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第一章 蛋白质的结构与功能
第一章 蛋白质的结构与功能
第一节 蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
主要有碳、氢、氧、氮、硫。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此，可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。
每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量（g%）
二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸
蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下，最终水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是天门冬氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨酸（1938年）。

（一）氨基酸的结构通式
组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点：
1．氨基连接在α- C上，属于α-氨基酸（脯氨酸为α-亚氨基酸）。
2．R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。

手性碳也叫不对称碳，指连接在C上的四个基团都不一样，可以看看甘氨酸的结构图，有两个H，因此甘氨酸是个特例。

（二）氨基酸的分类
按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基本、酸性氨基酸和碱性氨基酸四种。
非极性疏水性氨基酸：甘（Gly）、丙（Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（Phe）、脯（Pro）
极性中性氨基本：侧链带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：色（Trp）、丝（Ser）、酪（Tyr）、苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、半（Cys）、蛋(Met)
酸性：（侧链含有COOH，共2种）：天（Asp）、谷（Glu）
碱性：（侧链含有额外的氨基，共3种）赖（Lys）、精（Arg）、组（His）。
最常问到的是酸性或碱性氨基酸，除此之外还有几种需要知道的：含硫氨基酸：半胱、蛋氨酸；含苯环：苯丙、酪、色氨酸；含亚氨基：脯氨酸。氨基酸修饰：羟脯氨酸；除了这20种氨基酸，其他的像瓜氨酸、同型半胱氨酸只参与到某性代谢过程，不能组成蛋白质
蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。

（三）氨基酸的重要理化性质
1．紫外吸收性质  苯丙、酪、色氨酸含有苯环共轭双链，具有紫外吸收特性，酪、色在280nm处有吸收峰值（其中以色氨酸最强），而绝大多数蛋白质都含有这两种氨基酸，故可用于粗略估算蛋白质含量。
2．两性解离和等电点（isoelectric point, pI）
氨基酸含有碱性的氨基和酸性的羧基，既可作为酸（质子供体），又可作为碱（质子受体）起作用，是两性电解质，其解离度与溶液的pH有关。
在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等，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（isoelectric point,pI)
注意：pH>pI，氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动，相反，pH易与DNFB作用生成稳定的黄色2，4-二硝基苯氨基酸（DNP-氨基酸），这一反应在蛋白质化学的研究史上起过重要作用，Sanger等人应用它测定胰岛素一级结构。
三、肽（peptide）
1．肽键与肽链
一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水形成的酰胺键称为肽键。由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。肽键及其两端的α-碳原子相连所形成的长链骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα…称为多肽主链，—CαCN—是重复单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链的方向性是从N末端指向C末端。
肽分子中所有的氨基酸都参与脱水反应，因此都是不完整的氨基酸，称为氨基酸残基肽链的书写顺序是按其序列从N端到C端。一般10肽以下属寡肽，10肽以上为多肽。
2．生物活性肽
（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）
顾名思义，由谷、半胱、甘氨酸组成的一种三肽，半胱氨酸的-SH（巯基）是主要功能基团，GSH是一种抗氧化剂，是某些酶的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护巯基蛋白和酶的活性。在GSH过氧化物酶的作用下，GSH还原细胞内产生的H2O2，生成H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH还原酶催化下，又生成GSH。
（2）多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑—垂体分泌的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）等。催产素和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩，有催产和使乳腺泌乳的作用；后者能使小动脉收缩，增高血压，也有减少排尿的作用。 
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。随着脑科学的发展，会发现更多的生物活性肽。

第一章 蛋白质的分子结构（2）
第一章 蛋白质的结构与功能
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质是生物大分子，结构比较复杂，人们用4个层次来描述，包括蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。一级结构描述的是蛋白质的线性（或一维）结构，即共价连接的氨基酸残基的序列，又称初级或化学结构。二级以上的结构称高级结构或构象（conformation）。
一、蛋白质的一级结构（primary structure）
蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构，主要的化学链是肽键。
二、蛋白质的二级结构（secondary structure）
蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列，是主链构象（不包括侧链R基团）。维持二级结构的化学键主要是氢键。
肽单元（或称肽平面，肽单位等）
肽键及其两端的α-C共6个原子处于同一平面上，组成了肽单位（所在的平面称肽键平面）。
肽键有部分双键的性质，不能自由旋转。
蛋白质的主链骨架由许多肽键平面连接而成。
1.α-螺旋(α-helix)
α-螺旋是肽键平面通过α-碳原子的相对旋转形成的一种紧密螺旋盘绕，是有周期的一种主链构象。其特点是：
① 螺旋每转一圈上升3.6个氨基酸残基，螺距约0.54nm（每个残基上升0.15nm，旋转100O）。
②螺旋的走向绝大部分是右手螺旋，残基侧链伸向外侧。R基团的大小、荷电状态及形状均对α-螺旋的形成及稳定有影响。
2.β-折叠(β-pleated,β- sheet)
β-折叠是一种肽链相当伸展的周期性结构。
① 相邻肽键平面间折叠成锯齿状。
② 两个以上具β-折叠的肽链或同一肽链内不同肽段相互平行（方向相同）或反平行（方向相反）排列，其稳定因素是肽链间的氢键。
3．β-转角（β-turn）
多肽链180度回折成β-转角。稳定β-转角的作用力是第一个氨基酸残基羰基氧（O）与第四个氨基酸残基的氨基氢（H）之间形成的氢键。β-转角常见于连接反平行β-折叠片的端头。
4．无规卷曲（random coil）
多肽链的主链呈现无确定规律的卷曲。
模体(motif)
或称为模序、基序、超二级结构等，指的都是Motif。指蛋白质中两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一特殊的组合体，又称为模体（motif）。最常被提及的是钙结合蛋白质中的螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。
三、蛋白质的三级结构（tertiary structure）
指一条多肽链中所有原子的整体排布，包括主链和侧链。维系三级结构的作用力主要是次级键（疏水相互作用、静电力、氢键等）。通常疏水性基团被包在蛋白分子内部，而亲水基团在表面，增加蛋白水溶性。
四、蛋白质的四级结构 (quaternary structure)
有些蛋白质的分子量很大，由2条或2条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互结合而成，称为蛋白质的四级结构。构成四级结构的每条多肽链称为亚基 (subunit)，亚基单独存在时一般没有生物学功能，构成四级结构的几个亚基可以相同或不同。如血红蛋白(hemoglobin,Hb) 是由两个α-亚基和两个β-亚基形成的四聚体（α2β2）。
最后，来个视频看一下氨基酸和蛋白质的四级结构。
结构
概念
化学键
一级结构
ＡＡ排列顺序
肽键、二硫键
二级结构
局部主链空间位置
氢键
三级结构
全部AA空间位置
疏水键、离子键、氢键、van   der waals力
四级结构
各亚基的空间排布
氢键、盐键
第三节 蛋白质结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构与功能的关系
（一）一级结构是空间构象的基础
蛋白质的空间结构被破坏，而一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。
（二）分子病
最常见的例子：镰状红细胞贫血，是β亚基第6位的谷氨酸被缬氨酸替代而造成的。
视频中蓝色发光的是氧分子，正常的血红蛋白能可逆地也氧分子结构，而突变的血红蛋白（绿色的缬氨酸）聚合在一起形成纤维状。失去运氧能力。
二、蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质的空间结构是其生物活性的基础，空间结构变化，其功能也随之改变。
Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象（紧张态，T型），与氧的亲和力小。只要有一个亚基与氧结合，就能使4个亚基间的盐键断裂，变成松弛的构象（松弛态，R型），与氧的亲和力增大。T型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合是正协同效应，其理论解释是Hb是别构蛋白，有别构效应。

第一章 蛋白质的理化性质（3）
第一章 蛋白质的结构与功能
第四节 蛋白质的理化性质
蛋白质的理化性质和氨基酸相似，有两性解离及等电点、紫外吸收和呈色反应。作为生物大分子，还有胶体性质、沉淀、变性和凝固等特点。要了解和分析蛋白质结构和功能的关系就要利用其特殊的理化性质，采取盐析、透析、电泳、层析及离心等不损伤蛋白质空间构象的物理方法分离纯化蛋白质。
一、蛋白质的两性解离
蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在溶液中的荷电状态受pH值影响。
当蛋白质溶液处于某一pH时，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，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。
pH＞pI时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。电泳技术就是根据这一特性而设计的。在人体体液中多数蛋白质的等电点接近pH5，所以在生理pH7.4环境下，多数蛋白质解离成阴离子。
二、蛋白质的胶体性质
蛋白质的相对分子质量在1万~100万，其颗粒平均直径约为4.3nm（胶粒范围是1~100nm）。颗粒表面的水化膜和同种电荷是其稳定的重要因素，破坏这两个因素，可使蛋白质发生沉淀。
三、蛋白质的变性、沉淀和凝固
蛋白质在某些理化因素的作用下，空间结构被破坏，导致理化性质改变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性（denaturation）。
变性主要是空间结构的改变，不涉及一结构的改变。
蛋白质自溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂都可沉淀蛋白质。
盐析指使用硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等中性盐可破坏蛋白质溶液的表面电荷及水化膜，使蛋白质沉淀，盐析沉淀的蛋白质不变性，是分离制备蛋白质的常用方法。
乙醇、丙酮均为脱水剂，可破坏水化膜，降低水的介电常数，使蛋白质的解离程度降低，表面电荷减少，从而使蛋白质沉淀析出。低温时，用丙酮沉淀蛋白质，可保留原有的生物学活性。但用乙醇，时间较长则会导致变性。
重金属盐（Hg2+、Cu2+、Ag+），在pH>pI时，与蛋白质结合发生不可逆的变性并沉淀。
pH>pI时，蛋白质带负电荷，才有可能与带正电荷的金属离子结合
蛋白质变性不一定沉淀（如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中）；凝固一定变性，因为是蛋白质变性发展的不可逆的结果。沉淀的蛋白质不一定变性（如盐析）。

第二章 核酸的结构与功能
第一节   核酸的化学组成
天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的细胞核和线粒体中；RNA分子参与遗传信息表达的一些过程，主要存在于细胞质。
一、核酸的基本组成单位
核酸是一种多聚核苷酸，用不同的降解法得到其组成单位——核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。
（一）戊糖
DNA含β-D-2-脱氧核糖，RNA含β-D-核糖。这是核酸分类的依据。核糖中的C记为1＇……5＇，脱氧核糖之所以叫脱氧核糖，是脱掉了第2位碳原子上连接的氧。

（二）碱基（base）
核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。有5种基本的碱基外，还有一些含量甚少的稀有碱基。DNA和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。而嘧啶碱有所不同：RNA主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。
tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。

（三）核苷
碱基和戊糖通过糖苷键连接生的糖苷。碱基连接在戊糖的第1位碳原子上。
（四）核苷酸
是核苷与磷酸形成的磷酸酯。常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。
三个字母的简写中第一个字母代表碱基，如AMP的A代表腺嘌呤，第二个字母代表数字，M=mono（单，一），D=di(双，二），T＝tri（三），第三个字母P指磷酸。因此AMP就是一磷酸腺苷，而常说的ATP就是三磷酸腺苷。脱氧核苷酸简写前面的小写d＝deoxy（脱氧），这些简写在生物化学中经常遇到，应该知道。
二、核苷酸的连接方式
RNA和DNA链都有方向性，从5＇→  3＇。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，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5＇末端和3＇末端。大分子的主链由相间排列的戊糖和磷酸构成，而碱基可看作主链上的侧链基团，主链上的磷酸基是酸性的，在细胞pH下带负电荷；而碱基有疏水性。

第二节    DNA的分子结构
一、  DNA的一级结构 (primary stucture)
DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，碱基序有严格的方向性（  5＇→  3＇） 。          
二、DNA的二级结构——双螺旋(double helix)  
1953年，Watson和Crick提出了著名的双螺旋模型。Watson-Crick 双螺旋结构模型如下图：
1．两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5＇→  3＇，另一条为3＇→  5＇。
2．碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。
3．螺距为3.4 nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34nm。螺旋直径为2 nm。
4. 氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。

DNA构象有多态性。其结构与温度、湿度、盐浓度等条件有关，前面介绍的经典的双螺旋称为B-DNA。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。1979年Rich发现Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm）
三、DNA的三级结构
DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。
某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。
1．原核生物的环形DNA
原核生物的DNA多数形成封闭的环状，环可以再次盘绕形成超螺旋。

2．真核细胞染色体  
真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串的“念珠”状。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。组蛋白有5种，H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。串珠状结构再次盘曲形成纤维状，纤维状盘曲成柱状，最后形成染色体。DNA就是通过这种方式，将直线长度约1米长的人类DNA容纳于数个微米的细胞核中。
四、DNA的功能
DNA的功能是贮存遗传信息，并作为复制和转录的模板。
DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，人类基因组有3×109 bp，含4万个基因。

第二章 核酸的结构与功能（3-4节）
第三节 RNA的分子结构
RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。                              
按照功能的不同和结构的特点，RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA，是成熟mRNA的前体）
一、信使RNA（messenger RNA，mRNA）
hnRNA经过剪接加工转变为成熟的mRNA。
mRNA的功能，是转录DNA中贮存的遗传信息，并作为直接模板指导蛋白质的合成。
· 细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。
· 代谢活跃，寿命较短。
· 真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：5＇-末端加有一个“帽”式结构,（m7 Gppp），  3＇-  末端有多聚A（polyA）尾。这两种结构具有稳定mRNA结构，调控蛋白质翻译等功能。
· 中间是每三个核苷酸一组组成的密码子，与所翻译的蛋白质的氨基酸序列相对应。
二、转运RNA（transfer RNA，tRNA）
主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。
· 分子量最小的RNA。
· 含有稀有碱基（rare bases)，指出了前面介绍的A,U,C,G之外的其他碱基，如氢尿嘧啶，假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等。
· 形成茎环状结构(stem-loop)
· 3'-末端有CCA,能与氨基酸结合，称氨基酸接纳茎。
· 含有反密码子环，识别mRNA上的密码子。
· 二级结构：三叶草形； 三级结构：倒L形。

三、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）
功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。
· 含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%。
· 核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5S rRNA在大亚基，16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。
RNA
特点
功能
mRNA
帽子、尾巴、密码子
蛋白合成的模板
tRNA
稀有碱基，茎环、反密码子
转运氨基酸
rRNA
含量最多
与蛋白结合形成核糖体，是蛋白合成的场所
第四节 核酸的性质
一、一般理化性质
1．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．RNA在室温下易被稀碱水解，DNA较稳定，此特性用来测定RNA的碱基组成和纯化DNA。
4．紫外吸收，嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，具有紫外吸收特性最大吸收峰在260nm处，注意：蛋白质的紫外吸收峰值是280nm。
二、核酸的变性和复性
1．变性的概念
在理化因素作用下，核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。变性的因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。变性的本质是双螺旋之间的氢键断裂，核苷酸排列顺序并没有改变。变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应）。
2．DNA的变性和Tm
DNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（Tm）。变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大（GC之间是三个氢键，而AT之间只有两个，故打开GC多的DNA需要更高的温度）；DNA越长，Tm越大。
3．DNA的复性与分子杂交  
变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火（annealing）。
分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization

第三章 酶
第一节 酶的结构与功能
酶（enzyme)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。另外还有一类具有催化作用的核酸，称为核酶。
几个基本概念：
酶所催化的反应称为酶促反应。
在酶促反应中被催化的物质称为底物，反应的生成物称为产物。
酶所具有的催化能力称为酶活性。
一、酶的作用特点
酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共性，如在反应前后酶的质和量不变；只催化热力学允许的化学反应，即自由能由高向低转变的化学反应；不改变反应的平衡点。但是，酶是生物大分子，又具有与一般催化剂不同的特点。
1．极高的催化效率
2．高度的特异性
特异性又分三类：

· 绝对特异性：一种酶只催化一种底物。如脲酶仅催化尿素水解。
· 相对特异性：一种酶可催化一大类底物。如酯酶可水解各种有机酸和醇形成的酯。
· 立体异构特异性：只催化某一构象的底物。如L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，对D-氨基酸无作用。

3．酶活性的可调节性
酶促反应受多种因素的调控，可通过酶的合成与分解、酶活性的抑制或激活等形式的调节，以适应机体在不同环境下的需求。
4．酶的不稳定性
酶主要是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比较温和的条件（37℃、pH7）。
二、酶的分类
根据国际酶学委员会（International Enzyme Commission，IEC）的规定，按照酶促反应的性质，分为六大类：
1．氧化还原酶（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。
2．转移酶（transferases）催化底物之间某些基团的转移或交换。如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。
3．水解酶（hydrolases）催化底物发生水解反应。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。
4．裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基团（形成双键的反应或其逆反应）。如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合成酶等。
5．异构酶(isomerases)催化各种同分异构体之间相互转化。如磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。
6．合成酶(ligases)催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有ATP的分解释能。如谷氨酰胺合成酶、氨基酸-RNA连接酶等。
三、酶的分子组成
（一）单纯酶和结合酶
单纯酶是仅由肽链构成的酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。
结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白(apoenzyme)，决定酶的特异性和高效率；后者称为辅助因子(cofactor)，决定反应的种类和性质。两者结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme），结合酶单纯的酶蛋白或辅助因子是没有催化活性的，只有两者结合才有活性。
（二）酶的辅助因子
酶的辅助因子指酶中的非蛋白质成分，主要是金属离子或小分子有机化合物。
根据辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度，又分为辅酶和辅基。
辅酶与酶蛋白结合较疏松，可以通过透析、超滤等方法去除。而辅基与酶蛋白结合紧密，不能通过上述方法去除。
最常见的辅助因子是金属离子，约2/3的酶含有金属离子，参与酶的活性中心；在酶蛋白与底物之间起桥梁作用；维持酶分子发挥催化作用所必需的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
有机小分子类辅助因子中，主要是一类含有维生素的有机分子，参与传递电子、质子或转移基团。
四、酶的活性中心
一些与酶活性密切相关的化学基团称为必须基团。
酶的活性中心（active center）是它结合底物和将底物转化为产物的区域，又称活性部位。
从其定义中可以看出活性中心有两个功能：结合底物和催化底物的功能。酶活性部位的基团属必需基团，也分两种：一是结合基团，其作用是与底物结合，生成酶-底物复合物；二是催化基团，其作用是影响底物分子中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并促进底物转变成产物，也有的必需基团同时有这两种功能。还有一些化学基团位于酶的活性中心以外的部位，为维持酶活性中心的构象所必需，称为酶活性中心以外的必需基团。
注意活性中心与必须基团的关系：活性中心中肯定有必须基团，但必须基团不一定都在活性中心内。why?
五、酶原激活
没有活性的酶的前体称为“酶原”，酶原转变成酶的过程称为酶原激活。其实质是酶活性部位形成或暴露的过程。酶原的激活具有重要的生理意义，不仅保护细胞本身不受酶的水解破坏，而且保证酶在特定的部位与环境中发挥催化作用。
胰蛋白酶在最初合成和分泌时，没有催化活性。胰蛋白酶原随胰液进入小肠时被肠激酶激活，自N端切除一个6肽，促使酶的构象变化，形成活性中心，转变成有活性的胰蛋白酶。急性胰腺炎就是因为胰蛋白酶原因某些原因在胰腺内被激活，引起胰腺自身消化而引起的。
六、同工酶（isozymes）
具有不同的分子形式但却催化相同的化学反应的一组酶称为同工酶。乳酸脱氢酶（LDH）由两种不同类型的亚基组成5种分子形式：H4、H3M、H2M2、HM3、M4，它们的分子结构、理化性质和电泳行为不同，但催化同一反应。M亚基主要存在骨骼肌和肝脏，而H亚基主要在心肌。心肌梗死的情况可通过血液LDH同工酶的类型的检测确定。

第三章 酶（2）
第二节 酶的作用机制
一、酶的催化本质
化学反应中从一种状态转变到另一种状态，都需要一定的能量才能实现，相当于一个门槛，只有越过这个门槛反应才能进行。这种活化所需的能量称为活化能。酶促反应大大加快反应速度的本质，就是降低的反应所需的活化能。
二、诱导契合学说
1958年Koshland提出诱导契合模型，底物的结合在酶的活性部位诱导出构象变化；酶也可使底物变形，迫使其构象近似于它的过渡态。这种作用是相互诱导、相互变形、相互适应的柔性过程。
三、影响酶催化效率的因素
酶促反应高效率的原因常常是多种催化机制的综合应用，除酶-底物结合的诱导契合假说外，还有：
（一）邻近效应与定向排列
（二）多元催化    酶分子中含有多种不同功能基团，如氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。既可作质子供体，又可作质子受体，使同一酶分子常可起广义酸催化和碱催化；即可起亲核催化，又可起亲电子催化。这些因素并不是在所有的酶中同时都一样的起作用，对不同的酶起主要作用的因素不完全相同。
第三节 酶促反应动力学
反应的速率也称速度（velocity），是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来表示。当研究某一因素对酶促反应速度的影响时，体系中的其他因素保持不变，作单因素研究。
一、酶浓度对反应速度的影响
当底物浓度远大于酶浓度时，酶促反应速度与酶浓度的变化成正比。
二、底物浓度对酶反应速度的影响                                                
（一）米-曼氏方程式
底物浓度对酶促反应速度的影响呈双曲线。当底物浓度较低时，V与[S]呈正比关系（一级反应）；随着[S]的增高，V的增加逐步减慢（混合级反应）；增到一定程度，V不再增加而是趋于稳定（零级反应）。
当[S]＜＜ Km时，v = Vmax [S] /Km，反应速度与底物浓度成正比；当[S]＞＞Km 时 ，v≌Vmax，反应速度达到最大速度，再增加[S]也不影响V。
（二）Km的意义
1． Km是反应速率v等于最大速率一半时的底物浓度，单位为摩尔/升（mol/L）。
2．Km值可用来表示酶对底物的亲和力。Km值越小，酶与底物的亲和力越大；反之，则越小。
3．Km是酶的特征性常数，它只与酶的结构和酶所催化的底物有关，与酶浓度无关。
三、pH对反应速度的影响              
每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活力，酶表现最大活力时的pH称为酶的最适pH。最适pH的微小偏离可使酶活性部位的基团离子化发生变化而降低酶的活性，较大偏离时，维护酶三维结构的许多非共价键受到干扰，导致酶蛋白的变性。
酶的最适pH不是固定的常数，受酶的纯度、底物的种类和浓度、缓冲液的种类和浓度等的影响。一般酶的最适pH在4~8之间，
四、温度对反应速度的影响
多数哺乳动物的酶最适温度在37℃左右，当速度超过最适温度后，活性可急速下降，其本质是因高温引起的蛋白质变性。
五、激活剂对反应速度的影响
凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（activator）。使酶由无活性变成有活性的激活剂称必需激活剂；由低活性变为高活性的称非必需激活剂，Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活剂。
六、抑制剂对反应速度的影响
使酶活性下降而不导致酶变性的物质称为酶的抑制剂。抑制剂作用有可逆和不可逆抑制两类。以可逆抑制最为重要。
（一）不可逆抑制作用
这类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，一般不能用透析、超滤等物理方法去除。这类抑制作用可用某些药物解毒，使酶恢复活性。如农药敌百虫、敌敌畏、1059等有机磷化合物能特异地与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合，使酶失活，导致乙酰胆碱不能水解而积存。迷走神经兴奋呈现中毒状态。解磷定（PAM）可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用，显然这类解毒药物和有机磷农药结合的强度大于和酶结合。重金属盐引起的巯基酶中毒，可用络合剂或加入其他过量的巯基化合物，如二巯基丙醇（BAL）来解毒。
（二）可逆抑制作用
这类抑制剂通常以非共价键与酶可逆性结合，使酶活性降低或失活，采用透析、超滤的方法可去除抑制剂，恢复酶活性。可逆抑制有竞争、非竞争、反竞争3种类型

类型
作用特点
结果
竞争性抑制
抑制剂与底物相似，竞争性地与活性中心结合
Vmax不变，Km变大
非竞争性抑制
与活性中心以外的必需基团结合，不影响酶与底物结合，但底物无法转变成产物
Vmax变小，Km不变
反竞争性抑制
与酶－底物复合物结合
Vmax变小，Km变小

在竞争性抑制里，磺胺类药物作用过程需要知道：细菌繁殖需要合成核酸，其中一个原料是二氢叶酸，二氢叶酸合成酶以对氨基苯甲酸为原料合成二氢叶酸。磺胺类药物与对氨基苯甲酸结构相似，以竞争性抑制的形式与二氢叶酸合成酶结合，干扰二氢叶酸的合成。

第六章 生物氧化
第一节 生物氧化
一、生物氧化的概念、特点和部位
1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。
2.生物氧化的形式：加氧，脱氢，失电子。
2.特点：
（1）在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。
（2）能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需（约40%）。
（3）生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应；CO2由有机酸脱羧产生。
（4）生物氧化的速度由细胞自动调控。
3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行。
二、生物氧化的酶类
主要有氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。
 氧化酶为含铜或铁的蛋白质，能激活分子氧，促进氧对代谢物的直接氧化，只能以氧为受氢体，生成水。
 脱氢酶分需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶。
三、生物氧化中二氧化碳的生成
生物氧化中CO2的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。有直接脱羧和氧化脱羧两种类型。按脱羧基的位置又有α-脱羧和β-脱羧之分。
四、生物氧化中水的生成
 （一）呼吸链的概念和类型
代谢物受脱氢酶作用脱下的氢，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transfer chain）。
在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用（2H→2H++2e）。
生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成ATP的数量及应用有差别。NADH氧化呼吸链应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大多数是通过该呼吸链来完成的。琥珀酸氧化呼吸链在Q处与上述NADH氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH或NADPH脱氢。
（二）呼吸链的组成
 组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。
1．辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ
辅酶Ⅰ（NAD+或CoⅠ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶Ⅱ（NADP+或CoⅡ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，是递氢体。以NAD+作为辅酶的脱氢酶占多数。
2．黄素酶
黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FMN是NADH脱氢酶的辅基，FAD是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，为递氢体。 
3.泛醌（又名辅酶Q）
一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。分子中的苯醌为接受和传递氢的核心。
4.铁硫蛋白
其中的Fe-S起传递电子的作用。
5.细胞色素类
细胞色素（cytochrome, Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内，因有颜色而得名。已发现的有30多种，按吸收光谱分a、b、c三类，每类又有好多种。其中的铁原子可传递电子。
Cyta和a3 结合紧