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第一节蛋白质的结构与功能一、蛋白质的分子组成蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。（一）蛋白质的元素组成主要有碳、氢、氧、氮和硫。各种蛋白质的含氮量接近，平均为16%。蛋白质与氮的换算因数6.25。每克样品含氮的克数×6.25=蛋白质的克数/克样品（二）基本组成单位---氨基酸1.氨基酸的结构特点（1）氨基酸即含氨基又含羧基，是两性电解质。（2）不同氨基酸的R不同。H甘氨酸（3）除甘氨酸外，都是L-α-氨基酸。2.氨基酸的分类构成蛋白质的天然氨基酸有20种。根据侧链R的性质可以分为：①非极性、疏水性氨基酸；②极性、中性氨基酸；★③酸性氨基酸：谷氨酸和天冬氨酸；★④碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸和组氨酸。两个半胱氨酸常脱氢构成胱氨酸，胱氨酸中有二硫键结构。3.氨基酸的性质（1）两性电离和等电点氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。等电点（pI）：呈电中性,此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。（2）紫外吸收：色氨酸、酪氨酸在紫外区对光有吸收,的最大吸收峰在280nm附近。蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸，也有紫外吸收。（三）肽键与肽链（氨基酸的连接）1.肽键：一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的酰胺键称为肽键。肽键是蛋白质的基本结构键。2.多肽链许多的氨基酸相连形成的肽称多肽。（1）肽链具有方向性N末端：多肽链中有自由氨基的一端C末端：多肽链中有自由羧基的一端（2）α碳原子和肽键形成主链，R形成侧链。体内还存在一些生物活性肽如谷胱甘肽、多肽类激素等。二、蛋白质的分子结构肽单元的概念：参与肽键的6个原子Ca1、C、O、N、H、Ca2位于同一平面。（一）蛋白质的一级结构1.概念：蛋白质一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序及其共价连接。2.维系键：肽键有些蛋白质中含少量二硫键。（二）蛋白质的二级结构1.概念：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即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。2.形式：α螺旋、β折叠、β转角和无规卷曲。3.维系键：氢键。α螺旋：右手螺旋，螺距为0.54nm。（三）蛋白质的三级结构1.概念：蛋白质的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。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。2.维系键：疏水键、离子键、氢键和范德华力等。三级结构形成时，亲水基团在表面，疏水基团在内部；（四）蛋白质的四级结构（多条肽链构成）1.概念：亚基：有些蛋白质分子含有两条或多条肽链，才能完整地表达功能，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。2.维系键：非共价键三、蛋白质结构与功能的关系（一）一级结构和功能的关系：1.与蛋白质生物学功能密切相关2.一级结构是空间构象的基础3.一级结构改变可以导致分子病。蛋白质分子发生变异导致的疾病称为“分子病”。如镰刀状红细胞性贫血。（二）空间结构与功能的关系1.空间结构破坏生物学活性丧失Mb是由153个氨基酸残基构成的单链蛋白，含有一个血红素辅基，能够进行可逆的氧合和脱氧。2.别构效应（变构效应）：一个蛋白质与它的配体（或其他蛋白质）结合后，蛋白质的构象发生变化，使它更适于功能需要，这一类变化称为变构效应。小分子化合物称为别构剂或效应剂。例如Hb是变构蛋白，小分子O2是Hb的变构剂或效应剂。Hb由2条α链和2条β链和血红素辅基组成，未结合O2时，α1与β1，α2与β2结构紧密，称紧张态（Ｔ态），Hb与O2亲和力小。当第1个亚基Fe2+与O2结合后，促进第二、第三、四个亚基与O2结合。随着与O2的结合，4个亚基间的盐键断裂，二、三、四级结构发生剧烈的变化，Hb结构变得松弛，称为松弛态（R态），最后四个亚基全处于R态。协同效应：指一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用，则称为正协同效应，反之则为负协同效应。四、蛋白质的理化性质（一）蛋白质的两性电离1.两性电离蛋白质由氨基酸构成，也是两性电解质。2.等电点使蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零时溶液的pH称为蛋白质的等电点。蛋白质溶液的pH大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。利用电泳的方法可以分离蛋白。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质属为胶体溶液。1.蛋白质是亲水胶体破坏稳定因素可使蛋白质沉淀,如用盐析法或丙酮沉淀法沉淀蛋白.2.蛋白质不能透过半透膜利用此性质可通过透析纯化蛋白质。（三）蛋白质的变性蛋白质的二级结构以氢键维系局部主链构象稳定，三、四级结构主要依赖于氨基酸残基侧链之间的相互作用，从而保持蛋白质的天然构象。1.变性的概念：在某些物理和化学因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失的现象称为蛋白质的变性。2.变性本质：破坏维系空间结构的键，不改变蛋白质的一级结构。（不破坏肽键）3.变性的特点：溶解度下降变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集容易沉淀。容易消化肽键充分暴露，容易被蛋白酶水解生物活性丧失空间结构被破坏4.变性的应用（意义）：利用变性：变性因素常被应用来消毒及灭菌。防止变性：是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。5.复性：若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。（四）蛋白质的紫外吸收由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。（五）蛋白质的呈色反应1.茚三酮反应：蛋白质与茚三酮反应可生成兰紫色化合物。2.双缩脲反应：蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，可呈现紫色或红色，称为双缩脲反应。第二节核酸的结构和功能一、核酸的化学组成及一级结构天然存在的核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。（一）核酸的化学组成1.核苷酸的分子组成核苷酸是核酸的基本组成单位，核苷酸包含碱基、戊糖和磷酸三种成分。（2）戊糖核糖，脱氧核糖。核糖—构成RNA脱氧核糖—构成DNA（3）磷酸2.核苷和核苷酸的结构（1）核苷：碱基和戊糖通过糖苷键构成核苷（脱氧核苷）。（2）核苷酸：核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键构成核苷酸（脱氧核苷酸）。①核糖核苷酸AMP，GMP，UMP，CMP。②脱氧核苷酸dAMP，dGMP，dTMP，dCMP。根据磷酸基团数目不同，有核苷一磷酸，NMP；核苷二磷酸，NDP；核苷三磷酸，NTP。③体内还存在着环磷酸核苷环磷酸腺苷（cAMP）环磷酸鸟苷（cGMP）（二）核酸的一级结构核酸是由许多核苷酸分子连接而成的，都是通过前一个核苷酸（脱氧核苷酸）的3＇羟基与后一个核黄酸的5＇磷酸缩合生成而彼此相连，构成一个没有分支的线性大分子,称为多核苷酸链。1.一级结构的概念：在多核苷酸链中，核苷酸的排列顺序，称为核酸的一级结构。一级结构的本质是碱基排列顺序2.连接键：3＇，5＇-磷酸二酯键方向：通常以5＇-3＇方向为正向。二、DNA的空间结构与功能（一）DNA的二级结构——双螺旋结构1.DNA双螺旋结构要点①DNA分子是两条反向平行（一条是5＇→3＇、另一条是3＇→5＇走向）的互补双链结构，脱氧核糖和磷酸在外，碱基在内，垂直于螺旋轴。两链的碱基以氢键结合。互补配对方式：G≡C（三个氢键），A=T（两个氢键）。②DNA双链是右手螺旋结构，螺旋每周含l0对碱基，螺距3.4nm，相邻碱基平面距离0.34nm，直径2nm。③螺旋的表面有大沟及小沟，是蛋白质-DNA相互作用的基础。④维系DNA双螺旋结构的稳定靠氢键（横向）和碱基堆积力（纵向）。（二）DNA的高级结构1.DNA的超螺旋结构DNA双螺旋链的基础上再盘绕即形成超螺旋结构。①正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。②负超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。2.核小体真核DNA超级螺旋结构，先与核内蛋白质构成核小体然后通过规律性折叠将DNA紧密压缩于染色质中。DNA双螺旋分子→组蛋白八聚体→DNA双螺旋分子缠绕（核心颗粒）→串珠样的结构→纤维状结构及襟状结构→棒状的染色体。（三）DNA的功能它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。一个生物体的全部基因序列称为基因组。三、RNA的结构与功能RNA为多核苷酸单链，可形成局部双链区（发夹结构）。双链区内有A-U、C-G互补RNA有多种，主要介绍三种参与蛋白质合成的RNA：信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）（一）mRNA1.mRNA的功能在细胞核内转录DNA基因序列信息，由核内合成后转移到胞液，指导蛋白质分子的合成。mRNA是蛋白质合成的直接模板，决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。在细胞核内合成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA（hnRNA）。2.成熟的真核mRNA的结构特点①5＇-有帽子结构——m7GpppNm。（7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸）②3＇-末端有一个多聚腺苷酸（polyA）结构，称为多聚A尾。③mRNA编码区中核苷酸序列包含指导蛋白质多肽合成的信息——生物密码成熟mRNA分子编码序列上每3个核苷酸为一组决定一个氨基酸，称为三联体密码。（二）tRNA1.tRNA的功能各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料。2.tRNA的一级结构①含10%～20%稀有碱基，如双氢尿嘧啶（DHU）等。②3＇-端为CCA-OH，又称氨基酸臂③5＇-末端大多数为G。3.tRNA的二级结构是三叶草形。有氨基酸臂、DHU环、反密码环、额外环和TψC环。4.tRNA的三级结构是倒L形。（三）rRNA在细胞内含量最多。1.功能：rRNA的功能是与核糖体蛋白组成核糖体，是蛋白质的合成场所。2.rRNA二级结构特点rRNA二级结构的特点是含有大量茎环结构。可作为核糖体蛋白的结合和组装的结构基础。3.核糖体的组成原核生物和真核生物的核糖体都是由大小两个亚基构成。四、核酸的理化性质核酸为两性电解质，溶液中有很大的粘度，由于碱基成分的紫外吸收特征，DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸收峰，这是DNA和RNA定量最常用的方法。（一）DNA变性和复性的概念1.DNA变性①概念：DNA变性是指双螺旋DNA分子在某些理化因素作用下，双链变成单链。DNA变性时一级结构没变。（H键断裂）DNA的变性中以DNA的热变性最常见。②增色效应：DNA变性时其溶液0D260增高的现象。除去变性因素后，OD260值减小称为减色效应。③Tm值在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度（Tm）。其大小与G+C含量成正比，也与核酸分子大小有关。2.DNA复性热变性的DNA经缓慢冷却后，两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象这一现象称为复性。也称退火。（二）核酸杂交在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链。第三节酶酶是由活细胞合成的生物催化剂，化学本质主要是蛋白质。被酶作用的物质称为底物。酶催化反应的能力称为酶的活性/力。一、酶的分子结构与功能（一）酶的组成1.单纯酶：仅由氨基酸残基构成。即此类酶的结构组成除蛋白外；无其他成分，酶的活性由蛋白质决定。2.结合酶：由蛋白质（酶蛋白）和非蛋白质（辅助因子）组成，活性由两部分共同决定。1）构成2）辅助因子①辅助因子的分类：辅酶：与酶蛋白以非共价键疏松结合，可用透析等简单方法分离；辅基：与酶蛋白以共价键牢固结合，不能用透析等简单方法分离。②辅助因子的构成：③辅助因子的作用：参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。（二）酶的活性中心1.必需基团：酶分子中与酶活性密切相关的基团称作酶的必需基团。2.活性中心：由必需基团组成的特定空间结构区域，能与底物结合，并将其转变为产物，该区域称酶活性中心。对结合酶来说，辅酶或辅基也参与活性中心的组成。酶的活性中心破坏，生物学活性丧失。二