1、重點咼中生物克賽輔導資料：第1章細胞生物學作者:日期:細胞生物學是研究細胞的結構、功能、生活史以及生命活動本質和規律的科學，是生物科學的主要分支之一，也是生命科學和分子生物學研究的根底。本章包括細胞的化學成分， 細胞器，細胞代謝，DNA、RNA和蛋白質的生物合成，物質通過膜的運輸，有絲分裂和減 數分裂，微生物學和生物技術等局部。根據1BO考綱細目和近幾年來試題的要求，以下從知識條目和能力要求兩方面定出具體目標節 章求 力能解 理-糖糖糖 類單寡多 擁 «00#'醇 酰脂固類 類三磷類£蜻 脂2.0OOOO醸質質質 質基白白白 氨蛋蛋蛋 一 蛋OO O0_iJR X

2、-,r; 一 L P.4TJ 類酶酶影酶 酶400 O0-艘核DN,核 核*5000 O章節知識條目|能力要邀|識記理解應用有絲分裂 和減數分 裂L有塑分裂 細胞周期概述 分裂間期 有絲分裂過程OOOO2減數分裂 減數分裂過程 減數分裂和有處分裂的區別 裂的發生時間 減數分裂豐富幕因組合OO微生物燒 和生物技 術1.微生物學 原核細胞的形態結構 微生物弋謝OO執生物技術 發酵工程 基因工桎OO第一節細胞的化學成分盡管自然界細胞形態多樣，功能各異，但其化學成分根本相似， 主要包括：糖類、脂類、蛋白質、核酸、酶類等。一、糖類糖類是多羥基醛、多羥基酮的總稱，一般可用CmH20n化學通式表示。由于一些

3、糖分子中氫和氧原子數之比往往是2： 1,與水結構相似，故又把糖類稱為碳水化合物。糖是生命活動的主要能源， 又是重要的中間代謝物， 還有些糖是構成生物大分子，如核酸和糖蛋白的成分，因而具有重要意義。糖類化合物按其組成可分為單糖、寡糖、多糖。如果糖類化合 物中尚含有非糖物質局部，那么稱為糖復合物，例如糖蛋白、蛋白多糖、糖脂和脂多糖等。一單糖單糖是最簡單的糖，不能被水解為更小的單位。單糖通常含有37個碳原子，分別稱為丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖。天然存在的單糖一般都是D-構型。單糖分子既可以開鏈形式存在，也可以環式結構形式存在。 在環式結構中如果第一位碳原子上的羥基與第二位 碳原子的羥基在環的伺一面

4、，稱為a-型；如果羥基是在環的兩面，稱B-型。VnoHOC1HHO右H11C'CHJHCOHTCH.OHyuoHf HHOCHHCOHyHOC HHOCJ!H2OHCOHOCHH丄一HHC HICHiOH【l葡細Nf腫傭CH/3F!D-Ulj鬧櫥結構重要的單糖有以下幾種:1. 丙糖 如甘油醛醛糖和二羥丙酮酮糖。它們的磷酸酯是細胞呼吸和光合作用中重 要的中間代謝物。2戊糖 戊糖中最重要的有核糖醛糖、脫氧核糖醛糖和核酮糖酮糖。核糖和脫氧 核糖是核酸的重要成分，核酮糖是重要的中間代謝物。3己糖 葡萄糖、果糖和半乳糖等都是己糖。所有己糖的分子式為C6H1206，但結構式不同，互為同分異構體。葡

5、萄糖是植物光合作用的產物，也是細胞的重要能源物質之一。二寡糖由少數幾個2 6個單糖縮合而成的糖稱為寡糖。最多的寡糖是雙糖，如麥芽糖、蔗糖、纖維二糖、乳糖。1. 麥芽糖 麥芽糖是由一個a D-葡萄糖半縮醛羥基與另一分子a-D-葡萄糖C4上的醇羥基縮合脫去一分子水，通過a-1, 4-糖苷鍵結合而成。麥芽糖是淀粉的根本單位，淀粉水解即產生麥芽糖，所以麥芽糖通常只存在于淀粉水解的組織，如麥芽中。2. 蔗糖一分子a -D 葡萄糖和一分子B -D-果糖縮合脫水即成蔗糖。甘蔗、甜菜、胡 蘿卜以及香蕉、菠蘿等水果中都富含蔗糖。3乳糖 乳糖由一分子B -D-半乳糖和一分子a -D-葡萄糖通過B -1 , 4-糖

6、苷鍵結合而成。 乳糖主要存在于哺乳動物乳汁中。4.纖維二糖纖維二糖是纖維素的根本結構單位，由2分子的p-D-葡萄糖通過B -1 ,4-糖苷鍵結合而成。三多糖自然界數量最大的糖類是多糖。多糖是由很多單糖分子縮合脫水而成的分支或不分支的 長鏈分子。常見的多糖有：淀粉、纖維素、糖原、幾丁質和黏多糖等。1 .淀粉 天然淀粉由直鏈淀粉與支鏈淀粉組成。直鏈淀粉是a-D-葡萄糖基以a -1 , 4-糖苷鍵連接的多糖鏈。支鏈淀粉分子中除有a1, 4-糖苷鍵的糖鏈外，還有a -1 , 6-糖苷鍵連接的分支。淀粉與碘有呈色反響，直鏈淀粉為藍色，支鏈淀粉為紫紅色。在稀酸或酶的作用下，淀粉水解：淀粉t糊精t麥芽糖fa

7、-D 葡萄糖。糊精是淀粉水解的最初產物，隨著水解，糖分子逐漸變小，它與碘作用分別呈紅色、黃色、無色。這個反響可用于淀粉水解 過程的檢驗。爰芽糖乳糖-D-葡萄糖基以a茂糖糖原也是a2. 糖原 糖原是動物組織中貯存的多糖，又稱動物淀粉。 -1, 4-糖苷鍵連接而成的，但糖原的分支比支鏈淀粉多。糖原遇碘作用呈紅褐色。3纖維素，纖維素是一種線性的由B-D-葡萄糖基以B -1, 4-糖苷鍵連接的沒有分支的同多糖。纖維素是植物細胞壁的主要組成成分。4幾丁質甲殼素昆蟲和甲殼類外骨骼的主要成分為幾丁質，是N-乙酰一D-氨基葡萄糖以B -1 , 4-糖苷鍵縮合成的同多糖。二、脂類脂類是生物體內一類重要的有機化合

8、物。它們有一個共同的物理性質，就是不溶于水， 但能溶于非極性有機溶劑如氯仿、乙醚、丙酮等。脂類的組成元素主要有 C、H、0,但 元素含量低，C、H元素含量高，徹底氧化后可以放出更多能量。此外，有的脂類還含有 和N。生物體內常見的具有重要生理功能的脂類主要有三酰甘油、磷脂、類固醇、萜類、蠟 等。1. 三酰甘油0IICH2一0CR(CH2 0C Rj三酰甘油三酰甘油也稱脂肪，是由 1分子甘油和3分子脂肪酸結合而成的酯。右邊結構式中 Rl、R2、但凡脂肪酸的烴基鏈，構成三酰甘油的脂肪酸可分為飽和脂肪 酸和不飽和脂肪酸。飽和脂肪酸碳氫鏈上沒有雙鍵，如軟脂酸、硬脂酸，其熔點高。不飽和 脂肪酸的碳氫鏈上含

9、有不飽和雙鍵，如油酸含1個雙鍵，亞油酸含 2個雙鍵，亞麻酸含個雙鍵，因此熔點較低。動物脂肪大多富含飽和脂肪酸，在室溫下為固態，植物油含大量油酸和亞油酸，在室溫下為液態。對于哺乳動物和人，亞油酸和亞麻酸不能自己合成，只能從外界攝取，稱為必需脂肪酸。2 磷脂磷脂又稱甘油磷脂，此類化合物是甘油的第三個羥基被磷酸所酯化，而其他兩個羥基被脂肪酸酯化。磷脂酸是最簡單的磷脂，是其他復雜磷脂的中間產物。假設磷脂酸分子中的H為膽堿、膽胺、絲氨酸所取代，那么分別成為卵磷脂、腦磷脂、絲氨酸磷脂等。磷脂分子由于 有磷酸及與之相連的含氮化合物，因而是有極性的分子： 它的有磷酸一端為極性的頭，是親水的，它的2個脂肪酸鏈為

10、非極性的尾，是疏水的。如將磷脂放在水面上，磷脂分子都將以親水的頭和水面相接，而倒立在水面上，成一單分子層。如將磷脂放入水中，磷脂分子那么會形成單分子微團，各分子的極性頭位于微團的外表而與水接觸，非極性的疏水端那么藏在微團中心。3類固醇類固醇分子的根本結構是環戊烷多氫菲。最熟知的類固醇是在環戊烷多氫菲上連有一個碳氫鏈的膽固醇。膽固醇是動物膜和神經髓鞘的主要成分，與膜的透性有關。性激素、維生素D和腎上腺皮質激素都屬于類固醇。4.萜類萜類是由不同數目的異戊二烯連接而成的分子。維生素A視黃醇、維生素E、維生素K、類胡蘿卜素都是萜類。B -類胡蘿卜素裂解就成 2個維生素A，維生素A可氧化成視黃 醛，對動

11、物感光活動有重要作用。5蠟蠟是由高碳脂肪酸和高碳醇或固醇所形成的脂，它存在于皮膚、毛皮、羽毛、樹葉、昆 蟲外骨骼中，起保護作用。、蛋白質蛋白質是細胞和生物體的重要組成成分，通常占細胞干重的一半以上。蛋白質主要由C、H、0、N四種元素組成，其中氮的含量在各種蛋白質中比擬接近，平均為16%，因此用凱氏KJelahl法定氮測定蛋白質含量時，受檢物質中含蛋白質量為氮含量的6. 25倍。蛋白質是高分子化合物，其根本組成單位是氨基酸。一氨基酸1 氨基酸的結構天然存在于蛋白質中的氨基酸共有 20種，各種氨基酸除脯氨酸在結構上的一個共同 特點是，在與羧基相連的碳原子 a -碳原子上都有一個氨基，因而稱為a -

12、氨基酸，它們的 不同之處在于側鏈，即 R基的不同。除甘氨酸外，所有氨基酸分子中的a-碳原子都是不對稱的，有L-型和D-型之分。在天然蛋白質中存在的氨基酸都是L- a -氨基酸。COOHN HzCHRLr ar氨基酸2. 氨基酸的分類根據R基團極性不同，氨基酸可分為：非極性氨基酸9種;極性不帶電荷氨基酸6種; 極性帶負電荷氨基酸2種；極性帶正電荷氨基酸3種。如表1-1-1所示。* i l l ftSM分類衰狀況狀況名林蝙寫符嶺(“：記.化學結構式繼氨酸SnrH()CH: CH C(K)-蘇氨龍ThrCH,HHGOQ-1 1 '<JH NH；ft<天冬醸輸AmrHjf* -c-

13、 CH， CH (XWF 1*w基* iGin01HjN C CH?CH.HCOOI*NH；TyrHO Hi*-CHCOO'NH；半itt卷?r Cpns- CH:CHCOO-NH；犬冬亀酸As?p CHJCCH:CHC(HrNH<善抵醴Glu' OOCT的一l：缶-CHCO*廣m;性HCCCH3CH C(Xr1 1%帯ill筑戢HbHN*NF1NHj、/CH正電禪氨咸廠 -Lyjt.NH； -CHjCHr-Clh CHj- CHCOO" m;倚帖氮饉A嗥M.NcNH-CHXHiCHi<：HCOO-NH；IVH；(T剛)ft學站構式iXldCHi- CH

14、-co(r11NH；VjIchat1 1IjtuCH, CH CHr CH- COO"t 1IK w fkikCHCHjCH 心M廣1NHf艸紅FImNH；CH|SCH,CHjCH 心町亠1Nil；(:乩IVC1 1C' zCM：:o(r:HTrpj-£ II3 COO*：Z NNHJ11根據成年人的營養需求，20種氨基酸又可分為必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸 足指成年人體內不能合成而必須山食物提供的一類氨基酸，包括亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、另；氨酸、蛋氨酸、色氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸等8種。精氨酸和組氨酸，在幼兒時期體內合成量滿足不了生長需要，需食物補充，稱為

15、半必需氨基酸。3 氨基酸的主要理化性質(1) 一般的物理性質a -氨基酸呈無色結晶，在水中溶解度各不相同，易溶于酸、堿，但不溶于有機溶劑、(2) 兩性解離和等電點a -氨基酸在中性水溶液中或固體狀態下主要是以兩性離子的形式存在，即在同一個氨基酸分子上帶有能放出質子的-NH3+正離子和能接受質子的一 C00-負離子。因此，氨基酸是兩性電解質。當兩性離子氨基酸溶解于水時，其正負離子都能解離，但解離度與溶液的 pH值有關。向氨基酸溶液加酸時，其兩性離子的 -C00-負 離子接受質子，自身成為正離子，在電場中向陰極移動參加堿時，其兩性離子的一 NH3+正離子解離放出質子(與一 0H-合成水)，其自身成

16、為負離子，在電場中向陽極移動。當凋節氨基酸溶液的pH值，使氨基酸分子上的一 NH3+和一 C00-的解離度完全相等時，即氨基酸 所帶凈電荷為零，在電場中既不向陽極移動也不向陰極移動，此時氨基酸所處溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點，以符號pl表示。在等電點時，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，利用這一性質可以別離制備各種氨基酸。RRR-* I<nrH, NCH- COOHH COO'際一CH5十H+H* *在擁性誘液機朋休狀態或水溥液機蹴杵溶液中的第菇酸中的弒施戰屮的就總幗3紫外吸收光譜各種氨基酸在可見光區都沒有光吸收，在遠紫外區均有光吸收，而在近紫外光區僅色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸有吸

17、收能力。其中色氨酸最大吸收波長為279nm，酪氨酸最大吸收波長 278nm，苯丙氨酸最大吸收波長為259nm。利用紫外光法可以測定這些氨基酸的含量。4重要的化學反響氨基酸不但a -氨基、a-羧基能參加反響，而且有的側鏈 R基團也能參加化學反響，因此可以發生的反響很多。女口： a -氨基能與茚三酮反響產生藍紫色沉淀脯氨酸和羥脯氨酸那么產生黃色沉淀 ；a-氨基可與亞硝酸反響產生氮氣，在標準條件下測定氮 氣體積，即可計算出氨基酸的量；一些氨基酸的R基團能與特殊的試劑發生呈色反響。二蛋白質的結構已確認的蛋白質結構有不同層次，人們為了認識的方便通常將其分為一級結構、二級結構，超二級結構、結構域、三級結構

18、及四級結構。I，一級結構蛋白質的一級結構又稱為初級結構或化學結構，是指蛋白質分子內氨基酸的排列順序。蛋白質分子中氨基酸主要通過肽鍵相互連接。肽鍵是由一個氨基酸分子中的a-氨基與相鄰另一個氨基酸分子中的a -羧基，通過縮水而成，這樣連起來的氨基酸聚合物叫做肽。多肽 鏈上各個氨基酸由于在相互連接過程中喪失了 a-氨基上的H和a -羧基上的0H，被稱為氨基酸殘基。在多肽鏈的一端氨基酸含有一個未反響的游離氨基一 NH2,稱為肽鏈的氨基末端氨基酸或N末端氨基酸，另一端的氨基酸含有一個尚未反響的游離羧基一 COOH,稱為肽鏈的羧基末端氨基酸或 C末端氨基酸。一般表示多肽時，總是N末端：寫在左邊，C末端寫在

19、右邊。肽鏈中除肽鍵外還有二硫鍵，它是由肽鏈中相應部位上兩個半胱氨酸脫氫連接 而成，是肽鏈內和肽鏈間的主要橋鍵。2,二級結構二級結構是指多肽鏈本身繞曲折疊成的有規律的結構或構象。這種結構是以肽鏈內或肽鏈間的氫鍵來維持的。常見的二級結構有a-螺旋、B -折疊、B -轉角、自由繞曲等四種。1a -螺旋 a-螺旋模型是Pauli ng和Corey等研究羊毛、馬鬃，豬毛、鳥毛等a-角蛋白時提出的。如圖1-1-1所示，其特征是：多肽鏈中氨基酸殘基以100°的角度圍繞螺旋軸心盤旋上升，每3. 6個殘基就旋轉一圈，螺距為 0. 54nm，即每個殘、基沿螺旋體中心軸 上、升0. 15nm；右手旋轉；多

20、肽鏈內的氫鍵由肽鏈中一個肽鍵的一CO的氧原子與第四個肽鍵的一 NH的氫原子組成，每個氫鍵所形成的環內共有 13個原子，這種螺旋稱為3. 613. 一條多肽鏈能否形成a -螺旋以及形成的螺旋體的穩定程度與R基團大小、帶電狀況等有關。如多聚賴氨酸在 pH 7 . 0時，R基團帶正電相互排斥，破壞螺旋形成，而在pH 12時那么能自發形成a -螺旋。又如肽鏈內相鄰殘基是異亮氨酸、纈氨酸、亮氨酸等時，由于 R基團較大，會阻礙a -螺旋形成。多聚脯氨酸那么由于肽鍵上不具有亞氨基氫，無法形成氫鍵，因此多肽 鏈中只要有脯氨酸殘基，a -螺旋即被中斷，使多肽主鏈產生一個“結節。(2) 3 -折疊 分兩種類型，一

21、是平行式，即所有肽鏈N端都在同一端，另一類是反平行式，即肽鏈的 N端一順一反地排列。3 -折疊結構的肽鏈幾乎是完全伸展的，鄰近兩鏈以相反或相同方向平行排列成片層狀。兩個氨基酸殘基之間的軸心距離為0 35nm,3 -折疊結構的氫鍵是由兩條肽鏈中一條的一C0基與另一條的一 NH基形成。絲蛋白的二級結構主要是3 -折疊。如圖1-1-2所示。圖bbl r螺旋NH*ONH-OCRC"?一OHM H罠；CR* * -<)CCOO' NH*RC上一?l-NH'*'R<MH ONH /R-CJC-R* * H時(2O-H亠«R-C亠-一 H* * *、R

22、 R-<(-* - HN>-R員一HRQ圖hid岸折廉(反平行)(3) 3 -轉角 蛋白質分子的多肽鏈上經常出現180°的回折，在這種肽鏈的回折角上就是3 -轉角結構，由第一個氨基酸殘基的一CO與第四個氨基酸殘基的一NH形成氫鍵。(4) 自由繞曲 是指沒有一定規律的松散結構，酶的功能部位常常處于這種構象區域中。3. 超二級結構與結構域近年在研究蛋白質構象、功能與進化時，引進了超二級結構和結構域(圖1-1-3)的結構層次。它們是二級結構與三級結構的過渡型構象。超二級結構是指假設干相鄰的二級結構中的構象單元彼此相互作用，形成有規那么的、在空間上能識別的二級結構組合體。通常有3

23、%3、333、aa、3 3等。如肌球蛋白、原肌球蛋白和纖維蛋白原中有一種aa超二級結構， 是由兩股或三股右手a -螺旋彼此纏繞而成的左手螺旋構象。結構域是指多肽鏈在超二級結 構根底上進一步繞曲折疊成緊密的球狀結構，在空伺上彼此分隔的各自具有局部生物功能的亞結構。一般情況下，酶的活性部位位于兩個結構域之間的裂縫中。而-成的3観桶跡恂城圖1-1.3 趙二級結構和縮構城4三級結構纖維狀蛋白質一般只有二級結構，而球狀，蛋白質在二級結構的根底上，經過超二級 結構和結構域，進一步組裝成三級結構圖1-1-4。維持三級結構的作用力主要是一些次級鍵，包括氫鍵、鹽鍵、疏水鍵和范德華力等。其中疏水鍵在維持蛋白質的三

24、級結構上有突出 作用。5四級結構四級結構圖1-1-5是指蛋白質分子內具有三級結構的亞單位通過氫鍵、鹽鍵、疏水鍵 和范德華力等弱作用力聚合而成的特定構象。所謂亞單位，又稱亞基，是指那些在化學上相圖I亠5蛋白質四級結樹互獨立但自身又具有特定構象的共同構成同一蛋白質的肽鏈。如血紅蛋白有四個不同的亞 基，這4個亞基以一定形式結合在一起，形成特定的構象，即是四級結構。圖抹香塚肌紅儀白三級結構三蛋白質的理化性質1 膠體性質 蛋白質相對分子質量很大，在水溶液中所形成的顆粒具有膠體溶液的特 征，如布朗運動、丁達爾現象、不能通過半透膜等。溶液中，蛋白質膠體顆粒帶有相同電荷， 彼此排斥；而且顆粒外表極性分子能與水

25、分子形成一層水膜，將蛋白質顆粒相互隔開，因此蛋白質顆粒比擬穩定，不易沉淀。2,兩性電解質 蛋白質分子除了肽鏈兩端有自由的a-氨基和a -羧基外，許多氨基酸殘基的側鏈上存有不少可解離的基團，所以蛋白質是兩性電解質。 在酸性溶液中蛋白質帶正電，在堿性淀液中蛋白質帶負電。當溶液到達某一pH值時，蛋白質所帶正負電荷相等，這時溶液的pH值叫做蛋白質的等電點pl。一般含酸性氨基酸較多的蛋白質，等電點偏酸； 含堿性氨基酸較多的蛋白質，等電點偏堿。可以根據不同的蛋白質的等電點，用電泳法別離蛋白質。3 沉淀反響 如果在蛋白質溶液小參加適當試劑，破壞了蛋白質的水膜或中和蛋白質 的電荷，那么蛋白質膠體溶液就不穩定而

26、出現沉淀現象可引起沉淀反響的試劑有高濃度鹽類如硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等，稱為鹽析 ，有機溶劑如酒精、丙酮，重金屬鹽如硝酸銀、 醋酸鉛、三氯化鐵等，某些生物堿試劑如苦味酸、單寧酸等4變性 蛋白質因受物理或化學因素的影響，其分子的空間結構改變，導致其理化性 質、生物活性都發生改變， 這種現象稱為蛋白質的變性。 能使蛋白質變性的化學因素有強酸、 強堿、重金屬離子、尿素、酒精、丙酮等；能使蛋白質變性的物理因素有加熱震蕩或攪拌、 超聲波、紫外線及 X射線照射等。蛋白質生物活性的喪失是蛋白質變性的主要特征，變性 后的蛋白質最明顯的理化性質改變是溶解度降低。變性過程中不發生肽鍵斷裂和二硫鍵的破壞，因而不發生

27、一級結構的破壞；而主要發生氫鍵、疏水鍵的破壞，使肽鏈的有序的卷曲、 折疊狀態變為松散無序。5紫外吸收 蛋白質在280nm的紫外光下，有最大吸收峰。這主要是由于肽鏈中酪氨 酸和色氨酸的 R基團引起的。因此可以用紫外線分光光度法測定蛋白質在280nm的光吸收值來測定蛋白質的含量。6.變構作用 含2個以上亞基的蛋白質分子，如果其中一個亞基與小分子物質結合， 那么不但該亞基的構象發生改變，而且其他亞基的構象受影響也發生變化，結果整個蛋白質分子的構象乃至活性均會改變，這一現象稱為變構作用或別構作用。例如，血紅蛋白有 4個亞基，當02與其中一個亞基結合后，即引起該亞基的構象的改變，進而又會引起另外三 個亞

28、基構象發生變化， 結果整個分子構象改變，使所有亞基更易于與氧結合，大大加快血紅蛋白與氧結合的速度。7 呈色反響蛋白質分子中因含有某些特殊的結構或某些特殊氨基酸殘基，能與多種化合物發生顏色反響。重要的顏色反響如表1-1-2所示。ft 12愛白質幾種亶要的H色反響以M加盤乂化榊及步吐龜剋陽渕他所右蚩門質疏色n由練耳及ws耳加*倫試機H訓h H HgWhb純介梅扶鴉1.、OH (Rtft)試擠有此反魚的俺 自質或竄城戰黃隹反響O<*>II乙醉帕試科反糧龜慢豪卄緘削詞堆礙鈣服一酚* "1喺V4離I&-武 豈Mtt反厲紅色仁亠訊H_ 1Nib四蛋白質的分類1 蛋白質的化學分

29、類根據蛋白質的分子組成可將蛋白質分為簡單蛋白質和結合蛋白質兩大類。簡單蛋白質完全水解的產物為a-氨基酸，即只由a -氨基酸組成。因此，簡單蛋白，質又稱單純蛋白質，如球蛋白、白蛋白、組蛋白等。結合蛋白質由簡單蛋白質和非蛋白 質物質兩局部組成。非蛋白質局部通常稱為輔基。輔基可以是核酸、糖類、脂類、色素、磷 酸，由此組成的結合蛋白質分別稱為核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白、磷蛋白。2蛋白質的功能分類根據蛋白質的功能大體分為結構蛋白和酶兩大類，結構蛋白參與細胞結構的組成。酶是活細胞產生的具極高催化效率的一類蛋白質，生物體內的絕大多數化學反響都需要在酶的催化作用下才能進行。四、酶類酶是由活細胞產生的，能在

30、體內或體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象 的生物大分子，包括蛋白質和核酸。生物體和細胞內錯綜復雜的彳弋謝反響必須具有酶才能 按一定規律有條不紊地進行。酶缺陷或者酶活性被抑制會引起生物體和細胞的病變。在這里主要討論蛋白質屬性的酶。一酶的化學結構絕大多數的酶是蛋白質，根據酶的化學組成. 可以把酶分成單純酶和結合酶，單純酶分子完全由蛋白質組成，不含其他成分。結合酶分子由簡單的蛋白質稱為酶蛋白和輔助因子兩局部組成，輔助因子可以是金屬離子或小分子有機物。通常把這些小分子有機物稱為輔酶或輔基。輔酶指與酶蛋白結合比擬松，用透析法可以除去的小分子有機物；而輔基那么指與酶蛋白結合比擬緊，用透析法不易

31、除去的小分子有機物；兩者沒有本質區別。 酶的催化反響的專一性和高效性主要決定于酶蛋白。酶分子中有很多化學基團， 但并不是所有的基團都與酶的活性有關。酶的活性僅與一部分基團有直接關系， 這些基團稱為酶的必需基團。如果對這些基團進行取代或修飾，那么酶的活性喪失。酶的必需基團在一級結構上可能相距很遠，甚至可能不在一條肽鏈上，但由于肽鏈盤繞折疊使它們在空間上彼此靠近，形成具有一定空間結構的區域，而直接與酶的催化功能有關，這種區域稱為酶的活性中心。酶活性中心包括兩個功能部位：一個是結合部位，一定的底物靠此部位結合到酶分子上；一個是催化部位，底物分子中的化學鍵在此處被打斷或形成新的化學鍵，從而發生一定的化

32、學反響。二酶的作用機制1 酶的催化作用一一降低活化能在一個反響體系中，任何反響物分子都有進行化學反響的可能，但并非全部反響物分子都進行反響。因為在反響體系中各反響物分子所含的能量上下不同，只有那些所含能量達到或超過一定限度稱為能閾的活化分子處于過渡態的分子才能在碰撞中發生化學反響。 顯然，活化分子越多，反響速度越快。將分子由常態轉變到活化狀態過渡態所需的能量，稱為活化能。酶的催化作用就是降低化學反響的活化能，由于在酶催化反響中只需較低的能量就可使反響物進入“過渡態，所以同非酶催化反響相比，活化分子的數量大大增加，從而加快 反響的速度。如圖1-1-6所示。活化態反響atrjB需活化能反響過程酶降

33、低化學反響的活化能2中間產物學說酶為什么能降低反響的活化能 ？中間產物學說能比擬好地解釋這個問題。該學說認為：在催化某一反響的時候， 酶首先與底物形成不穩定的中間產物，然后中間產物再分解， 釋放出酶及產生的反響產物。可用公式表示為:S + EE +P底物酶中間產物酶產物這樣，把原來無酶參加的一步反響s分成了兩步進行。這兩步反響所需 要的活化能比原來一步反響的低， 從而加快反響速度。 顯然，酶之所以降低反響活化能是由 于酶與底物生成了中間產物從而改變了反響途徑所致。3“鑰匙-鎖學說和“誘導契合學說酶和底物是如何結合成中間產物的？又如何完成其催化作用 ？1890年。E.Fischer提出“鑰匙-鎖

34、學說，認為酶和底物結合時，底物的結構必須和酶活性部位的結構非常吻合，就像 鎖和鑰匙一樣，這樣才能緊密結合形成中間產物。這在一定程度上解釋了酶促反響的特性， 如專一性；但該學說把酶的結構看成是固定不變的，這是不切實際的，并且該模型不能解釋可逆反響。1958年，D. E. Koshland提出了 “誘導契合學說，克服了 “鑰匙-鎖模型的缺點，認為酶與底物結合時，底物能誘導酶分子的構象變化，使酶能與分子很好地結合， 從而發生催化作用。如圖1-1-7所示。誘導冥合模型鑰匙-®I模?0圖1-1-7 鑰匙鎖模型與誘導契合模熨4 使酶具有高催化效率的因素酶為什么比一般催化劑具有更高催化效率？主要有

35、以下因素：(1) 鄰近定向效應指底物和酶活性部位的鄰近，對于雙分子反響來說也包含酶活性部位上底物分子之間的靠近，而互相靠近的底物分子之間，以及底物分子與酶活性部位的基團 之間還要有嚴格的定向(正確的立體化學排列)。這樣就大大提高了活性部位上底物的有效濃度，使分子間反響近似于分子內的反響，同時還為分子軌道交叉提供了有利條件；使底物進行反響的活化能降低，從而大大地增加了酶-底物中間產物進入過渡態的幾率。(2) “張力和形變底物結合可以誘導酶分子構象的變化，而變化的酶分子又使底物分子的敏感鍵產生“張力甚至“形變，從而促進酶-底物中，間產物進入過渡態。(3) 酸堿催化酶活性部位上的某些基團可以作為良好

36、的質子供體或受體對底物進行酸 堿催化。(4) 共價催化某些酶可以和底物生成不穩定的共價中間物，這種共價中間物進一步生成產物要比非催化反響容易得多。(三) 影響酶催化反響的因素1酶濃度的影響在酶促反響中，如果底物濃度大到足以使酶飽和，那么反響速度與酶濃度成正比1-1-8): V=k E。酶恢度E圖1-V8酶濃度與反響遞度的關系圖】亠9底物諛度與反響速度的關系2. 底物濃度的影響1底物濃度對酶促反響速度的影響在酶濃度等條件恒定， 反響系統中沒有不利于酶發揮作用的因素存在時，用反響速度對底物濃度作圖得一直角雙曲線 圖1-1-9。由曲線可以看出：當底物濃度S較低時，反響速度和底物濃度幾乎成正比。當底物

37、濃度較高時，反響速度也隨濃度的增加而升高，但不顯著。 當濃度大大增加時，反響速度趨近一個最大值即最大速度Vmax，此時的反響速度與底物濃度無關。3. PH值的影響酶常常限于某一 pH值范圍內才表現出最大的活力，這種表現出酶的最大活力的pH值就是酶的最適pH值。當pH高于或低于這個最適值時，酶活性就會降低。通常典型的最適pH 曲線為鐘型曲線圖1-1-10。pH值對酶活性影響的原因，除了由于過酸或過堿使酶變性失 活外，主要是由于影響了酶分子活性中心上有關基團的解離或底物的解離，這樣就影響了酶與底物的結合，從而影響了酶的活力。Totta謾1M1-1-10 pH與反響速度的關系圖1-M1溫腫與反響速度

38、的關系4, 溫度的影響各種酶在一定條件下都有一個最適溫度，在最適溫度兩側，反響速度都較低，呈鐘罩形曲線圖1-1-11。溫度對酶促反響的影響有兩個方面：一方面是溫度升高，反響速度加快， 與一般化學反響相似；另一方面，隨著溫度升高，酶蛋白變性也隨之增加，減少有活性的酶的數量，降低了酶促反響速度。酶促反響最適溫度就是兩種過程的平衡。在低于最適溫度時，前一種效應為主，在高于最適溫度時，后一種效應為主。5, 激活劑的影響能提咼酶活性的物質稱為激活劑。按分子大小可分為 3類：第一類為無機離子，如Mg2+是各種激酶的激活劑，C1-能激活唾液a -淀粉酶；第二類為中等大小的有機化合物，一種是 復原劑，如半胱氨

39、酸、復原型谷胱甘肽等，另一種是金屬螯合劑，能除去酶中重金屬雜質， 從而解除重金屬對酶的抑制，如乙二氨四乙酸(EDTA)；第三類為蛋白質性的大分子化合物，這類激活劑用于酶原激活，使無活性酶原變成有活性的酶。6. 抑制劑的影響某些物質，不引起酶蛋白變性，但能使酶分子上某些必需基團發生變化，因而引起酶活性下降，甚至喪失。這種作用稱為抑制作用，起抑制作用的物質稱為抑制劑。酶的抑制作用 分為不可逆抑制作用和可逆抑制作用兩類。(四) 酶的分類和命名1酶的國際系統分類法國際生物化學聯合會酶學委員會提出的酶的國際系統分類法的分類原那么是：將所有酶按其催化的反響類型分為六大類，即氧化復原酶類、轉移酶類、水解酶類

40、、裂解酶類、異 構酶類、合成酶類，分別用1 , 2, 3, 4, 5. 6的編號來表示；根據底物分子中被作用的基團或鍵的性質，再將每一大類分為假設干亞類，每一亞類又分為假設干亞亞類；然后再把屬于這一亞亞類的酶按順序排好。這樣就把的酶分門別類地排成一個表，稱為酶表。每一種酶在這個表中的位置可用一個統一的編號來表示。每個編號由四個數字組成：如催化乳酸脫氫轉變為丙酮酸的乳酸脫氫酶，編號為ECI . 。 EC指國際酶學委員會的縮寫；第一個1,代表該酶屬于氧化復原酶類；第二個 1 ,代表該酶屬于氧化復原酶類中的第一亞類，催 化醇的氧化；第三個1,代表該酶屬于氧化復原酶類中第一亞類的第一亞亞類；第四個數字

41、 說明該酶在一定的亞亞類中的排號。2.酶的命名根據國際酶學委員會的建議，每一種酶都給以兩個名稱。二個是系統名，一個是慣用名。(1) 系統命名法 包括兩局部，即底物名稱及反響類型。假設酶反響中有兩種底物起反響，那么這兩種底物均需說明，當中用“：分開。例如，草酸氧化酶其系統名稱為草酸：氧化酶。(2) 習慣命名法通常依據酶作用的底物及反響類型來命名如催化乳酸脫氫變成丙酮酸的酶稱為乳酸脫氫酶催化草酰乙酸脫去 CO2變為丙酮酸的酶稱草酰乙酸脫羧酶對于催化水解作用的酶， 一般在酶的名，字上省去反響類型， 如水解蛋白的酶稱蛋白酶，水解淀粉的酶稱淀粉酶。有時為了區別同一類酶，還可以在酶的名稱前面標上來源。如胃

42、蛋白酶、 胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。五、核酸天然的核酸可分為兩大類：核糖核酸 (RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)。真核細胞中，RNA 主要分布在細胞質內，在細胞核內僅有少量存在，線粒體、葉綠體內也有分布；DNA主要分布在細胞核內，線粒體、葉綠體內也有少量存在。(一 )核酸的組成成分將核酸水解可以得到核酸的根本組成單位一一核苷酸，而核苷酸還可以進一步分解成核苷和磷酸。核苷又可進一步分解成堿基和戊糖。磷酸核酸'脫氧孩糖核昔堿基*L脫氧核糖f核糖核f和'核糖核酸r核糖F«te：c.u疇吟：A、CB4M-1. 戊糖組成核酸的戊糖有兩種：3 -D-核糖和B -D-2-脫氧核糖。前

43、者存在于RNA，后者存在于DNA。一?2脫氧核糖D-核糖2 .堿基堿基分為兩類：一類是嘌呤，為雙環分子，一般有腺嘌呤(A)、鳥嘌吟(G)兩種；另一類是嘧啶，為單環分子，一般有胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)三種。DNA中含有A、G、C、T , RNA中含有A、G、C、U。凡含有酮基的嘧啶堿或膘吟堿，在溶液中可以發生 酮式和烯醇式的互變異構現象。結晶狀態時，為這種異構體的等量混合物。在生物體內那么以 酮式占優勢，這對核酸分子中氫鍵結構的形成非常重要。H2NNIC H H</nt 9nhclH HCIC, 丿在核酸中還存在少量其他修飾堿基。核酸中的修飾堿基多是 4種主要堿基的衍生物

44、，大多是甲基化堿基，都是在核酸生物合成后，酶促加工修飾而成。 這些修飾堿基對核酸的生物功能具有重要的作用。tRNA的修飾堿基種類較多，如次黃瞟吟。二氫尿呼喚、4 一硫尿嘧啶、5 一甲基胞嘧啶。3. 核苷戊糖C I'的羥基與嘧啶堿 N I或瞟吟堿N 9上的氫縮合連接成共價的B -N-糖苷鍵。 形成核苷。由核糖組成的核苷為核糖核苷，用單符號A、G、C、U表示，由脫氧核糖構成的核苷，稱脫氧核苷，那么在單個符號前加一個小寫的d dA、dG、dC、dT。在tRNA中存在少量5-核糖尿嘧啶，是一種碳苷，其C 1'是與尿嘧啶的第 5個碳原子相連，因為戊糖與堿基連接方式比擬特殊.也稱假尿苷苦.

45、用符號屮表示。4.核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯。 核糖核苷酸的核糖有 3個自由的羥基，因此磷酸酯化分別可生 成2' -、3 '-和5'-核苷酸。脫氧核苷酸的糖上只有兩個自由羥基，只能生成3 '-和5'-脫氧核苷酸。生物體內的游離核苷酸多為5 '-核苷酸。0H基穂基核昔講酸脫氛核薈-亍碑酸二核酸的結構1. DNA的結構1一級結構構成DNA的脫氧核苷酸之間，由前一個殘基的脫氧核糖 3'-羥基與后一個殘基脫氧核 糖的5'-磷酸形成：3', 5'-磷酸二酯鍵，彼此相連而形成多脫氧核苷酸長鏈圖1-1-12。整個長鏈有兩個游離的

46、末端：脫氧核糖5'-OH末端稱5 '-末端和脫氧核糖3' -OH末端稱3'-末端，長鏈由5'-末端向3'-末端的延伸5'-末端t 3'-末端。pApCpT p<3 * * - -p A C* T G DNA 一級結構DNA的一級結構就是指脫氧核苷酸鏈中脫氧核苷酸的排列順序。不同的有不同的一級結構，即含有的脫氧核苷酸數目不同,四種堿基的比例不同，(2)DNA分子具排列順序也不同。2二級結構根據Chargaff發現的A=T、G=C的堿基組成規律以及 Wilk ins和Franklin的DNA晶體 的X光衍射實驗數據，1953年W

47、atson和Crick提出了 DNA的雙螺旋結構模型如圖1-1-13。2.011PW 1-1-13 ONA XSt WK Se該模型認為：DNA分子由兩條多脫氧核苷酸鏈反向平行 (一條鏈是3'宀5',另一條鏈為 5' 3')，圍繞著同一個軸，右手盤旋成一個右平行螺旋結構，螺旋的直徑為2. Onm ;磷酸和脫氧核糖在螺旋體的外側，通過磷酸二酯鍵連結形成DNA分子的骨架；堿基對位于螺旋體內側，按 A與T, C與G配對，A-T對有2個氫鍵，C-G對有3個氫鍵，堿基 平面與縱軸垂直，每個堿基對間相隔0. 34nm，旋轉方向相差360°，因此繞中心軸每旋轉一圈有

48、10個核苷酸，每隔3. 4nm重復出現同一結構；螺旋外表有一條大溝和一條小溝， 這兩條溝對DNA和蛋白質的相互識別是很重要的。DAN雙螺旋結構很穩定，有 3種化學鍵維持：互補堿基之間的氫鍵，堿基對之間的堿 基堆集力，以及主鏈上帶負電的磷酸與溶液陽離子之間的離子鍵，其中堿基堆集力起主要作用。進一步研究發現，在不同濕度條件下，含不同鹽離子的DNA結晶，其X光衍射圖譜也不同，說明有不同的雙螺旋構象。據此，又可將DNA分為A型、B型、C型、D型和Z型等多種構象。(3) 三級結構DNA的三級結構是指雙螺旋 DNA的扭曲或再螺旋、超螺旋是DNA三級結構的根本形 式。絕大多數原核生物以及線粒體和葉綠體的DN

49、A是共價環雙鏈DNA，這種環狀雙螺旋DNA分子，如果通過細胞內拓撲異構酶的作用，即可在環形分子的內部引起張力，這種新 產生的張力不能釋放到分子外部，而只能在DNA分子內部促使原子的位置重排，造成雙螺旋的再螺旋，形狀似麻花，即產生超螺旋結構。真核細胞染色質和有些病毒DNA是雙螺旋線形分子，當線形 DNA分子的兩端均固定時也可形成超螺旋結構。染色質DNA中雙螺旋DNA分子先盤繞組蛋白形成核小體，許多核小體由DNA鏈連在一起構成念珠狀結構，念珠狀結構可進一步盤繞壓縮成更高層次的結 構-據估汁，人的DNA分子在染色質中反復折疊盤繞，共壓縮 800010000倍。2. RNA的結構RNA主要有三大類，分

50、別是：核糖體RNA(rRNA)，占RNA總量的80%以上，是核糖體的主要成分；轉運 RNA(IRNA)，占總量的15%，在蛋白質的合成中搬運氨基酸；信使 RNA(mRNA),占總量的5%,是合成蛋白質的模板。不同種類的RNA結構各不相同，為了表述方便，將 mRNA.作為一級結構的例子，tRNA作為二級結構、三級結構的例子。1一級結構RNA分子的根本結構是一條線形的多核苷酸鏈，由四種核苷酸以3', 5'-磷酸二酯鍵連接而成。RNA的一級結構是指 RNA鏈上的核苷酸順序以及各功能部位的排列順序。mRNA是以DNA為模板轉錄產生的，一般原核mRNA直接轉錄生成，而真核 mRNA首先形

51、成的是分子大小極不均一的hnRNA ,再經過加工成為成熟的 mRNA。原核mRNA 般為多順反子，即一條 mRNA鏈含有指導合成幾種蛋白質的信息。它的5'-末端和3'-末端無特殊結構。在分子內部，一個順反子的編碼區，是從起始密碼AUG開始，到終止密碼UAG為止，各順反子的編碼區之間，以及5'端第一個順反子的編碼區之前，3'端最后一個順反子編碼區之后，都含有一段非編碼區。 真核mRNA 一般為單順反子， 一條RNA只翻譯產生一種多肽鏈。真核細胞成熟mRNA分子3'端有150-200個腺苷酸A順序，即多聚腺苷酸polyA，它的作用可能是使 mRNA分子穿過核

52、膜進入細胞質；5 '端是一個甲基化的鳥苷酸，即G-帽，它除起保護作用外，還使 mRNA分子識別核糖體，和核糖體結合，進 行蛋白質合成。2二級結構RNA的二級結構是指單鏈 RNA自身回折，鏈內的互補堿基對形成的局部雙螺旋區與非 配對順序形成的突環相間分布的花形結構。tRNA的二級結構是三葉草型的，一般由四臂四環組成分子中由A-U、C-C堿基對構成的雙螺旋區叫臂，不能配對仍顯單鏈的局部叫環。四環是：D環I、反密碼子環n 、T¥C環W 和可變環川，四臂為氨基酸接受臂、D臂、反密碼子臂和 T¥ C臂。在氨基酸接受臂，3' -OH端有一個單鏈區 NCCA-3 '

53、; -OH，在氨基酸合成酶的作用下，活化了的氨基酸 連接tRNA分子末端腺苷3' -OH上；在反密碼子環上其中有 3個堿基代表著某種氨基酸的 反密碼子，正好與 mRNA配對，如圖1-1-14所示。反密碼子環l-hl4 tRNA三葉草形的二級結構模型(3) 三級結構RNA的二級結構在細胞中還要進一步回折扭曲，以使分子內部的自由能到達最小值； 在二級結構中突環上未配對的堿基，由于RNA鏈的再度扭曲而與另一突環上的未配對堿基相遇，形成新的氫鍵配對關系，其結果使平面的二級結構變成立體的三級結構，如圖1-1-15所示。tRNA的三葉形的二級結構變成三級結構的倒L型，tRNA發揮生物功能以其倒 L型三級結構為根底。圖1-1-15 酵母苯丙氨酸tRNA的三級結構三核酸的性質1.一般理化性質核酸既有磷酸基，又有堿性基團，是兩性電解質，因磷酸的酸性強，通常表現為酸性。DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，都微溶于水，不溶于一般有機溶劑，常用乙醇 從溶液中沉淀核酸。D-核糖與濃鹽酸和苔黑酚甲基間苯二酚共熱產生綠色，D-2-脫氧核糖 與酸和二苯胺一同加熱產生藍紫色。可利用這兩種糖的特殊顏色反響區分DNA和RNA或作為二者測定的根底。