生物化学的复习资料

第二章 蛋白质

【知识精讲】

一、蛋白质的基本结构单位——氨基酸及其分类

从各种生物体中发现的氨基酸已有180种。

基本氨基酸:指20种直接参与蛋白质组成的氨基酸;

非蛋白质氨基酸:180多种天然氨基酸大多数是不参与蛋白质组成的,这些氨基酸被称为非蛋白质氨基酸。

1、通式:从蛋白质水解物中分离出来的常见氨基酸有20种,除脯氨酸外,这些氨基酸在结构上的共同点是:与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基,因而称为α- 氨基酸 。

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α- 氨基酸除甘氨酸外,其

α-碳原子都为一个不对称碳原子,因此都具有旋光性,且生物体内的α-

氨基酸均为L-构型。

2、氨基酸的分类

(1)按基本氨基酸R 基的化学结构分类

①脂肪族氨基酸及其三字符

A .含一氨基一羧基的中性氨基酸

B .含羟基氨基酸

C .含硫氨基酸

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D .含酰胺基氨基酸

E .含一氨基、二羧基的酸性氨基酸

F .含二氨基、一羧基的碱性氨基酸

②芳香族氨基酸及其三字符

③杂环族氨基酸及其三字符

(2)按基本氨基酸R 基的极性分类:

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(3)非蛋白质氨基酸:这些氨基酸一般不参与蛋白质的组成,但有一些是重要的代谢物前体或中间产物。如β-丙氨酸是辅酶A (HS-CoA )的组成部分之一、γ-氨基丁酸是抑制性神经递质、L-瓜氨酸和L-鸟氨酸参与尿素循环、D-丙氨酸和D-谷氨酸参与细菌细胞壁中肽聚糖的组成等。

3、氨基酸的理化性质:

(1)氨基酸的晶体为离子晶格

过去长期认为氨基酸在晶体或其水溶液中是以不解离的中性分子存在的。后来发现氨基酸晶体的熔点很高,一般在200摄氏度以上,此外还发现氨基酸能使水的介电常数增高,而一般的有机化合物如酒精、丙酮使水的介电常数降低。如果氨基酸在晶体或其水溶液中主要是以兼性离子状态(即氨基酸分子内部有些基团带正电荷,有些基团带相等的负电荷,结果整个分子的净电何为零)存在,上述两个现象就易解释了。

氨基酸晶体是以离子晶格组成的,像氯化钠晶体一样,维持晶格中质点的作用力是异性电荷间的吸引,而不象分子晶格那样以范德华力来维系,这种静电引力要比范德华力强得多。

(2)氨基酸在水溶液中的两性解离

氨基酸完全质子化时,可以看成为多元酸:侧链不解离的中性氨基酸可看为二元酸;侧

链解离的酸性氨基酸和碱性氨基酸可看为三元酸。

①等电点(pI):指水溶液中,氨基酸分子净电荷为0时的溶液pH值。

在等电点时,氨基酸分子基本处于兼性离子状态,少数解离为阳离子和阴离子,但解离成阳离子和阴离子的数目和趋势相等。此时,氨基酸分子在电场既不向正极移动,也不向负极移动。

②等电点的计算

对侧链不解离的中性氨基酸,其等电点是它的pK,1(表观解离常数)和pK,2的算术平均值。

对侧链解离的酸性或碱性氨基酸,其等电点是其兼性离子两边的pK,值的算术平均值。

③等电点对氨基酸分子电荷数的影响

pH>pI 氨基酸带净负电荷;pH=pI 氨基酸净电荷为0;pH

(3)氨基酸的紫外吸收能力

参与蛋白质组成的20种氨基酸,在可见光区都没有光吸收,但在远紫外光区(<220nm)均有光吸收。在近紫外光区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力,因为它们的R基含有苯环共轭双键系统。酪氨酸的最大光吸收波长为275nm(苯酚基)、苯丙氨酸为257nm(苯基)、色氨酸为280nm(吲哚基)。

蛋白质由于含有这些氨基酸,所以也有紫外吸收能力,一般最大光吸收在280nm波长处,可利用蛋白质的这个特点测定蛋白质的含量。

(4)与茚三酮反应

在弱酸性溶液中茚三酮与α-氨基酸共热,引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应,最后茚三酮与反应产物(氨)及还原茚三酮发生作用,生成紫色物质,利用这个反应可以定性或定量地测定各种氨基酸。

两个亚氨基酸,即脯氨酸和羟脯氨酸因与茚三酮反应不释放氨,而直接生成黄色化合物。

二、蛋白质的种类

生物界蛋白质的种类估计在1010-1012数量级。蛋白质种类多样的原因是:参与蛋白质组成的20种基本氨基酸在肽链中的排列顺序不同。

1、按蛋白质分子的化学成分,可分为

(1)简单蛋白质:完全由氨基酸构成的蛋白质,如核糖核酸酶、胰岛素等。

(2)结合蛋白质:除蛋白质外,还有非蛋白质成分(一般称为辅基或配基),这样的蛋白质叫结合蛋白质。结合蛋白质可再按其辅基进行分类。

2、按蛋白质分子的形状,可分为

(1)球状蛋白质:分子对称性佳,溶解度较好,能结晶,大多数蛋白质属此类型。

(2)纤维状蛋白质:分子对称性差,溶解度较差,呈细棒状或纤维状,又可分为:可溶性纤维状蛋白质,如肌球蛋白、血纤维蛋白原;

不溶性纤维状蛋白质,主要生理功能是在生物体内作为结构成分存在,如胶原、弹性蛋白、角蛋白、丝心蛋白等。

3、按蛋白质的生物功能,可分为

蛋白质从功能上可分为酶蛋白、结构蛋白、载体蛋白、受体蛋白、防御蛋白(免疫球蛋白)、营养和贮存蛋白、收缩蛋白、运动蛋白等。

三、蛋白质分子的大小与分子量

蛋白质的分子量变化很大,一般为6000-106道尔顿。

确定蛋白质分子量的简单方法举例:

1、凯氏定氮法:蛋白质含量=蛋白氮×6.25

蛋白质元素组成特点:蛋白质的平均含氮量为16%,这是凯氏定氮法的计算基础,上式中的6.25为16%的倒数,即1g氮所代表的蛋白质量。

2、不含辅基的简单蛋白质

可用蛋白质的分子量除以110来估计其氨基酸残基的数目。原因是:蛋白质中20种氨基酸的平均分子量为138,但在多数蛋白质中较小的氨基酸占优势,因此其平均分子量接近128,又因为每形成一个肽键将失去一分子水的分子量(18),所以氨基酸残基的平均分子量

为110。

四、蛋白质的构象

蛋白质的生物学功能决定于它的高级结构,而蛋白质的高级结构由它的一级结构,即氨基酸的顺序决定。天然存在的蛋白质总是处于热力学最稳定的状态。

蛋白质的构象:每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构,这种空间结构通常称为蛋白质的构象。

一般用蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构、四级结构来表示蛋白质不同层次的构象。

1、一级结构

蛋白质的一级结构指多肽链共价主链中氨基酸残基的排列顺序。

HO

∣‖

(1)共价主链:肽链是由规则单位—N—C—C—重复排列而成,称其为共价主链。

∣∣

HR

不同的肽链,其共价主链都是一样的,差异在于R基的顺序,即氨基酸残基的顺序。

(2)肽键、肽平面与多肽链:

氨基酸残基:多肽链中的每一个氨基酸单位叫做氨基酸残基,因为在形成肽键时丢失了一分子水。

肽键:由于肽键中氮原子的孤对电子与相邻羰基之间的相互作用,表现出高稳定性。X-射线衍射分析证明,C—N单键有40%的双键性质,C=O双键有40%的单键性质。肽链中肽键都为反式构型。重要的特例是:含脯氨酸的肽键,其构型可以反式的,也可以是顺式的,因为脯氨酸侧链的四氢吡络环引起的空间位阻消去了反式构型的优势。

肽平面:肽键中的C—N具有双键性质不能自由旋转,结果肽键的4个原子和与之相连的两个α-碳原子(C

α)都处于同一个平面内,此平面称为肽平面。多肽主链上只有与α-碳原子连接的两个化学键(如C

α——N1,Cα——C2)是单键,可以自由旋转。

多肽链的方向:对直链多肽而言,规定从肽链的氨基末端(N-端)的氨基酸残基开始命名,书写时,也通常把氨基末端氨基酸写在左面,羧基末端(C-端)氨基酸写在右面。

(2)肽的显色反应

①与茚三酮的反应:和氨基酸一样,肽链中游离的α-氨基也能与茚三酮发生反应,生成紫色物质。这一反应广泛用于肽的定性和定量测定。

②双缩脲反应:一般含有两个或两个以上肽键的化合物可与碱性硫酸铜溶液发生双缩脲反应,生成紫红色或蓝紫色复合物,利用这个反应可以测定蛋白质的含量。该反应为肽和蛋白质所特有,氨基酸不能发生此反应。

2、二级结构

蛋白质的二级结构指多肽链借氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象,如α-螺旋、β-折叠片、β-转角等。

使多肽链发生折叠的主要动力:一是疏水相互作用,这种相互作用使暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度;二是处于伸展状态的多肽链和周围水分子之间形成的氢键。

(1)蛋白质的二级结构主要有以下方式:

①α-螺旋:为蛋白质中最常见,含量最丰富的二级结构,且几乎都是右手的,因为右手螺旋比左手螺旋稳定。α-螺旋中的氢键是由肽键上的N—H上的氢与它后面(N端)第四个残基上的C=O上的氧之间形成的。

α-螺旋由于它的构象具有规则结构,从而引起肽链折叠中的协同性,即一旦形成了一圈α-螺旋,随后逐个残基的加入就会变得更加容易而迅速,这是因为第一圈螺旋成为安装相继的螺旋残基所需的模板。

一条多肽链能否形成α-螺旋,以及形成的α-螺旋是否稳定,与该肽链氨基酸的组成与

排列顺序有极大的关系,如R基的大小(较小易)、R基是否带有电荷(不带电荷易)、多肽链中是否存在脯氨酸及羟脯氨酸(有则α-螺旋被中断,形成“结节”)等。

②β-折叠:为蛋白质中常见的二级结构。两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起,相邻肽链主链上的—NH和C=O之间形成有规则的氢键,这样的多肽构象就是β-折叠。

β-折叠有两种类型,一种是平行式,即所有肽链的N端都在同一方向;另一种是反平行式,肽链的极性一顺一倒,N端间隔同向。

③β-转角:又叫回折、β-弯曲,该结构多数位于球状蛋白分子的表面,因为在这里改变多肽链的方向阻力较小。β-转角有三种类型,其共同特点为:每种类型都有4个氨基酸残基,且弯曲处的第一个残基的C=O和第四个残基的—NH之间形成氢键,形成不很稳定的环形结构。

(2)超二级结构:蛋白质中,特别是在球状蛋白中,由若干相邻的二级结构单元(即α-螺旋、β-折叠、β-转角)组合在一起,彼此相互作用,形成有规则、空间上能辨认的二级结构组合体,充当三级结构的构件,称为超二级结构。已知的超二级结构有三种组合形式:(αα)、(βαβ)、(βββ)

3、三级结构

蛋白质的三级结构指多肽链借助各种次级键(非共价键)盘绕成具有特定肽链走向、呈紧密球状的构象。在三级结构中,除了属于二级结构的α-螺旋、β-折叠片等规则构象外,还有无规则的松散肽段。

三级结构是多肽链上各个单键的旋转自由度受各种限制的总结果,它决定于一级结构中氨基酸的长程顺序及其种类。维系蛋白质三级结构的作用力主要有盐键、氢键、范德华力、疏水相互作用、二硫键等。

二硫键也叫二硫桥,是由两个半胱氨酸中的两个巯基(-SH)相连而成,多见于在β-转角附近。它在维持蛋白质的空间构象及维持蛋白质的生物活性方面上起重要作用。二硫键可存在同一条肽链中(链内二硫键),也可存在于不同的肽链间(链间二硫键)。

蛋白质的三级结构决定于氨基酸残基的顺序,这一结论最直接最有力的证据是某些蛋白质的可逆变性实验,特别六十年代的牛胰核糖核酸酶复性经典实验。

4、寡聚蛋白质及其四级结构

(1)四级结构:很多蛋白质以三级结构的球状蛋白通过非共价键彼此缔合在一起形成聚集体,这就是蛋白质的四级结构。

亚基:又称单体,四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基或亚单位,亚基一般是一条多肽链,但有的亚基由二条或多条肽链通过二硫键连接而成。

单体蛋白质:指无四级结构的蛋白质,如肌红蛋白、溶菌酶等。

寡聚蛋白质:指由两条或更多条多肽链(亚基)组成的蛋白质。

(2)别构蛋白质和别构效应

别构蛋白质:又叫调节蛋白质,为寡聚蛋白质,分子中每个亚基都有活性部位或者还有别构部位(调节部位)。如天冬氨酸转氨甲酰酶,活性部位与别构部位分属不同的亚基。

别构效应:指别构蛋白(如血红蛋白、别构酶等)与配基结合后,蛋白质的构象发生改变,进而改变了该别构蛋白生物活性的现象。

五、蛋白质的变性与复性

1、蛋白质的变性作用:在某些物理、化学因素的影响下,蛋白质分子中次级键被破坏,结果蛋白质分子从有序紧密的构象变为无序而松散的构象,即蛋白质分子构象改变至解体的过程。

变性作用不涉及共价键(肽键和二硫键等)的断裂,一级结构保持完好;变性作用是一个协同过程,此过程是在变性剂浓度很窄范围内;或很窄的pH范围内,或很窄的温度间隔内突然发生的。

2、引起蛋白质变性因素

物理因素:热、紫外线照射、高压和表面张力等;

化学因素:酒精、尿素、丙酮等有机溶剂,酸,碱等。

3、变性过程中蛋白质分子的变化:

(1)蛋白质内部一些侧链基团暴露,如疏水基团外露等。

(2)蛋白质理化性质改变,如溶解度下降,蛋白质分子伸展,不对称性增加等。

(3)生物化学性质的改变,如变性后的蛋白质更易被蛋白酶水解等。

4、生物活性的丧失:生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征。有时空间结构只有轻微的局部变化,甚至这些变化还没有影响物理化学性质时,蛋白质的生物活性就已经丧失了。

蛋白质的复性:当变性因素除去后,有些变性的蛋白质又可重新回复其天然构象,这一过程称为复性。

六、蛋白质的性质及其分离方法

1、蛋白质的酸碱性质

在蛋白质分子中有游离的α-氨基、α-羧基,R基侧链上也有各种功能基团,因此蛋白质的很多物理化学性质与氨基酸是相同的,如蛋白质也是两性化合物;也可把它看成多价离子,也有等电点(pI)等。

2、蛋白质的胶体性质与沉淀

(1)蛋白质溶液属于胶体溶液

根据分散程度可以把分散系统分成三类:分散相质点小于1nm的为真溶液;大于100nm 的为悬浊液;介于1-100nm的为胶体溶液。

分散相质点在胶体系统中保持稳定,需要具备三个条件:一是分散相的质点在1-100nm 间;二是分散相质点带有同种电荷,结果质点间互相排斥,不易产生沉淀;三是分散相质点能与溶剂形成溶剂化层,如水分层。质点的水化层使质点不易相互靠近,从而不易产生沉淀。

蛋白质溶液属于胶体溶液,和一般的胶体系统一样也有布朗运动、丁达尔现象及不能通过半透膜等特性。

(2)蛋白质分子的质点大小、带同种电荷和水化层是稳定蛋白质胶体系统的主要因素。任何影响这些条件的因素都有会影响蛋白质溶液的稳定性,使蛋白质发生沉淀。

沉淀蛋白质的几种常用方法

①盐析法:向蛋白质溶液中加入大量的中性盐(如氯经钠、硫酸钠等),使蛋白质脱去水化层而沉淀,这种方法一般会使蛋白质变性。

②有机溶剂沉淀法:向蛋白质溶液中加入一定量的有机溶剂(如乙醇、丙酮),使蛋白质脱去水化层,同时降低了溶剂的介电常数,从而使蛋白质沉淀。

③重金属盐沉淀法:当溶液pH大于等电点时,蛋白质颗粒带负电,这样就易和重金属离子结合成不溶性盐而沉淀。

④生物碱试剂和某些酸类沉淀法:当溶液pH小于等电点时,蛋白质颗粒带正电荷,易与生物碱试剂、酸根离子生成难溶性盐而沉淀。

⑤加热变性沉淀法:当蛋白质处于等电点,加热凝固最完全和最迅速。

3、蛋白质混合物的分离方法简介

可根据蛋白质分子的大小、溶解度、电荷性质与数量、吸附性质及对其它分子的亲和力不同,对蛋白质混合物进行分离。

(1)根据蛋白质的分子大小进行分离

①透析:利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质进行分离,常用的半透膜是玻璃纸、火棉纸等。

②超过滤:利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质,通过施加压力或离心方法,强行使水和其它小溶质分子通过半透膜,而使蛋白质分子留在半透膜上。

③密度梯度离心:蛋白质颗粒的沉降不仅决定于它的大小,还决定于它的密度。如果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,并且每种蛋白质颗粒沉降到与自身密度相等的介质梯度时就会停下来。最终各种蛋白质在离心管(常用塑料的)中被分离成各自独立的区带。分成区带的蛋白质可以在管底刺一小孔放出,并分部收集。常用的密度梯度有蔗糖梯度、聚蔗糖梯度等。

④凝胶过滤(又叫分子排阻法、分子筛层析)

这是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方法之一,其原理实际上是一种层析法。

凝胶过滤所用的介质是凝胶珠,在凝胶珠的内部是多孔的网状结构。经常使用的凝胶有

交联葡萄糖、聚丙烯酰胺凝胶和琼脂糖等。

分子大小不同的蛋白质混合物流经凝胶层析柱时,比凝胶网孔大的分子不能进入珠内网状结构,从而被排阻在凝胶珠之外,而比凝胶网孔小的分子则能自由进出珠内网状结构,这样当蛋白质混合物随着溶剂在层析柱中下行时,分子越小蛋白质的在下行过程中所走的距离越长,下行的速度越慢。结果大分子物质先被洗脱下来,小分子物质后被洗脱下来。

(2)根据蛋白质的溶解度进行分离

影响蛋白质溶解度的因素主要有pH值、离子强度(盐浓度)、介电常数、温度等。通过改变上述某些条件,使混合物中某种蛋白质的溶解度发生改变,从而达到分离的目的。

①等电点沉淀法

当蛋白质处在等于其等电点的介质环境中时,蛋白质的净电荷数为0,由于相邻蛋白质分子之间的静电斥力消失而发生沉淀。

利用不同的蛋白质分子具有不同的等电点,且蛋白质在等电点时溶解度最小的原理,控制蛋白质溶液的pH值,使其等于某一蛋白质的等电点,从而实现对该蛋白质的沉淀及分离。这样沉淀下来的蛋白质保持了天然构象,在其非等电点的pH介质环境下能重新溶解。

②蛋白质的盐溶和盐析

中性盐对球状蛋白的溶解度有明显的影响。

盐溶及其机理:低浓度的中性盐可以增加蛋白质的溶解度,这种现象称为盐溶。

盐溶的机理是:蛋白质分子与某种盐类离子结合后,带电表层使蛋白质分子间彼此排斥,同时蛋白质分子与水分子间的相互作用加强,使蛋白质分子溶解度增加。同样浓度的二价离子的中性盐与单价离子的中性盐相比,两价离子的盐溶效果要大得多。

盐析及其机理:当溶液的离子强度增加到一定数值时,蛋白质的溶解度开始下降。当离子强度增加到足够大时,如中性盐浓度处于饱和或半饱和状态时,很多蛋白质可以从水溶液中沉淀出来。

盐析的机理是:大量中性盐的加入,使水的活度降低,自由水转变为盐离子的水化水,从而降低蛋白质的极性基团与水分子间的相互作用,破坏了蛋白质分子的水化层。

③有机溶剂分级法:在一定的温度、pH值、离子强度条件下,可通过控制有机溶剂的浓度,达到分离蛋白质的目的。

有机溶剂不仅能引起蛋白质沉淀,同时使蛋白质变性,如果先将有机溶剂冷却到-40℃到-60℃,然后在不断搅拌的同时,一滴一滴加入有机溶剂以防局部浓度过高,便可以解决变性问题。

④温度

在一定温度范围内(0-40℃),大部分球状蛋白质的溶解度随温度的升高而增加。也有例外,如人的血红蛋白。而温度高于40℃-50℃时,大部分蛋白质开始变性。

(3)根据蛋白质所带电荷数的不同进行分离

①电泳:在外加电场的作用下,带电颗粒(如不处于等电点的蛋白质分子)将向与其电性相反的电极移动,这种现象为电泳。

带电颗粒在电场中的泳动速度主要决定于它所带的净电荷性质、数量;带电颗粒的大小、形状;电场强度的大小等。

②离子交换层析

以强酸型阳离子交换树脂为例,带正电的蛋白质与树脂交换而被“挂”在树脂上,使其移动速度变慢,这种情况下,蛋白质被洗出的顺序一般为:带负电的蛋白质最先被洗出,带正电的蛋白质最后被洗出。

【例题精析】

例2、一个突变使一种蛋白质分子内的丙氨酸残基变成缬氨酸残基,并使此蛋白质的活性丧失。其原因是:C

A、缬氨酸是酸性氨基酸,而丙氨酸是碱性氨基酸

B、丙氨酸是形成а-螺旋所必需的,而缬氨酸则不是

C、缬氨酸比丙氨酸占据空间大,因此蛋白质分子的形状改变了

D、缬氨酸的存在改变了蛋白质的等电点。

解析:缬氨酸和丙氨酸都是中性氨基酸,因此A不正确;丙氨酸和缬氨酸都能形成а-螺旋,只要两个或多个缬氨酸残基(-碳链有分枝)不连续排列即可,因此B不正确;缬氨酸的侧链为异丙基比丙氨酸的侧链甲基大,而且它们都是疏水氨基酸,一般分布在蛋白质分子的内部,特别是如果分布在活性中心,这样会改变活性部位的结构而引起蛋白质活性的丧失,因此C正确;这两种氨基酸的侧链都没有可解离的基团,因此它们的更换不会改变蛋白质的等电点,因此D不正确。

例4、已知血红蛋白含铁0.34%,血红蛋白的最小相对分子量是多少?实验表明,血红蛋白的相对分子量为64500,实际上一个血红蛋白含几个铁原子?

解析:

血红蛋白的最小相对分子量=56(铁的原子量)÷0.34% ≈16400

一个血红蛋白含铁原子=64500÷16400≈4

例5、氨基酸的定量分析表明牛血清蛋白含有0.58%的色氨酸(色氨酸的相对分子量为204)。

(1)试计算牛血清蛋白的最小分子量(假设第每个蛋白质分子只含有一个色氨酸)(2)凝胶过滤测得的牛血清蛋白相对分子量为70000,该血清蛋白分子中含几个色氨酸分子?

解析:

(1)牛血清蛋白的最小分子量=204÷0.58%≈35200

(2)该血清蛋白分子中含色氨酸分子数=70000÷35200≈2

例6、有一个蛋白分子在pH7的水溶液中可以折叠成球状,通常是带极性侧链的氨基酸位于分子外部,带非极性侧链的氨基酸位于分子内部。请解析:

(1)在Val、Pro、Phe、Asp、Lys、Ile、His中,哪些位于内部?哪些位于分子外部?

(2)为什么在球状蛋白内部和外部都发现Gly和Ala?

(3)Ser、Thr、Asn、Gln都是极性氨基酸,为什么会在内部发现?

(4)在球状蛋白的分子内部和外部都能找到Cys,为什么?

解析:

(1)带有非极性侧链的氨基酸残基:Val、Pro、Phe、Ile位于分子内部;带有极性侧链的氨基酸残基:Asp、Lys、His位于分子外部。

(2)因Gly和Ala的侧链都比较小,疏水性和极性都小;Gly只有一个H与а-碳原子与а-碳原子相连,故它们即可出现在分子内部,也可出现在分子外部。相连,Ala只有CH

3

(3)Ser、Thr、Asn、Gln都是极性氨基酸,但它们在pH7.0时含有不带电荷的极性侧链,参与分子内部的氢键形成,从而减少了它们的极性。

(4)在球状蛋白内部可见Cys,因其常常参与链内和链间的二硫键的形成,使其极性减少。

例7、Edman降解:从多肽链游离的N末端测定氨基酸残基序列的方法。N末端氨基酸残基被苯异硫氰酸酯修饰,然后从多肽链上切下修饰的残基,再以层析鉴定,余下的多肽链(少了一个残基)被回收再进行下一轮降解循环。一个含13个氨基酸残基的多肽链,经Edman 降解确定该肽链的氨基酸组成为:Ala、Arg、2Asp、2Glu、3Gly、Leu、3Val。

部分水解后得到以下肽段:

(1)Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala

(2)Val-Asp-Val-Asp-Glu

(3)Val-Asp-Val

(4)Glu-Ala-Leu-Gly-Arg

(5)Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu

(6)Leu-Gly-Arg

问:推测原始肽链的序列

解析:思路是分析这六个片段中重叠部分,结合该肽链的氨基酸组成,可分析出该肽链的原始序列为:Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg

例8、有一多肽,其分子式是C

55H

70

O

19

N

10

,将其彻底水解后只得到下图中的四种氨基酸。

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根据上面的条件回答问题:

问:

(1)该多肽是几肽?

(2)该多肽水解后,有几个谷氨酸?

(3)该多肽水解后,有几个苯丙氨酸?几个丙氨酸?几个甘氨酸?

解析:

(1)该多肽水解后产生氨基酸中,都含1个N原子。除谷氨酸外,又各含2个氧原子,只有谷氨酸有4个氧原子。它们的碳氢原子比最大的是苯丙氨酸,为9:11。又根据题中分子式可知该多肽分子共有10个N原子,因此该多肽为10肽。

(2)形成10肽时会脱去9个水分子,因此这个10肽彻底水解所得到的10个氨基酸的

总和应是C

55H

70

O

19

N

10

+9H

2

O,即C

55

H

88

O

28

N

10

,氧数折半后去氮数(28-10×2)/2=4(因为多了几

个双氧,就有几个谷氨酸分子),即谷氨酸的个数4。

(3)将分子式总和减去这4个谷氨酸,C

55H

88

O

28

N

10

-4 C

5

H

9

O

4

N=C

35

H

52

O

12

N

6

,可见还有6个

氨基酸,而且碳氢比很高,推测这是由于苯丙氨酸的存在所引起的。最多可能有几个苯丙氨

酸(C

9H

11

O

2

N)呢?,将35÷9等于3余8。可见有3个苯丙氨酸,此外还有2个丙氨酸,1

个甘氨酸。

例9、由122个氨基酸组成的多肽链,形成а-螺旋后的长度是多少?

解析:

多肽链形成а-螺旋,每个螺旋由3.6个氨基酸残基组成,螺距为0.54nm,相邻的氨基酸之间垂直距离是0.15nm。该多肽链形成а-螺旋后,其长度=(122/3.6)×0.54=18.3nm;或0.15×122=18.3nm。

例10、羊毛衫等羊毛制品在热水中洗涤会变长,干燥后又收缩;而丝制品进行同样处理后不收缩,这是什么原因?

解析:

羊毛纤维是α-角蛋白,其基本结构是α-螺旋构象的多肽链,其螺距为0.54nm。在湿热条件下,羊毛的多肽链会伸展成为β-折叠构象的多肽链,相邻R基团之间的距离为0.7nm,因此羊毛纤维就拉长了;而干燥后羊毛纤维又会从β-折叠构象变回α-螺旋构象,因此就缩短了。

丝制品中的主要成是β-角蛋白(丝心蛋白),它的基本结构是β-折叠构象的多肽链,水洗和干燥后其构象都无大的变化。

例11、为什么某种氨基酸的变化不影响蛋白质的活性,而另一种氨基酸的变化影响其活性?最容易产生突变的是哪些氨基酸?

解析:

不在蛋白质或酶活性中心的氨基酸改变或被取代,不影响蛋白质或酶的构象和生物活性;在蛋白质或酶的活性中心的氨基酸改变或被取代(此时称为突变),会影响蛋白质或酶的构象和生物活性。

极性和非极性氨基酸的互换易导致突变的发生。

例12、指出用电泳技术分离下列物质,pH是多少时最合适?

(1)血清清蛋白(pI=4.9)和血红蛋白(pI=6.8)

(2)肌红蛋白(pI=7.0)和胰凝乳蛋白质(pI=9.5)

(3)卵清蛋白(pI=4.6)、脲酶(pI=5.0)

解析:电泳分离技术是根据物质带电荷的多少达到分离的目的。待分离的物质所带电荷的差异越大分离效果越好,所以应取两者pI的中间值,带正电荷的粒子电泳时向负极移动,带负电荷的粒子电泳时向正极移动。

例13、在分离范围为5,000-400,000的凝胶过滤柱上分离蛋白质,指出肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素C、胰凝乳蛋白酶原、肌球蛋白、血清蛋白被洗脱下来的先后顺序。

解析:凝胶过滤是根据分子大小从混合物中分离蛋白质的最有效的方法之一,所以又称分子筛。大分子蛋白质比小分子蛋白质先被洗脱下来。根据待分离物质的分子大小,可知被洗脱下来的先后顺序为:肌球蛋白、过氧化氢酶、血清蛋白、胰凝乳蛋白酶原、肌红蛋白、细胞色素C。

例14、根据下述材料,回答下列问题:

材料一早在300年前,人们已经注意到在绵羊和山羊身上患的“羊搔痒症”。其症状表现为:丧失协调性,站立不稳、烦燥不安、奇痒难熬,直至瘫痪死亡。20世纪60年代,英国生物学家阿尔卑斯用射线破坏DNA和RNA后,其组织仍具感染性。

材料二 1996年春天,“疯牛病”(其症状与“羊搔痒症”相似)在英国乃至全世界引起了一场空前的恐慌,甚至引发了政治与经济的动荡,一时间人们“谈牛色变”。

材料三 1997年,诺贝尔生理学奖授予美国生物化学家斯坦利·普鲁辛纳,因为他在研究“疯牛病”的过程中发现了一种新型的生物——朊病毒(Piron)。朊病毒对某些化学试剂,如甲醛、羟胺、核酸酶类等表现出强抗性;但对蛋白酶类、尿素、苯酚、氯仿等不具抗性。

(1)一般的病毒都具有由构成的外壳和由构成的核心。

(2)从上述材料可知,朊病毒很可能仅由一类物质构成,这类物质应是;你的判断依据是:

(3)请你谈谈此项发现在理论上和实践上的重大意义?

解析:

(1)蛋白质、核酸

(2)蛋白质因朊病毒对核酸酶类表现出强抗性,而对蛋白酶类不具抗性。

(3)①从理论上讲:“中心法则”认为DNA复制是“自我复制”,即DNA到DNA,而朊病毒蛋白是蛋白质到蛋白质,这对遗传学理论有一定的补充。

②对探索生命起源与生命现象的本质有重要意义。

③为今后的药物开发和新的治疗方法的研究奠定了基础。

【试题精选】

1、天然蛋白质中不存在的氨基酸是:C

A、半胱氨酸

B、脯氨酸

C、瓜氨酸

D、丝氨酸

2、下图表示脂双层中的膜蛋白。关于此蛋白质中氨基酸分布的下列说法中哪一条是正确的。A

生物化学的复习资料

A、埋在脂双层中的那部分蛋白质分子中疏水氨基酸占优势,而亲水氨基酸则分布在此分子的其他部分

B、带电荷的氨基酸的分布是随机的

C、埋在膜中的那部分蛋白质分子中亲水氨基酸占优势

D、在此蛋白质分子的N端以亲水氨基酸为主,而在此分子的其他部分氨基酸的分布是无规则的。

E、在蛋白质中氨基酸的分布与它和脂双层的相互作用之间没有什么关系

3、在pH5.12时进行电泳,哪种蛋白质既不向正极移动,也不向负极移动?C

A、血红蛋白(pI=7.07)

B、胸腺组蛋白(pI=10.8)

C、β-球蛋白(pI=5.12)

D、血清清蛋白(pI=4.64)

4、下列说法中哪一条解释了青霉素为什么起抗生素的作用?B

A、青霉素抑制核酸的合成

B、青霉素抑制胞壁质的合成,胞壁质是建造细菌细胞壁所必需的物质

C、在原核生物中青霉素抑制蛋白质合成

D、真核生物迅速分解青霉素

5、会发生变性的物质有哪些?D

A、只有蛋白质

B、只有核酸

C、只有脂类

D、有核酸和蛋白质

6、朊病毒是什么?A

A、一种蛋白质

B、没有蛋白质外膜的感染性RNA

C、引物RNA的DNA模板

D、没有线粒体的早期真核生物

E、脂肪酸生物合成的多酶体系

7、对于变性过程的描述,下列各项说法哪项是正确的?B

A、它使二级结构和三级结构丢失,一级结构也遭破坏。

B、它使二级结构和三级结构丢三失,而一级结构不被破坏。

C、只使四级结构丢失

D、使聚合物的化学反应性减小。

8、考虑两者的关系和有关氨基酸-蛋白质和脂肪酸-甘油三酯的4种叙述

生物化学的复习资料

(1)表中右侧的两种分了含有左侧分子的重复单位

(2)在右侧两种分子合成过程中,至少一些电荷是中性的

(3)在两种关系中,左侧分子的变化决定右侧分子的变化

(4)在右侧两种分子的合成中释放水

哪些叙述是正确的?B

A、(1)(2)(3)(4)

B、(2)(3)(4)

C、(3)(4)

D、只有(3)

E、只有(4)

9、苯丙酮尿症是人的一种隐性遗传疾病,引起氨基酸代谢紊乱。苯丙酮尿症引起:B

A、合成苯丙氨酸能力丧失

B、分解苯丙氨酸的能力丧失

C、吸收苯丙氨酸的能力丧失

D、不能在蛋白质合成中利用苯丙氨酸

10、蛋白质怎样从它合成的地方转运到细胞膜的?E

A、通过细胞质的运动

B、通过细胞溶胶中的某些信号蛋白

C、通过细胞溶胶中的具有信号性质的蛋白质-碳水化合物复合物

D、通过细胞骨架

E、通过囊泡

11、按照R-集团的极性可把氨基酸分成几类,在表中用代码依R基的极性把下述的氨基酸分类。

1、丝氨酸

2、丙氨酸

3、缬氨酸

4、苯丙氨酸

5、酪氨酸

6、谷氨酰胺

7、精氨酸

8、谷氨酸

9、天冬氨酸

答案:

表:依R基的极性将氨基酸分类(在PH=7时)

生物化学的复习资料

12、由于超氧基和过氧化氢的形成会破坏细胞膜中的磷脂,在西方国家,有人认为这是导致衰老的因素。为了延迟衰老,他们服用超氧化物歧化酶药片以便尽快使这些有害物质转化,你认为这种方法可行吗?为什么?

答案:不可行。超氧化物歧化酶是蛋白质,不能直接被人体吸收。口服后蛋白质在消化道中会被蛋白酶水解为氨基酸而失去其生理作用。

第五节酶和维生素

【知识精讲】

人类至今已经发现的酶在3000种以上。

一.酶的特点:

1.酶与一般化学催化剂共有的特点:降低化学反应的活化能、提高化学反应速度、不改变化学反应的平衡点(平衡常数)。

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2.酶作为生物催化剂的特点:高效性、专一性、酶易失活、酶的催化活力与辅基、辅酶及金属离子密切相关、酶活力可调控(调控方式包括激活剂调节、抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活、激素控制等)。

二.酶的化学本质及分类

1.酶的化学本质酶是具有催化能力的特殊蛋白质。

2.酶的组成成分

(1)由简单蛋白质形成的酶:这类酶不含辅助因子,其活性仅仅决定于它的蛋白质结构,如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。

(2)由结合蛋白质形成的酶:这类酶只有在结合了非蛋白质组分(辅助因子)后,才表现出酶的活性,其酶蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物称为“全酶”,即全酶=酶蛋白+辅助因子。

酶的辅助因子包括:

辅酶:指与酶蛋白松弛结合的辅助因子,可用透析等方法将其从全酶中除去。

辅基:指以共价键和酶蛋白较牢固地结合在一起的辅助因子,不易透析除去,如细胞色素氧化酶中的铁卟啉辅基。

蛋白辅酶:指以蛋白质作为酶的辅助因子,一般起传递电子、原子、某些基团作用。

在催化反应中,酶蛋白与辅助因子的作用不同,酶反应的专一性取决于酶蛋白本身;辅助因子本身无催化作用,但可直接对电子、原子、或某些基团(如酰基等)起传递作用。

3.按酶蛋白分子的特点分类

(1)单体酶:酶蛋白只有一条多肽链,属于这一类的酶很少,一般为水解酶类,如溶菌酶、胰蛋白质酶等。

(2)寡聚酶:酶蛋白由几个甚至几十个亚基组成。有些酶的亚基都相同;有些酶的亚基则不同,如磷酸化酶a、3-磷酸甘油醛脱酶。

(3)多酶体系:是由几种酶彼此嵌合形成的复合体,常常在一个连续的反应链中起作用,连续的反应链是指前一个酶反应产物是后一个酶反应的底物,如脂肪酸合成酶复合体、丙酮酸脱氢酶系等。

4.酶的辅助因子与B族维生素

B族维生素与辅酶有极为密切的联系,其关系参见下表

生物化学的复习资料

三.酶的命名

1、根据酶的底物命名,如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等

2、根据催化反应的类型命名,如氧化酶、脱氢酶、加氧酶、转氨酶等。

3、国际系统命名——根据酶促反应性质

(1)氧化还原酶类:催化氧化-还原反应(如乳酸脱氢酶等)

(2)移换酶类:催化功能基团的转移反应(如:丙氨酸:酮戊二酸氨基移换酶,即:谷丙转氨酶)

(3)水解酶类:催化水解反应(如淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂肪酶等)

(4)裂合酶类:催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应(如醛缩酶、水化酶及脱氢酶等)

(5)异构酶类:催化各种同分异构体的相互转化(如G-6-P异构酶,催化D、L-构型互变的酶等)

(6)合成酶:催化一切必须与ATP分解相关联,并由两种物质合成一种物质的反应(如CTP合成酶、酪氨酸合成酶等)

四.酶活力测定

1.酶活力(酶活性):指酶催化一定化学反应的能力。

酶反应速度:用单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量来表示,单位为:浓度/单位时间。

酶活力大小可用一定条件下,它所催化的某一反应的反应速度来表示,且呈正相关。

2.酶反应速度曲线:将产物浓度对反应时间作图,反应速度即为该曲线的斜率,研究酶反应速度应以酶促反应的初速度为准。

3.酶的活力单位:一个活力单位是指在特定条件(25℃,其它条件采用最适条件)下,1分钟转化1微摩尔底物所用的酶量。此值用来表示酶量的多少。

4.酶的比活力:每毫克酶蛋白所具有的酶活力,此值用来表示酶纯度大小,同一种酶的比活力越高,酶越纯。

五.酶促反应动力学简介

酶促反应动力学主要研究酶促反应速度以及影响此速度的各种因素

1.米氏方程

20世纪初,人们已经观察到当酶的浓度一定时,酶有被底物饱和的现象。为解释这种现象,曾提出很多假说,其中较为合理的是“中间产物”假说,即:底物+酶→底物-酶中间产物→产物+酶。

在此基础上,1913年Michaelis提出米氏方程:v=Vmax[S]/(Km+[S]),这个方程揭示了酶反应速度与底物浓度之间的定量关系.其中v为酶促反应速度;[S]为底物浓度; Vmax 为最大反应速度(即酶被底物饱和时的反应速度); Km为米氏常数。

2.米氏常数(Km)的意义

Km值:当酶反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度,单位:摩尔/升,与底物浓度的单位一致。

对Km的几点分析:

(1)Km值是酶的特征常数之一,一般只与酶的性质有关,而与酶浓度无关,不同的酶或同一酶在催化不同的底物时,都有不同的Km值,在后一种情况中,Km最小的底物叫最适底物(天然底物)。

(2)1/km可近似地表示酶对底物的亲和力大小,1/Km与亲和力正相关。最适底物与酶的亲和力是最大的。

3.影响酶促反应速度的因素

影响酶促反应速度的因素包括:酶的Km值、底物种类、底物浓度、酶的浓度、pH值、温度、激活剂、抑制剂等,其中前三种因素在米氏方程中已涉及。

(1)pH对酶促反应速度的影响

最适pH值:酶反应达到最大速度时的pH值。同一酶的最适PH值不一定为常数,它受底物种类、浓度、缓冲液成分不同而有变化,且常与酶的 pI不一致。

(2)温度对酶促反应速度的影响

最适温度:酶反应达到最大速度时的温度。

(3)酶浓度对酶促反应速度的影响

在酶促反应中,如果底物浓度足够大,则反应速度与酶浓度成正比。

(4)激活剂、抑制剂对酶促反应速度的影响

①激活剂对酶促反应速度的影响

能提高酶活性的物质叫激活剂,多为离子或简单有机化合物。

激活剂可为在三类:

A.无机离子

金属离子:金属离子对酶的作用有两种:一是作为酶的辅基;二是作为酶的激活剂(如Mg2+是多种激酶及合成酶的激活剂)。这些金属离子有K+、Na+、Mg2+ 、Zn2+、Fe2+、Ca2+等,这些金属离子的原子序数在11-55之间。

氢离子也是一种酶的激活剂。

阴离子:较突出的是动物唾液中的α-淀粉酶受Cl-、Br-激活,其中后一种作用较弱。

激活剂对酶的作用有选择性;有的离子之间可能出现拮抗现象。如Na+抑制K+的激活作

用;Ca2+抑制Mg2+的激活作用等;有时金属离子间可能出现相互替代现象,如Mg2+、Mn2+都可作为激酶的激活剂,二者间可替代。

B.中等大小的有机分子

某些还原剂,如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽能激活某些酶,使酶的二硫键还原成巯基(-SH),以提高酶的活性;另外EDTA(乙二胺四乙酸)是金属螯合剂,能除去酶中的重金属杂质,从而解除重金属离子对酶的抑制作用。

C.具有蛋白质性质的大分子物质

主要指可激活某些无活性酶原的激活剂(激活剂本身可能就是一种酶)。在这类物质的作用下,可使无活性的酶原转变为有活性的酶。

②抑制剂对酶促反应速度的影响

失活作用:使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。

抑制作用:使酶活力下降,但并不引起酶蛋白变性的作用。

抑制剂:能引起抑制作用的物质,可分为:

A.不可逆抑制作用:以比较牢固的共价键与酶蛋白中基团不可逆地结合,从而导致酶的失活。这种抑制作用不能通过透析、超过滤等物理方法除去抑制剂,以恢复酶活性,如有机磷化合物、有机汞化合物、有机砷化物、氰化物、重金属、烷化剂等。

B.可逆抑制作用:抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的,可用透析、超过滤等物理方法除去抑制剂,以恢复酶活性的作用。

a.竞争抑制:是最常见的可逆抑制作用,其原因是酶蛋白不能同时与抑制剂和底物结合,当抑制剂占据了酶蛋白活性中心与底物的结合位点时,酶蛋白就不能与底物结合,这类抑制剂与底物的结构是很相似的。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。

利用竞争性抑制剂是药物设计的根据之一,如磺胺类药物、抗癌药阿拉伯糖胞甘、5-氟尿嘧啶等。

b.非竞争抑制:酶蛋白同时可与底物和抑制剂结合,二者不存在竞争关系,当酶蛋白的活性中心与底物结合后,抑制剂还可与酶蛋白活性中心以外的基团结合,但这样的中间产物不能进一步分解为产物,从而使酶活性降低。这类抑制剂与底物的结构不一定相似,如亮氨酸是精氨酸酶的非竞争抑制剂。

c.反竞争抑制剂:这是最不重要的抑制剂,酶只有在与底物结合后,才能与抑制剂结合,但这样的中间产物同样不能进一步分解为产物。

六.酶的专一性

1.酶的专一性分类

(1)结构专一性

①绝对专一性:只作用于一种底物,如脲酶只作用于尿素,对尿素的各种衍生物不起作用;再如延胡索酸水化酶只作用于延胡索酸(反丁烯二酸)或苹果酸(β-羟基丁二酸),而不作用于结构类似的其它化合物;还有如麦芽糖酶、淀粉酶等。

②相对专一性:可作用于一类底物。

A.键专一性:只要求作用于一定的化学键,对键两端的基团无严格要求,如酯酶催化酯键(R1COOR2)水解,对R1及R2无要求。

B.基团专一性:具有相对专一性的酶作用于底物时,对键两端的基团还有要求,如α-D-葡萄糖苷酶不但要求α-D-糖苷键,而且要求该键的一端必须有葡萄糖才行。

(2)立体异构专一性:

①旋光异构专一性:当底物具有旋光异构体时,酶只能作用于其中的一种。如L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸,不能催化D-氨基酸;再如β-葡萄糖氧化酶只能将β-D-葡萄糖氧化为葡萄糖酸,而对α-D-葡萄糖不起作用。

②几何异构专一性:有的酶具有顺反(几何)异构专一性,如延胡索酸酶只能催化延胡索酸(反-丁烯二酸)成为苹果酸,不能催化顺-丁烯二酸。

(3)酶专一性假说

①刚性模板学说(钥匙与锁假说、三点附着假说)及其缺陷

钥匙与锁假说:底物分子可进行化学反应的部位与酶蛋白上具有催化能力的必需基团

(活性中心)间,在结构上是紧密互补的,就如同一把钥匙开一把锁一样。

三点附着假说:立体异构体虽然基团相同,但各基团在空间上的排列方式不同,这就可能出现这些基团与酶蛋白的活性中心的必需基团能否正好重合的问题,只有完全重合时,酶才能作用于底物,否则不能作用于底物。

刚性模板学说的缺陷:产物与底物的结构是不一样的,但酶的活性中心与这两类物质都要能紧密互补,对于活性中心而言这是无法办到的。因为,如果酶的活性中心是“钥匙和锁假说”中的锁,这把锁就不可能既适合底物又能适合产物。

②诱导楔合假说

诱导楔合假说:当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白受底物分子的诱导,其构象发生有利于底结合的变化,酶与底物在此基础上互补楔合,发生反应。近年来的X-射线衍射分析已证明酶与底物结合时,酶分子确有显著的构象改变。

七.酶的活性中心

酶的活性中心有以下几个要点:

(1)活性中心是酶蛋白在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或这些残基上的某些基团,它们在一级结构上可能相距很远,甚至在不同的肽链,通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近;

(2)当酶分子有辅酶时,辅酶上的某一部分结构往往就是酶活性中心的组成部分;

(3)活性中心有两个功能部位:一是结合部位,即与底物结合的部位,二是催化部位,即打断底物的化学键或形成新的化学键的部位;

(4)当某些酶蛋白经微弱水解切去活性中心以外的部分肽段后,其残余的部分仍保留一定的活性,这一现象似乎说明酶蛋白中活性中心以外的部位对酶的催化功能是次要的,其实不然!活性中心的形成要求酶蛋白具有一定的空间构象,酶蛋白的其它部位是不可缺少的,因为在形成活性中心特定的构象,以及影响酶活力方面活性中心以外部位起着巨大的作用。

八.与酶的高效性有关的因素

1.底物与酶的“靠近”与“定向”

化学反应速度是与反应物浓度成正比的,因此提高酶促反应速度的最主要方式是使酶活性中心区域的底物浓度极高,即在酶的活性中心区域,底物与酶的催化基团之间极端地“靠近”。

人们曾测到过某底物在溶液中的浓度为0.001mol/L,而在其酶活性中心区域的浓度为100mol/L,浓度相差10万倍。

除了底物与酶活性中心的催化基团“靠近”外,底物的反应基团与酶活性中心的催化基团之间还需严格地“定向”,反应物分子才能被利用,迅速形成过渡态。

2.酶使底物分子中的敏感键发生“变形”,使之更易断裂。

在酶与其专一性底物分子诱导楔合的过程中,酶与底物均发生构象的改变(形变)。

3.共价催化:一些酶与其专一性底物形成反应活性很强的共价中间物,大大降低了反应的活化性(能阈)。

4.酸碱催化:酶反应的最适 pH一般接近中性,这种条件下,酶催化部位的氢离子与氢氧根离子的浓度均不高,起不到狭义的酸碱催化剂(即氢离子与氢氧根离子)的作用。这里所说的酸碱催化指的是广义的酸碱催化剂(即质子供体与质子受体)的催化作用。

5.酶活性中心介电常数很低

酶的活性中心可以说是非极性的,即酶的催化基团被低介电环境所包围,这是某些酶提高反应速度的原因之一。

上述五种因素均使酶促反应速度提高,其中前两个因素的作用是最大的;此外,不同的酶,起主要影响的因素可能是不同的,可以受一种或几种因素的共同作用。

九.酶活性的调节控制

1.别构效应调控

别构酶分子中除了有活性中心(负责酶对底物的结合和催化)外,还有别构中心(负责调节酶的活性,进而调节酶促反应速度)。

当专一性底物与别构中心诱导楔合时,随着别构中心构象的改变,该酶的活性中心构象也会相应发生变化,从而引起酶催化活性的改变。

已知的别构酶在结构上的特点有:含多个亚基、有四级结构、活性中心与别构中心可处于不同的亚基或同一亚基不同的部位。

2.可逆共价修饰调控:由共价调节酶的活性变化引起的调控方式。共价调节酶的活性受一个小基团的共价修饰而发生显著变化,即在有活性的酶与无活性酶之间进行互变。

如磷酸化酶的共价修饰调控。

生物化学的复习资料

3.酶原的激活:有的酶在生物体内首先合成出来的是无活性前体,即酶原。这些酶原必须去掉一个或几个肽段后,才能产生具有催化能力的构象,变为有活性的酶。要注意,无活性的酶原转变为有活性的酶的过程是不可逆的。

如血液凝固过程的级联作用中一系列酶原的激活,胰凝乳蛋白酶原的激活等。

生物化学的复习资料

4.激促蛋白质和抑制蛋白的调控

酶由于专一地结合了某些特殊蛋白质,使该酶的活性受到调控;结合在酶上的这些特殊蛋白质被称为激促蛋白质或抑制蛋白质,如钙调蛋白、抗血友病因子等。

钙调蛋白是真核细胞中一种无处不在的调节蛋白,它可以感受细胞外钙离子浓度的变化,当胞外钙离子浓度升高时,钙离子与钙调蛋白结合,带有结合态钙离子的钙调蛋白再结合到许多酶上,激活这些酶。

5.调节酶:主要是指别构酶和共价调节酶,这两类酶对组织、细胞的代谢变可作出迅速的反应。

十.核酸酶

1982年,人们发现原生动物四膜虫的26S rRNA前体在没有蛋白质的情况下可进行内含子的自我拼接,最终形成L19RNA。当时人们只是了解到这种RNA有自我催化的活性,没有把它与酶等同。

1983年,人们又发现在RNA前体加工过程起催化作用的酶是由20%蛋白质和80%RNA组成的,如果除去蛋白质部分,并提高镁离子的浓度,则留下的RNA具有与全酶相同的催化活性,这是说明RNA具有酶活性的第一例证。

现已证明某些RNA分子是高活性的酶。

【例题精析】

例1、某酶的Km为2.4×10-4mol/L,在底物浓度为0.05mol/L时,该酶的反应速度为128μm/min,求在底物浓度为6.3×10-3mol/L、 1×10-4mol/L时,该酶的反应速度分别是多少?从计算结果可得出什么规律?

解析:先求Vmax:

因为v=Vmax[S]/(Km+[S]),

则Vmax=v (Km+[S])/ [S]=(128×10-3(mmol/min)×0.05)/ 0.05=0.128mmol/min 当[S]= 6.3×10-3mol/L时,

v=Vmax[S]/(Km+[S])= (0.128×6.3×10-3)/6.3×10-3=0.128mmol/min

当[S]= 1×10-4mol/L时,

v=Vmax[S]/(Km+[S])= (0.128×1×10-4)/(2.4×10-4+1×10-4)=0.038mmol/min 规律:当[S]>>Km时,v=Vmax。

例2、绝大多数酶溶解在纯水中会失活,为什么?

解析:酶溶液在蒸馏水中失活的原因是:

(1)不能为酶催化反应提供最适pH环境,特别是当反应过程中,pH发生变化时,不能起缓冲作用;

(2)在蒸馏水中蛋白质容易变性;

(3)酶在纯水中缺乏必须的离子,且对温度变化敏感,所以对酶来说,在蒸馏水中容易失活。

例3、多数酶的稀溶液在激烈震荡时会产生泡沫,此时即使酶分子并没有变化,也会导致酶活性降低或丧失,请说明这是为什么?

解析:这是由于较稀的蛋白质溶液经激烈震荡会产生泡沫,增加水的表面张力,导致酶蛋白空间结构破坏而失活。

例4、某酶在溶液中会丧失活性,但若此溶液中同时存在巯基乙醇可以避免失活,该酶应该是一种什么酶,为什么?

解析:这种酶活性部位含有—SH,容易与其它巯基发生氧化反应生成二硫键,加入巯基乙醇可以保护巯基,防止酶失活。

例5、根据以下各酶发挥作用的部位,指出它们大致的最适pH值

(1)唾液淀粉酶(2)胃蛋白酶(3)胰脂肪酶(4)胆碱酯酶

解析:

(1)中性pH值(在缺少氯离子时,pH值可能会略微低一些)

(2)pH 1-2(胃液的pH值)

(3)pH 6-8,依赖于胆盐的浓度,胆盐为弱酸性的。

(4)pH 9-10,因为胆碱酯酶催化乙酰胆碱分解,产物中的胆碱是强碱性的物质。

例6、新掰下的玉米的甜味是由于玉米粒中的糖浓度高。但是掰下的玉米贮存几天后就不那么甜了,为什么?如果将新鲜玉米去掉外皮后浸入沸水几分钟,然后于冷水中冷却,储藏在冰箱中可保持其甜味,为什么?

解析:

新掰下的玉米贮存几天后就不那么甜了,其原因是玉米中的糖有50%转化为淀粉了。

玉米中催化糖转化为淀粉的酶在高温下变性,从而丧失了生物活性所致。

例7、给鸽子喂一种实验饲料,发现鸽子无法维持平衡及协调,而且它们的血液和脑中丙酮酸的含量比正常鸽子高出许多倍,若给鸽子喂肉汁,此症状可以得以改善。问喂的实验饲料中缺乏何种维生素?

解析:

实验饲料中缺乏硫胺素(维生素B1)。因为焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶,为丙酮酸脱氢酶系中必须的成分(丙酮酸脱氢酶的辅酶),因此,缺乏硫胺素时丙酮酸会由于不能正常分解而积累。

肉汁中含硫胺素。

例8、为什么维生素A和D可好几个星期吃一次,而维生素B必须经常补充?

解析:维生素A和D是脂溶性的,可在人体中贮存,而维生素B是水溶性,在人体中不

能贮存。

例9、新鲜鸡蛋能在冰箱中保持数周,如除去蛋清只留蛋黄,能在冰箱中保持数周不坏吗?为什么?

解析:不能。这是因为蛋清中含有抗生物素因子和溶菌酶,可阻止细菌生长。

例10、含氮类激素作用的剂量是非常小的,为什么能产生非常大的生理作用?

含氮类激素作用于靶细胞的剂量是非常小的,但是一旦与靶细胞上相应的受体结合就会导致多个腺苷环化酶活化生成多个环化腺苷酸(cAMP);每个cAMP可激活多个蛋白激酶,每个蛋白激酶又可激活多个底物,这样下去就可导致非常明显的生理效应发生,这种逐级放大的作用称为级联放大作用。

肾上腺素和胰高血糖素以及其它以cAMP为第二信使的激素都通过这种方式发挥作用。此外,促肾上腺皮质激素等以钙离子作用为第二信使,通过磷酸肌醇级联放大作用,在细胞膜内引起一系列的反应。

例11、为什么饮用浓咖啡有提神的作用?

咖啡中含有咖啡碱,是环化腺苷酸(cAMP)磷酸二酯酶的抑制剂,即咖啡碱可阻止CAMP 的分解,而且具有十分强烈的作用。环化腺苷酸磷酸二酯酶在体内的作用是:当以cAMP作为第二信使的激素作用停止时分解cAMP。如果该酶的活性被抑制,cAMP不能被及时除去而继续起作用,从而增强激素的作用使神经兴奋。

例12、船员长期在海上航行,常常不能吃到新鲜的蔬菜和水果,最有可能产生什么样的营养缺乏症?

解析:易患维生素A和维生素C缺乏症。新鲜蔬菜和水果中维生素C含量高,同时在新鲜蔬菜和胡萝卜中含有α、β、γ-胡萝卜素,可转变为维生素A。其中β-胡萝卜素是主要的维生素A原,其转化率为100%,α-胡萝卜素转化率为53%,γ-胡萝卜素转化率为28%。缺乏维生素C易患坏血症,主要症状是毛细血管易破裂出血;缺乏维生素A易患夜盲症、干眼病等。

【试题精选】

1、下图表示酶活性是温度的函数。在温度t1时:D

生物化学的复习资料

A、底物能量太高不能与酶形成稳定的复合物

B、反应自发进行不需要酶的参加

C、反应产物变得不稳定

D、酶的热变性发生

E、酶中肽键的发生水解

2、下图表示酶促反应过程中温度和10分种内被转化的底物的关系。在t1和t2时发生

反应的底物的量是相同的。这一现象合理的解释是:C

生物化学的复习资料

A、在t1和t2时有活性的酶分子数是相等的

B、在t1和t2时酶分子都与同样的量的底物起反应

C、在t1时较多的酶分子有活性,但非催化反应速度比t2 时的低

D、在t1时较少的酶分子有活性,但非催化反应速度比t2 时的高

3、酶类:C

A、进行没有它们的存在就不能发生的反应

B、使反应常数有利于反应产物的形成

C、加速反应,其原因是酶减少了反应得以进行所需要的能量

D、加速反应,其原因是使底物中的能量增加了

E、上述所有答案都是部分正确。

4、催化下面反应的酶是:B

生物化学的复习资料

A、脱氢酶

B、脱羧酶

C、氧化酶

D、水解酶

5、脂溶性维生素中有:A

A、维生素K

B、吡哆素

C、硫胺素

D、维生素C

6、造成苯酮尿症是由于缺少由基因控制的:B

A、一种激素

B、一种酶

C、肝细胞

D、智力低下

7、凝血过程需要多种要素参与,下列与凝血无关的是:B

A、纤维蛋白原B、白细胞C、血小板D、维生素K

8、哪一种酶一般不存在于人体中?C

A、DNA聚合酶

B、己糖激酶

C、几丁质酶

D、ATP合成酶

9、在一个合成连锁反应中:

E1 E2 E3 E4

X→A→B→C→Y如果酶E4失效,在这种情况下,要使细菌能够正常生长,我们至少要向培养基中加入什么?E

A、X

B、A

C、X和C

D、C E、Y

10、在酶的催化反应中,下面叙述的是竞争性抑制剂的影响?A

(1)Vmax不被改变(2)抑制作用可由底物浓度的增加而逆转(3)Km增加(4)抑制剂结合在酶的不同位置。

哪种综合的叙述是正确的?

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