不影响结合但抑制产物释放
          • ①亮氨酸对精氨酸 ②哇巴因对钠泵 ③麦芽糖对α淀粉酶
        • 反竞争性→与中间产物结合，减少中间产物的量
          • 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶
        • 3种可逆性的比较
    • 激活剂
      • 无活性变为有活性或使酶活性增加→大多数为金属离子，少数阴离子，有机化合物
      • ①必需: 不可缺少 ②非必需: 可缺少，使活性增加
  • 酶的调节
    • 快速调节
      • 别构调节
        • 某些代谢产物(别构效应剂)与活性中心以外部位(别构部位)非共价可逆结合→酶构象改变→酶活性改变(别构激活剂/抑制剂)
        • ①速率方程不符合米氏方程，为S曲线(反应多亚基之间的协同作用) ②别构酶是关键酶(闸门)，催化不可逆反应 ③引起酶构象改变(不是构型) ④别构酶有催化中心和调节中心，但不是都有催化亚基和调节亚基(两个在同一亚基)
      • 化学修饰
        • 某些化学基团在某些酶催化作用下共价可逆结合到酶上，又可在另一些酶催化作用下去掉→有活性(高)-无活性(低)互相转变
        • ①磷酸化去磷酸化最常见(蛋白激酶/磷酸酶，苏色酪) ②乙酰化脱乙酰化 ③甲基化去甲基化 ④腺苷化脱腺苷化 ⑤-SH→S-S
      • 酶原激活
        • 酶原→蛋白酶水解→酶活性形成或中心暴露
    • 缓慢调节
      • 合成
        • 转录水平→①诱导物促进 ②辅阻遏物减少
      • 降解
        • 和组织蛋白相同→①溶酶体途径无选择性 ②胞质途径(异常或受损蛋白质)
  • 酶在医学中的应用
    • 与疾病相关
      • 发生
        • 酪氨酸酶→白化病；苯丙氨酸羟化酶→苯丙酮尿症；G6P脱氢酶→蚕豆病；G6磷酸酶→Ⅰa型糖原贮积病
      • 诊断
        • 组织细胞受损→组织特异性酶释放入血→5种
      • 治疗
        • ①助消化 ②清洁伤口消炎 ③溶解血栓 ④抑制酶治疗疾病(8)
    • 用于科研
      • ①作为指示酶辅助酶 ②标记酶(ELISA时的辣根过氧化物酶) ③工具酶(限制性核酸内切酶，DNA聚合酶/连接酶，逆转录酶)
• 聚糖的结构与功能