生物化学总结ppt课件.ppt

,生 物 化 学,内容总结,氨基酸（重点）蛋白质的结构与性质（重点）酶（重点）核酸（重点）信号转导 代谢概况、生物能学、生物膜与物质运输 糖酵解（重点）三羧酸循环（重点）,电子传递与氧化磷酸化（重点）HMP途径、糖异生、乙醛酸循环（重点）糖原的代谢 脂肪酸代谢（重点）光合作用 氨基酸代谢（重点）核苷酸代谢核酸分子生物学（重点）,蛋白质（重点）,蛋白质概况；蛋白质的共价结构；蛋白质的三维结构；蛋白质的结构与功能的关系；蛋白质的分离、纯化与鉴定；,蛋白质概况,蛋白质的化学组成：碳（50%）、氢（7%）、氧（23%）、氮（16%）、硫（0-3%）、其它元素微量；蛋白质的平均含氮量为16%，此为凯氏定氮法测定蛋白质含量的基础。,蛋白质是一类最重要的生物大分子，英文称protein，意为“最原初的，第一重要的”。,分类,单纯蛋白质（如清蛋白、球蛋白、组蛋白、谷蛋白、硬蛋白等）,缀合蛋白质（如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、金属蛋白、黄素蛋白等）,分类：按生物学功能可将蛋白质分为酶、调节蛋白、结构蛋白、转运蛋白等等；,分类,分类,纤维状蛋白质（一般不溶于水。典型的有：胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白、肌球蛋白等）,球状蛋白质（可溶性好。典型的有：胞质酶类等）,膜蛋白（与细胞的膜系统结合而存在）,单体蛋白质,（寡）多聚蛋白质,蛋白质结构的层次,构象：指具有相同结构式和相同构型的分子在空间里可能的多种形态；构象形态间的改变不涉及共价键的破裂！每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或三维结构，称之为蛋白质的构象；一个给定的蛋白质可以有多种构象，但只有一种或少数几种在能量上是有利的。,蛋白质的结构,一级结构（即共价结构，指多肽链的氨基酸序列）,二级结构（指多肽链借助氢键形成螺旋和折叠片）,三级结构（指多肽链借助各种非共价键弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状结构）,四级结构（指多聚蛋白质的各亚基之间在空间上的相互缔合关系）,蛋白质的一级结构即多肽链的氨基酸序列决定蛋白质的高级结构！,蛋白质的功能：催化、调节、转运、储存、运动、结构组分、支架作用、免疫、异常功能；,蛋白质的共价结构（一级结构）,氨基酸残基 肽（键）蛋白质一级结构的测定 氨基酸序列与生物功能 肽的人工合成,知识点,氨基酸残基：肽链中的氨基酸由于参加肽键的形成因而 不在是原来完整的分子，称为氨基酸残基；两个氨基酸形成一个肽键时失去一分子水，因此失去的水分子数比氨基酸残基数少一个。每个氨基酸残基的平均分子量为110。肽：由两个或多个氨基酸残基通过肽键相连而形成的化合物；肽有寡肽和多肽之分。一条肽链通常在一端含有一个游离的末端氨基，称为N-末端，而另一端含有一个游离的末端羧基称为C-末端；,肽键,具有部分双键的性质,肽键比一般碳-氮单键短,与肽键相连的氢原子和氧原子呈反式构型,肽键不可自由旋转,肽的理化性质：肽键的酰氨氢不解离，肽的酸碱性质主要决定于肽键中的游离末端-NH2、-COOH及侧链R基上的可解离基团；肽中末端-羧基的pKa值比游离氨基酸的大，末端-氨基的pKa值比游离氨基酸的小；游离的-氨基、-羧基和R基可发生与氨基酸中相应的类似反应，如茚三酮反应等；蛋白质部分水解后所得的肽若不发生消旋，则具有旋光性，短肽的 旋光度约等于组成氨基酸的旋光度之和，较长的肽的旋光度则不是简单加和；,活性肽：具特殊的生物学功能的肽段，如脑啡肽、谷胱甘肽、肌肽等；,肽,蛋白质一级结构的测定,测定多肽链的数目,蛋白质测序的步骤,拆分多肽链,断开多肽链内的二硫键,测定每一肽链的氨基酸组成,鉴定多肽链的N-末端和C-末端,裂解多肽链为较小的肽段,测定各肽段的氨基酸序列,利用重叠肽重建完整多肽链的一级结构,确定二硫键的位置,蛋白质测序的重要方法,N-末端测定,二硝基氟苯（DNFB）法：肽游离末端NH2与DNFB反应生成DNP-肽，最后水解生成黄色DNP-氨基酸,丹磺酰氯（DNS）法：用DNS取代DNFB，生成DNS-氨基酸,苯异硫氰酸（PITC）法：生成PTH-氨基酸，从肽上断裂下来,氨肽酶法：外切酶，但效果不好,C-末端测定,肼解法：测定C-末端的最重要的化学方法，肽与肼反应，除C-末端氨基酸游离外，其他氨基酸转变为氨基酸酰肼化物,还原法：C-末端氨基酸用硼氢化锂还原成相应的-氨基醇,羧肽酶法：最有效、最常用,羧肽酶A,羧肽酶B,羧肽酶C,羧肽酶Y,二硫键的断裂,过甲酸氧化法：将二硫键氧化成磺酸基,巯基化合物还原法：将二硫键还原成巯基，然后用烷基化试剂如碘乙酸保护巯基，防止其重新被氧化,氨基酸组成的测定：,酸水解：是主要方法，多用HCl，同时辅以碱水解；所得氨基酸不消旋，但Trp全部被破坏，Ser，Thr，Tyr部分破坏，Asn和Gln的酰氨基被水解，生成Asp和Glu；,多肽链的裂解,酶裂解：,胰蛋白酶：专一性强，断裂Lys或Arg的羧基参与形成的肽键,糜蛋白酶：断裂Phe，Trp，Tyr，Leu等疏水氨基酸的羧基端肽键,嗜热菌蛋白酶：专一性差，断裂Val，Leu，Phe，Tyr，Trp等氨基参与形成的肽键,胃蛋白酶：在酸性条件稳定，肽键 两侧均为疏水氨基酸。在确定二硫键位置时，常用到此酶。,其它酶：略,化学裂解：,溴化氰（CNBr）：只断裂Met的羧基形成的肽键,羟氨（NH2OH）：在pH9时，专一性断裂Asn-Gly之间的肽键，其它条件下不专一,肽段的氨基酸测序,Edman化学降解法：用Edman试剂PITC与游离氨基作用生成PTH-氨基酸，并可用各种层析技术分离；用此法降解，一次可连续测出60-70个氨基酸残基的序列；工作量大，操作麻烦；现改用蛋白质测序仪。,酶解法：利用氨肽酶和羧肽酶，局限性大，有困难,质谱法：质谱仪,由核苷酸序列推定法：mRNA cDNA，推出 cDNA的核苷酸序列，然后推测出蛋白质的氨基酸序列,肽段在肽链中次序的确定：需借助重叠肽。重叠肽：由于不同的断裂方法即断裂的专一性不同，产生的切口彼此错位，使两套肽段正好跨过切口而重叠的肽段；获得重叠肽需要两种或两种以上的不同方法断裂同一多肽样品，得到两套或多套肽段。,二硫键位置的确定：一般采用胃蛋白酶水解原来的含二硫键的蛋白质。一是胃蛋白酶专一低，切点多，得到含有二硫键的肽段较小，易分离鉴定；二是在酸性条件下，有利于防止二硫键发生交换反应。,蛋白质的三维结构,研究蛋白质构象的方法：至今研究蛋白质三维结构的成就主要是应用间接的X-射线衍射法；研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法（了解）。,稳定蛋白质三维结构的作用力,非共价键（次级键）,氢键,范德华力,疏水作用：突出地位,离子键（盐键、静电引力）,共价键：二硫键，重要作用,蛋白质的二级结构,无规卷曲,转角,折叠片,螺旋：最常见、最典型、最丰富的二级结构元件,螺旋：是重复性结构，每圈螺旋站3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴上升0.54nm，即螺距值；由氢键封闭的环为13元环；一般为右手螺旋；分子内或链内氢键使之稳定，减少R基间的相互作用或-碳原子无分支结构均利于其稳定，而Pro存在可中断之。,非重复性结构,折叠片：为重复性结构；折叠片的肽链处于曲折的伸展状态；借助链间或肽段间的氢键而稳定；分为平行和反平行折叠片，平行的比反平行的更规则。,纤维状蛋白质：动物体的基本支架和外保护成分，分子具规则的线性结构。,纤维状蛋白质,不溶性（硬蛋白）,可溶性蛋白,角蛋白,胶原蛋白：结缔组织中（骨、皮肤等）大量存在,弹性蛋白：存在于结缔组织,角蛋白：主要存在于毛发中,角蛋白：天然存在于丝中,其它,肌球蛋白,血纤蛋白原,其它,说明：角蛋白经充分伸展后可转变成角蛋白，即折叠片结构。,球状蛋白质：其种类远比纤维状蛋白质多，蛋白质结构的复杂性和功能的多样性主要体现在球状蛋白质；球状蛋白质的整个肽链没有均一的二级结构，但具有多种二级结构元件如螺旋、折叠片、无规卷曲等，由此构建的三级结构结构域，并将球状蛋白质分成4大类；其三维结构具有明显的 折叠层次，且疏水测链球状分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；在多数的胞内酶、血浆蛋白及蛋白类激素都属于球状蛋白质。,超二级结构：由若干相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多，有规则的 二级结构串，并在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。已知有3种基本形式：、。,结构域：在多肽链上由二级结构元件或超二级结构形成的相对独立的 紧密球状实体，是三级结构的局部折叠区。较小的球状蛋白质或亚基是单结构域，而较大的球状蛋白质或亚基是多结构域。结构域可分4类：全结构、，结构、全结构和富含金属或二硫键结构域。,蛋白质变性与蛋白质折叠,蛋白质变性：天然蛋白质分子在受到理化因素的作用时导致溶解度降低、不对称性增高、生物活性丧失及理化特性改变，此过程称之为蛋白质变性。蛋白质变性的实质是分子中次级键被破坏，引起天然构象解体。变性不涉及共价键破坏，即蛋白质一级结构仍保持完好。当变性因素除去后，变性蛋白质又可重新回复到天然构象，此为蛋白质的复性。是否蛋白质变性与复性可逆，仍有疑问。,蛋白质折叠：蛋白质折叠不是随机的而是通过累积选择找到自由能最低的构象；折叠需要折叠酶和分子伴侣参加。分子伴侣：是一类与蛋白质折叠有关的蛋白质家族（来源相同、结构相似、功能相关），它们通过抑制新生肽链不正常的聚集并排除与其他蛋白质不合理的结合而协助多肽链的正确折叠。,亚基缔合与四级结构：在同多聚体蛋白质中，原体就是亚基，而在杂多聚体蛋白质中，原体是由不同的亚基组成；亚基缔合的驱动力主要是疏水相互作用，亚基缔合的专一性由相互作用的表面上的机性基团之间的氢键和离子键决定。,蛋白质的结构与功能的关系,肌红蛋白和血红蛋白是两个研究得最透彻的蛋白质，它们是蛋白质结构与功能的范例。肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质，它和血红蛋白的亚基在氨基酸序列上具有明显的同源性，它们的构象和功能也十分相似。,肌红蛋白,珠蛋白：含153个氨基酸残基，为1条肽链,辅基血红素：原卟啉与Fe的络合物称血红素。,卟啉化合物有很强的着色力，使生物组织呈现特定的颜色。卟啉环中心的铁原子有6个配位键，其中4个与四吡咯环的N原子相连，另2个沿垂直于卟啉环面的轴分布在环面的上下，这两个键合部位分别称为第5和第6配位。铁原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁(Fe3+)，相应的血红素称为亚铁血红素和高铁血红素，相应的肌红蛋白称为亚铁肌红蛋白和高铁肌红蛋白。类似的命名也用于血红蛋白。其中只有亚铁态的蛋白质才能结合O2。在肌红蛋白分子中，血红素共价地结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中。其中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93位His残基的咪唑N配位结合；第6配位键处于开放状态，是O2的结合部位。当第6位被O2分子所占据时，即为氧合肌红蛋白；血红素中Fe2+能进行可逆氧合作用。血红素的铁原子如果处在水环境则容易被氧 化成Fe3+，失去氧合能力，此时H2O分子代替O2成为Fe3+的第6个配体。CO能与O2竞争第6配位键，且结合能力远大于O2。,血红蛋白（Hb）的主要功能是在血液中结合并转运氧气，它存在于红细胞中。Hb的结构：脊椎动物的Hb由4个多肽链亚基组成，其中2个是一种亚基，2个是另一种亚基。如成人的血红蛋白主要是HbA，亚基组成为22，次要组分是HbA2，亚基组成为22；每个血红蛋白分子都有4个血红素，每个血红素分别位于每个多肽链中的裂隙处，并暴露在分子的表面。氧合过程中的构象变化：氧合作用显著改变Hb的四级结构，且氧合血红蛋白和去氧血红蛋白具有不同的构象。氧合曲线和别构效应：氧合曲线呈S形曲线（氧饱和度与氧分压之间），即血红蛋白的氧合具有正协同性同促效应，一个O2的结合增加同一Hb分子中其余空的氧合部位对O2的亲合力；Hb对O2亲和力的影响因素：H+、CO2促进O2从血红蛋白中释放，O2也促进H+、CO2 在肺泡毛细血管中释放；BPG（2，3-二磷酸甘油酸）降低Hb对O2的亲和力，其只与去氧血红蛋白结合。血红蛋白分子病：导致一个蛋白质中氨基酸改变的基因突变能产生分子病，这是一种遗传病。了解最清楚的分子病是镰刀状细胞贫血病，该病人的不正常的血红蛋白称HbS，它只是在两条链的N端第6位上Glu被Val置换。这一改变使血红蛋白表面产生一个疏水小区，导致血红蛋白聚集成不溶性的纤维束，并引起红细胞镰刀状化和输氧能力降低。地中海贫血是由于缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因造成的。,免疫球蛋白：人类具有5类免疫球蛋白，每一类别的生物学功能不同。最丰富的是IgG类，它由4条多肽链组成，2条重链，2条轻链。通过二硫键连接成Y形结构的分子。靠近Y的两臂顶端的结构域是可变区，形成两个抗原结合部位。其它抗体有IgA：主要存在于人体分泌物中如唾液、泪、乳中；IgM：只存在于血液中，抵制入侵血液的细菌；IgG：血液中最丰富的抗体，也是唯一能通过胎盘而进入人体的抗体；IgE：在过敏反应中起重要作用的抗体。,蛋白质的分离纯化,蛋白质的分离和纯化主要是利用蛋白质之间各种特性的差异，包括蛋白质分子的酸碱性质、分子的大小和形状、溶解度、吸附性质和对配体分子的特异亲合力。蛋白质的酸碱性质：蛋白质是两性电解质。在蛋白质分子中，可解离基团主要来自侧链上的功能团，此外还有少数的末端-羧基和-氨基。可以把蛋白质分子看作是一个多价离子，所带电荷的性质和数量是由蛋白质分子中的可解离基团的种类和数目以及溶液的pH所决定的。对某一种蛋白质来说，在某一pH时，它所带的 正电荷与负电荷恰好相等，即净电荷为零，这一pH称蛋白质的等电点。蛋白质的等电点在中性盐存在下可发生明显的变化，这是由于蛋白质分子中的可解离基团可与中性盐中的阳离子或阴离子相结合。在没有其他盐类干扰时，蛋白质的 质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH称为蛋白质的等离子点。蛋白质分子的形状：测定蛋白质分子的形状或构象，最精确的方法是 X射线晶体结构分析，但这种方法只能测定晶体状态的蛋白质空间结构。对于溶液中的蛋白质分子的形状，只能借助间接的方法来描述蛋白质分子构象的轮廓。,测定蛋白质分子相对质量的方法,根据化学组成测定最低相对分子质量：测定某一微量元素或某一氨基酸的含量如铁原子或色氨酸，并假设蛋白质分子中只有一个铁原子或一个色氨酸，即最低相对分子质量=铁的原子量/铁的百分含量,渗透压法：在半透膜存在时，蛋白质溶液将产生渗透压（平衡时的静水压力）。理想溶液的渗透压与溶质的浓度呈线性相关，其关系可用范托夫公式表示：=cRT/Mr，在高分子溶液中，/c=RT/Mr+Kc，渗透压法简单、准确、且不受蛋白质分子的形状和水化程度影响，但受pH的影响，不能区别溶液中蛋白质分子是否均一。,沉降法：离心力作用,沉降速率法：单位离心场的沉降速度是个定值，称沉降系数s。见P296页,沉降平衡法：沉降产生浓度梯度,凝胶过滤法：标准蛋白质（已知Mr和斯托克半径）和待测蛋白质必须具有相同的分子形状（接近球体），分子形状为线型或与凝胶发生吸附的蛋白质不可用此法测定。,SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法：加入SDS和少量巯基乙醇，则电泳迁移率主要取决于其相对分子质量，而与电荷和分子形状无关。,蛋白质的胶体性质：蛋白质溶液属于胶体系统，其具备形成胶体系的条件：分散相（蛋白质分子颗粒）的质点大小在1100nm，能在分散介质中作布朗运动；分散相的质点带同种电荷，不易凝聚成大颗粒而沉淀；分散相的质点能与溶剂形成溶剂化层如水化层而不易凝聚。蛋白质在溶液中的稳定性是有条件的，相对的。如果条件改变，则蛋白质就会从溶液中沉淀出来，如改变质点大小、电荷或水化层等。沉淀蛋白质的方法如下：,盐析法：加入大量的中性盐，脱去水化层而沉淀,有机溶剂沉淀法：加入极性的有机溶剂如甲醇等，脱去水化层并增加质点间的相互作用而沉淀,重金属盐沉淀法：当pH大于等电点时，蛋白质颗粒带净负电荷，易与重金属离子结合成不溶性盐而沉淀,生物碱或酸类沉淀法：当pH小于等电点时，蛋白质颗粒带净正电荷，易与生物碱或酸根负离子结合成不溶性盐而沉淀,加热变性沉淀法：蛋白质因加热变性而凝固,蛋白质沉淀法,蛋白质纯化的总目标是增加制品的纯度，即设法除去变性的和不需要的蛋白质以增加单位蛋白质重量中所需蛋白质的含量或生物活性。分离纯化蛋白质的程序为：前处理（细胞或组织处理）、粗分级分离（除去杂蛋白）和细分级分离。,蛋白质的分离纯化方法,分子大小,透析和超过滤：透析指利用蛋白质分子不能通过半透膜而与小分子分离；超滤是利用压力或离心力使小分子溶质通过半透膜而蛋白质被截留在膜上而分离。,密度梯度离心：蛋白质颗粒在具有密度梯度的介质中离心时，质量和密度大的颗粒比质量和密度小的颗粒沉降得快，且每种蛋白质颗粒沉降到与其自身密度相等的介质密度梯度时，即停止不前，最后各种蛋白质在离心管中被分离成不同的区带。见P302页。,凝胶过滤：即分子排阻层析。凝胶颗粒内部为多孔的网状结构。大分子最先流出层析柱。,溶解度,等电点沉淀和pH控制,盐溶和盐析：中性盐在低浓度时可增加蛋白质的溶解度，即盐溶。原因是蛋白质分子吸附盐类离子后，带电层使蛋白质分子彼此排斥，而与水分子相互作用加强；当离子强度增大到足够高时，此时与蛋白质疏水基团接触的自由水被移去以溶剂化盐离子，导致蛋白质疏水基团暴露，使蛋白质因疏水作用凝聚沉淀。,有机溶剂分级分离法：一是降低介质的介电常数，二是与蛋白质争夺水化水。,温度沉淀：温度对溶解度有影响，低温稳定，高温不稳定。在040，大部分的球状蛋白质溶解度随温度升高而增加。,蛋白质分离纯化方法,电荷,电泳（净电荷、分子大小、形状）,区带电泳,聚丙烯酰氨凝胶电泳（PAGE）,毛细管电泳,离子交换层析,等电聚焦：外加电场时，蛋白质混合物在具有pH梯度的介质中移向并聚焦（停留）在等于其等电点的pH处，形成区带。,层析聚焦：层析柱中建立连续的pH梯度，蛋白质样品由柱上端随缓冲液的展开而聚焦在各自的等电点pH处，形成区段。,吸附：吸附层析，吸附剂（硅石、氧化铝、活性碳）和疏水吸附剂，与待分离分子和杂质分子的吸附与解吸能力不同。,特异亲和力：亲和层析,其它：如高效液相层析（HPLC）,快速蛋白液相层析（FPLC）,蛋白质纯度的鉴定方法：采用物理化学方法如电泳、离心沉降、HPLC和溶解度分析等。纯的蛋白质电泳时，其电泳图谱只呈现一个条带或峰，离心时以单一的沉降速度移动；纯的蛋白质在一定的溶剂系统中具有恒定的溶解度，即溶解度曲线只有一个折点，在折点以前直线斜率为1，在折点以后斜率为零；此外，N-末端分析也用于纯度鉴定（单体蛋白质而言）。必须指出，采用任何单独的一种方法鉴定纯度只能作为蛋白质均一性的必要条件而非充分条件，即蛋白质往往在一种鉴定中表现为均一性，而在另一种鉴定中又表现为不均一性。,蛋白质含量测定与纯度鉴定：测定蛋白质含量的常用方法有：凯氏定氮法、双缩脲法、Folin-酚试剂法（Lowry法，标准测定方法）、紫外吸收法、染料（考马斯亮蓝）结合法、胶体金法（带负电的疏水胶体，洋红色，遇蛋白质变蓝色，灵敏度最高）,酶（重点）,酶概论；酶促反应动力学；酶的作用机制和酶的调节；,酶概论,知识点,酶的本质 全酶 辅酶 辅基 单体酶 寡聚酶 多酶复合体 酶的分类 酶的专一性 酶活力酶单位 比活力 转换数 核酶 抗体酶,酶具有生物催化功能的蛋白质或核酸。酶作为生物催化剂具有高效性、高度专一性、活性调控和易失活等特点。多酶复合体由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，也称酶系。酶的分类国际酶学委员会根据催化反应类型，将酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分别用16来表示，在根据底物中被作用的基团或键分为亚类，每一亚类在细分为亚亚类等，亚类和亚亚类均按顺序编成1，2，3，4等。每一个酶的分类编号由4个数字组成，数字间用“.”隔开，编号前冠以EC(Enzyme Commision)。酶活力即酶活性，指酶催化某一化学反应的能力，酶活力的大小可以用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速率来表示，二者呈线性相关。所以测定酶活力就是测定酶促反应速率，酶促反应速率可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示。,酶单位（U）在一定条件下，一定时间 内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。酶的含量用每克酶制剂或酶毫升酶制剂含有多少酶单位表示（U/g或U/ml）。国际单位（IU）：在最适反应条件下（温度 25）下，每分钟内催化1微摩尔底物转化为产物所需的酶量为一个酶活力单位，即1IU=1umol/min。Katal单位（Kat）：在最适条件下，每秒钟催化1摩尔底物转化为产物所需的酶量定为1Kat单位。酶的比活力每mg蛋白质所含的酶的活力单位数表示，其代表酶的纯度，也可用来比较每单位质量蛋白质的催化能力。转化数在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转化底物的微摩尔数。抗体酶一种具有催化能力的免疫球蛋白（抗体），即抗体具有酶的属性，也称催化性抗体。核酶（ribozyme）某些具有催化功能的RNA，即为核酶。核酶的发现，开辟了生物化学研究的新领域，提出了生命起源的新概念：即RNA可能早于蛋白质和DNA，是生命起源中首先出现的生物大分子。,酶的专一性即酶对底物的高度选择性，酶一般只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类底物。酶的专一性可分为结构专一性和立体异构专一性，用“诱导契合说”解释酶的专一性已被广泛认同。酶的分离纯化是酶学研究的基础，大多数酶的本质是蛋白质，故可用分离纯化蛋白质的方法纯化酶。但要选择合适的材料，操作条件要温和，且在制备过程中，每一步都要测定酶的总活力和比活力，以了解酶的回收率和提纯倍数。酶工程是将酶学原理与化学工程技术及基因重组技术有机结合而形成的新型应用技术，是生物工程的重要组成部分，并必将成为一个很大的生物技术产业。,酶促反应动力学,反应分子数与反应级数 米氏方程 米氏常数（Km）双倒数作图法 酶的抑制类型 温度、pH、激活剂对酶反应的影响,反应分子数在反应中真正相互作用的分子数目。仅有1个反应的分子参加的反应称为单分子反应，有2个反应物分子参加的 反应称为双分子反应，依此类推。即：A P 属于单分子反应，动力学方程（速率方程）为：-dc/dtkc；A+B p+Q 属于双分子反应，动力学方程为：-dc/dtk c1c2；反应级数指整个化学反应的速率服从哪种分子的反应速率方程式，则这个反应即为几级反应。若总反应的速率与浓度关系能以单分子反应的速率方程式表示，即为一级反应，若能以双分子反应的速率方程式表示，则为二级反应，依此类推，把反应速率与反应物浓度无关的反应称为零级反应。,知识点,Vmax S/(Km S)式中Km为米氏常数，其物理意义是当酶反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，单位是mol/L，与底物浓度的单位一样。米氏常数Km的意义如下：Km是酶的一个特征常数，其大小只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关；Km值随测定的底物、反应温度、pH及离子强度而改变，即Km作为常数只是针对一定的底物、温度、pH和离子强度而言；Km值可以判断酶的专一性和天然底物：有的酶可作用于几种底物，因此就有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。Km值随不同底物而异的现象可以帮助判断酶的专一性；若已知某个酶的Km值，可以计算出在某一底物浓度时的反应速率相当Vmax的比例；Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径：同一种底物往往可以被几种酶作用，催化不同的反应走不同的途径，究竟走哪一条途径决定于Km值最小的酶，只有Km值小的酶反应比较占优势。利用作图法测定Km和Vmax值：Km值可用公式计算求得，Km（k2 k3）/k1；当k3远小于k2 时，Km k2/k1 Ks，在此时，Km相当于ES复合物的解离常数Ks！，,Vmax=k3 Et(Et 为总酶浓度)；Km和Vmax可根据实验数据通过作图法直接求得：即将米氏方程进行变换，使其成为直线方程，然后用图解法求出Km与Vmax值。例如，Lineweaver-Burk双倒数作图法：1/Km/Vmax 1/S1/Vmax，横轴截距为-1/Km，纵轴截距为1/Vmax；酶的抑制：酶主要是蛋白质，使酶蛋白变性而导致酶活力丧失的作用称为失活作用；若由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶并未变性，而引起酶活力的降低或丧失称为抑制作用。引起抑制作用的物质称为抑制剂。抑制类型如下：,抑制类型,不可逆抑制：抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，不能用物理方法除去抑制剂。,可逆抑制：以非共价键结合,竞争性抑制：竞争酶的结合部位,非竞争性抑制：同时和酶的不同部位结合,反竞争性抑制：酶与底物结合后，才可与抑制剂结合,竞争性抑制，Vmax不变，Km增加；可逆抑制动力学 非竞争性抑制，Vmax减小，Km不变；反竞争性抑制，Vmax减小，Km减小；,重要的抑制剂,不可逆抑制剂,非专一性：,有机磷化合物：与酶活性部位Ser-OH共价结合，强烈抑制胆碱酯酶活性；敌敌畏、敌百虫,有机汞、有机砷化合物：与酶分子中Cys-SH作用，抑制含巯基的酶,重金属：使酶蛋白变性失活，用螯合剂可解除,氰化物、硫化物、CO：与酶分子中金属离子形成络合物,烷化剂：与酶的巯基、氨基、羧基、咪唑基等结合,专一性：作用某一种酶,Ks型：具底物类似结构，可与相应酶结合，并带有一个活泼的化学基团，可对酶分子的必需基团进行修饰，从而抑制酶的活性。亦称亲和标记试剂。,Kcat型：具有底物类似结构，本身也是酶的底物，且存在潜伏的反应基团：当发生催化反应时，潜伏基团暴露或活化，作用酶活性部位的必需基团或辅基，使酶不可逆失活。亦称自杀性底物。,可逆抑制剂：最重要和最常见的是竞争性抑制剂。这类抑制剂与天然代谢物在结构上十分相似，能选择性抑制病菌或癌细胞在代谢过程中的某些酶，故称之为抗代谢物。如磺胺药，对氨基苯磺酰胺，它是对氨基苯甲酸的结构类似物，而对氨基苯甲酸是叶酸结构的一部分，细菌不能直接利用外源的叶酸，只能在二氢叶酸合成酶的作用下，利用对氨基苯甲酸为原料合成二氢叶酸，继而合成四氢叶酸嘌呤核苷酸合成中重要的辅酶！因此，可利用竞争性抑制的原理设计药物。此外，过渡态底物类似物也可作为竞争性抑制剂：所谓过渡态底物是指底物和酶结合而形成的中间复合物被活化后的过渡形式。过渡态底物对酶的亲和力远大于底物，因此可将抑制剂的化学结构设计成类似于过渡态底物，从而一起酶的强烈抑制。目前报道的过渡态底物类似物都是竞争性抑制剂，其抑制效率比基态底物类似物高的多。温度、pH、激活剂对酶活性的影响：存在酶反应的最适温度、最适pH；凡能提高酶活性的物质都称为激活剂，它对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用。,酶的作用机制和酶的调节,酶的活性部位 影响酶催化效率的因素 酶活性的调控 调节酶 别构酶 共价调节酶 酶原激活 可逆共价修饰 同工酶,知识点,酶活性部位酶的催化能力只局限在酶分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残基参与了底物结合与催化作用，这些特异的氨基酸残基比较集中的区域，即与酶活性直接相关的区域称为酶的活性部位或活性中心。,活性部位,结合部位：决定酶的专一性,催化部位：决定酶的催化能力,酶活性部位的共同特点：酶活性部位在酶分子的总体积中只占相当小的部分，通常只占整个酶分子体积的1%2%；酶的活性部位是一个三维实体（空间概念）：不是点、线、面的概念；,酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补，而是在结合过程中二者发生一定的构象变化后才互补的：此动态的辨认过程称为诱导契合；酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子或底物分子的一部分结合到裂缝内并发生催化作用；底物通过次级键结合到酶上：酶与底物形成ES复合物主要靠氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用；酶活性部位具有柔性或可运动性：活性部位更易被破坏；酶活性部位的研究方法：酶分子侧链基团的化学修饰法（巯基、氨基、羧基、羟基、咪唑基、胍基等）；X射线晶体结构分析法；定点诱变法（改变编码蛋白质基因中的DNA顺序来研究酶活性部位必需氨基酸的变化）等。补充：酶的催化作用是由氨基酸侧链上功能基团和辅因子为媒介的，主要的有His、Ser、Cys、Lys、Glu、Asp的侧链常直接参加催化过程；辅因子对于酶的催化具有协同作用；对于多底物的酶促催化反应，存在着1个以上的底物结合部位，在活性部位存在1个以上的催化基团，能进行协同催化；与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，故活性部位通常包围着底物。,影响酶催化效率的因素,底物和酶的邻近效应与定向效应：邻近效应指酶与底物结合成中间复合物后，使底物与底物之间，酶的催化基团与底物之间的有效浓度大大提高；定向效应指底物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。,底物形变和诱导契合：酶使底物分子中敏感键基团的电子云密度增高或降低，产生电子张力，使底物分子形变而接近其过渡态，降低了反应活化能；,酸碱催化：酶通过瞬时的向底物提供质子或从底物接受质子以稳定过渡态底物而加速反应的催化机制。在生理条件下，pH中性，OH-H+很低，不能起到酸碱催化作用，此时主要依靠广义的酸碱催化来作用，即酶蛋白分子中某些基团既是质子供体又是质子受体，如氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。,共价催化：酶蛋白中的亲核基团容易攻击底物的亲电中心，形成酶-底物共价结合的中间物，从而降低反应活化能，加速反应。酶蛋白中最常见的3种亲核基团是：丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基、组氨酸咪唑基；底物中典型的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。,金属离子催化：几乎1/3的酶催化活性需要金属离子，金属离子通过3种主要途径参与催化过程：结合底物为反应定向；可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应；静电稳定或屏蔽负电荷。,多元协同催化：,酶活性部位受微环境影响：非极性、低介电环境利于酶促反应。,酶活性的调控,酶活性的调控,激素,产物反馈抑制,抑制剂、激活剂,别构调节：可逆、非共价：别构酶,共价修饰,不可逆共价修饰：酶原激活,可逆共价修饰：,磷酸化与去磷酸化,甲基化与去甲基化,其它,同工酶,别构调节酶分子的非催化部位（别构部位）与某些化合物可逆地、非共价结合后使酶的构象发生改变，进而改变酶活性（增加或降低），称之为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别构酶（变构酶）。使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，它包括正效应物（别构激活剂）和负效应物（别构抑制剂）。别构调节普遍存在于生物界，许多多谢途径的关键酶就是利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡。别构调节现象不仅存在于别构酶，还存在于其它的别构蛋白质如血红蛋白；此外，操纵子中的调节蛋白也是别构蛋白质。,关于别构酶：别构酶的酶促反应大多不符合Michaelis-Menten动力学，即不符合米氏方程，其酶促反应曲线为S型（正协同）或双曲；效应物（别构剂）与调节亚基（调节部位）结合后导致酶构象的改变，引起酶催化部位的活性增加或降低；具活性中心和别构中心，且二中心处在酶蛋白的不同亚基或同一亚基的不同部位，即调节部位不同于催化部位；许多别构酶常处于代谢途径的起始部位或受控部位，代谢途径的终产物常作为别构酶的负效应物抑制这些酶；所有的别构酶均为寡聚酶；存在同促效应和异促效应：底物分子本身对别构酶的调节作用称同促效应；非底物分子对别构酶的调节作用称异促效应；,典型的米氏方程酶：Rs=81；正协同效应的别构酶：Rs81，且Rs愈小，正协同效应愈显著；负协同效应的别构酶：Rs81,且Rs愈大，负协同效应愈显著；此外，也常用Hill系数来判断酶属于哪一种类型：米氏方程酶n=1；正协同别构酶n 1；负协同别构酶n 1；调节酶凡能通过构象变化或亚基解聚或亚基修饰等方式来改变酶活性而对代谢起调节作用的酶称为调节酶。,调节酶,别构酶：可逆地非共价结合，使构象改变，调节亚基发生变构或进一步脱离催化亚基（解聚）,共价调节酶：通过其它酶对其多肽链某些基团进行可逆共价修饰，使处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性；共价修饰主要是磷酸化、腺苷酰化、甲基化等。如在蛋白激酶作用下发生磷酸化，主要的蛋白激酶有蛋白激酶A，磷酸化酶激酶，蛋白酪氨酸激酶等；共价调节酶是寡聚酶，且在每个亚基上都含有共价修饰的位点。,酶原激活是不可逆共价修饰，指酶前体（酶原）经过蛋白水解酶作用后释放出肽段，构象发生变化，形成酶的活性部位，变成有活性的酶。同工酶指催化相同的化学反应，但其蛋白质的分子结构、理化性质和免疫功能等 方面不同的一组酶，称为同工酶。关于同工酶的几点说明：同工酶的产生可能是基因分化的产物，而基因分化又可能是生物进化过程中为适应不同的代谢方式而引起的，故为适应不同的代谢方式，同工酶在不同组织或不同细胞中分布不同，底物特异性不同和动力学特性不同，这决定了同工酶在体内的功能是不同的，同工酶只做相同的工作，不一定有相同的功能；同工酶是由不同基因编码的单体亚基通过不同的比例聚合成不同的多聚体，使得同工酶在催化同一反应时以不同的多聚体形式存在；同工酶是研究代谢调节、分子遗传、生物进化、个体发育、细胞分化和细胞癌变的有力工具，在酶学、医学和生物学研究中具有重要地位。,代谢概况、生物能学、物质运输,代谢概况生物能学物质运输,代谢概况,新陈代谢（代谢）是生物体内一切化学变化的总称，是生命活动的重要特征之一。代谢是由多酶体系协同作用的化学反应网络。代谢的基本要略是形成ATP、还原力和构造单元。代谢可分为分解代谢和合成代谢，也可分为物质代谢和能量代谢。两用代谢途径分解代谢和合成代谢可以共同利用的代谢环节称为两用代谢途径。如柠檬酸循环是典型的两用代谢途径，即氨基酸分解代谢的产物如草酰乙酸、-酮戊二酸又是柠檬酸循环中的中间物，这些中间物又可用来合成氨基酸。代谢中间物在代谢过程中连续转变着的酶促产物称为代谢中间物。代谢过程中的个别步骤、个别环节称为中间代谢。各种物质在体内经过代谢最终都转变为终产物。自由能能够用以做功的能量称为自由能。生物体的一切生命活动都需要能量，如果没有能量来源，生命即停止。太阳能是所有生物最根本的能量来源。机体利用自由能做功是在常温常压下进行的。机体内捕获和储存自由能的分子是ATP。机体在分解代谢中产生自由能的过程大致可分为3个阶段：第一阶段，由营养物的大分子如淀粉、蛋白质、脂肪等分解成较小的分子如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等；第二阶段，小分子进一步转变为少数几种共同物质如乙酰辅酶A等；第三阶段，由柠檬酸循环（产生NADH和FADH2）和氧化磷酸化产生大量的ATP，这是产能的主要阶段。,ATP（腺苷三磷酸）是生物体最重要的传递能量的分子，是生物体内能量流通的“货币”。ATP不断地处于动态平衡的周转之中（ADP和AMP），ATP提供的能量主要用于：生物合成、肌肉收缩、营养物质的逆浓度跨膜运输等。在生物体中，能够提供能量的核苷酸分子除ATP外，还有GTP、UTP、CTP等。所有的核苷三磷酸的高能磷酸基都由ATP转移而来。NAD+（辅酶）、NADP+（辅酶）营养物在分解代谢中释放的化学能，除用于合成ATP外，还可以以氢原子和电子的形式将将自由能转移给生物合成的需能反应。具有高能的氢原子是由脱氢酶催化的脱氢反应产生的，脱氢酶将脱下的高能氢和电子传递给NAD+（辅酶）和NADP+（辅酶），形成NADH和NADPH，其中NADPH是生物合成的主要还原力。而NADH可通过电子传递再氧化并释放大量的自由能而合成ATP。此外，FMN和FAD都能接受两个氢原子和两个电子，在电子传递链中起到传递氢原子和电子的作用。生化反应的机制4类反应机制，即基团转移反应（如转醛基、转酮基、转酰基、转糖基、转磷酰基等），氧化还原反应（电子的得失），消除、异构化和重排反应，碳-碳键的形成或断裂反应（亲核体进攻亲电体）。亲核体富电子的化合物称为亲核体，它带负电荷，即带有未共用的电子对，与缺电子中心很易形成共价键。常见的亲核基团有：氨基、羟基、咪唑基及巯基等。亲电体缺电子的化合物称为亲电体。常见有：H+、金属离子、羰基碳原子等。生物体内的代谢有着完整精密的调节机制如酶的活性调节，神经和激素的调节等等，代谢的研究方法有多种多样，在测定中最为常用的手段是同位素示踪法。而核磁共正振波谱法是新型的研究方法。,生物能学,内能 焓 燃烧热 熵 自由能变化 标准自由能变化 标准生成自由能 化学反应与自由能关系 高能磷酸化合物 能荷,内能指体