基础生物化学复习提纲2011

一、蛋白质化学（一）蛋白质的概念与生物学意义蛋白质是由氨基酸组成的不分支的长链生物大分子。蛋白质的种类繁多，是构成生物体的基本成分，占细胞干重的50%。蛋白质是生命过程的执行者，表现出丰富的功能。蛋白质在生物体的生命活动中起着极其重要的作用，已知的生物功能没有一个是离开蛋白质而实现的，生物个体间表现出的差异是由于其体内蛋白质的贡献。（二）氨基酸1．氨基酸的基本结构和性质1）氨基酸的结构：20种蛋白质氨基酸的分子结构特点酸性氨基酸、碱性氨基酸、含硫氨基酸、带羟基氨基酸、亚氨基酸、最小氨基酸、含巯基氨基酸。2）氨基酸的性质：包括了氨基酸的酸碱性质、立体化学、吸收光谱、化学反应。其中酸碱性质非常重要，其包括了兼性离子、pK、pI等概念以及pI的计算。氨基酸的立体结构（D型与L型）吸收光谱：在近紫外区有特征吸收的三个氨基酸Phe、Tyr和Trp。氨基酸的化学反应：一般掌握三个反应：茚三酮反应、Sanger反应、Edman反应，反应的试剂、产物颜色、发生反应的氨基酸中的那个基团。2．根据R基团极性对20种蛋白质氨基酸的分类及三字符缩写R基为疏水性或非极性的氨基酸、R基为极性不带电荷的氨基酸、R基为带电荷的氨基酸（包括带正电荷和负电荷的氨基酸）（三）蛋白质的结构与功能1．肽的概念及理化性质一个氨基酸分子的-羧基与另一个氨基酸分子的-氨基发生酰化反应，脱去一分子水形成肽键，也称为酰胺键。肽就是氨基酸通过肽键连接起来的线性聚合物。2．蛋白质的初级结构蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序，包含了蛋白质结构的全部信息。3．蛋白质的高级结构（二级结构、超二级结构和结构域、三级结构、四级结构）1）蛋白质的二级结构：指肽链主链或称肽链骨架有规律的折叠和盘绕，是肽链主链局部的空间排列，不涉及侧链的构象和整个肽链空间排列。维系二级结构的主要作用力是氨基酸残基非侧链基团之间形成的氢键。多肽链主链构象的空间限制来自两个方面：1）.肽键不能自由旋转带来的构象限制。肽链中的肽键主要为反式。2）.-C二面角、ψ虽然可以任意旋转，但不是任意二面角所决定的构象都是立体化学所允许的。二级结构的类型：螺旋结构、折叠、-转角和无规卷曲的结构特点及参数。2）超二级结构：超二级结构指由相邻的蛋白质二级结构单元相互接近，形成有规律的二级结构聚集体。3）结构域：较大的球形蛋白分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，这些球状结构之间以松散的肽链相连，这些球状构象即为结构域。4）三级结构：多肽链通过盘绕折叠，借助各种非共价键和二硫键形成具有特定肽链走向的紧密球状构象。三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但是不包括亚基间或不同分子间的空间排列关系。5）四级结构：具有特定三级结构的肽链，主要通过非共价键形成的大分子组合体系为蛋白质的四级结构。作为蛋白质四级结构组分的肽链被定义为亚基。4．蛋白质的结构与功能的关系一级结构与功能：一级结构的变异与分子病。（同源蛋白）一级结构的序列比较。空间结构与功能：核糖核酸酶的变性与复性实验；血红蛋白与肌红蛋白的功能比较，血红蛋白的别构效应。通过具体例子说明结构与功能的关系。（四）蛋白质的理化性质1．蛋白质的两性电离及等电点：参考氨基酸的等电点定义。2．蛋白质的胶体性质：要形成稳定的胶体分散系统，需要保证三个条件：（1）分散相质点大小介于1~100nm（2）分散相质点带有同种电荷，同种电荷相互排斥，使得质点不易沉淀下来；（3）溶剂在分散相质点表面形成溶剂化层，使分散质点间不易靠拢聚集成较大的颗粒而沉淀。3．蛋白质的紫外吸收特征由于蛋白质中含有Trp、Tyr和Phe残基，使蛋白质在近紫外区280nm有最大特征吸收峰。通过测定蛋白质溶液的A280nm可以测定蛋白质浓度。4．蛋白质的变性及复性当受到某些因素影响时，维系天然构象的次级键被破坏，蛋白质失去天然构象，导致生物活性丧失及相关物理、化学性质的改变，这个过程称为蛋白质变性。变性后的蛋白质在除去变性因素后，重新恢复天然构象和生物活性的过程称为蛋白质的复性。蛋白质的变性复性实验可以用于蛋白质的折叠研究。二、核酸化学（一）核酸的种类和组成单位核酸有两种类型：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。核酸是由核苷酸组成的多核苷酸长链分子。组成RNA的核苷酸为核糖核苷酸，组成DNA的核苷酸为脱氧核糖核苷酸。两种核苷酸都由等摩尔含氮碱基、戊糖和磷酸组成。其中的戊糖是核糖，组成DNA的戊糖为2-脱氧核糖。碱基有五种A、G、C、U、T。碱基和戊糖缩合形成核苷，核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸的功能。（二）核酸的分子结构1．DNA的分子结构：1）DNA的一级结构：指DNA分子中由3，5-磷酸二酯键连接起来的脱氧核苷酸残基的排列顺序，或者是DNA分子中碱基的排列顺序，遗传信息就贮存在这个碱基的排列顺序中。多核苷酸链具有方向性；每条多核苷酸链都是独一无二的。2）DNA的二级结构：DNA的双螺旋结构模型。稳定双螺旋结构的因素主要有三种：氢键、碱基堆积力和离子键。DNA结构的多态性双螺旋DNA在不同条件下以多种构象存在，称为。A-型、B-型、Z-型DNA的结构特点。3）DNA的三级结构：双螺旋DNA通过自身轴的多次转动扭曲形成螺旋的螺旋结构。DNA双螺旋圈数减少，双螺旋DNA处于拧松状态时形成负超螺旋，负超螺旋DNA为右旋。双螺旋圈数增加，双螺旋DNA处于拧紧状态时形成正超螺旋，正超螺旋DNA为左旋。绝大多数天然存在的DNA形成的是负超螺旋。2．RNA的分子结构：1）tRNA的结构：一级结构：大多数tRNA中的核苷酸残基数在76左右。tRNA的一级结构中都含有较多的稀有碱基，大多数tRNA的5末端为pG，而所有tRNA的3末端都为CCAOH-3，这是tRNA携带氨基酸的位置。二级结构：tRNA的二级结构中含有较多的发夹结构，形成四个双链的臂和四个单链的环，使tRNA具有相同的三叶草形结构。三级结构：tRNA的三叶草结构通过折叠形成倒L形的三级结构。2）mRNA的结构：原核生物：一个mRNA分子编码一条多肽链，这种mRNA分子被称为单顺反子。绝大多数的细菌mRNA分子可以编码两条或多条不同的多肽链，这种mRNA分子叫做多顺反子。原核生物mRNA中不具有帽子和poly（A）结构。真核生物：真核生物mRNA为单顺反子。其mRNA5端具有帽子结构，5帽子结构由7-甲基鸟苷酸（m7G）经焦磷酸与mRNA5末端核苷酸相连，形成5-5-三磷酸连接。几乎所有的真核mRNA的3端都具有poly（A）尾。内含子与外显子的概念。3）rRNA的结构：核糖体中含有的RNA统称为rRNA。原核生物中有三种rRNA：23S、16S、5S；真核生物的rRNA有四种28S、18S、5.8S、5S。这些rRNA与蛋白质结合在一起形成核糖体。原核生物中，由50S大亚基和30S小亚基组成70S的核糖体。真核生物的核糖体为80S，大亚基为60S，小亚基为40S。（三）核酸的理化性质1．核酸的一般性质：溶解性、酸碱水解性、沉降性、粘度DNA和RNA含有极性基团，均微溶于水，它们的钠盐在水中溶解度较大。核酸不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。DNA中的磷酸二酯键对碱不敏感，而RNA很容易被NaOH稀溶液随机水解。DNA溶液粘度非常高；RNA溶液的粘度比DNA溶液小得多。2．核酸的紫外吸收特征核酸溶液在260nm附近有一个最大吸收峰，在230nm有一个低谷，RNA的吸收光谱与DNA无显著差别。3．核酸的变性及复性1）变性：在一定条件下，受到某些物理和化学因素的作用，DNA的双螺旋结构破坏，氢键断裂，碱基有规律的堆积被破坏，双螺旋松散，双链分离成两条缠绕的无定形的多核苷酸单链的过程称为变性。2）复性：变性DNA在适当条件下，两条分开的互补单链重新形成双螺旋结构的过程称为复性。缓慢冷却复性的过程称为退火。3）增色效应与减色效应、熔解温度、分子杂交的概念。增色效应：变性DNA分子双螺旋结构破坏，碱基充分外露，其紫外吸收增加的现象。减色效应：变性DNA分子复性重新形成双螺旋结构，其紫外吸收降低的现象。熔解温度Tm：DNA变性时，OD260增大。通常把加热变性使DNA双螺旋结构失去一半时的温度称为该DNA的熔解温度；或者：当增色效应达到一半时的温度。核酸的分子杂交：来源不同的两条具有碱基互补序列的单链核酸分子，通过退火复性，碱基互补区段按照碱基配对原则结合在一起形成双链的过程称为核酸的分子杂交。杂交过程可以发生在DNA单链之间、RNA单链之间以及DNA单链与RNA单链之间。三、酶（一）酶的基本概念和作用特点1.酶：是生物活细胞产生的、以蛋白质为主要成分的生物催化剂。某些RNA具有催化活性，称为核酶（ribozyme）。2.酶催化剂的特性：极高的催化效率；高度的专一性；催化活性易受外界条件影响；催化活性在细胞内受严格调控；某些酶催化活性与辅助因子有关；酶的蛋白质本质。（二）酶的国际分类和命名1.命名：每一种酶应有一个系统名称和一个习惯名称。2.国际系统命名法原则：规定每种酶的名称应当标明酶的底物及催化反应的性质。如果一种酶催化两种底物起反应，应在他们的系统名称中包括两种底物的名称，并以“：”将其隔开。3.分类编号方案：每个酶的分类编号由字母“EC”加上四个数字组成，数字间用“”分开。按酶促反应性质将酶分为6大类。分类编号中的第一个数字表明一个酶属于六大类中的哪一类。第二个数字是该酶的亚类，指明底物中被作用的基团或键。第三个数字是该酶的亚-亚类。第四个数字是该酶在亚-亚类中的排序。（三）酶的作用机制1．酶的活性中心：酶分子中与底物结合并起催化作用的空间部位。1）.活性中心包括两个功能位点：结合位点：保证底物正确结合在酶的催化位点附近，决定了酶的专一性。催化位点：负责底物键的断裂及新键的形成，决定了酶的催化能力。在含有辅因子的酶中，辅因子或其上的某些基团也参与酶活性中心的组成。2）.酶活性中心的特点：只占酶分子结构中很小部分（1-2%）；具有特定的三维结构，酶和底物结合的专一性取决于活性中心中原子的精致排列；并不是和底物的形状正好互补，具有柔性；以弱键与底物结合；位于酶分子的一个凹穴中，形成疏水区。2．酶的专一性和高效性机制1）.酶的专一性：指一种酶只能催化某一种或某一类物质发生特定的反应。分为结构专一性和立体异构专一性两类。2）.高效性机制：邻近和定向效应；底物形变；共价催化；酸碱催化；疏水微环境的影响；金属离子催化。（四）影响酶促反应速度的主要因素1.底物浓度、酶浓度、温度和pH值、激活剂与抑制剂都对酶促反应速度产生影响。底物浓度：米氏方程表示了底物浓度与反应速度之间的关系。米氏常数KM的物理意义：当酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，单位为摩尔。2.抑制剂：抑制作用分为可逆和不可逆抑制作用两种。可逆抑制作用有分为：竞争性抑制作用；非竞争性抑制作用；反竞争性抑制作用。1）.可逆抑制作用：抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，结合是可逆的；可通过透析法除去抑制剂，恢复酶的活性。2）.竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争酶的结合部位，可通过增加底物浓度减轻或消除抑制作用。3）.非竞争性抑制作用：酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者间无竞争作用，这类抑制作用不能通过提高底物浓度来解除。4）.反竞争性抑制作用：抑制剂不能与游离的酶结合，必须在酶和底物结合后，才能与ES结合形成ESI复合物；ESI复合物不能分解为产物；这类抑制作用较为少见。5）.可逆抑制作用的动力学：抑制类型VmaxKm竞争性抑制不变增大非竞争性抑制降低不变反竞争性抑制降低降低（五）别构酶和共价修饰酶：别构效应与别构酶：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节或别构效应。具有别构调节作用的酶称为别构酶。[S][S]MmaxKVv共价修饰酶：这类酶经其他酶对其结构进行共价修饰，使其在活性形式与非活性形式间相互转变。（六）同工酶催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构及化学组成