正常人体生物化学基础思维导图
U423061509
2023-01-06
生物
蛋白质的结构和功能
核酸的结构和功能
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蛋白质的结构和功能
蛋白质的分子组成
蛋白质基本概念
1.蛋白质是有许多氨基酸通过肽键相连形成高分子含氮化合物
2.主要元素有:碳，氢，氧，氮，硫
3.凯氏定氮法：Pr=6.25N
L-α-氨基酸的基本结构单位
1.氨基酸分为L型和D型，除谷氨酸外全部是L型氨基酸
氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
1.非极性脂肪族氨基酸：甘氨酸，丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，脯氨酸，甲硫氨酸（甲携一两饼干腹泻）
2.极性中性氨基酸：丝氨酸，半胱氨酸，天冬氨酸，谷氨酰胺，苏氨酸（苏姑娘撕了半天）
3.芳香族氨基酸：苯丙氨酸，色氨酸，酪氨酸(芳香老本色）
4.酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸（酸谷天）
5.碱性氨基酸：精氨酸，赖氨酸，组氨酸（捡来精组）
碱性氨基酸的侧链分别含有氨基，胍基或咪唑基
氨基酸具有共同或特异的理化性质
1.两性解离性质：在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH称为该氨基酸的等电点
PH<PI 阳
PH>PI 阴
2.含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质
含共轭双键的色氨酸，酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近
3.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，是氨基酸定量分析的方法
氨基酸通过肽键连接而形成的蛋白质或肽
1.2-20个氨基酸相连形成的肽称为寡肽
2.20-50个氨基酸相连形成的肽称为多肽
3.50以上个氨基酸残基相连形成的称为蛋白质
生物活性肽具有生理活性及多样性
1.谷胱甘肽
由谷氨酸，半胱氨酸，甘氨酸组成的三肽
作用：a.保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化 b.嗜核性，阻断毒物与DNA,RNA或蛋白质结合，保护机体免遭毒物侵害
临床上可以减少放化疗毒性，护肝，解毒
2.多肽类激素及神经肽
蛋白质的分子结构
四个结构层次
一级，二级，三级，四级（后三个统称为高级结构）
由一条肽链形成的蛋白质只有一级，二级，三级结构
有两条或两条以上肽链形成的蛋白质才有四级结构
氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构（肽键，二硫键)
意义
1.一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础
2.一级结构相似的蛋白质，空间构象与功能相似，提供重要的生物遗传信息
多肽链的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构(氢键)
二级结构是某一段肽链的局部空间结构，不涉及氨基酸残基侧链
α-螺旋
1.常见的二级结构
2.具有两性特点，可以在极性或非极性环境中存在
3.右手螺旋，螺距0.54，一圈包含3.6个氨基酸残基，氢键与长轴平行，氨基酸侧链在外侧，肽链在内测
β-折叠
使多肽链形成片层结构，锯齿状结构
β-转角
180度转角，第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢可形成氢键，第二个残基常为脯氨酸
欧米伽环
只存在于球状蛋白
结构模体
由两个及两个以上二级结构肽段组成
在许多蛋白质分子中，由两个或两个以上具有二级结构的肽段在空间上相互靠近，形成有规则的二级结构组合，称为超二级结构
类型：αα，βαβ，ββ，亮氨酸拉链，钙结合蛋白中接合钙离子的模体，锌指结构
多肽链进一步折叠成蛋白质三级结构（疏水作用，盐键，氢键，范德华力）
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
结构域
分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能
分子伴侣
作用
1.提供保护环境，加速蛋白质折叠成天然构象
2.与未折叠肽段结合后松开使其正确折叠
3.与错误聚集的肽段结合诱导正确折叠
4.对二硫键的正确形成起重要作用
含两条以上的多肽链的蛋白质可具有四级结构（氢键，离子键）
体内蛋白质含有两条或两条以上多肽链，每一条称为亚基，各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为四级结构
蛋白质可依其组成，结构或功能进行分类
结合蛋白质中的非蛋白质部分称为辅基，绝大部分辅基通过共价键方式与蛋白质结合
蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的主要功能
1.构成细胞和生物体结构
2.物质运输
3.催化功能
4.信息交流
5.免疫功能
6.氧化供能
7.维持机体酸碱平衡
8.维持正常的血浆渗透压
蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
氨基酸序列和生物进化信息
氨基酸序列改变可引起疾病
镰刀型贫血症
蛋白质的功能依赖特定空间结构
蛋白质构象改变可引起疾病
人纹状体脊髓变性病
亨廷顿病
阿尔兹海默症
疯牛病
朊病毒蛋白：一级结构与正常相同，但二级结构由α-螺旋变为β-折叠
蛋白质的理化性质
两性电离性质
胶体性质
表面电荷
水化膜
变性与复性
变性特点
1.溶解度降低
2.粘度增加
3.结晶能力消失
4.生物学活性丧失
5.易被蛋白酶水解
复性
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。并非所有蛋白都可以复性
变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白沉淀但不一定变性。
蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收
280nm
蛋白质定量测定
呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
茚三酮反应
双缩脲反应
紫色越深，水解程度越小
分支主题 2
酶的基本概念
活细胞产生，对底物有高效催化作用和高度特异性的蛋白质，少数为RNA
酶的分子结构与功能
按分子组成分为两类
单纯酶
水解仅有氨基酸组分
结合酶
由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成，蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅因子（常为金属离子或维生素）
辅因子与酶蛋白结合的紧密程度和作用特点可分为
辅酶
结构疏松，透析可分开
辅基
结构牢固，透析不可分开
金属离子是最为常见辅因子
作用
参与催化反应
连接酶与底物的桥梁
中和电荷，减小静电斥力
稳定酶的空间构象
酶蛋白决定反应特异性，辅助因子决定反应类型
酶蛋白和辅因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才具有催化作用
酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
酶有三大必需基团，结合基团和催化基团在活性中心内，维持空间构象的基团在活性中心外
同工酶催化相同的化学反应
同工酶是指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构，理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶
同工酶虽然一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似
酶的工作原理
酶具有不用于一般催化剂的显著特点
对底物有极高的催化效率
对底物具有高度的特异性
绝对特异性
酶只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
相对特异性
作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物
酶具有可调节性
酶具有不稳定性
酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
酶与底物结合形成中间产物
诱导契合作用使酶与底物密切结合
邻近效应与定向排列使各底物正确定位于酶的活性中心
表面效应使底物分子去溶剂化
酶的催化机制呈现多元催化作用
酶促反应动力学
底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
米氏方程：V=Vmax*S/Km+S
Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度
Km是酶的特征性常数
Km在一定条件下表示酶对底物的亲和力，二者成反比
底物足够时对酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
温度对酶促反应速率的影响具有双重性
PH通过改变酶及底物分子的解离状态影响酶促进反应速率
抑制剂可降低酶促反应速率
不可逆性抑制剂于酶共价结合
有机磷农药与胆碱酯酶
重金属离子与巯基酶分子
可逆性抑制剂与酶非共价结合
竞争性抑制剂
竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物形成中间产物
Vmax不变，Km上升
丙二酸对琥珀酸脱氢酶
磺胺类药物的抑菌机制
非竞争性抑制剂
结合活性中心之外的调节位点，抑制剂-酶-底物复合物不能进一步释放产物
Vamx下降，Km不变
亮氨酸对精氨酸酶的抑制
毒毛花苷G对细胞膜钠离子
麦芽糖对α-淀粉酶的抑制
反竞争性抑制
结合位点有底物诱导产生，抑制剂仅与酶-底物复合物结合，是中间产物的量下降
Vman下降，Km下降
苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制
激活剂提高酶促反应速率
激活剂大多为金属离子
酶的调节
酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性
酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
甲基化与去甲基化
乙酰化与去乙酰化
腺苷化与去腺苷化
SH与S-S的互化
酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
酶活性的酶的前体称作酶原
酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用
酶原激活实际是酶活性中心形成或暴露的过程
酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
酶蛋白合成可被诱导或阻遏
酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
酶的分类与命名
根据催化类型
1.氧化还原酶类
2.转移酶类
3.水解酶类
4.裂合酶类
5.异构酶类
6.连接酶类
酶在医学中的应用
酶诊断疾病
酶治疗疾病
核酸的结构和功能
核酸的化学组成以及一级结构
核酸基本概念
核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，可分为脱氧核糖核苷酸(DNA)和核糖核苷酸（RNA）。DNA存在于细胞核和线粒体，RNA存在于细胞质，细胞核和线粒体。
核糖和碱基构成核苷，磷酸和核苷构成基本单位——核苷酸
核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
碱基
碱基是含氮化合物，可分为两种
嘌呤：A,G
嘧啶:C,U,T
A,G,C是DNA,RNA共有的，T为DNA独有，U为RNA独有。
不同生物DNA碱基组成不同，同一生物不同组织碱基组成不同
核糖
核糖
构成RNA
脱氧核糖
构成DNA
磷酸基团
DNA是脱氧核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合而成的线性大分子
3'端的OH连接5'端的磷酸，DNA链具有5'-3'的方向性
RNA是核糖核苷酸通过3'-5'磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
具有5'-3'的方向性
核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
把RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸从5'-3'的排列顺序定义为核酸的一级结构
长度短于50个核苷酸的核酸片段常被称为寡核苷酸
DNA的空间结构与功能
DNA的二级结构是双螺旋结构
1.DNA双螺旋结构是实验基础
Chargaff规则：A与T,C与G
沃森，克里克发现DNA双螺旋结构
1.反向平行
2.碱基互补配对原则(Chargaff规则）
3.脱氧核糖和磷酸基团构成亲水骨架位于双螺旋外侧，碱基位于内侧。氢键横向和碱基堆积力纵向维持双螺旋结构和稳定
DNA双螺旋结构的多样性
左手螺旋（Z型） 右手螺旋（A型，B型）
直径2.37nm，碱基对平面距离0.34nm螺距3.54nm一圈10.5对碱基
DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
DNA双链需要形成一种超螺旋结构，当盘绕方向与DNA双螺旋方向相同时，称为正超螺旋，反之称为负超螺旋（自然界中主要存在形式）
封闭环状的DNA具有超螺旋结构
绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子。在细胞内经进一步盘绕后，形成类核（由DNA和蛋白质组成）
真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
超螺旋——核小体——染色体
子主题 1
DNA是主要遗传物质
RNA的空间结构和功能
RNA是DNA的转录产物
编码RNA
信使RNA（mRNA)
丰度最小，种类最多，寿命最短，含量约2-5%
mRNA的5'端有帽结构，3'端有多聚腺苷酸尾，共同维持mRNA的稳定，调控翻译过程，真核有尾，原核无尾。
真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列，一条成熟的真核mRNA包括5'-非翻译区，编码区和3'-非翻译区
蛋白质合成的模板
转运RNA（tRNA)
分子量最小，含有稀有碱基，含量约15%
含多种稀有碱基，比如双氢尿嘧啶（DHU）
特定的空间结构，三环一柄结构。二级结构为三叶草，三级结构倒L型
3'端连氨基酸，反密码子环可识别mRNA上的密码子
运输氨基酸
核糖体RNA（rRNA）
种类少，含量最多约80%
与不同的蛋白质结合形成核糖体大亚基，核糖体小亚基
真核生物：60大亚基，40小亚基，5.8s，28s，5s，18s。前三个是大，后一个是小。
非编码RNA
1.核小RNA(SnRNA）
参与hnRNA内含子的剪切
2.SiRNA
降解外源mRNA，维持基因组稳定
3.胞质小RNA（ScRNA)
蛋白质内质网定位合成，信号识别体的组成
4.microRNA
与mRNA结合，抑制或降解mRNA，调控生长发育
5.sonRNA
核仁中参与rRNA加工修饰
6.催化RNA
催化特定RNA降解，参与RNA的剪接修饰
7.piRNA
调控基因
8.lnRNA(长非编码RNA）
协助基因调控
9.cricRNA
结合miRNA，解除基因抑制，升高基因表达水平
核酸的理化性质
核酸具有强烈的紫外吸收260nm
DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
本质：双链间氢键断裂，空间结构破坏，核苷酸序列不受影响
增色效应
260nm处的吸光值变大，粘度下降，生物活性丧失。
熔解温度（Tm）与CG的含量有关，含量越高，Tm越高。离子强度越高，Tm越高。DNA长度越长，Tm越高。Tm越高，均质DNA的Tm变化范围越窄。
变性的核酸可以复性或形成杂交双链
复性
把变性条件缓慢去除，可重新形成双螺旋结构
DNA片段越大，复性越慢。浓度越大，复性越快。
杂化双链
将不同种类的DNA单链或RNA单链混合在同一溶液中，只要这两种核酸单链间存在着一定程度的碱基互补关系，就可能形成
核苷酸代谢
核苷酸代谢概述
核苷酸具有多种生物学功能
1.作为核酸合成的原料
2.体内能量的利用形式
3.参与代谢和生理调节
4.组成辅酶
5.活化中心代谢物
核苷酸经核酸酶水解后可被吸收
核酸酶
核酸酶是所有可以水解核酸的酶
核酸酶有单链酶和双链酶
分为核酸内切酶和核酸外切酶
核酸内切酶
切内部的磷酸二酯键
核酸外切酶
切末端的磷酸二酯键
核酸的消化和吸收
核苷酸代谢包括合成和分解代谢
碱基组成
嘌呤核苷酸
产物为水溶性较差的尿酸
嘧啶核苷酸
产物为易溶于水的NH3，CO2,以及β-丙氨酸
代谢方式
从头合成
利用氨基酸，一碳单位，CO2，等新合成含氮的杂环
补救合成
体内游离碱基
嘌呤核苷酸的合成与分解代谢
合成
从头合成
除某些细菌外，几乎所有生物都可以合成嘌呤碱，在细胞质中进行
部位：肝，小肠粘膜和胸腺
最先生成IMP（次黄嘌呤核苷酸)然后在转变为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸
补救合成
部位:脑，骨髓
参与的酶：腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT），次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）
意义
节省能量和氨基酸的消耗
体内某些器官由于缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶的体系，只能进行补救合成
缺乏HGPRT
自毁容貌综合征
代谢
嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤，氨基酸或叶酸类似物
最终产物是尿酸
嘧啶核苷酸的合成与分解代谢
合成
从头合成
部位：肝
氨基乙酰磷酸
OMP
UMP
UDP
UTP
CTP
dUDP
DUMP
TMP
参与的酶：氨基甲酰磷酸合成酶②
补救合成
参与的酶：嘧啶磷酸核糖转移酶
抗代谢物是嘧啶，氨基酸或叶酸类似物
分解
C,U
产物：β-丙氨酸，NH3,CO2
T
产物：β-氨基异丁酸，NH3,CO2
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