生物化学总结

2020-03-02 19:33:45 来源：范文大全收藏下载本文

生物化学（biochemistry）是研究生命化学的科学，它在分子水平上探讨生命的本质，即研究生物体的分子结构与功能，物质代谢与调节，遗传信息的传递与调控，及其在生命活动中的作用。

人们通常将研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控的内容，称为分子生物学。所以分子生物学是生物化学的重要组成部分。

一、生物化学发展简史

1．初期阶段(18世纪—20世记初) 生物化学的研究始于18世纪，但作为一门独立的科学是在20世纪初期。主要研究生物体的化学组成。

2．蓬勃发展阶段（从20世记初—20世记中期）

主要在营养学，内分泌学，酶学，物质代谢及其调控等方面取得了重大进展。 3．分子生物学发展阶段（从20世纪中期至今）

主要有物质代谢途径的研究继续发展，重点进入代谢调节与合成代谢的研究。

另外，显著特征是分子生物学的崛起。DAN双螺旋结构模型的提出，遗传密码的破译，重组DNA技术的建立等。

20世纪末始动的人类基因组计划（human genome project）是人类生命科学中的又一伟大创举。

以基因编码蛋白质的结构与功能为重点之一的功能基因组研究已迅速崛起。当前出现的的蛋白质组学（proteomics）领域。

阐明人类基因组功能是一项多学科的任务，因而产生了一门前景广阔的新兴学科-----生物信息学（bioinformatics）。

我国科学家对生物化学的发展做出了重大的贡献。

二、生物化学研究的主要内容 1．生物分子的结构与功能 2．物质代谢及其调节 3．基因信息传递及其调控

三、生物化学与医学

生物化学是一门重要的医学基础课，与医学有着紧密的联系。

生物大分子通常都有一定的分子结构规律，即由一定的基本结构单位，按一定的排列顺序和连接方式而形成的多聚体。蛋白质和核酸是体内主要的生物大分子，各自有其结构特征，并分别行使不同的生理功能。

酶是一类重要的蛋白质分子，是生物体内的催化剂。

本篇将介绍蛋白质的结构、功能；核酸的结核与功能；酶等三章。重点掌握上述生物大分子物质的结构特性，重要功能及基本的理化性质与应用，这对理解生命的本质具有重要意义。蛋白质是生物体含量最丰富的生物大分子物质，约占人体固体成分的45%，且分布广泛，所有细胞、组织都含有蛋白质。生物体结构越复杂，蛋白质的种类和功能也越繁多。蛋白质也是机体的功能分子（working molecules）。它参与机体的一切生理活动，机体的各种生理功能几乎都是通过蛋白质来完成的，而且在其中起着关键作用，所以蛋白质是生命的物质基础。

第一节蛋白质的分子组成 Conformation of Protein Molecules

一、蛋白质的元素组成

组成蛋白质的元素除含有碳、氢、氧外都含有氮。有些蛋白质还含有少量硫、磷、铁、锰、锌、铜、碘等。

大多数蛋白质含氮量比较接近，平均为16%，这是蛋白质元素组成的一个特点。蛋白质的元素组成中含有氮，是碳水化物、脂肪在营养上不能替代蛋白质的原因。

二、氨基酸

氨基酸（amino acid）是组成蛋白质的基本单位。组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。其化学结构式有一个共同特点，即在连接羧基的α碳原子上还有一个氨基，故称α氨基酸(除甘氨酸外)。

（一）氨基酸的结构

组成人体蛋白质的20种氨基酸，各种氨基酸在结构上有下列特点。

1．组成蛋白质的氨基酸，除甘氨酸外，均属L-α-氨基酸。 2．不同的L-α-氨基酸，其侧链（R）不同。

（二）氨基酸的分类

根据氨基酸侧链R基团的结构和性质，可将20种氨基酸分成四类。 1.非极性疏水性氨基酸 2．极性中性氨基 3．酸性氨基酸 4．碱性氨基酸

在蛋白质的修饰过程中，蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。

（三）氨基酸的理化性质

1.两性解离及等电点：所有氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性。

2.紫外吸收性质根据氨基酸的吸收光谱，含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近。

3.茚三酮反应：可作为氨基酸定量分析方法。

三、肽（peptides）㈠肽(peptide) 在蛋白质分子中由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基脱水生成的键称为肽键（peptide bond）。肽键是蛋白质分子中基本的化学键。如由二个氨基酸以肽键相连形成的肽称为二肽，相互之间以肽键相连。二肽还可通过肽键与另一分子氨基酸相连生成三肽。此反应可继续进行，依次生成四肽、五肽„„。由10个以内的氨基酸由肽键相连生成的肽称为寡肽（oligopeptide），由更多的氨基酸借肽键相连生成的肽称为多肽（polypeptide）。多肽是链状化合物，故称多肽链（polypeptide chain）。多肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，故称为氨基酸残基（residue）。多肽链中形成肽键的4个原子和两侧的α-碳原子成为多肽链的骨架或主链。构成多肽链骨架或主链的原子称为主链原子或骨架原子，而余下的R基团部分，称为侧链。多肽链的左端有自由氨基称为氨基末端（aminoterminal）或N-端，右端有自由羧基称为羧基末端（carboxylterminal）或C-端。把含有51个氨基酸残基、分子量为5733的胰岛素称作蛋白质。这似乎是习惯上的多肽与蛋白质的分界线。㈡生物活性肽 ⒈谷胱甘肽(glutathione, GSH) GSH是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般不同，由谷氨酸γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成，分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。

⒉多肽类激素及神经肽

第二节蛋白质的分子结构

Molecular Structure of Protein

人体的蛋白质分子是由20种氨基酸借肽键相连形成的生物大分子。每种蛋白质都有其一定的氨基酸组成及氨基酸排列顺序，以及肽链特定的空间排布。从而体现了蛋白质的特性，是每种蛋白质具有独特生理功能的结构基础。蛋白质分子结构分成一级结构、二级结构、三级结构、四级结构4个层次，后三者统称为空间结构、高级结构或空间构象（conformation）。蛋白质的空间结构涵盖了蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置，它们是蛋白质特有性质和功能的结构基础。由一条肽链形成的蛋白质只有一级结构、二级结构和三级结构，由二条或二条以上肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构（primary structure）。肽键是一级结构的主要化学键。有些蛋白质还包含二硫键，即由两个半胱氨酸巯基脱氢氧化而成。

目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增长。国际互联网有若干重要的蛋白质数据库（updated protein databases），收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料,为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。

二、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构（secandary structure）是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。

（一）肽单元

构成肽键的4个原子和与其相邻的两个α碳原子（Cα）构成一个肽单元（peptide unit）。由于参与肽单元的6个原子——Cα

1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面，故又称为肽平面。

（二）α-螺旋

α-螺旋（α-helix）：蛋白质分子中多个肽单元通过氨基酸α-碳原子的旋转，使多肽链的主链围绕中心轴呈有规律的螺旋上升，盘旋成稳定的α-螺旋构象。α螺旋靠氢键维持。若氢键破坏，则α-螺旋构象即遭破坏。

（三）β-折叠（β-pleated sheet）

每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方，氢键是维持β-折叠结构的主要次级键。

（四）β-转角（β-turn）和无规卷曲（random coil）

β-转角伸展的肽链形成180°回折，即U形转角结构。无规卷曲系指没有确定规律性的那部分肽链构象。

（五）模体(motif) 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体。一个模序总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。如在许多钙结合蛋白分子中通常有一个结合钙离子的模序。它由α-螺旋-环-α-螺旋三个肽段组成。锌指结构(zinc finger)也是一个常见的模体例子。此模体由1个α-螺旋和2个反平行的β-折叠三个肽段组成。由于Zn2+可稳固模体中α-螺旋结构，致使此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。可见模体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础。

（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响

蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成α-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。

三、蛋白质的三级结构

(一)蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。

例:Mb（肌红蛋白）是由153个氨基酸残基构成的单条肽链的蛋白质，含有1个血红素辅基。可进行可逆的氧合和脱氧。

蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键——疏水键、离子键（盐键）、氢键和Van der Waals力等。疏水性氨基酸的侧链R基为疏水基团，有避开水，相互聚集而藏于蛋白质分子内部的自然趋势，这种结合力叫疏水键。

（二）结构域

分子量大的蛋白质三级结构常可分割成1个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域(domain)。如纤连蛋白(fibronectin)，它由二条多肽链通过近C-端的两个二硫键相连而成，含有6个结构域，各个结构域分别执行一种功能，有可与细胞、胶原、DNA和肝素等配体结合的结构域。

（三）分子伴侣

除一级结构为决定因素外，蛋白质空间构象的正确形成还需要一类称为分子伴侣(chaperon)的蛋白质参与。分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣广泛地存在于从细菌到人的生物体中，其中有很大一部分被称之为热休克蛋白（heat shock protein）。

四、蛋白质的四级结构

在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链，才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit），这种蛋白质分子中各个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（quaternary structure）。在四级结构中，各个亚基间的结合力主要是氢键和离子键维持四级结构。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功能。亚基分子结构相同,称之为同二聚体(homodimer),若亚基分子结构不同,则称之为异二聚体(heterodimer)。血红蛋白(hemoglobin,Hb)是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体，两种亚基的三级结构颇为相似，且每个亚基都结合有1个血红素（heme）辅基。

五、蛋白质的分类

（一）根据蛋白质组成成分可分成单纯蛋白质和结合蛋白质，单纯蛋白质只含氨基酸；结合蛋白质，除蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分，为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。结合蛋白质中的非蛋白质部分被称为辅基，绝大部分辅基通过共价键方式与蛋白质部分相连。辅基的种类也很广，常见的有色素化合物、寡糖、脂类、磷酸、金属离子甚至分子量较大的核酸。

（二）蛋白质还可根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。第三节蛋白质的结构与功能的关系

Relationship of Protein Structure and Function

一、蛋白质的一级结构与功能的关系

（一）蛋白质的一级结构是空间构象的基础

Anfinsen在研究核糖核酸酶时已发现，蛋白质的功能与其三级结构密切相关，而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的一条多肽链，分子中8个半胱氨酸的巯基构成四对二硫键(Cys26和Cys84, Cys40和Cys95, Cys58和Cys110, Cys65和Cys72)(图1-17A)。进而形成具有一定空间构象的球状蛋白质。用变性剂和还原剂β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏二硫键和次级键，使其空间结构被破坏。但肽键不受影响，一级结构仍保持完整，酶变性失去活性。如用透析方法除去尿素和β-巯基乙醇后，核糖核酸酶又从无序的多肽链卷曲折叠成天然酶的空间结构，酶从变性状态复性，酶的活性又恢复至原来水平。这充分证明，只要其一级结构未被破坏，就可能恢复原来的三级结构，功能依然存在，所以多肽链中氨基酸的排列顺序是蛋白质空间结构的基础。

（二）一级结构与功能的关系

已有大量的实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子结构都由A和B两条链组成，且二硫键的配对和空间构象也极相似，它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。

又例如垂体前叶分泌的促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(α-MSH, β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。

又例存在于生物界的蛋白质如细胞色素C(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。

但有时蛋白质分子中起“关键”作用的氨基酸残基缺失或被替代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。例如正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形贫血患者的血红蛋白中，谷氨酸变成了缬氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，仅此一个氨基酸之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生镰刀形红细胞性贫血（sickle cell anemia）。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称之为“分子病”，其病因为基因突变所致。

二、蛋白质空间结构与功能的关系

体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其发挥特殊的生理功能有着密切的关系。

（一）肌红蛋白和血红蛋白结构

肌红蛋白(myoglubin， Mb)与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁卟啉化合物，它由4个吡咯环通过4个甲炔基相连成为一个环形，Fe2+ 居于环中。从X线衍射法分析获得的肌红蛋白的三维结构中，可见它是一个只有三级结构的单链蛋白质，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部，富极性及电荷的则在分子表面，因此其水溶性较好。Mb分子内部有一个袋形空穴，血红素居于其中。

血红蛋白(hemoglubin，Hb)具有四个亚基组成的四级结构，每个亚基结构中间有一个疏水局部，可结合1个血红素并携带1分子氧，因此一分子Hb共结合4分子氧。成年人红细胞中的Hb主要由两条α肽链和两条β肽链(α2β2)组成，α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。胎儿期主要为α2γ2，胚胎期为α2ε2。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键，使四个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。

（二）血红蛋白的构象变化与结合氧

Hb与Mb一样可逆地与O2结合，氧合Hb占总Hb的百分数(称百分饱和度)随O2浓度变化而变化。图1-22为Hb和Mb的氧解离曲线，前者为S状曲线，后者为直角双曲线。可见，Mb易与O2结合，而Hb与O2的结合在O2分压较低时较难。为什么？根据S形曲线的特征可知，Hb中第一个亚基与O2结合以后，促进第二及第三个亚基与O2的结合，当前三个亚基与O2结合后，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应称为正协同效应(positive cooperativity)。协同效应的定义是指一个亚基与其配体(Hb中的配体为O2)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。还可根据Perutz等利用X线衍射技术分析Hb和氧合Hb结晶的三维结构图谱，提出了解释O2与Hb结合的正协同效应的理论。未结合O2时，Hb的α1/β1和α2/β2呈对角排列，结构较为紧密，称为紧张态(tense state, T态)，T态Hb与O2的亲和力小。随着O2的结合，4个亚基羧基末端之间的盐键断裂，其二级、三级和四级结构也发生变化，使α1/β1和α2/β2的长轴形成15°的夹角，结构显得相对松弛，称为松弛态(relaxed state, R态)。Hb氧合与脱氧时T态和R态相互转换的可能方式有多种。此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基构象变化，称为变构效应(allosteric effect)。小分子O2称为变构剂或效应剂，Hb则被称为变构蛋白。变构效应具有普遍生物学意义。

（三）蛋白质构象改变与疾病

若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，有人将此类疾病称为蛋白构象疾病。有些蛋白质错折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变，这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病（Huntington disease）、疯牛病等。

第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化

The Characters of Protein and its Purification

一、蛋白质的理化性质

（一）蛋白质的两性电离

蛋白质是由氨基酸组成，其分子末端除有自由的α-NH2和α-COOH外，许多氨基酸残基的侧链上尚有可解离的基因，这些基团在溶液一定pH条件下可以解离成带负电荷或正电荷的基团。当蛋白质溶液在某一pH时，蛋白质解离成正负离子的趋势相等，即成兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点（isoelectric point,PI）。蛋白质溶液的pH大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，小于等电点时则带正电荷。

（二）蛋白质的胶体性质

蛋白质是生物大分子，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。

（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，称为蛋白质的变性(denaturation)。

1．蛋白质变性的特征：蛋白质变性的主要特征是生物活性丧失。

2．蛋白质变性的本质：一般认为蛋白质的变性主要发生二硫键和非共价键的破坏，蛋白质变性是蛋白质空间构象的改变或破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变。

3．蛋白质变性的意义：在临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂(如疫苗等)的必要条件。

4.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(renaturation)。但是许多蛋白质变性后，空间构象严重被破坏，不能复原，称为不可逆性变性。

5.蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用(protein coagulation)。

（四）蛋白质的紫外吸收

蛋白质在280nm波长处有特征性的紫外吸收，可作蛋白质定量测定。

（五）蛋白质的呈色反应

⒈茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应，详见本章第一节。

⒉双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应。氨基酸不出现此反应。

二、蛋白质的分离和纯化

（一）透析及超滤法

（二）丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀

（三）电泳

（四）层析

（五）分子筛

（六）超速离心

小结

Summary 蛋白质是重要的生物大分子，在体内分布广泛，含量丰富，种类繁多。每一种蛋白质都有其特定的空间构象和生物学功能。

组成蛋白质的基本单位为L-α-氨基酸，共有20种，可分为非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸四类。氨基酸属于两性电解质，在溶液的pH等于其pI时，氨基酸呈兼性离子。氨基酸可通过肽键相连而成肽。小于10个氨基酸组成的肽称为寡肽，大于10个则称为多肽。体内存在许多如GSH、促甲状腺释放激素和神经肽等重要的生物活性肽。

复杂的蛋白质结构可分成一级、二级、三级和四级结构四个层次。蛋白质一级结构是指蛋白质分子中氨基酸自N端至C端的排列顺序，即氨基酸序列，其连接键为肽键，还包括二硫键的位置。形成肽键的6个原子处于同一平面，构成了所谓的肽单元。二级结构是指蛋白质主链局部的空间结构，不涉及氨基酸残基侧链构象。主要为α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲，以氢键维持其稳定性。在蛋白质分子中，空间上相互邻近的二个或三个具有二级结构的肽段，完成特定的生物学功能，称之为模体。三级结构是指多肽链主链和侧链的全部原子的空间排布位置。三级结构的形成和稳定主要靠次级键。一些蛋白质的三级结构可形成1个或数个球状或纤维状的区域，各行其功能，称为结构域。四级结构是指蛋白质亚基之间的缔合，也主要靠次级键维系。根据蛋白质的形状，可分成球状蛋白质和纤维状蛋白质。根据组成成分，还可分成单纯蛋白质和结合蛋白质，前者仅含有氨基酸，后者除氨基酸外，还含有非蛋白质的辅基成分。

一级结构是空间构象的基础，也是功能的基础。一级结构相似的蛋白质，其空间构象及功能也相近。若蛋白质的一级结构发生改变则影响其正常功能，由此引起的疾病称为分子病。

生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正确折叠对其正确构象形成和功能发挥至关重要。蛋白质折叠成正确的空间构象过程，除一级结构是其决定因素外，还需要分子伴侣参与。若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，有人将此类疾病称为蛋白构象疾病。蛋白质空间构象与功能有着密切关系。血红蛋白亚基与O2结合可引起另一亚基构象变化，使之更易与O2结合，所以血红蛋白的氧解离曲线呈S型。这种变构效应是蛋白质中普遍存在的功能调节方式之一。蛋白质的空间构象发生改变，可导致其理化性质变化和生物活性的丧失，称之为蛋白质变性。蛋白质发生变性后，只要其一级结构未遭破坏，仍可在一定条件下复性，恢复原有的空间构象和功能。分离、纯化蛋白质是研究单个蛋白质结构与功能的先决条件。通常利用蛋白质的理化性质，采取不损伤蛋白质结构和功能的物理方法来纯化蛋白质。常用的技术有电泳法、层析法、超速离心法等。概述

Introduction 核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子。核酸可以分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类。

第一节核酸的化学组成及一级结构

Chemical constitution and primary construction of nucleic acid 核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide或deoxynucleotide），RNA的基本组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。

一、核苷酸的结构

（一）碱基的种类：构成核苷酸的五种碱基（base）分别属于嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）两类含氮杂环化合物（见图2-1）。DNA分子中的碱基成分为A、G、C和T四种；而RNA分子则主要由A、G、C和U四种碱基组成。图2-1 参与组成核酸的主要碱基

（二）戊糖与核苷：是核苷酸的另一重要成分。脱氧核糖核苷酸中的戊糖是b–D–2–脱氧核糖；核糖核苷酸中的戊糖为b–D–核糖。这一结构上的差异使得DNA分子较RNA分子在化学上更为稳定，从而被自然选择作为生物遗传信息的储存载体。为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子标以C–1´、C–2´（图2–2）等。碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键（glycosidic bond）缩合形成核苷或脱氧核苷，连接位置是C–1´。DNA和RNA中的核苷组成及其中英文对照见表2–1。

（三）核苷与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸或脱氧核苷酸。生物体内多数核苷酸都是5´核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C–5´上（图2–3）。根据磷酸基团的数目不同，有核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP）、核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP）、核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP）的命名方式；根据碱基成分的不同，有AMP（adenosine monophosphate）、ADP（adenosine diphosphate）、ATP（adenosine triphosphate）等命名。图2–2 核糖和核苷

（四）核苷酸除了构成核酸大分子以外，还参加各种物质代谢的调控和多种蛋白质功能的调节。例如ATP和UTP在能量代谢中均为重要的底物或中间产物；环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP）和环鸟苷酸（cyclic GMP， cGMP）等则在细胞信号转导过程中具有重要调控作用。

图2–3 不同类型核苷酸的结构

二、核酸的一级结构

(一)定义:核酸的一级结构是指DNA和RNA分子中核苷酸的排列顺序，也称核苷酸序列。由于核酸分子中不同核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此也称为碱基序列。 (二)连接方式: 磷酸二酯键。四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以化学键：3′, 5′磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides）链称为DNA。多聚核苷酸（polynucleotides）链则称为RNA。这些脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，由前一位核苷酸的3´–OH与下一位核苷酸的5´位磷酸基之间形成3´, 5´磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的线性大分子（图2-4）。它们的两个末端分别称为5´末端（游离磷酸基）和3´末端（游离羟基）。书写规则应从5´末端到3´末端。（见六版教材图2-4）图2–4 DNA的一级结构及其书写方式 (三)DNA和RNA一级结构的差异：

RNA是生物体内另一大类核酸。它与DNA的差别是：① 组成它的核苷酸的戊糖不是脱氧核糖而是核糖；② RNA中的嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶，而不含有胸腺嘧啶，所以构成RNA的基本四种核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP，其中U代替了DNA中的T。 DNA和RNA对遗传信息的携带和传递，是依靠碱基排列顺序变化而实现的。

第二节 DNA的空间结构与功能

Space structure and function of DNA

一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型

（一）双螺旋结构的研究背景

1．碱基组成的Chargaff规则：①A=T，C=G；②不同种属的DNA碱基组成不同；③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

2．DNA纤维的X线图谱分析显示DNA是螺旋型分子，且为双链分子。

3．Rosalind Franklin获得了高质量的DNA的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，而且从密度上提示DNA是双链分子。1953年Watson和Crick总结前人的研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型。

（二）DNA双螺旋结构模型的要点 1． DNA是一反向平行的互补双链结构: DNA分子是由两条反向平行的脱氧多核苷酸链组成，一条链的走向是5′→3′，另一条链的走向是3′→5′。在DNA双链结构中，外侧是由亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成的骨架，内侧是碱基，两条链的碱基之间以氢键结合即A与T配对；C与G配对。两个配对的碱基结构几乎在一个平面上，并且此平面与线性分子的长轴相垂直（图2–5）。 2．DNA是右手螺旋结构 DNA线性长分子通过初始的折叠形成一个右手螺旋式结构，螺旋直径为2nm，螺旋一周包含了10对碱基，螺距为3.4nm。外观上，DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟，此沟状结构可能与蛋白质和DNA间的识别有关(图2–5）。图2–5 DNA双螺旋结构示意图 3．疏水力和氢键维系DNA双螺旋结构的稳定 DNA双螺旋结构的稳定性横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，由以后者更为重要。

（三）DNA结构的多样性

不同的环境条件下，DNA的结构不同，自然界存在的DNA有： B-DNA 右手螺旋（Watson-Crick模型结构） Z-DNA 左手螺旋 A-DNA 右手螺旋

体内不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。（见六版教材图2-6）

图2-6 不同类型的DNA双螺旋结构

二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA是十分巨大的信息高分子，DNA的长度要求其必须形成紧密折叠扭转的方式才能够存在于很小的细胞核内。

（一）DNA的超螺旋结构

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构（superhelix 或supercoil）。盘绕方向与DNA双螺旋方同相同为正超螺旋（positive supercoil）；盘绕方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋（negative supercoil）。自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在。

（二）原核生物DNA的高级结构

绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。在细胞内进一步盘绕，并形成类核（nucleoid）结构，以保证其以较致密的形式存在于细胞内。在细菌基因组中，超螺旋可以相互独立存在，形成超螺旋区（图2–7），各区域间的DNA可以有不同程度的超螺旋结构。

图2–7 环状DNA 的超螺旋结构示

（三）DNA在真核生物细胞核内的组装

在真核生物，DNA以非常致密的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里以分散存在的染色质（chromatin）形式出现，在细胞分裂期形成高度组织有序的染色体（chromosome）染色质的基本组成单位被称为核小体（nucleosome），由DNA和5种组蛋白（histone，H）共同构成。核小体中的组蛋白分别称为H1，H2A，H2B，H3和H4。各两分子的H2A，H2B，H3和H4共同构成八聚体的核心组蛋白，DNA双螺旋链缠绕在这一核心上形成核小体的核心颗粒（core particle）。核小体的核心颗粒之间再由DNA（约60 bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样的结构（图2–8）。图 2–8 核小体的结构示意图

核小体是DNA在核内形成致密结构的第一层次折叠，使得DNA的整体体积减少约6倍。第二层次的折叠是核小体卷曲（每周6个核小体）形成直径30 nm、在染色质和间期染色体中都可以见到的纤维状结构和襻状结构，DNA的致密程度增加约40倍。第三层次的折叠是30 nm纤维再折叠形成柱状结构，致密程度增加约1000倍，在分裂期染色体中增加约10 000倍，从而将约1米长的DNA分子压缩，容纳于直径只有数微米的细胞核中（图2-9）。

图2-9 DNA在染色质中的组装人类的基因组 2.8×109bp DNA的结构特点是具有高度的复杂性和稳定性，可以满足遗传多样性和稳定性的需要。第三节 RNA的空间结构与功能

Space structure and function of RNA RNA在生命活动中同样具有重要作用。它和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA分子远小于DNA分子，分子大小的差异变化大，小的仅有数十个核苷酸，大的由数千个核苷酸组成。

RNA分子通常以单链形式存在，局部有二级结构或三级结构。 RNA的种类具有多样性，同时RNA的功能也是多样性的。（表2－2）

表2-2 动物细胞内主要RNA的种类及功能

一、信使RNA（meenger RNA，mRNA）的结构与功能

mRNA的长短差异很大，半期最短，由几分钟到数小时不等,在细胞核内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA分子大得多，此种初级产物称为不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA),经过剪接成为成熟的mRNA并移位至细胞质。图2-10 真核细胞mRNA的结构示意图结构特点：

1． 5′端具有帽子结构：大多数真核生物的mRNA在转录后5´–末端以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷为起始结构，这种m7GpppN结构被称为帽结构（cap sequence）。 5´–帽结构是由鸟苷酸转移酶加到转录后的mRNA分子上的，与mRNA中所有其他核苷酸呈相反方向。帽结构中的鸟苷酸及相邻的A或G都可以发生甲基化，由于甲基化位置的差别可产生数种不同的帽结构。

mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding proteins，CBPs）的分子结合。这种mRNA和CBPs复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合、以及mRNA稳定性的维系等均有重要作用。 2． 3′末端有poly A尾巴：真核生物mRNA3′末端有数十至一百多个腺苷酸连接而成，称为多聚A尾[poly(A)]。。poly（A）结构也是在mRNA转录完成以后额外加入的，催化这一反应的酶为poly(A)转移酶。poly(A)在细胞内与poly(A)结合蛋白（poly(A)-binding protein，PABP）相结合而存在。这种3´-末端多聚A尾结构和5´–帽结构共同负责mRNA从核内向胞质的转位、mRNA的稳定性维系以及翻译起始的调控。去除多聚A尾和帽结构是细胞内mRNA降解的重要步骤。

3.mRNA的功能：是转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。mRNA分子从5´–末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码（triplet code）或密码子（codon）。

二、转运RNA（transfer RNA，tRNA）的结构与功能

细胞内分子量最小的一类核酸，由74到95个核苷酸构成。 1．结构特点：

（1）tRNA分子中含有10%—20%的稀有碱基如：双氢尿嘧啶（DUH）、假尿嘧啶（ψ，pseudouridine）、甲基化的嘌呤（mG，mA）

（2）tRNA能形成茎环结构：组成tRNA的几十个核苷酸中存在着一些能局部互补配对的区域，可以形成局部的双链。这些局部双链呈茎状，中间不能配对的部分则膨出形成环或襻状结构，称为茎环（stem-loop）结构或发夹结构。由于这些茎环结构的存在，使得tRNA整个分子的形状类似于三叶草形（cloverleaf pattern）。此结构称为三叶草结构。

（3）tRNA分子末端有氨基酸接纳茎：所有tRNA的3´端的最后3个核苷酸序列均为CCA，是氨基酸的结合部位，称为氨基酸接纳茎（acceptor stem）。

（4）tRNA序列中有反密码子：每个tRNA分子中都有3个碱基与mRNA上编码相应氨基酸的密码子具有碱基反向互补关系，可以配对结合，这3个碱基被称为反密码子（anticodon），位于反密码环内。

tRNA的三级结构：X射线衍射结构分析表明，tRNA的共同三级结构是倒L型。（图2–11b）

图2–11 tRNA的结构示意图

2.tRNA的功能：在蛋白质合成过程中作为氨基酸的载体并将其转呈给mRNA

三、核蛋白体RNA（ribosomal RNA，rRNA）的结构与功能

核蛋白体RNA（ribosomal RNA，rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白（ribosomal protein）共同构成核蛋白体或称为核糖体（ribosome）。原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。原核生物的rRNA共有5S，16S，23S三种；而真核生物的rRNA有18S，5S，5.8S，28S四种，它们分别与蛋白质一起组成核蛋白体的大亚基和小亚基，然后由大小亚基共同构成核蛋白体完成其功能。真核生物的18S rRNA的二级结构成花状（图2-12）

图2-12 真核生物18S rRNA的二级结构示意图

rRNA的功能: rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体,为蛋白质的合成提供场所。

四、其他小分子RNA及RNA组学

除了上述三种RNA外，细胞的不同部位还存在着许多其他种类的小分子RNA，这些小RNA被统称为非mRNA小RNA（small non-meenger RNA，snmRNAs）。有关snmRNAs的研究近年来受到广泛重视，并由此产生了RNA组学（RNomics）的概念。 SnmRNAs主要包括核内小RNA（small nuclear RNA，snRNA）、核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）、胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA）、催化性小RNA（small catalytic RNA）、小片段干扰 RNA（small interfering RNA，siRNA）等。这些小RNA在hnRNA和rRNA的转录后加工、转运以及基因表达过程的调控等方面具有非常重要的生理作用

核酶：某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶（ribozyme）或催化性RNA（catalytic RNA）。

小片段干扰 RNA：近年siRNA的研究受到了特别关注。siRNA是生物宿主对于外源侵入的基因所表达的双链RNA进行切割所产生的、具有特定长度（21个核苷酸）和序列的小片段RNA。它可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。

第四节核酸的理化性质

Phisicochemical property of nucleic acid

一、核酸的一般理化性质：

1．核酸是多元酸，有较强的酸性

2．DNA是线性高分子，机械作用下易发生断裂，而RNA分子远小于DNA 3．DNA粘度较大，而RNA的粘度要小得多

4．DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸收峰（图2–13），因此可进行定量分析。图2–13几种碱基的紫外吸收光谱图

二、DNA的变性：

1．变性：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即为DNA变性。DNA变性只改变其二级结构，不改变它的核苷酸排列。

变性的方法：强酸、强碱、加热以及变性试剂（如尿素、乙醇、丙酮等）

变性的本质：双链间氢键的断裂，即空间结构的破坏，不涉及一级结构的变化。

理化因素的变化：A260的值增加、粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、酸碱滴定曲线改变、生物活性丧失

2．增色效应（hyperchromic effect）：在DNA解链过程中，由于更多的共轭双键得以暴露，DNA在紫外区260 nm处的吸光值增加，并与解链程度有一定的比例关系，这种关系称为DNA的增色效应（hyperchromic effect）。(可通过测A260的变化来监测DNA是否发生变性) 3．解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260的关系作图，所得的曲线称为解链曲线（图2–14）。

图2-14 DNA的解链曲线

从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的。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（melting temperature，Tm）又称融解温度。

4．Tm值：核酸分子内的50%双链结构被解开时的温度

Tm值的大小与碱基中的G+C比例有关，G+C比例越高，Tm值越大。计算公式为：Tm=4（G+C）+2(A+T)

三、DNA的复性与分子杂交

1．复性：变性的DNA分子在适当条件下,两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象,称为复性。DNA的复性速度受温度的影响，只有温度缓慢下降才可使其重新配对复性。一般认为，比Tm低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。

2．退火(annealing)：热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,此过程称为退火。

注意：DNA受热变性后,温度缓慢冷却才能复性,如迅速冷却至4℃以下，则几乎不能复性。一般认为，比Tm值低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。 3．分子杂交（hybridization）：在DNA复性过程中，不同来源的DNA单链分子或者DNA和RNA分子之间，序列完全互补或者不完全互补的两个单链核酸分子之间能形成双链，这种现象称为分子杂交。（见六版教材图2-15）

图2-15 核酸分子杂交原理示意图

第五节核酸酶

nucleases

一、核酸酶（nucleases）是指所有可以水解核酸的酶。常用于DNA重组技术中。

二、分类：

1．按作用的底物分：DNA酶（DNase）和RNA酶（RNase） 2．按作用的部位分：

核酸外切酶：作用于多核苷酸链的5′末端或3′末端（5′末端外切酶和3′末端外切酶）核酸内切酶：作用于多核苷酸链的内部，如有严格的序列依赖性则称为限制性核酸内切酶。核酶的底物是核酸，因此从功能上来讲也属于核酸内切酶，且为序列特异性的核酸内切酶。人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段也具有序列特异性降解RNA的作用，称为催化性DNA（DNAzyme）。催化性DNA与催化性RNA相比，具有更好的化学稳定性和生物学稳定性，在疾病治疗方面的将有更好的前景。尚未发现天然的催化性DNA的存在。

小结

Summary 核酸是以核苷酸为组成单位的线性多聚生物信息分子，分为DNA和RNA两大类。DNA由脱氧核糖核苷酸连接而形成，RNA的基本组成单位则是核糖核苷酸。DNA分子中的脱氧核糖核苷酸的碱基成分为A、G、C和T四种；而RNA分子中核糖核苷酸的则由A、G、C和U四种碱基组成。碱基与戊糖结合形成核苷。脱氧核苷中的戊糖是b–D–2–脱氧核糖；核苷中的戊糖为b–D–核糖。核苷与磷酸通过酯键连接形成核苷酸。

DNA的一级结构是指DNA分子中的核苷酸的碱基排列顺序，DNA对遗传信息的贮存正是利用碱基排列方式变化而实现的。DNA是双链结构，两条链呈反向平行走向。DNA双链中的腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对存在，形成两个氢键；鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对存在，形成三个氢键。DNA双链是右手螺旋结构。DNA在形成双链螺旋式结构的基础上在细胞内还将进一步折叠成为超螺旋结构，并且在蛋白质的参与下构成核小体。DNA的基本功能是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。

RNA是生物体内的另一大类核酸。mRNA以DNA为模板合成后转位至胞质，在胞质中作为蛋白质合成的模板。成熟的mRNA的结构特点是含有特殊5´–末端帽和3´–末端的多聚A尾结构。mRNA分子上每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码或密码子。tRNA的结构特点包括存在反密码子、茎环结构和含有稀有碱基等。tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的运载体并将其转呈给mRNA。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体，核蛋白体是细胞合成蛋白质的场所。核蛋白体中的rRNA和蛋白质共同为mRNA、tRNA和肽链合成所需要的多种蛋白因子提供结合位点和相互作用所需要的空间环境。RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一种细胞在不同时间、不同状态下SnmRNAs的表达具有时间和空间特异性。

核酸具有多种重要理化性质。核酸的紫外吸收特性被广泛用来对核酸、核苷酸、核苷和碱基进行定性定量分析。核酸的沉降特性用于超速离心法纯化核酸。DNA的变性和复性是核酸最重要的理化性质之一。

DNA变性的本质是双链的解链。DNA的变性从开始解链到完全解链，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（Tm）。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。热变性的DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对而复性。在DNA 变性后的复性过程中，只要不同的单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，就可以在不同的分子间杂交形成杂化双链。DNA与DNA及 RNA与DNA间的分子杂交在核酸研究中的应用十分广泛。

核酸酶是可以降解核酸的酶。依据核酸酶底物的不同可以将其分为DNA酶和RNA酶两类；依据切割的部位分为核酸内切酶和核酸外切酶；具有序列特异性的核酸酶称为限制性核酸内切酶。概述

Introduction 一．酶的生物学重要性

一切生物都须不断地进行新陈代谢过程，以维持它们的生命活动，而酶是生物用以进行代谢过程的工具。因为物质代谢过程都需要酶的催化作用，在体内只有极少数不需酶参加而自发进行的化学反应。有些在体外能自发进行的化学反应例：H2O+CO2 = H2CO3。在体内也要依赖特殊的酶---碳酸酐酶的催化。在酶的作用下，生物体内复杂的化学反应，能在温和的条件下迅速，准确，平稳而且有规律的进行。

我们来看看食物蛋白质在体内外的分解情况：在体内温和的条件（近中性pH。37℃）下食物蛋白质就能迅速彻底水解成AA，而且AA不会遭破坏。而在体外实验室中食物蛋白质需加入30%的硫酸，100℃，24h，才能彻底水解成氨基酸，但在这一过程中有些AA会遭破坏，因而不能得到全部AA。

因为物质代谢过程都需要酶的催化作用，所以从总体来说：没有酶催化就没有新陈代谢。酶不仅是生物进行代谢过程的工具，而且酶也是生物自身产生的特殊蛋白质，所以还可以通过改变酶的活性，控制和调节代谢过程的强度，使代谢过程能经常地与周围环境保持平衡。例：在温带生活的人，每日三餐以糖为主食造成体内糖代谢过程的酶类活性比较强。而在寒带生活的爱斯基摩人，每天摄取动物性食品为主，随脂肪摄入引起有关脂肪代谢的酶类活性比较强，同时不易产生酮症。

二、生物催化剂的定义

迄今为止，人们已发现了两类生物催化剂（biocatalyst）

（一）酶：酶是一类由生物活细胞所产生的以蛋白质为主要成分，对其特异底物（substrate）起高效催化作用的蛋白质。是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。

（二）核酶（ribozyme）：是具有高效、特异催化作用的核酸。是近年来发现的一类新的生物催化剂，其主要作用是参于RNA的剪接。

第一节酶的分子结构与功能

Molecular structure and function of enzymes

酶是蛋白质，同样具有一，二，三，级结构，有些酶还具有四级结构。只由一条多肽链构成的酶称为单体酶（monomeric enzyme）。由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶称为寡聚酶（oligomeric enzyme）。在细胞内存在着许多不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物，即多酶体系（multienzyme system）。由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶，称为多功能酶（multifunctional enzyme）。

一、酶的分子组成

（一）酶的分子组成（图4-1）

有的酶就是简单蛋白质，即单纯酶（simple enzyme）仅由氨基酸组成。例如：胃蛋白酶，淀粉酶，核糖核酸酶，脲酶。

有的酶属于结合蛋白质，即结合酶（conjugated enzyme）我们重点讨论结合蛋白酶的组成。例如：乳酸脱氢酶，己糖激酶。全酶（holoenzyme）：指结合酶的酶蛋白和辅助因子结合后形成的复合物。酶蛋白（apoenzyme）：指结合酶的蛋白质部份。辅酶（coenzyme）：指结合酶的非蛋白质部分，它与蛋白质结合的方式比较疏松。辅基（prosthetic group）：也是结合酶的非蛋白质部分，它与酶蛋白结合比较牢固，不能用透析法或超滤法除去。

图4-1 蛋白酶的组成各部分有什么作用呢？

酶促反应的特异性及高效率取决于酶蛋白。

辅助因子则起对电子，原子或某些化学基团的传递作用

体内酶的种类很多，而辅酶（辅基）的种类却较少，通常一种酶蛋白只能与一种辅酶（辅基结合）成为一种专一性的酶，但一种辅基往往能与不同的酶蛋白结合构成许多专一性酶。

（二）辅酶与辅基 1．小分子有机化合物

几乎全是B族维生素类衍生物。有的属于辅酶，有的属于辅基。酶分子中氨基酸残基侧链上的功能基种类不多，不足以催化体内众多的化学反应。各种辅酶（辅基）的结构中都具有某些能进行可逆变化的基团，从而弥补了单纯酶蛋白酶中，活性基团的不足。例：吡哆醛转移氨基四氢叶酸转移-碳基团 FMN（FAD）递氢 NAD（NADP）递氢

一些与酶结合疏松的辅酶，在接受某些基团后不能籍该酶恢复原有结构，实际上该辅酶起了第二底物的作用。（后面进一步介绍） 2．金属离子

金属离子与酶有什么关系呢？

有的金属离子与酶蛋白结合非常紧密，是酶的重要组成成份，此类酶称为金属酶（metalloenzyme）。这些金属离子对维持酶蛋白构象具有一定作用，它们参于酶活性中心组成，对底物的结合及完成酶的催化功能，起了重要作用。例：碳酸酐酶（Zn）

谷胱甘肽过氧化物酶（Se）酪氨酸酶（Cu）

有些酶与金属离子结合疏松，但需要该种金属离子才能发挥最大活性，金属离子起激活剂的作用。

例：丙酮酸激酶需 K+，Mg2+激活。各种磷酸酶需 Mg2+ 精氨酸酶需 Mn2+

金属离子在酶促反应中的作用是什么？（图4-2）（1）催化作用：

金属离子与酶及底物形成三元络合物，不仅保证了酶与底物的正确定向结合，而且金属离子还可作为催化基团，参于各种方式的催化作用。

例：丙酮酸激酶，通过Mg2+架桥，不仅稳定了酶的构象，也激活了ATP，使其更容易在酶活性中心上使丙酮酸磷酸化。（2）氧化还原作用

Fe、Cu、Mo等金属离子可以氧化还原改变其原子价，在酶分子中它们可以通过氧化还原而传递电子完成多种物质的氧化。

图4-2 金属离子在酶中的作用

二、酶的活性中心与必需基因为什么酶有催化活性? 1．酶活性中心的定义

酶与底物的结合，一般是通过非共价键，如氢键，离子键，疏水作用（乃至Van der waels力来完成的），因此需要酶与底物之间参与结合乃至催化作用的各基因之间有一定的空间立体对应，及恰当的距离，并且能达到快速的结合与解离平衡。

酶分子量在104-106之间是具有一定空间结构的大分子，它的表面分布着许多化学基因，其中有些化学基因与酶活性有密切关系，有些与酶活性没有直接关系。与酶活性有关的基因，在酶分子表面的一定区域形成一定的空间结构，直接参与将作用物（底物）转变为产物的反应过程，这个区域叫做酶的活性中心（active center）。（图4-3）

图4-3 酶的活性中心 2．活性中心的形成活性中心的功能基团主要由氨基酸残基的侧链所提供，在结合蛋白酶类中还有辅酶的功能基团参加。一个酶的活性中心的氨基酸残基，并不是密集于某段肽链内，而是通过肽链弯曲拆叠才使分散的氨基酸残基相互接近。

例1：核糖核酸酶的活性中心所含的两个咪唑基，是来自His-12和His-119，共同位于酶分子的一个裂缝内。

例2：木爪蛋白酶的活性中心由Asp-174，His-158和Cys-25提供的羧基，咪唑基和硫氢基组成，它位于酶分子两半中间的一个裂隙内（分子一半含有1-100，另一半含有111-209氨基酸残基）

3．必需基团（图4-4）

（1）定义：酶分子上与酶活性有关的化学基团，称为酶的必需基团（eential group）。

（2）分类：

结合基团（binding group）：指在活性中心内能与作用物结合的必需基团。催化基团（catalytic group）：指在活性中心内能促进作用物发生化学变化的必需基团。活性中心以外的必需基团：指在活性中心以外，维持整个酶分子的空间构象的必需基团。（3）常见的必需基团组氨酸残基上的咪唑基。丝氨酸残基上的羟基。半胱氨酸残基上的疏基。酸性氨基酸残基上的羧基。

图4-4 必需基团的组成

第二节酶促反应的特点与机制

Machanism and Character of Enzyme Reaction

一、酶促反应的特点

（一）酶与一般催化剂的共同点

1．作为催化剂，需要量都很少，在化学反应前后没有质和量的改变。 2．只能催化热力学上允许的化学反应。

3．能加速可逆反应进程，而不改变反应平衡点。 4．催化可逆反应的酶，对正，反都有催化作用。

（二）酶作用的特点：

1．酶促反应要求严格的环境条件（酶的主要成份是蛋白质）最适温度、PH、常压。 2．酶促反应具有极高的催化效率

酶的催化效率通常比非催化剂高108—1020倍，比一般催化剂高107—1013倍。例：碳酸酐酶催化效率比非酶促反应要快107倍。 3．酶促反应具有高度的特异性

一种酶要从繁多的化合物中选定它所催化的化合物就是酶特异性的表现。酶有高度的特异性，就是指酶对所有作用物有严格的选择性。 4．酶促反应没有副反应例：淀粉水解（图4-5）

图4-5 淀粉水解

5．酶的催化作用可受调控的（指关键酶）（图4-6）

图4-6 酶的催化作用的调控

二、酶作用的特异性

（一）特异性的类型

1．绝对特异性（absolute specificity）：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特异结构的产物。

2．相对特异性（relative specificity）：作用于一类化合物或一种化学键， 3．立体异构特异性（stereospecificity）：一种酶只作用于立体异构体中的一种

（二）酶作用特异性的学说 1．锁钥学说（模板学说）

这个学说强调指出，只有固定的底物才能契入与它互补的酶表面，尤如：锁与钥匙的关系。 2.“三点附着”学说乳酸脱氢酶的专一性。此学说认为酶分子表面，按顺序排列着三个基团，底物的基因必需与酶的三个基团互补配合时，酶才作用于这个底物，否则底物就不能与酶结合，受其催化。 3.”诱导契合”学说（induced-fit hypothesis）该学说保留了底物和酶之间的互补概念，但认为酶分子本身不是固定不变的，当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导其构象发生有利于同底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合，所以酶分子与底物的契合是动态契合。近年来X-衍射分析的实验结果支持了这一学说。什么是诱导契合？

诱导契合（图4-7）。酶活性中心的某些氨基酸残基或基团，可以在底物诱导下获得正确空间定位，以利于底物的结合与催化。

图4-7 诱导契合

三、酶促反应的机制

在讨论酶促反应之前先复习一下自由能的概念

（一）一般催化剂加速化学反应的机制

（二）酶的催化作用

1．酶的催化机制：酶与一般催化剂一样可以降低活化能从而提高化学反应速度但酶比一般催化剂有更高的催化效率，下面我们来看一个例子

活化能：由18000卡/mol 降到2000卡/mol （图4-8）

图4-8 酶促反应活化能的改变

只要活化能稍有降低，反应速度就会发生数百倍或千倍、万倍、百万倍的增加，这就是酶能加速化学反应的根本所在。

酶为什么能如此多的降低活化能呢？（图4-9）

图4-9 酶促反应降低反应活化能

2.酶促反应的机制（1）中间产物学说（2）酶催化作用高效率的机制酶降低活化能的几个重要因素：

1）邻近效应（proximity effect）与定向作用（orientation arrange）：趋近效应是指两个底物分子结合于酶活性中心后增加了两者接触频率，从而降低了进入过渡状态所需的活化能，实验证明趋近效应大大增加了反应物的有效浓度，有人曾测定某底物在溶液中浓度为0.001 M时，而在某酶分子表面局部范围浓度高达100M 比溶液中浓度高出一万倍。（图4-10) 定向效应是指反应物在酶表面对着特定的基团几何地定向。因而反应物就可以用一种“正确的方式”互相碰撞而发生反应。

总之，酶可以通过“接近”效应，和“定向”效应使一种分子间的反应变成类似于分子内的反应，因而使反应高速进行。

图4-10 邻近效应

2）多元催化（multielement catalysis）

一般催化剂通常仅有一种解离状态，只有碱催化或只有酸催化，酶是两性电解质，所含的多种功能基团有不同的解离常数。即使同一种功能基在不同的蛋白质分子中处于不同的微环境，解离度也有差异。因此同一种酶常常蒹有酸、碱双重催化作用。这种多功能基团（包括辅酶或辅基的协同作用，可极大地提高酶的催化效能。 3）表面效应（surface effect）；酶活性中心，多为疏水性口袋，疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物与酶之间形成水化膜。有利于酶与底物密切接触。值得注意的是：一种酶催化的反应常常是多种催化机制的综合作用，这正是酶促反应具有高效率的重要原因

第三节酶动力学

Kinetics of Enzyme

什么是酶动力学？

酶动力学是研究酶催化反应的速度，以及研究各种因素对酶促反应速度的影响，这些因素包括酶浓度，底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。 *研究某一因素的影响时，其他条件必须固定不变。

一、底物浓度对酶促反应速度的影响研究的前提

I.单底物、单产物反应

II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示

III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量在5%以内的反应速度 IV.底物浓度远远大于酶浓度

底物浓度对酶促反应速度的影响曲线可以人为的为分三段：第一段：反应速度与底物浓度呈正比关系表现为一级反应。（图4-11）

图4-11 底物浓度较低时的酶促反应第二段：介于零级及一级之间的混合级反应。（图4-12）

图4-12 底物浓度中等时的酶促反应

第三段：当底物浓度[Ｓ]远远超过酶浓度反应速度达极限值：Ｖ=Ｖmax 零级反应。（图4-13）

图4-13 底物浓度较高时的酶促反应这和一般均相催化剂的作用结果不同。

1913年前后Micheelis和Menten（米孟氏）在前人工作基础上发表了上述单底物酶促反应的特殊现象的动力学分析结果，提出了酶促反应动力学的基本原理并归纳为一个数学公式：

(一) 米氏方程：

Ｖ=Ｖmax[Ｓ]/Ｋm+[Ｓ] 它表明了底物浓度与酶促反应速度间的定量关系。Ｋm：米氏常数； (二) 米氏方程的推导

酶促反应模式可以表示为：（图-14）

图4-14 酶促反应模式（1）测定的速度为反应的初速度，此时底物的消耗很少，只占Ｓ原始浓度的极小部分（通常在５%）。Ｐ+Ｅ→ＥＳ的可能性不予考虑。

（2）底物浓度[Ｓ]显著超过酶浓度[Ｅ]。所以[ＥＳ]形成不会明显降低[Ｓ]，所以[Ｓ]的降低可忽略不计。

（3）ＥＳ解离成Ｅ+Ｓ的速度显著于ＥＳ→Ｐ+Ｅ的速度，或者说Ｅ+Ｓ====ＥＳ→Ｐ+Ｓ的可逆反应在测定初速度Ｖ的时间内已达平衡而小量Ｐ的生成不影响这个平衡即在恒态（稳态）。

见教材54-55 (三) Ｋm与Ｖmax的意义及应用１．Ｋm的意义：

Ｋm就是当Ｖ=１/２Ｖmax时的底物浓度（图4-15）Ｖ=Ｖmax/２=Ｖmax[Ｓ]/ Ｋm+[Ｓ]

等式两边同除Ｖmax Ｋm的意义：（a）Km是酶的特征性常数之一；（b）1/Km可近似表示酶对底物的亲和力；（c）同一酶对于不同底物有不同的Km值。

图4-15 Ｋm值

2．Vmax （maximum velocity）：

（1）定义：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。（2）意义：Vmax=K3[E] 如果酶的总浓度已知，可从Ｖmax计算酶的转换数，即动力学常数Ｋ3 （3）计算：Ｖmax=K3[ＥT] 单位 μmol./min•mg 3．酶的转换数（turnover number）

定义：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义：可用来比较每单位酶的催化能力；可用来计算每分钟每毫克酶催化底物反应的值。即酶的比活（specific activity）。 (四) Ｋm及Ｖmax测定法

理论上可绘图求Ｋm，Ｖmax，但实际上不可能得到正确Ｋm，因为只能在[Ｓ]极高时才能得近似Ｖmax。

1．（double reciprocal plot）（图4-16）

图4-16 双倒数作图法

2．（图4-17）

优点：（1）从统计学观点看此种作图较为理想

（2）某些酶在行为上有背于米氏方程，很易察觉。

图4-17 Hanes作图法

当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。（图4-18）

二、酶浓度对反应速度的影响关系式为：V = K3[E] 可通过测定酶促反应速度的大小来算出酶浓度，在一定条件下即表示酶活性。 什么是酶活性？

酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。如何衡量酶活性的大小？

酶活力大小的衡量尺度是酶的活性单位酶活性的国际单位（IU）：

在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。酶活性的催量单位（katal）：

１催量是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。

图4-18 酶浓度对反应速度的影响

三、pH对反应速度的影响（图4-19）

1.酶反应介质的pＨ可影响酶分子活性中心上必需基团的解离程度，如催化基团质子供体或质子受体所需的离子化状态。

2.可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物结合。

所以只有在特定的pＨ条件下，酶，底物，和辅酶解离情况，最适宜它们互相结合，并发生催化作用。

(一) 最适pＨ（optimum pH）

酶催化活性最大时的pＨ值称为该酶的最适pＨ（optimum pH） (二) 如何确定一个酶的最适pＨ

目前只能实验确定，因为pＨ对酶稳定性受多方面因素的影响，如：温度，底物浓度，酶浓度和酶纯度，保护剂的存在等。

图4-19 pH对酶促反应速度的影响

四、温度对反应速度的影响 1．温度的影响（图4-20）

与其他化学反应一样速度随温度增加而加速，凡温度每升高１０℃反应速度大约增加1-2倍。

但酶的主要成分是蛋白质可随温度升高而变性。

在温度较低时前一影响较大，但温度超过一定值后，酶受热变性的因素占优势。

图4-20 温度对酶促反应速度的影响

2．最适温度（optimum temperature）酶促反应最快时的温度称为该酶的最适温度。

五、抑制剂对反应速度的影响

什么是酶的抑制作用? 酶分子中心的必需基团（主要是指酶活性中心上的一些基团）的性质受到某种化学物质的影响而发生改变，导致酶活性的降低或丧失称为抑制作用（inhibition）。

什么是酶抑制剂 ? 能引起酶抑制作用的物质称为酶抑制剂（inhibitor）。

抑制剂有什么特点? 抑制剂对酶有一定选择性只能引起某一类或某几类酶的抑制。所以与一般蛋白质变性剂不同。

抑制作用的类型有哪些? 抑制作用分为不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用，而可逆性抑制作用又分为竞争性抑制作用、非竞争性抑制作用、反竞争性抑制作用和混合性抑制作用等四种。（图4-21）

图4-21 抑制作用的分类

（一）不可逆抑制作用（irreversible inhibition）：一般均为非生物来源

1．抑制剂与酶的必需基因以共价键结合，而引起酶活性丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，而恢复酶活力。

2．抑制作用随抑制剂浓度的增加而逐渐增加，当抑制剂的量大到足以和所有的酶结合，则酶的活性完全被抑制。

如果不可逆抑制剂的结构与酶的底物类似，则其抑制专一性大为加强；类似物可能首先结合在活性中心上。然后与其邻近基团起反应形成共价结合。

（二）可抑性抑制作用（reversible inhibition）抑制剂与酶以非共价键结合，而引起酶活性的降低或丧失，可用透析等物理方法除去抑制剂，恢复酶活性。

可逆性抑制又分竞争性（competitive），反竞争性（uncompetitive），非竞争性（non-competitive）抑制与混合性抑制。它们之间的差别在于抑制剂和酶的结合方式。从而对恒态动力学参数及值的影响也不同。

1．竞争性抑制作用（competitive inhibition）

这是较常见而重要的可逆性抑制作用。它指抑制剂（Ｉ）和底物（Ｓ）对游离酶（Ｅ）的结合有竞争作用，互相排斥酶分子结合Ｓ就不能结合Ｉ，结合Ｉ就不能结合Ｓ。（图4-22）

图4-22 竞争性抑制作用

竞争抑制作用往往是抑制剂和底物的结构相类似能同时竞争酶的活性中心，使酶活性降低，此外还有些因素可能形成两者和酶的结合互相排斥，所以不可能存在ＩＥＳ三联复合体。（图4-23）图4-23 竞争性抑制作用的反应模式竞争性抑制作用的动力学特点：（图4-24）

(１) 抑制剂和底物的结构相类似能同时竞争酶的活性中心。

*有竞争性抑制剂存在时，Km增大，且Km值随[Ｉ]的增加而增加，称为表现Km。 (２) 抑制程度与[Ｉ]成正比，而与[Ｓ]成反比，故当底物浓度极大时，同样可达到最大应速度。

(３) Km增大，Ｖmax不变

图4-24 竞争性抑制的动力学特点竞争性抑制作用的经典例子

例１．琥珀酸脱氢酶可受丙二酸及草酰乙酸抑制（图4-25）

图4-25 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制

例２．磺胺药与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心，DFH的合成受抑，FH4随之减少。使核酸合成障碍。（图4-26）

图4-26 磺胺药对二氢叶酸合成酶的抑制磺胺类药物是最型的例子之一。对磺胺敏感的细菌在生长和繁殖时不能利用现成的叶酸，只能利用对氨基苯甲酸等合成二氢叶酸，而磺胺类药物与对氨基苯甲酸结构类似，竞争结合细菌体内二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长所必需的二氢叶酸的合成。二氢叶酸可再还原为四氢叶酸，后者是合成核酸所必需的，磺胺抑制了细菌二氢叶酸的合成，使细菌核酸的合成受阻，从而抑制了细菌的生长和繁殖。而人体能直接利用食物中叶酸，故其代谢不受磺胺的影响。因此，研究病原体与人体代谢差异对新药设计具有重大意义（详见抗代谢物一节）。抗菌增效剂ＴＭＰ可增强磺胺药的药效，因为它的结构与二氢叶酸有类似之处，是二氢叶酸还原酶的强烈抑制剂，它与磺胺药配合使用，可使细菌的四氢叶酸合成受到阻碍，因而严重影响细菌的核酸及蛋白质合成。

利用竞争性抑制是药物设计的根据之一，如抗癌药阿拉伯糖胞苷，５-氟尿嘧啶等都是利用竞争性抑制而设计出来的（详见抗核酸代谢物一节）。

2．反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition）抑制剂Ｉ不与游离酶Ｅ结合，却和ＥＳ中间复合体结合而成ＥＩＳ，但ＥＩＳ不能释出产物。所以，此种抑制主要影响催化功能，而与底物结合位点无关，为什么称为反竞争性抑制? 由于抑制剂作用于ＥＳ复合物，增加底物浓度[Ｓ]时不能消除抑制，反而抑制作用更强，因为增加了恒态中的ＥＳ，有利于Ｉ的结合。底物浓度远小于Ｋm值时抑制作用不明，故与竞争性抑制相反。（图4-27）

图4-27 反竞争性抑制作用的反应模式 [动力学特点] （图4-28）

(1) 当Ｉ存在时，Ｋm和Ｖmax都减少。

(2)有Ｉ时，Ｋm和Ｖmax都随[Ｉ]的增加而减少。 (3) 抑制程度即与[Ｉ]成正比，也和[Ｓ]成正比。

图4-28 反竞争性抑制作用的动力学特点

3．非竞争性抑制作用（non-competitive inhibition）与混合性抑制作用。底物Ｓ和抑制剂Ｉ与酶的结合完全地互不相关，既不排斥，也不促进，Ｓ可与游离Ｅ结合，也可和ＩＥ复合体结合。同样Ｉ可和游离Ｅ结合，也可和ＥＳ复合物结合，但ＩＥＳ不能释放出产物。[反应模式]（图4-29）

此种抑制既影响酶对底物结合，又阻碍其催化功能，影响程度视Ki及Ki´的大小而定。

如果Ki=Ki´：则Ｖmax值减小而Ki及Ki´不变，通常称为非竞争性抑制。实际上Ki常不等于Ki´，Km值常出现变化。故一般将其视为竞争性抑制与反竞争性抑制的混合情况，称为混合性抑制。

图4-29 非竞争性抑制作用的反应模式 [动力学特点] （图4-30）

(１) 当不Ｉ存在时，Ｋm不变而Ｖmax减小，Ｋm/Ｖm增大。 (２) Ｖ随[Ｉ]的加大而减小。

(３) 抑制程度只与[Ｉ]成正比，而与[Ｓ]无关。

图4-30 非竞争性抑制作用的动力学特点

第四节酶的调节

Regulation of Enzymes

调节的意义是什么? 新陈代谢是生命的特征，人体需不断进行新陈代谢维持生命，新陈代谢过程中的一系列化学反应必须协调进行适合机体需要，并适应内外环境的变化，要达到上述要求就必须调节酶的活性。

酶的调节大体上可分为酶活性调节（涉及酶结构变化）及酶含量调节（与酶的合成降解有关）。细胞内物质代谢需由一系列酶催化，依次进行连续反应而完成Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ

当反应总速度改变时，往往并不需要全部酶活性改变而仅限于某些，甚至个别关键酶（Key enzyme）活性变化，就能达到调节该物质代谢的要求。关键酶常决定代谢的速度和方向。特点：

(１) 只催化单向不平衡反应，或者是该连续反应中，催化活性最低的限速酶（rate limiting enzyme）。

(２) 常处于代谢的分支点上。 (３) 可以被调节。

一、酶活性调节

（一）酶原与酶原的激活 1．酶原（zymogen）：无活性的酶的前身称为酶原。 2．酶原激活：

指酶原在一定条件下转化成有活性的酶的过程称为酶原激活 3．酶原激活的机制：

分子内肽键的一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度的改变，从而形成酶的活性中心（或活性中心暴露），则酶表现出催化活性。 4．酶原激活的意义：

在于避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。

（二）变构酶

1.什么是变构调节（allosteric regulation）？是指某些物质与酶的非催化部位呈非共价结合而改变酶的构象从而改变酶的活性，调节方式方式称为变构调节。

2.什么是变构酶（allosteric enzyme）？指可受变构调节的酶。

3.什么是变构效应剂（allosteric effector）？指导致变构效应的代谢物如果某效应剂引起的协同效应使酶对底物的亲和力增加，从而加速反应速度，此效应称为变构激活效应。效应剂称为变构激活剂（allosterec activator）。反之为变构抑制剂。（图4-31） 4.什么是变构部位（allosteric site）？指变构效应剂结合的部位。

图4-31 酶的变构效应

（三）酶的共价修饰：（图4-32） 1.定义：什么是酶的共价修饰? 酶的共价修饰：是指有些酶，尤其是一些限速酶，在其它酶的作用下，使其结构中某些特殊基团进行可逆的共价修饰（ovalent modification），从而改变其活性。２.共价修饰的类型：

甲基化和脱甲基化；腺苷化和脱腺苷化；磷酸化与脱磷酸化；乙酰化和脱乙酰化；－SH与－S－S互变。

最常见的化学修饰是磷酸化修饰。

图4-32 酶的共价修饰

二、酶含量调节——慢速调节

酶的合成与酶降解的相对速率控制着细胞内的酶含量。

由于酶的生物合成受特异转录及翻译过程限制，耗能也较多，属于慢速调节。

（一）酶蛋白合成的诱导与阻遏

多种调节信号能影响有关酶蛋白的合成。

例如：底物浓度能有效地诱导其代谢通路中的限速酶。蛋白质食物增多：尿素循环中有关酶含量普遍增加。

代谢通路的最终产物对限速酶的合成往往具有阻遏作用：如胆固醇阻抑HMG-CoA还原酶合成。

什么是诱导剂？一般在转录水平上促进酶生物合成的化合物。什么是诱导作用？指诱导剂诱发酶蛋白生物合成的作用。什么是辅阻遏剂？指在转录水平上减少酶生物合成的物质。什么是阻遏作用？辅阻遏剂与无活性的阻遏蛋白结合，影响基因的转录，此过程称为阻遏作用。

（二）酶的降解

细胞内各种酶的半寿期相差很大。可以通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶含量。

三、同工酶（isoenzyme）： (一) 定义：

在同种生物体内，催化相同的化学反应，但分子结构和理化性质不同的一组酶，称为同工酶。同工酶由不同基因或等位基因编码的多肽链组成。也可将同一基因转录生成不同mRNA所翻译出来的不同酶蛋白列入同工酶。酶蛋白经翻译、修饰后形成的结构差异的一组酶，称为次级同工酶。 (二) 特点：

同工酶的产生主要是基因分化的产物。由于分子结构的差异，虽然催化同一种反应，但其底物专一性与亲和力，甚至酶的动力学都可能存在差异，在代谢过程中的功能也有所不同。 (三) 乳酸脱氢酶同工酶 1．种类

2．分布 3．功能

同工酶虽然催化相同的化学反应，但可有不同功能。

例：心肌富含LDH1（H4）对NAD+有较大亲和力易受丙酮酸抑制。便于心肌利用乳酸氧化供能。

骨骼肌富含LDH5（M4）对NAD+亲和力弱不易受丙酮抑制。有利于骨骼肌产生乳酸。

第五节酶的命名与分类

Claificatio of Enzymes

一、酶的命名 1．习惯命名法

仅用底物命名：例蛋白酶，淀粉酶

底物+反应类型：例乳酸脱氢酶，磷酸丙糖异构酶底物+来源：例胃蛋白酶，唾液淀粉酶 2．系统命名法

按国际酶学委员会制定的与分类相应的系统命名法。例：ATP + D-葡萄糖→ADP + D-葡萄糖-6-磷酸催化该反应的酶为ATP；葡萄糖：磷酸基转移酶系统命名：EC 2.7.1.1 * ATP：葡萄糖磷酸基转移酶。（图4-33）图4-33 ATP：葡萄糖磷酸基转移酶

二、酶的分类（图4-34） * EC的含意? 表示：国际酶学委员会制定的分类法 * 酶分为几大类，各类酶的名称及作用? 图4-34 酶的分类

* 已知编号如何能在表上找到该酶例 EC 1.1.1.1 醇脱氢酶 * 如何按顺序记六大类酶

1.氧化还原酶（oxidoreductases） 2.转移酶（transferases） 3.水解酶（hydrolases） 4.裂解酶（lyases）

5.异构酶（isomerases） 6.合成酶（ligases）氧，转，水，裂，异，合

第六节酶与医学的关系

Relationship of Enzymes and Medicine

一、酶与疾病的关系

（一）酶与疾病的发生

（二）酶与疾病的诊断

（三）酶与疾病的治疗

二、酶在医学上的应用

（一）酶作为试剂用于临床检验

（二）酶作为药物用于临床治疗

（三）酶作为工具用于科学研究和生产小结

Summary

酶是由活细胞合成的对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。单纯酶是仅由氨基酸残基组成的蛋白质，结合酶除含有蛋白质部分外，还含有非蛋白质辅助因子。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物，根据其与酶蛋白结合的紧密程度可分为辅酶与辅基。许多B族维生素参与辅酶或辅基的组成。酶蛋白决定酶促反应的特异性，辅酶（或辅基）参与酶的活性中心，决定酶促反应的性质。

酶分子中一些在一级结构上可能相距很远的必需基团，在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异的结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心。酶促反应具有高效率、高度特异性和可调节性。其催化机理是酶与底物诱导契合形成酶-底物复合物，通过邻近效应、定向排列、多元催化及表面效应等使酶发挥高效催化作用。

酶促反应动力学研究影响酶促反应速度的各种因素，包括底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂和激活剂等。底物浓度对反应速度的影响可用米氏方程式表示：Ｖ=Ｖmax[Ｓ]/Ｋm+[Ｓ]。

其中，Km为米氏常数，等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度，具有重要意义。Vmax和Km 可用米氏方程式的双倒数作图来求取。酶促反应在最适pH和最适温度时活性最高，但它们不是酶的特征性常数，受许多因素的影响。酶的抑制作用包括不可逆性抑制与可逆性抑制两种。可逆性抑制中，竞争性抑制作用的表观Km值增大，Vmax不变；非竞争性抑制作用的Km值不变，Vmax减小，反竞争性抑制作用的Km值和Vmax均减小。

酶活性测定是测量酶量的简便方法。酶活性单位是衡量酶催化活力的尺度，在适宜条件下以单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。在规定条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为1 IU。

机体内对酶的活性与含量的调节是调节代谢的重要途径。体内有些酶以无活性的酶原形式存在，只有在需要发挥作用时才转化为有活性的酶；变构酶是与一些效应剂可逆地结合，通过改变酶的构象而影响其活性的一组酶。多亚基的变构酶具有协同效应，是体内快速调节酶活性的重要方式之一。酶的共价修饰使酶在相关酶的催化下可逆地共价结合某些化学基团，实现有活性酶与无活性酶的互变。这是体内实现对代谢快速调节的另一重要方式。酶量的调节包括酶生物合成的诱导与阻遏，以及对酶降解的调节。同工酶是指催化的化学反应相同，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，是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成的蛋白质。同工酶在不同的组织与细胞中具有不同的代谢特点。

酶可分为六大类，分别是氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和合成酶类。酶的名称包括系统名称和推荐名称，酶的系统名称按酶的分类而定，每一酶均含有四位数字的编号。

酶与医学的关系十分密切。许多疾病的发生与发展与酶的异常或酶受到抑制有关。血清酶的测定可协助对某些疾病的诊断。许多药物可通过作用于细菌或人体内的某些酶以达到治疗目的。酶可以作为诊断试剂和药物对某些疾病进行诊断与治疗。酶还可作为工具酶或制成固定化酶用于科学研究和生产实践。抗体酶是人工制造的兼有抗体和酶活性的蛋白质；模拟酶是人工合成的具有催化活性的非蛋白质有机化合物。抗体酶和模拟酶均具有广阔的开发前景。

第九章核苷酸代谢

一、核苷酸类物质的生理功用：

核苷酸类物质在人体内的生理功用主要有：

① 作为合成核酸的原料：如用ATP，GTP，CTP，UTP合成RNA，用dATP，dGTP，dCTP，dTTP合成DNA。

② 作为能量的贮存和供应形式：除ATP之外，还有GTP，UTP，CTP等。

③ 参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使。

④ 参与构成酶的辅酶或辅基：如在NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA中均含有核苷酸的成分。

⑤ 作为代谢中间物的载体：如用UDP携带糖基，用CDP携带胆碱，胆胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（SAM）等。

二、嘌呤核苷酸的合成代谢：

1．从头合成途径：利用一些简单的前体物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径。这一途径主要见于肝脏，其次为小肠和胸腺。

嘌呤环中各原子分别来自下列前体物质：Asp → N1；N10-CHO FH4 → C2 ；Gln → N3和N9 ；CO2 → C6 ；N5,N10=CH-FH4 → C8 ；Gly → C4 、C5 和N7。

合成过程可分为三个阶段：

⑴ 次黄嘌呤核苷酸的合成：在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，消耗ATP，由5'-磷酸核糖合成PRPP(1'-焦磷酸-5'-磷酸核糖)。然后再经过大约10步反应，合成第一个嘌呤核苷酸——次黄苷酸（IMP）。

⑵ 腺苷酸及鸟苷酸的合成：IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸（AMP-S），然后裂解产生AMP；IMP也可在IMP脱氢酶的催化下，以NAD+为受氢体，脱氢氧化为黄苷酸（XMP），后者再在鸟苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸（GMP）。

⑶三磷酸嘌呤核苷的合成：AMP/GMP被进一步磷酸化，最后生成ATP/GTP，作为合成RNA的原料。ADP/GDP则可在核糖核苷酸还原酶的催化下，脱氧生成dADP/dGDP，然后再磷酸化为dATP/dGTP，作为合成DNA的原料。

2．补救合成途径：又称再利用合成途径。指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。这一途径可在大多数组织细胞中进行。其反应为：A + PRPP → AMP；G/I + PRPP → GMP/IMP。

3．抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制：能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物，通常是属于嘌呤、氨基酸或叶酸的类似物，主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用，来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗肿瘤治疗作用。在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似物主要是6-巯基嘌呤（6-MP）。6-MP的化学结构与次黄嘌呤类似，因而可以抑制IMP转变为AMP或GMP，从而干扰嘌呤核苷酸的合成。

三、嘌呤核苷酸的分解代谢：

嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱，最后产生的I和X经黄嘌呤氧化酶催化氧化生成终产物尿酸。痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾脏，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。可用别嘌呤醇予以治疗。

四、嘧啶核苷酸的合成代谢：

1．从头合成途径：指利用一些简单的前体物逐步合成嘧啶核苷酸的过程。该过程主要在肝脏的胞液中进行。嘧啶环中各原子分别来自下列前体物：CO2→C2 ；Gln→N3 ；Asp →C4 、C5 、C6 、N1 。嘧啶核苷酸的主要合成步骤为：

⑴尿苷酸的合成：在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下，以Gln，CO2，ATP等为原料合成氨基甲酰磷酸。后者在天冬氨酸转氨甲酰酶的催化下，转移一分子天冬氨酸，从而合成氨甲酰天冬氨酸，然后再经脱氢、脱羧、环化等反应，合成第一个嘧啶核苷酸，即UMP。

⑵胞苷酸的合成：UMP经磷酸化后生成UTP，再在胞苷酸合成酶的催化下，由Gln提供氨基转变为CTP。

⑶脱氧嘧啶核苷酸的合成：①CTP→CDP→dCDP→dCTP。②dCDP→dCMP→dUMP→dTMP→dTDP→dTTP。胸苷酸合成酶催化dUMP甲基化，甲基供体为N5,N10-亚甲基四氢叶酸。

2．补救合成途径：由分解代谢产生的嘧啶/嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成途径。以嘧啶核苷的补救合成途径较重要。主要反应为：UR/CR + ATP → UMP/CMP；TdR + ATP → dTMP。

3．抗代谢药物对嘧啶核苷酸合成的抑制：能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物，通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成。主要的抗代谢药物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在体内可转变为F-dUMP，其结构与dUMP相似，可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性，从而抑制胸苷酸的合成。

五、嘧啶核苷酸的分解代谢：

嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下，除去磷酸和核糖，产生的嘧啶碱可在体内进一步分解代谢。不同的嘧啶碱其分解代谢的产物不同，其降解过程主要在肝脏进行。

胞嘧啶和尿嘧啶降解的终产物为（β-丙氨酸 + NH3 + CO2 ）；胸腺嘧啶降解的终产物为（β-氨基异丁酸 + NH3 + CO2 ）。

第十一章 DNA的生物合成

一、遗传学的中心法则和反中心法则：

DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。但在少数RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代；通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。

二、DNA复制的特点：

1．半保留复制：DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semiconservative replication)。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M.Meselson 和 F.Stahl 所完成的实验所证明。

2．有一定的复制起始点：DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。

3．需要引物(primer)：DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基（3'-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。

4．双向复制：DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制。

5．半不连续复制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的，这一条链被称为领头链(leading strand)。而以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的，这条链被称为随从链(lagging strand)。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。

三、DNA复制的条件：

1．底物：以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。

2．模板(template)：以亲代DNA的两股链解开后，分别作为模板进行复制。

3．引发体(primosome)和RNA引物(primer)：引发体由引发前体与引物酶（primase）组装而成。引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体；引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。

4．DNA聚合酶（DNA dependent DNA polymerase, DDDP）：

⑴种类和生理功能：在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶Ⅰ（pol Ⅰ），DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ），DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。pol Ⅰ为单一肽链的大分子蛋白质，具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填补缺口以及修复损伤。pol Ⅱ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，其功能不明。pol Ⅲ是由十种亚基组成的不对称二聚体，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，与DNA复制功能有关。

在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种。其中，参与染色体DNA复制的是pol α（延长随从链）和pol δ（延长领头链），参与线粒体DNA复制的是pol γ，polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol β只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。

⑵DNA复制的保真性：为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：①遵守严格的碱基配对规律；②在复制时对碱基的正确选择；③对复制过程中出现的错误及时进行校正。

5．DNA连接酶(DNA ligase)：DNA连接酶可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。该酶催化的条件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；② 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；③ 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。

6．单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）：又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：①稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA；② 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。

7．解螺旋酶（unwinding enzyme）：又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。

8．拓扑异构酶(topoisomerase)：拓扑异构酶可将DNA双链中的一条链或两条链切断，松开超螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。

四、DNA生物合成过程：

1．复制的起始：

⑴预引发：①解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）结合在单链DNA上，形成复制叉。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。②引发体组装：由引发前体蛋白因子识别复制起始点，并与引发酶一起组装形成引发体。

⑵引发：在引发酶的催化下，以DNA链为模板，合成一段短的RNA引物。

2．复制的延长：

⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以亲代DNA链为模板，从5'→3'方向聚合子代DNA链。

⑵引发体移动：引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。

3．复制的终止：

⑴去除引物，填补缺口： RNA引物被水解，缺口由DNA链填补，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。

⑵连接冈崎片段：在DNA连接酶的催化下，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。

⑶真核生物端粒（telomere）的形成：端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。

五、DNA的损伤：

由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。引起DNA损伤的因素有：

1．自发因素：

(1)自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。

(2)自发脱氨基：C自发脱氨基可生成U，A自发脱氨基可生成I。

(3)复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤。

2．物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。

3．化学因素：

(1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。

(2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。

(3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。

(4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。

(5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。

六、DNA突变的类型：

1．点突变：转换——相同类型碱基的取代。颠换——不同类型碱基的取代。插入——增加一个碱基。缺失——减少一个碱基。

2．复突变：插入—— 增加一段顺序。缺失—— 减少一段顺序。倒位—— 一段碱基顺序发生颠倒。易位—— 一段碱基顺序的位置发生改变。重组—— 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换。

七、DNA突变的效应：

1．同义突变：基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变。

2．误义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。

3．无义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止暗码子，引起多肽链合成的终止。

4．移码突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。

八、DNA损伤的修复：

DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。直接修复包括光复活、转甲基作用和直接连接作用，均属于无差错修复。取代修复包括切除修复、重组修复和SOS修复，后二者属于有差错倾向修复。

1．光复活：由光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物，在可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复。

2．转甲基作用：在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。

3．直接连接：DNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。

4．切除修复：这种修复机制可适用于多种DNA损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动，一种是核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶。①特异性的核酸内切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶识别DNA受损伤的部位，并在该部位的5'端作一切口；②由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）从5'→3'端逐一切除损伤的单链；③在DNA聚合酶的催化下，以互补链为模板，合成新的单链片段以填补缺口；④由DNA连接酶催化连接片段，封闭缺口。

5．重组修复：①DNA复制时，损伤部位导致子链DNA合成障碍，形成空缺；②此空缺诱导产生重组酶（重组蛋白RecA），该酶与空缺区结合，并催化子链空缺与对侧亲链进行重组交换；③对侧亲链产生的空缺以互补的子链为模板，在DNA聚合酶和连接酶的催化下，重新修复缺口；④亲链上的损伤部位继续保留或以切除修复方式加以修复。

6．SOS修复：这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态。—————————— 第十二章 RNA的生物合成

一、RNA转录合成的特点：

在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA。

1．转录的不对称性：指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为有意义链（模板链），而与之互补的另一条DNA链称为反意义链（编码链）。

2．转录的连续性：RNA转录合成时，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。

3．转录的单向性：RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，RNA链的合成方向为5'→3'。

4．有特定的起始和终止位点：RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。

二、RNA转录合成的条件：

1．底物：四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。

2．模板：以一段单链DNA作为模板。

3．RNA聚合酶（DDRP）： RNA聚合酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5'→3'聚合RNA。

原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α2ββ'ζ。ζ亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（α2ββ'）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。

真核生物中的RNA聚合酶分为三种：RNA polⅠ存在于核仁，对α-鹅膏蕈碱不敏感，用于合成rRNA前体；RNA polⅡ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱极敏感，用于合成HnRNA；RNA polⅢ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱敏感，用于合成tRNA前体、snRNA及5S rRNA。

4．终止因子ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。

5．激活因子：降解产物基因激活蛋白（CAP），又称为cAMP受体蛋白（CRP），是一种二聚体蛋白质。该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与起始部位结合，从而起始转录过程。

三、RNA转录合成的基本过程：

1．识别：RNA聚合酶中的ζ因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。

位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子。在原核生物中的启动子通常长约60bp，存在两段带共性的顺序，即5'-TTGACA-3'和5'-TATAATG-3'，其中富含TA的顺序被称为Pribnow盒。真核生物的启动子中也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogne盒或TATA盒。

2．起始：RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3',5'-磷酸二酯键。

3．延长：ζ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。

4．终止：RNA转录合成的终止机制有两种。

⑴自动终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。

⑵依赖辅助因子的终止：由终止因子（ρ蛋白）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。

四、真核生物RNA转录后的加工修饰：

1．mRNA的转录后加工：

⑴加帽：即在mRNA的5'-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即对HnRNA进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5'-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。

⑵加尾：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3'-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。

⑶剪接：真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋白体参加，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。

⑷内部甲基化：由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。

2．tRNA的转录后加工：

主要加工方式是切断和碱基修饰。

3．rRNA的转录后加工：

主要加工方式是切断

第十三章蛋白质的生物合成

一、蛋白质生物合成体系：

生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约20种氨基酸为原料自行合成的。蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation)。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：

1.mRNA：作为指导蛋白质生物合成的模板。

mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码。共有64种不同的密码。遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简并性；③ 通用性；④ 方向性；⑤ 摆动性；⑥ 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。

2.tRNA：在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码。反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则，这种配对称为不稳定配对。

能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是tRNAfmet；而在真核生物中，起动tRNA是tRNAmet。

3．rRNA和核蛋白体：原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：

⑴小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

⑵大亚基：①具有两个不同的tRNA结合点。A位—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。②具有转肽酶活性。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

4．起动因子（IF）：这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。

5．延长因子（EF）：原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。

6．释放因子（RF）：原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。

7．氨基酰tRNA合成酶：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性。

二、蛋白质生物合成过程：

1．氨基酸的活化与搬运：氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。反应完成后，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA。

2．活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环：活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为三个阶段：

⑴起动阶段：①30S起动复合物的形成。在IF促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。②70S起动前复合体的形成。IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。③70S起动复合体的形成。GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。

⑵肽链延长阶段：①进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。②成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。③移位：核蛋白体向mRNA的3'- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。

⑶肽链终止阶段：核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。①识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。②水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。③解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

三、多肽链合成后的加工修饰：

1．一级结构的加工修饰：

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。其过程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。

⑵氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

⑶二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。

⑷肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

2．高级结构的形成：

⑴构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。

⑵亚基的聚合。

⑶辅基的连接。

3．靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。—————————— 第十四章基因表达调控

一、基因表达调控基本概念与原理：

1．基因表达的概念：基因表达（gene expreion）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。

2．基因表达的时间性及空间性：

⑴时间特异性：基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。

⑵空间特异性：基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。

3．基因表达的方式：

⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expreion）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。

⑵诱导和阻遏表达：诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repreion）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。

4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。

5．基因表达调控的基本原理：

⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。

⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。

二、操纵子的结构与功能：

在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成；控制区通常由调节基因（阻抑蛋白编码基因）、启动基因（CRP和RNA聚合酶结合区）和操纵基因（阻抑蛋白结合位点）构成。

1．原核生物乳糖操纵子：

原核生物乳糖操纵子(Lac operon)的控制区包括调节基因，启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时，乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合，促使阻抑蛋白与操纵基因分离；另一方面，细胞中cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合并使之激活，CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合，基因转录激活。

2．原核生物色氨酸操纵子：

色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。

3．原核生物转录的整体调控模式：

由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。

三、真核基因组结构特点：

1．转录产物为单顺反子：真核基因的转录产物一般是单顺反子（mono-cistron），即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。

2．大量重复序列：真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。

3．断裂基因：真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。

三、真核基因表达调控的特点：

1．RNA聚合酶活性受转录因子调控：真核生物中存在RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。

2．染色质结构改变参与基因表达的调控：真核生物DNA与组蛋白结合并形成核小体的结构，再进一步形成染色质。当真核基因被激活时，染色质的结构也随之发生改变。主要的改变有：

⑴单链DNA形成：基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，从而形成一些对DNAaseⅠ的超敏位点。

⑵DNA拓朴结构改变：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。

⑶核小体不稳定性增加：由于组蛋白修饰状态改变，巯基暴露等原因而引起核小体结构改变。

4．正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。

5．转录和翻译过程分别进行：转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，可分别进行调控。

6．转录后加工修饰过程复杂：特别是mRNA，转录后仅形成其初级转录产物——HnRNA，然后再经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的mRNA。

四、真核基因转录调控元件及激活机制：

1．顺式作用元件（分子内作用元件）：

⑴启动子：存在于结构基因上游，与基因转录启动有关的一段特殊DNA顺序称为启动子。与原核生物类似，也含有一段富含TATA的顺序，称为TATA盒。除此之外，还可见CAAT盒和GC盒。

⑵增强子：位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序称为增强子。增强子的特点是：①在转录起始点5’或3’侧均能起作用；②相对于启动子的任一指向均能起作用；③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；④对异源性启动子也能发挥作用；⑤通常具有一些短的重复顺序。

⑶沉默子：能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。

2．反式作用因子（分子间作用因子）：真核生物反式作用因子通常属于转录因子（transcription factor，TF）。

(1)转录因子的种类：①非特异性转录因子（基本转录因子）：非选择性调控基因转录表达的蛋白质因子称为非特异性转录因子。真核生物中存在的三种RNA聚合酶分别有相应的转录因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中，TFⅡ一共有六种亚类。TFⅡD是唯一能识别启动子TATA盒并与之结合的转录因子，而TFⅡB则可促进聚合酶Ⅱ与启动子的结合。②特异性转录因子：能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子。目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子（NF）。

(2)转录因子的结构：反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。DNA结合功能域带共性的结构主要有：①HTH和HLH结构：由两段α-螺旋夹一段β-折迭构成，α-螺旋与β-折迭之间通过β-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。②锌指结构：见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。③亮氨酸拉链结构：见于真核生物DNA结合蛋白的C端，与癌基因表达调控有关。由两段α-螺旋平行排列构成，其α-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA相结合。

⑶转录因子的作用特点：①同一DNA顺式作用元件可被不同的转录因子所识别；②同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件；③TF与TF之间存在相互作用；④当TF与TF，TF与DNA结合时，可导致构象改变；⑤TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。

3．转录激活及其调控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依赖多种转录因子，并与之形成复合体。其过程首先是由TFⅡD识别启动子序列并与之结合；继而RNA聚合酶Ⅱ与TFⅡD、B等聚合形成一个功能性的前起始复合体——PIC；最后，结合了增强子的转录因子与前起始复合体结合，从而形成稳定的转录起始复合体。———

第十五章基因重组和基因工程

一、自然界的基因转移和重组：

基因重组(gene recombination)是指DNA片段在细胞内、细胞间，甚至在不同物种之间进行交换，交换后的片段仍然具有复制和表达的功能。

1．接合作用：当细胞与细胞相互接触时，DNA分子即从一个细胞向另一个细胞转移，这种遗传物质的转移方式称为接合作用（conjugation）。

2．转化和转染：由外来DNA引起生物体遗传性状改变的过程称为转化(transformation)。噬菌体常常可感染细菌并将其DNA注入细菌体内，也可引起细菌遗传性状的改变。通过感染方式将外来DNA引入宿主细胞，并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染(transfection)。转染是转化的一种特殊形式。

3．整合和转导:外来DNA侵入宿主细胞，并与宿主细胞DNA进行重组，成为宿主细胞DNA的一部分，这一过程称为整合。整合在宿主细胞染色体DNA中的外来DNA，可以被切离出来，同时也可带走一部分的宿主DNA，这一过程称为转导(transduction)。来源于宿主DNA的基因称为转导基因。

4．转座：转座又称为转位（transposition），是指DNA的片段或基因从基因组的一个位置转移到另一个位置的现象。这些能够在基因组中自由游动的DNA片段包括插入序列和转座子两种类型。

⑴插入序列：典型的插入序列（insertion sequence，IS）是长750-1500bp的DNA片段，由两个分离的反向重复序列和一个转座酶基因。当转座酶基因表达时，即可引起该序列的转座。其转座方式主要有保守性转座和复制性转座。

⑵转座子：转座子(transposons)是可从一个染色体位点转移到另一个位点的分散的重复序列，含两个反向重复序列、一个转座酶基因和其他基因（如抗生素抗性基因）。

免疫球蛋白重链基因由一组可变区基因（VH）和一组恒定区基因（CH）构成，通过这些基因的选择性转座和重组，就可以转录表达出各种各样的免疫球蛋白重链，以对付不同的抗原。

5．基因重组的方式：

⑴位点特异性重组：在整合酶的催化下，两段DNA序列的特异的位点处发生整合并共价连接，称为位点特异性重组。

⑵同源重组：发生在同源DNA序列之间的重组称为同源重组(homologous recombination)。这种重组方式要求两段DNA序列类似，并在特定的重组蛋白或酶的作用下完成。

二、重组DNA技术：

重组DNA技术又称为基因工程（genetic engineering）或分子克隆(molecular cloning)，是指采用人工方法将不同来源的DNA进行重组，并将重组后的DNA引入宿主细胞中进行增殖或表达的过程。

1．载体和目的基因的分离（分）：对载体DNA和目的基因分别进行分离纯化，得到其纯品。

⑴载体：常用的载体(vector)主要包括质粒(plasmid)、噬菌体(phage)和病毒(virus)三大类。这些载体均需经人工构建，除去致病基因，并赋予一些新的功能，如有利于进行筛选的标志基因、单一的限制酶切点等。①质粒：是存在于天然细菌体内的一种独立于细菌染色体之外的双链环状DNA，具有独立复制的能力，通常带有细菌的抗药基因。②噬菌体：可通过转染方式将其DNA送入细菌体内进行增殖。常用的为人工构建的λ噬菌体载体，当目的基因与噬菌体DNA进行重组时，可采用插入重组方式，也可采用置换重组方式。③病毒：常用的为SV40，通过感染方式将其DNA送入哺乳动物细胞中进行增殖。

⑵目的基因：①直接从染色体DNA中分离：仅适用于原核生物基因的分离。②人工合成：根据已知多肽链的氨基酸顺序，利用遗传密码表推定其核苷酸顺序再进行人工合成。适应于编码小分子多肽的基因。③从mRNA合成cDNA：采用一定的方法钓取特定基因的mRNA，再通过逆转录酶催化合成其互补DNA（cDNA），除去RNA链后，再用DNA聚合酶合成其互补DNA链，从而得到双链DNA。④从基因文库中筛选：将某一种基因DNA用适当的限制酶切断后，与载体DNA重组，再全部转化宿主细胞，得到含全部基因组DNA的种群，称为G文库(genomic DNA library)。将某种细胞的全部mRNA通过逆转合成cDNA，然后转化宿主细胞，得到含全部表达基因的种群，称为C-文库(cDNA library)。C-文库具有组织细胞特异性。⑤利用PCR合成：如已知目的基因两端的序列，则可采用聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）技术，在体外合成目的基因。

2．载体和目的基因的切断（切）：通常采用限制性核酸内切酶(restriction endonuclease)，简称限制酶，分别对载体DNA和目的基因进行切断，以便于重组。能够识别特定的碱基顺序并在特定的位点降解核酸的核酸内切酶称为限制酶。限制酶所识别的顺序往往为4-8个碱基对，且有回文结构。由限制酶切断后的末端可形成平端、3'-突出粘性末端和5'-突出粘性末端三种情况。形成粘性末端(cohesive end)者较有利于载体DNA和目的基因的重组。

3．载体和目的基因的重组（接）：即将带有切口的载体与所获得的目的基因连接起来，得到重新组合后的DNA分子。

⑴粘性末端连接法：载体与目的基因通过粘性末端进行互补粘合，再加入DNA连接酶，即可封闭其缺口，得到重组体。

⑵人工接尾法：即同聚物加尾连接法。在末端核苷酸转移酶的催化下，将脱氧核糖核苷酸添加于载体或目的基因的3'-端，如载体上添加一段polyG，则可在目的基因上添加一段polyC，通过碱基互补进行粘合后，再由DNA连接酶连接。

⑶人工接头连接法：将人工连接器（即一段含有多种限制酶切点的DNA片段）连接到载体和目的基因上，即有可能使用同一种限制酶对载体和目的基因进行切断，得到可以互补的粘性末端。

4．重组DNA的转化和扩增（转）：将重组DNA导入宿主细胞进行增殖或表达。重组质粒可通过转化方式导入宿主细胞，λ噬菌体作为载体的重组体，则需通过转染方式将重组噬菌体DNA导入大肠杆菌等宿主细胞。重组DNA导入宿主细胞后，即可在适当的培养条件下进行培养以扩增宿主细胞。

5．重组DNA的筛选和鉴定（筛）：对含有重组体的宿主细胞进行筛选并作鉴定。

⑴根据重组体的表型进行筛选：对于带有抗药基因的质粒重组体，可采用插入灭活法进行筛选。

⑵根据标志互补进行筛选：当宿主细胞存在某种基因及其表达产物的缺陷时，可采用此方法筛选重组体。即在载体DNA分子中插入相应的缺陷基因，如宿主细胞重新获得缺陷基因的表达产物，则说明该细胞中带有重组体。

⑶根据DNA限制酶谱进行分析：经过粗筛后的含重组体的细菌，还需进行限制酶谱分析进一步鉴定。

⑷用核酸杂交法进行分析鉴定：采用与目的基因部分互补的DNA片段作为探针，与含有重组体的细菌菌落进行杂交，以确定重组体中带目的基因。

获得带目的基因的细菌后，可将其不断进行增殖，从而得到大量的目的基因片段用于分析研究。如在目的基因的上游带有启动子顺序，则目的基因还可转录表达合成蛋白质。—————————— 为

第十六章细胞信息传递

一、细胞间信息物质：

凡是由细胞分泌的、能够调节特定的靶细胞生理活动的化学物质都称为细胞间信息物质，或第一信使。

1．激素：激素(hormone)是由特殊分化细胞合成并分泌的一类生理活性物质，这些物质通过体液进行转运，作用于特定的靶细胞，调节细胞的物质代谢或生理活动。

⑴激素的分类：激素可按照其化学本质的不同分为四类。①类固醇衍生物：如肾上腺皮质激素、性激素等；②氨基酸衍生物：如甲状腺激素，儿茶酚胺类激素；③多肽及蛋白质：如胰岛素、下丘脑激素、垂体激素等；④脂肪酸衍生物：如前列腺素。

⑵激素的作用方式：①自分泌：激素分泌释放后仍作用于自身细胞，其传递介质为胞液；②旁分泌：激素分泌释放后作用于邻近的靶细胞，其传递介质为细胞间液。③内分泌：激素分泌后作用较远的靶细胞，其传递介质为血液。

2．细胞因子：细胞因子是指由细胞分泌的一类信息分子，可作用于特定的靶细胞，调节细胞的生长，分化等生理功能。细胞因子也可通过自分泌、旁分泌和内分泌三种方式作用于特定的靶细胞。

常见的细胞因子有：表皮生长因子（EGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、神经生长因子（NGF）、胰岛素样生长因子（IGF）等。

3．神经递质：由神经元突触前膜释放的信息物质，可作用于突触后膜上的受体，传递神经冲动信号。

二、细胞内信息物质：

存在于细胞内，能够传递特定调控信号的化学物质称为细胞内信息物质。

1．第二信使：在细胞内传递信息的小分子化学物质称为第二信使。① 环核苷酸类：如cAMP和cGMP；② 脂类衍生物：如甘油二脂（DAG），1,4,5-三磷酸肌醇（IP3），花生四烯酸等。③ 无机物：如Ca2+、NO等。

2．信号蛋白：细胞膜上或细胞内能够传递特定信号的蛋白质分子，常与其他蛋白质或酶构成复合体以传递信息。如G蛋白、连接蛋白（SOS，GRB2）、鸟苷酸交换蛋白（GEF）、GTPase激活蛋白（GAP）等。

3．信号酶：细胞内能够传递特定调控信号的酶蛋白分子。如胰岛素受体底物-1/2（IRS1/2）、MAPKKK（Raf-1）、MAPKK（MEK-1/2）、MAPK（ERK1/2）、PKA、PKB、PKC、PKG、PAK、PDK、CaMPK等。

三、受体的分类、结构与功能：

受体（receptor)是指存在于靶细胞膜上或细胞内的一类特殊蛋白质分子，它们能识别特异性的配体并与之结合，产生各种生理效应。

1．根据受体的亚细胞定位分类：

⑴细胞膜受体：这类受体是细胞膜上的结构成分，一般是糖蛋白、脂蛋白或糖脂蛋白。多肽及蛋白质类激素、儿茶酚胺类激素、前列腺素以及细胞因子通过这类受体进行跨膜信号传递。

⑵细胞内受体：这类受体位于细胞液或细胞核内，通常为单纯蛋白质。此型受体主要包括类固醇激素受体，维生素D3受体（VDR）以及甲状腺激素受体（TR）。

2．根据受体的分子结构分类：

⑴配体门控离子通道型受体：此型受体本身就是位于细胞膜上的离子通道。其共同结构特点是由均一性的或非均一性的亚基构成一寡聚体，而每个亚基则含有4~6个跨膜区。此型受体包括烟碱样乙酰胆碱受体（N-AchR）、A型γ-氨基丁酸受体（GABAAR）、谷氨酸受体等。

⑵G蛋白偶联型受体：此型受体通常由单一的多肽链或均一的亚基组成，其肽链可分为细胞外区、跨膜区、细胞内区三个区。在第五及第六跨膜α螺旋结构之间的细胞内环部分（第三内环区），是与G蛋白偶联的区域。大多数常见的神经递质受体和激素受体是属于G蛋白偶联型受体。

G蛋白是由α、β、γ亚基组成的三聚体，存在于细胞膜上，其α亚基具有GTPase活性。当配体与受体结合后，受体的构象发生变化，与α亚基的C-端相互作用， G蛋白被激活，此时，α亚基与β、γ亚基分离，可分别与效应蛋白（酶）发生作用。此后，α亚基的GTPase将GTP水解为GDP，α亚基重新与β、γ亚基结合而失活。

⑶单跨膜α螺旋型受体：此型受体只有一段α螺旋跨膜，受体本身具有酪氨酸蛋白激酶活性；或当受体与配体结合后，再与具有酪氨酸蛋白激酶活性的酶分子相结合，进一步催化效应酶或蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，也可以发生自身蛋白酪氨酸残基的磷酸化，由此产生生理效应。

此型受体主要有表皮生长因子受体（EGFR），胰岛素受体（IR），血小板衍生生长因子受体（PDGFR）等。此型受体的主要功能与细胞生长及有丝分裂的调控有关。

⑷转录调控型受体：此型受体分布于细胞浆或细胞核内，其配体通常具有亲脂性。结合配体的受体被活化后，进入细胞核作用于染色体，调控基因的开放或关闭。受体的分子结构有共同特征性结构域，即分为高度可变区-DNA结合区及绞链区-激素结合区。①高度可变区：不同激素的受体此区的一级结构变化较大，其功能主要是与调节基因转录表达有关。②DNA结合区及绞链区：此区的功能是与受体被活化后向细胞核内转移（核转位）并与特异的DNA顺序结合有关。③激素结合区：一般情况下，此区与一种称为热休克蛋白90（hsp90）的蛋白质结合在一起而使受体处于失活状态。

四、受体与配体的结合特点：

1．高度的亲和力：配体与其受体的结合具有高度亲和力，多数配体与受体的解离常数为10-11～10-9mol/L。

2．高度的特异性：指一种激素或细胞因子只能选择性与相应的受体结合的性质。

3．可逆性：配体与受体通常通过非共价键而结合。

4．可饱和性：由于存在于细胞膜上或细胞内的受体数目是一定的，因此配体与受体的结合也是可以饱和的。

5．结合量与效应成正比：配体的浓度越大，配体与受体的亲和力越大，受体的数目越多，则配体与受体的结合量越大，产生的生理效应也越大。

五、细胞信息传递途径：

1．cAMP-蛋白激酶A途径：

通过这一途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺类激素、胰高血糖素、腺垂体的激素、下丘脑激素等。其受体属于G蛋白偶联型膜受体，G蛋白有激活型的Gs和抑制型的Gi两种。腺苷酸环化酶（AC）存在于细胞膜上，可接受G蛋白的信号而被激活，催化ATP转化为cAMP，导致细胞内cAMP浓度升高，从而激活蛋白激酶A（PKA）。PKA是一种四聚体，两个亚基为催化亚基，两个亚基为调节亚基。当调节亚基与cAMP结合后发生变构（每一调节亚基可结合两分子cAMP），与催化亚基解聚，从而使催化亚基激活。PKA可促使多种酶或蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化，改变酶的催化活性或蛋白质的生理功能。

2．IP3，Ca2+-CaM激酶途径：

通过此途径传递信号的第一信使主要有：①激素：儿茶酚胺、血管紧张素Ⅱ等。②生长因子：PDGF、EGF等。③神经递质：乙酰胆碱、5-羟色胺等。其受体可为G蛋白偶联型，也可为酪氨酸蛋白激酶型。G蛋白为Gp型。通过Gp蛋白介导，存在于细胞膜上的PLCβ可被激活；而PLCγ则是在受体的酪氨酸蛋白激酶催化下，其酪氨酸残基被磷酸化修饰而激活。PLC激活后，可催化膜上的磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸（PIP2）水解成为二脂酰甘油（DAG）及1,4,,5-三磷酸肌醇（IP3）。当IP3与存在于内质网膜上的IP3受体结合后，钙通道开放，贮存于内质网中的Ca2+释放进入胞液，引起胞液中Ca2+浓度升高。胞液中的钙调蛋白（CaM）与Ca2+结合发生变构，从而激活依赖Ca2+/CaM的蛋白激酶（CaM激酶），催化数十种酶或蛋白质的磷酸化修饰，产生相应的调节作用。

3．DAG-蛋白激酶C途径：

此途径的第一信使与IP3，Ca2+-CaM激酶途径相似，也通过Gp型和另一种G蛋白介导信息，激活磷脂酶C（PLC）和磷脂酶D（PLD）。PLD是存在于细胞膜上的另一种磷脂酶，在Ca2+的存在下，可将磷脂酰胆碱水解成为磷脂酸（PA），PA可进一步在磷脂酸磷酸水解酶（PAP）的催化下水解生成DAG，是DAG的另一生成途径。胞液中DAG浓度升高，可致蛋白激酶C激活。该酶可催化底物蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化。经典的蛋白激酶C需在Ca2+，DAG和磷脂酰丝氨酸的存在下才能被激活。

4．Ras-MAPK途径：

已知胰岛素和大部分的生长因子经此途径传递信号。主要过程为：EGF + EGFR → SHC磷酸化 → 形成SHC-SOS-GRB2-Ras复合体 → Ras激活 → Raf-1激酶↑ → MEK1/2 ↑ → ERK1/2 ↑ → 细胞生长与调亡。

5．胞内受体介导途径：

通过细胞内受体传递信号的第一信使有：①类固醇激素；②1,25-(OH)2D3；③甲状腺激素。当激素与受体结合后，引起hsp90与受体解离，受体被活化；活化受体核转移并与HRE结合；特异基因去阻遏且RNA聚合酶活性增高，特异基因表达及特异蛋白质合成，产生特定的生理效应。——————————

第二十一章癌基因和抑癌基因

一、癌基因的概念及分类：

癌基因（oncogene)是指存在于正常细胞内，与细胞生长发育调控有关的一组结构基因。癌基因可按其来源不同而分为病毒癌基因（v-onc）和细胞癌基因（c-onc）。

1．病毒癌基因：

具有致癌性的肿瘤病毒有两种类型：一种是DNA肿瘤病毒，另一种是RNA病毒即逆转录病毒。DNA肿瘤病毒的基因组的早期功能基因编码转化蛋白，如病毒SV40的 A基因编码大T抗原，分布于胞核，可与p53结合而使之失活。RNA病毒基因组中可含有致癌基因，并表达相应的转化蛋白，感染动物后即可诱发肿瘤。

2．细胞癌基因：

细胞癌基因(c-onc)又称为原癌基因(protooncogene)，大多数的原癌基因属于调控细胞生长分化的正常基因，原癌基因的蛋白产物是通过影响细胞生长分化中的控制系统而起作用的。原癌基因激活后可引起细胞生长分化失控，从而导致细胞癌变。目前发现的细胞癌基因已超过100种，根据这些基因表达蛋白产物的功能可将细胞癌基因分为四大类：

⑴生长因子类：如c-sis癌基因，其编码产物为PDGF的β链。

⑵G蛋白类：如ras家族，其编码产物为存在于细胞膜上的G蛋白，能传递生长信号。

⑶受体及信号蛋白类：如src家族，其编码产物为细胞内的生长信号传递蛋白，通常含酪氨酸蛋白激酶活性。

⑷转录因子类：如myc家族和myb家族，其编码产物为存在于细胞核内的转录因子。

二、癌基因的激活机制：

1．插入激活：指来源于病毒等的启动子或增强子插入到细胞癌基因的附近或内部而使其开放转录。

2．基因重排：基因从正常位置转移到另一位置，常常是插入一启动子后而使其转录活性增加。

3．基因扩增：基因数量的增加。

4．突变点：ras癌基因的点突变，导致其GTPase活性下降，从而使其保持激活状态。

三、抑癌基因及其作用机制：

抑癌基因又称为抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细胞中，其编码产物能抑制细胞生长增殖的一组结构基因。常见的抑癌基因有Rb基因，p53基因，p16基因等。其中，Rb基因编码p105Rb转录因子，p53基因编码p53转录因子，p16基因编码一种p16蛋白。

1．Rb基因的作用机制：

Rb基因的失活主要与视网膜母细胞瘤的发生相关。低磷酸化型的p105Rb可与促进细胞分裂的转录因子E2F结合形成复合物，从而阻止E2F对某些与细胞增殖相关的基因启动转录。高磷酸化型的p105Rb则可促使其与E2F转录因子分离，从而使其呈现活性，细胞即由G1期进入S期。

2．p53基因的作用机制：

p53蛋白一般都位于核内，可与特异的DNA片段结合。其酸性区域具有许多转录调节因子的共同特征，并与寡聚体的形成有关。p53蛋白能以四聚体的形式与DNA结合，调节其它基因的表达。p53蛋白的生物学功能有：① 转录调节及抑制细胞生长的作用：p53蛋白促进WAF1/CIP1基因表达产生一种分子量为21kD的蛋白质（p21WAF1/CIP1），诱导细胞生长停滞于G1期。② 参与程序性细胞凋亡：p53 蛋白启动不能修复的损伤细胞进入程序性凋亡。③ 抑制DNA复制：p53蛋白与复制蛋白A(repA)结合后可抑制其与单链DNA的结合，阻止细胞进入S期。

第二十三章分子生物学常用技术

一、分子杂交与印渍技术的原理：

1．分子杂交：

不同来源的单链核酸（DNA或RNA），只要它们具有大致相同的碱基序列，经过退火处理，就能重新形成杂种双螺旋，这一现象称为分子杂交（molecular hybridization）。利用这