生物大分子的結構與功能第二章StructureandFunctionofBiologicalMacromolecules第一節

蛋白質的結構與功能蛋白質蛋白質是生物體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80％。一、蛋白質的分子組成主要有C、H、O、N和S。

有些蛋白質含有少量磷、硒或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘

。（一）蛋白質的元素組成

各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16％。由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量(g%)=每克樣品含氮克數×6.25×1001/16%含氮量66%！

（二）蛋白質的組成單位——氨基酸

存在自然界中的氨基酸有300余種，但合成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R1.氨基酸的一般結構α非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸2.氨基酸的分類①側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸②側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸③側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22賴氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76組氨酸

histidineHisH

7.59④側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸⑤側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸目錄二、蛋白質的分子結構（一）蛋白質分子中氨基酸的連接方式+-HOH肽鍵甘氨酰甘氨酸*肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的共價連接鍵。*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。四十肽以上稱為蛋白質。*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端

多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N末端C末端牛核糖核酸酶一級結構的定義蛋白質分子中多肽鏈的N端至C端各氨基酸殘基的排列順序，以及二硫鍵的位置。主要的化學鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。（二）蛋白質的一級結構一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎，但不是唯一因素。目錄蛋白質的分子結構包括二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)（三）蛋白質的空間結構主要的化學鍵：

氫鍵

二級結構的定義是指蛋白質分子中某一段肽鏈主鏈原子的局部空間結構，常見有α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規卷曲。-螺旋目錄-折疊-轉角和無規卷曲-轉角無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。氫鍵、鹽鍵、疏水作用和范德華力等次級鍵。主要的化學鍵是指整條多肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。它是在二級結構的基礎上多肽鏈進一步盤曲、折疊所形成的空間排布方式，包括主鏈和側鏈共同形成的構象。三級結構的定義dd范德華力

肌紅蛋白(Mb)N端C端亞基之間的結合力主要是氫鍵和離子鍵。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。四級結構的定義血紅蛋白的四級結構

（四）蛋白質結構與功能的關系蛋白質一級結構是高級結構與功能的基礎蛋白質的功能依賴特定空間結構鐮刀形紅細胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質一級結構異常引起的疾病，稱為“分子病”。血紅蛋白與O2的親和力與4個亞基締合的空間構象相關。血紅蛋白T態和R態的互變與O2的親和力低與O2的親和力高瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質的作用下可轉變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病三、蛋白質的重要理化性質（一）蛋白質的兩性解離蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI兩性離子正離子負離子PNH3+COO-RPNH3+COO-RPNH2COOHRPNH2COOHRPNH2COO-RPNHCOO-RPNH3+COORPNH3+COOHR當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質所帶正、負電荷恰好相等，凈電荷為零，即成為兼性離子，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)（二）蛋白質的高分子性質蛋白質分子量多在1萬至10萬之間，其分子的直徑平均為4.3nm，為膠粒范圍之內，屬于高分子化合物。

蛋白質膠體穩定的因素水化膜顆粒表面電荷+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉（三）蛋白質的變性作用在某些物理和化學因素作用下，蛋白質分子內次級鍵斷裂，使空間構象發生改變，導致其理化性質改變、生物活性的喪失的現象。蛋白質的變性(denaturation)

造成變性的因素①物理因素：加熱、干燥、紫外線或放射線照射、超聲波、震蕩等。②化學因素：強酸、強堿、重金屬鹽、三氯乙酸、尿素、乙醇、丙酮等。

變性的本質——

破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質氨基酸殘基的連接。

應用舉例臨床醫學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。

若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation)。但大多數蛋白難以復性。（四）蛋白質的紫外吸收特性由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。四、蛋白質的分類*根據蛋白質組成成分單純蛋白質結合蛋白質=蛋白質部分+非蛋白質部分*根據蛋白質形狀纖維狀蛋白質球狀蛋白質第二節

核酸的結構與功能核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位，主要起到攜帶和傳遞遺傳信息和指導蛋白質生物合成的生物大分子。核酸的發現和研究工作的歷史1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”

1944年

Avery等人證實DNA是遺傳物質1953年

Watson和Crick發現DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發現遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發現逆轉錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發明PCR技術1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架核酸的分類及分布90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。分布于細胞核、細胞質。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。一、核酸的基本單位和化學組成核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)（一）堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)（二）戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1（三）核苷核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

（四）核苷酸環化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物含核苷酸的生物活性物質：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMPNADP+NAD+核酸是由多個核苷酸之間通過3’-5’磷酸二酯鍵連接形成的高分子化合物。5′端3′端CGA（五）核苷酸的連接方式及結構表示方式書寫方法5

ACTGCT

3核酸一級結構定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。核酸分子大小常用堿基數目（base或kilobase)表示。二、DNA分子的高級結構和功能（一）DNA的二級結構——雙螺旋結構

堿基組成分析Chargaff規則：[A]=

[T][G]

[C]

堿基的理化數據分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析RosalindFranklin

WatsonandCrick1.DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）（1）兩條反向平行的脫氧多核苷酸鏈圍繞同一個螺旋軸形成右手螺旋結構。（2）脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側，兩條鏈對應的堿基通過氫鍵配對（互補配對形式：A=T;GC）。堿基互補配對TAGC（3）相鄰堿基對平面產生疏水性作用力（堿基堆積力）和互補堿基對間的氫鍵共同維系著DNA結構的穩定。3.DNA的超螺旋結構及其在染色質中的組裝超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反原核生物DNA的高級結構

DNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H44.DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。基因(gene)是指DNA上的功能片段，其中的堿基序列決定了基因的功能。DNA的結構具有足夠的復雜性和穩定性，滿足遺傳多樣性和穩定性的需要。同時也會發生重組和突變，為自然選擇提供機會。三、RNA分子的高級結構和功能RNA與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結構或三級結構。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結構遠比DNA表現出多樣性。動物細胞內主要的RNA種類及功能RNA種類縮寫分布功能信使RNAmRNA細胞核、細胞質、線粒體蛋白質合成模板轉運RNAtRNA細胞核、細胞質、線粒體轉運氨基酸核糖體RNArRNA細胞核、細胞質、線粒體核糖體組成成分不均一核RNAhnRNA細胞核成熟mRNA的前體核內小RNAsnRNA細胞核參與hnRNA的剪接、轉運（一）mRNA的結構與功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是細胞內合成蛋白質的模板。生物體內mRNA的豐度最小、種類最多、大小也各不相同、壽命最短。mRNA的初級產物為不均一核RNA(hnRNA)。hnRNA經過剪切后成為成熟的mRNA。（二）tRNA的結構與功能轉運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉運至核糖體。由74～95核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩定性。核苷酸鏈中形成多處莖環(stem-loop)結構。tRNA具有局部互補序列tRNA的二級結構——三葉草形tRNA的倒L三級結構tRNA的反密碼子環上有反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子通過堿基互補識別mRNA上的密碼子。tRNA的反密碼子環核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核糖體蛋白結合組成核糖體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。（三）rRNA的結構與功能

核糖體在翻譯中的功能部位四、核酸的某些理化性質核酸分子中的堿基具有共軛雙鍵，使核酸在波長240~290nm

處有光吸收，最大吸收在260nm附近。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。（一）核酸分子的紫外吸收特性（二）核酸分子的變性、復性和雜交某些理化因素（溫度、酸堿、離子強度等）導致DNA雙鏈互補堿基對之間的氫鍵發生斷裂，DNA雙鏈解離為單鏈的過程稱為變性（denaturation）。

DNA變性只改變其二級結構，并不改變它的堿基序列。部分解鏈雙鏈DNADNA的變性增色效應(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液A260增高的現象。DNA解鏈時的紫外吸收變化DNA的解鏈曲線連續加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。雙鏈解開50%（或吸光度變化值的50%）時所對應的溫度。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)鏈長越長，解鏈溫度越高G+C含量越高，解鏈溫度越高。解鏈曲線的變化變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一現象稱為DNA復性(renaturation)

。減色效應：DNA復性時，其溶液A260降低。熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)

。在DNA變性后的復性過程中，將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)

DNA-DNA雜交雙鏈分子變性復性不同來源的DNA分子研究DNA分子中某一種基因的位置。監定兩種核酸分子間的序列相似性。檢測靶基因在待檢樣品中存在與否。核酸分子雜交的應用分子雜交實驗①②③DNA芯片技術5Primer15Primer2Cycle2Cycle15555

5

5TemplateDNAPCR技術的工作原理55555555Cycle355

5555555

5

55555

525～30次循環后，模板DNA的含量可以擴大100萬倍以上。第三節

酶的結構與功能酶是一類對其特異作用物（底物）具有高效催化作用的蛋白質。酶與一般催化劑的共同點在反應前后沒有質和量的變化；只能催化熱力學允許的化學反應；只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點。（一）高效性一、酶的特性酶的催化效率通常比非催化反應高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應溫度。酶和一般催化劑加速反應的機理都是降低反應的活化能(activationenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能。反應總能量改變

非催化反應活化能

酶促反應活化能

一般催化劑催化反應的活化能

能量

反應過程

底物

產物

酶促反應活化能的改變活化能：底物分子從初態轉變到活化態所需的能量。一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定的產物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性。酶的特異性(specificity)（二）特異性（二）特異性絕對特異性(absolutespecificity)：只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物

。相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結構特異性(stereo

specificity)：作用于立體異構體中的一種。（三）敏感性大多數酶的化學本質是蛋白質，但凡能使蛋白質變性的理化因素如強酸、強堿、重金屬、紫外線、劇烈震蕩等均能影響蛋白酶活性，甚至使酶完全失活。（四）可調性對酶生成與降解量的調節酶催化效力的調節通過改變底物濃度對酶進行調節等酶促反應受多種因素的調控，以適應機體對不斷變化的內外環境和生命活動的需要。（一）酶的分子組成單純酶(simpleenzyme)結合酶(conjugatedenzyme)二、酶的結構1.根據化學組成分類*各部分在催化反應中的作用酶蛋白決定反應的特異性輔助因子決定反應的種類與性質蛋白質部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)轉移的基團小分子有機化合物名稱所含的維生素氫原子（質子+電子）NAD＋（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，輔酶I煙酰胺（維生素PP）之一NADP＋（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，輔酶II煙酰胺（維生素PP）之一FMN（黃素單核苷酸）維生素B2（核黃素）FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）維生素B2（核黃素）醛基TPP（焦磷酸硫胺素）維生素B1（硫胺素）酰基輔酶A（CoA）泛酸硫辛酸硫辛酸烷基鈷胺素輔酶類維生素B12二氧化碳生物素生物素氨基磷酸吡哆醛吡哆醛（維生素B6之一）一碳單位四氫葉酸葉酸常見的輔助因子及其作用必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些維持酶活性必不可少的化學基團。（二）酶的活性中心酶分子必需基團在空間結構上彼此靠近，構成特定的空間構象，能與底物特異結合并將底物轉化為產物的區域。酶的活性中心(activecenter)活性中心內的必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構象所必需。活性中心外的必需基團（三）同工酶同工酶定義同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構、理化性質及免疫學性質不同的一組酶。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶*舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～

LDH5)心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345（四）酶原與酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。賴纈天天天天甘異賴纈天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程

酶原激活的機理酶原分子構象發生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下

酶原激活的生理意義消化道內的蛋白酶原：避免細胞的自身消化，使酶在特定的部位和環境中發揮作用，保證體內代謝正常進行。凝血系統和纖維蛋白溶解酶：有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉變成有活性的酶，發揮其催化作用。（一）酶能降低反應的活化能三、酶的作用機理（二）中間產物學說研究酶促反應速度及其影響因素的作用規律。影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。※研究一種因素的影響時，其余各因素均恒定，即遵循齊同對比原則。四、酶促反應動力學米－曼氏方程式

（Michaelis&Menten)中間產物

酶促反應模式——中間產物學說E+Sk1k2k3ESE+P（一）底物濃度對酶促反應速度的影響※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃度關系的數學方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應速度Vmax：最大反應速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──Km的意義①Km等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位為mol/L。②意義：a)

Km是酶的特征性常數之一；

Km只與酶的性質有關,

與酶的濃度無關b)

Km可近似表示酶對底物的親和力（反比）c)

同一酶對于不同底物有不同的Km值。

確定最合適底物或天然底物（二）酶濃度對反應速度的影響當[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應速度與酶濃度成正比。關系式為：V=k3[E]0V

[E]

當[S]>>[E]時，Vmax=k3[E]

酶濃度對反應速度的影響

雙重影響溫度升高，酶促反應速度升高由于酶的本質是蛋白質，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應速度降低。（三）溫度對酶促反應速度的影響酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC溫度對淀粉酶活性的影響

最適溫度(optimumtemperature)：酶促反應速度最快時的環境溫度。溫血動物：35～40℃TaqDNA聚合酶：70～75℃

可耐受100℃高溫低溫的作用:貯存生物制品、菌種等

低溫時由于活化分子數目減少，反應速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復。臨床上的低溫麻醉減少組織細胞的代謝程度，使機體耐受手術時氧和營養物質的缺乏

（四）pH對酶促反應速度的影響解離狀態：蛋白質的極性基團輔助因子的荷電狀態