医学基础 中国医科大学 生物化学与分子生物学教研室 孙黎光

第一章 生物大分子的结构与功能

第一节 蛋白质的结构与功能

三. 蛋白质的理化性质 （一）蛋白质的两性解离性质 （二）蛋白质的高分子性质 （三）紫外吸收性质及重要的呈色反应 （四）蛋白质的变性、沉淀和凝固

（一）蛋白质的两性电离性质 蛋白质是由氨基酸构成的，其两端及侧链都含有可解离的酸性基团或碱性基团，因此在不同pH的介质中，蛋白质的带电状态就不同。

蛋白质的两性解离 pH>pI pH<pI pH=pI 阴离子 阳离子 氨基酸的兼性离子

蛋白质的等电点（pI）： 在某一pH的溶液中，蛋白质解离成 阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成 为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH 值称为该蛋白质的等电点。

pH > pI 带负电荷 pH < pI 带正电荷 体内多数蛋白pI为5.0左右 ， pH为7.45 时 多数蛋白带负电荷。 如pI 偏于碱性－碱性蛋白质 鱼精蛋白 组蛋白 如pI 偏于酸性－酸性蛋白质 胃蛋白酶 丝蛋白

（二）蛋白质的高分子性质 颗粒大小：在1～100nm之间，属胶体，因 此溶于水，成为亲水胶体。 稳定亲水胶体的因素： 水化膜 表面电荷 不通透性：半透膜 毛细血管壁

（三）紫外吸收性质及重要的呈色反应 波长：280nm 引起紫外吸收的因素：主要是色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸( Trp, Tyr，Phe)的共轭双键。 可用于蛋白质的定量

氨基酸的紫外吸收和呈色反应 色氨酸 吸光度 酪氨酸 苯丙氨酸 波长nm 三种芳香族氨基酸的紫外吸收光谱 230 240 250 260 270 280 290 300 310 6 5 4 3 2 1 0 波长nm 三种芳香族氨基酸的紫外吸收光谱 色氨酸与酪氨酸在光波接近280nm波长处有吸收峰，且与其含量呈正比，可用于蛋白质的定量分析

（四）蛋白质的变性、沉淀和凝固 1.变性（denaturation） 概念: 在某些理化因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致理化性质的改变和生物活性的丧失。 变性本质：二硫键和非共价键的破坏引起空间结构的改变，不涉及一级结构的改变。

蛋白质的变性与复性 牛胰核糖核酸酶（124AAs）分子的变性与复性

变性是指蛋白质在一些理化因素的作用下，其正常的空间构象遭到破坏，主要是次级键或二硫键发生破坏，导致蛋白质的理化性质的改变（如溶解度下降、粘度增加）和生物学活性的丧失。蛋白质的变性不影响其一级结构。

变性因素： 物理因素：加热、加压、超声波、紫外线 化学因素：胍、脲、有机溶剂、 强酸强碱、 SDS -巯基乙醇、 重金属离子 生物碱试剂

蛋白质变性后的理化和生物学性质改变： 溶解度↓ 生物活性丧失 易被蛋白酶水解 粘度↑ 结晶能力消失 应用： 消毒灭菌 低温保存生物制剂

蛋白质的凝固作用（coagulation） 变性蛋白质的肽链结构扩散，互相缠绕、扭成一团，结成一块，不能恢复原来结构，即是凝固这种现象称为蛋白质的凝固作用。

四、蛋白质的分类 （一）根据蛋白质分子组成分类 单纯蛋白质 氨基酸（清蛋白） 结合蛋白质 氨基酸＋辅基

辅基： 结合蛋白质中的非蛋白部分，绝大部分辅 基是通过共价键与蛋白部分相连，辅基与蛋 白质的功能密切相关。包括糖、脂、核酸、 磷酸、色素和金属离子等。

结合蛋白质及辅基 类别 辅基 举例举例 核蛋白 核酸 染色质蛋白 病毒核蛋白 糖蛋白 糖类 免疫球蛋白 蛋白聚糖 磷蛋白 磷酸 酪蛋白 卵黄磷蛋白 脂蛋白 脂类 低密度、 高密度脂蛋白 色蛋白 色素 血红蛋白 黄素蛋白 金属蛋白 金属离子 铁蛋白 铜蓝蛋白

（二）根据蛋白质形状分类 球状蛋白质：分子长轴:短轴<10，多数可溶 于水。亲水基团位于分子表面，疏水基团位 于分子内部。肌红蛋白、血红蛋白 纤维状蛋白质：分子长轴:短轴>10，难溶水。 胶原蛋白、角蛋白

（三）根据蛋白质功能分类 酶的功能 举例 催化作用 酶 收缩作用 肌球蛋白 肌动蛋白 调节作用 钙调蛋白 生长因子 酶的功能 举例 催化作用 酶 收缩作用 肌球蛋白 肌动蛋白 调节作用 钙调蛋白 生长因子 结构作用 胶原蛋白 弹性蛋白 保护作用 血纤维蛋白 免疫球蛋白 激素作用 胰岛素 基因调节作用 转录因子 阻遏蛋白等

五、蛋白质结构与医学 （一）一级结构改变与疾病 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。镰刀型红细胞性贫血 Hbβ 肽链 N-缬·组·亮·苏·脯·谷·谷·····C(146) N-缬·组·亮·苏·脯·缬·谷·····C(146) 1 2 3 4 5 6 7

正常红细胞 镰刀状红细胞

（二）空间结构改变与疾病 由于蛋白质空间构象发生改变导致生物学功能丧失而引起的疾病称为蛋白构象病，因此这类疾病又称蛋白质构象病，如老年痴呆症、疯牛病及亨丁顿舞蹈病等。 有些蛋白质错误折叠后相互聚集形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。

疯牛病中的朊病 毒蛋白构象改变 PrPsc β-折叠 PrPc α-螺旋 正常 疯牛病

正常朊病毒蛋白结构 （显示-螺旋） 朊病毒结构 （显示-片层结构）

正常朊病毒蛋白与朊病毒空间结构的差 异朊病毒（PrPsc）是蛋白质，不含核酸。它 是正常朊病毒蛋白（PrPc）的空间构象由- 螺旋变成-片层结构所致。这类疾病又称蛋 白质构象病。朊病毒本身不能复制，但它却 可以攻击大脑的正常朊病毒蛋白，使其发生 构象改变,并与其结合，成为致病的朊病毒二 聚体。此二聚体再攻击正常的朊病毒蛋白。 这样，脑组织中的朊病毒不断积蓄，造成脑 组织发生退行性变。

第二节 核酸的结构与功能

核酸 (nucleic acid) 核酸是由多个核苷酸经磷酸二酯键连接而形成的生物大分子,起携带和传递遗传信息的作用。

核酸的分类、分布及功能 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA): 90%以上分布于细胞核，其余分布于线 粒体内 - 储存和携带遗传信息 核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA): 分布于胞核、胞质中- 参与遗传信息的表达

一、 核酸的化学组成 (一) 核酸的元素组成 Ｃ Ｈ Ｏ Ｎ Ｐ 含P；9－10％ 用于定量

(二) 核酸的基本组成单位-核苷酸 核酸可在核酸酶的作用下水解。

1、碱基 (base):（含氮杂环化合物） 每种核酸的主要碱基都有四种。 DNA由A、G、C、T组成 RNA由A、G、C、U组成

嘌呤：

嘧啶:

2、戊糖(ribose)

3、核苷（ribonucleoside) 嘌呤碱N-9或嘧啶碱N-1与核糖或脱氧核 C-1′通过糖苷键相连形成核苷或脱氧核苷。

4、核苷酸 （nucleotide） 核苷（或脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合构成核苷酸（或脱氧核苷酸）。

5.核苷酸命名： 核苷一磷酸（NMP） N=A,G,C,T,U 核苷二磷酸（NDP） 核苷三磷酸（NTP） AMP: 腺苷一磷酸 CTP：胞苷三磷酸

体内重要的游离核苷酸及其衍生物 ATP(腺苷三磷酸) 环化核苷酸： cAMP（环腺苷酸）、 cGMP （环鸟苷酸） 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoASH、 FAD等都含有AMP

6．核苷酸的连接方式－磷酸二酯键 核苷酸之间通过3,5  -磷酸二酯键相连形成的线性大分子称为核苷酸链。 核酸的方向性 ： 5 ′ → 3 ′

二、 DNA的结构与功能 一级结构 二级结构 高级结构

(一)核酸的一级结构： 是指核酸分子中 核苷酸的排列顺序 或碱基排列顺序。

表示法：

DNA 与RNA的区别 核酸 碱基 核糖 DNA A、G、C、T 脱氧核糖 RNA A、G、C、U

（二）DNA的二级结构 1953年，Watson和Crick提出了DNA二级结构的双螺旋结构模型。 碱基互补原则：A=T， C≡G ； 不同生物种属的DNA碱基组成不同； 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。

碱基互补配对(A＝T)

碱基互补配对 (C≡G)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson

DNA双螺旋结构模型的要点： 1．DNA是一反向平行的双螺旋结构 : DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴形成双螺旋。一条链的走向是5′→3′，另一条链则是3′→5′走向。两条多核苷酸链均为右手螺旋，螺旋表面产生大沟和小沟。

2．在DNA双链中，由亲水的脱氧核糖基与磷酸基构成的骨架位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋的内侧。一条链的每个碱基和它同一平面的另一条链的碱基配对，A＝T、G≡C。双螺旋的直径为2.0nm，螺距为3.4nm，螺旋每旋转一周包含10对碱基，每个碱基平面之间的距离为0.34nm。

3．DNA双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋结构的横向稳定依靠两条链间互补碱基的氢键维系，而纵向稳定依靠碱基平面间的堆积力(疏水键)维系。

每螺旋11对碱基 每螺旋10对碱基 每螺旋12对碱基

（三）DNA的高级结构 原核生物DNA的高级结构：超螺旋

真核生物细胞的基因组DNA：核小体－－染色体

（四）DNA的功能 1.DNA是大多数生物的遗传信息储存者，是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础（人3.5 万基因） 。 基因是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。

2. DNA 能自我复制将储存的遗传信息 稳定地从一代传给下一代。 3. DNA的核甘酸序列决定所有细胞内的 RNA核苷酸和蛋白质AAs序列。 4. 生物的变异性和遗传性同时存在， 适应环境的变化。

谢 谢

医学基础 中国医科大学 生物化学与分子生物学教研室 孙黎光

第一章 生物大分子的结构与功能

第二节 核酸的结构与功能

三、 RNA的结构与功能 RNA和蛋白质共同负责基因的表达及其调控

特点: RNA由一条多核苷酸链组成 分子小 功能也具有多样性:基因的表达及其调控 种类、大小、结构多样化: 数十个核苷酸-数千个核苷酸组成

RNA的种类和功能 核糖体RNA（rRNA）： 核蛋白体组成成分 转移RNA（tRNA）： 转运氨基酸 信使RNA（mRNA）： 蛋白质合成模板 不均一核RNA（hnRNA）：成熟mRNA 的前体

RNA的种类、分布、功能 细胞核和胞液 线粒体 功能 核蛋白体RNA rRNA mt r RNA 核蛋白体组分 信使RNA mRNA mt m RNA 蛋白质合成模板 转运RNA tRNA mt t RNA 转运氨基酸 核内不均一RNA HnRNA 成熟mRNA的前体 核内小RNA SnRNA 参与hnRNA的剪接、转运 核仁小RNA SnoRNA rRNA的加工、修饰 胞浆小RNA scRNA/7SL- RNA 蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分

（一）信使RNA 1．信使RNA（mRNA）的结构特点 a. 种类多，数量少 b. mRNA分子大小不一 c. 半衰期短，几分－几小时

真核生物的成熟mRNA由编码区和非编码区构成，其结构特点如下： 帽子结构对于mRNA从细胞核向细胞质转运、与核蛋白体结合、与翻译起始因子结合及mRNA稳定性维系有关.

真核生物mRNA的结构

帽子结构－ 7甲基三磷酸鸟苷 2 4 1 7 6 m7GpppNm （7甲基三磷酸鸟苷）

（2）大多数真核生物mRNA的3′-端有一段长短不一（约200个腺苷酸）的多聚腺苷酸结构,称为多聚A（poly A）尾,与mRNA从核内向胞质内转位、增加mRNA稳定性及翻译起始的调控有关。

（3）mRNA分子上从5′-AUG开始，依次相邻的三个核苷酸为一组决定肽链上一种氨基酸，称为密码子。

2．mRNA的功能 将核内DNA中的碱基顺序（即遗传信息）按照碱基互补规律，抄录并转送至细胞质中，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序，即作为蛋白质合成的模板。

（二）转运RNA（tRNA） 1．tRNA的结构特点 (1) 核苷酸数在70~90之间，分子量最小 (2)含 10~20% 稀有碱基，如 DHU（双氢尿嘧啶核苷)，TψC（T＝胸腺嘧啶核苷,ψ＝假尿嘧啶核苷）

假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷 双氢尿嘧啶核苷 甲基鸟嘌呤核苷

(3)局部双链 ,有4臂4环[氨基酸臂,DHU臂（环）, 反密码环（环)，TψC臂（环）,额外环 ]反密码环中间的三个碱基称为反密码子,可与mRNA上相应的三联体密码子形成碱基互补。 (4) 3′-末端为 — CCA-OH ,结合AAs。 (5)二级结构为三叶草形，

氨基酸臂 TψC环 DHU 环 额外 环 反密码环

（6）tRNA三级结构： 倒L形

2．tRNA的功能: 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译,作为转运各种氨基酸的载体。

（三）核糖体RNA（rRNA） 1.rRNA的结构特点：种类少；含量最多（80％）；茎环结构

2．rRNA的功能： rRNA与蛋白质构成的核糖体是生物体内合成蛋白质的场所。

四、核酸的理化性质及其应用 （一）核酸的一般理化性质 1．核酸分子是两性电解质 含有酸性的磷酸基 及含氮碱基上的碱性基团 2．核酸的紫外吸收 ：260nm

（二）DNA的变性与复性 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双螺旋结构分开成单链。 变性因素： 过量酸，碱，加热， 变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂：如乙醇、丙酮等。

DNA变性的本质是双链间氢键的断裂

解链温度(Tm)： 变性时，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，又称融解温度(melting temperature, Tm)。 核酸分子内50％的双链结构 被解开的温度。 Tm值与DNA分子中的G+C含量呈正比。

变性引起紫外吸收值的改变－增色效应 DNA的紫外吸收光谱

变性理化性质变化 OD260增高 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 增色效应： DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

变性的DNA在合适的条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然的双螺旋构象，这一现象被称为DNA复性。

五 、 核酸结构与医学 （一）基因变异与疾病 基因（gene）是核酸分子中储存遗传信息的遗传单位，即储存有功能蛋白质或RNA序列及其表达调控序列。 基因变异致病可分为两种主要类型： （1）内源基因的变异：基因结构异常和表达异常 （2）外源基因的入侵 ：各种病原体感染人体后，其特异的基因被带入人体

（二）线粒体与疾病 线粒体DNA（mtDNA）为裸露的双链环状DNA。线粒体DNA缺少组蛋白保护，无损伤修复机制，氧化磷酸化中又可产生氧自由基损伤，使其突变率约为核DNA的10~20倍 。突变影响氧化磷酸化的功能，影响耗能较多的中枢神经系统、肌肉、心脏、胰、肝和肾等。常见的线粒体病有母性遗传性疾病，中老年退化性疾病等，亦可促进衰老。

第三节 酶

一、酶的概念及催化特点 （一）酶的概念 酶（Enzymes）是活细胞合成的、具有高度 催化效率和高度特异性的一类生物催化剂。 酶的本质是蛋白质， rRNA具有酶活性。称为核酶。 DNA也有连接酶和磷酸酯酶的活性，称为脱氧核酶。目前多数学者认为，酶和核酶都是生物催化剂。

（二）酶的催化特点 酶所催化的化学反应被称为酶促反应。 在酶促反应中酶所作用的物质被称为底物或作用物 （S） 。

酶与一般催化剂的共同性质： (1) 在化学反应前后都没有质和量的改变； (2)只能促进热力学上允许进行的反应，等效地加速正、反两向反应； (3)不能改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数； (4)酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能，而使反应速度加快。

酶不同于一般催化剂的特点： 1．酶的催化效率极高 比非催化反应高108～1012倍，比一般催化剂高 107～1013倍。

过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂 活化能/mol 无 18 000cal 胶态钯 11 700cal 过氧化氢酶 2 000cal

2．酶具有高度特异性 酶对所催化的底物具有严格的选择性，即一种酶只作用于一种或一类化合物，或一种化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性或酶的专一性。

（1）相对特异性：大多数酶作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称为相对特异性

（2）绝对特异性：有的酶只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成特定结构的产物，称之为绝对特异性。

（3）立体异构特异性：一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性。如乳酸脱氢酶仅能催化L-乳酸脱氢，而对D-乳酸不发生作用。

3．酶活性的可调节性 酶活性是指酶催化化学反应的能力，也称酶活力。 酶活性的调节 酶的变构调节 酶的共价修饰调节 酶原的激活 同工酶 酶的诱导 酶的阻遏 酶含量的调节

二、酶的结构与功能 （一）酶的分子组成 1.单纯酶(simple enzyme)： 只由氨基酸组成的单纯蛋白质。 脲酶、淀粉酶、脂酶 2.结合酶（conjugated enzyme)： 由蛋白质部分和非蛋白质部分构成的酶。

结合酶 (1)酶蛋白 + 辅助因子 = 全酶(holoenzyme) 酶蛋白(apoenzyme)：决定反应特异性 辅助因子(cofactor)：决定反应的种类与性质 酶蛋白和辅助因子单独存在时均无活性， 只有全酶才具有酶活性。

(2)酶的辅助因子可分为辅酶和辅基。 辅酶(coenzyme)与酶蛋白结合疏松，以非共 价键相连，可以用透析或超滤方法除去。 辅基(prosthetic group)则与酶蛋白以共价键紧密结合，不能通过透析或超滤将其除去。

a.传递电子； b.在酶与底物之间起连接作用； c.稳定酶分子的活性构象； d.中和阴离子。 (3)酶的辅基多为金属离子和小分子有机化合物 1)金属离子: K+ Mg 2+ Cu+ Zn 2+ Fe 2+ a.传递电子； b.在酶与底物之间起连接作用； c.稳定酶分子的活性构象； d.中和阴离子。

2)小分子有机化合物 含有铁卟啉、维生素B族（B1、B2、B6、B12、Vpp、叶酸、泛酸、生物素等）等， 在反应中起传递氢原子或电子作用。

辅助因子 　 维生素 转移基团 NAD+ Vpp 氢原子 NADP+ FAD(FMN) VB2 TPP VB1 醛基 磷酸吡哆醛 VB6 氨基 四氢叶酸　 叶酸 　一碳单位 生物素　　 生物素 　 CO2　

（二）单体酶、寡聚酶、多酶体系 单体酶： 由具有三级结构的一条肽链构成的酶。例如牛胰核糖核酸酶、溶菌酶、羧肽酶A等。 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键相连的酶。 如3-磷酸甘油醛脱氢酶是由4个相同亚基组成的 ，而乳糖合成酶由A、B两个不同亚基构成。

多酶体系(multienzyme system)在细胞内有许多由几种不同功能的酶彼此聚和形成的多酶复合物－丙酮酸脱氢酶系。 多功能酶(multifunctional enzyme)一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由多肽链组成并具有多种不同催化功能的酶，称为多功能酶或串珠酶－脂肪酸合成酶系。

活性中心(active center)：酶蛋白分子中能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位称为酶的活性中心或活性部位。 （三）酶的活性中心 活性中心(active center)：酶蛋白分子中能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位称为酶的活性中心或活性部位。 必需基团(essential group)：酶分子中与酶的活性密切相关的基团。例如氨基、羧基、羟基、咪唑基、巯基等，

结合基团：与底物结合，形成酶－底物复合物的部位； 催化基团：影响底物中化学键的稳定性化底物发生化学反应，将底物变成产物。 活性中心内的必需基团： 结合基团：与底物结合，形成酶－底物复合物的部位； 催化基团：影响底物中化学键的稳定性化底物发生化学反应，将底物变成产物。 活性中心外的必需基团：维持酶的特殊的空间构象 构成酶活性中心的基团：His的咪唑基、Ser的-OH、 Cys的-SH、Glu的-羧基

溶菌酶(lysozyme)的活性中心 溶菌酶（129氨基酸）－糖苷酶，水解细菌细胞壁的多糖。 A、B、C、D、E、F为溶菌酶的底物(N－乙酰葡萄糖胺，NAG6，含6个N-乙酰氨基葡糖环）。Glu35和Asp52为该酶的催化基团，催化D环的糖苷键断裂，使D-E之间的糖苷键断裂，形成EF二聚体和A、B、C、D四聚体。Trp62和63、Asp101和Trp108是结合基团.

（四）酶的催化作用原理 1．酶-底物复合物的形成和诱导契合学说 酶在发挥其催化作用之前，酶（E）和（S）相互诱导，相互变形，相互适应，进而二者结合，形成酶－底物复合物（ES），这种酶与底物相互诱导结合过程，称为诱导契合学说 。

酶的诱导契合学说

2．邻近效应和定向排列 底物结合在酶的活性中心，形成利于反应的正确定向关系。

3.多元催化(multielement catalysis)： 即有酸催化又有碱催化

4.表面效应(surface effect) 酶活性中心多为疏水性区域，防止E和S形成水化膜，利于E和S密切接触发生反应。表面效应使底物与酶的反应在酶分子内部疏水环境中进行。

三、酶促反应动力学 酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响反应速度各种因素的科学。 影响酶促反应速度的因素： 酶浓度[E] 底物浓度[S] pH 温度T 抑制剂及激活剂

酶促反应速度：用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量表示研究。 酶促反应动力学要采用初速度 初速度：反应速度与时间呈正比的阶段。 反应10min. 或底物消耗在5%

（一）底物浓度对酶促反应速度的影响 1．底物浓度与反应速度呈矩形双曲线 c b a

[S] V Vmax 当底物浓度较低时，反应速度与底 物浓度成正比；反应为一级反应。

随着底物浓度的增高，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。 [S] V Vmax 随着底物浓度的增高，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。

当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应 [S] V Vmax 当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应

2．米氏方程 几乎所有的酶都有上述酶被底物饱和的现象，不同的酶达到饱和时所需要的底物浓度不尽相同。为了解释底物与反应速度的关系，1913年Michaelis和Menten提出米氏方程： Vmax为最大反应速度， [S]为底物浓度， Km为米氏常数， V是不同[S]时的反应速度。

谢 谢

医学基础 中国医科大学 生物化学与分子生物学教研室 孙黎光

第一章 生物大分子的结构与功能

第三节 酶

2．米氏方程 几乎所有的酶都有上述酶被底物饱和的现象，不同的酶达到饱和时所需要的底物浓度不尽相同。为了解释底物与反应速度的关系，1913年Michaelis和Menten提出米氏方程： Vmax为最大反应速度， [S]为底物浓度， Km为米氏常数， V是不同[S]时的反应速度。

米-曼氏方程式： Km为米氏常数。 当[S]<<Km时（a），v∝[S]; 当[S]>>Km时（c），v≈Vmax

（3） ， Km值是酶的特征性常数，它与酶结构，酶所催化的底物和反应环境如温度、pH、离子强度等有关，而与酶浓度无关。 Km的单位是mmol/L 。 大多数酶的Km值在10-6～10-2mol/L之间; 不同种类酶的Km值不同； 如一种酶有多个不同的底物，则酶对每一种底物各有特定的Km 。

（二）酶浓度对酶促反应速度的影响 在酶促反应中，当底物浓度足够大，使酶被底物饱和时，则反应速度与酶浓度成正比关系. 当[S]>>[E]时， [E]与v呈正比关系。

（三）pH对酶促反应速度的影响 pH影响酶与底物的亲和力。 最适pH：酶催化活性最大时的环境pH。 体内多数酶的最适pH接近中性，动物体内酶最适pH在6.5～8之间，植物的最适pH为4.5～6.5。 胃蛋白酶的最适pH为1.8，精氨酸酶的最适pH为9.8。 最适pH不是酶的特征性常数，受底物浓度、缓冲液种类、浓度及酶纯度等因素影响。

pH对酶促反应速度的影响

（四）温度对酶促反应速度的影响 双重影响 最适温度：酶促反应速度最快时的环境温 度。最适温度不是酶的特征性常数。 体内大多数酶的最适温度在35－40℃ 植物50-60 ℃，>60 ℃酶变性。 低温不使酶破坏，可保存酶。

最适温度

（五）抑制剂对酶促反应速度的影响 在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂。 抑制剂与酶活性中心内或中心外的必需基团相结合，抑制酶的催化活性。

抑制作用可分为两类： 不可逆抑制作用 （irreversible inhibition) 可逆抑制作用 (reversible inhibition)

1.不可逆抑制作用 抑制剂通常与酶活性中心上的必需基团以共价键相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。 抑制剂是非生物来源，如有机磷农药敌百虫、敌敌畏及1059等。它们可与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合生成磷酰化酶，使酶失活。

1）羟基酶抑制剂： 有机磷化合物与羟基结合，对胆碱酯酶的抑制，为专一性抑制剂。 用解磷定解除抑制。

胆碱酯酶 乙酰胆碱 胆碱＋乙酸 乙酰胆碱堆积引起付交感兴奋症状：恶心，呕吐，多汗，肌肉震颤，瞳孔缩小.

2）巯基酶抑制剂 重金属离子及砷与巯基结合，为非专一性抑制剂 路易斯气－含砷 可用二巯基丙醇（BAL）解毒

2.可逆抑制作用 抑制剂非共价键与酶和酶－底物复合物可逆结合，使酶活性降低或消失，可用透析、超滤等方法将抑制剂除去而使酶活性恢复。 1)竞争性抑制作用 2)非竞争性抑制作用 3)反竞争性抑制作用

1) 竞争性抑制作用 抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物，而抑制酶的活性。

竞争性抑制作用

特点： ① 竞争性抑制剂与底物结构相似; ② 增加[S]可减弱抑制作用; ③ 酶的Vmax不变，而Km值增大。

举例： a.磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制

b.抗代谢药物的抗癌作用 应用竞争性抑制剂原理,合成代谢物的类似物,使其与E结合而阻碍代谢,达到治疗的目的,这些代谢物的类似物成为抗代谢物(antimetabolites). 抗菌素, 抗肿瘤药物:如氨甲蝶呤、5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤等。

2. 非竞争性抑制作用 抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，不影响酶与底物的结合，酶与底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。但酶－底物－抑制剂复合物不能生成产物。

非竞争性抑制

3. 反竞争性抑制作用 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使ES的量下降。这样，既减少从ES转化为产物的量，也同时减少从ES解离出游离酶和底物的量。

酶的反竞争性抑制

四、酶的调节 关键酶(Key enzyme)： 催化单向不可逆反应或非平衡反应的酶,一般位于代谢途径的起始或分支处；决定整个代谢的方向和速度。 催化反应速度最慢的反应-限速酶 (rate-limiting E) 这类酶受底物的控制,还受多种代谢物或效应剂的调节,是可调节酶。

调节对象: 关键酶(限速酶) 调节方式 酶活性的调节 变构调节 酶的共价修饰调节 酶原与酶原的激活 快速调节 酶含量的调节（缓慢调节）

（一）酶的变构效应 细胞内一些中间代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速度，这种现象为变构效应。

蛋白激酶A（R2C2）的R2与4个cAMP结合后，使R亚基对C亚基的抑制作用消失，C亚基则具有催化活性。 变构调节举例： R R C C C R C R 蛋白激酶A 蛋白激酶A（R2C2）的R2与4个cAMP结合后，使R亚基对C亚基的抑制作用消失，C亚基则具有催化活性。

具有变构调节的酶被称为变构酶。酶分子中与中间代谢物结合的部位称为变构部位或调节部位。能引起变构效应的代谢物称为变构效应剂。如果某效应剂能使酶活性增加并加速反应速度，则被称为变构激活剂;反之，降低酶活性及反应速度者为变构抑制剂。

变构效应剂常常是酶的底物、产物或其它小分子代谢物。 这些变构效应剂浓度的变化可通过变构效应改变某些酶的活性，进而改变代谢反应速度或代谢途径方向。

变构调节的意义: 1.快速调节 2.终产物可抑制该途径起始的酶-反馈抑制,这可保证代谢物生成不致过多,保证能量有效利用,不致浪费; 3.使不同代谢途径互相协调。

磷酸化和脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 －SH和－S－S互变 （二）酶的共价修饰 酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆的共价结合，引起酶分子结构改变而影响酶的活性称为酶的共价修饰，也称为化学修饰。 磷酸化和脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 －SH和－S－S互变

蛋白激酶 磷蛋白磷酸酶 酶蛋白 酶蛋白 酶的磷酸化与脱磷酸化 ATP ADP Thr Ser Tyr -O-PO32- -OH Thr H2O Pi 磷蛋白磷酸酶 酶的磷酸化与脱磷酸化

共价修饰的特点： (1)酶有高（有）或低（无）活性两种形式，共价修饰可使两种形式互变。 (2)酶分子出现共价键的变化，从而使酶结构改变影响活性。

(3)蛋白质磷酸化需ATP提供磷酸，即酶蛋白每 能磷酸键，是耗能反应。蛋白质磷酸化是一 种经济有效的、快速的一种酶活性调节方式。 (4)共价修饰是酶促反应，一分子酶可催化许多 其它酶蛋白发生磷酸化，因此有放大效应 （级联效应）。 (5)有些酶具有别构与化学修饰双重调节，

(三)酶原及酶原激活 一些酶在细胞合成时没有活性,需要经一定的加工剪切才有活性,这类无活性的酶的前体称为酶原。 在合适的条件下和特定的部位，无活性的酶原向有活性的酶转化的过程称为酶原的激活。

肠激酶 胰蛋白酶 N-端 甘 异 赖 缬 天 组 丝 S 活性中心 赖 缬 天 甘 异 缬 组 丝 S 6肽 胰蛋白酶原（245AA）的激活过程

某些酶原的激活 酶原 激活因素 激活途径 部位 胃蛋白酶原 H+或胃蛋白酶 胃蛋白酶＋六肽 胃腔 胰凝乳蛋白酶原 胰蛋白酶 胰糜蛋白酶＋两个二肽 小肠腔 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶＋几个肽段 羧基肽酶原 羧基肽酶＋几个肽段

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽 酶原激活的机理 酶 原 分子构象发生改变 形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽 在特定条件下

酶原激活的生理意义 避免细胞产生的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，保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。 凝血酶原 凝血酶

（四）同工酶 同工酶是指催化相同的化学反应，但酶分子结构、理化性质及免疫学性质等不同的一组酶。 乳酸脱氢酶（LDH）是四聚体酶，亚基有两型（M型和H型），共有5种同工酶。

乳酸脱氢酶(LDH1～ LDH5) H M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 乳酸脱氢酶的同工酶 电泳速度递减

心肌的LDH1主要催化乳酸脱氢； 骨骼肌的LDH5主要催化丙酮酸还原。

同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。 *生理及临床意义 在代谢调节上起着重要的作用； 用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化 1 酶活性 心肌梗死酶谱 正常酶谱 肝病酶谱 2 3 4 5 1 2 3 4 5 正常LDH2高于LDH1, 心肌梗死时LDH1高LDH2

(五)酶含量的调节 除了通过改变细胞内现有的酶活性进行代谢调节之外，生物体还可通过改变细胞内酶的含量来调节代谢。细胞内一些代谢物可影响基因表达,诱导或阻碍酶蛋白的合成，或改变酶蛋白的降解速度等来改变细胞内酶的含量。

五、酶的命名与分类 （一）酶的命名 1.酶的习惯命名法 a.底物 + 反应性质 + 酶 如谷氨酸脱氢酶 b. 来源 + 底物 + 反应性质 + 酶 如胰蛋白水解酶 c.水解酶类： 底物 + 酶，如蛋白酶、脂酶

2.系统命名： 底物之间以“：”分隔+ 反应性质 + 酶 如：L-天冬氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶

氧化还原酶类：催化底物进行氧化还原反应的酶类。如乳酸脱氢酶。 （二）酶的分类 氧化还原酶类：催化底物进行氧化还原反应的酶类。如乳酸脱氢酶。 转移酶类：催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如甲基转移酶。 水解酶类：催化底物发生水解反应的酶类。如淀粉酶。

4. 裂解酶（或裂合酶）类：催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类，如柠檬酸合酶，醛缩酶。 5. 异构酶类：催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。如磷酸丙糖异构酶。 6. 合成酶（或连接酶）类：催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有ATP的磷酸键断裂释能的酶类。如谷氨酰胺合成酶。

六、酶与医学 （一）酶与疾病的发生 1．酶先天性缺乏与先天性代谢障碍 酶先天缺乏引起的疾病 疾病名称 缺乏的酶 白化病 酪氨酸酶 蚕豆黄 葡萄糖6磷酸脱氢酶 莱纳二氏综合征 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核苷转移酶 高胱氨酸尿 胱硫醚合酶 苯丙酮尿症 苯丙氨酸羟化酶

2．酶活性改变与疾病发生 一些酶活性升高或降低也可使机体代谢反应异常，导致疾病发生。 胰腺炎时，由于胰腺生成的蛋白水解酶在胰腺原地被激活，水解胰腺组织，导致胰腺组织被严重破坏。

有机磷农药中毒时，抑制胆碱酯酶活性，该酶活性降低，引起乙酰胆碱堆积，导致神经肌肉和心脏功能的严重紊乱。 重金属中毒时，一些巯基酶的活性被抑制而导致代谢紊乱。

（二）酶与疾病的诊断 许多器官组织的疾病与酶含量和活性异常有关，并且这些酶常常逸入体液中，因此通过对血液、尿等体液中某些酶活性的测定，可以反映某些器官组织的疾病状况并有助于疾病的诊断。

用于诊断的一些血清酶 酶 主要来源 主要临床应用 淀粉酶 唾液腺 胰腺 卵巢 胰腺疾患 碱性磷酸酶 肝 骨 肠黏膜、肾、胎盘 骨病 肝胆疾患 酶 主要来源 主要临床应用 淀粉酶 唾液腺　胰腺　卵巢 胰腺疾患 碱性磷酸酶 肝　骨　肠黏膜、肾、胎盘 骨病 肝胆疾患 酸性磷酸酶 前列腺　红细胞 前列腺癌 骨病 谷丙转氨酶 肝　心　骨骼肌 肝实质疾患 谷草转氨酶 肝骨骼肌　心 肾、红细胞 心肌梗塞　肝实质疾患　肌肉病 肌酸激酶 骨骼肌　脑　心　平滑肌 心肌梗塞 肌肉病 乳酸脱氢酶 心　肝　骨骼肌　红细胞 心肌梗塞　溶血　肝实质疾患 胆碱酯酶 肝 有机磷中毒　肝实质疾患

(三)酶与疾病的治疗 1.替代治疗 由于某些酶缺乏所引起的疾病，如消化腺分泌功能不良所致的消化不良，常可服用胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶、胰淀粉酶等

2．对症治疗 临床上常用链激酶、尿激酶及纤溶酶等溶解血栓，用于治疗心脏、脑血管栓塞等。 3．抗菌治疗 一些药物是根据酶的竞争性抑制原理而设计的，如磺胺类药物、氯霉素、红霉素起抑菌作用。

4．抗肿瘤治疗 很多抗肿瘤药物是根据竞争性抑制的原理设计的，如5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤可竞争性抑制DNA复制过程，阻止细胞无限制的生长而达到治疗肿瘤目的。

（四）酶在医药学上的其他应用 酶常可作为分析试剂对某些酶活性、底物浓度、抑制剂、激活剂等进行定量分析； 酶还可作为工具用于科学研究和生产领域，如在基因工程中，用各种限制性核酸内切酶、连接酶等达到基因重组的目的；

抗体酶是具有催化功能的抗体分子，抗体酶的制造技术比蛋白质工程简单，是人工制造一些特异性强的、药效高的药物或自然界不存在的新酶中的一种捷径。

谢 谢