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生物竞赛生物化学


第七章
一、竞赛中涉及的问题

生物化学

在中学生物学教学大纲中,已简单介绍过蛋白质、核酸、ATP 的结构和功能、酶和酶 特性以及蛋白质的生物合成等知识,根据国际生物学奥林匹克竞赛纲要和全国中学生生物 学竞赛大纲(试行)的要求,有关生物化学的内容在竞赛中经常要用到的一些知识,还必 须在原有高中生物基础上加以充实和提高。 (一)蛋

白质的结构和生物学功能 蛋白质是构成细胞和生物体的基本物质,占细胞干重的一半,生物膜中蛋白质的含量 占 60%~70%,蛋白质在原生质的有机成分中占 80%。所有蛋白质的元素组成都很近似, 都含有 C、H、O、N 四种元素,其中平均含氮量约占 16%,这是蛋白质在元素组成上的 一个特点。蛋白质是一类极为复杂的含氮高分子化合物,其基本组成单位是氨基酸。 1.蛋白质的基本组成单位——氨基酸 组成蛋白质的氨基酸有 20 种,其中 19 种结构可用通式 表示。另一种为脯

氨酸,它也有类似结构,但侧链与氮原子相接形成亚氨基酸。除甘氨酸外,蛋白质中的氨 基酸都具有不对称碳原子,都有 L—型与 D 一型之分,为区别两种构型,通过与甘油醛的 构型相比较,人为地规定一种为 L 型,另种为 D 一型。当书写时—NH2 写在左边为 L 型, -NH2 在右为 D 一型。已知天然蛋白质中的氨基酸都属 L 型。 20 种基本氨基酸中,有许多是能在生物体内从其他化合物合成的。但其中有 8 种氨基 酸是不能在人体内合成的,叫必需氨酸。它们是:苏氨酸(Thr) 、亮氨酸(Leu) 、异亮氨 酸(Ile) 、甲硫酸(Met) 、苯丙氨酸(Phe) 、色氨酸(Try) 、赖氨酸(Lys)和缬氨酸(Val) 。 20 种氨基酸的分类,主要是根据 R 基来区分的。早些年根据 R 基的结构把氨基酸分为脂 肪族、芳香族和杂环族三类,其中脂肪族又分为中性(一氨基一羧基) 、酸性(一氨基二 羧基)和碱性(二氨基一羧基)氨基酸。近年来都按 R 基的极性来区分氨酸的种类。 对于含有一个氨基和一个羧基的α –氨基酸来说,在中性溶液中或固体状态下,是以 中性分子的形式还是以两性离子的式存在呢?许多实验证明主要是以两性离子的形式存 在。

中性分子形式

两性离子形式

氨基酸由于含有氨基和羧基,因此在化学性质上表现为是的一种兼有弱碱和弱酸的两 性化合物。氨基酸在溶液中的带电状态,会随着溶液的 pH 值而变化,如果氨基酸的净电
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荷等于零,在外加电场中不发生向正极或负极移动的现象,在这种状态下溶液的 pH 值称 为其等电点,常用 pI 表示。由于各种氨基酸都有特定的等电点,因此当溶液的 pH 值低于 某氨基酸的等电点时,则该氨基酸带净正电荷,在电场中向阴极移动。若溶液的 pH 值高 于某氨基酸的等电点时,则该氨基酸带净负电荷,在电场中向阳极移动。氨基酸等电点的 计算方法:对于单氨基单羧基的氨基酸,其等电点是 pK1 和 Pk2 的算术平均值,即从 pI= 1/2(pK1+pK2)公式中求得;对于含有 3 个可解离基团的氨基酸来说,只要依次写出它 从酸性经过中性至碱性溶溶解高过程中的各种离子形式,然后取两性离子两侧的 pK 值的 算术平均值,即可得其 pI 值。例如 Asp 解离时,有 3 个 pK 值,在不同 pH 条件下可以有 4 种离子形式,如下图所示。

在等电点时, 两性离子形式主要是 Asp , 因此 Asp 的 pI=1/2 (pK1+pK2) =1/2 (2.09 +3.86)=2.98。同样方法可以求得其他含有 3 个 pK 值的氨基酸的等电点。各种氨基酸在 可见光区都没有光吸收,而在紫外光区仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收能力。其中色 氨酸的最大吸收波长为 279nm,酪氨酸的最大吸收波长为 278nm,苯丙氨酸的为 259nm。 利用紫外光法可以测定这些氨基酸的含量。 蛋白质在 280nm 的紫外光吸收绝大部分是由色 氨酸和酪氨酸所引起的。因此测定蛋白质含量时,用紫外分光光度法测定蛋白质在 280nm 的光吸收值是一种既简便而又快速的方法。 2.蛋白质的化学结构与空间结构 组成蛋白质的氨基酸,是借助肽键连接在一起的。肽键是由一个氨基酸分子中的α 氨 基与相邻的另一个氨基酸分子中 α–羧基,通过失水缩合而成,这样连起来的氨基酸聚合 物叫做肽。肽链上的各个氨基酸,由于在相互连接的过程中丢失了α –氨上的 H 和α –羧 基上的 OH, 被称之为氨基酸残基。 在多肽链一端氨基酸含有一个尚未反应的游离氨基 (一 NH2) ,称为肽链的氨末端氨基酸或 N 末端氨基酸;另一端的氨基酸含有一个尚未反应的 游离羧基(—COOH) ,称为肽链的羧基末端氨基酸或 C 末端氨基酸。一般表示多肽链时, 总是把 N 末端写在左边,C 末端写右边。合成肽链时,合成方向是从 N 末端开始,逐渐向 C 末延伸。 各种蛋白质分子都有特定的空间结构,即构象。 蛋白质的一级结构:又称初级结构或化学结构,是指组成蛋质分子的多肽链中氨基酸 的数目、 种类和排列顺序, 多肽链的数目, 同时也包括链内或键间二硫键的数目和位置等。
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蛋白质分子的一级结构是由共价键形成的,肽键和二硫键都属于共价键。肽键是蛋白质分 子中氨基酸连接的基本方式,形成共价主链。二硫键(—S—S)是由两个半胱氨酸(残基) 脱氢连接而成的,是连接肽链内或肽链间的主要化学键。二硫键在蛋白质分子中起着稳定 肽链空间结构的作用,往往与生物活力有关。二硫键被破坏后,蛋白质或多肽的生物活力 就会丧失。蛋白质结构中,二硫键的数目多,蛋白质结构的稳定性就越强。在生物体内起 保护作用的皮、角、毛发的蛋白质中,二硫键最多。 蛋白质的二级结构:是指多肽链本身折叠和盘绕方式,是指蛋白质分子中的肽链向单 一方向卷曲而形成的有周期性重复的主体结构或构象。这种周期性的结构是以肽链内或各 肽链间的氢键来维持。常见的二级结构有α –螺旋、β –折叠、β –转角等。例如动物的 各种纤维蛋白,它们的分子围绕一个纵轴缠绕成螺旋状,称为α –螺旋。相邻的螺旋以氢 键相连,以保持构象的稳定。指甲、毛发以及有蹄类的蹄、角、羊毛等的成分都是呈α – 螺旋的纤维蛋白,又称α –角蛋白。β –折叠片是并列的比α –螺旋更为伸展的肽链,互 相以氢铸连接起来而成为片层状,如蚕丝、蛛丝中的β –角蛋白。 蛋白质的三级结构:是指在二级结构的基础上,进一步卷曲折叠,构成一个很不规则 的具有特定构象的蛋白质分子。维持三级结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用,即 次级键或称非共价键,包括氢键、盐键、疏水键和范德华力等。盐键又称离子健,是蛋白 质分子中正、负电荷的侧链基团互相接近,通过静电吸引而形成的,如羧基和氨基、胍基、 咪唑基等基团之间的作用力。疏水键是多肽链上的某些氨基酸的疏水基团或疏水侧链(非 极性侧链)由于避开水而造成相互接近、粘附聚集在一起。它在维持蛋白质三级结构方面 占有突出地位。范德华引力是分子之间的吸引力。此外二硫键也对三级结构的构象起稳定 作用。 具有三级结构的球蛋白是一类比纤维蛋白的构象更复杂的蛋白质。肽链也有 α –螺 旋、β –折叠片等构象单元,这些构象单元之间由肽链中不规则卷曲的肽段相连接,使整 个肽铸折叠成近乎球状的不规则形状。酶、多种蛋白质激素、各种抗体以及细胞质和细胞 膜中的蛋白质都是球蛋白。和纤维蛋白不同,球蛋白的表面富有亲水基团,因此都能溶于 水。 蛋白质的四级结构:是由两条或两条以上的具有三级结构的多肽聚合而成特定构象的 蛋白质分子。构成功能单位的各条肽链,称为亚基,一般地说,亚基单独存在时没有生物 活力, 只有聚合成四级结构才具有完整的生物活性。 例如, 磷酸化酶是由 2 个亚基构成的, 谷氨酸脱氢酶是由 6 个相同的亚基构成的,血红蛋白是由 4 个不同的亚基(2 个α 肽链,2 个β 链)构成的,每个链都是一个具三级结构的球蛋白。亚基聚合成四级结构,是通过分 子表面的一些次级键,主要是盐键和氢键结合而联系在一起的。有些蛋白质分子只有一、 二、三级结构,并无四级结构,如肌红蛋白、细胞色素 C、核糖核酸酶、溶菌酶等。另一 些蛋白质,则一、二、三、四级结构同时存在,如血红蛋白、过氧化氢酶、谷氨酸脱氢酶 等。 3.蛋白质的性质及生物学功能
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蛋白质是由许多氨基酸分子组成的,分子量很大。所以它有的性质与氨基酸相同,有 的性质又与氨基酸不同,如胶体性质、变构作用和变性作用等。 (1)胶体性质:蛋白质分子量很大,容易在水中形成胶体粒,具有胶体性质。在水 溶液中,蛋白质形成亲水胶体,就是在胶体颗粒之外包含有一层水膜。水膜可以把各个颗 粒相互隔开,所以颗粒不会凝聚成块而下沉。 (2)变构作用:含 2 个以上亚基的蛋白质分子,如果其中一个亚基与小分子物质结 合,那就不但该亚基的空间结构要发生变化,其他亚基的构象也将发生变化,结果整个蛋 白质分子的构象乃至活性均将发生变化,这一现象称为变构或别构作用。例如,某些酶分 子可以和它所催化的最终产物结合,引起变构效应,使酶的活力降低,从而起到反馈抑制 的效果。 (3)变性作用:蛋白质在重金属盐(汞盐、银盐、铜盐等) 、酸、碱、乙醛、尿素等 的存在下,或是加热至 70~100℃,或在 X 射线、紫外线的作用下,其空间结构发生改变 和破坏,从而失去生物学活性,这种现象称为变性。变性过程中不发生肽键断裂和二硫键 的破坏,因而不发生一级结构的破坏,而主要发生氢键、疏水键的破坏,使肽链的有序的 卷曲、折叠状态变为松散无序。 种类繁多的蛋白质具有多种多样的生物学功能, 归纳起来主要具有下列 5 个方面: (1) 作为酶,蛋白质具有催化功能。 (2)作为结构成分,它规定和维持细胞的构造。 (3)作为 代谢的调节者(激素或阻遏物) ,它能协调和指导细胞内的化学过程。 (4)作为运输工具, 它能在细胞内或者透过细胞膜传递小分子或离子。 (5)作为抗体,它起着保护有机体,防 御外物入侵的作用。蛋白质是一切生命现象不可缺少的,即使像病毒、类病毒那样以核酸 为主体的生物,也必须在它们寄生的活细胞的蛋白质的作用下,才能表现出生命现象。 (二)核酸的结构与生物学功能 核酸是生物体内极其重要的生物大分子,是生命的最基本的物质之一。最早是瑞士的 化学家米歇尔于 1870 年从脓细胞的核中分离出来的,由于它们是酸性的,并且最先是从 核中分离的,故称为核酸。核酸的发现比蛋白质晚得多。核酸分为脱氧核糖核酸(简称 DNA)和核糖核酸(简称 RNA)两大类,它们的基本结构单位都是核苷酸(包含脱氧核 苷酸) 。 1.核酸的基本单位——核苷酸 每一个核苷酸分子由一分子戊糖(核糖或脱氧核糖) 、一分子磷酸和一分子含氮碱基 组成。碱基分为两类:一类是嘌呤,为双环分子;另一类是嘧啶,为单环分子。嘌呤一般 均有 A、G2 种,嘧啶一般有 C、T、U3 种。这 5 种碱基的结构式如下图所示。

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由上述结构式可知:腺嘌呤是嘌呤的 6 位碳原子上的 H 被氨基取代。鸟嘌呤是嘌呤的 2 位碳原子上的 H 被氨基取代,6 位碳原子上的 H 被酮基取代。3 种嘧啶都是在嘧啶 2 位 碳原子上由酮基取代 H,在 4 位碳原子上由氨基或酮基取代 H 而成,对于 T,嘧啶的 5 位 碳原子上由甲基取代了 H。凡含有酮基的嘧啶或嘌呤在溶液中可以发生酮式和烯醇式的互 变异构现象。结晶状态时,为这种异构体的容量混合物。在生物体内则以酮式占优势,这 对于核酸分子中氢键结构的形成非常重要。例如尿嘧啶的互变异构反应式如下图。

酮式(2,4–二氧嘧啶) 烯酸式(2,4–二羟嘧啶) 在一些核酸中还存在少量其他修饰碱基。 由于含量很少, 故又称微量碱基或稀有碱基。 核酸中修饰碱基多是 4 种主要碱基的衍生物。tRNA 中的修饰碱基种类较多,如次黄嘌呤、 二氢尿嘧啶、5–甲基尿嘧啶、4–硫尿嘧啶等,tRNA 中修饰碱基含量不一,某些 tRNA 中的修饰碱基可达碱基总量的 10%或更多。 核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶生成的糖苷。戊糖的第 1 碳原子(C1)通常与嘌 呤的第 9 氮原子或嘧啶的第 1 氮原子相连。在 tRNA 中存在少量 5–核糖尿嘧啶,这是一 种碳苷,其 C1 是与尿嘧啶的第 5 位碳原子相连,因为这种戊糖与碱基的连接方式特殊(为 C—C 连接) ,故称为假尿苷如下图。
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腺苷(A) 脱氧胸苷(dT) 假尿苷(ψ ) 核苷酸是由核苷中糖的某一羟基与磷酸脱水缩合而成的磷酸酯。核苷酸的核糖有 3 个 自由的羟基,可与磷酸酯化分别生成 2’–、3’–和 5’–核苷酸。脱氧核苷酸的脱氧核 糖只有 2 个自由羟基,只能生成 3’–和 5’–脱氧核苷酸。生物体内游离存在的核苷酸 都是 5’–核苷酸。以 RNA 的腺苷酸为例:当磷酸与核糖 5 位碳原子上羟基缩合时为 5’ –腺苷酸,用 5’–AMP 表示;当磷酸基连接在核糖 3 位或 2 位碳原子上时,分别为 3’ –AMP 和 2’–AMP。5’–腺苷酸和 3’–脱氧胞苷酸的结构式如下图所示。

核苷酸结构也可以用下面简式(如下图)表示。B 表示嘌呤或嘧啶碱基,直线表示戊 糖,P 表示磷酸基。

2’–核苷酸 3’–核苷酸 5’–核苷酸 3’–或 5’–核苷酸简式也可分别用 Np 和 pN 表示(N 代表核苷) 。即当 P 在 N 右 侧时为 3’–核苷核,P 在 N 左侧的为 5’–核苷酸,如 3’–核苷酸和 5’–核苷酸可分 别用 Ap 和 pA 表示。 在生物体内,核苷酸除了作为核酸的基本组成单位外,还有一些核苷酸类物质自由存 在于细胞内,具有各种重要的生理功能。
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(1)含高能磷酸基的 ATP 类化合物:5’–腺苷酸进一步磷酸化,可以形成腺苷二磷 酸和腺苷三磷酸,分别为 ADP 和 ATP 表示。ADP 是在 AMP 接上一分子磷酸而成,ATP 是由 AMP 接上一分子焦磷酸(PPi)而成,它们的结构式如下图所示。

腺苷二磷酸(ADP) 腺苷三磷酸(ATP) 这类化合物中磷酸之间是以酸酐形式结合成键,磷酸酐键具有很高的水解自由能,习 惯上称为高能键,通常用“~”表示。ATP 分子中有 2 个磷酸酐键,ADP 中只含 1 个磷酸 酐键。 + + 在生活细胞中,ATP 和 ADP 通常以 Mg2 或 Mn2 盐的复合物形式存在。特别是 ATP + 分子上的焦磷酸基对二价阳离子有高亲和力;加上细胞内常常有相当高浓度的 Mg2 ,使 + ATP 对 Mg2 的亲和力远大于 ADP。在体内,凡是有 ATP 参与的酶反应中,大多数的 ATP + 是以 Mg2 —ATP 复合物的活性形式起作用的。当 ATP 被水解时,有两种结果:一是水解 形成 ADP 和无机磷酸;另一种是水解生成 AMP 和焦磷酸。ATP 是大多数生物细胞中能量 的直接供体,ATP-ADP 循环是生物体系中能量交换的基本方式。 在生物细胞内除了 ATP 和 ADP 外,还有其他的 5’–核苷二磷酸和三磷酸,如 GDP、 CDP、 UDP 和 GTP、 CTP、 UTP; 5’ –脱氧核苷二磷酸和三磷酸, 如 dADP、 dGDP、 dTDP、 dCDP 和 dATP、dCTP、dGTP、dTTP,它们都是通过 ATP 的磷酸基转移转化来的,因此 ATP 是各种高能磷酸基的主要来源。 除 ATP 外, 由其他有机碱构成的核苷酸也有重要的生 物学功能,如鸟苷三磷酸(GTP)是蛋白质合成过程中所需要的,鸟苷三磷酸(UTP)参 与糖原的合成,胞苷三磷酸(CTP)是脂肪和磷脂的合成所必需的。还有 4 种脱氧核糖核 苷的三磷酸酯。即 dATP、dCTP、dGTP、dTTP 则是 DNA 合成所必需的原材料。 (2) 环状核苷酸; 核苷酸可在环化酶的催化下生成环式的一磷酸核苷。 其中以 3’ , 5’ –环状腺苷酸(以 cAMP)研究最多,它是由腺苷酸上磷酸与核糖 3’ ,5’碳原子酯化而 形成的,它的结构式如下图所示。

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正常细胞中 cAMP 的浓度很低。在细胞膜上的腺苷酸环化酶和 Mg2 存在下,可催化 细胞中 ATP 分子脱去一个焦磷酸而环化成 cAMP, 使 cAMP 的浓度升高, 但 cAMP 又可被 细胞内特异性的磷酸二酯酶水解成 5’–AMP,故 cAMP 的浓度受这两种酶活力的控制, 使其维持一定的浓度。该过程可简单表示如下:


ATP

cAMP+焦磷酸

5’–AMP

现认为 cAMP 是生物体内的基本调节物质。 它传递细胞外的信号, 起着某些激素的 “第 二信使”作用。不少激素的作用是通过 cAMP 进行的,当激素与膜上受体结合后,活化了 腺苷酸环化酶,使细胞内的 cAMP 含量增加。再通过 cAMP 去激活特异性的蛋白激酶,由 激酶再进一步起作用。近年来发现 3’ 、5’–环鸟苷酸(cGMP)也有调节作用,但其作用 与 cAMP 正好相拮抗。它们共同调节着细胞的生长和发育等过程。此外,在大肠杆菌中 cAMP 也参与 DNA 转录的调控作用。 2.核酸的化学结构(或一级结构) 核酸分子是由核苷酸单体通过 3’ ,5’–磷酸二酯键聚合而成的多核苷酸长链。核苷 酸单体之间是通过脱水缩合而成为聚合物的,这点与蛋白质的肽链形成很相似。在脱水缩 合过程中,一个核苷酸中的磷酸给出一个氢原子; 另一个相邻核苷酸中的戊糖给出一个羟基,产生一 分子水, 每个单体便以磷酸二酯键的形式连接起来。 由许多个核苷酸缩合而形成多核苷酸链。如果用脾 磷酸二酯酶来水解多核苷酸链, 得到的是 3’ –核苷 酸, 而用蛇毒磷酸二酯酶来水解得到的却是 5’ –核 苷酸。这证明多核苷酸链是有方向的,一端叫 3’–未端,一端叫 5’–末端。所谓 3’– 末端是指多核苷酸链的戊糖上具有 3’–磷酸基(或羟基)的末端,而具有 5’–磷酸基 (或羟基)的末端则称为 5’末–端。多核苷酸链两端的核苷酸为末端核苷酸,末端磷酸 基与核苷相连的键称为磷酸单酯键。书写多核苷酸链时,通常将 5’端写在左边,3’端写 在右边。但在书写一条互补的双链 DNA 时,由于二条链是反向平行的,因此每条链的末 端必须注明 5’或 3’ 。通常寡核苷酸链可用右面的简式表示(如右图所示) 。
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述简式还可简化为 pApCpGpUOH,若进一步简化,还可将核苷酸链中的 p 省略,或在 核苷酸之前加小点,则变为 pACGUOH 或 pA·C·G·UOH。 3.核酸的性质 (1)一般性质 核酸和核苷酸既有磷酸基,又有碱性基团,为两性电解质,因磷酸的酸性强,通常表 现为酸性。核酸可被酸、碱或酶水解成为各种组分,其水解程度因水解条件而异。RNA 在 室温条件下被稀碱水解成核苷酸而 DNA 对碱较稳定, 常利用该性质测定 RNA 的碱基组成 或除去溶液中的 RNA 杂质。DNA 为白色纤维状固体,RNA 为白色粉末;都微溶于水, 不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。 (2)核酸的紫外吸收性质 核酸中的嘌呤碱和嘧啶碱均具有共轭双键,使碱基、核苷、核苷酸和核酸在 240~ 290nm 的紫外波段有一个强烈的吸收峰, 最大吸收值在 260nm 附近。 不同的核苷酸有不同 的吸收特性。由于蛋白质在这一光区仅有很弱的吸收,蛋白质的最大吸收值在 280nm 处, 利用这一特性可以鉴别核酸纯度及其制剂中的蛋白质杂质。 (3)核酸的变性和复性 ①核酸的变性:是指核酸双螺旋区的氢键断裂,碱基有规律的堆积被破坏,双螺旋松 散,发生从螺旋到单键线团的转变,并分离成两条缠绕的无定形的多核苷酸单键的过程。 变性主要是由二级结构的改变引起的, 因不涉及共价键的断裂, 故一级结构并不发生破坏。 多核苷酸骨架上共价键(3’ ,5’—磷酸二酯健)的断裂称为核酸的降解,降解引起核酸 分子量降低。引起核酸变性的因素很多,如加热引起热变性,pH 值过低(如 pH<4=的 酸变性和 pH 值过高(pH>11.5)的碱变性,纯水条件下引起的变性以及各种变性试剂, 如甲醇、乙醇、尿素等都能使核酸变性。此外,DNA 的变性还与其分子本身的稳定性有 关,由于 C—C 中有三对氢健而 A-T 对只有两对氢键,故 C+G 百分含量高的 DNA 分子 就较稳定, 当 DNA 分子中 A+T 百分含量高时就容易变性。 环状 DNA 分子比线形 DNA 要稳定,因此线状 DNA 较环状 DNA 容易变性。 核酸变性后,一系列物理和化学性质也随之发生改变,如 260nm 区紫外吸收值升高, 粘度下降,浮力密度升高,同时改变二级结构,有的可以失去部分或全部生物活性。DNA 的加热变性一般在较窄的温度范围内发生,很像固体结晶物质在其熔点突然熔化的情况, 因此通常把热变性温度称为 “熔点” 或解键温度, 用 Tm 表示。 对 DNA 而言, 通常把 DNA 的双螺旋结构失去一半时的温度(或变性量达最大值的一半时的温度)称为该 DNA 的熔 点或解链温度。在此温度可由紫外吸收(或其他特性)最大变化的半数值得到。DNA 的 Tm 值一般在 70℃~85℃。RNA 变性时发生与 DNA 变性时类似的变化,但其变化程度不 及 DNA 大,因为 RNA 分子中只有部分螺旋区。 ②核酸的复性:变性 DNA 在适当条件下,又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双 螺旋结构,这个过程称为复性。DNA 复性后,许多物理、化学性质又得到恢复,生物活 性也可以得到部分恢复。DNA 的片段越大,复性越慢;DNA 的浓度越高,复性越快。
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DNA 或 RNA 变性或降解时,其紫外吸收值增加,这种现象叫做增色效应,与增色效 应相反的现象称为减色效应,变性核酸复性时则发生减色效应。它们是由堆积碱基的电子 间相互作用的变化引起的。 (三)酶的特点及功能 酶是由活细胞产生的、具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。酶被称为生物催化 剂。生物体内错综复杂的代谢反应必须具有酶才能按一定规律有条不紊地进行。酶缺陷或 酶活性被抑制都会引起疾病。例如,人体缺乏酪氨酸酶会引起白化病。许多中毒性疾病, 如有机磷中毒、氰化物中毒、重金属的中毒等,都是由于某些酶的活性被抑制所引起的。 1.酶促反应的特点 酶是生物催化剂,因而它既有与一般催化剂相同的性质,也有与一般催化剂不同的特 点。酶和一般催化剂的共同点是:①酶在催化反应加快进行时,在反应前后酶本身没有数 量和性质上的改变,因而很少量的酶就可催化大量的物质发生反应。②酶只能催化热力学 上允许进行的反应,而不能使本来不能进行的反应发生。③酶只能使反应加快达到平衡, 而不能改变达到平衡时反应物和产物的浓度。因此,酶既能加快正反应进行,也能加快逆 反应进行。酶促反应究竟朝哪个方向进行,取决于反应物和产物的浓度。酶与一般的催化 剂相比又有其特点,最突出的是它的高效性和专一性。 2.酶的化学本质 通过对酶的性质、组成和结构等等方面的研究证实,酶是蛋白质(也有 RNA) 。蛋白 质分为简单蛋白质和结合蛋白质两大类。酶按照化学组成也可分为单纯酶和结合酶两大 类。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于简单蛋白质,这些酶只由氨基酸组 成,此外不含其他成分。转氨酶、碳酸酐酶、乳酸脱氢酶及其他氧化还原酶等均属于结合 蛋白质。这些酶除了蛋白质组分外,还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质,前者称酶蛋 白,后者称辅因子。酶蛋白与辅因子单独存在时,均无催化活力,只有二者结合成完整的 分子时,才具有活力。此完整的酶分子称为全酶(全酶=酶蛋白十辅因子) 。有的酶的辅 因子是金属离子,有的是小分子有机化合物。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅 基。 辅酶或辅基并没有本质的差别, 只不过是它们与蛋白质部分结合的牢固程度不同而已。 通常把与酶蛋白结合比较松的,用透析法可除去的小分子有机物称为辅酶;反之为辅基。 在酶的催化过程中,辅酶或辅基的作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促 进整个催化过程。金属在酶分子中或作为酶活性部位的组成成分,或帮助形成酶活性所必 需的构象。一种辅酶常可与多种不同的酶蛋白结合而组成具有不同专一性的全酶。可见决 定酶催化专一性的是酶的蛋白质部分。 3.酶的活性中心和必需基团 酶作为蛋白质,其分子比大多数底物要大得多,因此在反应过程中酶与底物的接触只 限于酶分子的少数基团或较小的部位。因分子中虽然有许多基团,但并不是所有的基团都 与酶的活性有关,其中有些基团若经化学修饰(如氧化、还原、酰化、烷化等)使其改变, 则酶的活性丧失,这些基团就称为必需基团。常见的必需基团有 Ser 的羟基,His 的咪唑
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基,Cys 的巯基,Asp、Glu 的侧链羧基等。 活性中心(或称活性部位)是指酶分子中直接和底物结合,并和酶催化作用直接有关 的部位。对于单纯酶来说,它是由一些氨基酸残基的侧链基团组成的。对于结合酶来说, 辅酶或辅基上的某一部分结构往往也是活性部位的组成部分。 酶的活性中心的必需基团可分为两种:一种是与作用物结合的必需基团,称为结合基 团,它决定酶的专一性;另一种是促进作用物发生化学变化的基团,称为催化基团,它决 定酶的催化能力。但也有些必需基团同时具有这两种作用。另外还有些必需基团位于酶活 性中心以外的部位,但仍是维持酶催化作用所必需的,这种称为酶活性中心以外的必需基 团。由此可见,酶除了活性中心以外,其他部分并不是可有可无的。活性中心必需基团的 作用,一方面使底物与酶依一定构型而结合成为复合物,这样有利于相互影响和作用;另 一方面影响底物分子某些键的稳定性,键被打断或形成新的键,从而催化其转变。 某些酶,特别是一些与消化作用有关的酶,在最初合成和分泌时,没有催化活性,这 种没有活性的酶的前体称为“酶原” 。酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变为有活 性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。这个过程实质上是酶活性部位形成或暴露 的过程。 4,酶的催化机理 一个反应体系中,任何反应物分子都有进行化学反应的可能,但并非全部反应物分子 都进行反应。因为在反应体系中各个反应物分子所含的能量高低不同,只有那些含能量达 到或超过一定数值(此能量数值称为此反应的能阈)的分子,才能发生反应,这些分子称 为活化分子,使一般分子变为活化分子所需的能量(即分子激活态与基态之间的能量差) 称为活化能。在一个反应体系中,活化分子越多,反应就越快,设法增加活化分子的数目 就能加快反应的速度。降低活化能,能使本来不够活化水平的分子也成为活化分子,从而 增加了活化分子的数目。活化能愈降低,则活化分子的数目就愈多。酶的催化作用就是降 低化学反应的活化能,如下图图所示。由于在催化反应中只需较少的能量就可使反应物进 入“激活态” ,所以同非催化反应相比,活化分子的数量大大增加,从而加快了反应速度。

非催化过程与催化过程自由能的变化 第 11 页 共 29 页

目前认为酶降低活化能的原因在于酶参与了反应,即它先与底物结合形成不稳定的中 间产物,然后使中间产物再分解,释放出酶及生成反应产物。此过程可用下式表示:

这样,把原来无酶参加的一步反应 S===P(能阈较高) ,变成能阈较低的两步反应(S +E===ES 和 ES===E+P) 。反应的总结果是相同的,但由于反应的过程不同,活化能就 大大降低了。这就是目前所公认的中间产物学说。关于酶与底物如何结合形成中间产物, 又如何完成催化作用,目前有锁钥学说和诱导契合学说。 5.影响酶作用的因素 影响酶促反应的因素有酶的浓度、底物浓度、pH 值、温度、抑制剂和激活剂等。酶促 反应速度指的是反应初速度,此时反应速度与酶的浓度成正比关系,避免反应产物以及其 他因素的影响。研究某一因素对酶促反应速度的影响时,在保持 其他因素不变的情况下,单独改变研究的因素。 (1)酶的浓度;当底物浓度大大超过酶的浓度,酶的浓度与 反应速度呈正比关系(见右图所示) 。 (2)底物浓度:在酶浓度不变的情况下,底物浓度对反应速 度影响的作图呈现矩形双曲线 (见右图所示) 。 当底物浓度很低时, 反应速度随底物浓度的增加而急骤加快,两者呈正比关系。随着 底物浓度的升高,反应速度的增加幅度不断下降。如果继续加大 底物浓度,其反应速度不再增加,说明酶已被底物所饱和。所有 酶都有饱和现象,只是达到饱和时所需的底物浓度各不相同。 (3)温度:在一定的温度范围内一般化学反应速度均随温度升高而加快,酶促反应 也服从这个规律。酶是蛋白质,其本身因温度升高而达到一定高度时会变性,破坏其活性 中心的结构,从而减低反应速度或完全失去其催化活性。在某一温度时,酶促反应的速度 最大,此时的温度称为酶作用的最适温度。 (4)pH:酶分子中含有许多极性基团,在不同的 pH 环境中,这些基团的解离状态 不同,所带电荷的种类和数量也不尽相同,酶的活性中心往往只处于某一解离状态时最有 利于同底物结合。酶催化活性最大时的 pH 值称为酶作用的最适 pH。溶液的 pH 值高于或 低于最适 pH 时都会使酶的活性降低,远离最适 pH 值时甚至导致酶的变性失活。 - (5)激活剂和抑制剂:激活剂是指能增强酶活性的物质,如 Cl 是唾液淀粉酶的激活 剂。与激活剂相反,凡能降低酶的活性,甚至使酶完全丧失活性的物质称为酶的抑制剂。 抑制剂对酶活性的抑制作用包括不可逆抑制和可逆抑制两类: ①不可逆抑制作用,其抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合,使酶 失活。如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合,使酶失活。 ②可逆的抑制作用:包括竞争性抑制与非竞争性抑制两种。在竞争性抑制中,抑制剂 常与底物的结构相似,它与底物共同竞争酶的活性中心,从而阻碍底物与酶的结合,如丙
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二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。非竞争性抑制中的抑制剂可以与酶活性中心外的部位可逆结 合,这种结合不影响酶对底物的结合。底物与抑制剂之间无竞争关系,但酶一底物一抑制 剂不能进一步释放出产物。对酶促反应速度及其影响因素的研究具有重要的理论和实践意 义。 (四)生物氧化 生物体需要的能量主要是通过代谢物在体内氧化而获得的。物质在生物体内经过氧化 最后生成水和 CO2 并释放能量的过程,称为生物氧化,由于这一过程是在组织细胞内进行 的,表现为细胞摄取 O2 而释放 CO2,因此生物氧化又称为组织呼吸或细胞呼吸。虽然糖、 脂肪及蛋白质等在体内外氧化分解,都产生水和 CO2,并释放出等量的能量,但生物氧化 与燃烧的过程有显著不同:生物氧化反应是在温和的条件下进行的酶促反应,所释放的能 量,有一部分以化学能的形式储存在 ATP 分子中。 1.生物氧化的方式和酶类 (1)生物氧化中二氧化碳生成的方式 生物体内二氧化碳的生成并不是物质中所含的碳、 氧原子的直接化合, 而是来源于糖、 脂肪等转变来的有机酸的脱羧。根据脱去二氧化碳的羧基在有机酸分子中的位置,可将脱 羧反应分为α –脱羧与β –脱羧两种类型。有些脱羧反应不伴有氧化,称为单 纯脱羧; 有些则伴有氧化,称为氧化脱羧。例如苹果酸的氧化脱羧:

(2)生物氧化中物质氧化的方式 在化学反应中,失电子、脱氢、加氧都属于氧化;得电子、加氢、脱氧都属于还原。 这种变化规律,无论在体内或体外,都是一样的。不同的是,体内氧化都是酶促反应。常 见的氧化类型有脱电子、脱氢、加水脱氢和加氧反应。生物体内并不存在游离的电子或氢 原子,在上述氧化反应中脱下的电子或氢原子必须为另一物质所接受。这种既能接受又能 供出电子或氢原子的物质称为递电子体或递氢体。 (3)与生物氧化有关的酶类 ①氧化酶类:能直接利用氧分子作为受氢体,其中氧化酶含铜,反应产物是水,如细 胞色素氧化酶。 ②需氧脱氢酶类:通常以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅基,反应产物为过氧化氢。 习惯上有时将需氧脱氢酶不严格地称为氧化酶,如黄嘌呤氧化酶。 ③不需氧脱氢酶:不能以氧分子而只能以体内某些辅酶为直接受氢体,这些辅酶包括 + + 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP ) 、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD ) 、黄素单核 苷酸(FMN)或黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等。 2.生物氧化中水的生成
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生物氧化中水的生成,即代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所组成的连锁反 应,逐步传递,使之最终与氧结合生成水。由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的此 连锁反应与细胞摄取氧的呼吸过程有关,通常称为呼吸链。 (1)呼吸链的组成 呼吸链由许多个组分组成,参加呼吸链的氧化还原酶有尼克酰胺脱氢酶类、黄素脱氢 酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶 Q 类等。 + + ①尼克酰胺脱氢酶类:以 NAD 、NADP 为辅酶,它们能够可逆地加氢还原、脱氢氧 化,故可作为递氢体而起作用。尼克酰胺只能接受一个氢原子和一个电子,而另一个质子 则留在介质中(如下图所示) 。

②黄素脱氢酶类:其辅基为 FMN、FAD,其分子中都含有异咯嗪。异咯嗪的 1 和 5 位的两个氮原子都可以进行脱氢和加氢反应,故它们都可作为递氢体(如下图所示) 。

③铁硫蛋白类:其分子中含非卟啉铁和对酸不稳定的硫,其作用是借铁的变价进行电 子传递: + + Fe3 +e===Fe2 因其分子中含有两个活泼的硫和两个铁原子,故称铁硫中心。 ④辅酶 Q 类: 此类酶是一种脂溶性的酯类化合物, 因广泛存在于生物界, 故又名泛醌。 其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物,故属于传氢体。 ⑤细胞色素类:细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质,在呼吸链中,也依靠铁的 化合价的变化而传送电子。目前发现的细胞色素有多种,包括 a,a3,b,c,c1 等。不同种 类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。在典型的线粒体呼吸链中,其 顺序是 b→c1→c→aa3→O2,其中仅最后一个 a3 可被氧分子直接氧化,但目前还不能把 a 和 a3 分开,故把 a 和 a3 合称为细胞色素氧化酶。除 aa3 外,其余的细胞色素中的铁原子均 与其外卟啉环和蛋白质形成六个配位健,惟有 aa3 的铁原子形成五个配位键,还保留一个 - 配位键,能 O2、CO、CN 等结合,其正常功能是与氧结合。 (2)呼吸链中传递体的排列顺序 呼吸链中传递体的排列顺序是根据下列实验数据确定的:
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① 根据呼吸键各组分的标准氧化还原电位,按氧还电位递增的顺序依次排列; ② 利用阻断呼吸键的特殊抑制剂,阻断链中某些特定的电子传递环节。若加入某种 抑制剂后,则在阻断环节的负电子性侧速电子体(递氢体)因不能再氧化而大多处于还原 状态,但在阻断环节的正电子性侧递氢、送电子体不能被还原而大多处于氧化状态。现已 基本确定的两条主要的呼吸链中各传递体的排列顺序如下: (1)NADH 氧化呼吸键(如下图所示) 。

(2)琥珀酸氢化呼吸链(如下图所示) 。

(3)胞液中 NADH 及 NADPH 的氧化 NADH 必须通过线粒体内膜上的呼吸链,其中的氢才能被氧化成水,但是在胞液中形 成的 NADH(见糖代谢)不能透过正常线粒体内膜,因此线粒体外的 NADH 尚需通过穿 梭系统才能将氢带入线粒体内,而后进行氧化。现已证明,动物体内有下列两种主要的穿 梭系统。 ①苹果酸穿梭系统(如下图所示) 。

苹果酸穿梭系统 ①苹果酸脱氢酶;②谷草转氨酶;①~④线粒体内膜上的不同转位酶

②α –磷酸甘油穿梭系统(如下图所示) 。

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α –磷酸甘油穿梭系统 ①胞液中α –磷酸甘油脱氢酶(辅酶为 NAD ) ②线粒体内α –磷酸甘油脱氢酶(输基为 FAD)


3.ATP 与能量的转换和利用 生物体需要利用生物氧化过程中所释放的能量维持生命活动。生物氧化所释放的一部 分能量以热能形式散发于周围环境中,约占总能量的 60%左右;另一部分则以化学能的形 式储存于某些特殊类型的有机磷酸化合物之中。 (1)高能磷酸化合物的生成 在物质氧化过程中大约有 40%能量用于 ADP 的磷酸化合成 ATP, 该过程有两种方式: 一是直接由代谢物分子转移磷酸键至 ADP,以合成 ATP,即所谓底物水平磷酸化;二是在 呼吸键的电子传递过程中偶联的磷酸化,称氧化磷酸化或电子传递水平磷酸化。 (2)氧化磷酸化的偶联部位 根据下述实验数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位,即 ATP 的生成部位。 ①P/O 比值测定及意义:研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的 P/O 比值。 该比值是指每消耗一摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数,即合成 ATP 的摩尔数。 代谢物脱 下的一对氢原子通过 NADH 呼吸链传递,P/O 比值为 3;若通过琥珀酸呼吸链传递,P /O 比值为 2,即分别合成了 3 或 2 摩尔 ATP。 ②根据氧化还原电位之间的电位差计算能量:呼吸链中的三个偶联部位,亦可根据呼 吸链传递过程中自由能的变化计算求得,三个 ATP 分子的形成截获了呼吸链中电子由 NADH 传递到氧所产生的全部自由能的 42%。 (3)氧化磷酸化的抑制作用 ①呼吸链阻断剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递阻断剂或呼 吸键阻断剂。已知的阻断剂及阻断部。如下图所示。

②解偶联剂:解偶联剂对于电子传递没有抑制作用,只抑制由 ADP 变为 ATP 的磷酸 化作用,即它使产能过程与贮能过程相脱离。2,4–二硝基苯酚是最早发现的一种解偶联 剂。
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磷酸肌酸是动物体内高能磷酸化合物的贮存形式。在酶的催化下,ATP 把高能磷酸键 传递给肌酸,以生成磷酸肌酸。当肌肉收缩时,除 ATP 直接分解供能外,磷酸肌酸又可以 转出高能磷酸键,使 ADP 生成 ATP,供组织利用。

第七章
二、典型例题

生物化学

例 1 请用最简便的方法,鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉。 分析 鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉最简便的方法是显色法。首先在这五种 糖中各加入适量碘液,只有淀粉变蓝色,其余四糖不变色。然后在除淀粉外的四糖中分别 加适量的盐酸和间苯二酚,核糖呈绿色,葡萄糖呈淡红色,果糖呈红色,而蔗糖不变色。 这一下可鉴别出核糖和蔗糖。再在葡萄糖和果糖中分别加入几滴清水,由于葡萄糖具有还 原性而使溴水褪色, 果糖无还原性, 不能使溴水褪色, 从而就能达到区分这两种糖的目的。 【参考答案】 鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉的最简便方法。

例 2 根据蛋白质的有关知识回答下列问题: (1)氨基酸的极性由什么决定?组成蛋白质的 20 种氨基酸中具有极性的氨基酸有多 少种? (2)组成蛋白质的氨基酸中,哪一种不能参与形成真正的肽键?为什么。 (3)什么是蛋白质的等电点(pI)?为什么说在等电点时蛋白质的溶解度最低? 分析 (1)氨基酸的极性由其侧链基