沈同生化三版课件
第一章 生物分子概论
第一节 概述 一、生物分子是生物特有的有机化合物 生物分子泛指生物体特有的各类分子，它们都是有机物。典型的细胞含有一万到十万种生物分子，其中近半数是小分子，分子量一般在500以下。其余都是生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，有的高达1012，因而称为生物大分子。构成生物大分子的小分子单元，称为构件。氨基酸、核苷酸和单糖分别是组成蛋白质、核酸和多糖的构件。 二、生物分子具有复杂有序的结构 生物分子都有自己特有的结构。生物大分子的分子量大，构件种类多，数量大，排列顺序千变万化，因而其结构十分复杂。估计仅蛋白质就有1010-1012种。生物分子又是有序的，每种生物分子都有自己的结构特点，所有的生物分子都以一定的有序性(组织性)存在于生命体系中。 三、生物结构具有特殊的层次 生物用少数几种生物元素(C、H、O、N、S、P)构成小分子构件，如氨基酸、核苷酸、单糖等;再用简单的构件构成复杂的生物大分子;由生物大分子构成超分子集合体;进而形成细胞器，细胞，组织，器官，系统和生物体。生物的不同结构层次有着质的区别:低层次结构简单，没有种属专一性，结合力强;高层次结构复杂，有种属专一性，结合力弱。生物大分子是生命的物质基础，生命是生物大分子的存在形式。生物大分子的特殊运动体现着生命现象。 四、生物分子都行使专一的功能 每种生物分子都具有专一的生物功能。核酸能储存和携带遗传信息，酶能催化化学反应，糖能提供能量。任何生物分子的存在，都有其特殊的生物学意义。人们研究某种生物分子，就是为了了解和利用它的功能。 五、代谢是生物分子存在的条件 代谢不仅产生了生物分子，而且使生物分子以一定的有序性处于稳定的状态中，并不断得到自我更新。一旦代谢停止，稳定的生物分子体系就要向无序发展，在变化中解体，进入非生命世界。 六、生物分子体系有自我复制的能力 遗传物质DNA能自我复制，其他生物分子在DNA的直接或间接指导下合成。生物分子的复制合成，是生物体繁殖的基础。 七、生物分子能够人工合成和改造 生物分子是通过漫长的进化产生的。随着生命科学的发展，人们已能在体外人工合成各类生物分子，以合成和改造生物大分子为目标的生物技术方兴未艾。 第二节 生物元素 在已知的百余种元素中，生命过程所必需的有27种，称为生物元素。生物体所采用的构成自身的元素，是经过长期的选择确定的。生物元素都是在自然界丰度较高，容易得到，又能满足生命过程需要的元素。 一、主要生物元素都是轻元素 主要生物元素C、H、O、N占生物元素总量的95%以上，其原子序数均在8以内。它们和S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl共11种元素，构成生物体全部质量的99%以上，称为常量元素，原子序数均在20以内。另外16种元素称为微量元素，包括B,F,Si,Se,As,I,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Sn,Mo，原子序数在53以内。 二、碳氢氧氮硫磷是生物分子的基本素材 (一)碳氢是生物分子的主体元素 碳原子既难得到电子，又难失去电子，最适于形成共价键。碳原子非凡的成键能力和它的四面体构型，使它可以自相结合，形成结构各异的生物分子骨架。碳原子又可通过共价键与其它元素结合，形成化学性质活泼的官能团。 氢原子能以稳定的共价键于碳原子结合，构成生物分子的骨架。生物分子的某些氢原子被称为还原能力，它们被氧化时可放出能量。生物分子含氢量的多少(以H/C表示)与它们的供能价值直接相关。氢原子还参与许多官能团的构成。与电负性强的氧氮等原子结合的氢原子还参与氢键的构成。氢键是维持生物大分子的高级结构的重要作用力。 (二)氧氮硫磷构成官能团 它们是除碳以外仅有的能形成多价共价键的元素，可形成各种官能团和杂环结构，对决定生物分子的性质和功能具有重要意义。 此外，硫磷还与能量交换直接相关。生物体内重要的能量转换反应，常与硫磷的某些化学键的形成及断裂有关。一些高能分子中的磷酸苷键和硫酯键是高能键。 三、无机生物元素 (一)、利用过渡元素的配位能力 过渡元素具有空轨道，能与具有孤对电子的原子以配位键结合。不同过渡元素有不同的配位数，可形成各种配位结构，如三角形，四面体，六面体等。过渡元素的络和效应在形成并稳定生物分子的构象中，具有特别重要的意义。 过渡元素对电子的吸引作用，还可导致配体分子的共价键发生极化，这对酶的催化很有用。已发现三分之一以上的酶含有金属元素，其中仅含锌酶就有百余种。 铁和铜等多价金属离子还可作为氧化还原载体，担负传递电子的作用。在光系统II中，四个锰原子构成一个电荷累积器，可以累积失去四个电子，从而一次氧化两分子水，释放出一分子氧，避免有害中间产物的形成。细胞色素氧化酶中的铁-铜中心也有类似功能。 (二)、利用常量离子的电化学效应 K等常量离子，在生物体的体液中含量较高，具有电化学效应。它们在保持体液的渗透压，酸碱平衡，形成膜电位及稳定生物大分子的胶体状态等方面有重要意义。 各种生物元素对生命过程都有不可替代的作用，必需保持其代谢平衡。 氟是骨骼和牙釉的成分，以氟磷灰石的形式存在，可使骨晶体变大，坚硬并抗酸腐蚀。所以在饮食中添加氟可以预防龋齿。氟还可以治疗骨质疏松症。但当水中氟含量达到每升2毫克时，会引起斑齿，牙釉无光，粉白色，严重时可产生洞穴。氟是烯醇化酶的抑制剂，又是腺苷酸环化酶的激活剂。 硒缺乏是克山病的病因之一，而硒过多也可引起疾病，如亚硒酸盐可引起白内障。 糖耐受因子（GTF）可以促使胰岛素与受体结合，而铬可以使烟酸、甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等与GTF络合。 某些非生物元素进入体内，能干扰生物元素的正常功能，从而表现出毒性作用。如镉能置换锌，使含锌酶失活，从而使人中毒。某些非生物元素对人体有益，如有机锗可激活小鼠腹腔巨嗜细胞，后者介导肿瘤细胞毒和抗原提呈作用，从而发挥免疫监视、防御和抗肿瘤作用。 第三节 生物分子中的作用力 一、两类不同水平的作用力 生物体系有两类不同的作用力，一类是生物元素借以结合称为生物分子的强作用力--共价键，另一类是决定生物分子高层次结构和生物分子之间借以相互识别，结合，作用的弱作用力--非共价相互作用。 二、共价键是生物分子的基本形成力 共价键(covalent bond)的属性由键能，键长，键角和极性等参数来描述，它们决定分子的基本结构和性质。 (一)键能 键能等于破坏某一共价键所需的能量。键能越大，键越稳定。生物分子中常见的共价键的键能一般在300--800kj/mol之间。 (二)键长 键长越长，键能越弱，容易受外界电场的影响发生极化，稳定性也越差。生物分子中键长多在0.1到0.18nm之间。 (三)键角 共价键具有方向性，一个原子和另外两个原子所形成的键之间的夹角即为键角。根据键长和键角，可了解分子中各个原子的排列情况和分子的极性。 (四)键的极性 共价键的极性是指两原子间电子云的不对称分布。极性大小取决于成键原子电负性的差。多原子分子的极性状态是各原子电负性的矢量和。在外界电场的影响下，共价键的极性会发生改变。这种由于外界电场作用引起共价键极性改变的现象称为键的极化。键的极性与极化，同化学键的反应性有密切关系。 (五)配位键对生物分子有特殊意义 配位键(coordinate bond)是特殊的共价键，它的共用电子对是由一个原子提供的。在生物分子中，常以过渡元素为电子受体，以化学基团中的O、N、S、P等为电子供体，形成多配位络和物。过渡元素都有固定的配位数和配位结构。 在生物体系中，形成的多配位体，对稳定生物大分子的构象，形成特定的生物分子复合物具有重要意义。由多配位体所产生的立体异构现象，甚至比手性碳所引起的立体异构现象更为复杂。金属元素的络和效应，因能导致配体生物分子内键发生极化，增强其反应性，而与酶的催化作用有关。 三、非共价相互作用 (一)、非共价作用力对生物体系意义重大 非共价相互作用是生物高层次结构的主要作用力。 非共价作用力包括氢键，静电作用力，范德华力和疏水作用力。这些力属于弱作用力，其强度比共价键低一两个数量级。这些力单独作用时，的确很弱，极不稳定，但在生物高层次结构中，许多弱作用力协同作用，往往起到决定生物大分子构象的作用。可以毫不夸张地说，没有对非共价相互作用的理解，就不可能对生命现象有深刻的认识。 各种非共价相互作用结合能的大小也有差别，在不同级别生物结构中的地位也有不同。结合能较大的氢键，在较低的结构级别(如蛋白质的二级结构)，较小的尺度间，把氢受体基团与氢供体基团结合起来。结合能较小的范德华力则主要在更高的结构级别，较大的尺度间，把分子的局部结构或不同分子结合起来。 (二)、氢键 氢键(hydrogen bond)是一种弱作用力，键能只相当于共价键的1/30-1/20(12-30 kj/mol)，容易被破坏，并具有一定的柔性，容易弯曲。氢原子与两侧的电负性强的原子呈直线排列时，键能最大，当键角发生20度偏转时，键能降低20%。氢键的键长比共价键长，比范德华距离短，约为0.26-0.31nm。 氢键对生物体系有重大意义，特别是在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用。 (三)、范德华力 范德华力是普遍存在于原子和分子间的弱作用力，是范德华引力与范德华斥力的统一。引力和斥力分别和原子间距离的6次方和12次方成反比。二者达到平衡时，两原子或原子团间保持一定的距离，即范德华距离，它等于两原子范德华半径的和。每个原子或基团都有各自的范德华半径。 范德华力的本质是偶极子之间的作用力，包括定向力、诱导力和色散力。极性基团或分子是永久偶极，它们之间的作用力称为定向力。非极性基团或分子在永久偶极子的诱导下可以形成诱导偶极子，这两种偶极子之间的作用力称为诱导力。非极性基团或分子，由于电子相对于原子核的波动，而形成的瞬间偶极子之间的作用力称为色散力。 范德华力比氢键弱得多。两个原子相距范德华距离时的结合能约为4kj/mol，仅略高于室温时平均热运动能(2.5kj/mol)。如果两个分子表面几何形态互补，由于许多原子协同作用，范德华力就能成为分子间有效引力。范德华力对生物多层次结构的形成和分子的相互识别与结合有重要意义。 (四)、荷电基团相互作用 荷电基团相互作用，包括正负荷电基团间的引力，常称为盐键(salt bond)和同性荷电基团间的斥力。力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽效应，介质的极性越小，荷电基团相互作用越强。例如，-COO-与-NH3+间在极性介质水中的相互作用力，仅为在蛋白质分子内部非极性环境中的1/20，在真空中的1/80。 (五)、疏水相互作用 疏水相互作用(hydrophobic interaction)比范德华力强得多。例如，一个苯丙氨酸侧链由水相转入疏水相时，体系的能量降低约40kj/mol。 生物分子有许多结构部分具有疏水性质，如蛋白质的疏水氨基酸侧链，核酸的碱基，脂肪酸的烃链等。它们之间的疏水相互作用，在稳定蛋白质，核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用。 第四节 生物分子低层次结构的同一性 一、碳架是生物分子结构的基础 碳架是生物分子的基本骨架，由碳，氢构成。生物分子碳架的大小组成不一，几何形状结构各异，具有丰富的多样性。生物小分子的分子量一般在500以下，包括2-30个碳原子。碳架结构有线形的，有分支形的，也有环形的;有饱和的，也有不饱和的。变化多端的碳架与种类有限的官能团，共同组成形形色色的生物分子的低层次结构--生物小分子。 二、官能团限定分子的性质 (一)官能团是易反应基团 官能团是生物分子中化学性质比较活泼，容易发生化学反应的原子或基团。含有相同官能团的分子，具有类似的性质。官能团限定生物分子的主要性质。然而，在整个分子中，某一官能团的性质总要受到分子其它部分电荷效应和立体效应的影响。任何一种分子的具体性质，都是其整体结构的反应。 (二)主要的官能团 生物分子中的主要官能团和有关的化学键有: 羟基(hydroxyl group) 有极性，一般不解离，能与酸生成酯，可作为氢键供体。 羰基(carbonyl group) 有极性，可作为氢键受体。 羧基(carboxyl group) 有极性，能解离，一般显弱酸性。 氨基(amino group) 有极性，可结合质子生成铵阳离子。 酰胺基(amido group) 由羧基与氨基缩合而成，有极性，其中的氧和氮都可作为氢键供体。肽链中联接氨基酸的酰胺键称为肽键。 巯基(sulfhydryl group) 有极性，在中性条件下不解离。易氧化成二硫键-S-S。 胍基(guanidino group) 强碱性基团，可结合质子。胍基磷酸键是高能键。 双键(double bond) 由一个σ键和一个π键构成，其中π键键能小，电子流动性很大，易发生极化断裂而产生反应。双键不能旋转，有顺反异构现象。规定用"顺"(cis)表示两个相同或相近的原子或基团在双键同侧的异构体，用"反"(trans)表示相同原子位于双键两侧的异构体。 焦磷酸键(pyrophosphate bond) 由磷酸缩合而成，是高能键。一摩尔ATP水解成ADP可放出7.3千卡能量，而葡萄糖-6-磷酸只有3.3千卡。 氧酯键(ester bond)和硫酯键(thioester bond) 分别由羧基与羟基和巯基缩水而成。硫酯键是高能键。 磷酸酯键(phosphoester bond) 由磷酸与羟基缩水而成。磷酸与两个羟基结合时，称为磷酸二酯键。这两种键中的磷酸羟基可解离成阴离子。 生物小分子大多是双官能团或多官能团分子，如糖是多羟基醛(酮)，氨基酸是含有氨基的羧酸。官能团在碳链中的位置和在碳原子四周的空间排布的不同，进一步丰富了生物分子的异构现象。 三、杂环集碳架和官能团于一体 (一)大部分生物分子含有杂环 杂环(heterocycle)是碳环中有一个或多个碳原子被氮氧硫等杂原子取代所形成的结构。由于杂原子的存在，杂环体系有了独特的性质。生物分子大多有杂环结构，如氨基酸中有咪唑，吲哚;核苷酸中有嘧啶，嘌呤，糖结构中有吡喃和呋喃。 (二)分类命名和原子标位 1.分类 根据成环原子数目分为五元杂环和六元杂环等。根据环的数目分为单杂环和稠杂环。 2.命名 杂环的命名法有两种，即俗名与系统名。我国常用外文俗名译音用带"口"旁的汉字表示。 (三)常见杂环 五元杂环:呋喃，吡咯，噻吩，咪唑等 六元杂环:吡喃，吡啶，嘧啶等 稠杂环:吲哚，嘌呤等 四、异构现象丰富了分子结构的多样性 (一)生物分子有复杂的异构现象 异构体(isomer)是原子组成相同而结构或构型不同的分子。异构现象分类如下: 1.结构异构 由于原子之间连接方式不同所引起的异构现象称为结构异构。结构异构包括 1)由碳架不同产生的碳架异构;(2)由官能团位置不同产生的位置异构;(3)由官能团不同而产生的官能团异构。如丙基和异丙基互为碳架异构体，a-丙氨酸和b-丙氨酸互为位置异构体，丙醛糖和丙酮糖互为官能团异构体。 2.立体异构 同一结构异构体，由于原子或基团在三维空间的排布方式不同所引起的异构现象称为立体异构现象。立体异构可分为构型异构和构象异构。通常将分子中 原子或原子团在空间位置上一定的排布方式称为构型。构型异构是结构相同而构型不同的异构现象。构型异构又包括顺反异构和光学异构。构型相同的分子，可由于单键旋转产生很多不同立体异构体，这种现象称为构象异构。 互变异构指两种异构体互相转变，并可达到平衡的异构现象。 各种异构现象丰富了生物分子的多样性，扩充了生命过程对分子结构的选择范围。 (二)手性碳原子引起的光学异构 左手与右手互为实物与镜像的关系，不能相互重合。分子与其镜像不能相互重合的特性称为手性(chirality)，生物分子大多具有手性。结合4个不同原子或基团的碳原子，与其镜像不能重合，称为手性碳原子，又称不对称碳原子。手性碳原子具有左手与右手两种构型。 具有手性碳原子的分子，称为手性分子。具有n个手性碳原子的分子，有2n个立体异构体。两两互有实物与镜像关系的异构体，称为对映体(enantiomer)。彼此没有实物与镜像关系的，称为非对映体。对映体不论有几个手性碳原子，每个手性碳原子的构型都对应相反。非对映体有两个或两个以上手性碳原子，其中只有部分手性碳原子构型相反。其中只有一个手性碳原子构型相反的，又称为差向异构体(epimer)。手性分子具有旋光性，所以又称为光学异构体。 手性分子构型表示法:有L-D系统和R-S系统两种。生物化学中习惯采用前者，按系统命名原则，将分子的主链竖向排列，氧化度高的碳原子或序号为1的碳原子放在上方，氧化度低的碳原子放在下方，写出费歇尔投影式。规定:分子的手性碳处于纸面，手性碳的四个价键和所结合的原子或基团，两个指向纸面前方，用横线表示，两个指向纸面后方，用竖线表示。例如，甘油醛有以下两个构型异构体: 人为规定羟基在右侧的为D-构型，在左侧是L-构型。括号中的+，-分别表示右旋和左旋。构型与旋光方向没有对应关系。具有多个手性碳原子的分子，按碳链最下端手性碳的构型，将它们分为D，L-两种构型系列。在糖和氨基酸等的命名中，普遍采用L，D-构型表示法。 (三)单键旋转引起构象异构 结合两个多价原子的单键的旋转，可使分子中的其余原子或基团的空间取向发生改变，从而产生种种可能的有差别的立体形象，这种现象称为构象异构。 构象异构赋予生物大分子的构象柔顺性。与构型相比，构象是对分子中各原子空间排布情况的更深入的探讨，以阐明同一构型分子在非键合原子间相互作用的影响下，所发生的立体结构的变化。 （四）互变异构 由氢原子转移引起，如酮和烯醇的互变异构。DNA中碱基的互变异构与自发突变有关，酶的互变异构与催化有关，在代谢过程中也常发生代谢物的互变异构。 第五节 生物大分子 一、定义 生物大分子都是由小分子构件聚合而成的，称为生物多聚物。其中的构件在聚合时发生脱水，所以称为残基。由相同残基构成的称为同聚物，由不同残基构成的称为杂聚物。 二、结构层次 生物大分子具有多级结构层次，如一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。 三、组装 一级结构的组装是模板指导组装， 高级结构的组装是自我组装，一级结构不仅提供组装的信息，而且提供组装的能量，使其自发进行。 四、互补结合 生物大分子之间的结合是互补结合。这种互补，可以是几何形状上的互补，也可以是疏水区之间的互补、氢键供体与氢键受体的互补、相反电荷之间的互补。 互补结合可以最大限度地降低体系能量，使复合物稳定。互补结合是一个诱导契合的过程。
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第二章 糖 第一节 概述
一、糖的命名 糖类是含多羟基的醛或酮类化合物，由碳氢氧三种元素组成的，其分子式通常以Cn(H2O)n 表示。由于一些糖分子中氢和氧原子数之比往往是2:1，与水相同，过去误认为 此类物质是碳与水的化合物，所以称为"碳水化合物"(Carbohydrate)。实际上这 一名称并不确切，如脱氧核糖、鼠李糖等糖类不符合通式，而甲醛、乙酸等虽符合这个通式但并不是糖。只是"碳水化合物"沿用已久，一些较老的书仍采用。我国将此类化合物统称为糖，而在英语中只将具有甜味的单糖和简单的寡糖称为糖(sugar)。 二、糖的分类 根据分子的构成，糖可分为单糖、寡糖、多糖、结合糖和衍生糖。 1.单糖 单糖是不能水解为更小分子的糖。葡萄糖，果糖都是常见单糖。根据羰基在分子中的位置，单糖可分为醛糖和酮糖。根据碳原子数目，可分为丙糖，丁糖，戊糖，己糖和庚糖。 2.寡糖 寡糖由2-6个单糖分子构成，其中以双糖最普遍。寡糖和单糖都可溶于水，多数有甜味。 3.多糖 多糖由多个单糖聚合而成，又可分为同聚多糖和杂聚多糖。同聚多糖由同一种单糖构成，杂聚多糖由两种以上单糖构成。 4.结合糖 糖链与蛋白质或脂类物质构成的复合分子称为结合糖。其中的糖链一般是杂聚寡糖或杂聚多糖。如糖蛋白，糖脂，蛋白聚糖等。 5.衍生糖 由单糖衍生而来，如糖胺、糖醛酸等。 三、糖的分布与功能 1.分布 糖在生物界中分布很广，几乎所有的动物，植物，微生物体内都含有糖。糖占植物干重的80%，微生物干重的10-30%，动物干重的2%。糖在植物体内起着重要的结构作用，而动物则用蛋白质和脂类代替，所以行动更灵活，适应性强。动物中只有昆虫等少数采用多糖构成外骨胳，其形体大小受到很大限制。 在人体中，糖主要以三种形式存在 1)以糖原形式贮藏在肝和肌肉中。糖原代谢速度很快，对维持血糖浓度衡定，满足机体对糖的需求有重要意义。(2)以葡萄糖形式存在于体液中。细胞外液中的葡萄糖是糖的运输形式，它作为细胞的内环境条件之一，浓度相当衡定。(3)存在于多种含糖生物分子中。糖作为组成成分直接参与多种生物分子的构成。如 NA分子中含脱氧核糖，RNA和各种活性核苷酸(ATP、许多辅酶)含有核糖，糖蛋白和糖脂中有各种复杂的糖结构。 2.功能 糖在生物体内的主要功能是构成细胞的结构和作为储藏物质。植物细胞壁是由纤维素，半纤维素或胞壁质组成的，它们都是糖类物质。作为储藏物质的主要有植物中的淀粉和动物中的糖原。此外，糖脂和糖蛋白在生物膜中占有重要位置，担负着细胞和生物分子相互识别的作用。 糖在人体中，主要有以下作用 1)作为能源物质。糖是机体最容易得到，最经济，也是最重要的能源物质。一般情况下，人体所需能量的70%来自糖的氧化。(2)作为结构成分。糖蛋白和糖脂是细胞膜的重要成分，蛋白聚糖是结缔组织如软骨，骨的结构成分。(3)参与构成生物活性物质。核酸中含有糖，有运输作用的血浆蛋白，有免疫作用的抗体，有识别，转运作用的膜蛋白等绝大多数都是糖蛋白，许多酶和激素也是糖蛋白。(4)作为合成其它生物分子的碳源。糖可用来合成脂类物质和氨基酸等物质。 第二节 单糖 一、单糖的结构 (一)单糖的链式结构 单糖的种类虽多，但其结构和性质都有很多相似之处，因此我们以葡萄糖为例来阐述单糖的结构。 葡萄糖的分子式为C6H12O6，具有一个醛基和5个羟基，我们用费歇尔投影式表示它的链式结构: 以上结构可以简化: (二)葡萄糖的构型 葡萄糖分子中含有4个手性碳原子，根据规定，单糖的D、L构型由碳链最下端手性碳的构型决定。人体中的糖绝大多数是D-糖。 (三)葡萄糖的环式结构 葡萄糖在水溶液中，只要极小部分(<1%)以链式结构存在，大部分以稳定的环式结构存在。环式结构的发现是因为葡萄糖的某些性质不能用链式结构来解释。如:葡萄糖不能发生醛的NaHSO3加成反应;葡萄糖不能和醛一样与两分子醇形成缩醛，只能与一分子醇反应;葡萄糖溶液有变旋现象，当新制的葡萄糖溶解于水时，最初的比旋是+112度，放置后变为+52.7度，并不再改变。溶液蒸干后，仍得到+112度的葡萄糖。把葡萄糖浓溶液在110度结晶，得到比旋为+19度的另一种葡萄糖。这两种葡萄糖溶液放置一定时间后，比旋都变为+52.7度。我们把+112度的叫做α-D(+)-葡萄糖，+19度的叫做β-D(+)-葡萄糖。 这些现象都是由葡萄糖的环式结构引起的。葡萄糖分子中的醛基可以和C5上的羟基缩合形成六元环的半缩醛。这样原来羰基的C1就变成不对称碳原子，并形成一对非对映旋光异构体。一般规定半缩醛碳原子上的羟基(称为半缩醛羟基)与决定单糖构型的碳原子(C5)上的羟基在同一侧的称为α-葡萄糖，不在同一侧的称为β-葡萄糖。半缩醛羟基比其它羟基活泼，糖的还原性一般指半缩醛羟基。 葡萄糖的醛基除了可以与C5上的羟基缩合形成六元环外，还可与C4上的羟基缩合形成五元环。五元环化合物不甚稳定，天然糖多以六元环的形式存在。五元环化合物可以看成是呋喃的衍生物，叫呋喃糖；六元环化合物可以看成是吡喃的衍生物，叫吡喃糖。因此，葡萄糖的全名应为α-D(+)-或β-D(+)-吡喃葡萄糖。 α-和β-糖互为端基异构体，也叫异头物。D-葡萄糖在水介质中达到平衡时，β-异构体占63.6％，α-异构体占36.4％，以链式结构存在者极少。 为了更好地表示糖的环式结构，哈瓦斯（Haworth,1926）设计了单糖的透视结构式。规定：碳原子按顺时针方向编号，氧位于环的后方；环平面与纸面垂直，粗线部分在前，细线在后；将费歇尔式中左右取向的原子或集团改为上下取向，原来在左边的写在上方，右边的在下方；D-型糖的末端羟甲基在环上方，L－型糖在下方；半缩醛羟基与末端羟甲基同侧的为β-异构体，异侧的为α-异构体. （四）葡萄糖的构象 葡萄糖六元环上的碳原子不在一个平面上，因此有船式和椅式两种构象。椅式构象比船式稳定，椅式构象中β-羟基为平键，比α-构象稳定，所以吡喃葡萄糖主要以β-型椅式构象C1存在。 二、单糖的分类 单糖根据碳原子数分为丙糖至庚糖，根据结构分为醛糖和酮糖。最简单的糖是丙糖，甘油醛是丙醛糖，二羟丙酮是丙酮糖。二羟丙酮是唯一一个没有手性碳原子的糖。醛糖和酮糖还可分为D-型和L-型两类。 三、单糖的理化性质 （一）物理性质 1.旋光性 除二羟丙酮外，所有的糖都有旋光性。旋光性是鉴定糖的重要指标。一般用比旋光度（或称旋光率）来衡量物质的旋光性。公式为 [α]tD=αtD*100/(L*C) 式中[α]tD是比旋光度，αtD是在钠光灯（D线，λ：589.6nm与589.0nm）为光源，温度为t，旋光管长度为L(dm),浓度为C(g/100ml)时所测得的旋光度。在比旋光度数值前面加"＋"号表示右旋，加"－"表示左旋。 2.甜度 各种糖的甜度不同，常以蔗糖的甜度为标准进行比较，将它的甜度定为100。果糖为173.3，葡萄糖74.3，乳糖为16。 3.溶解度 单糖分子中有多个羟基，增加了它的水溶性，尤其在热水中溶解度极大。但不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。 （二）化学性质 单糖是多羟基醛或酮，因此具有醇羟基和羰基的性质，如具有醇羟基的成酯、成醚、成缩醛等反应和羰基的一些加成反应，又具有由于他们互相影响而产生的一些特殊反应。单糖的主要化学性质如下： 1.与酸反应 戊糖与强酸共热，可脱水生成糠醛（呋喃醛）。己糖与强酸共热分解成甲酸、二氧化碳、乙酰丙酸以及少量羟甲基糠醛。糠醛和羟甲基糠醛能与某些酚类作用生成有色的缩合物。利用这一性质可以鉴定糖。如α-萘酚与糠醛或羟甲基糠醛生成紫色。这一反应用来鉴定糖的存在，叫莫利西试验。间苯二酚与盐酸遇酮糖呈红色，遇醛糖呈很浅的颜色，这一反应可以鉴别醛糖与酮糖，称西利万诺夫试验。 2.酯化作用 单糖可以看作多元醇，可与酸作用生成酯。生物化学上较重要的糖酯是磷酸酯，他们是糖代谢的中间产物。 3.碱的作用 醇羟基可解离，是弱酸。单糖的解离常数在1013左右。在弱碱作用下，葡萄糖、果糖和甘露糖三者可通过烯醇式而相互转化，称为烯醇化作用。在体内酶的作用下也能进行类似的转化。单糖在强碱溶液中很不稳定，分解成各种不同的物质。 4.形成糖苷(glycoside) 单糖的半缩醛羟基很容易与醇或酚的羟基反应，失水而形成缩醛式衍生物，称糖苷。非糖部分叫配糖体，如配糖体也是单糖，就形成二糖，也叫双糖。糖苷有α、β两种形式。核糖和脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱形成的糖苷称核苷或脱氧核苷，在生物学上具有重要意义。α-与β-甲基葡萄糖苷是最简单的糖苷。天然存在的糖苷多为β-型。苷与糖的化学性质完全不同。苷是缩醛，糖是半缩醛。半缩醛很容易变成醛式，因此糖可显示醛的多种反应。苷需水解后才能分解为糖和配糖体。所以苷比较稳定，不与苯肼发生反应，不易被氧化，也无变旋现象。糖苷对碱稳定，遇酸易水解。 5.糖的氧化作用 单糖含有游离羟基，因此具有还原能力。某些弱氧化剂（如铜的氧化物的碱性溶液）与单糖作用时，单糖的羰基被氧化，而氧化铜被还原成氧化亚铜。测定氧化亚铜的生成量，即可测定溶液中的糖含量。实验室常用的费林(Fehling)试剂就是氧化铜的碱性溶液。Benedict试剂是其改进型，用柠檬酸作络合剂，碱性弱，干扰少，灵敏度高。 除羰基外，单糖分子中的羟基也能被氧化。在不同的条件下，可产生不同的氧化产物。醛糖可用三种方式氧化成相同原子数的酸：（1）在弱氧化剂，如溴水作用下形成相应的糖酸；（2）在较强的氧化剂，如硝酸作用下，除醛基被氧化外，伯醇基也被氧化成羧基，生成葡萄糖二酸；（3）有时只有伯醇基被氧化成羧基，形成糖醛酸。酮糖对溴的氧化作用无影响，因此可将酮糖与醛糖分开。在强氧化剂作用下，酮糖将在羰基处断裂，形成两个酸。 6.还原作用 单糖有游离羰基，所以易被还原。在钠汞齐及硼氢化钠类还原剂作用下，醛糖还原成糖醇，酮糖还原成两个同分异构的羟基醇。如葡萄糖还原后生成山梨醇。 7.糖的生成 单糖具有自由羰基，能与3分子苯肼作用生成糖沙。反应步骤：首先一分子葡萄糖与一分子苯肼缩合生成苯腙，然后葡萄糖苯腙再被一分子苯肼氧化成葡萄糖酮苯腙，最后再与另一个苯肼分子缩合，生成葡萄糖沙。糖沙是黄色结晶，难溶于水。各种糖生成的糖沙形状与熔点都不同，因此常用糖沙的生成来鉴定各种不同的糖。 8.糖的鉴别 （1） ? ?鉴别糖与非糖：Molisch试剂，α-萘酚，生成紫红色。丙酮、甲酸、乳酸等干扰该反应。该反应很灵敏，滤纸屑也会造成假阳性。 蒽酮（10-酮-9，10-二氢蒽）反应生成蓝绿色，在620nm有吸收，常用于测总糖，色氨酸使反应不稳定。 （2） ? ?鉴别酮糖与醛糖：用Seliwanoff 试剂（间苯二酚），酮糖在20-30秒内生成鲜红色，醛糖反应慢，颜色浅，增加浓度或长时间煮沸才有较弱的红色。但蔗糖容易水解，产生颜色。 （3） ? ?鉴定戊糖：Bial 反应，用甲基间苯二酚（地衣酚）与铁生成深蓝色沉淀（或鲜绿色，670nm），可溶于正丁醇。己糖生成灰绿或棕色沉淀，不溶。 （4） ? ?单糖鉴定：Barford 反应，微酸条件下与铜反应，单糖还原快，在3分钟内显色，而寡糖要在20分钟以上。样品水解、浓度过大都会造成干扰，NaCl也有干扰。 四、重要单糖 （一）丙糖 重要的丙糖有D-甘油醛和二羟丙酮，它们的磷酸酯是糖代谢的重要中间产物。 （二）丁糖 自然界常见的丁糖有D-赤藓糖和D-赤藓酮糖。它们的磷酸酯也是糖代谢的中间产物。 （三）戊糖 自然界存在的戊醛糖主要有D-核糖、D-2-脱氧核糖、D-木糖和L-阿拉伯糖。它们大多以多聚戊糖或以糖苷的形式存在。戊酮糖有D-核酮糖和D-木酮糖，均是糖代谢的中间产物。 1.D-核糖（ribose） D-核糖是所有活细胞的普遍成分之一，它是核糖核酸的重要组成成分。在核苷酸中，核糖以其醛基与嘌呤或嘧啶的氮原子结合，而其2、3、5位的羟基可与磷酸连接。核糖在衍生物中总以呋喃糖形式出现。它的衍生物核醇是某些维生素(B2)和辅酶的组成成分。D-核糖的比旋是-23.7°。 细胞核中还有D-2-脱氧核糖，它是DNA的组分之一。它和核糖一样，以醛基与含氮碱基结合，但因2位脱氧，只能以3，5位的羟基与磷酸结合。D-2-脱氧核糖的比旋是-60°。 2.L-阿拉伯糖 阿拉伯糖在高等植物体内以结合状态存在。它一般结合成半纤维素、树胶及阿拉伯树胶等。最初是在植物产品中发现的。熔点160℃,比旋＋104.5°。酵母不能使其发酵。 3.木糖 木糖在植物中分布很广，以结合状态的木聚糖存在于半纤维素中。木材中的木聚糖达30％以上。陆生植物很少有纯的木聚糖，常含有少量其他的糖。动物组织中也发现了木糖的成分。熔点143℃,比旋＋18.8°。酵母不能使其发酵。 （四）己糖 重要的己醛糖有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖，重要的己酮糖有D-果糖、D-山梨糖。 1.葡萄糖(glucose,Glc) 葡萄糖是生物界分布最广泛最丰富的单糖，多以D-型存在。它是人体内最主要的单糖，是糖代谢的中心物质。在绿色植物的种子、果实及蜂蜜中有游离的葡萄糖，蔗糖由D-葡萄糖与D-果糖结合而成，糖原、淀粉和纤维素等多糖也是由葡萄糖聚合而成的。在许多杂聚糖中也含有葡萄糖。 D-葡萄糖的比旋光度为＋52.5度，呈片状结晶。酵母可使其发酵。 2.果糖(fructose,Fru) 植物的蜜腺、水果及蜂蜜中存在大量果糖。它是单糖中最甜的糖类，比旋光度为-92.4度，呈针状结晶。42％果葡糖浆的甜度与蔗糖相同（40℃），在5℃时甜度为143，适于制作冷饮。食用果糖后血糖不易升高，且有滋润肌肤作用。游离的果糖为β－吡喃果糖，结合状态呈β－呋喃果糖。酵母可使其发酵。 3.甘露糖(Man) 是植物粘质与半纤维素的组成成分。比旋＋14.2度。酵母可使其发酵。 4.半乳糖(Gal) 半乳糖仅以结合状态存在。乳糖、蜜二糖、棉籽糖、琼脂、树胶、粘质和半纤维素等都含有半乳糖。它的D-型和L-型都存在于植物产品中，如琼脂中同时含有D-型和L-型半乳糖。D-半乳糖熔点167℃，比旋＋80.2度。可被乳糖酵母发酵。 5.山梨糖 酮糖，存在于细菌发酵过的山梨汁中。是合成维生素C的中间产物，在制造维生素C工艺中占有重要地位。又称清凉茶糖。其还原产物是山梨糖醇，存在于桃李等果实中。熔点159－160℃，比旋-43.4度。 （五）庚糖 庚糖在自然界中分布较少，主要存在于高等植物中。最重要的有D-景天庚酮糖和D-甘露庚酮糖。前者存在于景天科及其他肉质植物的叶子中，以游离状态存在。它是光合作用的中间产物，呈磷酸酯态，在碳循环中占重要地位。后者存在于樟梨果实中，也以游离状态存在。 （六）单糖的重要衍生物 1.糖醇 糖的羰基被还原（加氢）生成相应的糖醇，如葡萄糖加氢生成山梨醇。糖醇溶于水及乙醇，较稳定，有甜味，不能还原费林试剂。常见的有甘露醇和山梨醇。甘露醇广泛分布于各种植物组织中，熔点106℃，比旋-0.21度。海带中占干重的5.2-20.5％，是制取甘露醇的原料。山梨醇在植物中分布也很广，熔点97.5℃，比旋-1.98度。山梨醇积存在眼球晶状体内引起白内障。山梨醇氧化时可形成葡萄糖、果糖或山梨糖。 糖的羟基被还原（脱氧）生成脱氧糖。除脱氧核糖外还有两种脱氧糖：L-鼠李糖和6-脱氧-L-甘露糖（岩藻糖），他们是细胞壁的成分。 2.糖醛酸 单糖具有还原性，可被氧化。糖的醛基被氧化成羧基时生成糖酸；糖的末端羟甲基被氧化成羧基时生成糖醛酸。重要的有D-葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等。葡萄糖醛酸是肝脏内的一种解毒剂，半乳糖醛酸存在于果胶中。 3.氨基糖 ?单糖的羟基（一般为C2）可以被氨基取代，形成糖胺或称氨基糖。自然界中存在的氨基糖都是氨基己糖。D-葡萄糖胺是甲壳质（几丁质）的主要成分。甲壳质是组成昆虫及甲壳类结构的多糖。D-半乳糖胺是软骨类动物的主要多糖成分。糖胺是碱性糖。糖胺氨基上的氢原子被乙酰基取代时，生成乙酰氨基糖。 4.糖苷 ?主要存在于植物的种子、叶子及皮内。在天然糖苷中的糖苷基有醇类、醛类、酚类、固醇和嘌呤等。它大多极毒，但微量糖苷可作药物。重要糖苷有：能引起溶血的皂角苷，有强心剂作用的毛地黄苷，以及能引起葡萄糖随尿排出的根皮苷。苦杏仁苷也是一种毒性物质。配糖体一般对植物有毒，形成糖苷后则无毒。这是植物的解毒方法，也可保护植物不受外来伤害。 5.糖酯 单糖羟基还可与酸作用生成酯。糖的磷酸酯是糖在代谢中的活化形式。糖的硫酸酯存在于糖胺聚糖中。 第三节 寡糖 寡糖是由少数（2－6个）单糖分子结合而成的糖。与稀酸共煮寡糖可水解成各种单糖。寡糖中以双糖分布最普遍，意义也较大。 一、双糖 双糖是由两个单糖分子缩合而成。双糖可以认为是一种糖苷，其中的配基是另外一个单糖分子。在自然界中，仅有三种双糖（蔗糖、乳糖和麦芽糖）以游离状态存在，其他多以结合状态存在（如纤维二糖）。蔗糖是最重要的双糖，麦芽糖和纤维二糖是淀粉和纤维素的基本结构单位。三者均易水解为单糖。 （一）麦芽糖 麦芽糖(maltose)大量存在于发酵的谷粒，特别是麦芽中。它是淀粉的组成成分。淀粉和糖原在淀粉酶作用下水解可产生麦芽糖。麦芽糖是D-吡喃葡萄糖-α(14)-D-吡喃葡萄糖苷，因为有一个醛基是自由的，所有它是还原糖，能还原费林试剂。支链淀粉水解产物中除麦芽糖外还含有少量异麦芽糖，它是α-D-吡喃葡萄糖-(16)-D-吡喃葡萄糖苷。 麦芽糖在水溶液中有变旋现象，比旋为＋136度，且能成，极易被酵母发酵。右旋[α]D20=+130.4°。麦芽糖在缺少胰岛素的情况下也可被肝脏吸收，不引起血糖升高，可供糖尿病人食用。 （二）乳糖 乳糖(lactose)存在于哺乳动物的乳汁中（牛奶中含4－6％），高等植物花粉管及微生物中也含有少量乳糖。它是β-D-半乳糖-(14)-D-葡萄糖苷。乳糖不易溶解，味不甚甜（甜度只有16），有还原性，且能成铩，纯酵母不能使它发酵，能被酸水解，右旋[α]D20=+55.4°。 乳糖的水解需要乳糖酶，婴儿一般都可消化乳糖，成人则不然。某些成人缺乏乳糖酶，不能利用乳糖，食用乳糖后会在小肠积累，产生渗透作用，使体液外流，引起恶心、腹痛、腹泻。这是一种常染色体隐性遗传疾病，从青春期开始表现。其发病率与地域有关，在丹麦约3％，泰国则高达92％。可能是从一万年前人类开始养牛时成人体内出现了乳糖酶。 （三）蔗糖 蔗糖(sucrose)是主要的光合作用产物，也是植物体内糖储藏、积累和运输的主要形式。在甜菜、甘蔗和各种水果中含有较多的蔗糖。日常食用的糖主要是蔗糖。 蔗糖很甜，易结晶，易溶于水，但较难溶于乙醇。若加热到160℃，便成为玻璃样的晶体，加热至200℃时成为棕褐色的焦糖。它是α-D-吡喃葡萄糖-(1→2)-β-D-呋喃果糖苷。它是由葡萄糖的半缩醛羟基和果糖的半缩酮羟基之间缩水而成的，因为两个还原性基团都包含在糖苷键中，所有没有还原性，是非还原性杂聚二糖。右旋，[α]D20=+66.5°。 蔗糖极易被酸水解，其速度比麦芽糖和乳糖大1000倍。水解后产生等量的D-葡萄糖和D-果糖，这个混合物称为转化糖，甜度为160。蜜蜂体内有转化酶，因此蜂蜜中含有大量转化糖。因为果糖的比旋比葡萄糖的绝对值大，所以转化糖溶液是左旋的。在植物中有一种转化酶催化这个反应。口腔细菌利用蔗糖合成的右旋葡聚糖苷是牙垢的主要成分。 （四）纤维二糖 是纤维素的基本构成单位。可由纤维素水解得到。由两个β-D-葡萄糖通过C1－C4相连，它与麦芽糖的区别是后者为α-葡萄糖苷。 （五）海藻糖 ?α-D-吡喃葡萄糖-(1→1)- α-D-吡喃葡萄糖苷。在抗干燥酵母中含量较多，可用做保湿。 二、三糖 自然界中广泛存在的三糖只有棉籽糖，主要存在于棉籽、甜菜、大豆及桉树的干性分泌物（甘露蜜）中。它是α-D-吡喃半乳糖-(16)-α-D-吡喃葡萄糖-(12)-β-D-呋喃果糖苷。 棉籽糖的水溶液比旋为＋105.2°，不能还原费林试剂。在蔗糖酶作用下分解成果糖和蜜二糖；在α-半乳糖苷酶作用下分解成半乳糖和蔗糖。 此外，还有龙胆三糖、松三糖、洋槐三糖等。 第四节 多糖 多糖由多个单糖缩合而成。它是自然界中分子结构复杂且庞大的糖类物质。多糖按功能可分为两大类：一类是结构多糖，如构成植物细胞壁的纤维素、半纤维素，构成细菌细胞壁的肽聚糖等；另一类是贮藏多糖，如植物中的淀粉、动物体内的糖原等。还有一些多糖具有更复杂的生理功能，如粘多糖、血型物质等，它们在生物体内起着重要的作用。 多糖可由一种单糖缩合而成，称均一多糖，如戊糖胶（木糖胶、阿拉伯糖胶）、己糖胶（淀粉、糖原、纤维素等），也可由不同类型的单糖缩合而成，称不均一多糖，如半乳糖甘露糖胶、阿拉伯胶和果胶等。 多糖在水中不形成真溶液，只能形成胶体。多糖没有甜味，也无还原性。多糖有旋光性，但无变旋现象。 一、淀粉 淀粉(starch)是植物中最重要的贮藏多糖，在植物中以淀粉粒状态存在，形状为球状或卵形。淀粉是由麦芽糖单位构成的链状结构，可溶于热水的是直链淀粉，不溶的是支链淀粉。支链淀粉易形成浆糊，溶于热的有机溶剂。玉米淀粉和马铃薯淀粉分别含27％和20％的直链淀粉，其余为支链淀粉。有些淀粉（如糯米）全部为支链淀粉，而有的豆类淀粉则全是直链淀粉。 淀粉与酸缓和地作用时（如7.5%HCl，室温下放置7日）即形成所谓"可溶性淀粉"，在实验室内常用。淀粉在工业上可用于酿酒和制糖。 （一）直链淀粉 直链淀粉(amylose)分子量从几万到十几万，平均约在60，000左右，相当于300－400个葡萄糖分子缩合而成。由端基分析知道，每分子中只含一个还原性端基和一个非还原性端基，所有它是一条不分支的长链。它的分子通常卷曲成螺旋形，每一转有六个葡萄糖分子。直链淀粉是由1，4糖苷键连接的α-葡萄糖残基组成的。以碘液处理产生蓝色，光吸收在620-680nm。 （二）支链淀粉 支链淀粉(amylopectin)的分子量在20万以上，含有1300个葡萄糖或更多。与碘反应呈紫色，光吸收在530-555nm。端基分析指出，每24－30个葡萄糖单位含有一个端基，所有它具有支链结构，每个直链是α－1，4连接的链，而每个分支是α－1，6连接的链。由不完全水解产物中分离出了以α－1，6糖苷键连接的异麦芽糖，证明了分支的结构。据研究，支链淀粉至少含有300个α－1，6糖苷键。 二、糖原 糖原(glycogen)是动物中的主要多糖，是葡萄糖的极容易利用的储藏形式。糖原分子量约为500万，端基含量占9％，而支链淀粉为4％，所以8糖原的分支程度比支链淀粉高一倍多。糖原的结构与支链淀粉相似，但分支密度更大，平均链长只有12-18个葡萄糖单位。每个糖原分子有一个还原末端和很多非还原末端。与碘反应呈紫色，光吸收在430-490nm。 糖原的分支多，分子表面暴露出许多非还原末端，每个非还原末端既能与葡萄糖结合，也能分解产生葡萄糖，从而迅速调整血糖浓度，调节葡萄糖的供求平衡。所以糖原是储藏葡萄糖的理想形式。糖原主要储藏在肝脏和骨骼肌，在肝脏中浓度较高，但在骨骼肌中总量较多。糖原在细胞的胞液中以颗粒状存在，直径约为100－400埃。现在发现除动物外，在细菌、酵母、真菌及甜玉米中也有糖原存在。 三、纤维素 纤维素(cellulose)是自然界中含量最丰富的有机物，它占植物界碳含量的50％以上。棉花和亚麻是较纯的纤维素，在90％以上。木材中的纤维素常和半纤维素及木质素结合存在。用煮沸的1％NaOH处理木材，然后加氯及亚硫酸钠，即可去掉木质素，留下纤维素。 纤维素由葡萄糖分子以β-1,4-糖苷键连接而成，无分支。纤维素分子量在5万到40万之间，每分子约含300－2500个葡萄糖残基。纤维素是直链，100-200条链彼此平行，以氢键结合，所以不溶于水，但溶于铜盐的氨水溶液，可用于制造人造纤维。纤维素分子排列成束状，和绳索相似，纤维就是由许多这种绳索集合组成的。 纤维素经弱酸水解可得到纤维二糖。在浓硫酸（低温）或稀硫酸（高温、高压）下水解木材废料，可以产生约20％的葡萄糖。纤维素的三硝酸酯称为火棉，遇火迅速燃烧。一硝酸酯和二硝酸酯可以溶解，称为火棉胶，用于医药、工业。 纯净的纤维素是无色无臭、无味的物质。人和动物体内没有纤维素酶，不能分解纤维素。反刍动物和一些昆虫体内的微生物可以分解纤维素，为这些动物提供营养。 四、其他 （一）果胶 ?一般存在于初生细胞壁中，也存在于水果中。它是果胶酸的甲酯。果酱就是利于水果的果胶制成的。 （二）菊糖 ?也叫菊粉，主要存在于菊科植物的根部，是多缩果糖。 （三）琼脂 ?某些海藻（如石花菜属）所含的多糖物质，主要成分是多缩半乳糖，含有硫和钙。琼脂不易被微生物分解，可作微生物培养基成分，也可作为电泳支持物。食品工业中常用来制造果冻、果酱等。1－2％的琼脂在室温下就能形成凝胶。 agar包括agarose和araropectin，琼脂糖由D-吡喃半乳糖以α-1，3键相连，每9个残基与一个L-吡喃半乳糖以1，4键连接，每53个残基有一个硫酸基。 （四）几丁质 ?N-乙酰葡萄糖胺以β-1，4糖苷键相连，是甲壳动物的结构多糖，也叫甲壳素。是水中含量最大的有机物。 五、不均一多糖 粘多糖，也叫糖胺聚糖，它与蛋白质结合构成蛋白聚糖，又称粘蛋白。它存在于软骨、腱等结缔组织中，构成组织间质。各种腺体分泌出的起润滑作用的粘液多富含粘多糖。它在组织生长和再生过程中，在受精过程中以及机体与许多传染源（细菌、病毒）的相互作用上都起着重要作用。 糖胺聚糖是由特定二糖单位多次重复构成的杂聚多糖，因其二糖单位中都含有己糖胺而得名。不同糖胺聚糖的二糖单位不同，但一般都由一分子己糖胺和一分子己糖醛酸或中性糖构成。单糖之间以1－3键或1－4键相连。 糖胺聚糖按其分布和组成分为以下五类：硫酸软骨素，硫酸皮肤素，硫酸角质素，肝素和透明质酸。其中除角质素外，都含有糖醛酸；除透明质酸外，都含有硫酸基。 糖胺聚糖是高分子量的胶性物质，分子量可达500万，存在于动物细胞的细胞衣中，起润滑和粘合的作用。 透明质酸存在于眼睛的玻璃液及脐带中，可溶于水，成粘稠溶液。其主要功能是在组织中吸着水分，具有保护及粘合细胞使其不分散的作用。在具有强烈侵染性的细菌中，在迅速生长的恶性肿瘤中，在蜂毒与蛇毒中都含有透明质酸酶，它能引起透明质酸的分解。 硫酸软骨素是软骨、腱及骨骼的主要成分。有A,B和C三种。 肝素在动物体内分布很广，因在肝脏中含量丰富而得名。具有阻止血液凝固的特性。目前广泛应用肝素为输血时的血液抗凝剂，临床上也常用它防止血栓形成。分子量为17,000。 第五节 结合糖 结合糖是指糖与非糖物质的结合物，常见的是与蛋白质的结合物。它们的分布很广泛，生物功能多种多样，且都含有一类含氮的多糖，即粘多糖。根据含糖多少可分为以糖为主的蛋白多糖和以蛋白为主的糖蛋白。 二、糖蛋白 糖蛋白是以蛋白质为主体的糖－蛋白质复合物，在肽链的特定残基上共价结合着一个、几个或十几个寡糖链。寡糖链一般由2－15个单糖构成。寡糖链与肽链的连接方式有两种，一种是它的还原末端以O-糖苷键与肽链的丝氨酸或苏氨酸残基的侧链羟基结合，另一种是以N-糖苷键与侧链的天冬酰胺残基的侧链氨基结合。 糖蛋白在体内分布十分广泛，许多酶、激素、运输蛋白、结构蛋白都是糖蛋白。糖成分的存在对糖蛋白的分布、功能、稳定性等都有影响。糖成分通过改变糖蛋白的质量、体积、电荷、溶解性、粘度等发挥着多种效应。 表2－1 糖蛋白中糖成分的某些效应 效应 ? ?实例 ? ?生物学意义 加大体积 ? ?血浆蛋白 ? ?阻止经肾排出 增高粘度 ? ?粘蛋白 ? ?作为润滑剂和运输介质，保护粘膜免受损伤 抗冻作用 ? ?抗冻蛋白 ? ?南极鱼类血中，降低体液冰点，阻止低温下冰晶生长 定向作用 ? ?膜结合蛋白 ? ?糖的存在利于建立并保持膜蛋白的不对称定向分布 识别作用 ? ?血浆蛋白 ? ?调节凝血酶原等血浆蛋白的降解，当这些蛋白失去末端糖残基，暴露出D-半乳糖残基后，即可为肝细胞表面专一受体识别而被摄入细胞予以降解 1. ? ?血浆糖蛋白 ?血浆经电泳后，除清蛋白外，其他部分α1、α2、β和γ球蛋白以及纤维蛋白原都含有糖。糖分以唾液酸、氨基葡萄糖、半乳糖、甘露糖为主，也有少量氨基半乳糖和岩藻糖。血浆蛋白中具有运输作用的有：运输铜的铜兰蛋白，运输铁的转铁蛋白，运输血红蛋白的触珠蛋白，运输甲状腺素的甲状腺素结合蛋白。参与凝血过程的有凝血酶原和纤维蛋白原。肝实质性障碍时，血浆糖蛋白量减少，而在肝癌时却增加。 2. ? ?血型物质 ?人的胃液、唾液、卵巢囊肿的粘液和红细胞中都含有血型物质，它包含约75％的糖，主要是岩藻糖、半乳糖、氨基葡萄糖和氨基半乳糖。含糖部分决定血型物质的特异性。 3. ? ?卵白糖蛋白 ?糖分较简单，只有甘露糖和N-乙酰氨基葡萄糖。某些卵白糖蛋白对胰蛋白酶或糜蛋白酶有抑制作用，而另一些则具有强烈的抑制病毒血球凝集的作用。 二、蛋白聚糖 蛋白聚糖是以糖胺聚糖为主体的糖蛋白质复合物。蛋白聚糖以蛋白质为核心，以糖胺聚糖链为主体，在同一条核心蛋白肽链上，密集地结合着几十条至千百条糖胺聚糖糖链，形成瓶刷状分子。每条糖胺聚糖链由100到200个单糖分子构成，具有二糖重复序列，一般无分支。糖胺聚糖主要借O-糖苷键与核心蛋白的丝氨酸或苏氨酸羟基结合。核心蛋白的氨基酸组成和序列也比较简单，以丝氨酸和苏氨酸为主（可占50％），其余氨基酸以甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等居多。 蛋白聚糖是细胞外基质的主要成分，广泛存在于高等动物的一切组织中，对结缔组织、软骨、骨骼的构成至关重要。蛋白聚糖具有极强的亲水性，能结合大量的水，能保持组织的体积和外形并使之具有抗拉、抗压强度。蛋白聚糖链相互间的作用，在细胞与细胞、细胞与基质相互结合，维持组织的完整性中起重要作用。糖链的网状结构还具有分子筛效应，对物质的运送有一定意义。透明质酸是关节滑液的主要成分，具有很大的粘性，对关节面起润滑作用。类风湿性关节炎患者关节液的粘度降低与蛋白多糖的结构变化有关。 在细胞膜中有糖苷转移酶，催化合成；在溶酶体中有糖苷酶催化其分解。 凝集素是能与糖特异结合的，非酶非抗体的蛋白质。动物体中的某些凝集素含有约130个氨基酸残基构成的糖识别域，与炎症及肿瘤转移有关。
沈同生化三版课件（3章）- -
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第三章 脂类 第一节 概述 一、脂类是脂溶性生物分子 脂类（lipids）泛指不溶于水，易溶于有机溶剂的各类生物分子。脂类都含有碳、氢、氧元素，有的还含有氮和磷。脂类所包括的物质范围很广，结构差异也大。他们的共同特征是以长链或稠环脂肪烃分子为母体。脂类分子中没有极性基团的称为非极性脂；有极性基团的称为极性脂。极性脂的主体是脂溶性的，其中的部分结构是水溶性的。 二、分类 1.单纯脂 单纯脂是脂肪酸与醇结合成的酯，没有极性基团，是非极性脂，又称中性脂。三酰甘油、胆固醇酯、蜡等都是单纯脂。蜡是由高级脂肪酸和高级一元醇形成的酯。 2.复合脂 复合脂又称类脂，是含有磷酸等非脂成分的脂类。复合脂含有极性基团，是极性脂。磷脂是主要的复合脂。 3.非皂化脂 包括类固醇、萜类和前列腺素类。 不含脂肪酸，不能被碱水解，称为非皂化脂。类固醇又称甾醇，是以环戊烷多氢菲为母核的一种脂类。胆固醇是人体内最重要的类固醇，它因有羟基而属于极性脂。萜类是异戊二烯聚合物，前列腺素是二十碳酸衍生物。 4.衍生脂 指上述物质的衍生产物，如甘油、脂肪酸及其氧化产物，乙酰辅酶A。 5.结合脂类 脂与糖或蛋白质结合，形成糖脂和脂蛋白。 三、分布与功能 （一）三酰甘油是储备能源 三酰甘油主要分布在皮下、胸腔、腹腔、肌肉、骨髓等处的脂肪组织中，是储备能源的主要形式。三酰甘油作为能源储备有以下优点： 1.可大量储存 在三大类能源物质中，只有三酰甘油能大量储备。体内糖原的储量少（不到体重的1％），储存期短（不到半天），而三酰甘油储量可高达体重的10－20％以上，并可长期储存。 2.功能效率高 由于脂肪酸的还原态远高于其他燃料分子，所以体内氧化三酰甘油的功能价值可高达37Kj/g，而氧化糖和蛋白质分别只有17和16Kj/g。 3.占空间少 可以无水状态存在。而1克糖原可以结合2克水，所以1克无水的脂肪储存的能量是1克水合的糖原的6倍多。 4.还有绝缘保温、缓冲压力、减轻摩擦振动等保护功能。 一种陆生候鸟从新英格兰迁飞到西印度群岛，要连续飞越2400公里海洋，以40公里的时速持续飞行60小时。在这个过程中，其体内的蛋白质几乎不分解，完全由脂肪水解提供能量和水。留鸟一般很瘦，脂肪率（脂肪干重/非脂肪部分干重）约为0.3，而候鸟在迁飞前脂肪率可达到3左右。假设其体重为4克，则脂肪为3克，如用糖原来储存这部分能量，则需增加体重15克，可能永远飞不起来。 （二）极性脂参与生物膜的构成 磷脂、糖脂、胆固醇等极性脂是构成人体生物膜的主要成分。他们构成生物膜的水不溶性液态基质，规定了生物膜的基本特性。膜的屏障、融合、绝缘、脂溶性分子的通透性等功能都是膜脂特性的表现，膜脂还给各种膜蛋白提供功能所必须的微环境。脂类作为细胞表面物质，与细胞的识别、种特异性和组织免疫等有密切关系。 （三）有些脂类及其衍生物具有重要生物活性 肾上腺皮质激素和性激素的本质是类固醇；各种脂溶性维生素也是不可皂化脂；介导激素调节作用的第二信使有的也是脂类，如二酰甘油、肌醇磷脂等；前列腺素、血栓素、白三烯等具有广泛调节活性的分子是20碳酸衍生物。 （四）有些脂类是生物表面活性剂 磷脂、胆汁酸等双溶性分子（或离子），能定向排列在水－脂或水－空气两相界面，有降低水的表面张力的功能，是良好的生物表面活性剂。例如：肺泡细胞分泌的磷脂覆盖在肺泡壁表面，能通过降低肺泡壁表面水膜的表面张力，防止肺泡在呼吸中萎陷。缺少这些磷脂时，可造成呼吸窘迫综合征，患儿在呼吸后必须用力扩胸增大胸内负压，使肺泡重新充气。胆汁酸作为表面活性剂，可乳化食物中脂类，促进脂类的消化吸收。 （五）作为溶剂 一些脂溶性的维生素和激素都是溶解在脂类物质中才能被吸收，他们在体内的运输也需要溶解在脂类中。如维生素A、E、K、性激素等都是如此。 第二节 单纯脂 一、脂肪酸 （一）特性 动植物中的脂肪酸比较简单，都是直链的，可含有多至六个双键，而细菌的脂肪酸最多只有一个双键。细菌的脂肪酸比较复杂，可有支链或含有环丙烷环，如结核酸就是饱和支链脂肪酸。植物中可能含有三键、环氧基及环丙烯基等。 人体及高等动物体内的脂肪酸有以下特点： 1.是由偶数碳原子构成的一元酸，最多见的是C16、C18、C22等长链脂肪酸。 2.碳链无分支。 3.分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸的双键都呈顺式构型，有多个双键的脂肪酸称为高度不饱和脂肪酸或多不饱和脂肪酸。相邻双键之间都插入亚甲基，不构成共轭体系。 （二）分类和命名 1.脂肪酸的俗名、系统名和缩写 脂肪酸的俗名主要反映其来源和特点。系统名反映其碳原子数目、双键数和位置。如：硬脂酸的系统名是十八烷酸，用18：0表示，其中"18"表示碳链长度，"0"表示无双键；油酸是十八碳烯酸，用18：1表示，"1"表示有一个双键。反油酸用18：1Δ9,trans表示。 2.双键的定位 双键位置的表示方法有两种，原来用Δ编号系统，近来又规定了ω或(n)编号系统。前者按碳原子的系统序数（从羧基端数起），用双键羧基侧碳原子的序数给双键定位。后者采用碳原子的倒数序数（从甲基端数起），用双键甲基侧碳原子的（倒数）序数给双键定位。这样可将脂肪酸分为代谢相关的4组，即ω3、ω6、ω7、ω9，在哺乳动物体内脂肪酸只能由该族母体衍生而来，各族母体分别是软油酸（16：1，ω7）、油酸（18：1，ω9）、亚油酸（18：2，ω6）和α亚麻酸（18：3，ω3） 哺乳动物体内能合成饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸，不能合成多不饱和脂肪酸，如亚油酸、亚麻酸等。我们把维持哺乳动物正常生长所必需的而体内又不能合成的脂肪酸称为必需脂肪酸。 （三）反应 脂肪酸常见的反应有两个： 活化硫酰化，生成脂酰辅酶A。这是脂肪酸的活性形式。 不饱和脂肪酸的双键可以氧化，生成过氧化物，最后产生自由基。对人体有害。 二、油脂 （一）油脂的结构 油脂是由一分子甘油与一至三分子脂肪酸所形成的酯。根据脂肪酸数量，可分为单酰甘油、二酰甘油和三酰甘油（过去称为甘油三酯）。前两者在自然界中存在极少，而三酰甘油是脂类中含量最丰富的一类。通常所说的油脂就是指三酰甘油。 若三个脂肪酸相同，则称简单三酰甘油，命名时称三某脂酰甘油，如三硬脂酰甘油，三油酰甘油等。如三个脂肪酸不同，则称为混合三酰甘油，命名时以α、β和α'分别表示不同脂肪酸的位置。 天然油脂多数是多种混合三酰甘油的混合物，简单三酰甘油极少，仅橄榄油中含三油酰甘油较多，约占70％。 （二）油脂的性质 1.物理性质 油脂一般无色、无味、无臭，呈中性。天然油脂因含杂质而常具有颜色和气味。油脂比重小于1，不溶于水而溶于有机溶剂（丁酸酯可溶）。在乳化剂如胆汁酸、肥皂等存在的情况下，油脂能在水中形成乳浊液。在人体和动物的消化道内，胆汁酸盐使油脂乳化形成乳糜微粒，有利于油脂的消化吸收。 因为不饱和脂肪酸的熔点比相应的饱和脂肪酸低，所以一般三酰甘油中，不饱和脂肪酸含量较高者在室温时为液态，俗称油，如棉籽油的不饱和脂肪酸占75％。而饱和脂肪酸含量高的三酰甘油在室温时通常为固态，俗称脂，如牛脂中饱和脂肪酸占60－70％。天然油脂都是多种油脂的混合物，没有固定的熔点和沸点，通常简称为油脂。硬脂酸熔点为70℃，油酸熔点为14℃。相应的，三硬脂酸甘油酯的熔点是60℃，而三油酸甘油酯的熔点是0℃。 如油脂中1，3位的脂肪酸不同，则具有旋光性，一般按照L-型甘油醛的衍生物命名。 油脂是脂肪酸的储备和运输形式，也是生物体内的重要溶剂，许多物质是溶于其中而被吸收和运输的，如各种脂溶性维生素(A、D、E、K)、芳香油、固醇和某些激素等。 2.化学性质 油脂的化学性质与组成它的脂肪酸、甘油以及酯键有关。 (1)水解和皂化 油脂能在酸、碱、蒸汽及脂酶的作用下水解，生成甘油和脂肪酸。当用碱水解油脂时，生成甘油和脂肪酸盐。脂肪酸的钠盐和钾盐就是肥皂。因此把油脂的碱水解称为皂化。 使1克油脂完全皂化所需的氢氧化钾的毫克数称为皂化值。根据皂化值的大小可以判断油脂中所含脂肪酸的平均分子量。皂化值越大，平均分子量越小。 脂肪酸平均分子量＝3×56×1000÷皂化值 式中56是KOH的分子量，因为三酰甘油中含三个脂肪酸，所以乘以3。 肥皂是高级脂肪酸钠（或钾），既含有极性的－COO－Na＋基团，易溶于水；又含有非极性的烃基，易溶于脂类，所以肥皂是乳化剂，可是油污分散在水中而被除去。当用含较多钙、镁离子的硬水洗涤时，由于脂肪酸钠转变为不溶的钙盐或镁盐而沉淀，肥皂的去污能力就大大降低。 (2)加成反应 含不饱和脂肪酸的油脂，分子中的碳－碳双键可以与氢、卤素等进行加成反应。 氢化：在高温、高压和金属镍催化下，碳－碳双键与氢发生加成反应，转化为饱和脂肪酸。氢化的结果使液态的油变成半固态的脂，所以常称为"油脂的硬化"。人造黄油的主要成分就是氢化的植物油。某些高级糕点的松脆油也是适当加氢硬化的植物油。棉籽油氢化后形成奶油。油容易酸败，不利于运输，海产的油脂有臭味，氢化也可解决这些问题。 卤化：卤素中的溴、碘可与双键加成，生成饱和的卤化脂，这种作用称为卤化。通常把100克油脂所能吸收的碘的克数称为碘值。碘值大，表示油脂中不饱和脂肪酸含量高，即不饱和程度高。由于碘和碳－碳双键的加成反应较慢，所以在实际测定中，常用溴化碘或氯化碘代替碘，其中的溴或氯原子能使碘活化。碘值大于130的称为干性油，小于100的为非干性油，介于二者之间的称半干性油。 (3)酸败 油脂在空气中放置过久，会腐败产生难闻的臭味，这种变化称为酸败。酸败是由空气中氧、水分或霉菌的作用而引起的。阳光可加速这个反应。酸败的化学本质是油脂水解放出游离的脂肪酸，不饱和脂肪酸氧化产生过氧化物，再裂解成小分子的醛或酮。脂肪酸β-氧化时产生短链的β-酮酸，再脱酸也可生成酮类物质。低分子量的脂肪酸（如丁酸）、醛和酮常有刺激性酸臭味。 酸败程度的大小用酸价（酸值）表示。酸价就是中和1克油脂中的游离脂肪酸所需的KOH毫克数。酸价是衡量油脂质量的指标之一。 (4)干化 某些油在空气中放置，表面能生成一层干燥而有韧性的薄膜，这种现象叫做干化。具有这种性质的油称为干性油。一般认为，如果组成油脂的脂肪酸中含有较多的共轭双键，油的干性就好。桐油中含桐油酸（CH3(CH2)3CH=CH-CH=CH-CH=CH-(CH2)7COOH)达79％，是最好的干性油，不但干化快，而且形成的薄膜韧性好，可耐冷、热和潮湿，在工业上有重要价值。 三、蜡 蜡是不溶于水的固体，由高级脂肪酸和长链脂肪族一元醇或固醇构成的酯。 蜡酸如月桂酸(C12)、豆蔻酸(C14)、蜡酸(C26)蜂花酸(C30)等，通式为CH3(CH2)nCOOH。 蜡醇通式为CH3(CH2)nCH2OH，如C16、C30等。 温度较高时，蜡是柔软的固体，温度低时变硬。蜡在皮肤、羽毛、果实表面及昆虫的外骨骼上起保护作用。蜂蜡是软脂酸(C16)和有26－34个碳的蜡醇形成的酯。羊毛脂是脂肪酸和羊毛固醇形成的酯。 第三节 复合脂类 复合脂是由简单脂和一些非脂物质如磷酸、含氮碱基等共同组成的。以下介绍磷脂。 一、磷脂的种类 （一）甘油磷脂类 甘油磷脂又称磷酸甘油酯，是磷脂酸的衍生物。甘油磷脂种类繁多，结构通式如下： 甘油磷脂中最常见的是卵磷脂和脑磷脂。动物的心、脑、肾、肝、骨髓以及禽蛋的卵黄中，含量都很丰富。大豆磷脂是卵磷脂、脑磷脂和心磷脂等的混合物。 α－卵磷脂分子中与磷脂酸相连的是胆碱，所以称为磷脂酰胆碱。可控制肝脏脂肪代谢，防止脂肪肝的形成。 脑磷脂最先是从脑和神经组织中提取出来，所以称为脑磷脂。是磷脂酰乙醇胺。脑磷脂的结构与卵磷脂相似，只是X基不同。与凝血有关。 磷脂中的脂肪酸常见的是软脂酸、硬脂酸、油酸以及少量不饱和程度高的脂肪酸。通常α-位的脂肪酸是饱和脂肪酸，β-位的是不饱和脂肪酸。天然磷脂常是含不同脂肪酸的几种磷脂的混合物。 卵磷脂和脑磷脂的性质相似，都不溶于水而溶于有机溶剂，但卵磷脂可溶于乙醇而脑磷脂不溶，故可用乙醇将二者分离。二者的新鲜制品都是无色的蜡状物，有吸水性，在空气中放置易变为黄色进而变成褐色，这是由于分子中不饱和脂肪酸受氧化所致。卵磷脂和脑磷脂可从动物的新鲜大脑及大豆中提取。 磷脂是兼性离子，有多个可解离基团。在弱碱下可水解，生成脂肪酸盐，其余部分不水解。在强碱下则水解成脂肪酸、磷酸甘油和有机碱。磷脂中的不饱和脂肪酸在空气中易氧化。 （二）鞘氨醇磷脂 神经鞘磷脂由神经鞘氨醇（简称神经醇）、脂肪酸、磷酸与含氮碱基组成。脂酰基与神经醇的氨基以酰胺键相连，所形成的脂酰鞘氨醇又称神经酰胺；神经醇的伯醇基与磷脂酰胆碱（或磷脂酰乙醇胺）以磷酸酯键相连。在神经鞘磷脂中发现的脂肪酸有软脂酸、硬脂酸、掬焦油酸、神经烯酸（24：1Δ15）等。神经鞘磷脂不溶于丙酮、乙醚，而溶于热乙醇。 自然状态的磷脂都有两条比较柔软的长烃链，因而有脂溶性；而磷脂的另一组分是磷酰化物，它是强亲水性的极性基团，使磷脂可以在水中扩散成胶体，因此具有乳化性质。磷脂能帮助不溶于水的脂类均匀扩散于体内的水溶液体系中。 二、磷脂与生物膜 细胞及细胞器表面覆盖着一层极薄的膜，统称生物膜。生物膜主要由脂类和蛋白质组成，脂类约占40％，蛋白质占60％。不同种类的生物膜中二者比例变化很大，如线粒体内膜只含20－25％的脂类，而有些神经细胞表面的髓磷脂膜含脂类高达75％。构成生物膜的脂类很多，其中最主要的是甘油磷脂类，也有一些糖脂和胆固醇。 生物膜具有及其重要的生物功能：（1）它具有保护层的作用，是细胞表面的屏障；（2）它是细胞内外环境进行物质交换的通道；能量转换和信息传递也都要通过膜进行。（3）许多酶系与膜相结合，一系列生化反应在膜上进行。生物膜的功能是由它的结构决定的。膜的结构可用液态镶嵌模型表示，其要点为：（1）膜磷脂排列成双分子层，构成膜的基质。双分子层的每一个磷脂分子既规则地排列着，又有转动、摆动和横向流动的自由，处于液晶状态。磷脂双分子层具有流动性、柔韧性、高电阻性和对高极性分子的不通透性。（2）多种蛋白质包埋于基质中，称为膜蛋白。膜蛋白是球蛋白，他们的极性区伸出膜的表面，而非极性区埋藏在膜的疏水的内部。埋藏或贯穿于双分子层者称内在蛋白，附着于双分子层表面的称表在蛋白。 膜中的脂类主要是磷脂、胆固醇和糖脂（动物是糖鞘脂，植物和微生物是甘油酯）。膜是不对称的，膜中的脂和蛋白的分布也是不对称的。如人的红细胞，外层含卵磷脂和糖鞘脂较多，而内层含磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺较多。两层的电荷、流动性不同，蛋白也不同。这种不对称性由细胞维持。膜的相变温度可达几十度。 第四节 非皂化脂 一、萜类 萜类是异戊二烯的衍生物，不含脂肪酸，是非皂化脂。其分类主要根据异戊二烯的数目，由两个构成的称单萜，4个称二萜，3个叫倍半萜。还有三萜、多萜等。 萜类有线状、环状，有头尾相连，也有尾尾相连。多数线状萜类的双键是反式。 植物中多数萜类具有特殊气味，是植物特有油类的主要成分。如柠檬苦素、薄荷醇、樟脑等。 维生素A、E、K等都属于萜类，视黄醛是二萜。天然橡胶也是多萜。 二、类固醇 类固醇都含有环戊烷多氢菲结构，不能皂化。其中固醇是在核的3位有一个羟基，在17位有一个分支烃链。 （一）固醇类 是环状高分子一元醇，分布很广，可游离存在或与脂肪酸成酯。主要有以下三种： 动物固醇 多以酯的形式存在。胆固醇(Cholesterol)是脊椎动物细胞的重要成分，在神经组织和肾上腺中含量特别丰富，约占脑固体物质的17％。胆石几乎全是由胆固醇构成的。 胆固醇易溶于有机溶剂，不能皂化。其3位羟基可与高级脂肪酸成酯。胆固醇酯是其储存和运输形式，血浆中胆固醇有三分之二被酯化，主要是18：2，ω6胆固醇酯。 胆固醇是高等动物生物膜的重要成分，占质膜脂类的20％以上，占细胞器膜的5％。其分子形状与其他膜脂不同，极性头是3位羟基，疏水尾是4个环和3个侧链。它对调节生物膜的流动性有一定意义。温度高时，它能阻止双分子层的无序化；温度低时又可干扰其有序化，阻止液晶的形成，保持其流动性。 胆固醇还是一些活性物质的前体，类固醇激素、维生素D3、胆汁酸等都是胆固醇的衍生物。维生素D3是由7-脱氢胆固醇经日光中紫外线照射转变而来的。 2.植物固醇 是植物细胞的重要成分，不能被动物吸收利用。主要有豆固醇、麦固醇等。 3.酵母固醇 存在于酵母菌、真菌中，以麦角固醇最多，经日光照射可转化为维生素D2。 （二）固醇衍生物类 胆汁酸 在肝中合成，人的胆汁中有三种胆汁酸：胆酸、脱氧胆酸、鹅脱氧胆酸。胆酸能与甘氨酸或牛磺酸以肽键结合，生成甘氨胆酸或牛磺胆酸，它们的胆苦的主要原因。胆酸与脂肪酸或其他脂类，如胆固醇等成盐。它们是乳化剂，能促进油脂消化。 强心苷和蟾毒 它们能使心率降低，强度增加。强心苷来自玄参科及百合科植物，水解后产生糖和苷原，最常见的是洋地黄毒素。蟾毒是蟾蜍分泌的，以酯的形式存在，与前者相似。 性激素和维生素D 见激素和维生素部分。 三、前列腺素 第五节 结合脂类 一、糖脂 糖与脂类以糖苷键相连形成的化合物称为糖脂。通常指不包括磷酸的鞘氨醇衍生物，称糖鞘脂类。它分为中性和酸性两类，分别以脑苷脂和神经节苷脂为代表。 脑苷脂 由一个单糖与神经酰胺构成，占脑干重的11％，各种脑苷脂的区别主要在于脂肪酸（二十四碳）不同。其糖基C3位被硫酸酯化后称为脑硫脂类。 神经节苷脂 是含唾液酸的糖鞘脂，有多个糖基，又称唾液酸糖鞘脂。其结构复杂，常用缩写表示，以G代表神经节苷脂，M、T、D代表含有唾液酸残基的数目（1、2、3），用阿拉伯数字表示无唾液酸寡糖链的类型。 功能 糖鞘脂是细胞膜的组分，其糖结构突出于质膜表面，与细胞识别和免疫有关。位于神经细胞的还与神经传递有关。 神经节苷脂在脑灰质和胸腺中含量丰富，与神经冲动的传导有关。红细胞表面的神经节苷脂决定血型专一性。某些神经节苷脂是激素（促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素等）、毒素（破伤风、霍乱毒素等）和干扰素等的受体。 二、脂蛋白 根据蛋白质组成可分为三类： （一）核蛋白类 其代表是凝血致活酶，含脂达40－50％（主要是卵磷脂、脑磷脂和神经磷脂），核酸占18％。 （二）磷蛋白类 如卵黄中的脂磷蛋白，含脂18％，溶于盐水，除去脂后就不溶。 （三）单纯蛋白类 主要有水溶性的血浆脂蛋白和脂溶性的脑蛋白脂。 血浆脂蛋白 有多种类型，通常用超离心法根据其密度由小到大分为五种： 乳糜微粒(CM)由小肠上皮细胞合成，主要来自食物油脂，颗粒大，使光散射，呈乳浊状，这是用餐后血清浑浊的原因。其比重小，在4℃冰箱过夜时，上浮形成乳白色奶油样层，是临床检验的简易方法。主要生理功能是转运外源油脂。电泳时乳糜微粒留在原点。 极低密度脂蛋白(VLDL) 有肝细胞合成，主要成分也是油脂。当血液流经油脂组织、肝和肌肉等组织的毛细血管时，乳糜微粒和VLDL被毛细血管壁脂蛋白脂酶水解，所以正常人空腹时不易检出乳糜微粒和VLDL。主要生理功能是转运内源油脂，如肝脏中由葡萄糖转化生成的脂类。电泳时称为前β脂蛋白。 低密度脂蛋白(LDL) 来自肝脏，富含胆固醇，磷脂。主要生理功能是转运胆固醇和磷脂到肝脏。含量过高易患动脉粥样硬化。电泳时称为β脂蛋白。 高密度脂蛋白(HDL) 来自肝脏，其颗粒最小，脂类主要是磷脂和胆固醇。主要生理功能是转运磷脂和胆固醇。电泳时称为α脂蛋白。可激活脂肪酶，清除胆固醇。 极高密度脂蛋白(VHDL) 由清蛋白和游离脂肪酸构成，前者由肝脏合成，在油脂组织中组成VHDL。主要生理功能是转运游离脂肪酸。 脑蛋白脂 从脑组织中分离得到。不溶于水，分为A、B、C三种。 补充材料：脂肪组织 脂肪组织主要分布在腹腔（网膜脂肪，包围在肾脏和肠系膜之间）、皮下和骨骼肌纤维之间。 脂肪组织有白色和棕色两种，前者用于储存，脂肪是单个大滴，外有一薄层细胞质及一个外周核。其甘油三酯分解产生的脂肪酸需运至其他组织氧化放能。而棕色脂肪含大量线粒体，在其脂肪耗尽时显红棕色，故名。冬眠的和新生哺乳动物体内的棕色脂肪特别发达，寒冷时不必发抖即可产热。棕色脂肪位于颈部和背部肌肉之间、腋窝和腹股沟中，包围在胸腹脏器之间。其血液供给丰富，并密布交感神经系统的去甲肾上腺素能纤维，寒冷时神经末梢和肾上腺髓质释放去甲肾上腺素，使脂肪降解，氧化，放热，温暖邻近组织，并由血液传至远处。 提要 概念 脂类、类固醇、萜类、多不饱和脂肪酸、必需脂肪酸、皂化值、碘值、酸价、酸败、油脂的硬化、甘油磷脂、鞘氨醇磷脂、神经节苷脂、脑苷脂、乳糜微粒 脂类的性质与分类 ?单纯脂、复合脂、非皂化脂、衍生脂、结合脂 单纯脂 脂肪酸的俗名、系统名和缩写、双键的定位 油脂的结构和化学性质 (1)水解和皂化 ?脂肪酸平均分子量＝3×56×1000÷皂化值 (2)加成反应 ?碘值大，表示油脂中不饱和脂肪酸含量高，即不饱和程度高。 (3)酸败 蜡是由高级脂肪酸和长链脂肪族一元醇或固醇构成的酯。 四、磷脂（复合脂） （一）甘油磷脂类 最常见的是卵磷脂和脑磷脂。卵磷脂是磷脂酰胆碱。脑磷脂是磷脂酰乙醇胺。 卵磷脂和脑磷脂都不溶于水而溶于有机溶剂。磷脂是兼性离子，有多个可解离基团。在弱碱下可水解，生成脂肪酸盐，其余部分不水解。在强碱下则水解成脂肪酸、磷酸甘油和有机碱。磷脂中的不饱和脂肪酸在空气中易氧化。 （二）鞘氨醇磷脂 神经鞘磷脂由神经鞘氨醇（简称神经醇）、脂肪酸、磷酸与含氮碱基组成。脂酰基与神经醇的氨基以酰胺键相连，所形成的脂酰鞘氨醇又称神经酰胺；神经醇的伯醇基与磷脂酰胆碱（或磷脂酰乙醇胺）以磷酸酯键相连。 磷脂能帮助不溶于水的脂类均匀扩散于体内的水溶液体系中。 非皂化脂 （一）萜类 是异戊二烯的衍生物 多数线状萜类的双键是反式。维生素A、E、K等都属于萜类，视黄醛是二萜。天然橡胶是多萜。 （二）类固醇 都含有环戊烷多氢菲结构 固醇类 是环状高分子一元醇，主要有以下三种： 动物固醇 胆固醇是高等动物生物膜的重要成分，对调节生物膜的流动性有一定意义。胆固醇还是一些活性物质的前体，类固醇激素、维生素D3、胆汁酸等都是胆固醇的衍生物。 植物固醇 是植物细胞的重要成分，不能被动物吸收利用。 酵母固醇 存在于酵母菌、真菌中，以麦角固醇最多，经日光照射可转化为维生素D2。 2.固醇衍生物类 胆汁酸 是乳化剂，能促进油脂消化。 强心苷和蟾毒 它们能使心率降低，强度增加。 性激素和维生素D 3. 前列腺素 结合脂 1.糖脂。它分为中性和酸性两类，分别以脑苷脂和神经节苷脂为代表。 脑苷脂 由一个单糖与神经酰胺构成。 神经节苷脂 是含唾液酸的糖鞘脂，有多个糖基，又称唾液酸糖鞘脂，结构复杂。 2.脂蛋白 根据蛋白质组成可分为三类：核蛋白类、磷蛋白类、单纯蛋白类，其中单纯蛋白类主要有水溶性的血浆脂蛋白和脂溶性的脑蛋白脂。 血浆脂蛋白根据其密度由小到大分为五种： 乳糜微粒 主要生理功能是转运外源油脂。 极低密度脂蛋白(VLDL) 转运内源油脂。 低密度脂蛋白(LDL) 转运胆固醇和磷脂。 高密度脂蛋白(HDL) 转运磷脂和胆固醇。 极高密度脂蛋白(VHDL) 转运游离脂肪酸。 脑蛋白脂不溶于水，分为A、B、C三种。
沈同生化三版课件（4章）- -
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第四章 蛋白质 第一节 蛋白质通论 一、蛋白质的功能多样性 蛋白质是原生质的主要成分，任何生物都含有蛋白质。自然界中最小、最简单的生物是病毒，它是由蛋白质和核酸组成的。没有蛋白质也就没有生命。 自然界的生物多种多样，因而蛋白质的种类和功能也十分繁多。概括起来，蛋白质主要有以下功能： 1.催化功能 生物体内的酶都是由蛋白质构成的，它们有机体新陈代谢的催化剂。没有酶，生物体内的各种化学反应就无法正常进行。例如，没有淀粉酶，淀粉就不能被分解利用。 2.结构功能 蛋白质可以作为生物体的结构成分。在高等动物里，胶原是主要的细胞外结构蛋白，参与结缔组织和骨骼作为身体的支架，占蛋白总量的1/4。细胞里的片层结构，如细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白与脂类组成的。动物的毛发和指甲都是由角蛋白构成的。 3.运输功能 脊椎动物红细胞中的血红蛋白和无脊椎动物体内的血蓝蛋白在呼吸过程中起着运输氧气的作用。血液中的载脂蛋白可运输脂肪，转铁蛋白可转运铁。一些脂溶性激素的运输也需要蛋白，如甲状腺素要与甲状腺素结合球蛋白结合才能在血液中运输。 4.贮存功能 某些蛋白质的作用是贮存氨基酸作为生物体的养料和胚胎或幼儿生长发育的原料。此类蛋白质包括蛋类中的卵清蛋白、奶类中的酪蛋白和小麦种子中的麦醇溶蛋白等。肝脏中的铁蛋白可将血液中多余的铁储存起来，供缺铁时使用。 5.运动功能 肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白是运动系统的必要成分，它们构象的改变引起肌肉的收缩，带动机体运动。细菌中的鞭毛蛋白有类似的作用，它的收缩引起鞭毛的摆动，从而使细菌在水中游动。 6.防御功能 高等动物的免疫反应是机体的一种防御机能，它主要也是通过蛋白质（抗体）来实现的。凝血与纤溶系统的蛋白因子、溶菌酶、干扰素等，也担负着防御和保护功能。 7.调节功能 某些激素、一切激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质。 8.信息传递功能 生物体内的信息传递过程也离不开蛋白质。例如，视觉信息的传递要有视紫红质参与，感受味道需要味觉蛋白。视杆细胞中的视紫红质，只需1个光子即可被激发，产生视觉。 9.遗传调控功能 遗传信息的储存和表达都与蛋白质有关。DNA在储存时是缠绕在蛋白质（组蛋白）上的。有些蛋白质，如阻遏蛋白，与特定基因的表达有关。β－半乳糖苷酶基因的表达受到一种阻遏蛋白的抑制，当需要合成β－半乳糖苷酶时经过去阻遏作用才能表达。 10.其他功能 某些生物能合成有毒的蛋白质，用以攻击或自卫。如某些植物在被昆虫咬过以后会产生一种毒蛋白。白喉毒素可抑制生物蛋白质合成。 二、蛋白质的分类 （一）按分子形状分类 1.球状蛋白 外形近似球体，多溶于水，大都具有活性，如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。球状蛋白的长度与直径之比一般小于10。 2.纤维状蛋白 外形细长，分子量大，大都是结构蛋白，如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等。纤维蛋白按溶解性可分为可溶性纤维蛋白与不溶性纤维蛋白。前者如血液中的纤维蛋白原、肌肉中的肌球蛋白等，后者如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等结构蛋白。 （二）按分子组成分类 1.简单蛋白 完全由氨基酸组成，不含非蛋白成分。如血清清蛋白等。根据溶解性的不同，可将简单蛋白分为以下7类：清蛋白、球蛋白、组蛋白、精蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和硬蛋白。 2.结合蛋白 由蛋白质和非蛋白成分组成，后者称为辅基。根据辅基的不同，可将结合蛋白分为以下7类：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、血红素蛋白、黄素蛋白和金属蛋白。 三、蛋白质的元素组成与分子量 1.元素组成 所有的蛋白质都含有碳氢氧氮四种元素，有些蛋白质还含有硫、磷和一些金属元素。 蛋白质平均含碳50％，氢7％，氧23％，氮16％。其中氮的含量较为恒定，而且在糖和脂类中不含氮，所以常通过测量样品中氮的含量来测定蛋白质含量。如常用的凯氏定氮： 蛋白质含量＝蛋白氮×6.25 其中6.25是16％的倒数。 2.蛋白质的分子量 蛋白质的分子量变化范围很大，从6000到100万或更大。这个范围是人为规定的。一般将分子量小于6000的称为肽。不过这个界限不是绝对的，如牛胰岛素分子量为5700，一般仍认为是蛋白质。蛋白质煮沸凝固，而肽不凝固。较大的蛋白质如烟草花叶病毒，分子量达4000万。 四、蛋白质的水解 氨基酸是蛋白质的基本结构单位，这个发现是从蛋白质的水解得到的。蛋白质的水解主要有三种方法： 1.酸水解 用6MHCl或4MH2SO4，105℃回流20小时即可完全水解。酸水解不引起氨基酸的消旋，但色氨酸完全被破坏，丝氨酸和苏氨酸部分破坏，天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解。如样品含有杂质，在酸水解过程中常产生腐黑质，使水解液变黑。用3mol/L对甲苯磺酸代替盐酸，得到色氨酸较多，可像丝氨酸和苏氨酸一样用外推法求其含量。 2.碱水解 用5MNaOH，水解10－20小时可水解完全。碱水解使氨基酸消旋，许多氨基酸被破坏，但色氨酸不被破坏。常用于测定色氨酸含量。可加入淀粉以防止氧化。 3.酶水解 酶水解既不破坏氨基酸，也不引起消旋。但酶水解时间长，反应不完全。一般用于部分水解，若要完全水解，需要用多种酶协同作用。 第二节 氨基酸 一、氨基酸的结构与分类 （一）基本氨基酸 组成蛋白质的20种氨基酸称为基本氨基酸。它们中除脯氨酸外都是α-氨基酸，即在α-碳原子上有一个氨基。基本氨基酸都符合通式，都有单字母和三字母缩写符号。 按照氨基酸的侧链结构，可分为三类：脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。 1.脂肪族氨基酸 共15种。 侧链只是烃链：Gly, Ala, Val, Leu, Ile后三种带有支链，人体不能合成，是必需氨基酸。 侧链含有羟基：Ser, Thr许多蛋白酶的活性中心含有丝氨酸，它还在蛋白质与糖类及磷酸的结合中起重要作用。 侧链含硫原子：Cys, Met两个半胱氨酸可通过形成二硫键结合成一个胱氨酸。二硫键对维持蛋白质的高级结构有重要意义。半胱氨酸也经常出现在蛋白质的活性中心里。甲硫氨酸的硫原子有时参与形成配位键。甲硫氨酸可作为通用甲基供体，参与多种分子的甲基化反应。 侧链含有羧基：Asp（D）, Glu（E） 侧链含酰胺基：Asn（N）, Gln（Q） 侧链显碱性：Arg（R）, Lys（K） 2.芳香族氨基酸 包括苯丙氨酸（Phe,F）和酪氨酸(Tyr,Y)两种。 酪氨酸是合成甲状腺素的原料。 3.杂环氨基酸 包括色氨酸(Trp,W)、组氨酸(His)和脯氨酸(Pro)三种。其中的色氨酸与芳香族氨基酸都含苯环，都有紫外吸收(280nm)。所以可通过测量蛋白质的紫外吸收来测定蛋白质的含量。组氨酸也是碱性氨基酸，但碱性较弱，在生理条件下是否带电与周围内环境有关。它在活性中心常起传递电荷的作用。组氨酸能与铁等金属离子配位。脯氨酸是唯一的仲氨基酸，是α-螺旋的破坏者。 B是指Asx，即Asp或Asn；Z是指Glx，即Glu或Gln。 基本氨基酸也可按侧链极性分类： 非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro共八种 极性不带电荷：Gly, Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr共七种 带正电荷：Arg, Lys, His 带负电荷：Asp, Glu （二）不常见的蛋白质氨基酸 某些蛋白质中含有一些不常见的氨基酸，它们是基本氨基酸在蛋白质合成以后经羟化、羧化、甲基化等修饰衍生而来的。也叫稀有氨基酸或特殊氨基酸。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸、锁链素等。其中羟脯氨酸和羟赖氨酸在胶原和弹性蛋白中含量较多。在甲状腺素中还有3,5-二碘酪氨酸。 （三）非蛋白质氨基酸 自然界中还有150多种不参与构成蛋白质的氨基酸。它们大多是基本氨基酸的衍生物，也有一些是D-氨基酸或β、γ、δ-氨基酸。这些氨基酸中有些是重要的代谢物前体或中间产物，如瓜氨酸和鸟氨酸是合成精氨酸的中间产物，β-丙氨酸是遍多酸（泛酸，辅酶A前体）的前体，γ-氨基丁酸是传递神经冲动的化学介质。 二、氨基酸的性质 （一）物理性质 α-氨基酸都是白色晶体，每种氨基酸都有特殊的结晶形状，可以用来鉴别各种氨基酸。除胱氨酸和酪氨酸外，都能溶于水中。脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中。 除甘氨酸外，α-氨基酸都有旋光性，α-碳原子具有手性。苏氨酸和异亮氨酸有两个手性碳原子。从蛋白质水解得到的氨基酸都是L-型。但在生物体内特别是细菌中，D-氨基酸也存在，如细菌的细胞壁和某些抗菌素中都含有D-氨基酸。 三个带苯环的氨基酸有紫外吸收，F:257nm,ε=200; Y:275nm,ε=1400; W:280nm,ε=5600。通常蛋白质的紫外吸收主要是后两个氨基酸决定的，一般在280nm。 氨基酸分子中既含有氨基又含有羧基，在水溶液中以偶极离子的形式存在。所以氨基酸晶体是离子晶体，熔点在200℃以上。氨基酸是两性电解质，各个解离基的表观解离常数按其酸性强度递降的顺序，分别以K1'、K2'来表示。当氨基酸分子所带的净电荷为零时的pH称为氨基酸的等电点(pI)。等电点的值是它在等电点前后的两个pK'值的算术平均值。 氨基酸完全质子化时可看作多元弱酸，各解离基团的表观解离常数按酸性减弱的顺序，以pK1' 、pK2' 、pK3'表示。氨基酸可作为缓冲溶液，在pK'处的缓冲能力最强，pI处的缓冲能力最弱。 氨基酸的滴定曲线如图。 （二）化学性质 1.氨基的反应 （1）酰化 氨基可与酰化试剂，如酰氯或酸酐在碱性溶液中反应，生成酰胺。该反应在多肽合成中可用于保护氨基。 （2）与亚硝酸作用 氨基酸在室温下与亚硝酸反应，脱氨，生成羟基羧酸和氮气。因为伯胺都有这个反应，所以赖氨酸的侧链氨基也能反应，但速度较慢。常用于蛋白质的化学修饰、水解程度测定及氨基酸的定量。 （3）与醛反应 氨基酸的α-氨基能与醛类物质反应，生成西佛碱-C=N-。西佛碱是氨基酸作为底物的某些酶促反应的中间物。赖氨酸的侧链氨基也能反应。氨基还可以与甲醛反应，生成羟甲基化合物。由于氨基酸在溶液中以偶极离子形式存在，所以不能用酸碱滴定测定含量。与甲醛反应后，氨基酸不再是偶极离子，其滴定终点可用一般的酸碱指示剂指示，因而可以滴定，这叫甲醛滴定法，可用于测定氨基酸。 （4）与异硫氰酸苯酯(PITC)反应 α-氨基与PITC在弱碱性条件下形成相应的苯氨基硫甲酰衍生物（PTC-AA），后者在硝基甲烷中与酸作用发生环化，生成相应的苯乙内酰硫脲衍生物（PTH-AA）。这些衍生物是无色的，可用层析法加以分离鉴定。这个反应首先为Edman用来鉴定蛋白质的N-末端氨基酸，在蛋白质的氨基酸顺序分析方面占有重要地位。 （5）磺酰化 氨基酸与5-(二甲胺基)萘-1-磺酰氯(DNS-Cl)反应，生成DNS-氨基酸。产物在酸性条件下(6NHCl)100℃也不破坏，因此可用于氨基酸末端分析。DNS-氨基酸有强荧光，激发波长在360nm左右，比较灵敏，可用于微量分析。 （6）与DNFB反应 氨基酸与2,4-二硝基氟苯(DNFB)在弱碱性溶液中作用生成二硝基苯基氨基酸（DNP氨基酸）。这一反应是定量转变的，产物黄色，可经受酸性100℃高温。该反应曾被英国的Sanger用来测定胰岛素的氨基酸顺序，也叫桑格尔试剂，现在应用于蛋白质N-末端测定。 （7）转氨反应 在转氨酶的催化下，氨基酸可脱去氨基，变成相应的酮酸。 2.羧基的反应 羧基可与碱作用生成盐，其中重金属盐不溶于水。羧基可与醇生成酯，此反应常用于多肽合成中的羧基保护。某些酯有活化作用，可增加羧基活性，如对硝基苯酯。将氨基保护以后，可与二氯亚砜或五氯化磷作用生成酰氯，在多肽合成中用于活化羧基。在脱羧酶的催化下，可脱去羧基，形成伯胺。 3茚三酮反应 氨基酸与茚三酮在微酸性溶液中加热，最后生成蓝色物质。而脯氨酸生成黄色化合物。根据这个反应可通过二氧化碳测定氨基酸含量。 4.侧链的反应 丝氨酸、苏氨酸含羟基，能形成酯或苷。 半胱氨酸侧链巯基反应性高： （1）二硫键(disulfide bond) 半胱氨酸在碱性溶液中容易被氧化形成二硫键，生成胱氨酸。胱氨酸中的二硫键在形成蛋白质的构象上起很大的作用。氧化剂和还原剂都可以打开二硫键。在研究蛋白质结构时，氧化剂过甲酸可以定量地拆开二硫键，生成相应的磺酸。还原剂如巯基乙醇、巯基乙酸也能拆开二硫键，生成相应的巯基化合物。由于半胱氨酸中的巯基很不稳定，极易氧化，因此利用还原剂拆开二硫键时，往往进一步用碘乙酰胺、氯化苄、N-乙基丁烯二亚酰胺和对氯汞苯甲酸等试剂与巯基作用，把它保护起来，防止它重新氧化。 （2）烷化 半胱氨酸可与烷基试剂，如碘乙酸、碘乙酰胺等发生烷化反应。 半胱氨酸与丫丙啶反应，生成带正电的侧链，称为S-氨乙基半胱氨酸（AECys）。 （3）与重金属反应 极微量的某些重金属离子，如Ag+、Hg2+，就能与巯基反应，生成硫醇盐，导致含巯基的酶失活。 5. 以下反应常用于氨基酸的检验： l酪氨酸、组氨酸能与重氮化合物反应(Pauly反应)，可用于定性、定量测定。组氨酸生成棕红色的化合物，酪氨酸为桔黄色。 l精氨酸在氢氧化钠中与1-萘酚和次溴酸钠反应，生成深红色，称为坂口反应。用于胍基的鉴定。 l酪氨酸与硝酸、亚硝酸、硝酸汞和亚硝酸汞反应，生成白色沉淀，加热后变红，称为米伦反应，是鉴定酚基的特性反应。 l色氨酸中加入乙醛酸后再缓慢加入浓硫酸，在界面会出现紫色环，用于鉴定吲哚基。 在蛋白质中，有些侧链基团被包裹在蛋白质内部，因而反应很慢甚至不反应。 三、色谱与氨基酸的分析分离 1.色谱（chromatography）的发展史 最早的层析实验是俄国植物学家Цвет在1903年用碳酸钙分离叶绿素，属于吸附层析。40年代出现了分配层析，50年代出现了气相色谱，60年代出现HPLC，80年代出现了超临界层析，90年代出现的超微量HPLC可分离ng级的样品。 2.色谱的分类： 按流动相可分为气相、液相、超临界色谱等； 按介质可分为纸层析、薄层层析、柱层析等； 按分离机制可分为吸附层析、分配层析、分子筛层析等 3.色谱的应用 可用于分离、制备、纯度鉴定等。 定性可通过保留值、内标、标准曲线等方法，定量一般用标准曲线法。 氨基酸的分析分离是测定蛋白质结构的基础。在分配层析和离子交换层析法开始应用于氨基酸成分分析之后，蛋白质结构的研究才取得了显著的成就。现在这些方法已自动化。 氨基酸从强酸型离子交换柱的洗脱顺序如下： Asp,Thr,Ser,Glu,Pro,Gly,Ala,Cys,Val,Met,Ile,Leu,Tyr,Phe,Lys,His,(NH3),Arg 第三节 蛋白质的一级结构 蛋白质是生物大分子，具有明显的结构层次性，由低层到高层可分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。 一、肽键和肽 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基缩水形成的共价键，称为肽键。在蛋白质分子中，氨基酸借肽键连接起来，形成肽链。 最简单的肽由两个氨基酸组成，称为二肽。含有三、四、五个氨基酸的肽分别称为三肽、四肽、五肽等。肽链中的氨基酸由于形成肽键时脱水，已不是完整的氨基酸，所以称为残基。肽的命名是根据组成肽的氨基酸残基来确定的。一般从肽的氨基端开始，称为某氨基酰某氨基酰...某氨基酸。肽的书写也是从氨基端开始。 肽键象酰胺键一样，由于键内原子处于共振状态而表现出较高的稳定性。在肽键中C－N单键具有约40％双键性质，而C=O双键具有40％单键性质。这样就产生两个重要结果：（1）肽键的亚氨基在pH 0-14的范围内没有明显的解离和质子化的倾向；（2）肽键中的C－N单键不能自由旋转，使蛋白质能折叠成各种三维构象。 除了蛋白质部分水解可以产生各种简单的多肽以外，自然界中还有长短不等的小肽，它们具有特殊的生理功能。 动植物细胞中含有一种三肽，称为谷胱甘肽，即δ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。因其含有巯基，故常以GSH来表示。它在体内的氧化还原过程中起重要作用。脑啡肽是天然止痛剂。肌肉中的鹅肌肽是一个二肽，即β-丙氨酰组氨酸。肌肽可作为肌肉中的缓冲剂，缓冲肌肉产生的乳酸对pH的影响。一种抗菌素叫做短杆菌酪肽，由12种氨基酸组成，其中有几种是D-氨基酸。这些天然肽中的非蛋白质氨基酸可以使其免遭蛋白酶水解。许多激素也是多肽，如催产素、加压素、舒缓激肽等。 二、肽的理化性质 小肽的理化性质与氨基酸类似。许多小肽已经结晶。晶体的熔点很高，说明是离子晶体，在水溶液中以偶极离子存在。肽键的亚氨基不解离，所以肽的酸碱性取决于肽的末端氨基、羧基和侧链上的基团。在长肽或蛋白质中，可解离的基团主要是侧链上的。肽中末端羧基的pK'比自由氨基酸的稍大，而末端氨基的pK'则稍小。侧链基团变化不大。 肽的滴定曲线和氨基酸的很相似。肽的等电点也可以根据它的pK'值确定。 一般小肽的旋光度等于各个氨基酸旋光度的总和，但较大的肽或蛋白质的旋光度不等于其组成氨基酸的旋光度的简单加和。 肽的化学性质和氨基酸一样，但有一些特殊的反应，如双缩脲反应。一般含有两个或两个以上肽键的化合物都能与CuSO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应可以测定蛋白质的含量。 三、一级结构的测定 （一）一级结构 蛋白质的一级结构是指肽链的氨基酸组成及其排列顺序。氨基酸序列是蛋白质分子结构的基础，它决定蛋白质的高级结构。一级结构可用氨基酸的三字母符号或单字母符号表示，从N-末端向C-末端书写。采用三字母符号时，氨基酸之间用连字符（－）隔开。 （二）测定步骤 测定蛋白质的一级结构，要求样品必须是均一的（纯度大于97％）而且是已知分子量的蛋白质。一般的测定步骤是： 1.通过末端分析确定蛋白质分子由几条肽链构成。 2.将每条肽链分开，并分离提纯。 3肽链的一部分样品进行完全水解，测定其氨基酸组成和比例。 4.肽链的另一部分样品进行N末端和C末端的鉴定。 5.拆开肽链内部的二硫键。 6.肽链用酶促或化学的部分水解方法降解成一套大小不等的肽段，并将各个肽段分离出来。 7.测定每个肽段的氨基酸顺序。 8.从第二步得到的肽链样品再用另一种部分水解方法水解成另一套肽段，其断裂点与第五步不同。分离肽段并测序。比较两套肽段的氨基酸顺序，根据其重叠部分拼凑出整个肽链的氨基酸顺序。 9.测定原来的多肽链中二硫键和酰胺基的位置。 （三）常用方法 1. 末端分析 （1）N末端 蛋白质的末端氨基与2,4-二硝基氟苯(DNFB)在弱碱性溶液中作用生成二硝基苯基蛋白质（DNP-蛋白质）。产物黄色，可经受酸性100℃高温。水解时，肽链断开，但DNP基并不脱落。DNP-氨基酸能溶于有机溶剂（如乙醚）中，这样可与其他氨基酸和ε-DNP赖氨酸分开。再经双向滤纸层析或柱层析，可以鉴定黄色的DNP氨基酸。 丹磺酰氯法是更灵敏的方法。蛋白质的末端氨基与5-(二甲胺基)萘-1-磺酰氯(DNS-Cl)反应，生成DNS-蛋白质。DNS-氨基酸有强荧光，激发波长在360nm左右，比DNFB法灵敏100倍。 目前应用最广泛的是异硫氰酸苯酯(PITC)法。末端氨基与PITC在弱碱性条件下形成相应的苯氨基硫甲酰衍生物，后者在硝基甲烷中与酸作用发生环化，生成相应的苯乙内酰硫脲衍生物而从肽链上掉下来。产物可用气-液色谱法进行鉴定。这个方法最大的优点是剩下的肽链仍是完整的，可依照此法重复测定新生的N末端氨基酸。现在已经有全自动的氨基酸顺序分析仪，可测定含20个以上氨基酸的肽段的氨基酸顺序。缺点是不如丹磺酰氯灵敏，可与之结合使用。 N末端氨基酸也可用酶学方法即氨肽酶法测定。 （2）C末端 a) ? ?C末端氨基酸可用硼氢化锂还原生成相应的α氨基醇。肽链水解后，再用层析法鉴定。有断裂干扰。 b) ? ?另一个方法是肼解法。多肽与肼在无水条件下加热，可以断裂所有的肽键，除C末端氨基酸外，其他氨基酸都转变为相应的酰肼化合物。肼解下来的C末端氨基酸可用纸层析鉴定。精氨酸会变成鸟氨酸，半胱氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺被破坏。 c) ? ?也可用羧肽酶法鉴定。将蛋白质在pH 8.0, 30℃与羧肽酶一起保温，按一定时间间隔取样，用纸层析测定释放出来的氨基酸，根据氨基酸的量与时间的关系，就可以知道C末端氨基酸的排列顺序。羧肽酶A水解除精氨酸、赖氨酸和脯氨酸外所有肽键，羧肽酶B水解精氨酸和赖氨酸。 2.二硫键的拆开和肽链的分离 一般情况下，蛋白质分子中肽链的数目应等于N末端氨基酸残基的数目，可根据末端分析来确定一种蛋白质由几条肽链构成。必须设法把这些肽链分离开来，然后测定每条肽链的氨基酸顺序。如果这些肽链之间不是共价交联的，可用酸、碱、高浓度的盐或其他变性剂处理蛋白质，把肽链分开。如果肽链之间以二硫键交联，或肽链中含有链内二硫键，则必须用氧化或还原的方法将二硫键拆开。最普遍的方法是用过量的巯基乙醇处理，然后用碘乙酸保护生成的半胱氨酸的巯基，防止重新氧化。二硫键拆开后形成的个别肽链，可用纸层析、离子交换柱层析、电泳等方法进行分离。 3.肽链的完全水解和氨基酸组成的测定。 在测定氨基酸顺序之前，需要知道多肽链的氨基酸组成和比例。一般用酸水解，得到氨基酸混合物，再分离测定氨基酸。目前用氨基酸自动分析仪，2－4小时即可完成。 蛋白质的氨基酸组成，一般用每分子蛋白质中所含的氨基酸分子数表示。不同种类的蛋白质，其氨基酸组成相差很大。 4.肽链的部分水解和肽段的分离 当肽链的氨基酸组成及N末端和C末端已知后，随后的步骤是肽链的部分水解。这是测序工作的关键步骤。这一步通常用专一性很强的蛋白酶来完成。 最常用的是胰蛋白酶（trypsin），它专门水解赖氨酸和精氨酸的羧基形成的肽键，所以生成的肽段之一的C末端是赖氨酸或精氨酸。用丫丙啶处理，可增加酶切位点（半胱氨酸）；用马来酸酐（顺丁烯二酸酐）保护赖氨酸的侧链氨基，或用1,2-环己二酮修饰精氨酸的胍基，可减少酶切位点。 经常使用的还有糜蛋白酶，水解苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等疏水残基的羧基形成的肽键。其他疏水残基反应较慢。 用溴化氰处理，可断裂甲硫氨酸的羧基形成的肽键。水解后甲硫氨酸残基转变为C末端高丝氨酸残基。以上三种方法经常使用。 胃蛋白酶和嗜热菌蛋白酶。前者水解疏水残基之间的肽键，后者水解疏水残基的氨基形成的肽键。 金葡菌蛋白酶，又称谷氨酸蛋白酶或V8蛋白酶，水解谷氨酸和天冬氨酸的羧基形成的肽键，但受缓冲液影响。在醋酸缓冲液中只水解谷氨酸，在磷酸缓冲液中还可水解天冬氨酸。 梭状芽孢杆菌蛋白酶，水解精氨酸羧基形成的肽键，又称精氨酸蛋白酶。耐变性剂，可经受6M尿素2小时。可用于水解不易溶解的蛋白。 凝血酶，水解Arg-Gly肽键。 羟胺可水解Asn-Gly，但Asn-Leu和 Asn-Ala也能部分裂解。 以上方法中，酶不能水解脯氨酸参与形成的肽键。 多肽部分水解后，降解成长短不一的小肽段，可用层析或电泳加以分离提纯。经常用双向层析或电泳分离，再用茚三酮显色，所得的图谱称为肽指纹谱。 5.多肽链中氨基酸顺序的测定 从多肽链中部分水解得到的肽段可用化学法或酶法测序，然后比较用不同方法获得的两套肽段的氨基酸顺序，根据它们彼此重叠的部分，确定每个肽段的适当位置，拼凑出整个多肽链的氨基酸顺序。 6.二硫键位置的确定 一般用蛋白酶水解带有二硫键的蛋白质，从部分水解产物中分离出含二硫键的肽段，再拆开二硫键，将两个肽段分别测序，再与整个多肽链比较，即可确定二硫键的位置。常用胃蛋白酶，因其专一性低，生成的肽段小，容易分离和鉴定，而且可在酸性条件下作用（pH2），此时二硫键稳定。肽段的分离可用对角线电泳，将混合物点到滤纸的中央，在pH6.5进行第一次电泳，然后用过甲酸蒸汽断裂二硫键，使含二硫键的肽段变成一对含半胱氨磺酸的肽段。将滤纸旋转90度后在相同条件下进行第二次电泳，多数肽段迁移率不变，处于对角线上，而含半胱氨磺酸的肽段因负电荷增加而偏离对角线。用茚三酮显色，分离，测序，与多肽链比较，即可确定二硫键位置。 四、多肽合成 多肽的人工合成有两种类型，一种是由不同氨基酸按照一定顺序排列的控制合成，另一种是由一种或两种氨基酸聚合或共聚合。控制合成的一个困难是进行接肽反应所需的试剂，能同时和其他官能团反应。因此在接肽以前必须首先将这些基团加以封闭或保护，肽键形成后再除去保护基。这样每连接一个氨基酸残基都要经过几个步骤，要得到较长的肽链就必须每步都有较高的产率。如果每一步反应产率都是90%，那么30次反应后总产率只有4.24%。 保护基必须在接肽时起保护作用，在接肽后容易除去，又不引起肽键断裂。最常用的氨基保护基Y是苄氧甲酰基，可用催化加氢或用金属钠在液氨中处理除去。其他还有三苯甲基、叔丁氧甲酰基等，可用稀盐酸或乙酸在室温下除去。 羧基保护基Z通常用烷基，如乙基，可在室温下皂化除去。如用苄基，可用催化加氢除去。 肽键不能自发形成，常用缩合剂促进肽键形成。接肽用的缩合剂最有效的是N,N'-二环己基碳二亚胺(DC CI)。DCCI从两个氨基酸分子中夺取一分子水，自身变为不溶的N,N'-二环己基脲，从反应液中沉淀出来，可过滤除去。接肽反应除用缩合剂以外，还可用分别活化参加形成肽键的羧基和氨基的方法。羧基活化可用叠氮化物法和活化酯法（对硝基苯酯）等；氨基活化一般不需特殊手段，通常在接肽时加入有机碱，如三乙胺，保证氨基在自由状态即可。 近年来固相多肽合成迅速发展。在固相合成中，肽链的逐步延长是在不溶的聚苯乙烯树脂小圆珠上进行的。合成多肽的羧基端先和氯甲基聚苯乙烯树脂反应，形成苄酯。第二个氨基酸的氨基用叔丁氧甲酰基保护后，以DCCI为缩合剂，接在第一个氨基酸的氨基上。重复这个方法，可使肽链按一定顺序延长。最后把树脂悬浮在无水三氟乙酸中，通入干燥HBr，使多肽与树脂分离，同时除去保护基。整个合成过程现在已经可以在自动化固相多肽合成仪上进行。平均合成每个肽键只需三小时。此法可用于医药工业。人工合成的催产素没有混杂的加压素，比提取的天然药品好。已经成功合成含124个残基的蛋白。
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第四节 蛋白质的高级结构 蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的，包括二级、三级和四级结构。Primary structure, secondary, tertiary, quaternary structure 一、有关概念 1. 构型configration与构象conformation 构型指立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，构型的改变必须通过共价键的断裂。构象是指这些取代基团当单键旋转时可能形成的不同的立体结构，构象的改变不涉及共价键的改变。 2. 二面角 因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一个平面，称肽平面。肽平面内的C=O与N－H呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象就是由肽平面之间的角度决定的。主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。绕Cα－N1旋转的角称Φ，而绕Cα－C2旋转的角称Ψ。这两个角称为二面角。规定当旋转键两侧的肽链成顺式时为0度。取值范围是正负180度，当二面角都是180度时肽链完全伸展。由于空间位阻，实际的取值范围是很有限的。 二、二级结构 （一）二级结构是肽链的空间走向 蛋白质的二级结构是指肽链主链的空间走向（折叠和盘绕方式），是有规则重复的构象。肽链主链具有重复结构，其中氨基是氢键供体，羰基是氢键受体。通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构单元。复杂的蛋白质分子结构，就由这些比较简单的二级结构单元进一步组合而成。 （二）肽链卷曲折叠形成四种二级结构单元 1.α螺旋(α-helix) α螺旋模型是Pauling和Corey等研究α-角蛋白时于1951年提出的。角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。它包括皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。α角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎可以伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来长度。β角蛋白则无此变化。 α角蛋白的X射线衍射图案极其相似，沿长轴方向都有一个大周期结构或重复单位，其长度为5－5.5埃。Pauling等考虑到肽平面对多肽链构象的限制作用，设计了多肽链折叠的各种可能模型，发现其中一种α螺旋模型能很好地说明α角蛋白的X射线衍射图案中的5－5.5埃重复单位。在这个模型中，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，相当于向上平移5.4埃。螺旋的直径是11埃。螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，向上平移1.5埃，比完全伸展的构象压缩2.4倍。这与衍射图案中的小周期完全一致。其二面角Φ=-57度，Ψ=-48度。在α螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。氢键是由肽键中氮原子上的氢与其N端第四个羰基上的氧之间形成的。α螺旋的结构允许所有的肽键都参与链内氢键的形成，因此相当稳定。α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共13个原子，称为3.613（n=3）螺旋。 由L型氨基酸构成的多肽链可以卷曲成右手螺旋，也可卷曲成左手螺旋，但右手螺旋比较稳定。因为在左手螺旋中β碳与羰基过于接近，不稳定。在天然蛋白质中，几乎所有α螺旋都是右手螺旋。只在嗜热菌蛋白酶中发现一圈左手螺旋。在α角蛋白中，3或7个α螺旋可以互相拧在一起，形成三股或七股的螺旋索，彼此以二硫键交联在一起。α螺旋不仅是α角蛋白的主要构象，在其他纤维蛋白和球状蛋白中也广泛存在，是一种常见的二级结构。 α螺旋是一种不对称的分子结构，具有旋光能力。α螺旋的比旋不等于其中氨基酸比旋的简单加和，因为它的旋光性是各个氨基酸的不对称因素和构象本身不对称因素的总反映。天然α螺旋的不对称因素引起偏振面向右旋转。利用α螺旋的旋光性，可以测定它的相对含量。 一条肽链能否形成α螺旋，以及螺旋的稳定性怎样，与其一级结构有极大关系。脯氨酸由于其亚氨基少一个氢原子，无法形成氢键，而且Cα－N键不能旋转，所以是α螺旋的破坏者，肽链中出现脯氨酸就中断α螺旋，形成一个"结节"。此外，侧链带电荷及侧链基团过大的氨基酸不易形成α螺旋，甘氨酸由于侧链太小，构象不稳定，也是α螺旋的破坏者。 根据各种残基的特性，可以预测蛋白质的二级结构。目前常见的预测方法有Chou-Fasman法、GOR法、Lim法等，都是根据统计信息进行预测的。如果二级结构的预测成功率大于80％，就可以用来预测高级结构，但目前只能达到70％左右。Chou-Fasman法比较直观，与二级结构形成的实际过程接近，但成功率不高。 Chou-Fasman法根据各个氨基酸在一些已知结构的蛋白质中的表现，按构象参数Pα(表示形成α螺旋的能力) 由大到小将他们分为六组，依次为： 最强的形成者(Hα)：Glu、Met、Ala、Leu 中等的形成者(hα)：Lys、Phe、Gln、Trp、Ile、Val 很弱的形成者(Iα)：Asp、His 中立者(iα)：Cys、Ser、Thr、Arg 较弱的破坏者(bα)：Asn、Tyr 最强的破坏者(Bα)：Gly、Pro 如肽链中6个连续的残基中有4个hα即可形成核心，然后向两侧延伸，遇到四肽破坏者时中止。形成α螺旋时有协同性，即一旦形成核心，其它残基就容易加入。 2.β-折叠（β-pleated sheet） β-折叠也叫β-片层，在β-角蛋白如蚕丝丝心蛋白中含量丰富。其X射线衍射图案与α-角蛋白拉伸后的图案很相似。在此结构中，肽链较为伸展，若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列，相邻主链骨架之间靠氢键维系。氢键与链的长轴接近垂直。为形成最多的氢键，避免相邻侧链间的空间障碍，锯齿状的主链骨架必须作一定的折叠(φ=－139°,ψ=＋135°)，以形成一个折叠的片层。侧链交替位于片层的上方和下方，与片层垂直。 β折叠有两种类型，一种是平行式，即所有肽链的氨基端在同一端；另一种是反平行式，即所有肽链的氨基端按正反方向交替排列。从能量上看，反平行式更为稳定。丝心蛋白和多聚甘氨酸是反平行，拉伸α角蛋白形成的β角蛋白是平行式。反平行式的重复距离是7.0埃（两个残基），平行式是6.5埃。 在丝心蛋白中，每隔一个氨基酸就是甘氨酸，所有在片层的一面都是氢原子；在另一面，侧链主要是甲基，因为除甘氨酸外，丙氨酸是主要成分。如果肽链中侧链过大，并带有同种电荷，则不能形成β折叠。拉伸后的α角蛋白之所以不稳定，容易复原，就是因为侧链体积大，电荷高。 3.β转角 β转角使肽链形成约180°的回转，第一个氨基酸的羰基与第四个氨基酸的氨基形成氢键。这种结构在球状蛋白中广泛存在，可占全部残基的1/4。多位于球状蛋白的表面，空间位阻较小处。又分为Ⅰ型、Ⅱ型与III型。 4.无规卷曲 指没有一定规律的松散肽链结构。此结构看来杂乱无章，但对一种特定蛋白又是确定的，而不是随意的。在球状蛋白中含有大量无规卷曲，倾向于产生球状构象。这种结构有高度的特异性，与生物活性密切相关，对外界的理化因子极为敏感。酶的活性中心往往位于无规卷曲中。 除以上常见二级结构单元外，还有其他新发现的结构，如Ω环，由10个残基组成，象希腊字母Ω。 5.超二级结构 相邻的二级结构单元可组合在一起，相互作用，形成有规则，在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。常见的有三种： αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕形成的左手超螺旋，重复距离约为140埃。由于超螺旋，与独立的α螺旋略有偏差。 βαβ：β折叠之间由α螺旋或无规卷曲连接。 βββ：由一级结构上连续的反平行β折叠通过紧凑的β转角连接而成。包括β曲折和回形拓扑。 三、蛋白质的三级结构 三级结构是指多肽链中所有原子和基团的构象。它是在二级结构的基础上进一步盘曲折叠形成的，包括所有主链和侧链的结构。哺乳动物肌肉中的肌红蛋白整个分子由一条肽链盘绕成一个中空的球状结构，全链共有8段α螺旋，各段之间以无规卷曲相连。在α螺旋肽段间的空穴中有一个血红素基团。所有具有高度生物学活性的蛋白质几乎都是球状蛋白。三级结构是蛋白质发挥生物活性所必须的。 在三级结构中，多肽链的盘曲折叠是由分子中各氨基酸残基的侧链相互作用来维持的。二硫键是维持三级结构唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起，而疏水性较强的氨基酸则借疏水力和范德华力聚集成紧密的疏水核，有极性的残基以氢键和盐键相结合。在水溶性蛋白中，极性基团分布在外侧，与水形成氢键，使蛋白溶于水。这些非共价键虽然较微弱，但数目庞大，因此仍然是维持三级结构的主要力量。 较大蛋白的三级结构往往由几个相对独立的三维实体构成，这些三维实体称为结构域。结构域是在三级结构与超二级结构之间的一个组织层次。一条长的多肽链，可先折叠成几个相对独立的结构域，再缔合成三级结构。这在动力学上比直接折叠更为合理。 结构域在功能上也有其意义。结构域常有相对独立的生理功能，如一些要分泌到细胞外的蛋白，其信号肽（负责使蛋白通过细胞膜）就构成一个结构域。此外，还有与残基修饰有关的结构域、与酶原激活有关的结构域等。各结构域之间常常只有一段肽链相连，称为铰链区。铰链区柔性较强，使结构域之间容易发生相对运动，所以酶的活性中心常位于结构域之间。小蛋白多由一个结构域构成，由多个结构域构成的蛋白一般分子量大，结构复杂。 四、蛋白质的四级结构 由两条或两条以上肽链通过非共价键构成的蛋白质称为寡聚蛋白。其中每一条多肽链称为亚基，每个亚基都有自己的一、二、三级结构。亚基单独存在时无生物活性，只有相互聚合成特定构象时才具有完整的生物活性。四级结构就是各个亚基在寡聚蛋白的天然构象中空间上的排列方式。胰岛素可形成二、六聚体，但不是其功能单位，所以不是寡聚蛋白。判断标准是将发挥生物功能的最小单位作为一个分子。 最简单的寡聚蛋白是血红蛋白。它是由两条α链和两条β链构成的四聚体，分子量65000。分子外形近似球状，每个亚基都和肌红蛋白类似。血红蛋白与氧结合时，α和β链都发生了转动，引起四个亚基间的接触点上的变化。两个α亚基相互接近，两个β亚基则离开。 当酸、热或高浓度的尿素、胍等变性因子作用于寡聚蛋白时，后者会发生构象变化。这种变化可分为两步：首先是亚基彼此解离，然后分开的亚基伸展而成无规线团。如小心处理，可将寡聚蛋白的亚基拆开，而不破坏其三级结构。如血红蛋白可用盐解离成两个半分子，即两个α、β亚基。当透析除去过量的盐后，分开的亚基又可重新结合而恢复活性。如果处理条件强烈，则亚基的多肽链完全展开。这样要恢复天然构象虽很困难，但有些寡聚蛋白仍可恢复。如醛缩酶经酸处理后，其4个亚基完全伸展成无规卷曲，当pH恢复到7左右时，又可恢复如初。这说明一级结构规定了亚基间的结合方式，四级结构的形成也遵从"自我装配"的原则。 五、结构举例 （一）纤维状蛋白 角蛋白 角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。它包括皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。α角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎可以伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来长度。β角蛋白则无此变化。 头发主要是由α角蛋白构成的。三股右手螺旋形成左手超螺旋，称为原纤维，直径2纳米。原纤维再排列成"9＋2"的电缆式结构，称为微纤维，直径8纳米。成百根微纤维结合成不规则的纤维束，称大纤维，直径200纳米。头发周围是鳞状细胞，中间是皮层细胞。皮层细胞的直径是20微米，是由许多大纤维沿轴向平行排列而成的。 胶原 胶原是动物体内含量最丰富的结构蛋白，构成皮肤、骨胳、软骨、肌腱、牙齿的主要纤维成分。胶原共有4种，结构相似，都由原胶原构成。其一级结构中甘氨酸占1/3，脯氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸含量也较高。赖氨酸可用来结合糖基。原胶原是一个三股的螺旋杆，是由三股特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。这种螺旋的形成是由于大量的脯氨酸和甘氨酸造成的。羟脯氨酸和羟赖氨酸的羟基也参与形成氢键，起着稳定这种结构的作用。羟脯氨酸和羟赖氨酸都是蛋白合成后经羟化酶催化而羟化的。在胶原中每隔2个残基有一个甘氨酸，只有处于甘氨酸氨基端的脯氨酸才能被羟化。羟化是在脯氨酰羟化酶的催化下进行的，这个酶需要维生素C使其活性中心的铁原子保持亚铁状态。缺少维生素C会使羟化不完全，胶原熔点低，不能正常形成纤维，造成皮肤损伤和血管脆裂，引起出血、溃烂，即坏血病。所以维生素C又叫抗坏血酸。 成纤维细胞合成原胶原的前体，并分泌到结缔组织的细胞外空间，形成超螺旋结构，再经酶切，即成原胶原。原胶原之间平行排列，互相错开1/4，构成胶原的基本结构。一个原胶原的头和另一个原胶原的尾之间有40纳米的空隙，其中填充磷酸钙，即骨的无机成分。 胶原的特殊的结构和组成使它不受一般蛋白酶的水解，但可被胶原酶水解。在变态的蝌蚪的尾鳍中就含有这种酶。 3.弹性蛋白 能伸长到原来长度的几倍，并可很快恢复原来长度。在韧带、血管壁等处含量较大。 含1/3的甘氨酸，脯氨酸和赖氨酸也较多。羟脯氨酸和羟赖氨酸含量很少。弹性蛋白形成的螺旋由两种区段组成，一种是富含甘氨酸、脯氨酸和缬氨酸的左手螺旋，一种是富含丙氨酸和赖氨酸的右手α螺旋。赖氨酸之间形成锁链素或赖氨酰正亮氨酸，使链间发生交联，具有很大的弹性。因为锁链素可连接二、三或四条肽链，形成网状结构，所以弹性蛋白可向各个方向作可逆伸展。 4.肌球蛋白和肌动蛋白 两种可溶性纤维蛋白，构成肌肉的主要成分。前者构成粗丝，后者构成细丝。细丝沿粗丝的滑动导致肌肉的伸缩，引起肌体动作。这一过程需要其它物质的参与和ATP供能。 （二）球状蛋白 1.肌红蛋白 肌肉中用来储存氧。海洋哺乳动物的肌肉中含大量肌红蛋白，因而可长时间潜水。抹香鲸每千克肌肉中含80克肌红蛋白，比人高10倍，所以其肌肉呈棕色。 分子量16700，单结构域。由8段α螺旋构成一个球状结构，亲水基团多在外层。血红素辅基位于一个疏水洞穴中，这样可避免其亚铁离子被氧化。亚铁离子与卟啉形成4个配位键，第五个配位键与93位组氨酸结合，空余的一个配位键可与氧可逆结合。其氧合曲线为双曲线。 2. ? ?血红蛋白 由4个亚基构成一个四面体构型，每个亚基的三级结构都与肌红蛋白相似，但一级结构相差较大。成人主要是HbA，由两个α亚基和两个β亚基构成，两个β亚基之间有一个DPG（二磷酸甘油酸），它与β亚基形成6个盐键，对血红蛋白的四级结构起着稳定的作用。因为其结构稳定，所以不易与氧结合。当一个亚基与氧结合后，会引起四级结构的变化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加快。反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基也易于解离。所以血红蛋白是变构蛋白，其氧合曲线是S形曲线，只要氧分压有一个较小的变化即可引起氧饱和度的较大改变。这有利于运输氧，肺中的氧分压只需比组织中稍微高一些，血红蛋白就可以完成运氧工作。 第五节 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质多种多样的生物功能是以其化学组成和极其复杂的结构为基础的。这不仅需要一定的结构还需要一定的空间构象。蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境，因此研究一级结构与功能的关系是十分重要的。 一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）种属差异 对不同机体中表现同一功能的蛋白质的一级结构进行详细比较，发现种属差异十分明显。例如比较各种哺乳动物、鸟类和鱼类等胰岛素的一级结构，发现它们都是由51个氨基酸组成的，其排列顺序大体相同但有细微差别。不同种属的胰岛素其差异在A链小环的8、9、10和B链30位氨基酸残基。说明这四个氨基酸残基对生物活性并不起决定作用。起决定作用的是其一级结构中不变的部分。有24个氨基酸始终不变，为不同种属所共有。如两条链中的6个半胱氨酸残基的位置始终不变，说明不同种属的胰岛素分子中AB链之间有共同的连接方式，三对二硫键对维持高级结构起着重要作用。其他一些不变的残基绝大多数是非极性氨基酸，对高级结构起着稳定作用。 对不同种属的细胞色素C的研究同样指出具有同种功能的蛋白质在结构上的相似性。细胞色素C广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种含血红素辅基的单链蛋白，由124个残基构成，在生物氧化反应中起重要作用。对100个种属的细胞色素C的一级结构进行了分析，发现亲缘关系越近，其结构越相似。人与黑猩猩、猴、狗、金枪鱼、飞蛾和酵母的细胞色素C比较，其不同的氨基酸残基数依次为0、1、10、21、31、44。细胞色素C的氨基酸顺序分析资料已经用来核对各个物种之间的分类学关系，以及绘制进化树。根据进化树不仅可以研究从单细胞到多细胞的生物进化过程，还可以粗略估计各种生物的分化时间。 （二）分子病 蛋白质分子一级结构的改变有可能引起其生物功能的显著变化，甚至引起疾病。这种现象称为分子病。突出的例子是镰刀型贫血病。这种病是由于病人血红蛋白β链第六位谷氨酸突变为缬氨酸，这个氨基酸位于分子表面，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，使红细胞容易破裂，发生溶血。血红蛋白分子中共有574个残基，其中2个残基的变化导致严重后果，证明蛋白质结构与功能有密切关系。 用氰酸钾处理突变的血红蛋白(HbS)，使其N端缬氨酸的α氨基酰胺化，可缓解病情。因为这样可去掉一个正电荷，与和二氧化碳结合的血红蛋白相似，不会凝聚。现在正寻找低毒试剂用以治疗。 （三）共价修饰 对蛋白质一级结构进行共价修饰，也可改变其功能。如在激素调节过程中，常发生可逆磷酸化，以改变酶的活性。 （四）一级结构的断裂 一级结构的断裂可引起蛋白质活性的巨大变化。如酶原的激活和凝血过程等。 凝血是一个十分复杂的过程。首先是凝血因子XII被血管内皮损伤处带较多负电荷的胶原激活，然后通过一系列连续反应，激活凝血酶原，产生有活性的凝血酶。凝血酶从纤维蛋白中切除4个酸性肽段，减少分子中的负电荷，使其变成不溶性的纤维蛋白，纤维蛋白再彼此聚合成网状结构，最后形成血凝块，堵塞血管的破裂部位。 根据激活凝血因子X的途径，可分为内源途径和外援途径。前者只有血浆因子参与，后者还有血浆外的组织因子参与，一般是机体组织受损时释放的。内源途径中凝血因子XII被血管内皮损伤处带较多负电荷的胶原纤维激活，也可被玻璃、陶土、棉纱等异物激活。凝血因子XIIa激活凝血因子XI，此时接触活化阶段完成，反应转移到血小板表面进行，称为磷脂胶粒反应阶段，产生凝血因子Xa，最终激活凝血酶。最后一个阶段是凝胶生成阶段，产生凝块。 二、蛋白质的变构现象－高级结构变化对功能的影响 有些小分子物质（配基）可专一地与蛋白质可逆结合，使蛋白质的结构和功能发生变化，这种现象称为变构现象。变构现象与蛋白质的生理功能有密切联系。如血红蛋白在运输氧气时，就有变构现象发生。 血红蛋白是四聚体，每个亚基含一个血红素辅基。血红素中的二价铁原子能与氧可逆结合，并保持铁的价数不变。影响血红蛋白氧的饱和百分数的主要因素是氧分压和血液pH值。饱和度与氧分压的关系呈S形曲线，而单亚基的肌红蛋白则为简单的双曲线。S形曲线说明，第一个亚基与氧结合后增加其余亚基对氧的亲和力，而第二、第三个亚基与氧结合同样增加剩下亚基对氧的亲和力。第四个亚基对氧的亲和力是第一个亚基的300多倍。反之，当氧分压降低时，一个氧分子从完全氧和的血红蛋白中解离出来以后，将加快以后的氧分子的释放。 血红蛋白在一定的氧分压下，氧的饱和百分数随pH升高而增加。其原因是当血红蛋白与氧结合时，由于亚基的相互关系改变而发生解离，每结合一分子氧，释放一个质子。pH对氧-血红蛋白的平衡影响称为波尔(Bohr)效应。由于波尔效应，血红蛋白除运输氧以外，还有缓冲血液pH值的作用。 HbO2+H++CO2=HbH+CO2+O2 氧合曲线也受到温度的影响。温度升高会使P50（一半血红蛋白被氧饱和时的氧分压）升高，即亲和力减弱。所以鱼类在温度升高时会缺氧，是由于水中氧分压的降低和血红蛋白对氧亲和力的减弱双重作用的结果。 氧的S型曲线结合和波尔效应使血红蛋白的输氧能力达到最高。血红蛋白可在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，使机体内氧水平不会发生很大起伏。血红蛋白的变构现象使它具有上述优越性。 第六节 蛋白质的性质 一、蛋白质的分子量测定 （一）根据化学组成测定最低分子量 用化学分析方法测出蛋白质中某一微量元素的含量，并假设分子中只有一个这种元素的原子，就可以计算出蛋白质的最低分子量。例如，肌红蛋白含铁0.335%，其最低分子量可依下式计算： 最低分子量＝铁的原子量÷铁的百分含量×100 计算结果为16700，与其他方法测定结果极为接近，可见肌红蛋白中只含一个铁原子。真实分子量是最低原子量的n倍，n是蛋白质中铁原子的数目，肌红蛋白n＝1。血红蛋白铁含量也是0.335%，最低分子量也是16700，因为含4个铁原子，所以n＝4，因此其真实分子量为66800。有时蛋白质分子中某种氨基酸含量很少，也可用这种方法计算最低分子量。如牛血清白蛋白含色氨酸0.58%，最低分子量为35200，用其他方法测得分子量为69000，所以其分子中含两个色氨酸。最低分子量只有与其他方法配合才能确定真实分子量。 （二）渗透压法 在理想溶液中，渗透压是浓度的线性函数，而与溶质的形状无关。所以可用渗透压计算蛋白质的分子量。但是实际的高分子溶液与理想溶液有较大偏差，当蛋白质浓度不大时，可用以下公式计算： M=RT/lim(Π/C) 其中R是气体常数(0.082)，T是绝对温度，Π是渗透压（以大气压计），浓度单位是g/L。测定时需测定几个不同浓度的渗透压，以Π/C对C作图并外推求出C为零时的Π/C值，带入公式求出分子量。此方法简单准确，与蛋白质的形状和水化程度无关，但要求样品均一，否则测定结果是样品中各种蛋白的平均分子量。 （三）沉降分析法 蛋白质在溶液中受到强大离心力作用时，如其密度大于溶液密度，就会沉降。用超速离心机（每分钟6－8万转）测定蛋白质的分子量有两种方法：沉降速度法和沉降平衡法。 1.沉降速度法 离心时，蛋白质移动，产生界面，界面的移动可用适当的光学系统观察和拍照。当离心力与溶剂的摩擦阻力平衡时，单位离心场强度的沉降速度为定值，称为沉降系数。蛋白质的沉降系数（常用S20,w表示）介于1×10-13到200×10-13秒，1×10-13秒称为一个漂浮单位或斯维德贝格单位。蛋白质的沉降系数与分子形状有关，所以测定分子量时还要测定有关分子形状的参数，如扩散系数。可用以下公式计算： M=RTs÷D(1－Vρ) 其中D是扩散系数，V是蛋白质的偏微分比容，ρ是溶剂的密度。偏微分比容的定义是：当加入1克干物质于无限大体积的溶剂中时，溶液的体积增量。蛋白质溶于水的偏微分比容约为0.74立方厘米每克。为获得准确结果，s和D的值应外推到无限稀释。其中的R是气体常数，在采用厘米.克.秒制时，等于8.314×107尔格/秒。 沉降分析还可鉴定蛋白均一性。纯蛋白只有一个界面，在沉降分析图形上只有一个峰。 2.沉降平衡法 在离心过程中，外围高浓度区的蛋白质向中心扩散，如转速较低，二者可达到稳定平衡。此时测定离心管中不同区域的蛋白浓度，可按下式计算分子量： M=2RTln(C2/C1)÷[ω2(1－Vρ)(x22－x12)] 其中C2和C1是离轴心距离为x2和x1时的蛋白质浓度。沉降平衡法的优点是不需要扩散系数，且离心速度较低（8000－20000转每分）。但要达到平衡常常需要几天时间。 （四）分子排阻层析法 层析柱中填充凝胶颗粒，凝胶的网格大小可通过交联剂含量控制。小分子物质可进入网格中，流出慢；大分子被排阻在颗粒外，流经距离短，流出快。此方法较简单，但与分子形状有关。测分子量时，标准蛋白的分子形状应与待测蛋白相同。 lgM＝K1－K2 Ve 其中Ve是洗脱体积，即从加样到出峰时流出的体积，K1和K2是常数，随实验条件而定。 （五）SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳 蛋白质电泳时的迁移率与其所带净电荷、分子大小和形状有关，加入SDS后，每克蛋白可结合1.4克SDS，将原有电荷掩盖，而且使分子变成棒状。由于凝胶的分子筛效应，相对迁移率μR与分子量有如下关系： lgM=K1－K2μR 其中K1和K2是与试验条件有关的常数。用已知分子量的标准蛋白作标准曲线，即可求出未知蛋白的分子量。有些蛋白不适宜采用这个方法，如带电荷较多的（组蛋白），带较大辅基的（糖蛋白），结构特殊的（胶原）等。 二、蛋白质的酸碱性 蛋白质是两性电解质，分子中的可解离基团主要是侧链基团，也包括末端氨基和羧基。蛋白质也有等电点，即所带净电荷为零的pH值。多数蛋白等电点为中性偏酸，约5左右。偏酸的如胃蛋白酶，等电点为1左右；偏碱的如鱼精蛋白，约为12。 蛋白质在等电点时净电荷为零，因此没有同种电荷的排斥，所以不稳定，溶解度最小，易聚集沉淀。同时其粘度、渗透性、膨胀性以及导电能力均为最小。 天然球状蛋白的可解离基团大部分可被滴定，因为球状蛋白的极性侧链基团大都分布在分子表面。有些蛋白的部分可解离基团不能被滴定，可能是由于埋藏在分子内部或参与氢键形成。通过滴定发现可解离基团的pK'值与相应氨基酸中很接近，但不完全相同，这是由于受到邻近带电基团的影响。 蛋白质的滴定曲线形状和等电点在有中性盐存在的情况下，可以发生明显的变化。这是由于分子中的某些解离基团可以与中性盐中的阳离子如钙、镁或阴离子如氯、磷酸根等相结合，因此观察到的等电点在一定程度上决定于介质中的离子组成。没有其他盐类存在下，蛋白质质子供体解离出的质子与质子受体结合的质子数相等时的pH称为等离子点。等离子点对每种蛋白质是一个常数。 各种蛋白的等电点不同，在同一pH时所带电荷不同，在一电场作用下移动的方向和速度也不同，所以可用电泳来分离提纯蛋白质。 三、蛋白质的胶体性质 蛋白质是大分子，在水溶液中的颗粒直径在1－100纳米之间，是一种分子胶体，具有胶体溶液的性质，如布朗运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜及吸附能力等。利用半透膜如玻璃纸、火胶棉、羊皮纸等可分离纯化蛋白质，称为透析。蛋白质有较大的表面积，对许多物质有吸附能力。多数球状蛋白表面分布有很多极性基团，亲水性强，易吸附水分子，形成水化层，使蛋白溶于水，又可隔离蛋白，使其不易沉淀。一般每克蛋白可吸附0.3到0.5克水。分子表面的可解离基团带相同电荷时，可与周围的反离子构成稳定的双电层，增加蛋白质的稳定性。蛋白质能形成稳定胶体的另一个原因是不在等电点时具有同种电荷，互相排斥。因此在等电点时易沉淀。 四、蛋白质的变性(denaturation) 1.定义： 天然蛋白因受物理或化学因素影响，高级结构遭到破坏，致使其理化性质和生物功能发生改变，但并不导致一级结构的改变，这种现象称为变性，变性后的蛋白称为变性蛋白。二硫键的改变引起的失活可看作变性。 能使蛋白变性的因素很多，如强酸、强碱、重金属盐、尿素、胍、去污剂、三氯乙酸、有机溶剂、高温、射线、超声波、剧烈振荡或搅拌等。但不同蛋白对各种因素的敏感性不同。 2.表现： 蛋白质变性后分子性质改变，粘度升高，溶解度降低，结晶能力丧失，旋光度和红外、紫外光谱均发生变化。 变性蛋白易被水解，即消化率上升。同时包埋在分子内部的可反应基团暴露出来，反应性增加。 蛋白质变性后失去生物活性，抗原性也发生改变。 这些变化的原因主要是高级结构的改变。氢键等次级键被破坏，肽链松散，变为无规卷曲。由于其一级结构不变，所以如果变性条件不是过于剧烈，在适当条件下还可以恢复功能。如胃蛋白酶加热至80－90℃时，失去活性，降温至37℃，又可恢复活力，称为复性（renaturation）。但随着变性时间的增加，条件加剧、变性程度也加深，就达到不可逆的变性。 3.影响因素 1)温度：多数酶在60℃以上开始变性，热变性通常是不可逆的，少数酶在pH6以下变性时不发生二硫键交换，仍可复性。多数酶在低温下稳定，但有些酶在低温下会钝化，其中有些酶的钝化是不可逆的。如固氮酶的铁蛋白在0－1℃下15小时就会失活一个可能的原因是寡聚蛋白发生解聚如TMV的丙酮酸羧化酶。 2)pH：酶一般在pH 4－10范围较稳定。当pH超过pK几个单位时，一些蛋白内部基团可能会翻转到表面，造成变性。如血红蛋白中的组氨酸在低pH下会出现在表面。 3)有机溶剂：能破坏氢键，削弱疏水键，还能降低介电常数，使分子内斥力增加，造成肽链伸展、变性。 4)胍、尿素等：破坏氢键和疏水键。硫氰酸胍比盐酸胍效果好。 5)某些盐类：盐溶效应强的盐类，如氯化钙、硫氰酸钾等，有变性作用，可能是与蛋白内部基团或溶剂相互作用的结果。 6)表面活性剂：如SDS-、CTAB+、triton等，triton因为不带电荷，所以比较温和，经常用来破碎病毒。 4.变性蛋白的构象 胍和尿素造成的变性一般生成无规卷曲，如果二硫键被破坏，就成为线性结构。胍的变性作用最彻底。热变性和酸、碱造成的变性经常保留部分紧密构象，可被胍破坏。高浓度有机溶剂变性时可能发生螺旋度上升，称为重构造变性。 5.复性 根据蛋白质结构与变性程度和复性条件不同，复性会有不同结果。有时可以完全复性，恢复所有活力；有时大部分复性，但保留异常区；有些蛋白结构复杂，有多种折叠途径，若无适当方法，会生成混合物。 6.变性的防止和利用 研究蛋白质的变性，可采取某些措施防止变性，如添加明胶、树胶、酶的底物和抑制剂、辅基、金属离子、盐类、缓冲液、糖类等，可抑制变性作用。但有些酶在有底物时会降低热稳定性。有时有机溶剂也可起稳定作用，如猪心苹果酸脱氢酶，在25℃下保温30分钟，酶活为50％；加入70％甘油后，经同样处理，活力为109％。 变性现象也可加以利用，如用酒精消毒，就是利用乙醇的变性作用来杀菌。在提纯蛋白时，可用变性剂除去一些易变性的杂蛋白。工业上将大豆蛋白变性，使它成为纤维状，就是人造肉。 五、蛋白质的颜色反应 蛋白质中的一些基团能与某些试剂反应，生成有色物质，可作为测定根据。常用反应如下： 1.双缩脲反应 双缩脲是有两分子尿素缩合而成的化合物。将尿素加热到180℃，则两分子尿素缩合，放出一分子氨。双缩脲在碱性溶液中能与硫酸铜反应生成红紫色络合物，称为双缩脲反应。蛋白质中的肽键与之类似，也能起双缩脲反应，形成红紫色络合物。此反应可用于定性鉴定，也可在540nm比色，定量测定蛋白含量。 2.黄色反应 含有芳香族氨基酸特别是酪氨酸和色氨酸的蛋白质在溶液中遇到硝酸后，先产生白色沉淀，加热则变黄，再加碱颜色加深为橙黄色。这是因为苯环被硝化，产生硝基苯衍生物。皮肤、毛发、指甲遇浓硝酸都会变黄。 3.米伦反应 米伦试剂是硝酸汞、亚硝酸汞硝酸和亚硝酸的混合物，蛋白质加入米伦试剂后即产生白色沉淀，加热后变成红色。酚类化合物有此反应，酪氨酸及含酪氨酸的化合物都有此反应。 4.乙醛酸反应 在蛋白溶液中加入乙醛酸，并沿试管壁慢慢注入浓硫酸，在两液层之间就会出现紫色环，凡含有吲哚基的化合物都有此反应。不含色氨酸的白明胶就无此反应。 5.坂口反应 精氨酸的胍基能与次氯酸钠（或次溴酸钠）及α萘酚在氢氧化钠溶液中产生红色物质。此反应可用来鉴定含精氨酸的蛋白质，也可定量测定精氨酸含量。 6.费林反应（Folin-酚） 酪氨酸的酚基能还原费林试剂中的磷钼酸及磷钨酸，生成蓝色化合物。可用来定量测定蛋白含量。它是双缩脲反应的发展，灵敏度高。 六、蛋白质的分离提纯 （一）选材及预处理 1.选材 主要原则是原料易得，蛋白含量高。蛋白质的主要来源包括动物、植物和微生物。由于种属差异及培养条件和时间的差别，其蛋白含量可相差很大。植物细胞含纤维素，坚韧，不易破碎，且多含酚类物质，易氧化产生有色物质，难以除去。其液泡中常含有酸性代谢物，会改变溶液的pH。微生物因为容易培养而常用，但也需要破碎细胞壁。动物细胞易处理，但不经济。 2.细胞破碎 如目的蛋白在细胞内，需要进行细胞破碎，使蛋白释放出来。动物细胞可用匀浆器、组织捣碎机、超声波、丙酮干粉等方法破碎。植物可用石英砂研磨或纤维素酶处理。微生物的细胞壁是一个大分子，破碎较难。有超声振荡、研磨、高压、溶菌酶、细胞自溶等方法。 3.抽提 一般用缓冲液保持pH。可溶蛋白常用稀盐提取，如0.1Mol/L NaCl。脂蛋白可用稀SDS或有机溶剂抽提，不溶蛋白用稀碱处理。抽提的原则是少量多次。要注意防止植物细胞液泡中的代谢物改变pH，可加入碱中和；为防止酚类氧化可加5mMol/L维生素C。加DFP或碘乙酸可抑制蛋白酶活力，防止蛋白被水解。 （二）粗提 主要目的是除去糖、脂类、核酸及大部分杂蛋白，并将蛋白浓缩。常用以下方法： 1.沉淀法 核酸沉淀剂：MnCl2、硫酸鱼精蛋白、链霉素、核酸酶等 蛋白沉淀剂：醋酸铅、单宁酸、SDS等，也可除多糖，沉淀后应迅速盐析除去沉淀剂，以免目的蛋白变性。 选择变性：用加热、调节pH或变性剂选择性地变性杂蛋白。如提取胰蛋白酶或细胞色素C时，因其稳定性高，可用2.5％三氯乙酸处理，使杂蛋白变性沉淀。 2.分级法 常用盐析或有机溶剂分级沉淀蛋白。 3.除盐和浓缩 盐析后样品中含大量盐类，应透析除去。也可用分子筛，如Saphadex G25层析除盐。如样品过稀，可用反透析、冻干、超滤等方法浓缩。 （三）精制 以上方法得到的制剂可供工业应用。如需高纯样品，应精制。常用方法有各种层析、电泳、等电聚焦、结晶等。蛋白结晶不等于无杂质，但变性蛋白不能结晶，所以可说明其具有生物活性。 提要 1.概念 简单蛋白、结合蛋白、基本氨基酸、等电点、甲醛滴定法、Edman降解、一级结构、肽键、构型与构象、二面角、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构、四级结构、亚基、别构蛋白、分子病、水化层、双电层、蛋白质的变性与复性、盐析与盐溶 2.氨基酸 分类、基本氨基酸的结构、分类、名称、符号、化学反应、鉴定、蛋白质的水解 3.蛋白质的结构 一级结构 结构特点、测定步骤、常用方法、酶 二级结构 四种 结构特点、数据、超二级结构 三级结构 主要靠疏水键维持 四级结构 变构现象 结构与功能的适应、结构变化对功能的影响、典型蛋白质 4.蛋白质的性质 分子量的测定方法、酸碱性、溶解性、变性、颜色反应
沈同生化三版课件（5章）- -
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第五章 酶 第一节 概述 一、定义 ?? ?酶是一种生物催化剂，是有催化功能的蛋白质。 二、人们对酶的认识过程 1833年佩延（Payen）和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质，这种物质能将淀粉水解成可溶性糖，被称为淀粉糖化酶（diastase），意思是"分离"。所以后人命名酶时常加词尾-ase。由于他们用乙醇沉淀等方法提纯得到了无细胞的酶制剂，并发现了酶的催化特性和热不稳定性，所以一般认为他们首先发现了酶。 19世纪西方对发酵现象的研究推动了对酶的进一步研究。巴斯德提出"酵素"一词，认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。现在日本还经常使用"酵素"一词（ferment）。1878年德国人库恩（Kuhne）提出"Enzyme"一词，意为"在酵母中"。1896年德国人巴克纳（Buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，得到了能催化发酵的无细胞滤液，证明发酵是一种化学反应，与细胞的活力无关。这项发现涉及到了酶的本质，有人认为这是酶学研究的开始。 1913年米凯利斯（Michaelis）和门顿（Menten）利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理—米氏学说，使酶学可以定量研究。1926年美国人J. B. Sumner从刀豆中结晶出脲酶（第一个酶结晶），并提出酶是蛋白质的观点。后来陆续得到多种酶的结晶，证明了这种观点，萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。此后多种酶被发现、结晶、测定结构，并产生了酶工程等分支学科。 进入80年代后，核糖酶（ribozyme）、抗体酶、模拟酶等相继出现，酶的传统概念受到挑战。1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19 IVS具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的RNA，底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。还有人在实验室中设计合成新的核糖酶。甚至有人发现博莱霉素等肽类抗生素也有催化能力。这些新发现不仅增加了对酶的本质的研究，也有助于对生命起源等问题的探讨，使酶学研究进入新的阶段。 三、酶的特性 酶是生物体产生的，有催化能力的蛋白质。细胞内的蛋白质，90％都有催化活性。酶是一种生物催化剂，与一般催化剂一样，只改变反应速度，不改变化学平衡，并在反应前后本身不变。但酶作为生物催化剂，与一般的无机催化剂相比有以下特点： 1.催化效率高 酶的催化效率比无机催化剂高106－1013倍。举例来说，1mol马肝过氧化氢酶在一定条件下可催化5×106摩尔过氧化氢分解，在同样条件下1mol铁只能催化6×10－4摩尔过氧化氢分解。因此，这个酶的催化效率是铁的1010倍。也就是说，用过氧化氢酶在1秒内催化的反应，同样数量的铁需要300年才能反应完。 2.专一性强 一般催化剂对底物没有严格的要求，能催化多种反应，而酶只催化某一类物质的一种反应，生成特定的产物。因此酶的种类也是多种多样的。酶催化的反应称为酶促反应，酶促反应的反应物称为底物。酶只催化某一类底物发生特定的反应，产生一定的产物，这种特性称为酶的专一性。 各种酶的专一性不同，包括结构专一性和立体专一性两大类，结构专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。绝对专一性指酶只催化一种底物，生成确定的产物。如氨基酸：tRNA连接酶，只催化一种氨基酸与其受体tRNA的连接反应。相对专一性指酶催化一类底物或化学键的反应。如醇脱氢酶可催化许多醇类的氧化反应。还有许多酶具有立体专一性，对底物的构型有严格的要求。如乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸，不能催化D-乳酸的反应。 3.反应条件温和 酶促反应不需要高温高压及强酸强碱等剧烈条件，在常温常压下即可完成。 4.酶的活性受多种因素调节 无机催化剂的催化能力一般是不变的，而酶的活性则受到很多因素的影响。比如底物和产物的浓度、pH值以及各种激素的浓度都对酶活有较大影响。酶活的变化使酶能适应生物体内复杂多变的环境条件和多种多样的生理需要。生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体的代谢进行调节。 5.稳定性差 酶是蛋白质，只能在常温、常压、近中性的条件下发挥作用。高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、剧烈搅拌、甚至泡沫的表面张力等都有可能使酶变性失活。不过自然界中的酶是多种多样的，有些酶可以在极端条件下起作用。有些细菌生活在极端条件下，如超噬热菌可以生活在90℃以上环境中，高限为110℃；噬冷菌最适温度为－2℃，高于10℃不能生长；噬酸菌生活在pH1以下，噬碱菌的最适pH大于11；噬压菌最高可耐受1035个大气压。这些噬极菌的胞内酶较为正常，但胞外酶却可以耐受极端条件的作用。有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完成的反应。 四、酶的命名与分类 1.命名 酶的命名法有两种：习惯命名与系统命名。习惯命名以酶的底物和反应类型命名，有时还加上酶的来源。习惯命名简单，常用，但缺乏系统性，不准确。1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型，两个底物间用冒号隔开，水可省略。如乙醇脱氢酶的系统命名是：醇：NAD+氧化还原酶。 2.分类 按照催化反应的类型，国际酶学委员会将酶分为六大类。在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组。亚类的划分标准：氧化还原酶是电子供体类型，移换酶是被转移基团的形状，水解酶是被水解的键的类型，裂合酶是被裂解的键的类型，异构酶是异构作用的类型，合成酶是生成的键的类型。 （1）氧化还原酶 催化氧化还原反应，如葡萄糖氧化酶，各种脱氢酶等。是已发现的量最大的一类酶，其氧化、产能、解毒功能，在生产中的应用仅次于水解酶。需要辅因子，可根据反应时辅因子的光电性质变化来测定。按系统命名可分为19亚类，习惯上可分为4个亚类： 2 ? ?脱氢酶：受体为NAD或NADP，不需氧。 2 ? ?氧化酶：以分子氧为受体，产物可为水或H2O2，常需黄素辅基。 2 ? ?过氧物酶：以H2O2为受体，常以黄素、血红素为辅基。 2 ? ?氧合酶（加氧酶）：催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。 （2）移换酶类 催化功能基团的转移反应，如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。移换酶也叫转移酶，多需要辅酶，但反应不易测定。按转移基团性质，可分为8个亚类，较重要的有： 2 ? ?一碳基转移酶：转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化有关。 2 ? ?磷酸基转移酶：常称为激酶，多以ATP为供体。少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶）。 2 ? ?糖苷转移酶：与多糖代谢密切相关，如糖原磷酸化酶。 （3）水解酶类 催化底物的水解反应，如蛋白酶、脂肪酶等。起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。有些蛋白酶也称为激酶。可分为水解酯键（如限制性内切酶）、糖苷键（如果胶酶、溶菌酶等）、肽键、碳氮键等11亚类。 （4）裂合酶类 催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。 （5）异构酶类 催化同分异构体之间的相互转化。包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类。 ? （6）合成酶类 催化由两种物质合成一种物质，必须与ATP分解相偶联。也叫连接酶，如DNA连接酶。共5个亚类。 3.酶的编号 国际酶学委员会根据酶的类别，给每种酶规定了统一的编号。酶的编号由EC和4个用圆点隔开的数字组成。EC表示酶学委员会，第一个数字表示酶的类别，第二个数字表示酶的亚类，第三个数字表示酶的小组，第四个数字表示酶在小组中的序列号。如EC1.1.1.1表示这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是NAD+,序列号是1，即乙醇脱氢酶。胰蛋白酶的编号是EC3.4.4.4，4个数字分别表示它的类型是水解酶；水解的键是肽键；是内切酶而不是外切酶；序列号是4。多功能酶可以有多个编号。 五、酶的活力 1.定义 指酶催化一定化学反应的能力。 2.单位 在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物所需的酶量为一个活力单位(U)。温度规定为25度，其他条件取反应的最适条件。 比活：每毫克酶蛋白所具有的酶活力。单位是u/mg。比活越高则酶越纯。 转化数：每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化的底物分子数(TN)。相当于酶反应的速度常数kp。也称为催化常数（Kcat）。1/kp称为催化周期。碳酸酐酶是已知转换数最高的酶之一，高达36×106每分，催化周期为1.7微秒。 3.测定 一般采用测定酶促反应初速度的方法来测定活力，因为此时干扰因素较少，速度保持恒定。反应速度的单位是浓度/单位时间，可用底物减少或产物增加的量来表示。因为产物浓度从无到有，变化较大，而底物往往过量，其变化不易测准，所以多用产物来测定。 第二节 酶的结构 一、酶分子的化学组成 酶的本质是蛋白质。酶与其他蛋白一样，由氨基酸构成，具有一、二、三、四级结构。酶也会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。酶分子量很大，具有胶体性质，不能透析。酶也能被蛋白酶水解。 1.辅因子 有些酶完全由蛋白质构成，属于简单蛋白，如脲酶、蛋白酶等；有些酶除蛋白质外，还含有非蛋白成分，属于结合蛋白。其中的非蛋白成分称为辅因子(cofactor)，蛋白部分成为酶蛋白，复合物叫全酶。辅因子一般起携带及转移电子或功能基团的作用，其中与酶蛋白以共价键紧密结合的称为辅基，以非共价键松散结合的称为辅酶。 在催化过程中，辅基不与酶蛋白分离，只作为酶内载体起作用，如黄素蛋白类酶分子中的FAD、FMN辅基携带氢，羧化酶的生物素辅基携带羧基等等。辅酶则常作为酶间载体，将两个酶促反应连接起来，如NAD+在一个反应中被还原成NADH，在另一个反应中又被氧化回NAD+。它在反应中象底物一样，有时也称为辅底物。 有30％以上的酶需要金属元素作为辅因子。有些酶的金属离子与酶蛋白结合紧密，不易分离，称为金属酶；有些酶的金属离子结合松散，称为金属活化酶。金属酶的辅因子一般是过渡金属，如铁、锌、铜、锰等；金属活化酶的辅因子一般是碱金属或碱土金属，如钾、钙、镁等。 2.单体酶、寡聚酶和多酶体系 由一条肽链构成的酶称为单体酶，由多条肽链以非共价键结合而成的酶称为寡聚酶，属于寡聚蛋白。有时在生物体内一些功能相关的酶被组织起来，构成多酶体系，依次催化有关的反应。构成多酶体系是代谢的需要，可以降低底物和产物的扩散限制，提高总反应的速度和效率。 有时一条肽链上有多种酶活性，称为多酶融合体。如糖原分解中的脱支酶在一条肽链上有淀粉-1，6-葡萄糖苷酶和4-α-D-葡聚糖转移酶活性；来自樟树种子的克木毒蛋白（camphorin）由一条肽链组成，有三种活性：① RNA N-糖苷酶活性，可水解大鼠28S rRNA中第4324位腺苷酸的糖苷键，释放一个腺嘌呤；② 依赖于超螺旋DNA构型的核酸内切酶活性，专一解旋并切割超螺旋环状DNA形成缺口环状和线状DNA；③ 超氧化物歧化酶活性。来自红色链孢霉的AROM多酶融合体是二聚体，每条肽链含五种酶活性，可催化莽草酸途径的第二至第六步反应，由于有中间产物的传递通道，使催化效率大为提高。 二、酶的活性中心 1.定义 酶是大分子，其分子量一般在一万以上，由数百个氨基酸组成。而酶的底物一般很小，所以，直接与底物接触并起催化作用的只是酶分子中的一小部分。有些酶的底物虽然较大，但与酶接触的也只是一个很小的区域。因此，人们认为，酶分子中有一个活性中心，它是酶分子的一小部分，是酶分子中与底物结合并催化反应的场所。活性中心是有酶分子中少数几个氨基酸残基构成的，它们在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同的肽链上，由于肽链的盘曲折叠而互相接近，构成一个特定的活性结构。因此活性中心不是一个点或面，而是一个小的空间区域。 2.分类 活性中心的氨基酸按功能可分为底物结合部位和催化部位。前者负责识别特定的底物并与之结合。它们决定了酶的底物专一性。催化部位是起催化作用的，底物的敏感键在此被切断或形成新键，并生成产物。二者的分别并不是绝对的，有些基团既有底物结合功能又有催化功能。 Koshland将酶分子中的残基分为四类：接触亚基负责底物的结合与催化，辅助亚基起协助作用，结构亚基维持酶的构象，非贡献亚基的替换对活性无影响，但对酶的免疫、运输、调控与寿命等有作用。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必须基团。 活性中心以外的部分并不是无用的，它们能够维持酶的空间结构，使活性中心保持完整。在酶与底物结合后，整个酶分子的构象发生变化，这种扭动的张力使底物化学键容易断裂。这种变化也要依靠非活性中心的协同作用。 一般单体酶只有一个活性中心，但有些具有多种功能的多功能酶具有多个活性中心。如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条109kd的肽链，既有聚合酶活性，又有外切酶活性。 3.形成过程 有些酶在细胞内刚刚合成或分泌时，尚不具有催化活性，这些无活性的酶的前体称为酶原。酶原通过激活才能转化为有活性的酶。酶原的激活是通过改变酶分子的共价结构来控制酶活性的一种机制，通过肽链的剪切，改变蛋白的构象，从而形成或暴露酶的活性中心，使酶原在必要时被活化成为有活性的酶，发挥其功能。 4.研究活性中心的方法 酶的底物和竞争性抑制剂的结构特点有助于研究酶的活性中心的结构。酶的最适pH及速度常数等动力学特点也可提供一些信息。 化学修饰在活性中心的研究中起过很重要的作用。因为活性中心的基团反应性常与其他基团不同，所以一些试剂可以专一性地与活性中心中的某种残基反应，而不与活性中心外的残基作用。如DFP（二异丙基氟磷酸）可与活性中心中的丝氨酸反应。TPCK（N-对甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮）的专一性更强，只能与糜蛋白酶活性中心的His-57结合，称为亲和标记。它是底物类似物，烷化剂。TLCK（赖氨酸衍生物）作用于胰酶的His-46。某些试剂的专一性不强，可用差示标记法：先用底物类似物保护活性中心，加入修饰剂，与活性中心以外的基团反应，然后除去抑制剂，再加入放射性标记的试剂，此时试剂只能与活性中心的基团反应，测定放射性的位置，即可找到活性中心。 紫外、荧光、园二色光谱等方法也可用与活性中心的研究。在酶与底物结合时，位于底物结合部位的生色团必然会发生某种变化，从而导致其光谱的变化。这些生色团可以是酶本身带有的，也可以人工引入。这种方法可以用来判断活性中心的构成，也可以研究催化的反应过程。最直接最准确的方法是X-射线衍射。 三、同工酶 同工酶是同一生物催化同一反应的不同的酶分子。同工酶的催化作用相同，但其功能意义有所不同。不同种生物有相同功能的酶不是同工酶。同工酶具有相同或相似的活性中心，但其理化性质和免疫学性质不同。同工酶的细胞定位、专一性、活性及其调节可有所不同。每种同工酶都有其独特的功能意义。如乳酸脱氢酶(LDH)是由4个亚基组成的四聚体。亚基有A(M)和B(H)两种，有5种同工酶：LDH1(H4)、LDH2(MH3)、LDH3(M2H2)、LDH4(M3H)、LDH5(M4)。M、H两个亚基由不同基因编码，在不同细胞中合成速度不同，所以在不同的组织器官中5种同工酶的比例不同，经电泳分离后会得到不同的同工酶谱。人体心肌中LDH1和LDH2较多，而骨骼肌中LDH5较多。M亚基对丙酮酸的Km较高，且不受底物抑制，因而肌肉可生成大量乳酸；H亚基的Km小，并受底物抑制，随底物增加很快饱和，所以心脏生成乳酸很少，此酶主要用于乳酸的氧化。临床上通过分析病人血清LDH同工酶谱，有助于诊断病变发生的部位。如心肌损害时血清中LDH1升高；肺损害时LDH3升高。 第三节 酶的催化机制 一、酶与底物的结合 酶与底物结合的作用力主要是氢键、盐键和范德华力。盐键是带电荷基团之间的静电吸引力，疏水基团之间的作用也称为疏水键。 酶与底物的结合是有专一性的，人们曾经用锁和钥匙来比喻酶和底物的关系。这种"锁钥学说"是不全面的。比如，酶既能与底物结合，也能与产物结合，催化其逆反应。于是又提出了"诱导契合学说",认为当酶与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生改变，变得有利于与底物的结合和催化。 二、酶加快反应速度的因素 酶加快反应速度主要靠降低反应的活化能，即底物分子达到活化态所需的能量。例如脲酶可使尿素水解反应的活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反应速度提高1014倍。酶的催化机理主要有以下几点： 1.邻近定向 对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有一定的取向。这比在溶液中随机碰撞更容易反应。对不同的反应，由分子间反应变成分子内反应后，反应速度可加快100倍到1011倍。 2.底物形变 酶与底物结合时，不仅酶的构象改变，底物的构象也会发生变化。这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。 3.酸碱催化和共价催化 酶活性中心的一些残基的侧链基团可以起酸碱催化或共价催化的作用。酸碱催化可分为一般酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指H+和OH-的催化作用；一般酸碱催化还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件，H+和OH-的浓度很低，所以酶促反应主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。 有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。 共价催化可分为亲电催化和亲核催化。丝氨酸蛋白酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以硫胺素为辅酶的丙酮酸脱羧酶都有亲核催化作用。羟基、巯基和咪唑基都有亲核催化作用。金属离子和酪氨酸羟基、－NH3+都是亲电基团。共价催化经常形成反应活性很高的共价中间物，将一步反应变成两步或多步反应，绕过较高的能垒，使反应快速进行。例如胰蛋白酶通过丝氨酸侧链羟基形成酰基-酶共价中间物，降低活化能。 4.微环境的作用 有些酶的活性中心是一个疏水的微环境，其介电常数较低，有利于电荷之间的作用，也有利于中间物的生成和稳定。如赖氨酸侧链氨基的pK约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心的赖氨酸侧链pK只有6左右。 以上几点都可加速反应，但每种酶不同，可同时具有其中的几种因素。 第四节 酶促反应的动力学 酶促反应的动力学是研究酶促反应的速度以及影响速度的各种因素的科学。动力学研究既可以为酶的机理研究提供实验证据，又可以指导酶在生产中的应用，最大限度地发挥酶的催化作用。 一、米氏方程 1.米氏方程的推导 米氏学说是1913年Michaelis和Menton建立的，认为反应分为两步，先生成酶-底物复合物（中间产物），再分解形成产物，释放出游离酶。经过Briggs和Haldane的补充与发展，得到了现在的米氏方程。 Ｓ＋Ｅ＝ＳＥ＝Ｐ＋Ｅ 对于上面的反应，首先有三点假设：第一，底物大过量，即[S]》[E]。第二，在反应初期，产物浓度极小，忽略逆反应即k-2=0；第三，稳态假设，即随着反应的进行，复合物的形成速度逐渐降低，分解加快，在某一时刻达到平衡，复合物的浓度为常数，这种状态称为"稳态"。体系达到稳态后，底物的消耗和产物的生成速度都是常数，且相等。经测定，酶加入体系后，在几毫秒之内即可达到稳态，所以我们测定的初速度通常是稳态速度。在产物积累较多之前，体系一直保持稳态，所以反应速度 v=k2[ES]。根据稳态假设，有k1[E][S]=(k-1+k2)[ES]，即[ES]=k1[E][S]/(k-1+k2)。定义(k-1+k2)/k1=Km，因为[E]= [E]0-[ES]，故[ES]= [E]0[S]/(Km+[S])。代入速度方程，得到v= k2[E]0[S]/(Km+[S])。因为当[ES]=[E]0时速度最大，所以Vm=k2[E]0。代入，得到下列米氏方程： v=Vm×[S]/(Km+[S]) 2.米氏常数的意义 米氏常数的物理意义是反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。其酶学意义在于，它是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶浓度无关。不同的酶其Km不同，同种酶对不同底物也不同。在k2极小时1/Km可近似表示酶与底物的亲和力，1/Km越大，亲和力越大。在酶的多种底物中，Km最小的底物叫做该酶的天然底物。 3.米氏常数的测定 从酶的v-[s]图上可以得到Vm，再从1/2Vm处读出[s]，即为Km。但实际上只能无限接近Vm，却无法达到。为得到准确的米氏常数，可以把米氏方程加以变形，使它相当于线性方程，通过作图得到准确的米氏常数。 双倒数作图法 将方程改写为 1/v=Km/Vm×1/[S]+1/Vm 实验时在不同的底物浓度测定初速度，以1/v对1/[S]作图，直线外推与横轴相交，横轴截踞为-1/Km，纵轴截踞为1/Vm。此法称为Lineweaver-Burk作图法，应用最广，但实验点常集中在左端，作图不易准确。 Eadie-Hofstee法 将方程改写为 v=-Km×v/[S]+Vm 以v对v/[S]作图，直线斜率为-Km。 4.其他动力学参数 Kcat/Km称为酶的专一性常数，它不受非生产性结合与中间产物积累的影响，可以表示酶对相互竞争的几种底物的专一性。生理条件下许多反应的底物浓度是很低的。在底物浓度很低时，v=（Kcat/Km）[E][S]，即Kcat/Km是表观二级速度常数。因为Kcat /Km=k3k1/（k2+k3），所以它小于k1，即小于酶和底物复合物生成的速度常数。它不是真实的微观速度常数，只有当反应的限速步骤是酶与底物的相互碰撞时，它才是真实的微观速度常数。扩散限制决定了速度常数的上限是108-109mol-1s-1，碳酸酐酶、磷酸丙糖异构酶、乙酰胆碱酯酶等都接近这一极限，说明他们的进化已经很完善。 反应级数：对于xA+yB=p的反应，其速度v=k[A]a[B]b，对底物A是a级，对底物B是b级，整个反应的级数是a+b级。反应分子数是指在最慢的一步反应中，参加的最低分子数目。它是指反应机制，必须是整数；而反应级数是通过实验测得的，可以是小数。根据米氏方程，当底物浓度远大于米氏常数时，v=Vm，是零级反应；反之，v=（Vm/Km）[s]，是一级反应。而中间部分则是混合级反应。 二、多底物反应的机制 许多酶催化的反应比较复杂，包含一种以上底物，它们的反应按分子数分为几类，单分子称为uni，双分子称为bi，三分子为ter，四分子为quad。较为常见的是双底物双产物反应，称为bi－bi反应： A+B→P+Q 目前认为大部分双底物反应可能有三种反应机理： 1.依次反应机理 需要NAD+或NADP+的脱氢酶的反应就属于这种类型。辅酶作为底物A先与酶生成EA，再与底物B生成三元复合物EAB，脱氢后生成产物P，最后放出还原型辅酶NADH或NADPH。 2.随机机理 底物的加入和产物的放出都是随机的，无固定顺序。如糖原磷酸化的反应。 3.乒乓机制 转氨酶是典型的乒乓机制，酶首先与底物A（氨基酸）作用，产生中间产物EA，底物中的氨基转移到辅酶，使辅酶中的磷酸吡哆醛变成磷酸吡哆胺，即EA转变为FP，然后放出产物P（α－酮酸），得到酶F，再与底物B（另一个酮酸）作用，放出产物Q（相应的氨基酸）和酶E。由乙酰辅酶A、ATP和HCO3-三个底物生成丙酰辅酶A的反应也属于乒乓机制。 三、影响反应速度的因素 （一）pH的影响 大部分酶的活力受pH值的影响，在一定的pH值活力最高，称最适pH。一般酶的最适pH在6－8，少数酶需偏酸或碱性条件。如胃蛋白酶最适pH在1.5，而肝精氨酸酶在9.7。 pH影响酶的构象，也影响与催化有关基团的解离状况及底物分子的解离状态。最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲溶液成分不同而变化，不是完全不变的。 大部分酶的pH-酶活曲线是钟形曲线，但也有少数酶只有钟形的一半，甚至是直线。如木瓜蛋白酶底物的电荷变化对催化没有影响，在pH4-10之间是一条直线。 （二）温度的影响 酶活随温度变化的曲线是钟形曲线，有一个最高点，即最适温度。温血动物的酶最适温度是35－40度，植物酶在40－50度。这是温度升高时化学反应加速（每升温10℃反应速度加快1－2倍）与酶失活综合平衡的结果。一般酶在60度以上变性，少数酶可耐高温，如牛胰核糖核酸酶加热到100度仍不失活。干燥的酶耐受高温，而液态酶失活快。 最适温度也不是固定值，它受反应时间影响，酶可在短时间内耐受较高温度，时间延长则最适温度降低。 热失活的活化能一般为50-100Kcal/mol，比一般反应的活化能高10倍，在30℃以下是稳定的。 （三）激活剂的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。大部分激活剂是离子或简单有机化合物。按照分子大小，可分为三类： 1.无机离子 可分为金属离子、氢离子和阴离子三种。起激活剂作用的金属离子有钾、钠、钙、镁、锌、铁等，原子序数在11－55之间，其中镁是多种激酶及合成酶的激活剂。阴离子的激活作用一般不明显，较突出的是动物唾液中的α淀粉酶受氯离子激活，溴的激活作用稍弱。 激活剂的作用有选择性，对另一种酶可能起抑制作用。有些离子还有拮抗作用，如钠抑制钾的激活作用，钙抑制镁。有些金属离子可互相替代，如激酶的镁离子可用锰取代。激活剂的浓度也有影响，浓度过高可能起抑制作用。如对于NADP+合成酶，镁离子浓度在5－10×10-3M时起激活作用，在30×10-3M时酶活下降。 2.中等大小有机分子 某些还原剂如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、氰化物等，能激活某些酶，打开分子中的二硫键，提高酶活，如木瓜蛋白酶、D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶等。另一种是EDTA，可螯合金属，解除重金属对酶的抑制作用。 3.蛋白质类 指可对某些无活性的酶原起作用的酶。 （四）抑制剂（inhibitor）的作用 使酶活力下降，但不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。能引起抑制作用的物质叫做酶的抑制剂。抑制剂与酶分子上的某些必需基团反应，引起酶活力下降，甚至丧失，但并不使酶变性。研究抑制作用有助于对酶的作用机理、生物代谢途径、药物作用机制的了解。抑制作用根据可逆性可分为两类：可逆抑制与不可逆抑制。 1.不可逆抑制(irreversible inhibition) 此类抑制剂通常以共价键与酶结合，不能用透析、超滤等方法除去。按抑制剂的选择性，又可分为专一性与非专一性不可逆抑制剂。前者只能与活性部位的基团反应，后者可与多种基团反应。如对活性部位基团的亲和力比对其他基团大三个数量级，即为专一性抑制剂。有时因作用对象及条件不同，某些非专一性抑制剂会转化，产生专一性抑制作用。常用来判断专一性的方法有：有底物保护现象、有化学计量关系，且作用后酶完全失活、与失活的酶不反应。 常见的不可逆抑制剂有： 2 ? ?有机磷化合物 可与酶中与酶活直接相关的丝氨酸上的羟基牢固结合，从而抑制某些蛋白酶及酯酶，是专一性抑制剂。此类化合物强烈抑制胆碱酯酶，使乙酰胆碱堆积，引起一系列神经中毒症状，又称为神经毒剂。二战中使用过的DFP及有机磷杀虫剂都属于此类。当有大量底物存在时，底物先与酶的活性部位结合，抑制作用就会减弱，称为底物保护作用。有机磷与酶结合后虽不解离，但有时可用肟化物（含-CH=NOH基）或羟肟酸把酶上的磷酸根除去，使酶恢复活性。临床上用的解磷定(PAM)就是此类化合物。 2 ? ?有机砷、汞化合物 与巯基作用，抑制含巯基的酶。如对氯汞苯甲酸，可用过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽解除。砷化物可破坏硫辛酸辅酶，从而抑制丙酮酸氧化酶系统。路易斯毒气(CHCl=CHAsCl2)能抑制几乎所有的巯基酶。砷化物的毒性不能用单巯基化合物解除，可用过量双巯基化合物解除，如二巯基丙醇等。它是临床上重要的砷化物及重金属中毒的解毒剂。 2 ? ?氰化物 与含铁卟啉的酶（如细胞色素氧化酶）中的Fe2+结合，使酶失活而抑制细胞呼吸。 2 ? ?重金属 银、铜、铅、汞等盐类能使大多数酶失活，可用螯合剂如EDTA解除。可能是与酶分子中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子。 2 ? ?烷化剂 主要是含卤素的化合物，如碘乙酸、碘乙酰胺、卤乙酰苯等，是一种非专一性抑制剂，可以烷化巯基，使酶失活。常用于鉴定酶中巯基。 2 ? ?自杀底物 以潜伏状态存在，与某些酶的活性中心结合后被激活，产生抑制作用。此类抑制剂有高度专一性，只有遇到靶子酶时才转变。也称为Kcat型专一性不可逆抑制剂。另一类专一性不可逆抑制剂称为Ks型，是底物类似物，如TPCK等。 2.可逆抑制 与酶的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶活。根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分为三种： （1）竞争性抑制 抑制剂结构与底物类似，与酶形成可逆的EI复合物但不能分解成产物P。抑制剂与底物竞争活性中心，从而阻止底物与酶的结合。可通过提高底物浓度减弱这种抑制。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。竞争性抑制剂使Km增大，Km'=Km×（1+I/Ki），Vm不变。 竞争性抑制最常见，磺胺类药物就是竞争性抑制剂，如对氨基苯磺胺。它与对氨基苯甲酸相似，可抑制细菌二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长繁殖。人体可利用食物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，所以对此类药物敏感。抗菌增效剂TMP可增强磺胺的药效，因为其结构与二氢叶酸类似，可抑制细菌二氢叶酸还原酶，但很少抑制人体二氢叶酸还原酶。它与磺胺配合使用，可使细菌的四氢叶酸合成受到双重阻碍，严重影响细菌的核酸及蛋白质合成。 植物中的某些生物碱如毒扁豆碱是胆碱酯酶的竞争性抑制剂，含季铵基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。 （2）非竞争性抑制 酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者没有竞争。但形成的中间物ESI不能分解成产物，因此酶活降低。非竞争抑制剂与酶活性中心以外的基团结合，大部分与巯基结合，破坏酶的构象，如一些含金属离子（铜、汞、银等）的化合物。亮氨酸是精氨酸酶的非竞争抑制剂，EDTA络合金属引起的抑制也是非竞争抑制，如对需要镁离子的己糖激酶的抑制。非竞争性抑制使Km不变，Vm变小。 （3）反竞争性抑制 酶与底物结合后才能与抑制剂结合，复合物不能生成产物。反竞争性抑制剂使Km和Vm都变小。 第五节 酶的调节 生物体通过调节酶的功能来控制代谢速度。酶的调节机制有两类，一是对酶数量的调节，另一类是对酶活性的调节。前者通过控制酶的合成与降解速度来控制酶量，作用缓慢而持久，称粗调；后者改变酶的活性，效果快速而短暂，称细调。 一、酶活性的调节 （一）变构调节 1.定义 有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶或别构酶（allosteric enzyme）。使酶活增加的效应物称为正调节物，反之称为负调节物。变构酶是寡聚酶，分子中除活性中心外还有别构中心（调节中心）。两个中心可在同一亚基，也可在不同亚基。有活性中心的亚基称为催化亚基，有别构中心的亚基称为调节亚基。别构效应也可扩展到非酶蛋白，如血红蛋白与氧结合的过程中也有别构效应。 2.分类 大部分别构酶的v-[S]曲线呈S形，与米氏酶不同。这种曲线表明酶与一分子底物（或效应物）分子结合后，其构象发生改变，有利于后续分子的结合，称为正协同效应。这种现象有利于对反应速度的调节，在未达到最大反应速度时，底物浓度的略微增加，将使反应速度有极大提高。所以正协同效应使酶对底物浓度的变化极为敏感。 另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线类似双曲线，在底物浓度较低时反应速度变化很快，但继续下去则速度变化缓慢。所以负协同效应使酶对底物浓度变化不敏感。 3.判断 有一些没有别构效应的酶也可产生类似的曲线，所以作图法不能完全作为判断别构酶的依据。可用Rs值（saturation ratio，饱和比值）([S]90%V/[S]10%V)来定量地区分三种酶：Rs等于81为米氏酶，大于81则有正协同效应，反之为负协同。更常用的是Hill系数法，以log(v/(Vm-v))对log[S]作图，曲线的最大斜率h称为Hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。 4.机制 齐变模型（M. W. C.）：认为酶分子中所有原子的构象相同，无杂合状态。在低活性的紧张态（tight，T）和高活性的松弛态（relaxed form，R）之间存在平衡，效应物使平衡移动，从而改变酶的活性。此模型不适于负协同的酶。 序变模型（K.N.F.）：认为各个亚基可以杂合存在，变构是由于配体的诱导，而不是因为平衡的移动。协同性取决于与配体结合的亚基对空位亚基的影响。此模型对两种酶都适用。 5.举例 （1）天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）： 这是嘧啶合成途径的第一个酶，受到CTP的反馈抑制，可被ATP激活。Asp、氨甲酰磷酸均有正同促效应，CTP有异促效应，可使酶的S形程度增大，即Rs值减小，CTP之间具有正协同作用，n=3。ATP使Rs增大，当达到饱和时即成为双曲线。ATP和CTP都只改变酶的亲和力，而不影响Vm。琥珀酸是天冬氨酸的类似物，在天冬氨酸浓度高时是竞争性抑制剂，而当天冬氨酸不足时则可模拟天冬氨酸的正调控变构作用而成为激活剂。 此酶共12个亚基，其中催化和调节亚基各6个。分子结构为2个C3中间夹着3个R2，活性中心位于两个催化亚基中间。别构中心位于调节亚基的远端，通过变构影响催化亚基的活性。 （2）磷酸甘油醛脱氢酶GDP 共四个亚基，Km1和Km2都较小，易与NAD＋结合，即在低底物浓度时反应较快；而Km3则增大了100倍，很难与NAD＋反应。这是由构象变化引起的。在生物体内，当NAD＋不足时可以保证酵解的进行，而当过NAD＋多时则供给其它反应，避免造成酸中毒。 （二）共价调节 这种调节是通过酶促共价修饰使其在活性形式与非活性形式之间转变。最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶，它催化糖原分解产生葡萄糖-1-磷酸。这个酶有两种形式：高活性的磷酸化酶a和低活性的磷酸化酶b。前者是四个亚基的寡聚酶，每个亚基含有一个磷酸化的丝氨酸残基。这些磷酸基是活性必需的，在磷酸化酶磷酸酶的作用下可水解除去，变成两个低活性的半分子：磷酸化酶b。磷酸化酶b在磷酸化酶激酶的催化下又可以接受ATP的磷酸基变成磷酸化酶a。 共价调节酶可以将化学信号放大。一分子磷酸化酶激酶可以在短时间内催化数千个磷酸化酶b，每个产生的磷酸化酶a又可催化产生数千个葡萄糖-1-磷酸，这样就构成了两步的级联放大。实际上这是肾上腺素使糖原急剧分解的更长的级联放大的一部分。 另一类共价调节酶是大肠杆菌谷氨酰胺合成酶等，它们接受ATP转来的腺苷酰基的共价修饰，或酶促脱去腺苷酰基而调节活性。此外，酶原的激活也是一种共价调节。 （三）酶原（proenzyme; zymogen）激活 消化道分泌的蛋白酶往往以无活性的酶原形式分泌，到达目的地时才被激活。这样可以避免对消化腺的水解。 胰凝乳蛋白酶原先被胰蛋白酶切割，产生π-胰凝乳蛋白酶，π-胰凝乳蛋白酶活性高，但不稳定，自相切割产生活性较低但稳定的α-胰凝乳蛋白酶。酶原激活后构象发生变化，形成疏水口袋，即有活性的酶。 胃蛋白酶原中已形成完整的活性中心，但酶原中有一段碱性序列与活性中心形成盐桥，将活性中心堵塞。在pH5以下时，酶原可自动激活，失去44个残基的前体片段。激活的酶还可再激活其它酶原。 胰蛋白酶原可被肠激酶激活，然后激活胰凝乳蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原及羧肽酶原。所以胰蛋白酶是胰脏蛋白酶原的共同激活剂。 酶原激活有时会切掉很多残基，如牛羧肽酶B激活时要从505个残基中切掉约200个残基。 （四）激促蛋白和抑制蛋白 钙调蛋白(C ? ?AM)与钙离子结合后可以结合到许多酶上，将其激活。视觉激动过程中的一个酶含有抑制亚基，当这个亚基可逆释放时，酶的活性增加。 二、酶数量的调节 （一）合成速度的调节 有一类酶称为诱导酶，是在细胞经特定诱导物诱导产生的。它的含量在诱导物存在下显著增高。诱导物一般是其底物或类似物。其他含量基本不变的酶称为结构酶。诱导酶在微生物中较多见，如大肠杆菌的半乳糖苷酶，在培养基中加入乳糖，则诱导产生，使细菌能利用乳糖。 结构酶和诱导酶的区分是相对的，只是数量的区别，不是本质的区别。酶的合成受基因和代谢物的双重控制。基因是形成酶的内因，但酶的形成还受代谢物的调控，诱导物可增加酶量，酶的产物也能产生阻遏作用，使酶的生成量大大减少。也就是说，代谢物可以控制酶的生成速度和数量。 （二）降解的控制 酶量还可通过加快或减慢酶分子的降解来调节，如在饥饿时，肝脏中的精氨酸酶降解速度减慢，酶量增多；乙酰辅酶A羧化酶降解加快，酶量减少。
