生物化学上册精要

生 物 化 学 提 要

OUTLINE OF BIOCHEMISTRY 第 1 章 糖 (Carbohydrates) 1．1学习要点

糖是所有含有醛基（半缩醛羟基）或酮基（半缩酮羟基）的多羟基化合物的总称。

单糖（monosaccharides） 单糖的结构特征

单糖是有机小分子，碳架、构型、构像、功能基团等都是在学习单糖时应注意的结构要素。其中，构型上的异构或/和构像上的异构可以引起异构体间化学性质和生物学功能的显著差异甚至改变，因此确定分子的构型或构像是非常重要的。

单糖的旋光异构

①旋光性——物质具有的使经过的偏振光旋转一定角度的能力。两个旋光符号+、-，各表示右旋和左旋。旋光性发生的原因是分子的不对称结构，如存在不对称碳原子（手性碳原子）。

②旋光异构体——分子的化学组成相同但旋光性不同，彼此为旋光异构体。含有一个手性碳原子的甘油醛或乳酸存在D型（右旋）和L型（左旋），D型和L型甘油醛是对映体，即互为镜像的旋光异构体。含有n个手性碳原子的分子其旋光异构体的数目理论上可以达到2n个。

③D型糖和L型糖——通过和甘油醛比较可以确定其他含有手性碳原子的分子的相对构型。用D和L表示两种旋光异构构型，故相对构型与旋光符号无关。可以根据远离羰基的不对称碳原子，即第4个不对称C原子的-OH排布方向将单糖分为D型糖和L型糖。天然葡萄糖是D型。自然界已知的单糖基本上都是D型。

④己糖有多少旋光异构体？理论上链式己醛糖应该有24 =16种旋光异构体。由于在水溶液中可以形成环状结构（例如吡喃葡萄糖），使羰基C原子成为不对称C原子，因而旋光异构体增加。 （2）单糖的环状结构

溶液中的单糖和寡糖、多糖等中的单糖单位都是环状结构。己糖因其含氧六元环称为吡喃糖，戊糖因含氧五元环称为呋喃糖。

对单糖的环状结构的认识最先是通过研究葡萄糖的变旋现象获得的。

半缩醛羟基或半缩酮羟基（异头体）——环状结构中羰基C原子成为新的手性C原子，与其连接的羟基称为半缩醛羟基或半缩酮羟基（异头体）。依据异头体与糖环平面的相对位臵不同，用?（在平面下）和?（在平面上）区分异头体构型，因而有?-和?-吡喃糖，?-和?-呋喃糖之分。

吡喃糖有两种无张力构像——椅式构像和船式构像。椅式比船式稳定，这是因为在船式中存在C-C键的重叠和不相邻原子间（C1-H和C4-H）的作用力。 （3）单糖的主要功能团：羰基（醛基和酮基）、羟基

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2． 单糖的性质

（1）单糖的互变异构

在稀碱下，葡萄糖、果糖和甘露糖之间可以互变异构。 （2）葡萄糖的变旋现象：

新鲜配制的葡萄糖溶液放臵一段时间其旋光度发生改变。由+1120变为+52O。

（3）单糖的主要功能团的反应性与单糖衍生物 糖苷、氨基糖、糖酯、糖酸、糖醇、糖杀 ①糖苷（glycoside）：单糖的缩醛式化合物，单糖的醛基（半缩醛羟基）参与反应，提供羟基的分子称为配糖体

②糖酯：单糖的羟基或半缩醛羟基的酯化产物。自然界中的糖酯通常是磷酸酯或硫酸酯。

③糖酸：单糖的羟基或半缩醛羟基被氧化为羧基的产物。如糖二酸、糖醛酸 糖醇：单糖的醛基被还原为羟基的产物 氨基糖（糖胺）：单糖的羟基被氨基取代的产物。某些氨基还可进一步被乙酰化。

3．单糖的生物学功能

细胞的燃料分子。例如葡萄糖是所有细胞都能利用的燃料分子（见糖代谢）。 寡糖和多糖等的构件分子。

非糖生物分子的碳架来源（见有关物质代谢）。 某些重要的单糖及其衍生物如D-葡萄糖（Glu）、D-半乳糖（Gal）、D-甘露糖（Man）、D-果糖（Fru）、唾液酸（sailic acid）或N-乙酰-D-神经氨酸（NeuNAC）

1．1．2 二糖、寡糖和多糖 oligasaccharides and polysaccharides 1.二糖、寡糖和多糖的结构特征 糖苷键（glycosidic bond）：二糖、寡糖和多糖中单糖单位之间的连键，由一单糖的半缩醛羟基与另一单糖单位的羟基缩合而成。其形式如C1—O —C1，2，3，4，6 ，如C1—O —C1简要表示为（1?1）。根据异头体的构型可以分为

①?-糖苷，如蔗糖 ?-Glc（1? 2）-?- Fru，麦芽糖 ?-Glc（1?4）Glc，海藻糖 ?-Glc（ 1? 1）Glc

②?-糖苷，如乳糖 ?-Gal（ 1 ? 4）-?-Glc，纤维二糖?-Glc（1? 4）Glc （2）单糖单位的数目和种类

寡糖一般含3-10单糖单位，多糖由于所含的单糖单位数目不确定，往往没有确定的分子量。

组成上多糖一般不具有复杂性，即构成多糖的单糖单位种类很少。按照复杂程度将多糖分为均一多糖(homopolysaccharides)和不均一多糖(heteropolysaccharides)

2. 二糖、寡糖和多糖的生物学功能

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储存能量。凡能为生物提供单糖作为燃料分子的糖都可以作为生物的能源，例如淀粉、糖原，它们也被称为储藏多糖(stored polysaccharides) （见糖代谢） 结构成分。如纤维素、几丁质分别是植物/真菌/节肢动物等细胞壁或外骨骼成分，糖胺聚糖(glycosaminoglycans)和蛋白聚糖(proteoglycans)是动物细胞间质成分，肽聚糖（peptideglycan）是细菌细胞壁成分，它们统称为结构多糖(struvtural polysaccharides) 3．糖的生物合成（见糖代谢） 1.1.3 糖蛋白Glycoproteins

一类由糖类同多肽或蛋白质以共价键连接而成的结合蛋白。糖在其中的含量从1%到70%左右。作为分泌蛋白，如粘液糖蛋白(mucous glycoproteins) 、血清糖蛋白(serum glycoproteins)或膜蛋白，如血型物质、载体、受体等 1. 糖蛋白中的糖的结构特征 糖与氨基酸的连接

也称为糖苷键，根据连接氨基酸残基的侧链不同分为两类：

①单糖的半缩醛羟基与丝氨酸/苏氨酸残基的羟基缩合而成。其形式如（糖）C1—O —C（肽）。

②单糖的半缩醛羟基与天冬酰胺或赖氨酸的氨基缩合而成。其形式如（糖）C1—N —C（肽）。

单糖单位之间的连接：多种类型糖苷键

单糖单位：多样，常见的如Glc 、Gal、Man、木糖（Xyl）、岩藻糖（Fuc）、GlcNAc、GalNAc、GlcuA、艾杜糖（IduA）、SA 某些糖蛋白中的糖链结构

人免疫球蛋白IgG的糖链部分：Man-Man-Man-GlcNAc-GlcNAc → 天冬酰胺残基

人红细胞血型物质主要糖链部分：

Gal -GalNAc?丝氨酸（苏氨酸）残基 ? ? SA SA 2．糖蛋白中的糖的生物学功能：

信息分子，参与分子识别和细胞识别。

①决定分子半衰期，例如Aschwell的早期实验：血浆铜兰蛋白除去唾液酸，露出半乳糖后，加速被从血浆中清除。肝细胞上有去唾液酸蛋白质的受体。 ② 作为遗传标志 作为抗原决定簇

为新合成的蛋白质提供“邮递”信息。在蛋白质加工和运输中参与形成中间体 结构作用

提供粘滞性和弹性，形成电荷和水化层，使蛋白质具有润滑和保护作用。 稳定：抗变性、掩蔽和保护蛋白质敏感位点，抗冻

锚着：如GPI（糖基化磷脂酰肌醇）连接将蛋白质固定在细胞膜外表面。

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3．糖蛋白的糖基化（见蛋白质生物合成）

蛋白质糖基化发生在高尔基体中，由具有高度专一性的糖基转移酶和糖苷酶催化，需要糖基载体—— 1．1．4 糖的分析

旋光性：[?] D ?C=旋光度/[管长（分米）? 浓度（g/ml ）] 光吸收：A=? ? L ? C ，式中： A=光吸收（即A=logI0/I）， ? =克分子消光系数，L=比色杯直径，C=克分子浓度 第2章 脂类(Lipids) 2.1 学习要点

脂类是一切不溶于水, 溶于弱极性或非极性有机溶剂的生物分子的总称。 2.1.1 脂肪酸Fatty Acids 脂肪酸的结构特征与性质

长链：烃链链长为4-36碳的羧酸。

双键：根据有无双键分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。双键易于氧化和过氧化 附：脂肪酸的简写：

①? 编号系统：从羧基端开始编号，?表示双键位臵，硬脂酸记为C18 : 0，油酸记为C18: ? 9 ，有时C可以省略，即18: ? 9。 ②?编号系统：从甲基端开始编号， ?表示双键位臵，如亚油酸记为C18：?6，9， 依第一双键出现位臵，将多不饱和脂肪酸分为?-3系、 ?-6系、 ?-7系， ?-9系。

(2) 天然脂肪酸一般结构特征

在自然界中已经发现100多种脂肪酸。它们主要在链长和饱和度上有差别。 ①多为偶数、14C-22C

②单不饱和脂肪酸的双键位臵一般在C9-C10之间。多不饱和脂肪酸的双键位臵在C9与末端甲基之间，双键之间往往以亚甲基隔开。 ③双键基本上是顺式构型 2．脂肪酸的生物学功能

作为生物燃料分子, 氧化产能（见脂代谢）

生理活性物质，如前列腺素（Prostaglandins，一类脂肪酸激素）和白三烯（Leucotrienes）、凝血恶烷（Thromboxanes）等20C化合物（作用机理见激素部分）

花生四烯酸与二十碳化合物的关系（图） 3. 脂肪酸的生物合成（见脂代谢）

必需脂肪酸——营养上必需由食物提供,生物体自身不能合成的脂肪酸为该种生物的必需脂肪酸。例如亚油酸（linoleic acid）和亚麻酸（lenoleinic）是人体的必需脂肪酸.

2．1．2 酰基甘油酯（油脂）

脂肪酸的甘油酯，依酰化程度分为三酰甘油、二酰甘油和单酰甘油。 1. 三酰甘油的结构特征与性质

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脂肪酸组成：（见前）天然三酰甘油中的组成脂肪酸的类别和数目可以有很大不同。

酯键：酰基甘油酯的酯键对碱、酸和脂酶敏感，其中碱水解称为皂化，因为该过程中产生脂肪酸的金属盐。 2. 三酰甘油的生物学功能：

(1)作为储脂，是能量的高密度储存形式。（脂肪的生物合成，脂肪的分解与脂肪酸氧化见脂的分解代谢） (2)隔热、绝缘 (3)保护

2.1.3 膜脂 膜脂的结构特征

构成膜的脂类分子都是极性脂，即具有亲水的头基团（极性头）和疏水的烃链（非极性尾）。

（1）甘油磷脂的结构： 脂肪酸—甘油—磷酸—X，其中磷酸—X称为头基团 ①头基团X的主要类型：胆碱、乙醇胺、丝氨酸、甘油、磷脂酰甘油和肌醇 ②某些重要的甘油磷脂：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸

（2）鞘磷脂的结构： 脂肪酸—鞘氨醇（二氢鞘氨醇）—磷酸—X，其中脂肪酸—鞘氨醇部分称为神经酰胺 ①头基团X的主要类型：胆碱 ②某些重要的鞘磷脂：神经节苷脂

（3）糖脂（鞘糖脂、甘油糖脂）的结构： 脂肪酸—甘油（鞘氨醇）—X ①鞘糖脂头基团X的主要类型：寡糖或多糖

②某些重要的鞘糖脂：神经节苷脂（含有唾液酸的鞘糖脂）、半乳糖苷神经酰胺、红细胞糖苷脂 （4）胆固醇的结构

①核心结构：环戊烷多氢菲， ②头基团：3-OH

胆固醇不是典型的双亲分子，不形成微团。其坚硬的平面稠环结构易于形成固态。

膜脂在水中的行为

膜脂分散在在水中时，疏水的烃链避开水分子，并聚集，；亲水的极性头与水分子结合，并分散。这两种相反的力使膜脂分子自动发生簇聚，产生了微团（含疏水核心），或囊泡（双分子层组成的闭合空心球状结构），或是位于空气-水界面的单分子层（在很小部分双亲脂中发生）。

烃链避开水而聚集的倾向称为疏水效应，由于水是有序的氢键缔合体系（低熵），与烃链靠近的水分子失去氢键而无序度增加（高熵），疏水效应可以使水分子间恢复或增加氢键缔合，因此疏水效应也称为熵驱动。 膜脂的生物学功能（见生物膜）

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结构作用

磷脂双层构成所有生物膜的基质。

作为分子锚帮助某些蛋白质分子定位在膜上。 生理活性

胆固醇与极性脂混合，因其具有刚性结构，能降低周围脂的运动性，因而能调节生物膜的流动性，

糖脂作为信息分子参与细胞表面的分子识别，构成某些细胞表面受体的识别位点,如霍乱毒素的靶细胞受体是鞘糖脂（见细胞信号传递）

在特殊的酶催化下产生的三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）等是重要的细胞信使（见细胞信号传递） 4．膜脂的生物合成（见脂代谢）

2.1.4 脂蛋白

脂与蛋白质以非共价键结合形成脂蛋白 1．血浆脂蛋白

根据梯度密度超速离心中的相对浮率，可以将血浆脂蛋白分为4大类：乳糜微粒（chylomicron，Chy）、极低密度脂蛋白(very low density lipoproteins，VlDL)、低密度脂蛋白(low density lipoproteins ，LDL)、高密度脂蛋白high density lipoproteins，HDL)

血浆脂蛋白的结构特征：脂质核心模型 ① 血浆脂蛋白中的脂：包括磷脂（PL）、胆固醇酯（CHL-E）、游离胆固醇（CHL）和三酰甘油(TG)。乳糜微粒和VLDL含大量的三酰甘油和胆固醇酯，其中三酰甘油含量分别为90％和55％，LDL和HDL的磷脂含量相近，但比例不同。高密度脂蛋白——25%-35%磷脂，其中磷脂酰胆碱占磷脂总量的75%，鞘磷脂占13％，磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇和溶血磷脂酰胆碱均占12％；低密度脂蛋白——22％磷脂，其中磷脂酰胆碱占65％，鞘磷脂占25％，其他磷脂占10％。

② 血浆脂蛋白中的载脂蛋白：脂蛋白的表面电荷和在电场中的迁移行为等物理特性，主要与载脂蛋白的组成和含量有关。载脂蛋白大体分为 ApoA（I、II、III）ApoB、ApoC（I、II、III）ApoD、ApoE（ARP）

血浆脂蛋白的主要生物学功能

①脂的运输载体：蛋白质与脂质结合可将脂质从它们的吸收部位和合成部位运送到储存部位或其他关部位。 ②参与生物膜的结构与功能 2. 膜蛋白

膜蛋白是定位在细胞膜上的蛋白质。 膜蛋白的结构特征

绝大多数膜整合蛋白的序列富含疏水性氨基酸，在脂双层区的跨膜长度达

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3nm，跨膜区倾向于形成a-螺旋或b-折叠，以获得最大数量的链内氢键。如果跨膜区的a-螺旋的残基都是疏水的，它们与周围脂的相互作用将加固a-螺旋。例如细菌视紫红质跨膜区的单肽链为7段a-螺旋，a-螺旋之间和周围都是膜脂的烃链。

与邻近膜蛋白联合形成大的复合物（碎片“patch”） 如乙酰胆碱受体

锚着到内部结构上，防止在脂双层中自由扩散。例如红细胞膜的血影蛋白glycophorin 和氯-二羧酸交换器（带3蛋白）就被束缚在细胞骨架蛋白spectrin中。

（2）膜蛋白的生物学功能：多样，如作为受体、酶、载体等 第 3 章 氨基酸和肽（amino acids and peptides） 3．1 学习要点

3．1．1 基本氨基酸（essential amino acids）

构成蛋白质的20种氨基酸称为基本氨基酸或标准氨基酸（standard amino acids）（表3-1）

基本氨基酸的结构特征

基本氨基酸的结构通式（图3-）

除甘氨酸外，其C?均为L-构型。基本氨基酸彼此以R基区分，而且基本氨基酸的?-羧基和?-氨基参与蛋白质的肽键的形成，所以对R基的分析是区分基本氨基酸的关键。 基本氨基酸的分类

按照R基的疏水性或亲水性及其在pH7水溶液中的解离性质将基本氨基酸分为4类：

非极性氨基酸：8种（丙、缬、亮、异亮、哺、苯丙、色、甲硫）；

极性的R基不带电荷的氨基酸：7种（甘、丝、苏、半胱、酪、谷氨酰胺、天冬酰胺）；

R基带正电荷的氨基酸（碱性氨基酸）：3种（赖、精、组）； R基带负电荷的氨基酸（酸性氨基酸）：2种（谷、天冬） 基本氨基酸的性质

（1）旋光性

（2）R基团的光吸收性质

R基团含有苯环的氨基酸（芳香氨基酸）在紫外区有特征性的光吸收。 酪氨酸 苯丙氨酸 色氨酸

（3）R基团的疏水性或亲水性

亲水性氨基酸： Gly、Ser、Thr、Cys、Gln、Tyr、Asn、Lys、Arg、His、Glu、Asp

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疏水性氨基酸：Ile、Leu、Val、Trp、Phe、Met、Ala、Pro。 R基的亲/疏水性影响氨基酸的溶解性

分配定律和分配系数： 一定温度下，一种溶质在互不相溶的溶剂中的浓度正比于其在两相中的溶解度 ?=C1/C2 基本氨基酸的可解离基团与氨基酸的解离

可解离基团：?-氨基、?-羧基和可解离R基团

Handerson-Hassalbach公式： pH=pK+log[质子受体]/[质子供体] 氨基酸的解离曲线——丙氨酸的解离曲线

氨基酸的等电点：使氨基酸兼性离子的净电荷为零的环境pH称为该氨基酸的等电点，记为pI，此时氨基酸解离为正负离子的趋势是相同的。 基本氨基酸的功能基团与化学性质

氨基的反应： FDNB反应； PITC反应； 荧光试剂反应；茚三酮反应 羧基的反应：酯化反应 R基的反应

基本氨基酸的生物学功能

蛋白质和肽的构件分子（见蛋白质生物合成） 细胞的燃料分子（见氨基酸代谢）

生理活性物质：例如谷氨酸作为神经递质

作为前体转化为为其他含氮物质（见氨基酸代谢） 基本氨基酸的生物合成（见氨基酸代谢）

3．1．2 来自基本氨基酸的其他氨基酸

1．修饰氨基酸：蛋白质合成后经酶改变其侧链形成的氨基酸，如4-羟哺氨酸、L-胱氨酸、?-羧基谷氨酸 、4-羟赖氨酸、5-羟哺氨酸、O-磷酸丝氨酸等 2．氨基酸代谢中间物：由基本氨基酸转化或降解产生的氨基酸。如L-鸟氨酸。

3．1．3 肽

肽是氨基酸彼此以肽键连接形成的线性聚合物 肽的结构特征

肽键：肽中氨基酸单位（氨基酸残基）间的连键，由一氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基脱水反应而成，表示为-CO-NH-。肽键中的C-N键长为0.132nm，介于0.148nm（C-N）和0.127nm（C=N）之间，反式，键能为75kJ/mol。 侧链（R）：氨基酸残基中未参与形成肽键的部分 肽链的形状：存在线形和环形，蛋白质多肽为线形。

2．肽的性质 （1）肽的水解 非特异水解：H+、OH-催化下的水解属于非特异水解。例如 6N HCl ，110℃

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作用12-24 h 可完全水解，即所有的肽键断开，产生游离氨基酸。部分氨基酸可能被破坏。2NNaOH 的完全水解，可破坏绝大部分氨基酸。

特异水解：在生理温度和生理pH下，由蛋白酶或肽酶催化的水解，其特点是在特定部位使肽键断裂，产生肽段混合物。trypsin、Chyromotrypsin、Pepsin、Carboxypeptidase等的作用位点如图3-

肽的化学裂解：例如溴化氰处理，使甲硫氨酸生成高丝氨酸，并使肽键在此处断开。

肽的解离：寡肽的解离行为与端基团和所有的可解离R基团有关。

双缩脲反应：存在两个以上肽键的肽与Cu2+在碱性条件下的特征颜色反应。

3．肽的生物学功能

蛋白质的结构成分，称为蛋白质多肽。

所有的游离寡肽都是生理活性物质，例如作为激素、抗生素、神经递质或神经调质、毒素等。

3．1．4 氨基酸序列分析

根据完全水解所获得的氨基酸组成知识，按照一套预先设计好的策略，对多肽进行部分水解、末端测定、短序列分离分析和完全水解等，可以解析出蛋白质多肽链的完整的氨基酸序列。这个工作称为氨基酸序列分析。

第4章 蛋 白 质（protein）

4.1学习要点

由?一氨基酸以肽键（-CO—NH—）连结成的多肽链可折叠成具有特定的空间结构和生物学功能的蛋白质。 4．1．1 蛋白质的结构特征 1．蛋白质的化学组成和分子量 蛋白质具有复杂的化学组成。

基本元素：C、H、O、N、S等，平均含氮量（16%） 构件分子：20种基本氨基酸。

（2）蛋白质是高分子量物质。蛋白质分子量范围：5~6000—106 ~ 107（dalton）

2． 蛋白质的序列

指多肽链中氨基酸残基的排列顺序，也称为蛋白质的一级结构。

序列同源性：相关种属的相同蛋白质的序列间存在相似性，称为序列同源性。具有序列同源性的蛋白质称为同源蛋白质，同源蛋白共有的相似序列称为共义

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序列。据估计，蛋白质以某个恒定的速率进化，同源蛋白质序列差异的程度与种系进化过程中的歧化时间成正比。 3．蛋白质的构像

指蛋白质的所有原子在三维空间（x、y、z）的位臵，即蛋白质的空间结构。由于蛋白质结构的复杂性，需要对蛋白质的构像作剖析描述。 蛋白质的一级结构(见蛋白质的序列) 蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链主链的折叠方式。采取某种二级结构的肽段其侧链间一般不存在相互作用。可以用主链的肽键平面和二面角?和?描述二级结构。如果各相邻氨基酸残基采取相近或相等的二面角，可以获得有规则重复构像。已经确定的有规则重复的二级结构是?-螺旋和?-折叠。

二面角?和?。其中?，绕C?1—C旋转，0°~±180°；?，绕N—C?2旋转 ，0°~±180°，规定与一个C?相连的两个肽键处在同一平面时（顺式）的?= 0° 、 ? =0°，由于引起侧链原子间的碰撞，产生位阻，是不允许的构像，拉氏构像图（Ramachandran Plot）展示了二面角?和?的组合与允许构像（不存在位阻）或不允许构像（存在位阻）间的关系。（图：其中，暗影：所有氨基酸残基都允许的；中等阴影：除Val、Ile外的氨基酸残基；浅色：某些不稳定的构像）

稳定?-螺旋和?-折叠的因素是氢键和二面角。其中?-螺旋的所有肽键参与形成链内氢键，即任一肽键的C=O与其后第四个肽键的一NH间形成氢键； ?-折叠的相邻肽段主链上的所有一NH和C=O之间形成链间氢键。因此脯氨酸，—种亚氨酸，形成的肽键不能作为氢键供体，是螺旋构象最大破坏者。甘氨酸，侧链基团是H原子，由于不能象其他侧链基团那样制约二面角（?-螺旋：?= -60° 、 ? = -45~ -50°），是螺旋的不稳定因素。 蛋白质的超二级结构

①?-螺旋：即胶原三股螺旋，存在于胶原蛋白，由三股左手螺旋的肽链组成的右手大螺旋，其氨基酸组成富含羟哺氨酸和甘氨酸。 ②模体（motifs）： 指肽链折叠中形成的二级结构组合方式，有三种基本组合形式：??、???、 ???， 其中??是两股或三股右手?螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋（superhelix），重复距离14nm，见于a-角蛋白，肌球蛋白、原肌球蛋白(protomyosin)和纤维蛋白原（fibrinogen）等。最常见的?a?组合由三段平行式的?链和二段?-螺旋链构成，称为Rossmann折叠。???有两种样式：?曲折和回形拓扑结构（希腊钥匙）。

蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构指蛋白质多肽链的折叠。对于球蛋白而言，一个蛋白质的三级结构可以看作是该蛋白质的不同的二级结构部分在三维空间的折叠组合，它使本来在一级结构上相距很远的氨基酸残基聚集在一起，形成稳定的构像。 ①结构域（Domain）：广泛见于球蛋白，指蛋白质构像中折叠相对比较紧密

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的唯一方法。它可以确切地测定二级结构的种类，段数和位臵。此法很准确，但测定时间长，分析复杂，样品用量较大。

根据氨基酸序列预测，例如统计学方法 ：统计出各残基或二肽、三肢片段在有序结构中出现的频率，用以计算预测其形成二级结构的可能性

4．1．4 蛋白质组学

以细胞或组织的全部蛋白质（蛋白质组）或与一个特定的生物学机制相关的全部蛋白质（功能蛋白质组）的变化规律为基础研究生命现象的学科称为蛋白质组学。目前蛋白质组学的研究内容主要是蛋白质组数据库和比较蛋白质组学。 用蛋白质组学方法研究蛋白质折叠（Houry，1999年11月《Nature》）。 获得所有与GroEL结合的肽链（免疫共沉淀） 分离与GroEL结合的肽链（二维电泳） 肽链结构分析（50种） 数据库比较

结论：大肠杆菌近2500条新生多肽链只有近300种需要分子伴侣GroEL。这些蛋白质能与GroEL相互作用的关键结构特征是？ 用蛋白质组学方法研究酵母核孔复合体的结构（Rout） 鉴定完整的酵母核孔复合体所有能检测到的多肽 对全部多肽定位并定量（免疫电镜） 构造酵母核孔复合体

用蛋白质组学研究线虫生殖器发育（Walhout）（根据两个蛋白质相互作用，那么它们一般参与相同或相关的细胞活动）

用27个与线虫发育的蛋白质构造酵母双杂交系统 建立与线虫生殖发育相关的蛋白质相互作用图谱

研究酵母近6000个蛋白质之间相互作用（Nature，2002） 列阵筛选法（array screening）：6000个不同的酵母单克隆排列在微滴定板上，杂交，通过报道基因的表达鉴定存在相互作用的蛋白质。效果好。 文库筛选法。构成文库（含6000个不同的酵母cDNA），杂交，筛选鉴定阳性克隆。通量大。

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酶 (Enzyme)

5．1 学习提要

酶是活细胞产生的具有催化能力的物质。生物化学反应基本上都是酶催化的。绝大多数酶都是蛋白质。1982年，Cech发现rRNA催化RNA水解，出现“Ribozyme”（核酶）名词。和无机催化剂相比，酶催化具有易失活、高效和有选择性（专一性）等特点。

5.1.1 酶的表征 1．酶的分类与命名

所有的酶都可以按照其催化的反应来表征，这正是国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的酶学委员会制定的酶分类系统命名的依据。因此每一个酶都有习惯名称、系统名称和系统编号（EC编号）。系统编号的第一个数字表示酶属于六大类中的某类（表5-1 酶的主要分类）。 表5-1 酶的主要分类 类别 1 2 3 4 5 6 名称 催化反应 反应通式 A2H + B ? A + B2H AB + C ? A + BC AB + HOH ? AOH + BH 氧化还原酶氧化还原反应 类 转移酶类 水解酶类 功能基团的转移反应 水解反应 裂合酶类 从底物上移去一个基团留下双ABC ? A=B + C ? 键的反应 异构酶类 合成酶类 同分异构体间的互变反应 A ? B 一切必须与ATP分解相偶联，X + Y + ATP ? XY 并由两种物质合成为一种物质+ ADP + Pi 的反应 2．酶的活力 酶的活力，即酶催化反应的能力可以用酶催化的反应的初速度来表征。用酶的活力单位计量酶的活力时，酶的活力单位定义为给定条件下酶催化的反应达到某速度水平所需的酶量。如果没有特殊规定，建议采用国际单位（IU），一个国际单位定义为最适条件下（25°C，最适pH）每分钟催化1umol/L底物发生转变所需的酶量。 3．酶的纯度

酶作为催化剂可以用比活（specific activity）比较酶的纯度。比活指每mg酶蛋白所有的总活力。

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5.1.2 酶的结构与功能的一般原则 1．酶的活性部位

酶的活性部位指酶分子中直接与底物结合并催化底物反应的部位，通常处于或靠近酶分子的表面，只占酶分子很小部分（１％～２％），组成活性中心的几个氨基酸残基在空间结构中是靠近的，但在一级结构中可能相距很远，甚至位于不同的肽链上。此外许多酶有非蛋白质组分，它们位于或靠近于活性部位，参与结合底物或催化，这样的组分被称为辅酶或辅基，其中辅基特指与酶的蛋白质部分以共价键结合的非蛋白质组分（见5.1.4）。 2．酶与底物的结合

酶与底物的结合表现出专一性，酶的高度专一性是酶的重要特征。以下是关于酶的专一性的解释 （1）诱导楔合假说

为了解释酶能催化正反方向的反应，１９６４年Ｋｏｓｈｌａｎｄ提出“诱导楔合”假说（ｉｎｄｕｃｅｄｆｉｔ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ），即当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合进行反应。X-衍射和NMR方法已经证明自由酶和结合了底物的酶的构像是不同的。 （2）过渡态稳定说

一般而言，酶与底物的最适相互作用只发生在过渡态，专一性取决于酶结合的过渡态的稳定性。 （3）分子识别说

酶的活性部位的底物结合基团的特定排列决定了酶对底物的专一性。如果酶活性部位功能团按最适原则与底物形成各种弱相互作用，那么酶显然不能同其他底物作用。

3．酶的催化方式

酶提高反应速度的基本机制包括酶的活性部位结合底物后使底物产生邻近、轨道定向、应力等多种效应，它们增加反应物的有效碰撞，或者使受作用的化学键变形、削弱，或者使受作用的化学基团增加反应性，活性部位的催化基团可能提供共价催化（如亲核、亲电）、酸碱催化、络合催化等多种断裂键的方式。最终结果是稳定过渡态，使底物易于达到过渡态，降低反应活化能。 邻近效应：

由于酶与底物结合，导致底物和底物（如双分子反应）之间靠近，而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速度大大增加的一种效应。 定向效应：

指反应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。 应力和形变：

由于酶的结合，使底物分子内敏感键的电子云密度改变，产生“电子张力”，导致分子形变的一种效应。

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酸碱催化：

指通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。一个氨基酸侧链作为酸碱催化剂的可能性依赖于其pKa和活性部位的环境pH。

组氨酸咪唑基的解离常数约为６.０，因此在接近于生物体液ｐＨ的条件下，即在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供体，又可作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。同时咪唑基接受质子和供出质子的速度十分迅速，其半衰期小于１０ｓ。由于咪唑基有如此特点，所以在很多蛋白质中Ｈｉｓ含量虽少，却占很重要地位。 共价催化

酶上负责催化的亲核基团释放电子，攻击底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。酶中常见的亲核基团有丝氨酸羟基，半胱氨酸巯基、组氨酸咪唑基等。 4．酶能大幅度降低反应活化能

可以用化学过渡态理论解释酶为什么能提高反应速率。化学反应历程表明存在过渡态（transition state）或活化态（activated state），即分子间有效反应的状态。过渡态分子具有高的自由能，化学反应进行必须克服自由能障（free energy \“）。由于诱导楔合，酶以一种类似过渡态但能量较低的构像结合反应物；酶活性部位结合基团的邻近和定向效应使反应基团处于最适位臵，降低了活化熵（-S?），有利于过渡态形成；过渡态与酶分子强结合降低了活化焓（?H ? ），有利于过渡态稳定。-S?或?H ?或两者共同导致反应速率的提高。

5.1.3 酶动力学

酶动力学研究反应速率和影响反应速率的各因素。 1、底物浓度对酶催化反应速度的影响 （1）酶的饱和现象和酶的中间产物学说

酶的饱和现象指酶催化反应速度随底物增加达到最大值后不再继续增加。对该现象的发现导致产生酶的中间产物学说，即，

k1 k2

S+E?ES?E+P

k -1

并推导出米氏方程 （2）米氏方程

v= Vmax[S]/Km+[S]

Vmax=最大反应速度，[S]=底物浓度，Km =米氏常数 （3）Km的意义

①Km是酶的特征常数，和酶浓度无关，和底物浓度无关，和酶的种类与底物

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的种类有关，即不同的酶的Km不同，酶对于不同的底物，各有特定的Km。 ②Km有两种表达式，平衡分析中，Km = k–1/k1 ，稳态分析中Km = （k –1+ k2）/k1，因此给定的条件下，可以用1/ Km比较酶对底物的亲和性，确定酶的最适底物。 （4）Vmax

根据米氏方程推导过程，V= k2 [E S] ，Vmax不是酶的特征常数。根据稳态分析，[ES]不随时间变化，即当[S]﹥﹥Km，所有的酶全部转换为ES，此时酶催化反应达到其最大速度。因此稳态分析可以给出Vmax。 kcat：转换数（ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｎｕｍｂｅｒ，ＴＮ），表示酶的催化效率，指单位时间内每个活性中心转换底物的分子数，或者一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或每秒种每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。当ES复合物快速解离时， kcat = k2。大多数酶对其天然底物的转换数的变化范围为每秒１到１0。 （5） Vm和Km的求法

Lineweaver-Burk Plots（双倒数作图）（1/v~1/[S]） 1/v= Km / Vmax [S] + 1/ Vmax 2． 其他因素对酶催化速度的影响

（1）最适pH：使酶具有最大活性的pH。 （2）最适温度：使酶具有最大活性的温度。 3．抑制剂对酶催化反应速度的影响 抑制剂指能降低反应速率的物质。 （1）不可逆抑制

不能消除的抑制称为不可逆抑制，这是因为抑制剂与酶形成共价连接，使酶失活，因此不能用透析、超滤等物理方法消除抑制。 不可逆抑制剂的类型：

烷化剂：碘乙酸（与巯基反应），TPCK（与His咪唑基反应） 有机磷： DFP（与丝氨酸羟基反应）

有机金属盐：有机汞，如对氯汞苯甲酸（与巯基反应） 氰化物、CO等：与Fe2+反应 （2）可逆抑制

可以消除的抑制称为可逆抑制。可逆抑制的三种基本类型：

竞争性抑制：随底物浓度增加，抑制率下降。最常见，一般为底物类似物引起的抑制。例如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制，对氨基苯磺酰胺（一种磺胺药）对二氢叶酸还原酶的抑制

非竞争性抑制：抑制率不受底物浓度影响。如含某些重金属离子的巯基试剂、EDTA等所引起的抑制。

反竞争性抑制：随底物浓度增加，抑制率上升。 ① 竞争性抑制 ② 非竞争性抑制 （3）可逆抑制的动力学方程 I I I

+

E + S?ES?P+E ‖ EI

1/v= Km / Vmax [S]*（1+[I]/Ki） + 1/ Vmax

+ +

E + S?ES?P+E ‖ ‖ EI ESI

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1/v=（1+[I]/Ki）* Km / Vmax [S]+ （1+[I]/Ki） / Vmax

DNA双螺旋结构

DNA 是含两条多核苷酸的双螺旋分子。

Watson-Crick模型：两条多核苷酸链反向平行，彼此按A=T，G=C碱基配对形成氢键；两条链彼此缠绕，形成右手双螺旋（B型螺旋体直径 2 nm，碱基对距离0.34 nm ,螺距3.4 nm，10对 核苷酸/螺圈）；磷酸核糖骨架在外，碱基对平面垂直于核糖平面，即垂直于螺轴，并层叠堆积在内；螺旋体表面形成两条凹槽——-大槽（宽槽）和小槽（窄槽）。

碱基对之间的氢键形成：A=T和G=C，碱基上与氢键形成有关的最重要的功能团包括环氮、羰基和氨基。

稳定DNA双螺旋的作用力：碱基堆积作用，在DNA中，碱基对平面（嘧啶的平面和嘌呤的近平面）层叠，产生疏水性堆积作用，包括范德华力和偶极-偶极作用。它最大程度地减少DNA分子与水的接触，稳定其三维结构。 DNA双螺旋的其它形式：A型——右手双螺旋的碱基对平面与螺轴不垂直（倾斜20o）（碱基对距离0.28 nm , 螺距3.2nm，11对 核苷酸/螺圈）；Z型——左手双螺旋，重复单位为嘌呤-嘧啶（碱基对距离0.38nm，螺距3.5 nm，12对 核苷酸/螺圈）。 DNA三螺旋（H-DNA）：出现在多嘧啶/多嘌呤情况下，形成三链DNA，并形成三螺旋体，即2股嘧啶链夹1股嘌呤链或2股嘌呤链夹1股嘧啶链。 DNA构像家族：A型、B型、Z型和H-DNA统称为DNA构像家族，表明DNA构像是序列依赖性的。

DNA双螺旋结构的发现和意义——DNA双螺旋结构科学地解释遗传和变异，是分子生物学的垫基石。

（2）染色体DNA的拓扑结构

染色体中的DNA是紧密折叠的，这种致密构像统称为DNA超螺旋，可以用下述参数描述环状DNA超螺旋： ①连环数L （linking number）：双螺旋DNA中一链绕另一链的次数。 ②缠绕数T （twisting number）：双螺旋DNA的W-C螺旋数。

③超螺旋周数S（number of turns of supercoils）或扭曲数W （writing number）：

④超螺旋密度（?）： ?=W/T

环状DNA（开环、闭环）可以通过拓扑操作形成正超螺旋和负超螺旋： 正超螺旋（+），即增加右手螺旋圈，为抵消应力，环状DNA将出现左手扭曲； 负超螺旋（-），即减少右手螺旋圈，为抵消应力，环状DNA将出现右手扭曲； DNA超螺旋和解超螺旋均必需借助蛋白质的作用，这类蛋白质称为DNA拓扑异构酶。

I 型DNA拓扑异构酶：催化DNA两条链同时断裂和连接 II 型DNA拓扑异构酶：催化DNA一条链断裂和连接

溴乙锭：一种吖啶类化合物，插入到碱基对之间，减少DNA负超螺旋 2． DNA的性质

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溶于水：与分子磷酸核糖骨架在外有关。

酸性：生理pH带负电荷，主要与磷酸基团解离有关，

分子形状和分子量：DNA是最大的生物分子，分子量达到108~1012，其直径/长度（d/l）=10-7，，因此DNA水溶液具有高黏度；分子形状和分子量也影响DNA在超速离心和在密度梯度离心时的沉降行为。例如在超速离心时分子量相同，环状DNA的沉降速度大于线形DNA，在氯化铯密度梯度离心时（48小时），平衡后DNA的浮力密度与其碱基组成、分子构像有关，有高G+C的DNA其浮力密度较高，超螺旋>环状>线形。 正旋光性：与分子不对称性有关

紫外吸收：260nm有最大光吸收，与其碱基有关。

3．DNA的变性和复性

DNA解链称为DNA变性，解链DNA重新聚合称为DNA复性。高温、酸碱、有机溶剂、射线、脲、胍、甲酰胺均可引起DNA变性。 （1）DNA的热变性

①Tm：纯DNA的热变性是协同过程，变性发生在一个狭窄的温度范围，因此DNA热变性中，增色效应达到最大值一半时的温度，称为该DNA的熔点或解链温度，记为Tm。

②影响Tm的因素：G-C含量、DNA样品均一性、缓冲液的离子强度和pH。例如在标准条件（0.15mol/LNaCl//0.15mol/L柠檬酸钠）下，Tm=69.3+0.41（G+C） （2）DNA复性

复性机理：随机识别成核和拉链式聚合延伸

影响因素：DNA片段的大小、离子强度、DNA浓度、温度 复性动力学：复性过程是二级反应，即-dC/dt=kC2 附：Cot分析（时间浓度曲线）

-dC/dt=kC2 ? C/Co=1/（1+kCot），

其中，C= t时间末复性DNA的浓度， Co =变性DNA的起始浓度，t=复性时间 ，k=速度常数（与t、DNA片段大小有关）

因此通过Cot曲线可以定量测定复性速度和序列复杂度。 当C/Co=1/2，则Cot1/2=1/k

因为k与重复序列的碱基数N成正比，则 Cot1/2 ? N

即：可以通过Cot1/2曲线和分子量标尺定量测知DNA的长度和重复序列的拷贝数。

Cot曲线中的分子量标尺：单一顺序中碱基对数目与Cot1/2的关系。 4． DNA的功能 （1）DNA是遗传物质

格雷费斯实验，艾佛里实验和蔡斯-何西实验证明DNA是遗传物质。 （2）DNA是遗传信息载体

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DNA携带的遗传信息通过复制、转录与翻译得到传递和表达（分子生物学中心法则）

5．DNA序列的测定 DNA的测定策略（图） DNA片段序列测定

发展了Sanger的加减法（1975）与链终止法（1977）（chain termination method）；化学裂解法（Maxam-Gilbert Method） 其中的链终止法（用放射同位素标记）步骤如下：

新链合成反应。分四管进行，每管反应混合物含待测DNA（顺序未知）、寡聚核苷酸引物（顺序已知）、dNTPs（四种三磷酸核苷的混合物，其中一种含放射性P）和DNA聚合酶。

分别加入ddATP 、ddCTP 、ddGTP、 ddTTP 做抑制剂。随机进行链终止。 聚丙烯酰胺凝胶电泳分离DNA片段 放射自显影、读序

6．1．4 核糖核酸RNA RNA的结构特征

单链RNA可以在局部区域通过氢键，配对形成有环（loop）、臂（arm）、发夹（pin）等结构的复杂形状的分子。其中各tRNA均形成三叶草形的四臂三（或四）环结构，并由于内部氢键配对形成倒L型三级结构。 RNA的性质

类似DNA，但因分子量显著低于DNA和不具有完全双螺旋结构，在有关性质上和DNA存在明显差异。 RNA的生物学功能

核酸是RNA病毒的遗传物质。

核酸参与遗传信息的传递和表达。例如mRNA是DNA信使，tRNA是蛋白质构件-氨基酸的专运者，核糖体RNA组建核糖体。

某些小分子rRNA是生物催化剂，即核酶（Ribozyme）

核酸是许多功能超分子的重要的结构组分：例如核糖体、信号识别颗粒等，M1RNA是E.coli的RNaseI的组成成分，该酶参与转录的RNA的加工。 6．1．5 基因组学

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第7章 质膜转运蛋白和物质跨膜转运

7．1 学习提要

7．1．1 生物膜和物质跨膜转运 生物膜的结构

S．J．Singer和G.L.Nicolson(1972)的流动镶嵌模型 三种普遍的物质跨膜转运系统

分类依据是携带溶质的数目和转运方向： （1）单载（uniport） （2）对称载（symport） （3）逆载（antiport） 7．1．2 被动转运

不与ATP分解偶联的跨膜转运 1．被动跨膜转运的能学

研究溶质通过生物膜的脂双层的能量变化

简单扩散：没有转运蛋白协助，溶质自行完成的扩散过程。由于去掉水化层过程是高度吸能的，故扩散通过脂双层的活化能很高。 促进扩散（facilitated diffusion）：有转运蛋白协助的扩散，转运蛋白与去水化的溶质非共价作用，取代与水的氢键。提供亲水的跨膜通道，减少溶质跨膜扩散的活化能。

2．转运蛋白（transpoter）

执行被动转运（passive transport）的蛋白质称为转运蛋白或通透酶（permiase），作用方式类似酶。具有高扩散速度、饱和性和专一性。不能使胞内浓度超过胞外浓度。 离子通道（ion channel）：

一类负责转运离子的转运蛋白，离子通道是由蛋白质单位聚合形成的跨细胞膜的结构，离子通道对离子有选择性。如Ca2+通道，K+通道、Na+通道等。在神经细胞、肌肉细胞等兴奋性细胞中，钙、钾或钠通道等的变化可引起膜两侧的电荷分布改变和电位变化，产生动作电位和引起神经递质释放。在分泌细胞中钙通道改变可引起离子的浓度变化，从而导致细胞一系列蛋白质结构发生变化。

葡萄糖通透酶（glucose permease）：

促进葡萄糖进入红细胞，该酶的12个跨膜片段形成一个能跨越膜脂核心的亲水通道。对D-葡萄糖专一（Kt=1.5mM） 红细胞膜的氯-碳酸根交换蛋白

促进Cl— 和HCO3=对称载，不改变跨膜电位。其功能是增加血液携带CO2的能力。

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3．促进转运的动力学分析（类似酶催化动力学） 以葡萄糖促进转运为例：

Sout+T? Sout-T ? Sin -T ? Sin +T V0=Vout [S]out /Kt+[S]out

7．1．3 主动转运（Active transport）

与ATP分解或其他供能机制偶联的逆浓度梯度转运。包括初级主动转运，即与光、氧化、ATP分解直接偶联的转运；和次级主动转运，即和其它物质化学梯度的递降偶联。 1．主动转运的能学

?Gt=RTLn（C2/C1）+Z F??

式中：R是气体常数（8.315J/mol*K），T 是绝对温度，C1和C2分别为转运前后所处位臵的浓度。Z是离子携带的电荷，F是法拉第常数（96480J/V*mol），??是跨膜电位（V）。 2．主动转运建立了离子的跨膜梯度

真核细胞典型跨质膜电位是0.05-0.1V。绝大多数的离子的跨质膜或内膜梯度都维持在10倍以上。 3．“离子泵”

负责离子主动转运的膜蛋白。

Na+-K+-ATPase （Na+-K+-泵）

建立和维持细胞K+和Na+的跨膜梯度的主要责任者，属于整合膜蛋白，由两个跨膜的亚基：50 000和110 000组成，与ATP的分解相偶联，该酶可运出3个Na+，同时运进2个K+。

K+和Na+的跨膜梯度是神经原等电信号发生的基础。由于Na+-K+- ATPase的作用，电荷跨膜分离，细胞内电荷负于细胞外，动物的神经原和大多数非神经原细胞中跨膜电位达到50-70mV。人静息时产能的25%都用于支持Na+-K+- ATPase。

Na+梯度为各类细胞的各种物质协同运输提供动力。例如葡萄糖促进转运可以与钠离子内流协同。

关于Na+-K+-ATPase作用机理的推测。认为ATP水解的产物磷酸基团可以稳定该酶的构像II。酶的磷酸化构像—构像II对K+有高亲和力，对Na+低亲和。而酶的去磷酸化形式—构像I则相反。 4．离子梯度和次级主动转运

由各种离子泵建立起来的跨膜梯度为某些物质的逆浓度转运提供能量，称为次级主动转运。

质子梯度帮助细菌对乳糖的次级主动转运

E.coli借助各种燃料分子氧化的能量将H+运出细胞，建立起质子梯度。借助半乳糖透性酶进行质子和乳糖的对称转运，使乳糖逆浓度梯度进入细胞。

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第 8 章 信号分子和细胞信号传递

8.1 学习要点

细胞信号传递指细胞通过相应的受体接受环境信息，并经细胞内信号传递，最终对环境刺激作出反应的过程。 8．1．1 细胞信号分子

细胞信号分子是指细胞产生的能影响它细胞的化学物质，细胞信号分子介导细胞间和细胞内的信息传递。 1．细胞信号分子的基本特征 微量

半寿期一般很短

有效应分子（或靶分子），即受体。

通过信号放大机制，引起靶细胞产生强烈响应。 2．细胞信号分子类群。

已知的细胞信号分子包括激素、细胞因子、神经递质、神经调质、自由基等，从化学上可以是蛋白质，肽，氨基酸，脂肪酸，核苷酸，甾类，萜类、可溶性气体如NO、CO2和乙烯等各种化学物质。根据其与受体的结合，基本分为两类： 水溶性 脂溶性

两类信号分子中，脂溶性分子易通过质膜进入细胞，与其细胞内受体结合。水溶性分子一般不能进入细胞，而和细胞表面受体结合。 3．作用方式

自泌（autocrine）：自分泌的信号分子作用于分泌细胞自身 旁泌（paracrine）：作用于邻近细胞 内分泌（endocrine）：经血流运输作用靶细胞 8．1．2 受体

受体是存在于细胞内或细胞表面，能与配基结合的一类特殊的蛋白质。 （1）受体分子的基本特征

能识别和结合信号分子，具有专一性

能转导信号为细胞反应，产生相应的生理效应： 组织特异性

对配基的高亲和性： 与配基结合的饱和性 结合可逆性

（2）细胞信号分子的受体

特指结合细胞信号分子并传递其携带的信息的细胞内或细胞表面蛋白质。

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第二信使

第二信使指细胞响应细胞信号而产生的细胞内信号分子，第二信使也能像细胞信号分子一样，引起细胞产生强烈响应。

（1）第二信使的基本特征基本同细胞信号分子。即

微量，但作为细胞响应过程的中间产物，在响应前后其浓度水平有急剧变化 半寿期一般很短

有效应分子（或靶分子），

通过信号放大机制，引起细胞产生强烈响应。 （2）已经证明可作为细胞第二信使的物质 环核苷酸类：cAMP、cGMP； 离子：Ca2+、Na+

膜脂水解产物：磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DAG）、花生四烯酸等等。 （3）第二信使的主要效应分子 cAMP：蛋白激酶A（PKA），无活性形式是一种四聚体蛋白质（C2R2），cAMP与其调节亚基（R）结合，释放出催化亚基，可以催化后续蛋白质磷酸化 cGMP：蛋白激酶G（PKG），由两条相同的肽链组成，与ｃＧＭＰ结合后被活化，但二聚体并不解离。 Ca2+：钙调蛋白（CaM），Ca2+-CaM为活性分子，可激活几种蛋白激酶、磷酸酯酶、核苷酸环化酶、Ca2+泵、离子通道蛋白和肌肉收缩蛋白等， IP3：内质网IP3受体，一种Ca2+通道，与IP3结合，使内质网钙库释放。 DAG：几种酶，例如PKC等。

第二信使的协同作用{以蛋白激酶Ｃ的活化为例}

蛋白激酶Ｃ（PKC）是一种依赖Ca2+的蛋白激酶。正常条件下，PKC以无活性形式存在于胞液中，对Ca2+不敏感。细胞受刺激后，第二信使DAG和Ca2+同时促使PKC由胞质转移到含磷脂的质膜内表面。并在DAG和磷脂（主要是磷脂酰丝氨酸，ＰＳ）的共同作用下，提高对Ca2+的敏感性，因而使PKC活化。

PKC由一条多肽链组成。它可以引起许多底物蛋白丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，其中包括各种受体、膜蛋白、收缩蛋白、细胞骨架蛋白、核蛋白和酶类等，从而影响细胞代谢、生长和分化。

8．1．4 细胞信号传递机制

细胞信号转导机制的发展使细胞能对来源其他细胞的化学信号作出响应。根据细胞信号分子的类别和受体位臵，细胞信号传递可大体分为跨膜细胞信号转导和细胞内受体识别两类。而根据细胞表面受体偶联机制不同，跨膜细胞信号转导可分为受体门控离子通道途径、受体-G蛋白途径和受体-酶联途径。

1、受体门控离子通道

也称为配体门控离子通道，通过受体与配体结合操纵离子通道的开和关，改变

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细胞膜对离子的通透性，引起离子的大量和快速跨膜流动，是一种快速信息传递方式。配体主要是神经递质，如乙酰胆碱受体通道、氨基酸受体通道、单胺类受体通道和Na+激活的Ｋ+通道等等。

（门控离子通道还有一类是电位门控通道，如Na+通道和Ｋ+通道，它们由一条肽链组成，但分成多个主结构域和亚结构域，跨膜部分形成α－螺旋，中央部分为离子通道。神经元的电信号沿轴突传递依赖于离子通过电位门控通道引起的膜电位变化） 2、受体-G蛋白途径

受体和G蛋白偶联，配体与受体结合操纵G蛋白的活性，有活性的G蛋白改变效应分子的活性，通过蛋白质级联系统引起相应的细胞变化。 （1）G蛋白偶联的受体

其典型特征是跨膜区域为7段α-螺旋。 （2）三聚体G蛋白

三聚体G蛋白是一大类具有信号转导功能蛋白的总称，以能与GTP/GDP结合而得名。G蛋白的三个亚基分别称为α、β、γ。

G蛋白的功能：改变后续蛋白质或酶的活性，分为刺激性（stimulatory）和抑制性（inhibitory）两种。

G蛋白的作用机制： 受体与配体结合引起三聚体G蛋白的亚基解离，其?亚基上的GDP被臵换为GTP，结合了GTP 的G蛋白作用其效应分子，与此同时，G蛋白的GTP酶活性也被激活，GTP酶使GTP 水解为GDP。有配体结合到受体时，GDP不断被GTP臵换，保证了G蛋白的活性。 G蛋白的效应分子：腺苷酸环化酶，催化产生第二信使cAMP；鸟苷酸环化酶，催化产生第二信使cGMP；磷脂酶C，催化产生第二信使IP3和DG；N型电压门控Ca2+通道，引起Ca2+内流等。 （3）第二信使和效应分子

根据受体-G蛋白途径中第二信使和后续效应分子的不同，受体-G蛋白途径又可以分为APK（环腺苷酸-蛋白激酶途径）、GPK（环鸟苷酸-蛋白激酶途径）、CPK（钙依赖的蛋白激酶途径）等

3、受体-酶途径

受体和酶偶联或者受体本身具有酶活性。当这类受体结合配体后，它们就能使与之偶连的酶的特殊氨基酸磷酸化，或者使自身的特殊氨基酸磷酸化，酶因而被激活。反之，去磷酸化，酶失活。有活性的酶则通过蛋白质级联系统引起细胞响应。蛋白质的磷酸化和去磷酸化是受体-酶联途径中预先已经设臵的控制功能的开关，依据偶连酶的磷酸化类型可以分为： 受体-酪氨酸激酶途径，磷酸化位点为酪氨酸；

受体-丝氨酸/苏氨酸激酶途径，磷酸化位点为丝氨酸或苏氨酸；

4、细胞内受体信息转导

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沿这类途径传递的信息将直接进入细胞内甚至直接进入细胞核或者借助细胞膜受体的介导而进入细胞内。它们不需要第二信使的介导。细胞信号与受体结合将引起转录因子活化，活化的转录因子与DNA结合，改变基因转录的速率，因此细胞响应以某些蛋白质的合成改变。

8．1．5 激素及其信号传递 激素：

狭义上激素指一些组织合成和分泌，通过血液运输到机体其他部位，与靶组织（细胞）受体结合，引起这些组织产生特殊的生理生化效应的微量有机物质。广义上指细胞产生的，与靶组织（细胞）受体结合，引起这些组织产生特殊的生理生化效应的微量有机物质。 （1）激素的分泌与运输

激素的分泌：由细胞直接分泌到体液（血液、淋巴液、细胞外液、脑脊液）中 激素的运输：靠体液运输 （2）激素平衡

激素通过多级反馈抑制保持激素的产生和分泌平衡，如图所示。在没有环境刺激时，激素在血液中的浓度一般约为10-7～10-12mol/L。

下丘脑?（TRH）?垂体前叶?（促甲状腺素）?甲状腺?（甲状腺素）?组织

- - - 图 激素的反馈控制 （3）激素分类

激素可以按化学本质分类。

含氮激素：蛋白质激素——如胰岛素、生长激素（GH）；肽类激素——如催产素、促肾上腺皮质激素（ACTH）；氨基酸及其衍生物——如甲状腺激素、肾上腺素

甾类激素：盐皮质激素（肾上腺皮质分泌）——如醛甾酮；糖皮质激素（肾上腺皮质分泌）——如皮质醇（氢化可的松）和皮质素（可的松）；性激素和孕激素等

脂肪酸激素：如前列腺素（PG） 2．激素作用机理

（1）某些激素的作用机理 激素 促肾上腺皮质激素（ACTH） 促性腺激素（LH、FSH、Hcg） 加压素 肾上腺素： 胰高血糖素： 降钙素： 激素信号传递 APK途径 APK途径 APK途径 APK途径 APK途径 APK途径 34

甲状旁腺激素： 胰岛素和类胰岛素生长因子 甲状腺激素： APK途径 受体酪氨酸激酶途径 细胞核受体途径 1、25-二羟胆钙化醇： 细 胞质受体途径 甾体激素 细胞内受体途径 8．1．6 胰岛素信号途径

牛胰岛素分子特征：51个氨基酸残基，A链（20）和B链（31），二对链间二硫键，1个链内二硫键（A链）。

胰岛素的分泌：胰岛?细胞粗面内质网合成单链的前胰岛素原，从氨基端开始，依次排列着信号肽，B链,连接肽（C肽）和A链。该前体分子经内质网加工去除信号肽成为胰岛素原，后者在高尔基器上被酶水解成为C肽和有活性的胰岛素分子。人的胰腺每日可产生1～2毫克胰岛素。

胰岛素受体：一种糖蛋白，由以二硫键相连的分别含719个和620个氨基酸残基的二种亚基组成。本身具有酪氨酸激酶活性。

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